采用多齒肋片的電機控制器散熱器設計分析

陳 亮，張 超，宋 蔚，鞠鵬飛

(1. 天津理工大學天津市先進機電系統(tǒng)設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2. 天津理工大學機電工程國家級實驗教學示范中心，天津 300384；3. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300)

1 引言

新能源純電動汽車具有無尾氣排放，智能化，能效高等優(yōu)點，已經(jīng)作為我國汽車行業(yè)發(fā)展重點[1，2]。對于電機控制器的散熱器的輕量化和散熱性能設計，一直作為新能源汽車重要的設計核心。有資料說明，對電子產(chǎn)品溫升每降低1℃，其可靠性的失效率將降低4%[3]，因此電機控制器的散熱性能的研究設計對新能源汽車的整體可靠性起到關鍵性作用。

Hamdi[4]研究了在散熱器肋片之間增加多個小棱形齒，有效的改善了散熱，降低了材料成本。Chyi-Tsong等[5]通過遺傳算法對平板肋片散熱器進行了尋優(yōu)設計研究。劉蕾等[6]應用正交實驗響應面法進行梯形肋片參數(shù)的優(yōu)化設計，找到了設定條件下最優(yōu)散熱結(jié)果，并分析了不同參數(shù)的對散熱性能影響。曹茹[7]采取ANSYS Workbench的變分優(yōu)化技術，對梯形直肋散熱器進行了肋片參數(shù)尋優(yōu)。劉超等[8]通過搭建SiC MOSFET管散熱系統(tǒng)的熱阻模型，應用Matlab軟件優(yōu)化散熱器的參數(shù)，得出理論最優(yōu)值。申傳有等[9]對MOS管電機控制器的散熱設計進行了功耗計算、參數(shù)仿真分析和實驗驗證。Hamdi等[10]通過研究幾種溝槽及在不同尺寸參數(shù)對散熱器的層流和強迫對流散熱的影響，提高了努塞爾數(shù)，優(yōu)化了散熱器結(jié)構。江超等[11]通過理論計算和仿真，驗證了一款新型帶多齒的散熱器散熱性能。吳新淼等[12]運用ANSYS CFX仿真軟件研究了不同翅片參數(shù)變量對散熱性能的影響，并分析出較合理的翅片散熱結(jié)構。

2 原有光滑肋片散熱器設計

2.1 原有肋片散熱器結(jié)構尺寸

原有成型的電機控制器樣機中的肋片散熱器結(jié)構形式是采用的是光滑肋片排列，如圖1。

圖1 原有光滑肋片散熱器

散熱器原型的結(jié)構示意圖及幾何尺寸，如圖2所示。其中散熱器材質(zhì)為鋁合金6063，空氣入口方向為風速u的方向，光滑肋片肋片散熱器尺寸為：流向長度L=220mm，寬度W=180mm，基板厚度Hb=3.5mm，肋片的高度Hf=18.5mm，肋根厚度P1=1.5mm，肋頂厚度P2=0.9mm。

圖2 光滑肋片結(jié)構圖

2.2 MOS管功率損耗計算

本電機控制器系統(tǒng)應用的MOS管芯片在正常工作狀態(tài)下，發(fā)熱損耗主要來源于導通損耗和開關損耗，其它因素產(chǎn)生的損耗可以忽略不計[13，14]，在額定工況下進行損耗計算，MOS管芯片熱源的熱流密度為22286W/m2，每個MOS管芯片的熱功耗為10.52W。

3 多齒肋片散熱器設計

3.1 多齒肋片結(jié)構尺寸

本文采用多齒肋片結(jié)構進行改進設計，在光滑的肋片表面上增加小齒，從肋片頂端開始呈交叉分布，小齒的厚度c=1mm，小齒中心到肋片頂端的距離d=1mm，以4個參數(shù)(肋片單側(cè)的小齒的數(shù)量Np，小齒的間距a，小齒的高度b和肋片數(shù)量Ni)作為設計變量，對肋片散熱器進行多種參數(shù)組合設計，如圖3所示。

圖3 多齒肋片結(jié)構圖

3.2 多齒肋片網(wǎng)格劃分

采用ICEM進行網(wǎng)格劃分，ICEM是目前流行的CFD/CAE中具有高質(zhì)可靠性分析的專業(yè)的前處理器。本文中采用四面體劃分網(wǎng)格，ICEM中設置空氣域為240mm×60mm×500mm。邊界層網(wǎng)格總高度為0.5mm，壁面法向高度比為1.2，設置邊界層為6層。

