1 引言
随着能源危机的不断加剧和环境污染的日益严重,电动汽车将成为替代传统燃油汽车的主要交通工具。电机控制器是整车控制器的重要组成部分,很大程度上决定了整车的性能。电机控制器内含有IGBT等大功率元器件封装模块,IGBT的工作特性与工作温度密切相关,温度不同会导致其允许通过电流、开通功耗和关断功耗等都不同,若工作温度超过了允许范围,会导致IGBT性能下降和寿命急剧缩短,甚至可能瞬间损坏。近些年,随着功率器件的功率密度不断提升,解决系统的散热问题,开发效率高、成本低、重量轻的散热结构,逐渐成为电机控制器开发过程中的重点项目。而随着CFD技术的发展及其在工程领域的广泛应用,使得热仿真技术已经成为散热系统前期开发和初步验证的重要工具。借助热仿真分析软件,工程师可以快速而准确地得到系统的热设计分析结果,据此可对系统的风道设计、器件布局、风扇选型、散热器设计等提供直观而准确的依据,从而大大加快热设计的速度并提高设计质量。
本文以某风冷电机控制器热流场分析为例,使用AcuSolve软件对电机控制器进行了稳态热仿真。
2 有限元模型的建立
2.1 模型简化
由于电机控制器内部零件较多,仅选用热流主要传递路径中的芯片模块和散热器及部分外壳进行研宄,如图2.1所示。将原始数模进行简化处理,去除对流场及散热影响较小的结构,并对风扇模型进行了简化,如图2.2所示。
图2.1 简化前模型
图2.2 简化后模型
2.2 网格划分
由于发热源产生的热量绝大部分通过散热器散热,因此本文仅考虑散热鳍片间区域的空气对流换热。首先采用HyperMesh软件,对模型进行面网格划分,生成nas格式的面网格文件,如图2.3所示。之后将面网格导入到AcuConsole软件中,进行边界层网格与体网格划分,如图2.4所示。边界层数两层,第一层边界层厚度取1mm,网格总数为225万。
在需要添加接触热阻的接触面上,选择生成热壳单元(ThermalShell),并设置材料属性、定义材料的厚度。
图2.3 面网格
图2.4 边界层网格与体网格
2.3 材料属性
在AcuConsole软件中对模型中的材料属性进行定义,如表2.1所示,并按照标准输入各材料的物理属性。
表2.1 各部件材料属性
2.4 边界条件和初始条件
本文仅对额定功率进行稳态计算。在AcuConsole软件中,开启温度方程,设置入口空气温度为55°C;湍流模型选择S-A—方程模型,并采用默认的增强型壁面函数;设置芯片为体热源,并输入单位体积发热量;设置风扇的进风口为inflow边界条件,并在AdvancedOptions中选择fancomponent,导入所选风扇的压力-流量曲线,风扇出口不设置边界条件;设置散热其出口为outflow边界条件;其余边界条件均为壁面边界条件。