汽车交流发电机整流桥的散热结构研究

　　摘要：文章选择了三种结构不同的散热结构作为样本并进行对比，完成车用交流发电机整流桥散热结构的模拟分析，从散热结构表面温度场分析、散热结构内部流体温度场分析、散热结构内部流体速度场分析这三方面入手，确定出散热性能更强的散热结构形式。

　　引言：为确保汽车交流发电机整流桥能够长时间平稳、安全运行，配套设置优质的散热器是必然选择，避免整流桥运行在过高温度条件下，从而达到规避高温事故发生的效果。而对于散热器而言，其散热结构的不同会生成差异性的散热成效，选取散热性能更为理想的散热结构完成整流桥散热器的制作极为必要。

　　一、车用交流发电机整流桥散热结构的模拟分析

　　（一）整流桥散热结构的技术参数

　　选取的水冷散热器主要技术参数如下所示：散热器的长度为480毫米；散热器的宽度为155毫米；散热器的深度为30毫米；冷却液体流量为每秒6.74×10-3立方米。

　　（二）数值模拟散热结构的散热效果分析方法

　　选取流量相同且进出口截面积相同的三种不同结构水冷散热器展开对比分析，设定这三种散热器分别为散热结构A、散热结构B以及散热结构C。其中，散热结构A主要在进水口位置引入了多管道弯曲设计的方式，促使进入该结构内的流体速度大幅下降，并在出水口区域实施平直管道设计模式，以此确保流体加热升温后能够在更短时间内排出散热结构。散热结构B 主要应用了对称设计的方法落实管道布置，基本结构情况与散热结构A保持一致，不同的是散热结构B对水冷板与出水口之间的对流换热面积进行了适当增加。散热结构C主要利用了多条细管道并联形式，以此实现对“窄管效应”的充分利用，提升流体流速并同时降低流体截面积，尽可能实现对流换热效果的增强。

　　二、数值计算结果与分析

　　（一）散热结构表面温度场分析

　　针对各个散热结构表面温度场进行分析，得到的结果如下所示：第一，散热结构A的最高温度维持在37.6℃，温升达到7.6K，在三种散热结构中保持在最大水平，显现出的散热效果最不理想。观察该结构的整体温度场可了解到，其下部温度更低，且上下部温度差能够达到4K；距离该结构更近的元件存在更为大的温升数值。第二，散热结构B的最高温度维持在 36.9℃，温升达到6.9K，所显现出的实际散热效果优于散热结构A。对产生这一结果的原因进行分析，发现由于该结构使用了出水口对称设计的模式，所以铝基板与冷却水之间的接触面积增大，因此能够获得更好的散热效果，且温度场分布更为均匀。第三，散热结构C的最高温度维持在34.3℃，温升达到 4.3K，在三种散热结构中保持在最小水平，显现出的散热效果最为理想。对产生这一结果的原因进行分析，发现由于该结构使用了多条细冷却水管道并联的设计模式，所以铝基板与冷却水之间的接触面积（对流换热面积）进一步增大，因此能够获得更好的散热效果[1]。同时，其上部温度更高、出水口区域温度最高。

　　（二）散热结构内部流体温度场分析

　　针对各个散热结构的内部流体温度场进行分析，得到的结果如下所示：在冷却水进入三种散热结构时，温度均保持在30℃；在散热结构A以及散热结构B中，当冷却水经过第4个 IGBT元件后，其温度呈现出明显增高的状态；在散热结构C中，当冷却水经过第2个IGBT元件后，其温度呈现出明显增高的状态。对上述结果落实进一步分析，能够了解到的是，在冷却水流量相同的条件下，散热结构C能够带走的热量维持在更高水平[2]，换言之，相比于散热结构A以及散热结构B，散热结构C 所发挥出的对流换热效果更为理想。

　　（三）散热结构内部流体速度场分析

　　针对各个散热结构的内部流体速度场进行分析，得到的结果如下所示：第一，散热结构A下层所应用的结构形式为多重弯折形式，此时，在拐弯进口位置能够获取到更大的冷却水流速，并在过弯后其流速大幅下降。其下层所应用的结构形式为平直分布形式，冷却水在其中的整体流速较为平缓，大小与方向基本保持一致，流速大小平均为每秒0.5米。第二，散热结构 B所应用的结构形式为对称形式，此时，下层冷却水流体的流速能够与出口管道内的流体流速保持在对称分布的状态，所显现出的流速大小平均为每秒0.5米，与散热结构A基本保持相同水平。第三，散热结构C所应用的结构形式为多条细管道并联形式，以此实现对“窄管效应”的充分利用，进入其内部的冷却水流速大小平均为每秒2.3米。与散热结构A以及散热结构B 相比，散热结构C内部的冷却水流速明显增大，同时，铝基板与管道之间的接触面积（对流换热面积）进一步增大，水冷板对流换热效果有所增强，因此能够获得更好的散热效果。从压损方面来看，散热结构A内流体压损平均为24.3千帕；散热结构 B内流体压损平均为27.1千帕；散热结构C内流体压损平均为30 千帕。对这三组数据进行对比能够了解到，散热结构A、散热结构B与散热结构C之间在压力损失方面并不存在较为明显的差异性。

　　综合来看，散热结构C所具备的综合散热性能更为理想，以此为样本展开温升试验，所得到的数值结果具体如下所示：针对整流桥升温参数来说，温升试验结果为3K，数值计算结果为4.3K；针对进出水温差参数来说，温升试验结果为1.6K，数值计算结果为1.8K。对比发现，温升试验结果与数值计算结果之间存在着较为吻合的关系，证实应用散热结构C可以满足实际的车用交流发电机整流桥散热需要。

　　总结：综上所述，选取三种结构不同的散热结构样本展开散热结构表面温度场、散热结构内部流体温度场、散热结构内部流体速度场的对比分析，结果表明，应用多条细管道并联形式的散热器所具备的综合散热性能更为理想，对流换热效果更强，能够更好满足实际的车用交流发电机整流桥散热需要。

　　参考文献：

　　[1]胡云峰. 汽车发电机用整流桥失效模式研究[J ] . 汽车电器，2020，（05）：43-46.

　　[2]郭庆. 大功率整流桥水冷散热器散热分析[J]. 电器与能效管理技术，2019，（16）：63-67+72.

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