集成變頻器無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李昌奇 詹 騰 鄧姣艷 成 毅

（湖南聯(lián)誠(chéng)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(zhǔn)點(diǎn)、快捷、舒適等優(yōu)點(diǎn)，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(guān)鍵部件，對(duì)車輛輔助系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行供電，工作時(shí)其通過(guò)電流較大，發(fā)熱量也相對(duì)較大。為了防止變流器的功率元件過(guò)熱損壞，一般采用風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行散熱。

EC 外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量小、無(wú)極調(diào)速等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)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(fēng)機(jī)安裝在地鐵車輛底部，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)吸入大量粉塵[4]，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，電機(jī)進(jìn)灰導(dǎo)致軸承失效，進(jìn)而電機(jī)燒損，風(fēng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)異響故障。

本文針對(duì)外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)易進(jìn)灰塵的問(wèn)題，研發(fā)了一種內(nèi)轉(zhuǎn)子集成變頻器無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)在滿足一定的安裝空間限制的基礎(chǔ)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(jī)設(shè)計(jì)、變頻器設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)。本文利用計(jì)算仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，對(duì)比了不同的優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)了一種錐形輪盤(pán)的無(wú)蝸殼集成變頻器風(fēng)機(jī)。通過(guò)多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)滿足技術(shù)規(guī)范要求，可同等替代EC外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)。

1 風(fēng)機(jī)概述

1.1 風(fēng)機(jī)技術(shù)要求

基于輔助變流器對(duì)風(fēng)機(jī)的技術(shù)要求，內(nèi)轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)主要參數(shù)如表1 所示。風(fēng)機(jī)安裝于結(jié)構(gòu)緊湊的輔助變流器柜內(nèi)，從柜外吸風(fēng)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(fēng)機(jī)工作原理

為了滿足表1中關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)了一種集成變頻器風(fēng)機(jī)，主要由安裝板、進(jìn)風(fēng)道、葉輪、支撐桿、電機(jī)及變頻器等部件組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 風(fēng)機(jī)性能主要參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of fan

圖1 風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of fan

該風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)屬于無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)[5-6]，也稱為Plug fan。風(fēng)機(jī)通過(guò)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(jī)錐軸上，并用外舌止動(dòng)墊片與軸頭螺母緊固連接。四根支撐桿分別連接電機(jī)和安裝板，其中進(jìn)風(fēng)道安裝在安裝板上。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速功能，在電機(jī)的尾端安裝一個(gè)變頻器。電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，使氣流沿進(jìn)風(fēng)道軸向流入葉輪，葉輪帶動(dòng)氣體旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下甩出葉輪，流進(jìn)輔助變流器內(nèi)，迫使氣體流動(dòng)，從而使輔助變流器得到冷卻。

2 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)EC外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的對(duì)等開(kāi)發(fā)，解決風(fēng)機(jī)的進(jìn)塵問(wèn)題，采用防護(hù)等級(jí)更高的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，并通過(guò)集成變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和通信功能。在解決了電機(jī)IP等級(jí)的同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2.1 電機(jī)設(shè)計(jì)

電機(jī)為三相異步電機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表2。為了提高電機(jī)的可靠性，本文主要從電機(jī)結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，如圖2所示。

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

根據(jù)風(fēng)機(jī)在柜體上的連接方式，電機(jī)為立式安裝。為此，電機(jī)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(dòng)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(yù)留熱膨脹空間，同時(shí)防止前軸承跑外圈，如圖2a 所示。另外，為了提高電機(jī)的防護(hù)等級(jí)，在軸伸端采用骨架油封，可有效防止灰塵和水浸入電機(jī)而導(dǎo)致的軸承異響、失效或電機(jī)燒損。

為了盡可能的減小電機(jī)質(zhì)量，將電機(jī)的前端蓋與機(jī)座采用一體式結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋和散熱筋。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)重要安裝位置同軸，如圖2b。機(jī)座和端蓋均采用鋁合金材料，在軸承室內(nèi)嵌鋼套（鑄造時(shí)一起鑄造）以增強(qiáng)軸承室耐磨性。上述結(jié)構(gòu)，既滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能要求，又大大減少了質(zhì)量。

圖2 電機(jī)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of motor

風(fēng)機(jī)采用變頻器供電，尖峰電壓比較高，電機(jī)在絕緣結(jié)構(gòu)方面采用H級(jí)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(duì)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(jìn)行VPI處理，使用環(huán)保絕緣漆使之固化成一個(gè)整體，以確保絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.2 葉輪設(shè)計(jì)

對(duì)于常規(guī)的無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)，葉輪是風(fēng)機(jī)的主要部件，而葉片數(shù)與葉片的進(jìn)出口角對(duì)風(fēng)機(jī)的性能影響很大，通常葉輪采用后向離心式葉輪[8-9]。風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)性能的前提下，將風(fēng)機(jī)的后輪盤(pán)設(shè)計(jì)成錐型結(jié)構(gòu)，如圖3，電機(jī)上部與后輪盤(pán)重合，盡可能的減小軸向尺寸。

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of impeller structure

2.3 變頻器設(shè)計(jì)

