伺服驅動器散熱器的熱設計優化

史賢忠，杜佳星，劉纘閣，周武

（武漢邁信電氣技術有限公司，湖北武漢430223）

0 引言

隨著電子工業技術的發展，電子產品向著大功率密度、高效率的方向發展，以實現輕量化與小型化，各發熱元器件發熱量也隨之增加。而對大多數電子元器件而言，其失效率隨溫度的升高呈指數增長趨勢，據相關文獻統計，電子設備的失效有55%［1］是溫度過高所引起的。另據統計，對于系統而言，單個電子元器件的溫度升高10℃，系統的可靠性降低50%［2］。防止電子元器件的熱失效是熱控制的主要目標［3］。系統如何對設備內部發熱元器件進行散熱，保證系統正常運行，已成為設計人員必須要重點解決的關鍵問題。

采用數值模擬方法已經成為了結構設計人員進行熱分析的主要方式之一，該技術不僅能較好地模擬溫差作用下氣流的流動，而且對溫度場的模擬也可以達到較高的精度，這使得設計人員能夠通過數值實驗的方法方便地進行模型優化，以消除熱聚集帶來的影響，減少設計、生產、實驗的循環次數，大大降低了研發成本［4］。國內外許多公司和單位均采用此類軟件幫助新產品進行熱設計。如王堅等［5］對電子設備機箱的散熱肋數目和尺寸進行了優化；王萌等［6］針對高密度密封電子設備的機箱散熱片和芯片到熱板的尺寸進行了優化；趙地［7］采用熱分析軟件對某工作設備進行熱分析與設計。

在伺服驅動器中，散熱器發揮著散熱核心的作用，主發熱源均依靠其將絕大部分熱量散發到外界熱層中去。因此，散熱器的優化設計對整個產品的熱設計起著至關重要的作用。本研究將結合熱動力仿真分析和工程設計經驗的技術應用到伺服驅動器散熱器優化設計中，通過對比仿真分析的溫度場分布圖，優選出散熱器最佳設計方案。

1 問題描述

在伺服系統控制柜中，伺服驅動器的工作環境溫度為0～40℃。其主要發熱源包括1個逆變器和2個整流橋，采用散熱器自然對流對其進行冷卻散熱。在保證設備在最高溫工況下可靠工作的同時又要降低散熱器的重量及加工成本。

2 熱傳遞基本理論

熱量的傳遞有導熱、對流換熱及輻射換熱3種方式。在終端設備散熱過程中，這3種方式都有發生。3種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下公式計算：

（1）Fourier導熱公式：

（2）Newton對流熱換公式：

（3）輻射4次方定律：

式中：λ—導熱系數，W/m·K；α—對流換熱系數，W/m2·K；ε—表面輻射率；A—換熱面積，m2；Q—熱量，W；Th，Tc，Tw，Tair—高溫面、低溫面、固體壁面和流體的溫度，℃。

3 熱仿真分析

3.1 數值計算理論基礎

ICEPAK在處理層流傳熱問題時，其通過同時計算質量、動量以及能量傳遞方程這3組控制方程來求解Navier-Stokes方程。處理湍流傳熱問題時，其在3組控制方程上增加對應的附加方程進行求解，其中零式方程在通常情況下能取得較好的結果。以下是3組控制方程以及零式方程：

（1）質量守恒方程（針對不可壓縮流體）：

（2）動量方程：

（3）能量守恒方程：

（4）零式方程：

3.2 建模

根據設計要求，該新型伺服驅動器外形尺寸為L×W×H=200 mm×152 mm×20 mm。其結構形式主要包括一個散熱器、兩層PCB板、開孔塑料外殼及一個逆變器和兩個整流橋，逆變器和整流橋均緊貼著散熱器，塑料外殼為半包式，散熱器肋片裸露在箱體外部。使用3D軟件建立伺服驅動器簡化模型，為節約計算資源，箱體內部做了一定簡化。省去接線端子、微小發熱量的電子元器件等模型，簡化模型如圖1所示。

圖1 伺服驅動器簡化3D模型

3.3 設定初始條件及邊界條件

流體計算域設定為比箱體模型外圍尺寸單邊多出50 mm。設置分析類型為內部流動、固體導熱，流體介質為空氣，計算域邊界全部設為Opening，環境溫度為20℃。塑料外殼底部為自然對流進風口，側面為出風口。散熱器材料采用Al6063，導熱系數λ=209 W/m·K；塑料外殼材料采用ABS，導熱系數λ=0.25 W/m·K；PCB材料平面方向導熱系數λ=45 W/m·K，垂直方向導熱系數λ=0.3 W/m·K；逆變器和整流橋全部采用銅材料代替，導熱系數λ=387.6 W/m·K，其熱耗如表1所示。

