李昌奇 詹 騰 鄧姣艷 成 毅

（湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司）

0 引言

地鐵是城市軌道交通的重要組成部分，具有安全、準點、快捷、舒適等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代化大中城市交通發(fā)展的首選[1]。輔助變流器作為地鐵車輛的關鍵部件，對車輛輔助系統(tǒng)設備進行供電，工作時其通過電流較大，發(fā)熱量也相對較大。為了防止變流器的功率元件過熱損壞，一般采用風機對系統(tǒng)進行散熱。

EC 外轉(zhuǎn)子風機具有效率高、體積小、質(zhì)量小、無極調(diào)速等優(yōu)勢，廣泛應用在軌道交通空調(diào)系統(tǒng)[2]和變流器冷卻系統(tǒng)[3]中。風機安裝在地鐵車輛底部，運行過程中會吸入大量粉塵[4]，當風機運行一段時間后，電機進灰導致軸承失效，進而電機燒損，風機經(jīng)常出現(xiàn)異響故障。

本文針對外轉(zhuǎn)子風機易進灰塵的問題，研發(fā)了一種內(nèi)轉(zhuǎn)子集成變頻器無蝸殼風機。該風機在滿足一定的安裝空間限制的基礎上，還要滿足變頻調(diào)速、冷卻散熱及輕量化等要求，其中電機設計、變頻器設計和風機結(jié)構(gòu)設計是關鍵技術。本文利用計算仿真和試驗驗證等方法，對比了不同的優(yōu)化方案，設計了一種錐形輪盤的無蝸殼集成變頻器風機。通過多項試驗驗證，結(jié)果表明風機滿足技術規(guī)范要求，可同等替代EC外轉(zhuǎn)子風機。

1 風機概述

1.1 風機技術要求

基于輔助變流器對風機的技術要求，內(nèi)轉(zhuǎn)子風機主要參數(shù)如表1 所示。風機安裝于結(jié)構(gòu)緊湊的輔助變流器柜內(nèi)，從柜外吸風至柜內(nèi)，將柜內(nèi)功率器件、電抗器、電容器、電纜等發(fā)熱部件散發(fā)的熱量帶走，使柜內(nèi)溫升降低并保持穩(wěn)定，以保證輔助變流器的正常工作。

1.2 風機工作原理

為了滿足表1中關鍵技術指標要求，本文設計了一種集成變頻器風機，主要由安裝板、進風道、葉輪、支撐桿、電機及變頻器等部件組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 風機性能主要參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of fan

圖1 風機整體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of fan

該風機整體結(jié)構(gòu)屬于無蝸殼風機[5-6]，也稱為Plug fan。風機通過安裝板，用螺栓連接固定于輔助變流器柜頂板上。葉輪采用壓裝工藝，安裝在電機錐軸上，并用外舌止動墊片與軸頭螺母緊固連接。四根支撐桿分別連接電機和安裝板，其中進風道安裝在安裝板上。為了實現(xiàn)風機的變頻調(diào)速功能，在電機的尾端安裝一個變頻器。電機工作時轉(zhuǎn)軸帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，使氣流沿進風道軸向流入葉輪，葉輪帶動氣體旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下甩出葉輪，流進輔助變流器內(nèi)，迫使氣體流動，從而使輔助變流器得到冷卻。

2 風機設計

為了實現(xiàn)EC外轉(zhuǎn)子風機的對等開發(fā)，解決風機的進塵問題，采用防護等級更高的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，并通過集成變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速和通信功能。在解決了電機IP等級的同時，還要實現(xiàn)外轉(zhuǎn)子風機結(jié)構(gòu)簡單。對風機的結(jié)構(gòu)設計提出了更高的要求。

2.1 電機設計

電機為三相異步電機，主要技術參數(shù)如表2。為了提高電機的可靠性，本文主要從電機結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)等方面進行了設計優(yōu)化，如圖2所示。

