伺服驅動器熱設計研究

章曉沛，余淑慧，王堯

(1.東方電氣集團中央研究院，四川成都，611731；2.東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

伺服驅動器熱設計研究

章曉沛1，余淑慧2，王堯2

(1.東方電氣集團中央研究院，四川成都，611731；2.東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

為了驗證伺服驅動器的風道設計、通風孔開孔率是否合理，確定風扇型號及其布置方式，文章對伺服驅動器熱系統設計的具體步驟進行了闡述。建立了伺服驅動器的物理模型，并采用散熱仿真技術對伺服驅動器內部通風換熱情況進行了數值仿真。

伺服驅動器，散熱仿真，熱設計

0 引言

隨著電力電子設備內部元器件熱功耗和熱流密度的不斷增加，熱設計越來越成為電力電子設備設計的關鍵技術和突破難點。據統計資料顯示，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性降低10%，且電子設備的失效有55%是由于溫度超過允許最高溫度引起的。為防止高溫引發的電子產品失效，必須對電力電子設備采用合理的散熱技術。

現代企業市場競爭激烈，電力電子設備研發周期短、難度高。傳統的熱設計方法依靠經驗設計，通過對樣機進行試驗和測試以優化設計的方式，極大地增加了制造成本和設計風險。通過構造虛擬樣機，借助于以計算流體動力學為核心的散熱仿真軟件，幫助結構設計師在設計階段優化電力電子內部結構，選擇合理散熱方式，提高系統換熱性能。從而，縮短研發周期，降低研發成本和制造成本，保證電力電子設備穩定可靠地工作。

本文以伺服驅動器研發過程為例，利用散熱仿真技術，分析風道設計、風扇選型、通風孔和風扇的布置方式，說明散熱仿真技術對提高產品可靠性的優勢。

1 電力電子設備熱設計技術簡介

如何控制電子元器件的節點溫度，使之在允許的工作溫度范圍內工作，防止電子元器件的熱失效問題，是電力電子設備熱設計的主要目標。其主要設計思路是根據電子元器件的最大熱耗功率和允許的最高工作溫度，確定電力電子設備應采用的散熱方式、冷卻劑類型、冷卻劑流量、入口溫度和散熱通道等，在熱源和環境之間，找到一條盡可能低的熱阻通道，以滿足設計需求。

電力電子設備熱設計技術經過多年發展，目前可采用的成熟且使用的技術主要包括：空氣自然對流冷卻技術、空氣強迫對流冷卻技術、液冷板冷卻技術、相變冷卻技術、熱電制冷技術及熱管技術等等。在實際熱設計過程中，可根據發熱功率、允許溫升、冷卻設備體積限制、制造成本等因素綜合考慮選用合適的冷卻方式。

2 電子設備熱設計技術最新發展

現代電子、計算機和光學技術的飛速發展，為超高熱流密度設備的產生提供了強有力的技術支撐。不僅如此，這些具有超高熱流密度的設備往往要求安裝在狹小空間內。常規的冷卻技術已經遠遠無法適應電力電子設備的熱設計需求，研究和發展新型高效的電子冷卻技術，在國際上已經成為工程熱物理領域的研究熱點和難點。目前，國內外正在采用和研究的先進冷卻技術包括微尺度換熱器技術、納米流體強化傳熱研究、毛細抽吸兩相流體回路技術研究等等。

2.1 微尺度換熱器技術研究

在普通的數字電路設計中，低速芯片的熱耗一般很低，自然冷卻即能滿足其散熱需求。然而，隨著微電子技術和大規模及超大規模集成電路的迅速發展，電子元器件的微型化、電路芯片單位表面積上熱流密度的急劇增加，都給現代電子元器件冷卻技術提出了更高要求和嚴峻的挑戰。微尺度換熱器就是為適應這種要求而發展起來的一種新型高效冷卻技術。

微尺度換熱器的尺寸僅有微米級甚至更小，大多具有微型槽或者微型管結構。其主要特征包括：一是利用微型槽或微型管的毛細抽吸作用，達到強化傳熱的目的；二是單位體積的傳熱面積大，高達5 000 m2/m3以上。微槽道散熱器和微尺度換熱器結構示意圖如圖1～2所示。

