基于FloEFD的电磁加热用散热片优化设计

江太阳

摘 要：烹饪器具普遍采用电磁（IH）加热技术给容器和食材进行加热，系统的散热性能对整个系统的工作的稳定性和可靠性有极大的影响;而使用 FloEFD仿真软件对电磁加热系统或散热器件进行仿真分析和优化设计，能大幅缩短从原始方案设计到最优方案的过程，从而缩短整个产品的验证和开发周期。

关键词：FloEFD;仿真;热分析;流场分析

一、技术背景

烹饪器具普遍采用电磁（IH）加热技术给容器和食材进行加热，具有效率高，加热速度快的优点，因此深受用户喜爱。其中的电磁加热系统是通过把市电进行整流，然后通过IGBT（一种大功率开关器件）周期性地给励磁线圈和谐振电容充电，从而产生高频周期性的磁场作用于铁质容器。其中整流桥堆和IGBT是整个电磁加热系统的核心部件，在工作过程中会产生大量热量，需要通过安装在元件表面的散热片进行散热，因此，整流桥堆和IGBT的散热性能直接影响到电磁加热系统工作的稳定性和可靠性;

影响整流桥堆和IGBT的散热性能的因素包括一下传热环节：1.晶元2.金属支架3.封装层（4.导热硅脂）5.散热片6.环境空气。其中，热量从晶元到散热片直接的传递主要受元件的封装结构，元件安装，散热片表面工艺水平，导热硅脂热阻等因素影响;而热量从散热片到环境空气中的传递则主要受散热片的结构，材质和散热片表面的气流速度等因素影响;

二、软件介绍

FloEFD是一款能直接在MCAD軟件的界面下操作的电子散热，流体仿真的软件，通过在产品开发初期对系统流场，温升等进行仿真分析和设计优化，缩短后续模型验证的周期; 本文基于软件，对电磁加热系统中的散热片进行相关参数优化，并通过实例阐述散热片仿真优化的一般流程和思路;

三、优化过程

1.原始模型：如图1所示，是基于我司一款电磁炉常用的散热片简化后的模型，以及安装在散热片上的整流桥和IGBT，其中散热片包括整流桥散热区，IGBT散热区，中间区域用于安装固定;

模型条件设置：整流桥功率：8W;IGBT功率：20W;散热器材质：铝6063;流场条件：使用已有的离心风机流场;其他条件：正确设置包括环境温度，重力方向，求解域，全局网格划分等级;同时，对翅片表面进行加密局部网格划分，收敛标准按系统默认，分别设置整流桥堆和IGBT表面的最高温度为参数研究目标。

2.优化过程：在实际任务中，散热片设计的优化方向受到很多方面的限制，比如空间大小，翅片厚度，翅片间距，翅片的分布，材料，表面粗糙度，加工工艺等。本案中，仅以散热片中的导热板厚度作为优化的目标进行说明。

在FloEFD软件界面中运行参数研究功能，设置好导热板厚度离散值为6.0，5.5，5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，检查无误后启动求解;运行中，还可以通过软件的任务窗口查看方案的求解进程;当所有的方案完成求解后，通过软件的结果处理单元，得到所有方案中整流桥堆（固体2）和IGBT（固体1）表面最高温度值列表.其中，整流桥和IGBT表面温度值最小的方案分别对应的是2.5和4.5，也就是说，对于整流桥堆，导热板厚度为2.5毫米时的散热效果最好;而对于IGBT，导热板的厚度为5.0毫米时的散热效果最好。

一般情况下，需要在最优参数周围，缩小参数步进进一步寻找最优参数，或利用软件的连续参数研究功能，获得对导热板的厚度参数更高精度优化值。

3.手板验证：图3是在上述优化后的模型基础上，进一步对IGBT区域导热板在翅片之间的厚度进行二次优化，并对散热片的安装结构做调整后的3D模型和实际样品：

进一步对散热器样品进行装机实测，结构优化后的散热片整流桥堆温度比原始样品的低5～7℃，IGBT温升比原始样品的低3～5℃;同时散热片的重量由54.5克下降到46.3克;显然，此次的散热片结构优化工作取得了较好的成效;

考虑到软件的功能，以及运行软件的电脑硬件配置限制，实际工作中往往每次仅对一个参数进行优化，以便加速求解的进程;但是，我们也可以借助DOE实验设计，同时对多个参数进行实验设计，并对仿真计算后的结果进行分析，达到只做较少次数仿真计算，优化多个结构参数的目的，进一步提升仿真优化的工作效率;

结束语

FloEFD能够在MCAD软件的界面下直接操作，并且支持旋转机械的流场仿真和3D实体结构，仿真的流程和操作也相对简单，比较适合于烹饪器具行业结构工程师在产品开发中使用，对缩短产品方案设计和验证周期有较大的帮助。

参考文献

[1] 沈喜源. 笔记本电脑散热器翅片及结构件设计优化[D]. 上海交通大学.

[2] 何汉恩. 基于FLOEFD的散热器翅片间距仿真设计[J]. 硅谷， 2014.