鄭國麗,申 政,崔 可,何維林

(中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

自扇冷式牽引電機不需要額外的動力裝置，將定子、轉子所處的內部空間作為封閉結構，使用電機直驅的外部風扇提供冷卻介質對電機進行冷卻。電機內部全封閉可避免外界環(huán)境(包括灰塵、空氣中的污染物以及雨水等)的影響，降低電機維護頻率和維護成本。該冷卻方式常用于對防護等級要求較高的永磁電機[1-3]。全封閉自扇冷式牽引電機風扇性能直接影響電機的冷卻效果、噪聲以及效率等技術指標。因此，風扇性能優(yōu)化設計對提升此類電機的性能尤為關鍵。

國內外很多學者對風扇的流動特性和氣動噪聲進行了較為全面和深入的研究。Ramakrishna等[4]采用數值模擬與試驗方法分別研究了前向、徑向與后向葉輪的性能與噪聲。湯黎明[5]對工程機械冷卻風扇的流動特性與氣動噪聲進行了研究，結果表明針對風扇裝置整體進行結構改動有較好的降噪效果。Sorguven等[6]采用神經網絡方法，以在滿足額定壓升的條件下風扇噪聲最小為目標，對風扇葉片進行了優(yōu)化，并通過試驗驗證了優(yōu)化的有效性。周洪發(fā)[7]通過對系列電機風扇特性的分析，設計了超高效率三相異步電動機專用風扇。朱傳敏等[8]基于計算流體力學(CFD)方法，對風扇進行了流場分析，研究了風扇結構對風扇性能的影響。綜觀上述研究可知，風扇優(yōu)化可提高電機效率、降低電機噪聲。

本文以某自扇冷式牽引電機風扇為例，對風扇的風量、效率以及氣動噪聲等性能參數進行分析，通過改進風扇結構提高風扇性能，為風扇的優(yōu)化設計提供理論參考。

1 優(yōu)化前風扇參數

全封閉自扇冷式牽引電機風扇的設計需求包括：提供電機冷卻所需的風量；通風損耗小，效率高；氣動噪聲低；成本低，工藝性好。

在電機冷卻系統設計過程中，設計人員傾向于補償設計中的不確定性，實現方式是增加風扇的容量。為了滿足大風量，往往風扇尺寸設計偏大，忽略了通風系統與風扇的優(yōu)化，風扇不在最佳效率點運行，容易導致風扇噪聲大、成本高等。為此，本文以某自扇冷式牽引電機為例，對電機的外流場進行數值模擬，分析電機外風扇的冷卻風量、通風損耗、氣動噪聲等參數。

電機外風路結構如圖1所示。冷卻介質在外風扇的驅動下，流經電機冷卻風道對電機進行冷卻。

圖1 外風路結構示意圖

表1列出了優(yōu)化前風扇結構參數。風扇需要滿足雙向旋轉的要求，因此采用徑向離心風扇。表2列出了不同轉速運行時優(yōu)化前風扇產生的流量、機械損耗與氣動噪聲的試驗值。由表2數據可以得出，隨著轉速的增加，流量與轉速成正比增加，損耗與轉速的立方成正比增加，轉速越高，噪聲值越大。當轉速達到4 000 r/min時，機械損耗4 637 W，A計權聲功率級109.3 dB。高轉速下風扇的性能直接影響了電機的效率和噪聲水平。因此，本文將通過改進風扇結構來提升高轉速下風扇效率，降低風扇產生的氣動噪聲。

表1 優(yōu)化前風扇結構參數

表2 優(yōu)化前風扇性能參數

2 優(yōu)化前風扇流場分析

風扇選型要兼顧流量、氣流速度、壓力、氣流特性和系統布局等，系統的阻力特性是風扇選型的關鍵[9-10]。冷卻介質通過冷卻系統時，壓力損失包括沿程損失和局部損失。為了分析外風路通風系統的阻力，本文基于計算流體力學原理，對電機外流場進行數值模擬，分析外風扇流道的壓力損失與速度流線。

圖2為優(yōu)化前風扇葉片間流體域的壓力分布，圖3為優(yōu)化前風扇葉片間流體域的截面流線圖。通過計算結果可以得出，優(yōu)化前風扇采用錐形前盤，氣流進入葉片急劇轉彎后與前盤分離，形成渦流區(qū)，增加了通風系統損失。圖4為優(yōu)化前風扇速度矢量圖。從圖4可以看出，氣流出口面積大，出口平均速度低，受旋轉方向影響，高速區(qū)集中在葉片一側，截面速度不均勻程度高。

