電機(jī)控制器的熱效應(yīng)模擬研究

胡欲立，楊樹森

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

Thermal Analysis Simulation Studies of Motor Controller

HU Yuli，YANG Shusen

(School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

摘要：電機(jī)控制器本身主要由多個(gè)電子元器件構(gòu)成。在一個(gè)封閉空間里，長時(shí)間的航行導(dǎo)致各個(gè)電子元器件散發(fā)的熱量堆積，空間溫度升高，影響各電子設(shè)備的工作有效性，有可能導(dǎo)致電機(jī)失效。對(duì)某型號(hào)電動(dòng)力水下航行器的電機(jī)控制器進(jìn)行熱分析，以驗(yàn)證其工作的有效性，通過模擬不同航速下航行器的運(yùn)行情況并進(jìn)行熱分析，確保了電機(jī)控制器工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制器；電子元器件；熱分析；可靠性

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0015-03

收稿日期：2014-12-09

作者簡介：胡欲立(1963-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗聞?dòng)力推進(jìn)技術(shù)；楊樹森(1987-)，男，吉林臨江人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊崮芄こ?，機(jī)械熱分析。

Abstract：Motor controller is mainly composed of various electronic components. The space temperature caused by the heat accumulation which is dissipated by electronic components in a closed space for long time navigation can affect the effectiveness of electronic components. It is possible to negate the effects of the motor. In this paper，the thermal analysis for the motor controller of a certain type electric power underwater vehicle is done to verify its effectiveness. Under different speed simulated the operation of aircraft in the thermal analysis to ensure the reliability of the motor controller.

Key words：motor controller；electronic components；thermal analysis；reliability

0引言

隨著世界各國潛艇和水面艦艇性能的大為改善，各種對(duì)抗水下航行器技術(shù)的進(jìn)步，誘騙、干擾和迷惑等措施，使水下航行器命中的難度增大，特別是攻擊對(duì)象航速有了較大的提高，這就要求水下航行器必然朝著高航速、遠(yuǎn)航程和高性能的方向發(fā)展。

水下航行器航速和航程與其動(dòng)力系統(tǒng)性能直接相關(guān)，對(duì)于熱動(dòng)力水下航行器來說，發(fā)動(dòng)機(jī)是航行器熱動(dòng)力系統(tǒng)的核心，而電動(dòng)力水下航行器的熱動(dòng)力系統(tǒng)核心則是電機(jī)。電動(dòng)力水下航行器電機(jī)及其控制器均是大功率器件，其工作過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生多種損耗，并以熱量的形式散發(fā)出來。電機(jī)控制器中包含了多種電子元器件，其工作性能受溫度影響很大，大量的熱量聚集導(dǎo)致溫度升高，其直接結(jié)果就是元器件失效、甚至損壞。水下航行器由于其特殊性，空間狹小，每個(gè)子系統(tǒng)的空間都不大，在這樣一個(gè)大功率和高度密閉的條件下，電子設(shè)備的溫度會(huì)迅速升高，引起設(shè)備失效的情況也會(huì)越來越多。研究表明，隨著溫度的增長，芯片失效率有成指數(shù)增長的趨勢(shì)，因此，需要對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行可靠的熱分析和熱設(shè)計(jì)，實(shí)施有效的熱控制措施是提高設(shè)備工作可靠性的關(guān)鍵措施。

1電機(jī)控制器

就目前而言，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器結(jié)構(gòu)已有多種形式，由最初復(fù)雜的模擬式到近來以單片機(jī)為核心的數(shù)字式。新型電機(jī)控制專用芯片的出現(xiàn)，給無刷直流電機(jī)調(diào)速裝置設(shè)計(jì)帶來了極大的便利，這種集成模擬控制芯片控制功能強(qiáng)、保護(hù)功能完善、工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合用于對(duì)控制器體積、價(jià)格性能比要求較高的場(chǎng)合。專用控制芯片優(yōu)點(diǎn)固然多，但往往價(jià)格比較昂貴。在一些控制精度要求不是很高的場(chǎng)合，就需要有一種工作穩(wěn)定，價(jià)格又相對(duì)便宜的控制器。

在此，分析了某型水下航行器所使用的電機(jī)控制器，其組成部分主要有IPM功率模塊、DC/DC電源轉(zhuǎn)化模塊、電源模塊、電機(jī)控制電路板、電機(jī)控制板電源板和功能芯片等。