3.3 多齒肋片結(jié)構計算設置

由于MOS管芯片被環(huán)氧樹脂外殼包覆，樣機的控制器箱體安裝在散熱器板上，MOS管芯片和PCB鋁基板密閉在箱體內(nèi)，以及考慮排除箱體內(nèi)部電容，銅排等器件會發(fā)少量熱量等復雜因素的影響。因此為了簡化仿真模型和苛刻的要求散熱器性能，各接觸面的設置如圖4。其中各接觸傳導面的面積熱阻均為0.001m2K/W。

圖4 不同域的接觸面剖視圖

仿真分析類型為穩(wěn)態(tài)模擬，根據(jù)產(chǎn)品技術協(xié)議的要求，本電機控制器的工作環(huán)境溫度范圍為-40℃～+55℃，因此選取最高的55℃為仿真分析的環(huán)境溫度，參考大氣壓為1atm。肋片散熱系統(tǒng)的雷諾數(shù)計算如下

目前國內(nèi)外對于難治性哮喘還沒有統(tǒng)一的定義。2010年中華醫(yī)學會呼吸病學分會哮喘學組將其定義為采用包括吸入性激素和長效β2受體激動劑(LABA)兩種或更多種的控制藥物規(guī)范治療至少6個月仍不能達到良好控制的哮喘[1]；2014年ERS/ATS工作組將其定義為在過去1年內(nèi)超過50%的時間應用全球哮喘防治創(chuàng)議(GINA)4～5級治療方案或全身激素以控制病情發(fā)展，或在上述治療下仍表現(xiàn)為未控制的哮喘[2]。在此背景下，多種治療難治性哮喘的新藥物和方法應運而生，其中BT作為首選非藥物方法被引入。

(1)

式(1)中，ρ代表空氣密度ρ=1.076kg/m3，u代表空氣域入口空氣的風速u=2m/s，空氣域的出口設置為靜壓0Pa，Dh代表散熱系統(tǒng)的水力半徑為Dh=0.064m，μ代表空氣的動力粘性系數(shù)μ=1.985×10-5Pa·s，計算得出雷諾數(shù)Re=6938。由經(jīng)典流體力學理論可知，當Re>2300，空氣運動狀態(tài)為湍流，考慮到肋片表面平滑，無旋轉(zhuǎn)和曲面流體，設置湍流模型為標準的工程通用兩方程k-ε湍流模型[15]。忽略空氣的可壓縮項，熱量傳輸模型選擇熱能方程，壁面均設置為無滑移壁面。差分格式為高精格式，收斂殘差類型為平均殘差，當各變量的平均殘差小于1.0×10-5時，即認為計算達到收斂。

3.4 網(wǎng)格無關性驗證

表1給出采用不同網(wǎng)格的全局網(wǎng)格尺度和網(wǎng)格數(shù)量時散熱器原型中MOS管芯片溫升的變化。由表可知，隨著全局網(wǎng)格尺度變小和網(wǎng)格數(shù)的增加，MOS管芯片溫升由網(wǎng)格1時的38.14K降低至網(wǎng)格5時的37.32K。相對而言，進一步增加網(wǎng)格數(shù)，溫升變化較小，因此可認為網(wǎng)格4條件下已滿足網(wǎng)格無關性的要求。

表1 不同網(wǎng)格參數(shù)時MOS管芯片溫升

4 方案仿真分析對比

在原有的光滑肋片兩側(cè)表面上增加小齒，小齒分布為交叉狀態(tài)，如圖3，通過改變肋片的小齒的數(shù)量Np，小齒的間距a，小齒的高度b和肋片數(shù)量Ni，將各變量進行多組參數(shù)組合進行散熱器肋片設計，改進設計各變量數(shù)值如表2所示，并分別為No.1-No.8進行命名。

改進設計的目的是在保持或降低原有樣機的芯片溫升性能的前提下，盡可能地實現(xiàn)肋片散熱器輕量化。為了評價改進設計方案與原設計方案的區(qū)別，本文采用MOS管芯片溫升減小百分比Tsub描述散熱特性，以肋片質(zhì)量減少百分比msub來描述肋片散熱器輕量化特性，其計算公式分別如下：

