Simdroid-EC助力控制柜高效散热设计
随着工业4.0时代的来临，工程设备越来越多地搭载伺服控制系统，以实现智能化控制。伺服控制系统是具备反馈调节机制的部件自动控制系统，主要由多组驱动器、伺服电机和其它执行器件组成。
图1 伺服驱动系统
在复杂控制系统中，这些驱动器和配套的电气元件同时工作，并统一部署在控制柜中。这意味着工业控制柜内的布局越来越紧凑，温升也随着能量密度的快速提升而变得越来越高。在此环境下，控制柜不仅容易局部温度过高、能耗加剧，内部的关键元器件也面临性能降低与寿命缩短，严重时甚至影响系统控制，干扰整机工作。
图2 工业控制柜
目前，各行业领域普遍采用散热风扇对控制柜类进行温度控制，并且制定了详实的标准以限制柜体表面、元件局部的温升。风扇散热属于强迫对流换热的一种，其本质是以风扇作为动量源，强化流-固接触面的对流换热效应，高效带走固体表面的热量，以达到控制温升、提高元器件热可靠性的效果。
伏图-电子散热模块（Simdroid-EC）能够为各种非标部署形式的控制柜建立系统级的热模型，详细模拟系统表面的温升、内部器件的温升、空气或其他散热介质的流动情况，并针对各种复杂工况开展热分析与优化，保障热设计方案安全达标。
Simdroid-EC功能亮点
Simdroid-EC是基于伏图（Simdroid）平台开发的针对电子元器件、设备等散热的专用热仿真模块，提供传热分析、流场分析以及稳态&瞬态分析功能，能够进行自然冷却、强迫冷却及混合冷却分析，同时具备变化功耗和变化环境的瞬态分析能力，适用于控制柜散热设计评估。
本文通过某IP67等级的密闭控制柜热设计案例来说明Simdroid-EC的功能亮点。
1. 智能元件建模
通过Simdroid-EC导入接口，配合软件内置的智能元件转换与建模功能，可以为控制柜建立等效热模型，并清理掉对本次热分析影响极小的折弯角、安装孔等结构。利用“轴流风扇”智能元件，可以快速搭建机柜内的散热风扇模型，大幅提高建模效率。
图3 搭建热分析模型
2. 便捷工况设置
Simdroid-EC内置多种湍流、辐射、重力、多流体区域等物理模型，以便捷定义多种工况。在模型设置页面找到对应的设置模块，即可设定红外辐射、太阳辐射等分析条件，以模拟物体间的热辐射和户外工况下的太阳照射。
图4 模型设置示意
3. 高效网格控制
为了精确捕捉机柜内外部的空气流动与温度梯度，使用Simdroid-EC的基于区域网格划分方法，实现从局部到系统再到全局的多层次网格控制。
图5 局部网格控制示意
本案例的网格分布投影如下。软件不仅支持在某个视图上显示网格投影，还可以单独显示所选智能元件的三维网格，以便于更直观地判断其是否达到我们的网格控制要求。
图6 二维网格投影与三维元件网格示意
4. 丰富的结果分析
当计算收敛后，Simdroid-EC会自动将计算结果加载至后处理模块。控制柜的整体温度场分布结果如下图所示：
图7 机柜内部和外壳表面温度云图
由上图可以得出，控制柜外表面最高温升为12.73°C，最低温升为5.83°C，在可接触表面的设计温度范围内；机柜内部各元件的表面温度则比外表面更高。
图8 自由绘制温度云图与标签
使用软件自由选择对象绘制表面云图，使可视化结果更聚焦于关键元器件，温度场分布一目了然；在云图中使用标签功能，可以任意选择云图上的点读取标量数据。
图9 速度流线图
基于内部循环风扇创建流线，可以直接观察到控制柜内循环气流的流动情况。流动速度较高的区域，空气与元器件表面的对流换热效果较好，而空气几乎不流通的区域则更容易形成热量累积与较高的温升。参照流线图，可以对比得到散热风扇与主要热源间更加合理的布置方式，以提高散热效率。
图10 速度切面云图
结合切面云图，我们可以更清晰地观察到整个流道内的速度分布，并获取某关注点位的速度数值。以上各云图皆可以切换标量为温度、速度、压力等等，用不同的变量渲染云图，可以得到多样化的报告呈现。
以风扇驱动的强迫对流换热在散热仿真中应用非常广泛，除控制柜类的电气部装外，也常用于服务器、电脑主机、电源器件等电子设备中。Simdroid-EC具备便捷的模型导入与创建功能、快速的流体域网格划分与查看功能，以及丰富的后处理结果，能够帮助用户快速评估热害风险，为电子散热行业提供高质量的产品热设计方案。可登陆Simapps网站申请试用Simdroid-EC。