圖2 優(yōu)化前風扇葉片間流體域的壓力分布

圖3 優(yōu)化前風扇葉片間流體域的截面流線圖

圖4 優(yōu)化前風扇速度矢量圖(2 000 r/min)

3 風扇結構優(yōu)化

牽引電機的運行特點要求風扇正反轉冷卻效果一致，因此風扇只能采用徑向離心直葉片風扇，風扇葉片出口角為90°。徑向離心風扇結構的優(yōu)化方向有以下3個方面。

(1)風扇葉片內外徑與寬度。根據電機所需的冷卻風量確定葉片內外徑、葉片寬度。

冷卻風量可根據風扇的外特性和通風系統的風阻特性采用求解法獲得。

對于徑向葉片的離心式風扇，風扇特性曲線可用下列簡化式表達[11]：

(1)

式中：P為壓力；P0為離心式風扇在空載運行時所產生的靜壓力；qv為體積流量；qvm為無外部風阻時經過風扇的最大風量。

通風系統的阻力特性可表示為

(2)

式中：Z為系統風阻。

(2)葉片數目。葉片數過少，流道面積增加，容易引起氣流分離。葉片數過多，將增加風道的摩擦損失，這種損失不但會降低風扇的實際壓力，而且會增加能耗。因此，離心式風扇葉片數目的選擇一般考慮葉片間流道的長度和寬度具有適當的比例，以減少損耗。為了保證風扇有足夠的剛度，在平均直徑處葉片之間的距離應小于或等于葉片的高度，即葉片數：

(3)

式中：N為葉片數目；D1為風扇內徑；D2為風扇外徑。

(3)葉片形狀。從機械損耗角度考慮，風扇工作時流體和流道壁面發(fā)生摩擦、流道幾何形狀改變使流速變化而產生渦流，偏離設計工況時產生的沖擊等，是風扇機械損耗的來源。減少回流區(qū)，可以降低渦流產生的摩擦損耗。

從氣動噪聲考慮，風扇高速旋轉時，空氣質點受到葉片周期力的作用，產生壓力脈動，就產生了旋轉噪聲[12-14]。對于全封閉自扇冷式牽引電機而言，電機噪聲源的主要成分來自外風扇的氣動噪聲。將通道盡量做成流線形，避免急劇轉向和截面突變，降低風阻，是降低氣動噪聲的一種有效措施。

因此，為了避免風扇入口出現急變流場，減少氣流的轉彎損失，優(yōu)化后風扇前盤傾角增大，風扇后盤的弧線盡量平緩，空氣流通面積逐漸縮小，空氣加速流通，減少氣體分離。

由于靠近葉片前盤的氣流速度大于后盤，為了減少氣流的沖擊損失，葉片采用斜切結構。

優(yōu)化后風扇的結構參數如表3所示。優(yōu)化后風扇結構示意圖如圖5所示。

表3 優(yōu)化后風扇結構參數

圖5 優(yōu)化后風扇結構示意圖

4 優(yōu)化后風扇性能分析

圖6為優(yōu)化后風扇所在旋轉域的壓力分布，圖7為優(yōu)化后風扇葉片間流體域的截面流線圖，圖8為優(yōu)化后風扇速度矢量圖。

圖6 優(yōu)化后風扇葉片間流體域的壓力分布

圖7 優(yōu)化后風扇葉片間流體域的截面流線圖

圖8 優(yōu)化后風扇速度矢量圖(2 000 r/min)

風扇優(yōu)化前后對比，優(yōu)化前外風路風阻為2 932 kg/m7，優(yōu)化后外風路風阻降低為1 988 kg/m7。優(yōu)化后氣流進入葉片平穩(wěn)過渡，使流動均勻性升高，風阻降低?？梢姙榱吮苊怙L扇內的二次回流，風扇進出口的流道應盡可能避免急劇轉彎，否則系統的非均勻流動將導致系統阻力高于預期。優(yōu)化后葉片數增加，葉片間高速氣流的填充率增加，速度分布均勻性升高。

表4為優(yōu)化風扇后電機在不同轉速下運行時試驗測量的風扇性能參數。對比優(yōu)化前數據，可見損耗和噪聲均明顯降低。

表4 優(yōu)化后風扇性能參數

5 結 語

本文以某自扇冷式牽引電機風扇為研究對象，基于計算流體力學原理對電機外流場進行分析，通過風扇結構優(yōu)化，風扇性能得以提高。

試驗驗證表明在4 000 r/min的高轉速運行時，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后風扇機械損耗降低了1 241 W，產生的氣動噪聲降低了5.1 dB?？梢娡ㄟ^風扇的優(yōu)化不僅可以提高電機的運行效率，而且能夠降低電機的氣動噪聲。