IPM(智能功率模塊)是變頻調(diào)速系統(tǒng)中的主電路關(guān)鍵模塊，把功率開關(guān)元件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且內(nèi)置過流和過熱等保護(hù)電路。電子芯片器件的失效與結(jié)溫成指數(shù)關(guān)系，工作溫度每提高10 ℃，局部電阻會(huì)增加10%～15%，其失效率增加1倍。

電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點(diǎn)是可為專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供電源。所設(shè)計(jì)中電機(jī)控制器共有3塊DC/DC模塊，型號(hào)分別為XZR05/24S12，XZR05/24S05，XZR05/24S20。

水下航行器的供電系統(tǒng)電源比較單一，但是在實(shí)際中運(yùn)行過程中，不同的系統(tǒng)、不同的部件對(duì)供電系統(tǒng)提供的電壓要求是不一樣的，所以就需要對(duì)供電電源進(jìn)行電壓變化，以獲得不同的用戶所要求的供電電壓。為了能夠?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)換器應(yīng)用于不同的供電場(chǎng)合，就需要一種能夠在低壓供電、高壓供電或正常供電自由轉(zhuǎn)換電壓的電源轉(zhuǎn)換電路。電源轉(zhuǎn)換模塊就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的，所選模塊的型號(hào)為M57140。

2模型建立

選取UG三維建模軟件來對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行建模。對(duì)電機(jī)控制器主要元器件分別進(jìn)行了建模，其中包括電機(jī)控制器殼體、IPM功率模塊、DC/DC電源模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、固定架、電機(jī)控制板和電機(jī)控制板電源板。部分建模元器件的尺寸如表1所示。

分別對(duì)電機(jī)控制器各個(gè)元器件及魚雷部分殼體進(jìn)行簡化建模，然后通過UG自帶的裝配功能將元器件組裝裝配。裝配過程中通過各種約束條件，將每一個(gè)元器件的位置與實(shí)體模型中各個(gè)元器件的位置一一對(duì)應(yīng)，可得到電機(jī)控制器的模型。

對(duì)于CFD計(jì)算第一步是生成網(wǎng)格，即要對(duì)空間上連續(xù)的計(jì)算域進(jìn)行剖分，把它劃分成許多個(gè)子區(qū)域，并確定每個(gè)區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)。

表1各個(gè)元器件的尺寸

名稱尺寸/mm數(shù)量IPM功率模塊120×54×201固定架245×105×641電機(jī)控制器上殼體250×150×1331DC/DC電源模塊25.5×25×103電源轉(zhuǎn)化模塊52×33×181電機(jī)控制板245×100×21電機(jī)控制板電源板88×60×21功能芯片16×16×52

由于實(shí)際工程計(jì)算中大多數(shù)計(jì)算區(qū)域較為復(fù)雜，因而不規(guī)則區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的生成是計(jì)算流體力學(xué)一個(gè)十分重要的研究領(lǐng)域。實(shí)際上，CFD計(jì)算結(jié)果最終的精度及計(jì)算過程的效率，主要取決于所生成的網(wǎng)格與所采用的算法。目前，電子系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格生成方式基本上分成2種類型：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

選用了有限元軟件FLUENT對(duì)電機(jī)控制器做熱分析，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選取了前處理軟件GAMBIT對(duì)電機(jī)控制器系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時(shí)，由于電機(jī)控制器系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組成部分對(duì)溫度場(chǎng)的影響不一樣，所以選擇了手動(dòng)和自動(dòng)結(jié)合的網(wǎng)格劃分方式。對(duì)于需要著重考慮，受溫度影響較大的部分，比如IPM功率模塊、電源模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊等電子元器件，采取了比較密集的網(wǎng)格劃分。而對(duì)于對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)影響較小或不需要重點(diǎn)考慮的部分，比如電機(jī)控制器上、下殼體，魚雷殼體，支撐平臺(tái)和空氣等，采取了比較稀疏的網(wǎng)格劃分。由于計(jì)算機(jī)硬件的限制，對(duì)于網(wǎng)格數(shù)目的控制也比較嚴(yán)格，經(jīng)過反復(fù)嘗試，最終，對(duì)電機(jī)控制器整體的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1　電機(jī)控制器的網(wǎng)格劃分

此電機(jī)模型共有700 329個(gè)網(wǎng)格單元。在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，IPM功率模塊，DC/DC電源模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊和DSP芯片，都定義為體內(nèi)熱源，可算出各個(gè)元件的熱生成q。將各個(gè)元件的熱物理參數(shù)匯總，如表2所示。

表2各個(gè)元器件的熱物理參數(shù)

