基于Flow Simulation的高频电源散热器优化分析

　　功率器件在现代工业设备中得到了广泛应用，如高频电源、脉冲电源、变频器等。随着科学技术水平不断提高，功率器件进一步趋于小型化，且性能更加优越，但单位体积的功耗也不断增加，故工程设计中需对器件的散热进行设计、校核、优化，以确保其在稳定的工作温度范围内。

　　同时，随着计算机技术和计算流体力学（CFD）软件的发展，CFD软件被广泛应用到工程设计、优化中。

　　本文应用FlowSimulation对某公司研制的型号为TM-HFHV高频电源进行流体仿真分析，得到原散热器散热效果，在此基础上优化散热器鳍片高度、鳍片间距、鳍片厚度，从而保证功率器件在稳定工作温度范围内，并使散热器单位质量散热效率大幅提高。

　　1建立仿真模型在SolidWorks中建立高频电源风箱、散热器以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、整流桥等功率器件模型，如所示，整流桥和IGBT安装于散热器上，风箱安装于散热器背侧，抽风机安装于散热器底部。整流桥和IGBT产生的热量通过热传导方式传递至散热器，然后通过强迫风冷方式传递至外界环境中。

　　2仿真参数设置进入风箱的温度约为40，风扇为某厂制造的DF- 7离心风机，其性能曲线如所示，风箱进口处为一开孔率为0.15的多孔板，整流桥和IGBT在峰值功率下的发热功率分别为30W和250W，使用Hi-Flow115-AC10psi型导热硅片，热阻为3x10-5Km2/W；散热器粗糙度表1仿真参数的设定仿真参数设置值初始静压/Pa初始温度/K湍流强度/湍流水力半径/m流体类型空气散热器材质铝IGBT材质氧化铝整流桥材质氧化铝风箱出口DF-7离心风机多孔板开孔率整流桥发热功率/W IGBT发热功率/W散热器与发热源（整流桥和IGBT）热阻/（Km2W-）散热器与空气/（Km2W-）整流桥高温度散热器高温度眍片高度/mm（a高温度关于鳍片高度的变化曲线鳍片数目/个高温度关于鳍片数目的变化曲线鳍片厚度/mm（C高温度关于鳍片厚度的变化曲线元器件温度变化曲线为Ra0.25，与空气的热阻为1.8x10-5K.m2/W.仿真参数设表2稳态下风扇流量及元器件温度定如表1.风扇出口体积流量/（m3-si高温度为322.86K，整流桥高温度为320.81K，散热器高温度为317.92K.稳态下风扇流量及兀器件温度如表2.散热器正面温度分布云图和侧面温度分布云图如所示。

　　由正面温度分布云图可知，散热器高温度集中于中间4个IGBT处，散热器上部及右下温度低。由侧面温度分布云图可知，散热器鳍片温度沿翅高方向从外到内逐渐增大，并有一半面积处于低温区域。

　　4散热器散热效果分析及优化此散热器原鳍片高度为165mm，厚度为1mm，鳍片数目为55，由于散热器的散热效果和鳍片高度、鳍片数目（鳍片间距）、鳍片厚度有关，所以需要从这三个方面分别来考察它们对散热器散热效果的影响：：鳍片高度对散热效果的影响。保持鳍片数目和鳍片厚度不变，鳍片高度从5mm变化到165mm，每隔10mm求解一次。2鳍片数目对散热效果的影响。保持鳍片高度和鳍片厚度不变，鳍片数目从0变化到65，每隔5个鳍片数目求解一次。3）鳍片厚度对散热效果的影响。保持鳍片高度和鳍片数目不变，鳍片厚度从0.5mm变化到1.5mm，每隔0.1mm求解一次。

