汽車散熱器風扇扇設計匹配方法

1、2010-4-71車用冷卻風扇基礎車用冷卻風扇基礎 2010-4-72Content Content Motor Basic 電機基礎 CFM Basic 冷卻風扇基礎 Design of CFM system 冷卻模塊的設計校核 Technic trend of CFM 冷卻風扇的發(fā)展趨勢 Question and Answer 問題討論2010-4-73Content Content Motor Basic 2010-4-7401. Headlight Retractor Motor02. Water Pump Motor03. Front Windshield Wiper Motor04

2、. Rear Windshield Wiper Motor05. Winshield Washer Motor06. Headlight Washer Pump Motor07. Door Lock Actuator Motor08. Power Antenna Motor09. Window Lift Motor10. Seat Motor11. Door-Mirror Motor12. Telescopic Steering Motor13. Tilt Steering Motor14. Sunroof Motor15. Power Curtain Motor16. Engine Cool

3、ing Motor17. Seat Motor for Side Support18. Seat Motor for Lumbar Support19. Blower Motor20. Condenser Cooling Fan Motor21. Servo Motor for Air Conditioner22. Motor for In-Car-Sensor 23. Blower Motor for Air-Purifier24. Height Adjusting Motor25. Motor for ABS26. Stepping Motor for Idle Speed Control

4、27. 4WD Def-lock Motor28. Stepping Motor for Odometer29. Motor for Auto Drive System30. Fuel Stop MotorMotors for Automotive 汽車用電機汽車用電機2010-4-752010-4-76繞組定子轉子電樞電刷彈簧繞組電刷電刷組件端蓋軸承機殼磁瓦電刷引線刷盒2010-4-77Eg +-raIUMotor Equation電機基本公式電機基本公式TilT,STTSn, I, I0SnltSnlIS根據(jù)上面簡化圖，電路平衡公式：U = IU = I* *R Ra a + E + Eg

5、 g其中： U Voltage電壓 I Current電流 Ra Resistance.電樞內阻 Eg Counter EMF 反電勢Input power Input power 輸入功率輸入功率 P Pin in = U = U * * I (Watts) I (Watts) 其中 U 輸入電壓; I 電流由于摩擦阻力,風阻,磁阻和內電阻的損耗I2R, 電機的輸出功率小于輸入功率:Output power (shaft power) Output power (shaft power) 輸出輸出( (軸軸) )功率功率 P Ps s = 2 = 2 * * * *S / 60 S / 60

6、 * * T (Watts) T (Watts) 其中: S speed (rpm); T torque (Nm) Efficiency Efficiency 效率效率 = = P Ps/ s/ P Pin= in= 2 2 * * * *S / 60 S / 60 * * T /(U T /(U * * I ) I )2010-4-78Content Content Motor Basic CFM Basic 2010-4-79Function of Engine Cooling Module發(fā)動機冷卻風扇的功用發(fā)動機冷卻風扇的功用A/C CondenserRadiatorElectric

7、CoolingFan ModuleEngine ShroudViscous DriveEngine Driven Fan用于發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)和空調系統(tǒng)等的水箱, 冷凝器等的風冷散熱.2010-4-710Structure of Engine Cooling Module發(fā)動機冷卻風扇基本發(fā)動機冷卻風扇基本結構結構按照電機數(shù)量分為: 單風扇和雙風扇的冷卻風扇總成按照裝配位置分為: 吹風式和吸風式;按照電機調速方式可以分為: 串電阻調速,串聯(lián)調速和PWM控制調速2010-4-711電子風扇基本特性曲線電子風扇基本特性曲線 靜壓靜壓流量曲線流量曲線效率曲線效率曲線 空氣功率輸入功率空氣功率輸入功率轉

8、速曲線轉速曲線n n 功率曲線功率曲線 輸入功率輸入功率電流曲線電流消耗電流曲線電流消耗 有用的條規(guī)律： 冷卻風扇堵的越利害（風阻大）時，流量越是小，功耗越是大，轉速越是低。因此減冷卻風扇堵的越利害（風阻大）時，流量越是小，功耗越是大，轉速越是低。因此減小一切可能的風阻是設計高效冷卻系統(tǒng)必須時刻考慮的要素；小一切可能的風阻是設計高效冷卻系統(tǒng)必須時刻考慮的要素； 風扇的最高效率點在最大流量的風扇的最高效率點在最大流量的0.550.700.550.70附近時，可以使保證系統(tǒng)效率最大化；附近時，可以使保證系統(tǒng)效率最大化；空氣功率的計算：空氣功率的計算：Pf = Q Pf = Q * * Ps Ps其