表2 電機主要技術參數(shù)Tab.2 Main parameters of motor

根據(jù)風機在柜體上的連接方式，電機為立式安裝。為此，電機前后軸承結(jié)構(gòu)采用了后端軸承外圈固定，前端軸承外圈為浮動結(jié)構(gòu)，這樣后端軸承內(nèi)蓋將軸承外圈和轉(zhuǎn)子總成再固定，前端波形彈簧為轉(zhuǎn)子總成預留熱膨脹空間，同時防止前軸承跑外圈，如圖2a 所示。另外，為了提高電機的防護等級，在軸伸端采用骨架油封，可有效防止灰塵和水浸入電機而導致的軸承異響、失效或電機燒損。

為了盡可能的減小電機質(zhì)量，將電機的前端蓋與機座采用一體式結(jié)構(gòu)，并設計加強筋和散熱筋。該結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，又能保證前軸承室、定子鐵芯和后端蓋安裝止口三個重要安裝位置同軸，如圖2b。機座和端蓋均采用鋁合金材料，在軸承室內(nèi)嵌鋼套（鑄造時一起鑄造）以增強軸承室耐磨性。上述結(jié)構(gòu)，既滿足結(jié)構(gòu)強度和性能要求，又大大減少了質(zhì)量。

圖2 電機設計Fig.2 Design of motor

風機采用變頻器供電，尖峰電壓比較高，電機在絕緣結(jié)構(gòu)方面采用H級絕緣。定子繞組采用雙層、短距疊繞組，QP-2/200防電暈漆包圓銅線，槽絕緣和層間絕緣是CR NHN絕緣膜加雙層聚酰亞胺薄膜，對地絕緣和相間絕緣均采用CR NHN，并頭及引接線焊接處采用0.2×15防電暈云母帶包扎，如圖2c。端部綁扎采用0.10×20滌綸絲帶，綁扎完畢后進行VPI處理，使用環(huán)保絕緣漆使之固化成一個整體，以確保絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.2 葉輪設計

對于常規(guī)的無蝸殼風機，葉輪是風機的主要部件，而葉片數(shù)與葉片的進出口角對風機的性能影響很大，通常葉輪采用后向離心式葉輪[8-9]。風機的軸向高度尺寸限制較大，采用常規(guī)的離心葉輪，空間尺寸難以滿足要求。在保證風機性能的前提下，將風機的后輪盤設計成錐型結(jié)構(gòu)，如圖3，電機上部與后輪盤重合，盡可能的減小軸向尺寸。

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)設計Fig.3 Design of impeller structure

2.3 變頻器設計

變頻器通過4個螺栓固定在電機端蓋上，變頻器主要由兩部分組成，一部分為電路，除中間支撐電容外的器件均焊接在電路板上；另一部分為上、下殼體，采用鋁合金材料，利于散熱。

為了實現(xiàn)風機的變頻控制，采用風機集成變頻器來實現(xiàn)變頻調(diào)速的功能，主電路原理圖如圖4?？刂菩盘柤叭嚯妷海↙1、L2及L3）來自車輛輔助變流器，控制信號電壓范圍為0～10VDC。三相電壓輸入至變頻器主電路，經(jīng)過濾波回路、整流回路進入中間直流回路，中間直流回路開始充電；當變頻器接收到輔助變流器控制信號的電壓大于0VDC 時，DSP 處理器輸出的PWM[7]波控制逆變回路開關器件IGBT 的通斷，從而調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的頻率和幅值。例如接收到控制信號電壓為4VDC 時，由控制信號與頻率，轉(zhuǎn)速對應關系可以得出，對應的變頻器輸出電壓頻率為27.57Hz、對應電機的轉(zhuǎn)速則為1622r/min?；谳o助變流器輸出的功率對風量的不同要求，變頻器通過接收輔助變流器控制模塊提供的，不同電壓值的控制信號來調(diào)節(jié)輸出電壓（U、V 及W），驅(qū)動風機工作，實現(xiàn)風機無極調(diào)速，從而使輔助變流器能夠得到充分的冷卻，滿足運行工況的要求。

圖4 主電路原理圖Fig.4 Main circuit diagram

3 數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

要求風機質(zhì)量≤23kg，軸向高度≤380mm，懸臂結(jié)構(gòu)安裝，因此對風機結(jié)構(gòu)設計要求較高。對于風機三維建模，采用NX 軟件建立三維模型，建模思路參考文獻[10]。

