- 头条温州大学研究团队提出强迫风冷散热器多目标优化的新方法导语电力电子系统对强迫风冷散热器提出了低热阻、小型化和轻量化的要求，温州大学电气与电子工程学院电气数字化设计技术国家地方联合工程实验室的王玲、朱翔鸥等在考虑现有散热器设计方法的不足之后，通过散热器结构及其等效热阻网络构建了热阻、压降和质量最小的多目标优化模型。针对当前粒子群算法求解多目标模型时存在的局限性，本文采用多种改进策略提高了算法的性能。计算和仿真结果显示优化后的强迫风冷散热器热阻、压降、质量均有减小，功率器件表面温度明显降低，结果验证了多目标优化模型及算法的有效性。
团队介绍
朱翔鸥实验室隶属于温州大学电气与电子工程学院电气数字化设计技术国家地方联合工程实验室，致力于电力电子技术、低压电器技术和电气数字化技术的研究。专注于低压电器的保护与检测、智能配网系统的构建、电弧及其特性技术等的理论研究和工程应用。
电气数字化设计技术国家地方联合工程实验室以推动和引领浙江省乃至全国电气产业发展为目标，重点建设船舶岸电电源技术、港口分布式电能系统、轮式吊车电源技术、绿色能源与微电网、电力光通信系统、电气智能系统设计等研发平台，在促进绿色港口和绿色船厂以及电气行业发展方面发挥了积极作用。
王玲,硕士研究生，研究方向为电机与电器。
朱翔鸥,教授，硕士生导师，研究方向为电机与电器。
王守冬,硕士研究生，研究方向为电力电子技术。
孙创，硕士研究生，研究方向为电机与电器。
研究背景
随着电力电子装置向着高精度、高功率密度、高可靠性方向发展，功率器件的热失效和热退化现象更为突出，更有效的散热技术成为了研究的重点。强迫风冷散热器有着散热效果好、结构简单、工作稳定、成本较低等优点,因而能够在大功率电力电子装置的热设计中广泛应用，电力电子装置也对强迫风冷散热系统提出了低热阻、小型化、轻量化的要求。
论文所解决的问题及意义
传统的强迫风冷散热系统设计一般采用试验法或经验公式法，前者的不足主要是其成本高昂且研发周期长，后者在计算精度方面还有待提高。在工程实际中往往仅关注散热系统的散热效果，通常以增加散热器的外表面积作为首选方案，结果导致散热器的重量、体积增加，系统压降变大。
在以增加散热器散热效果为设计目标的同时，还应该将散热器的重量、体积、压降以及制造成本等纳入到散热设计的综合指标范畴加以考虑，方可实现散热器的低热阻、小型化和轻量化目标。
论文方法及创新点
为实现散热器的低热阻化、小型化和轻量化要求，本文提出根据散热器结构建立多目标优化数学模型，使用改进后的多目标粒子群算法求解模型，从而获取散热器优化后的结构参数，大幅缩短了散热器的研发周期，节省了散热器在设计、制造和测试等环节中的成本。
1 散热器多目标优化模型
根据散热器等效热阻网络，推导建立了热阻、压降和质量最小的多目标优化模型，拟定了合理的优化变量，并设计相应的约束条件。
图1 散热器多目标优化模型
2 改进多目标粒子群优化算法
针对传统多目标粒子群算法效率低、收敛速度慢、全局搜索能力差的特点，提出了一种改进的多目标粒子群算法，大大提高了算法的求解能力。
图2 改进粒子群算法的方法流程
结论
本文根据散热器等效热阻网络，推导建立了热阻、压降和质量最小的多目标优化模型，拟定了合理的优化变量，并设计相应的约束条件。针对经典多目标粒子群算法的缺陷，本文引入了多种改进策略提高了算法的搜索能力，使算法拥有了较强的全局搜索和局部搜索能力。通过改进的多目标粒子群算法求解散热器优化模型最优解集，采用优化后的散热器结构参数进行热仿真分析，仿真结果验证了本文所提散热器优化方法的有效性和实用性。
引用本文
王玲, 李俐, 朱翔鸥, 王守冬, 孙创. 基于粒子群算法的强迫风冷散热器多目标优化[J]. 电气技术, 2022, 23(2): 20-25. WANG Ling, LI Li, ZHU Xiang’ou, WANG Shoudong, SUN Chuang. Multi-objective optimization of forced air-cooled heatsink based on particle swarm optimization algorithm. Electrical Engineering, 2022, 23(2): 20-25.