表1 發熱元器件特征參數

3.4 仿真分析及優化

仿真分析著重于散熱器結構尺寸優化。通過調整散熱器基板厚度b、肋片間距l、肋片高度h以及肋片厚度δ等幾個關鍵尺寸來獲得仿真分析方案。首先通過矩形肋片優化出較優方案，再在此基礎上依據“當材料、熱換系數和肋基熱流量對肋基過余溫度之比相同時，三角形斷面重量只有矩形斷面的69%”［9］重要結論，結合加工工藝性，適當選取梯形斷面方案作為進一步優化方向，提出以下幾種優化方案，其中選取某原方案作為優化參考標準。散熱器肋片截面結構尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 散熱器肋片截面結構示意圖

（1）方案1：肋片間距l由6.2 mm縮小至5 mm；

（2）方案2：肋片間距l由6.2 mm縮小至4 mm；

（3）方案3：基板厚度b由4 mm增至5 mm；

（4）方案4：在方案3基礎上，保證重量不變的情況下，矩形肋片變形為梯形（擬合三角形）肋片，肋片根厚δ由1.5 mm增至2.1 mm，相鄰肋片夾角α由0°增至4.6°。

忽略溫度升高導致熱源熱耗大小、熱導率變化等非線性因素的影響，主要以熱源最高溫升作為比較對象。原方案及優化方案1～4散熱器與熱源溫度場分布圖分別如圖3～7所示。

圖3 原方案溫度場分布

圖4 方案1溫度場分布圖圖

圖5 方案2溫度場分布圖

圖6 方案3溫度場分布圖

圖7 方案4溫度場分布圖

本研究依據上述分析結果，提取各方案熱源最高溫溫升，如表2所示。

表2 各方案肋片結構尺寸與熱源最高溫溫升對照表

3.5 結果分析

（1）對比方案1、2分析結果與原方案可看出，在原方案肋片其他尺寸不變條件下，減小肋片間距、增大散熱面積反而使得溫升增加、散熱條件變差，其主要原因為肋片間距減小后盡管增加一定散熱面積，但肋片間空氣流動阻力增加，不利于散熱。

（2）對比方案3與原方案可知，增加基板厚度、增高肋片高度，使得最高溫升從86.5℃降低至81.9℃，效率提高了約5%。

（3）方案4相比方案3，同等體積、重量條件下，增加肋片根部厚度，減小肋片端面厚度，擬合接近三角形肋片，最高溫升降低至80.6℃，散熱效率提高了約6.8%。

（4）結合表1和表2可知，發熱電子元器件的最高工作結溫為125℃，而方案4最高溫升為80.6℃，結合40℃工作環境溫度，120.6℃的最高溫小于最高工作結溫125℃，滿足使用條件要求。

4 結束語

通過仿真分析軟件優化出矩形肋片尺寸，再結合“當材料、熱換系數和肋基熱流量對肋基過余溫度之比相同時，三角形斷面重量只有矩形斷面的69%”重要結論，獲得散熱效果更優的梯形（擬合三角形）肋片斷面設計方案，使得散熱效率提高了約6.8%。本研究方法在一定程度上降低了電子元器件溫升，提高了產品的可靠性，增加了產品的市場競爭力。

（

）：

［1］劉明安，董秋霞，陳碩.開式機箱電子設備熱設計的數值研究［J］.空軍工程大學學報：自然科學版，2005，6（2）：62-65.

［2］NELSON L A，SEKHON K S，FRITZ J E.Direct heat pipe cooling of semiconductor devices［C］//Proceeding of the 3th International Heat Pipe Conference，Palo Alto：［s.n.］，1978：373-376.

［3］邱成悌，趙淳殳，蔣全興.電子設備結構設計原理［M］.修訂本.南京：東南大學出版社，2002.

［4］袁亞輝.基于6sigma ET的某電子設備瞬態熱設計［J］.機械，2013，40（8）：36-39.

［5］王堅，徐國華.電子設備熱分析及優化設計［J］.廣東工業大學學報，2003，20（3）：54-63.

［6］王萌，徐曉婷.高密度密封電子設備熱設計及結構優化［J］.電子工藝技術，2006，27（6）：339-343.

［7］趙地.嵌入式計算機系統功耗散熱分析及優化設計［D］.西安：西安電子科技大學通信工程學院，2007.

［8］Ansys Inc.Icepak User's Guide［CP］.SASIPInc.，2011.

［9］余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設備熱設計及分析技術［M］.2版.北京：高等教育出版社，2001.