3.1 CFD仿真計算

本文采用Fluent 軟件對風機流場進行CFD 計算[11-13]，采用k-ε 模型，標準壁面函數(shù)，一階迎風對流格式，穩(wěn)態(tài)計算方法。計算過程中，將計算域劃分為進口靜止域、葉輪旋轉(zhuǎn)域及出口靜止域，其中動靜域之間的耦合采用多參考模型(MFR)，通過交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)。

風機采用全流體域進行計算，網(wǎng)格劃分采用四面體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，模型網(wǎng)格總數(shù)220萬個。計算邊界條件設置質(zhì)量流量進口、壓力出口，該種方式計算穩(wěn)定，結(jié)果容易收斂。風機的計算結(jié)果，如表3 所示。由表3可知，風機在工況點，滿足設計要求。

表3 風機性能仿真計算Tab.3 Fan performance simulation calculation

3.2 結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化

離心風機在旋轉(zhuǎn)運行時，風機的激振源主要是葉輪離心力產(chǎn)生的激振頻率。對于風機整體也有必要進行模態(tài)分析，計算其固有頻率，對風機結(jié)構(gòu)進行校核，以掌握風機對激振力的響應避免產(chǎn)生共振。借助于ANSYS Workbench軟件對其進行模態(tài)分析，可以得到其固有頻率的近似解和模態(tài)的振型，這些計算結(jié)果可在風機設計時避免共振提供參考依據(jù)。

3.2.1 風機建模

對于一些微小且復雜的結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角、連接結(jié)構(gòu)等進行了簡化。對于電機和變頻器的復雜外殼進行了簡化，采用一個實心的圓柱進行代替，建立風機有限元模型，其中部件的材料參數(shù)如表4所示。

表4 材料參數(shù)Tab.4 Material parameters

為了使計算結(jié)果精確，以四面體網(wǎng)格為主，對前輪盤、后輪盤及輪芯進行網(wǎng)格細化，模型節(jié)點數(shù)為62156，單元數(shù)為31699。為了模擬實際安裝情況，給安裝板的4 個螺栓孔添加固定約束，引入重力因素，用BEAM 單元模擬螺栓連接電機和支架。

3.2.2 模態(tài)分析

將建立的仿真模型在有限元軟件中進行求解，所得前2階頻率結(jié)果如圖5所示。

由圖5 可知，風機的最大位移出現(xiàn)在葉輪上，主要原因是支撐桿的剛度不夠，導致電機擺動過大。從頻率來看，風機的激振頻率：

圖5 模態(tài)計算結(jié)果Fig.5 Modal calculation results

其中，n為電機轉(zhuǎn)速；f為激振頻率。

計算可知，風機的激振頻率為57Hz，與一階固有頻率相差不大，風機存在共振的可能性。

3.2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

為了提高風機的剛度，對風機的支撐桿和安裝板進行優(yōu)化，具體如表5所示。

表5 優(yōu)化策略Tab.5 Optimization strategy

針對以上優(yōu)化方向，確定三種優(yōu)化方案：

1）方案一：在原方案的基礎上，更換安裝板；

2）方案二：在原方案的基礎上，更換支撐桿；

3）方案三：在原方案的基礎上，更換安裝板和支撐桿。

通過仿真計算，得到方案一到方案三的模態(tài)結(jié)果，與試驗結(jié)果進行對比分析，對比數(shù)據(jù)如表6。

表6 模態(tài)對比分析Tab.6 Modal comparative analysis

根據(jù)表6分析可知，增加支撐桿的直徑和增加安裝板的壓型槽，固有頻率都有不同程度的增加。增加支撐桿直徑要優(yōu)于增加安裝板的壓型槽對風機固有頻率的調(diào)整效果。

4 試驗驗證

基于仿真分析及優(yōu)化設計，對優(yōu)化后的風機進行振動速度試驗、振動沖擊試驗及風機性能試驗等。

4.1 風機振動速度試驗

為了進一步驗證結(jié)構(gòu)性能，按上述4種方案組裝風機，并根據(jù)機械行業(yè)標準JB/T 8689-2014通風機振動檢測及其限值進行試驗，如圖6所示，測量結(jié)果如表7所示。