圖1 微槽道散熱器結構

圖2 微尺度換熱器結構

2.2 納米流體強化傳熱研究

航空航天器上有一系列具有高熱流密度的電力電子設備，通常采用液冷方式進行冷卻。由于航空航天特殊的環境要求，其采用的液體傳熱工質要求冰點低、比熱容大、黏度小、腐蝕性小和無毒的化合物，但這類工質的導熱系數一般都很低。例如，在航天器上采用的一種液體工質，其導熱系數在10℃時為0.137 W/(m·℃)，僅是相同溫度下水導熱系數的22%。研制高導熱系數、傳熱性能好的高效新型換熱工質以滿足航空航天電力電子設備高負荷傳熱要求顯得越發重要。

固體粒子的導熱系數比液體大幾個數量級，在液體傳熱工質中添加金屬、非金屬或聚合物固體粒子是提高液體導熱系數的一種有效方式。在20世紀90年代以前，研究僅限于用毫米或微米級的固體粒子懸浮于液體中。但是這些粒子在實際應用中易于沉降，無法形成長期穩定的懸浮液系統，且容易導致磨損、堵塞管道等不良后果。

20世紀90年代以來，納米材料科學迅猛發展，研究人員開始嘗試將納米級粒子加入液體中形成納米流體冷卻工質。美國Argonne國家實驗室Choi等人，在水中添加不到5%體積比的氧化銅納米粒子，形成的納米流體導熱系數比水提高了60%以上。我國南京理工大學一個研究小組在航天用液體工質中添加一定比例的Cu納米粒子，形成的納米流體導熱系數比原純液體提高了約45%。

2.3 毛細抽吸兩相流體回路 （CPL）技術研究

CPL工作原理圖如圖3所示，CPL主要由蒸發器、冷凝器、貯液器以及各種氣、液聯管組成。當外部熱負荷加于蒸發器時，熱量通過管壁傳入毛細芯內的工作介質，工作介質受熱蒸發，蒸汽通過蒸汽聯管流向冷凝器。蒸汽在冷凝器凝結并放出汽化潛熱，熱量通過管壁傳遞到外部熱沉（如輻射器）排散。在冷凝器凝結下來的工作液體通過管道流回蒸發器。在此處，液體繼續吸熱蒸發流動，循環工作，連續有效地把熱量傳輸到熱沉。與傳統的單相流體回路系統相比，CPL具有良好的傳熱性能、無運動部件、系統的運行無需消耗動力、工作安全可靠等優勢。

圖3 CPL工作原理圖

3 伺服驅動器熱設計問題描述

3.1 物理模型

利用三維建模軟件，對伺服驅動器進行虛擬樣機的設計，其結構外形如圖4所示。伺服驅動器的熱控制采用強迫風冷換熱方案，在機殼一側安裝風扇，氣流在風機的抽吸作用下由進風口進入驅動器內部，帶走功率器件所產生的熱量，最后經出風口耗散至外部環境形成循環。

圖4 伺服驅動器模型

3.2 設計約束條件

3.2.1 工作環境

伺服驅動器所處的工作環境，其最高環境溫度為45℃。

3.2.2 發熱元器件

伺服驅動器內部主要功率元器件為電感，它主要由繞線磁芯、導熱膠和外殼3部分組成。其中，繞線磁芯為鐵硅鋁磁粉芯，材料組成為6% Al，9%Si和85%Fe。外殼材質為覆鋁鋅板。導熱膠的導熱系數為0.808 W/m·k。電感的熱耗值為10 W，瞬時1～2 ms可達90 W。

3.2.3 設計目標

通過合理設計伺服驅動器的風道、通風孔位置、通風孔開孔率、風機選型等，使得環境溫度為45℃時，電感表面最高溫度低于85℃。

4 伺服驅動器熱設計方法

4.1 伺服驅動器風機的選擇

強迫風冷的風機有2種類型：離心式風機和軸流式風扇。離心式風機的主要特點是：風壓大、風量集中，一般占用空間較大，適用于單元內熱量分布不均勻，風阻較大的元器件較多的情況。軸流式風扇的主要特點是：風量大、風壓小，風量分布比較均勻，一般占用的空間小。

由于伺服驅動器體積較小，結構相對簡單，風道阻力較小，綜合考慮，選定的風機類型為風量大、風壓小，占用空間小的軸流式風扇。

4.1.1 電壓約束

供電電壓為24 VDC。

4.1.2 風機尺寸約束條件

伺服驅動器風扇尺寸約束條件是：高度方向（Y方向）允許的最大尺寸為71.65 mm；深度方向（X方向）允許的最大尺寸為86 mm，且須保證風扇入口至少預留1/6風扇直徑的距離。由此，最大可選風扇尺寸為60 mm×60 mm×25 mm。