9、中Pf 空氣風扇功率 (Watts)Q 空氣流量 (m3/sec)Ps 靜壓 (Pascal)2010-4-712Content Content Motor Basic CFM Basic Design of CFM system2010-4-713散熱系統(tǒng)的匹配散熱系統(tǒng)的匹配發(fā)動機功率類型，型式散熱量要 求水箱和電子風扇匹配電機和風扇匹配臺架試驗驗證設計及修正確認發(fā)動機的最大功率Ne發(fā)動機散熱量系數(shù)k 汽油機: 0.850.95 柴油機: 0.600.75 增壓型：系數(shù)增加 0.10.15散熱量Qw Qw=k*Ne*0.65初選水箱參數(shù)初選風扇參數(shù) 功率，流量，風阻幾何尺寸等初選電機參數(shù)初選

10、風扇參數(shù) 功率，流量，風阻幾何尺寸等電機風扇試驗冷卻模塊試驗發(fā)動機匹配試驗 初步設計定型 關于發(fā)動機散熱量的經驗數(shù)據(jù)可以要求發(fā)動機供應商提供關于發(fā)動機散熱量的經驗數(shù)據(jù)可以要求發(fā)動機供應商提供 2010-4-714例例 ：估算：估算110KW 110KW 柴油發(fā)動機的冷卻風扇模塊的主要性能參數(shù)柴油發(fā)動機的冷卻風扇模塊的主要性能參數(shù)發(fā)動機冷卻模塊校核發(fā)動機冷卻模塊校核發(fā)動機部分發(fā)動機部分發(fā)動機功率發(fā)動機功率 Ne KWNe KW110發(fā)動機類型發(fā)動機類型柴油機是否有增壓是否有增壓No散熱功率系數(shù)0.65發(fā)動機工作點 系數(shù)0.5-0.750.62散熱功率 KW44.3散熱功率 k Kal/h 38,

11、124 水箱部分水箱部分水箱進水溫度水箱進水溫度 821118211198水箱出水溫度水箱出水溫度 8293829391冷卻水流速冷卻水流速 kg/s 13kg/s 131.55水箱散熱量 k Kal/h39060 結果驗證方案可行方案可行發(fā)動機功率類型，型式散熱量要 求2010-4-715水箱水箱2 2水箱水箱1 1水箱和電子風扇匹配風冷部分風冷部分水箱進風溫度水箱進風溫度 2550255035水箱出風溫度水箱出風溫度 5085508570設定工作點靜壓設定工作點靜壓 Pa 80300 Pa 80300 150/220風流量風流量m3/hm3/h2700風冷散熱量 k Kal/h38912

12、結果驗證方案可行方案可行 尋找尋找合適合適性能的水箱，性能的水箱，確定工作點：確定工作點： 提示：不要認為現(xiàn)成的，裝的上就行，就是節(jié)?。√崾荆翰灰J為現(xiàn)成的，裝的上就行，就是節(jié)??！水箱水箱1 1輸出輸出27002700立方立方/ /小時的風量所需的空氣功率為小時的風量所需的空氣功率為: 2700/3600: 2700/3600* *220=165 Wa220=165 Wa水箱水箱2 2所需的功率為所需的功率為 2700/36002700/3600* *150=112.5Wa150=112.5Wa由此可見水箱由此可見水箱1 1需要的風功率相對水箱需要的風功率相對水箱2 2 增加了增加了52.5W

13、52.5W（47%47%），）， 折算到冷卻風扇電機的輸入功率，增加折算到冷卻風扇電機的輸入功率，增加了約了約175W175W。 估算增加了估算增加了CO2CO2排放排放 約約4g/100Km! 4g/100Km! 2010-4-716散熱系統(tǒng)的匹配散熱系統(tǒng)的匹配Step 2: Step 2: 匹配合適的風扇總成匹配合適的風扇總成 風扇風扇1 1與風扇與風扇2 2相比，風扇相比，風扇1 1 的最大的最大效率高于風扇效率高于風扇2 2 最大工作效率；最大工作效率； 在工作點的處（在工作點的處（150Pa150Pa），）， 風扇風扇1 1 的的效率約為風扇效率約為風扇2 2效率的一半；效率的一半；

