执行器用翅片散热器的多参数尺寸优化设计*

禹建勇， 张 瑞， 王 成， 李 超

(1.南京科远智慧科技集团股份有限公司，江苏 南京 211102; 2.江苏省热工过程智能控制重点实验室，江苏 南京 211102;3.南京拓耘达智慧科技有限公司，江苏 南京 211102)

0 引 言

随着工业自动化的发展，电动执行器因其自动化水平高，动力源易取得等优势，广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业的阀门控制和调节中[1]。电动执行器因其工作过程中，控制元件会产生较大的热量，使其控制模块温度快速升高，影响运行的稳定性、可靠性和使用寿命[2,3]，仅靠封装外壳的散热往往无法满足散热要求，常借助于外部器件来创造良好的散热条件。常用的散热方法有自然对流散热、强制对流散热、液冷散热、热管散热等[4]。对于执行器这类以金属铸件为主、使用环境恶劣的产品，采用自然对流散热的散热方式具有结构简单、容易实现且可靠性高的特点，其中，翅片散热器因其无活动部件、性能稳定、且制造成本低等优点，在执行器中应用最广泛。

由于执行器结构及功能的特殊性，在散热器设计中还需兼顾安装空间的限制，因此多为特定型号特殊定制散热器。执行器用翅片散热器主要由基板和翅片构成，通过控制翅片厚度、高度、间距，及基板厚度、形状、材料等参数来控制散热效率。对于散热效率的控制，多采用制作样机并实验测量的方式来确定散热器的散热效果，如果温升不满足，往往需要反复打样及实验，既增加研发成本，又影响研发效率。

大量学者对多种类型的翅片散热器的进行了研究。Avram Bar-Cohen[5]通过理论创建计算模型，对垂直布置式散热器进行了研究，黄晓明等[6]、李红月等[7]大量学者[8-11]对散热器进行了优化设计，谢少英等[12]采用复合形优化算法对型材散热器各几何参数进行了优化设计，崔万新等[13]对影响散热器散热性能的几何因素进行分析，徐鹏程等[14]建立了三维热管散热器模型研究了翅片厚度及间距对散热性能的影响，但该类分析多针对强制对流型散热器，对自然对流冷却的散热器研究较少。

笔者针对某型执行器的定制散热器，采用数值模拟与试验研究方法，分析其尺寸参数对散热性能的影响，并给出在节约成本，合理散热下的最优设计尺寸，通过试验验证最优设计散热性能的可靠性。

1 仿真及验证

1.1 模型建立

笔者所研究的翅片散热器模型如图1所示，由IGBT板、基板、翅片组成。其中，由于散热器安装空间已定，故基板直径不可变动，翅片高度只可降低，不可增高，因此，以基板厚度d、翅片厚度t、翅片间距s、翅片高度h为优化设计变量，以稳态温升为约束，以质量最小化为目标进行优化。

图1 翅片散热器模型

在给定散热器基板尺寸条件下，其尺寸优化问题的数学描述为：目标：散热器质量M最小化；变量：8 mm≤基板厚度d≤12 mm；20 mm≤翅片高度h≤25 mm；3 mm≤翅片厚度t≤5 mm；4 mm≤翅片间距s≤14 mm；约束：温升△T≤30 ℃。

值得指出的是，由于执行器用散热器采用低压铸造工艺及机加工工艺生产制造，为控制成本和保证加工精度，翅片厚度不能过薄，需大于等于3 mm。且在优化过程中，翅片均布于散热器基板上，在翅片间距改变时，翅片数量会相应的增多或减少，不会出现大于翅片间距而无翅片分布的情况。初始翅片散热器的几何参数如表1所列。

