伺服放大器的热设计*

陈志杨， 梁晓东

(安川电机(沈阳)有限公司，辽宁 沈阳　110021)

0　引　言

随着工业4.0的发展，更多的伺服系统被应用在自动化生产线上，然而，有限的空间就限制了伺服放大器的尺寸，市场上伺服放大器的尺寸越来越小，导致了高度集成后对于内部电子零件的散热是个挑战，必须使内部的每个零件都在厂家要求的温度使用范围以内，才能保证伺服放大器的使用寿命[1]。因此，应想办法准确找出影响放大器的散热规律，并对其采取合理的散热布局及制冷措施。

1　理论分析

通常，热的传热方式有传导、辐射和对流3种。在物体内部一般为热传导，其计算如式(1)所示，假设导体外部有理想的隔热层，该导体单位发热量为Q，导体长度为L，截面积A，导体热传导率为λ，求导体两端温度差为ΔT：

(1)

由式中可以看出，温度差一定时，物体横截面积越大,热传导的热量就越大，散热越好，就好比汽车的数量很多时，道路越宽就越不容易堵塞。

2　优化散热器设计

2.1　仿真分析

由于铝制散热片的导热性和经济性比较好,通常采用铝制散热片进行散热.建立散热器的仿真模型，如图1所示，俯视角度看共有7个翅片，为了充分发挥散热片性能,左右都紧贴着大功率发热元件IPM，输入IPM的发热量后进行仿真计算分析。

用ANSYS公司的Icepak软件仿真结果如图2所示，红色区域为发热量大的部位。

图1　散热器模型　　　图2　仿真结果

在不改变散热器的外形尺寸及IPM的发热量的前提下，通过改变散热翅片的数量、厚度及间距进行仿真分析后得到表1，可以看出，翅片的数量越多散热越好，厚度越厚散热越好，间距越大散热越好。

表1　散热器变化对比

2.2　温度试验

用试验验证理论的可靠性，通过热解析结果找出IPM最热的地方,在相对应散热片的位置开槽,然后在功率元件IPM和散热片之间放入热电偶，最后驱动电机进行额定运转并且达到温度饱后记录下温度变化数据。通过试验数据和仿真结果进行对比分析得知，散热片开槽的位置决定了试验的精度。但是仿真分析时为了缩短开发时间,经常简化模型，这就导致仿真模型与实物有一些差别，最终使得分析值与测量值有误差，由此可见，有限元分析时，模型的准确性对结果有重要影响[2]。

3　基板设计

3.1　电子部品的布局设计

在对新产品进行温度试验时发现，继电器超过判定温度过热，分析原因是周围部品发热量过大有热量辐射到继电器上，经过分析,进行了对策,分别移动二极管及IPM的位置,使它们远离继电器后，继电器的温度有明显降低。

在同一个产品的另一块基板上共有5个电容，中间的2个电容温度过高，分析原因是空气流通不畅，下部的2个电容的自身发热量通过自然对流传递到中间的电容上，由于热空气密度轻,所以都是向上流动，这样会导致最上边的电容温度很高,如图3所示，将电容以错开的位置进行改变后，温度有明显下降[3]。

图3　电容布局对比

3.2　内部走线的设计

焊接在基板上的电子部品会把自身的发热量传递给接触的基板，热量会沿着基板内部的走线传递到其他部品中，针对继电器过热问题，基板铜箔面积增大，厚度增加，走线移至外层，拉大继电器与二极管的传热距离，增加热阻 ，从而增大两端温度差。

4　外壳及风扇设计

4.1　外　壳

解决对流问题的手段之一是要把热空气尽量放出去，避免直接将风吹入基板(会导致有粉尘集中在电子部品后发生短路事故)，所以作为自然冷却的方法是将放大器外壳的上下都开口以进行通风，但是通风口过大有可能掉入异物,造成短路等危险,所以通过仿真进行通风口的优化是很有必要的。

4.2　风扇与散热片的距离

通常来说,随着风扇距离散热片距离增大,风扇漩涡越小。吹出来的风力也越大,但是由于产品体积的限制,不能距离过大。为了削减成本,通过解析分析力求找出一个比较合理性,经济性的距离，使其达到一个比较理想的流场状态。

5　结　论

散热器翅片的数量，厚度,间距,高度,散热表面积,材质都是决定散热性能的重要参数；有限元分析时，仿真模型一定要精细化，结果才能更贴近实际；对于耐热温度差的部品，其周围不应该有发热量大的部品；部品与部品之间要有足够的距离，最好是错开后能使空气从下方无阻碍地流动到上方的布局；基板内部走线越宽越好，不会引发热量集中现象，可分多层排布；外壳的上下都要尽可能地有通风口，用来进行通风；风扇不要紧贴散热器，离开25 mm距离为宜。