高春伦; 段富海; 关文卿; 吕添喜
【期刊名称】《《机电工程技术》》
【年(卷),期】2019(048)011
【总页数】4页(P86-89)
【关键词】风门作动器; ANSYSIcepak; 热分析; 散热器 【作 者】高春伦; 段富海; 关文卿; 吕添喜
【作者单位】大连理工大学机械工程学院 辽宁大连 116023; 兰州万里航空机电有限责任公司 兰州 730070
【正文语种】中 文
【中图分类】TN02
0 引言
风门作动器是飞机辅助动力装置（Auxiliary Power Unit，APU）进气口的开关机构，该机构的稳定工作、安全运行是飞机飞行安全的重要保障。在涡轮发动机运行时，风门作动器的工作环境温度很高，高温环境及产品发热易引起风门作动器电路板电子器件失效。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过规定值引起的[1]，因此对PCB板的热分析及优化是十分有必要的。 ANSYS Icepak是ANSYS针对电子行业的热仿真分析软件，该软件能快速便捷地建立热模型，快速稳定地求解计算，且有丰富多样的后处理功能，因此成为电子行业热仿真分析的主流软件。陈洁茹等[2]利用Icepak软件对某电子设备机箱进行热分析，并通过调整机箱结构分布，达到优化散热的目的；Hu Shuhong等[3]基于计算流体力学，利用ANSYS Icepak建立了汽车LED前照灯散热结构的插片翅片和圆柱形翅片模型，得出插入式翅片模型优于圆柱式翅片模型，符合LED前照灯散热标准。
本文应用Icepak软件分析了APU风门作动器PCB板在高温环境下的温度变化曲线。首先分析了风门作动器的原理，阐述了风门作动器主要热源与散热条件；然后建立模型仿真得到P
CB板温度变化曲线和温度云图；最后采用散热器强化散热措施，并优化了散热器尺寸。基于Icepak的热仿真分析，可验证风门作动器PCB板热设计的可行性与正确性，能显著提高产品设计的效率，降低成本，提高可靠性。
1 风门作动器原理
APU是飞机辅助动力源，其核心单元是一台小型涡轮发动机。APU利用输出气源和轴功率在地面和空中启动主发，为环控系统供气，并为各类机载设备提供电力[4]。APU舱的进气功能是通过进气风门来实现的。因为APU燃气出口温度较高，为防止APU对温度敏感的系统造成影响，APU舱一般设置在飞机尾部，进气口安装在机身尾部的右上方[5]。电驱动风门机构主要组成部分有滤波器与驱动电路、电机、减速机构、执行机构、位置反馈组件，其原理框图如图1所示。
在飞行员发出指令后，滤波器通过电机驱动电路驱动电机，经过齿轮减速驱动输出轴转动，从而控制风门开合。两组光电开关作位置反馈用。
图1 风门作动器原理框图
2 Icepak热有限元仿真
不同于一般的作动器，风门作动器不连续性工作，一般工作20 s左右后停止工作。整个风门作动器处于密闭的壳体内，没有冷风冷却，主要依靠自然冷却、热辐射与热传导。
2.1 热源与散热条件分析
分析风门作动器机械传动部分与电子器件部分，该机构的发热源主要有电子器件发热、电机发热、减速与传动部分摩擦生热。
风门作动器的驱动电路部分，由高度集成的电子器件组成，因其高度集成，能量密度高。又考虑到印制电路板与周围部件和壳体没有直接接触，热传导弱，只能依靠空气冷却与热辐射。更重要的，风门作动器的PCB板所处环境温度不同于一般设备，受APU内涡轮发动机影响，PCB板的环境温度峰值可到100℃。本设计采用电子器件的工作温度范围大多为-55～+125℃，该PCB板在20～40℃的温度下运行时，系统的稳定性最好，电机驱动电路板温度过高会使电子器件稳定性差甚至失效，严重影响飞行安全。电机与减速机构从发热角度分析，电机效率较高，减速机构的制造精度高，齿轮摩擦发热量较小，且风门作动
器工作时间短，因而发热量小；从散热角度分析，两者主要材料为碳钢，导热系数大，体积大，与外部壳体接触面积大。整体而言，电机与减速机构的散热条件良好。所以风门作动器的热分析主要针对于PCB板。
表1 试验分组试验组别1 2 3 4 5环境温度/℃-55-55 20 100 100海拔高度/m 11 000 0 00 11 000