表1 初始翅片散热器几何参数表

散热器多参数优化分析在SolidWorks simulation软件中进行，散热器为固体域，材料为6061铝合金，将其附近一定区域内的空间设置为流体域，介质为空气，为模拟偏恶劣的情况，周围空气无强制散热条件，只有温差作用引起的浮力作用，即自然对流中引入了Boussinesq假设。此外，分析中考虑了发热模块的恒定发热功率，辐射散热，接触面热阻因素。在给定边界条件后，首先验证了网格无关性，对模型设置不同尺寸划分网格，验证初始模型的最终温升，结果如图2所示。最后三种网格所得温度偏差非常小，表明此时温升结果不受网格密度影响，故取网格数33617进行尺寸优化计算。

图2 不同网格下的温升验证

为验证热分析的可靠性，将现有几何尺寸下仿真所得温升结果与试验测量相比较，现有散热器产品试验测量温升为36 ℃，仿真所得温升为35.98 ℃，与试验结果吻合较好，证明散热分析的方法和结果可靠。

1.2 参数优化

根据优化设计所设置的约束条件，共有162种工况。对每一种工况进行三维模型重建和温度场分析，得到所有工况的温度和散热器质量。优化筛选出温升小于30 ℃的最优的两种工况，如表2所列。可见，两种结果的温升非常接近，主要差异在于基板的间距不同。

表2 多参数优化最优尺寸组合

根据低压铸造要求，因翅片相对较密，铸件需一定的拔模角度，压铸厂家建议拔模角度为2.25°。考虑拔模角度，依据工况1、工况2所得尺寸重新建模并重新仿真。结果表明：间距6 mm工况，温升为26.9 ℃，间距8 mm工况，温升为25.2 ℃，间距6 mm工况的温升较大。分析原因可能在于，间距为6 mm时，考虑拔模角度，翅片根部实际间距只有3.8 mm，间距过小，在翅片根部容易形成热边界层重叠区域，影响散热效率。因此，基板厚度d=8 mm，翅片高度h=25 mm，翅片厚度t=4 mm，翅片间距s=8 mm，为翅片散热器的最终设计尺寸。最优工况下，散热器工作15 min时的温度云图如图3所示，其最高温度为45.2 ℃，环境温度20 ℃，温升为25.2 ℃，此时，通过散热器中心的截面温度云图和速度矢量图如图4、图5所示，其温升为24.7 ℃，由自然对流产生的风速大小为0.5 m/s。

图3 翅片散热器15 min温度云图

图4 翅片散热器15 min截面温度云图

图5 翅片散热器15 min速度矢量剖面图

1.3 试验对比

依照仿真所得的最优结果进行打样，并进行温升试验，实验执行器如图6所示。

图6 实验执行器图

目前，翅片散热器散热效果的试验方法为：将对应型号的执行器结构安装完成，依照S2工作制持续运行15 min，其中，0～14 min 35 s范围内，执行器以100%速度运行，输出1/3力矩，14 min 35 s～15 min范围内，执行器以40%速度运行，输出额定力矩，在运行过程中，IGBT温度会在显示面板中实时显示，记录IGBT温升数值，末温以15 min运行后温度持续上升的最高值为准。经实验测量，该IGBT的最高温升为22 ℃，与仿真所得的25.2 ℃基本吻合。

2 结 论

针对执行器控制元件的散热要求较高，多采用特定型号特殊定制翅片式散热器的特点，对某型执行器用翅片式散热器结构的主要尺寸参数进行了多参数优化设计，包括基板厚度、翅片高度、翅片间距、翅片厚度四个主要参数，给定了参数的合理范围，并以质量最小为目标条件，以温升限制为约束条件，从多种组合工况中选择了最优尺寸组合，并考虑铸造工艺重新建模仿真，得到了尺寸最优、散热最优、质量最小的翅片式散热器，即基板厚度为8 mm，翅片厚度4 mm，翅片高度25 mm，翅片间距8 mm时，执行器电控元件的温升最低。经实验测量，仿真结果与试验所得温升吻合较好，有效节约了研发设计周期，降低了生产成本。