(2)

(3)

其中，T表示MOS管溫升，m為肋片質(zhì)量，下標new為改進設計，下標original為原設計。當Tsub為正值時，表示改進設計的MOS管芯片溫升小于原設計值，散熱性能增加；當msub為正值時，表示改進設計的肋片質(zhì)量減小，輕量化特征增加。

將所有改進設計方案(No.1-No.8)進行CFX仿真分析，計算得到的肋片性能Tsub和msub如表2所示。

表2 不同方案的參數(shù)仿真分析對比表

No.1方案的肋片散熱器在肋片單側(cè)增加5個小齒，空氣與肋片之間的對流散熱面積大幅增加，MOS管芯片的溫升下降13.1%，但同時肋片質(zhì)量增加了31.63%，導致無法達到散熱器的輕量化要求。相對于No.1方案，No.2方案中保證小齒數(shù)量不變，將小齒肋片的高度減小，使得肋片質(zhì)量增大值由No.1方案的31.63%減小至20.53%，但由于對流換熱面積稍微減小，MOS管芯片的溫升下降值稍有增大。No.3方案在保留No.2方案中小齒設計參數(shù)不變的條件下，將肋片散熱器的肋片數(shù)量減少至22個，從而使得肋片的質(zhì)量進一步減小，但由于對流換熱面積的減小導致MOS芯片的溫升增加?？偟膩砜矗琋o.1-No.3方案盡管散熱器的傳熱性能有所增加，但肋片的質(zhì)量也同時增加，不利用肋片的輕量化設計。No.4方案中將散熱器肋片數(shù)量進一步減少為18個，同時肋片單側(cè)的小齒數(shù)減少為3個，小齒的間距增大為5mm，散熱器肋片的重量較原設計減輕4.36%，但由于肋片上換熱面積減少較多，使得MOS管芯片的溫升稍高于原設計。

No.5方案與No.4相比，肋片數(shù)量減少了2個使得肋片間距變大，且小齒高度參數(shù)變大，散熱效果得到提高，散熱器肋片的輕量化進一步增強，相對于現(xiàn)有樣機肋片重量減輕了6.41%，MOS管芯片溫升低于原樣本約1%。圖5和圖6分別為原光滑肋片和No.5方案的MOS溫升云圖，可以看出N.o5方案相比原光滑肋片溫升要低。圖7和圖8分別為原光滑肋片和No.5方案的肋片的壁面換熱系數(shù)云圖，可以看出圖8中的肋片的小齒區(qū)域內(nèi)明顯地加強了壁面換熱系數(shù)值。

以No.5方案為基礎，逐漸減小肋片上小齒的高度至b=2.0mm(No.8方案)、b=1.5mm(No.9方案)，盡管重量得以進一步減輕，但由于對流換熱面積的減小，使得MOS管芯片的溫升高于原設計。No.8方案中小齒的幾何尺寸、個數(shù)和位置均保持不變，僅將肋片數(shù)減小到14個，盡管肋片重量減輕，但同時散熱器的換熱性能減弱，導致MOS管芯片的溫升高于原設計約9.08%。

綜上可知，通過多次調(diào)整肋片數(shù)、肋片單側(cè)小齒數(shù)、小齒高度、小齒間距，分析結(jié)果表明No.5方案為本文所有研究方案中的最佳方案，該方案不僅實現(xiàn)了MOS管芯片溫升下降，同時實現(xiàn)了肋片總重量的減輕。

圖5 原光滑肋片的MOS溫升云圖

圖6 No.5方案的MOS溫升云圖

圖7 原光滑肋片的壁面換熱系數(shù)云圖

圖8 No.5方案的肋片壁面換熱系數(shù)云圖

5 結(jié)論

通過在原有的光滑肋片上增加小齒，進行多組參數(shù)組合對比分析。

1)相對于原有的光滑肋片結(jié)構，多齒肋片結(jié)構增加了肋片對流散熱的表面積和換熱系數(shù)，肋片的整體散熱性能得到提升，同時單個肋片的重量也相應的增加。

2)通過采取減少肋片的數(shù)量和改變小齒的尺寸參數(shù)的方法，來實現(xiàn)肋片散熱器的輕量化。最終通過多組數(shù)值仿真分析對光滑肋片進行了設計對比，在相同的工況和保持原有的散熱性能的情況下，重量輕化了6.41%。