　　仿真结果见，从可以得到：1）元器件温度随散热器鳍片高度的增加而降低，并且当鳍片高度超过55mm后，温降幅度很小；当鳍片高度超过95mm后，温降几乎为0K.2元器件温度随散热器鳍片数目的增加（鳍片间距减少）而降低，并且当鳍片数目超过30后，温降幅度很小；当鳍片数目超过50后，温降几乎为0K.3元器件温度随散热器鳍片厚度的增加而降低，鳍片厚度从0.5mm变化到1.5mm，元器件温降不超过2K并且温降亦趋平缓。

　　由以上分析可知，对散热器散热效果影响大的因素为鳍片高度和鳍片数目（鳍片间距>，当鳍片高度从5mm变为95mm时，降温幅度超过20K当鳍片数目从5变为50时，降温幅度超过19K虽然鳍片厚度也影响散热性能，但和前两者相比，几乎可以忽略不计，而且当鳍片厚度增加时，散热器质量急剧增大。综上所述，散热器优化方案应该从鳍片高度和鳍片数目（鳍片间距入手，兼顾散热余量和制造成本，故现将鳍片高度由165mm改为100mm，鳍片数目由55改为50.对改进后的模型再进行一次仿真分析，终得到稳态下：风扇出口流量为0.2717m3/s，IGBT高温度为323.75K整流桥高温度为321.62K散热器高温度为318.81K综合表2得到表3.改进后散热器侧面温度分布云图如所示。

　　表3改进前后结果对比对比项目改进前改进后增量风扇出口体积流量/ IGBT取高温度/K整流桥高温度/K散热器高温度/K散热器质量/kg后风扇流量增加了2.72，而IGBT、整流桥、散热器的温升不超过1K.再对比改进前后散热器的质量，由26.24kg下降到19.69kg，下降了24.96，降幅非常明显。从可以清楚看到，散热器鳍片温度分布较改进前均匀很多，没有出现大片低温区域，即单位面积散热效率更高。

　　5结论本文对某高频电源散热器进行了CFD分析，得到了散热器的温度场及各元器件的温度，比较并分析了散热器在不同鳍片高度、鳍片数目、鳍片厚度条件下的散热效用MmxWind和FESafe软件对风电齿轮箱行星架分析高宏兴，周红梅，洪雪波（宁波东力股份有限公司，浙江宁波315033）ANSYS求解得到6种工况结果0引言齿轮箱疲劳寿命是关系到齿轮箱整体寿命的一个重要的问题。疲劳强度直接影响整个风电齿轮箱的使用寿命，提前对齿轮箱这一关键零部件进行疲劳评估，可以有效预防齿轮箱发生疲劳失效。

　　为了能准确得到极限载荷在行星架上的力和力矩的分配，我们在RomaxWind12.6.3中建立整个传动系统模型，导入主轴、行星架、扭力臂、箱体的有限元模型，并考虑齿轮箱弹性支撑刚度，如所示。通过RoamxWind的计算分析，得到行星架上各处的受力情况和边界条件，可以导出为ANSYS的。CDB格式文件。

　　2提取载荷疲劳计算需要静态计算结果，为了计算的准确性，同样采用RomaxWindl2.6.3、ANSYS12.1来分析。疲劳损伤由FE-safe计算。计算中读入FE-safe中进行计算的应力张量，主要分为：模型在六自由度载荷下的应力张量和由收缩盘引起的应力张量两部分。

　　2.1六自由度载荷下的应力张量设定六种载荷工况每种工况只施加一种载荷，如表1.果，得出如下结论：1）散热器鳍片高度、鳍片数目、鳍片厚度都对散热效果产生影响，相比鳍片厚度，前两者对散热器散热效果影响较大。2随着鳍片高度和鳍片数目的增加，散热效果逐渐增强，但超过一定数值之后，影响甚微。3）本散热器通过合理优化，可以保证在散热效果不降低的情况下，降低重量约25.。电子机械工杨湘洪，郑艳妮，厉春元。翅片热板散热器的设计。机械研究陈超祥，胡其登。SolidWorksSimulation教程。北京：机械工业出版社，2013：132-144.教程。北京：机械工业出版社，2013：32-72.（编辑昊天）化，大气净化，计算机辅助工程等。