基于Fluent的物聯網技術電控箱熱失效的分析及優化

文/陳國磊 白順平

隨著科學技術的不斷發展，物聯網技術已經開始逐漸進入我們的日常生活，進入二十世紀以來，中國就已經開始了圍繞物聯網技術進行的創新和改革。伴隨著人工智能技術的迅速發展，物聯網技術的應用領域也越來越廣泛。物聯網技術充分體現了“互聯網+”真正內涵，從而實現了對象之間的連接和資源共享。例如，共享自行車的問世使物聯網技術成為一種清晰且有價值的使用場景，而物聯網技術使共享自行車成為可能，從而獲得了巨大的市場份額和經濟效益。但是，物聯網技術并不是特別完美，它的功能應用程序中需要使用其他技術來改進物聯網在整個系統的應用。

1 物聯網技術的應用

1.1 物聯網技術在智能物流上的應用

隨著物聯網技術的發展，物聯網技術在智能物流中的使用為貨物的運輸以及運輸路線提供了科學的數據庫。它還可以檢測物流信息，并協助監管者進行安全檢查。物聯網技術可以實施車輛系統管理和倉庫貨物的自動化管理。通過物聯網技術可以將智能物流的各種參數傳遞到相關部門和公司，實現物流信息的共享，為解決物流問題提供有效的參考信息，并將改善智能物流的作業環境。

1.2 物聯網技術在智能工業上的應用

物聯網技術使工業生產的智能化管理成為了可能，它使用遠程信息處理技術來實現遠程工業監控，實施以一線員工為中心的遠程咨詢，以及為進入生產車間的人員提供便捷的服務系統。使用物聯網技術也能夠識別每種生產原材料的類型，可以使技術人員更輕松地查詢零部件信息以及產品的生產信息，以防止假冒。

1.3 物聯網技術在交通運輸上的應用

在道路交通中，物聯網主要使用圖像識別技術來標記車輛，檢測交通流量以及收集和傳輸非法車輛信息。快速識別和分析交通管理部門的工作數據信息，以方便交通管理部門處理交通事故和進行道路交通管理。

2 物聯網技術電控箱熱失效分析

2.1 物聯網技術電控箱的生熱機理

電控箱內電氣元器件在工作的過程中，會產生熱量熱量的積聚，物聯網設備功率越大，電控箱內電氣元器件的生熱現象就越明顯。一般情況下，我們將電控箱電氣元器件生熱來源主要歸納為焦耳熱Qj、反應熱Qr以及極化熱。

2.1.1 焦耳熱

焦耳熱主要是指電控箱內電氣元器件在工作的過程中，電阻做功產生的熱量。通常用Rj表示焦耳內阻，焦耳熱Qj的表達式是：

式中：I—電流大小，A；

Rj—焦耳內阻，Ω。

2.1.2 反應熱

反應熱是指電控箱內電氣元器件在工作的過程中，電氣元器件材料內部的化學分子在反應的過程中產生的熱量，反應熱Qr的表達式是：

式中：n—電荷數；

F—法拉第常數，96485.4C/mol；

T—開氏溫度，K；

E—電動勢數值，V。

2.1.3 極化熱

極化熱是指電氣元器件在電流的影響下出現不均勻的現象，使正極和負極的電位失去平衡，從而出現的熱量，極化熱Qp的表達式是：

式中：Rp—極化內阻，Ω。

電控箱內電氣元器件生熱量Q 可以表示為：

2.2 熱力循環計算

物聯網技術電控箱熱力循環過程p-h 圖如圖1所示。

物聯網技術電控箱的熱力循環計算：

單位質量制冷量：

單位容積制冷量：

單位理論功：

壓縮機軸功率：

電動機的功率：

熱力完善度：

圖1：物聯網技術電控箱熱力循環過程p-h 圖

2.3 電控箱模型的建立及網格劃分

電控箱是物聯技術實現的基礎，電控箱內具有多種類型的電氣元器件，主要有變頻器、變壓器、電容、繼電器、電機、信號發射器、CPU 等。由于物聯網一直處于高負荷狀態工作，電氣元器件容易由于溫度過高，而發生失效的現象。本文采用SolidWorks 三維建模軟件對電控箱進行模型的建立，由于主要進行熱失效的分析，因此忽略了不受溫度影響的元器件，并為了方便有限元仿真，對電控箱不必要的特征進行了簡化；電控箱的三維模型建立完成之后，接下來要進行網格劃分工作，本文采用ANSYS 內的mesh 進行電控箱模型的網格劃分，網格的類型為結構化網格，劃分完成后的網格數為216825。

2.4 邊界條件的設置及求解計算

假設電氣元器件的發熱功率為20W/m3，電控箱的自然冷卻的散熱效率為5W/m2，在環境溫度為25℃和40℃的情況下，分別研究物聯網技術電控箱的溫度分布云圖。

在環境溫度為25℃的情況下，物聯網技術電控箱的最高溫度為40℃，最高溫度分布在發熱量較大電氣元器件處，此時環境溫度較為適宜，電氣元器件出現熱失效的可能性較低。

在環境溫度為40℃的情況下，物聯網技術電控箱的最高溫度為56℃，最高溫度分布在發熱量較大電氣元器件處，此時環境溫度較為炎熱宜，電氣元器件非常容易出現熱失效的問題，若不對電控箱進行有效的散熱，將會導致物聯網技術無法正常實施。

采用TEC 半導體制冷，在環境溫度為25℃的情況下，物聯網技術電控箱的最高溫度為32℃，最高溫度分布在發熱量較大電氣元器件處，此時環境溫度較為適宜，電氣元器件出現熱失效的可能性較低。

采用TEC 半導體制冷，在環境溫度為40℃的情況下，物聯網技術電控箱的最高溫度為42℃，最高溫度分布在發熱量較大電氣元器件處，此時環境溫度較為炎熱宜，電氣元器件依然得到了有效的散熱，不會發生熱失效問題，物聯網技術可以正常實施。

3 結束語

綜上所述，物聯網技術的發展給我們的日常生活帶來了很大的便利，物聯網的電控箱是保證物聯網技術正常實施的基礎，若電控箱內的電氣元器件發生熱失效問題，會導致電控箱無法正常工作，因此要注意物聯網技術電控箱的散熱問題，保證物聯網技術健康穩定發展。