永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器的散熱設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種煤礦隔爆型永磁無(wú)刷直流電機(jī)IGBT控制器的散熱設(shè)計(jì)，通過(guò)IGBT在工作電流下發(fā)熱計(jì)算確定了散熱功率，采用FloTHERM有限元熱仿真分析出自然冷卻的散熱效果，確定散熱的基本方案，最后用實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行試驗(yàn)類(lèi)比檢驗(yàn)了計(jì)算的正確性。通過(guò)計(jì)算、仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提高了設(shè)計(jì)的速度，節(jié)約了設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，對(duì)其他控制器箱體熱設(shè)計(jì)和分析具有參考意義。
關(guān)鍵詞：隔爆控制器；IGBT；散熱；有限元分析

0 引言
    煤礦隔爆永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器采用三相矩形波電流控制永磁電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，是一種電流逆變器。控制器由一組IGBT模塊、電流傳感器、銅排、電容、溫度開(kāi)關(guān)、阻容吸收器件、IGBT驅(qū)動(dòng)模塊、核心控制板組成，整體封閉在金屬外殼內(nèi)，主要發(fā)熱部件為IGBT模塊，散熱設(shè)計(jì)難度較大。為了提高設(shè)計(jì)效率和減少反復(fù)試驗(yàn)的工作量，采用了熱計(jì)算、仿真和試驗(yàn)對(duì)比相結(jié)合的方法。

1 IGBT熱功率和最高溫度計(jì)算
    IGBT驅(qū)動(dòng)三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)，流過(guò)電流在理想狀態(tài)下是峰值為60°角的梯形波，實(shí)際運(yùn)行中受電機(jī)電感影響和電容容量限制，波峰有兩個(gè)較大的尖峰，如圖1所示。為計(jì)算方便，IGBT流過(guò)的電流簡(jiǎn)化為額定狀況下為標(biāo)準(zhǔn)的梯形波?？刂破鬏敵龇逯惦娏?30 A，經(jīng)積分計(jì)算出有效電流約為350A。

    在此使用英飛凌IPOSIM工具，計(jì)算使用3個(gè)FF600R06ME3器件、三相兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、方波驅(qū)動(dòng)方案IGBT損耗和熱參數(shù)。在環(huán)境溫度40℃，散熱熱阻0．27K／W時(shí)，IGBT穩(wěn)態(tài)溫度最高為118．6℃，1個(gè)IGBT損耗功率為206．4W，3個(gè)IGBT為619．2W。

2 電控箱熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱仿真
    IGBT組件安裝在一塊雙面拋光的20 mm厚鋁板上，利用鋁導(dǎo)熱率高、熱容性大的特點(diǎn)，盡量把IGBT熱傳導(dǎo)出IGBT本體以外。由于電控箱防爆結(jié)構(gòu)的要求，必須使用鋼板制作防爆外殼，因此鋁板最終安裝到拋光的電控箱內(nèi)背部鋼板上，鋼板外部加散熱筋加強(qiáng)散熱效果。散熱過(guò)程是IGBT熱量傳導(dǎo)到鋁板、鋁板傳導(dǎo)到鋼板、鋼板傳導(dǎo)到散熱筋、散熱筋和外部空氣對(duì)流換熱。如圖2、圖3所示。

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    使用Flotherm軟件簡(jiǎn)化建模，鋁板導(dǎo)熱系數(shù)取237 W／mK，鋼板導(dǎo)熱系數(shù)取51．9 W／mK，忽略導(dǎo)熱硅脂等輔助材料影響，根據(jù)平板導(dǎo)熱原理，建模如圖4所示。

    模型中，IGBT及其安裝鋁板布置在電控箱后板上，無(wú)反電控箱被隔板分割為主腔和接線腔兩個(gè)獨(dú)立的部分，散熱片貼在后板外部。由于煤礦井下環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定，假設(shè)環(huán)境溫度最高為30℃。根據(jù)空氣自然散熱需要保證散熱片間有相對(duì)較大的空氣對(duì)流間隙，基板厚度選為10 mm，散熱片采用間距20 mm，高100 mm的碳鋼散熱片。通過(guò)仿真，IGBT組件通過(guò)散熱筋和電控箱體鋼板自然散熱，IGBT最高溫度溫度74.9℃，小于設(shè)計(jì)值118．6℃，電控箱可以正常運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)和另外一種128 V，750 A電控箱的實(shí)際散熱試驗(yàn)對(duì)比，該散熱模型溫度合理。通過(guò)計(jì)算、仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提高了電控箱設(shè)計(jì)速度，節(jié)約了設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，對(duì)其他電控箱的熱設(shè)計(jì)和分析具有參考意義。