DSpace
KOBRA
KOBRA

KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Institut für Elektrische Energietechnik / Rationelle Energiewandlung  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2418

Title: Ein Beitrag zur Modellierung und Simulation von elektromechanischen Systemen
Authors: Hohmann, Stefan
???metadata.dc.subject.swd???: Technisches SystemElektromechanisches BauelementWärmeübertragungKühlkörperSteckverbinderPSPICESimulation
???metadata.dc.subject.ddc???: 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 3-Jul-2005
Abstract: Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß es möglich ist, komplexe thermische Systeme, unter Verwendung der thermisch-, elektrischen Analogien, mit PSpice zu simulieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen hierbei Strangkühlkörper zur Kühlung von elektronischen Bauelementen. Es konnte gezeigt werden,daß alle Wärmeübertragungsarten, (Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung) in der Simulation berücksichtigt werden können. Für die Berechnung der Konvektion wurden verschiedene Methoden hergeleitet. Diese gelten zum einen für verschiedene Kühlkörpergeometrien, wie z.B. ebene Flächen und Kühlrippenzwischenräume, andererseits unterscheiden sie sich, je nachdem, ob freie oder erzwungene Konvektion betrachtet wird. Für die Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen wurden verschiedenen Berechnungsmethoden entwickelt. Für die Simulation mit PSpice wurde die Berechnung der Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen vereinfacht. Es konnte gezeigt werden, daß die Fehler, die durch die Vereinfachung entstehen, vernachlässigbar klein sind. Für das thermische Verhalten einer zu kühlenden Wärmequelle wurde ein allgemeines Modell entworfen. Zur Bestimmung der Modellparameter wurden verschiedene Meßverfahren entwickelt. Für eine im Fachgebiet Elektromechanik entwickelte Wärmequelle zum Test von Kühlvorrichtungen wurde mit Hilfe dieser Meßverfahren eine Parameterbestimmung durchgeführt. Die Erstellung des thermischen Modells eines Kühlkörpers für die Simulation in PSpice erfordert die Analyse der Kühlkörpergeometrie. Damit diese Analyse weitestgehend automatisiert werden kann, wurden verschiedene Algorithmen unter Matlab entwickelt. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, den Kühlkörper in Elementarzellen zu zerlegen, die für die Erstellung des Simulationsmodells benötigt werden. Desweiteren ist es für die Simulation notwendig zu wissen, welche der Elementarzellen am Rand des Kühlkörpers liegen, welche der Elementarzellen an einem Kühlrippenzwischenraum liegen und welche Kühlkörperkanten schräg verlaufen. Auch zur Lösung dieser Aufgaben wurden verschiedene Algorithmen entwickelt. Diese Algorithmen wurden zu einem Programm zusammengefaßt, das es gestattet, unterschiedliche Strangkühlkörper zu simulieren und die Simulationsergebnisse in Form der Temperaturverteilung auf der Montagefläche des Kühlkörpers grafisch darzustellen. Es können stationäre und transiente Simulationen durchgeführt werden. Desweiteren kann der thermische Widerstand des Kühlkörpers RthK als Funktion der Verlustleistung der Wärmequelle dargestellt werden. Zur Verifikation der Simulationsergebnisse wurden Temperaturmessungen an Kühlkörpern durchgeführt und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Diese Vergleiche zeigen, daß die Abweichungen im Bereich der Streuung der Temperaturmessung liegen. Das hier entwickelte Verfahren zur thermischen Simulation von Strangkühlkörpern kann somit als gut bewertet werden.The examinations conducted in this dissertation show that it is possible to simulate complex thermal systems with PSpice by using thermal and electric analogies. In the focus of the examinations were strand heat sinks used to cool electronic components. It was proved that all kinds of heat transfer (heat conduction, convection and heat radiation) could be taken into account in the simulation. Different methods were derived to calculate the convection. On the one hand, these methods are valid for different geometric kinds of heat sinks (e.g. plane surfaces and gills interstices). On the other hand they differ, depending upon whether free or forced convection is monitored. Several methods of calculation were developed to measure the heat radiation between the gills. The calculation of heat radiation between the gills was simplified for the simulation in PSpice. It could be shown that the mistakes caused by the simplification are negligible. A generic model was developed to calculate the thermal behaviour of a heat source which should be cooled. Different measurement methods were developed to designate the model parameters. By using these measurement methods, a parameter designation was conducted with a heat source, which was developed in the department of electromechanics, to test cooling devices. The creation of a thermal model of a heat sink for the simulation in PSpice requires an analysis of the geometric of a heat sink. Different algorithms were created using Matlab to automatize this analysis as far as possible. An algorithm was developed, which allows to disassemble the heat sink to a unit cell level, what is required for the creation of the model of the simulation. Furthermore it is important to know for the simulation, which of the unit cells are at the edge of the heat sink, which of them is in a gill interstice and which of edges of the heat sink are oblique. Different algorithms were developed to cover these aspects. All of these algorithms were combined in one programme, which allows to simulate different kinds of strand heat sinks. The results of the simulation are then displayed graphically as a measurement of temperature on the assembly plane of the heat sink. It is possible to conduct stationary and transient simulations. Also, it is possible to display the thermal resistance of the heat sink Rthk as a function of the power dissipation of the source of heat. Measurements of temperature at heat sinks were conducted and compared to the results of the simulations to verify these. The comparisons showed that the differences between the measurements and the simulation were in the spread of the measurement of temperature. The developed method, which is used for the thermal simulation of strand heat sinks can thus be considered as good and usable.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2418
Appears in Collections:Dissertationen

Files in This Item:

File Description SizeFormat
dis2449_16.pdf5.74 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.