根據ebm風扇選型手冊，初步選擇614NHH或614NGHH風扇。這2款風扇的風壓曲線及風量參數完全相同，區別在于614NHH為滾珠軸承，614NGHH為含油軸承，綜合考慮成本及風扇壽命需求，擬選擇ebm614NGHH型號風扇進行散熱仿真。

ebm614NGHH型號風扇的風量風壓曲線如圖5中紅色標識曲線所示，風量為33 CFM。

圖5 ebm614NGHH型號風扇的風量風壓曲線

4.1.3 風扇工作方式選擇

軸流式風扇的工作方式分為抽風和吸風2種。對風扇分別針對抽風和吸風2種工作方式進行散熱仿真，其仿真結果如圖6～7所示。由仿真結果可見，在其他約束條件相同的情況下，風扇抽風時，電感表面最高溫度為60.7℃；風扇為吸風狀態下，電感表面的最高溫度為86℃。

圖6 風扇抽風散熱仿真結果

圖7 風扇吸風散熱仿真結果

根據以上散熱仿真結果，選擇風扇工作方式為抽風方式，這種工作方式可以使功率器件電感的溫度更低。

4.1.4 風扇位置設計

根據伺服驅動器已有的結構設計約束，風扇的位置在深度 （X方向）和高度 （Y方向）的位置已定，分別為X：366 mm，Y：95 mm。Z方向的初始位置定為75 mm，可往正方向調整，可變動范圍為75～145 mm。利用散熱仿真軟件，將Z方向位置作為變量，進行參數化最優設計。其散熱仿真結果如圖8所示。由散熱仿真結果對比可見，風扇放置在離電感最近、風道最簡潔處，即Z方向75 mm處散熱效果最優。

圖8 風扇在Z方向位置為75～145 mm處變動時散熱仿真結果

綜上所述，風扇選型為ebm614NGHH型號軸流式風扇，其布置位置為X：366 mm，Y：95 mm，Z：75 mm。

4.2 風道設計

根據風扇選型，風道設計為進風口位于風扇對側，出風口位于風扇同側。通風孔開孔率初步設計為40%，以此對伺服驅動器進行散熱仿真分析。

5 伺服驅動器散熱仿真分析

根據虛擬樣機設計，利用專業的散熱仿真軟件，對伺服驅動器進行散熱仿真。

5.1 強迫對流散熱仿真分析

強迫對流散熱仿真結果詳見圖9～11。由仿真結果可見，最大風速為7.69 m/s，電感表面最高溫度為60.73℃，滿足散熱設計需求。40%的通風孔開孔率滿足散熱器需求。

圖9 強迫對流風速云圖 （中面）

圖10 強迫對流風壓云圖 （中面）

圖11 強迫對流溫度云圖

5.2 自然對流散熱仿真分析

根據車間實際溫度，設置仿真環境溫度為15℃，自然散熱，電感最高溫度為73.74℃，40%通風孔開孔率，風速為2.11 m/s。自然對流仿真分析可作為打樣電感場內實測的參照。

自然對流散熱仿真結果參見圖12～13。

圖12 自然對流溫度云圖

圖13 自然對流風速云圖

6 結論

利用專業散熱仿真軟件，對伺服驅動器的虛擬樣機進行散熱仿真分析。根據仿真結果、分風扇，采用抽風的工作方確定了最優的伺服驅動器熱設計方案：選用ebm614NGHH型號，風扇安裝在Z75 mm處。氣流在風機的抽吸作用下由對側進風口進入驅動器內部，帶走功率器件所產生的熱量，最后經風機同側的出風口耗散至外部環境形成循環。通風孔的開孔率為40%。在這種結構設計方式下，當伺服驅動器環境溫度在45℃時，功率器件電感的最高溫度為60.73℃，滿足熱設計需求。

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Study on Thermal Design of Servo Driver

Zhang Xiaopei1，Yu Shuhui2，Wang Yao2

（1.Central Research Academy of DEC,Chengdu Sichuan,611731;
2.Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to validate whether the air duct design and vent opening rate of the servo driver is reasonable,determine the fan's model and arrangement,this article introduces detailed steps of servo driver's thermal system design.The physical model of servo driver is established and the thermal simulation technology is adopted to do the numerical simulation of servo driver.

servo driver,thermal simulation,thermal design

TN602

A

1674-9987（2015）03-0069-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.016

章曉沛 （1990-），女，碩士，2012年畢業于香港理工大學機械工程專業，現在中國東方電氣集團有限公司中央研究院智能裝備與控制技術研究所從事機械系統研究工作。