元件名稱密度/(kg/m3)比熱容/(J/(kg·K))導(dǎo)熱系數(shù)/(W/(m·K))熱生成率/(W/m3)IPM5769.22978.325.71115384DC/DC1800.5792.575.3929471DC/DC2800.5792.575.3994117DC/DC3800.5792.575.3914112M57140903.17882.985.6918453DSP1680.23845.876.825206DSP2680.23845.876.825387

3數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)實(shí)際要求，分別對(duì)2種工況下航行器運(yùn)行時(shí)電機(jī)控制器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真。航行器在高速航行7 h后(以殼體厚度10 mm為例),電機(jī)控制器殼體溫度場(chǎng)分布(順?biāo)湍嫠?如圖2所示。

圖2　電機(jī)控制器殼體溫度場(chǎng)分布云圖

從上面的結(jié)果可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，電機(jī)控制器熱源散熱對(duì)殼體的影響越來越小，而電機(jī)控制器下殼體因?yàn)榕c航行器殼體直接相連，航行器殼體與外面海水直接接觸，散熱性好，固體與固體之間的導(dǎo)熱性能優(yōu)于氣體與固體之間的導(dǎo)熱性能，自然對(duì)流散熱對(duì)外壁的影響較小，外壁的溫度變化趨于穩(wěn)定。外壁與電機(jī)控制器下殼體相連，又與航行器殼體相連，認(rèn)為兩部件光滑連接，導(dǎo)熱性能優(yōu)異，這是電機(jī)控制器殼體溫度變化不大的主要原因。在2種水流情況下運(yùn)行，水流速度對(duì)電機(jī)控制器的溫度分布影響相差不大，這種情況可能是由于水流速度相差不大的原因造成的。

在設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注的是電機(jī)控制器內(nèi)部電子元件的溫升。同樣，將2種水流情況下的溫度分布情況放在一起比較，航行器高速航行7 h后，電機(jī)控制器內(nèi)部元器件溫度分布云圖(順?biāo)湍嫠?如圖3所示。

圖3　電機(jī)控制器內(nèi)部元件溫度分布云圖

從上述仿真結(jié)果可以看出，電機(jī)控制器內(nèi)部電子元器件的溫度隨著時(shí)間的增加趨于平緩，有達(dá)到平衡的趨勢(shì)。由圖3可知，DC/DC模塊的溫度最高，其中正中間的那塊DC/DC模塊溫度比左右兩邊的溫度模塊要高1～2 ℃。主要的原因可能有：

a.中間DC/DC模塊的功率也比其他2塊的功率大很多，熱耗散產(chǎn)生的熱量也要多很多，但3塊DC/DC模塊的大小、形狀、材料是一樣的，單位時(shí)間內(nèi)散發(fā)出去的熱量少，溫度自然會(huì)升高的多一些。

b.3塊DC/DC模塊不是緊挨著的，中間留有比較小的縫隙，這就使得兩塊模塊產(chǎn)生的熱量在細(xì)小縫隙中不容易散發(fā)。

c.DC/DC模塊位于電機(jī)控制器的最上端，溫度升高，熱空氣上升，不利于熱量的散發(fā)。

而電機(jī)控制器散熱量最大的散熱元件IPM溫度升高卻很小，主要原因有：

a.IPM功率模塊直接與電機(jī)控制器下殼體相連，產(chǎn)生的大部分熱量可以通過導(dǎo)熱傳導(dǎo)到下殼體，進(jìn)而傳到航行器殼體由海水帶走。

b.IPM功率模塊的下表面與電機(jī)控制器下殼體的上表面連接面非常光滑，導(dǎo)熱性能好。

c.IPM附近沒有散熱量較大的元件對(duì)其產(chǎn)生影響。

4結(jié)束語

結(jié)合FLUENT軟件，采用數(shù)值方法中的有限體積法，對(duì)電機(jī)控制器及其內(nèi)部元器件的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，分析了2種航行條件下，外界條件對(duì)電機(jī)控制器內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響，并對(duì)電機(jī)控制器內(nèi)的重點(diǎn)散熱元器件進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分析，驗(yàn)證了各個(gè)元器件在常規(guī)條件下工作的可靠性和穩(wěn)定性。采用數(shù)值方法對(duì)封閉空間內(nèi)的電子系統(tǒng)進(jìn)行熱分析，是一種行之有效的方法，通過仿真并結(jié)合少量的實(shí)驗(yàn)，就可以研究電子系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，這將大大減少實(shí)驗(yàn)造成的研究費(fèi)用，并且可以計(jì)算出無法通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的數(shù)據(jù)，而這將對(duì)后續(xù)多種工況條件下電機(jī)控制器的工作穩(wěn)定性提供依據(jù)。

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