14、 選擇風扇選擇風扇2 2是更優(yōu)的選擇。是更優(yōu)的選擇。水箱和電子風扇匹配電機和風扇匹配風扇風扇1 1風扇風扇2 2結論：結論： 不能單獨的選擇風扇總成，在確定水箱與風扇性能要求前必須進行不能單獨的選擇風扇總成，在確定水箱與風扇性能要求前必須進行 風扇與水箱的匹配，匹配的結果會極大地影響冷卻模塊的效率。風扇與水箱的匹配，匹配的結果會極大地影響冷卻模塊的效率。水箱水箱2010-4-717風扇的選擇風扇的選擇根據(jù)數(shù)據(jù)庫中各類風扇的特性，選擇滿足幾何條件的合適的風扇；根據(jù)數(shù)據(jù)庫中各類風扇的特性，選擇滿足幾何條件的合適的風扇； 選擇其工作轉速，如本例中轉速約為選擇其工作轉速，如本例中轉速約為2800rpm

15、2800rpm的單風扇，相應的風機的噪聲根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以預測為的單風扇，相應的風機的噪聲根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以預測為78 78分貝左右。分貝左右。 2010-4-718風扇和電機的匹配風扇和電機的匹配Motor EfficiencyMotor Efficiency= =Ps Ps P Pin in Fan EfficiencyFan Efficiency= =Pf Pf Ps Ps Overall EfficiencyOverall Efficiency= =Pf Pf Pin 典型值典型值Motor Efficiency: Motor Efficiency: Brush Type 55% to 7

16、5% Brush Type 55% to 75% Fan Efficiency:Fan Efficiency: Axial Flow 30% to 55 % Axial Flow 30% to 55 %Overall Efficiency: Overall Efficiency: Fan Module 25% to 40% Fan Module 25% to 40%SPEED (R.P.M.)CURRENT (AMPS)FAN LINECURRENTSPEEDS1TORQUET1I12010-4-719AMPS/SPEEDTORQUELOW SPEEDFAN CURVECURRENTHIGH

17、SPEEDS Sw w i i t tc ch hi i n ng g S Se eq qu ue en nc ce eA AB BL Lo ow w S Sp pe ee ed dO NO FFH Hi i g gh h S Sp pe ee ed dO FFO N+-AB電機調速一：電機調速一： Motors with ResistorsAdvantages / Disadvantages (+/-)+ Target Speeds can be achieved+ Efficient High Speed / - Inefficient Low Speed+ Proven Warranty

18、 Record (In Production for 16 years)2010-4-720TORQUELOW SPEEDFAN CURVEHIGH SPEEDAMPS/SPEEDVoltsPWM OutputtimeAverage+PWMControllerInputControl SignalOutput-電機調速二：電機調速二：Pulse Width Modulation (PWM)Advantages / Disadvantages (+/-)+ Target speed/multiple speeds+ Efficient High Speed, Moderate Efficienc

19、y Low Speed+ Can be added to existing motor+ Can eliminate motor relays- Requires control signal- Added component- Cost of Electronics- EMC concerns (due to switching)2010-4-721Content Content Motor Basic CFM Basic Design of CFM system Technic trend of CFM2010-4-7221. Performance Requirements1. Perf

20、ormance RequirementsCurrent Specs (as VDA) prescribe a 500h salt-spray test, more than doubling the previous requirements. brush commutation at its limits (and beyond!)2. E-cars2. E-cars Water-cooled batteries require an substantially higher runtime (more than 15 Kh) only achievable by electronic co

21、mmutation3. Economy3. EconomyGeneral demand for more efficient vehicles: BL about 20% more efficient than brush at typical working conditions fuel savings, car components downsizing4. Environment4. Environment Less CO2 emission, avoidance of carbon dust pollution More stringent EMC requirementsTrends in the CFM business Trends in the CFM business Arguments for Brushless Drives2010-4-723Emerging MarketsMicro CarsMature Markets (CO2)Small - Luxury CarsBrose Innovation:Introduction of the BrushlessBBL1 plus 200-