充电器热仿真分析报告Word格式.docx
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ANSYS作为有限元分析软件,整个软件包括了前处理模块,分析计算模块和后处理模块组成,前处理模块可以进行实体建模以及网格划分,可以实现有限元模型的构建功能,分析模块包括了包括流体,电磁场,声场等多种物理场的耦合分析,可以在其中对物理介质的相互作用进行模拟,后处理模块则是将分析的结果以可视化的形式进行展现,具体宝库里了梯度显示,矢量显示等,可以以图表,曲线等方式展示,如图3.1所示。
在热仿真分析中,ANSYS程序可处理热传递的三种基本类型:
传导、对流和辐射,对热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。
另外,热分析还具有模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力
图3.1ANSYS软件架构
3.3.1充电模块模型
该电子产品工作温度25摄氏度,尺寸长宽高分别为661mm,538mm和365.5mm,材料采用铝,设备布局示意图如图3.2所示。
箱体外侧安装两个鼓风机,风量为170m3/h,出风口通孔率为0.9的百叶窗。
内部元器件发热量分别为:
1个IGBT,功耗150W;
2个整流桥,单个功耗100W;
4个二极管,单个功耗35W;
变压器350W。
图3.2充电器布局图
3.3.2建立模型
利用该软件建立热分析模型通常包括了以下几个主要步骤,首先建立模型,然后对模型进行划分网格,设置边界条件,最后进行求解以及可视化展示,该软件提供了充电模块常用的器件模型,可以迅速的建立模型,充电器的出风孔采取栅格模型,风扇采用2dexhaust模型,完整的模型如图3.3所示。
图3.3热分析模型
在该模型确定后,对模型进行网格的划分,网格的划分将决定分析过程中的精度和计算时间,网格模型划分的越细,则计算精度更高,但是相应的带来计算时间的增持,为此,尽量以粗网格划分模型,对薄板、薄壁部分进行细化处理,以达到较为理想的网格。
3.3.4求解计算
在计算之前,设定环境温度,迭代次数500,选择求解方程,监测各部件温度曲线,残差曲线如图3.4,各器件监测点温度如图3.5。
图3.4计算残差曲线
图3.5各器件监测温度曲线
3.3.5后处理
后处理显示温度云图、速度云图等,可以读取各点温度数据,从而帮助设计和分析人员迅速了解和评估设计方案,决定是否需要修改设计模型,以便得到更为合理的设计方案。
图3.6为计算输出的各器件表面温度分布云图,图3.7是输出的Y截面上气流速度场云图。
图3.6各器件表面温度云图
图3.7流场云图
由温度场云图可见,变压器表面最高温度为68.1℃;
四个二极管表面最大温度分别为63.8℃、66.8℃、70.3℃、73.4℃;
整流桥表面最大温度分别为77.2℃、77.3℃;
IGBT表面最大温度为79.2℃。
图中可见二极管、整流桥、IGBT是沿着流场流向依次布局,其表面最大温度也是依次增加的。
由速度场云图可见,空气主要从变压器和散热器之间缝隙流过,只有少部分从控制器侧流过,可以更好的起到散热效果。
3.4优化设计
根据原始方案分析结果,主要从四个方面进行优化:
增加风量20%;
调整出风口百叶通孔率;
调整器件位置;
调整散热器面积。
3.4.1增加风量
为了对比不同风量条件下散热效果,其它条件不变,在原有基础上分别增加20%,44%的风量。
各器件表面最大温度结果如下表:
风量
二极管/℃
整流桥/℃
IGBT/℃
变压器/℃
170m3/h
73.4
77.3
79.2
68.1
204m3/h
66.2
70.7
72.2
64.6
244.8m3/h
59.1
64.0
65.2
61.5
图3.8风量204m3/h时各器件表面温度云图
图3.9风量244.8m3/h时各器件表面温度云图
图3.10风量204m3/h时流场云图
图3.11风量244.8m3/h时流场云图
由各云图和表中数据对比可见,提高风机流量,可以增大流过各器件表面的速度分布,各器件最大温度有明显的下降和改善。
当风量提升44%时,变压器表面最高温度降低了6.6℃;
、二极管表面最大温度降低了14.3℃;
整流桥表面最大温度降低了13.3℃;
IGBT表面最大温度降低了14℃。
3.4.2调整出风口通孔率
为了对比出风口通孔率的影响,在原有基础上分别减小0.3。
通孔率
0.9
0.6
72.9
76.6
78.7
68.6
0.3
71.8
75.4
77.5
69.5
图3.12通孔率0.6时各器件表面温度云图
图3.13通孔率0.3时各器件表面温度云图
图3.14通孔率0.6时流场云图
图3.15通孔率0.3时流场云图
由各云图和表中数据对比可见,降低箱体出口通孔率,只要保持风机风量的情况下,各器件最大温度没有明显变化。
二极管、整流桥、IGBT略有下降,变压器温度略有上升,是由于出口阻力变化引起内部流场发生局部变化引起。
所以出口增加百叶窗设计是不影响散热效果的。
3.4.3调整器件布局
改进一方案:
不改变散热器和风机结构和位置,仅改变器件相对位置,如图3.16所示。
图3.16改进方案一器件布局示意图
改进二方案:
将散热器宽度增大,重新排布器件相对位置,如图3.17所示。
图3.17改进方案二器件布局示意图
各工况输出的各器件表面最大温度结果如下表:
Case
原方案
改进一
67.7
76.4
82.9
67.1
改进二
70.2
78.0
图3.18改进方案一器件表面温度云图
图3.19改进方案一流场云图
图3.20改进方案二器件表面温度云图
图3.21改进方案二流场云图
由各云图和表中数据对比可见,调整二极管、整流桥、IGBT之间的布局,可以有效降低器件表面最大温度。
3.4.4调整散热器面积
改进三方案:
在上述改善方案二的基础上,取消散热器底部的平板,减少散热器翅片数量,增加散热器翅片间距,同时调整风扇1的位置,使其正对散热器,如图3.22所示。
图3.22改进方案三器件布局示意图
IGBT/℃
改进三
53.3
65.6
67.9
图3.23改进方案三器件表面温度云图
图3.24改进方案三流场云图
由温度、速度云图和表中数据对比可见,优化散热器结构,散热器翅片内部速度分布明显改善,二极管和整流桥的温度分别下降7.9℃和4.6℃。
IGBT下降1.6℃,散热器结构还有优化的空间。
减少散热器翅片数量,可以减小成本。
3.5本章小结
通过以上各工况的分析,通过增大风速、调整器件布局、优化散热器结构可以明显改善流场和温度场分析,从而有效的降低各器件表面最大温度,使其满足设备的正常运行。
本章介绍了ANSYS软件的基本性能和应用,在充电器的热分析设计中,在设计之初根据预设的条件进行热模拟过程,能够预测到元器件的工作温度以及内部气流运行情况,一旦发现不能够满足条件后,通过改变各项设计参数,不断地优化设计,将初始设计中不合理的布局进行修正,找到满足条件的方案,从而对充电器能够进行有效的热控制,减少开发周期的同时保障充电器的安全可靠性,同时避免后期重复的样机制作过程,节约成本。