表7 風機振動速度測量結(jié)果Tab.7 Measurement results of fan vibration speed

圖6 風機振動測試示意圖Fig.6 Schematic diagram of fan vibration test

由表7可以得出，原風機振動值較其他方案振動值大近2 倍，也表明原方案確實存在共振的問題，與表6的計算結(jié)果較吻合。增加支撐桿的直徑和安裝板的壓型槽，風機垂向和水平方向的振動速度均有大幅度下降，但是僅對安裝板增加壓型槽，振動速度不能滿足小于2.8mm/s 的要求。綜合考慮，采用方案二為最終方案，風機總質(zhì)量為21.5kg，軸向高度為360mm。

4.2 風機振動沖擊試驗

為了進一步驗證結(jié)構(gòu)抗振動沖擊的能力，對方案二的風機進行試驗。按IEC 61373-2010《鐵路應用機車車輛電氣設備沖擊振動試驗》中1類B級的規(guī)定進行振動和沖擊試驗。

模擬長壽命試驗頻率范圍5Hz～150Hz。模擬長壽命試驗r.m.s量級：垂向5.72(m/s2)；橫向2.55(m/s2)；縱向3.96(m/s2)；方向：三個互相垂直的軸線方向；時間：每個方向各5h。

沖擊試驗分別在垂向、橫向、縱向三個方向上分別以30m/s2、30m/s2、50m/s2的脈沖加速度，在三個正交平面上正向和反向各三次，脈沖時間30ms。

試驗完畢后，進行通電檢查，風機運轉(zhuǎn)正常，葉輪和殼體無摩擦聲；檢查風機外觀和機械完整性無改變；風機表面無裂紋、無電纜摩擦、緊固件松動、部件老化、裂紋和斷裂現(xiàn)象，表明風機整體結(jié)構(gòu)可靠，滿足長壽命和振動沖擊使用要求。

4.3 風機性能試驗

依據(jù)標準GB/T1236-2017 工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗對風機進行性能測試，采用C 形裝置，90度弧進口噴嘴。

如圖7 所示，列出了不同工況下的試驗測試結(jié)果。從性能曲線的對比可知，曲線整體趨勢相同，但模擬計算的結(jié)果較試驗結(jié)果偏大，尤其在小流量點時偏差更大。

圖7 試驗結(jié)果與模擬計算結(jié)果對比Fig.7 Comparisons between test and simulation results

在額定工況點，風機測試的全壓約為1020Pa，功率為825W，風機全壓效率為61.9%，而模擬計算較測試值偏差在4%左右。綜上所述，數(shù)值計算模型的選擇是正確的，計算結(jié)果可信。

5 結(jié)論

1）針對某型地鐵車輛輔助變流器EC 外轉(zhuǎn)子風機的進塵問題，研發(fā)了一款新型集成變頻器的內(nèi)轉(zhuǎn)子風機，其中電機采用IP等級更高的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，并通過集成變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速和通信功能。

2）對于風機結(jié)構(gòu)輕量化要求，設計一種錐形后輪盤的無蝸殼風機；電機前端蓋與機座采用一體式結(jié)構(gòu)；變頻器設計成上下分層結(jié)構(gòu)，安裝于電機的尾端。

3）利用數(shù)值模擬和試驗，驗證了原始方案存在共振，表明了模態(tài)計算方法的有效性。利用該方法對比了不同優(yōu)化方案，結(jié)果表明增加支撐桿的直徑和增加安裝板的壓型槽，系統(tǒng)固有頻率都有不同程度的增加，避開了共振頻率。從工程實際出發(fā)，選擇通過調(diào)整支撐桿的直徑來調(diào)整風機的固有頻率，減小風機的振動。通過振動速度測量、長壽命振動和沖擊試驗驗證，表明了風機優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

4）為了保證風機性能，利用數(shù)值模擬手段，對風機進行了氣動方案設計，并通過試驗加以驗證，趨勢相同，吻合情況良好，為今后此類風機的設計提供了參考。