汽车散热器风扇扇设计匹配方法

1、2010-4-71车用冷却风扇基础车用冷却风扇基础 2010-4-72Content Content Motor Basic 电机基础 CFM Basic 冷却风扇基础 Design of CFM system 冷却模块的设计校核 Technic trend of CFM 冷却风扇的发展趋势 Question and Answer 问题讨论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 汽车用电机汽车用电机2010-4-752010-4-76绕组定子转子电枢电刷弹簧绕组电刷电刷组件端盖轴承机壳磁瓦电刷引线刷盒2010-4-77Eg +-raIUMotor Equation电机基本公式电机基本公式TilT,STTSn, I, I0SnltSnlIS根据上面简化图，电路平衡公式：U = IU = I* *R Ra a + E + Eg

5、 g其中： U Voltage电压 I Current电流 Ra Resistance.电枢内阻 Eg Counter EMF 反电势Input power Input power 输入功率输入功率 P Pin in = U = U * * I (Watts) I (Watts) 其中 U 输入电压; I 电流由于摩擦阻力,风阻,磁阻和内电阻的损耗I2R, 电机的输出功率小于输入功率:Output power (shaft power) Output power (shaft power) 输出输出( (轴轴) )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发动机冷却风扇的功用发动机冷却风扇的功用A/C CondenserRadiatorElectric

7、CoolingFan ModuleEngine ShroudViscous DriveEngine Driven Fan用于发动机的冷却系统和空调系统等的水箱, 冷凝器等的风冷散热.2010-4-710Structure of Engine Cooling Module发动机冷却风扇基本发动机冷却风扇基本结构结构按照电机数量分为: 单风扇和双风扇的冷却风扇总成按照装配位置分为: 吹风式和吸风式;按照电机调速方式可以分为: 串电阻调速,串联调速和PWM控制调速2010-4-711电子风扇基本特性曲线电子风扇基本特性曲线 静压静压流量曲线流量曲线效率曲线效率曲线 空气功率输入功率空气功率输入功率转

8、速曲线转速曲线n n 功率曲线功率曲线 输入功率输入功率电流曲线电流消耗电流曲线电流消耗 有用的条规律： 冷却风扇堵的越利害（风阻大）时，流量越是小，功耗越是大，转速越是低。因此减冷却风扇堵的越利害（风阻大）时，流量越是小，功耗越是大，转速越是低。因此减小一切可能的风阻是设计高效冷却系统必须时刻考虑的要素；小一切可能的风阻是设计高效冷却系统必须时刻考虑的要素； 风扇的最高效率点在最大流量的风扇的最高效率点在最大流量的0.550.700.550.70附近时，可以使保证系统效率最大化；附近时，可以使保证系统效率最大化；空气功率的计算：空气功率的计算：Pf = Q Pf = Q * * Ps Ps其

9、中Pf 空气风扇功率 (Watts)Q 空气流量 (m3/sec)Ps 静压 (Pascal)2010-4-712Content Content Motor Basic CFM Basic Design of CFM system2010-4-713散热系统的匹配散热系统的匹配发动机功率类型，型式散热量要 求水箱和电子风扇匹配电机和风扇匹配台架试验验证设计及修正确认发动机的最大功率Ne发动机散热量系数k 汽油机: 0.850.95 柴油机: 0.600.75 增压型：系数增加 0.10.15散热量Qw Qw=k*Ne*0.65初选水箱参数初选风扇参数 功率，流量，风阻几何尺寸等初选电机参数初选

10、风扇参数 功率，流量，风阻几何尺寸等电机风扇试验冷却模块试验发动机匹配试验 初步设计定型 关于发动机散热量的经验数据可以要求发动机供应商提供关于发动机散热量的经验数据可以要求发动机供应商提供 2010-4-714例例 ：估算：估算110KW 110KW 柴油发动机的冷却风扇模块的主要性能参数柴油发动机的冷却风扇模块的主要性能参数发动机冷却模块校核发动机冷却模块校核发动机部分发动机部分发动机功率发动机功率 Ne KWNe KW110发动机类型发动机类型柴油机是否有增压是否有增压No散热功率系数0.65发动机工作点 系数0.5-0.750.62散热功率 KW44.3散热功率 k Kal/h 38,

11、124 水箱部分水箱部分水箱进水温度水箱进水温度 821118211198水箱出水温度水箱出水温度 8293829391冷却水流速冷却水流速 kg/s 13kg/s 131.55水箱散热量 k Kal/h39060 结果验证方案可行方案可行发动机功率类型，型式散热量要 求2010-4-715水箱水箱2 2水箱水箱1 1水箱和电子风扇匹配风冷部分风冷部分水箱进风温度水箱进风温度 2550255035水箱出风温度水箱出风温度 5085508570设定工作点静压设定工作点静压 Pa 80300 Pa 80300 150/220风流量风流量m3/hm3/h2700风冷散热量 k Kal/h38912

12、结果验证方案可行方案可行 寻找寻找合适合适性能的水箱，性能的水箱，确定工作点：确定工作点： 提示：不要认为现成的，装的上就行，就是节省！提示：不要认为现成的，装的上就行，就是节省！水箱水箱1 1输出输出27002700立方立方/ /小时的风量所需的空气功率为小时的风量所需的空气功率为: 2700/3600: 2700/3600* *220=165 Wa220=165 Wa水箱水箱2 2所需的功率为所需的功率为 2700/36002700/3600* *150=112.5Wa150=112.5Wa由此可见水箱由此可见水箱1 1需要的风功率相对水箱需要的风功率相对水箱2 2 增加了增加了52.5W

13、52.5W（47%47%），）， 折算到冷却风扇电机的输入功率，增加折算到冷却风扇电机的输入功率，增加了约了约175W175W。 估算增加了估算增加了CO2CO2排放排放 约约4g/100Km! 4g/100Km! 2010-4-716散热系统的匹配散热系统的匹配Step 2: Step 2: 匹配合适的风扇总成匹配合适的风扇总成 风扇风扇1 1与风扇与风扇2 2相比，风扇相比，风扇1 1 的最大的最大效率高于风扇效率高于风扇2 2 最大工作效率；最大工作效率； 在工作点的处（在工作点的处（150Pa150Pa），）， 风扇风扇1 1 的的效率约为风扇效率约为风扇2 2效率的一半；效率的一半；

14、 选择风扇选择风扇2 2是更优的选择。是更优的选择。水箱和电子风扇匹配电机和风扇匹配风扇风扇1 1风扇风扇2 2结论：结论： 不能单独的选择风扇总成，在确定水箱与风扇性能要求前必须进行不能单独的选择风扇总成，在确定水箱与风扇性能要求前必须进行 风扇与水箱的匹配，匹配的结果会极大地影响冷却模块的效率。风扇与水箱的匹配，匹配的结果会极大地影响冷却模块的效率。水箱水箱2010-4-717风扇的选择风扇的选择根据数据库中各类风扇的特性，选择满足几何条件的合适的风扇；根据数据库中各类风扇的特性，选择满足几何条件的合适的风扇； 选择其工作转速，如本例中转速约为选择其工作转速，如本例中转速约为2800rpm

15、2800rpm的单风扇，相应的风机的噪声根据表中数据可以预测为的单风扇，相应的风机的噪声根据表中数据可以预测为78 78分贝左右。分贝左右。 2010-4-718风扇和电机的匹配风扇和电机的匹配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电机调速一：电机调速一： 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-电机调速二：电机调速二：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-