考虑到飞机工作环境的复杂性，既要测试风门作动器低温工作性能，又要保证其高温工作性能，对风门作动器电机驱动电路板仿真，测试其在环境温度为-55～+100℃之间3个温度下的温度变化情况。又考虑到飞机所处海拔不同，空气密度、压强发生变化，故引入海拔高度变量，试验分组如表1所示。5组实验分别代表APU未启动时高空环境与地面高纬度极寒环境、20℃地面环境APU未启动、APU运行时地面与高空环境5种实际情况。
2.2 建立简化模型
为简化计算，在确保计算精度的情况下，做如下设定：
（1）机构内部与外界无空气流通，完全封闭；插片散热器
（2）器件的倒角、PCB板安装孔对温度变化没有影响[6]；
（3）忽略PCB板上无功率的微小器件；
（4）机构间歇性工作，运行30 s后至少停止工作300 s。
根据上述设定，采用Solidworks软件绘制PCB板的三维图，建立如图2所示的PCB板模型。PCB板尺寸为100 mm×60 mm，厚度2 mm。将器件材料、功率等参数导入ANSYS Icepak，设定参数如表2所示。
图2 PCB板三维模型
表2 器件参数序号U1 U2材料塑料10号钢功率/W 0.5工作温度/℃-55～125-55～125 U3,U4,U5名称电压调整器DC/DC变换器四异或非门，六反向门，四二输入与门 全密封扁平塑料-55～125 U6直流无刷电机驱动器2 0 2-55～125 D3,D4光电耦合器底板钨铜，边框10号钢DIP金属陶瓷半导体材料玻璃钝化聚苯硫醚，插头镀金0.15-55～125 Q1 V1 MOSFET功率管整流二极管1.4 0.11-55～125-55～125 P1插座0-65～125
因PCB板厚度方向尺寸较小，划分网格时在此方向加密。环境设置为考虑热辐射与流动压力特性，选择Boussinesq approximation自然对流模型，即布辛涅司克近似。选择湍流流态Zero equation，此流态模型足够保证电子器件散热的计算。设置重力方向与求解初始化速度0.15 m/s，计算区域的6个面设置为Wall，温度与环境温度一致。
2.3 仿真分析结果
将功率密度较高的电压调整器U1、DC/DC变换器U2、直流无刷电机驱动器U6、MOSFET功率管Q1、整流二极管V1设置为温度监控点，仿真测试后得到各状态下PCB板的温度极值，如表3所示。
表3 试验结果试验组别1 2 3 4 5初始温度/℃-55-55 20 100 100温度极值/℃-23.5-24.6 48.5 126.9 129.0
由表3结果知，在第4、5组试验中温度极值超过军用电子器件-55～+125℃的工作温度范围，根据图3所示的温度监控点的温度曲线，在环境温度最高、散热条件最差的第5组试验中MOSFET功率管Q1温升速率显著大于其他器件，温度在风门作动器运行30 s时达到峰值，
温度达129℃，超过器件允许的极限工作温度125℃，高温易引起Q1器件失效，需要对PCB板做散热优化。
图3 环境温度100℃、海拔11 000 m温度曲线
3 散热器热设计与优化
器件温度超过其工作温度范围，极易引起失效，需要对过热器件作散热处理，通常电子器件散热方式有4种：
（1）通过合理的器件排布与走线设计实现散热；
（2）通过PCB板自身进行散热；
（3）对过热器件安装散热器；
（4）加装风扇强制风冷，必要时采用水冷，甚至液氮冷却[7]。
通过上文的仿真分析，PCB板整体温度符合要求，MOSFET功率管Q1温度过高，首先考虑安装散热器。
3.1 散热器材料选择
受PCB板器件排布限制，散热器尺寸确定为18 mm×14 mm×11 mm，设计散热器首先需要确定的是散热器材料，选取散热器材料需要综合考虑导热性能、重量、加工性能、硬度、耐腐蚀性、成本等因素。常用散热金属按导热性能渐弱排序有银、铜、铝等，银的成本高昂，铜加工难度大且易氧化，又考虑到风门作动器用于飞机，银、铜金属较重，主要考虑金属铝[8]。金属铝质地软，不能直接使用，故选择常用的6063-T5铝合金。该铝合金热导率为209 W/(m·K)，在Icepak材料库中选择即可。
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