變頻器通過(guò)4個(gè)螺栓固定在電機(jī)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(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻控制，采用風(fēng)機(jī)集成變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的功能，主電路原理圖如圖4?？刂菩盘?hào)及三相電壓（L1、L2及L3）來(lái)自車輛輔助變流器，控制信號(hào)電壓范圍為0～10VDC。三相電壓輸入至變頻器主電路，經(jīng)過(guò)濾波回路、整流回路進(jìn)入中間直流回路，中間直流回路開(kāi)始充電；當(dāng)變頻器接收到輔助變流器控制信號(hào)的電壓大于0VDC 時(shí)，DSP 處理器輸出的PWM[7]波控制逆變回路開(kāi)關(guān)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(hào)電壓為4VDC 時(shí)，由控制信號(hào)與頻率，轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系可以得出，對(duì)應(yīng)的變頻器輸出電壓頻率為27.57Hz、對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則為1622r/min?；谳o助變流器輸出的功率對(duì)風(fēng)量的不同要求，變頻器通過(guò)接收輔助變流器控制模塊提供的，不同電壓值的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓（U、V 及W），驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)無(wú)極調(diào)速，從而使輔助變流器能夠得到充分的冷卻，滿足運(yùn)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(shè)計(jì)優(yōu)化

要求風(fēng)機(jī)質(zhì)量≤23kg，軸向高度≤380mm，懸臂結(jié)構(gòu)安裝，因此對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。對(duì)于風(fēng)機(jī)三維建模，采用NX 軟件建立三維模型，建模思路參考文獻(xiàn)[10]。

3.1 CFD仿真計(jì)算

本文采用Fluent 軟件對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行CFD 計(jì)算[11-13]，采用k-ε 模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，一階迎風(fēng)對(duì)流格式，穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法。計(jì)算過(guò)程中，將計(jì)算域劃分為進(jìn)口靜止域、葉輪旋轉(zhuǎn)域及出口靜止域，其中動(dòng)靜域之間的耦合采用多參考模型(MFR)，通過(guò)交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)。

風(fēng)機(jī)采用全流體域進(jìn)行計(jì)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(wàn)個(gè)。計(jì)算邊界條件設(shè)置質(zhì)量流量進(jìn)口、壓力出口，該種方式計(jì)算穩(wěn)定，結(jié)果容易收斂。風(fēng)機(jī)的計(jì)算結(jié)果，如表3 所示。由表3可知，風(fēng)機(jī)在工況點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 風(fēng)機(jī)性能仿真計(jì)算Tab.3 Fan performance simulation calculation

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

離心風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的激振源主要是葉輪離心力產(chǎn)生的激振頻率。對(duì)于風(fēng)機(jī)整體也有必要進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算其固有頻率，對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，以掌握風(fēng)機(jī)對(duì)激振力的響應(yīng)避免產(chǎn)生共振。借助于ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)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(jì)算結(jié)果可在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)避免共振提供參考依據(jù)。

3.2.1 風(fēng)機(jī)建模

對(duì)于一些微小且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角、連接結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了簡(jiǎn)化。對(duì)于電機(jī)和變頻器的復(fù)雜外殼進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用一個(gè)實(shí)心的圓柱進(jìn)行代替，建立風(fēng)機(jī)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(jì)算結(jié)果精確，以四面體網(wǎng)格為主，對(duì)前輪盤(pán)、后輪盤(pán)及輪芯進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為62156，單元數(shù)為31699。為了模擬實(shí)際安裝情況，給安裝板的4 個(gè)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(jī)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(jìn)行求解，所得前2階頻率結(jié)果如圖5所示。

由圖5 可知，風(fēng)機(jī)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(dǎo)致電機(jī)擺動(dòng)過(guò)大。從頻率來(lái)看，風(fēng)機(jī)的激振頻率：

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

其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為激振頻率。

計(jì)算可知，風(fēng)機(jī)的激振頻率為57Hz，與一階固有頻率相差不大，風(fēng)機(jī)存在共振的可能性。

3.2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高風(fēng)機(jī)的剛度，對(duì)風(fēng)機(jī)的支撐桿和安裝板進(jìn)行優(yōu)化，具體如表5所示。

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

針對(duì)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(chǔ)上，更換安裝板；

2）方案二：在原方案的基礎(chǔ)上，更換支撐桿；

3）方案三：在原方案的基礎(chǔ)上，更換安裝板和支撐桿。

通過(guò)仿真計(jì)算，得到方案一到方案三的模態(tài)結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比數(shù)據(jù)如表6。

表6 模態(tài)對(duì)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(duì)風(fēng)機(jī)固有頻率的調(diào)整效果。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)速度試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)及風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)等。

4.1 風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)性能，按上述4種方案組裝風(fēng)機(jī)，并根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8689-2014通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)及其限值進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6所示，測(cè)量結(jié)果如表7所示。

表7 風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度測(cè)量結(jié)果Tab.7 Measurement results of fan vibration speed

圖6 風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試示意圖Fig.6 Schematic diagram of fan vibration test

由表7可以得出，原風(fēng)機(jī)振動(dòng)值較其他方案振動(dòng)值大近2 倍，也表明原方案確實(shí)存在共振的問(wèn)題，與表6的計(jì)算結(jié)果較吻合。增加支撐桿的直徑和安裝板的壓型槽，風(fēng)機(jī)垂向和水平方向的振動(dòng)速度均有大幅度下降，但是僅對(duì)安裝板增加壓型槽，振動(dòng)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(fēng)機(jī)總質(zhì)量為21.5kg，軸向高度為360mm。

4.2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)抗振動(dòng)沖擊的能力，對(duì)方案二的風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。按IEC 61373-2010《鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛電氣設(shè)備沖擊振動(dòng)試驗(yàn)》中1類B級(jí)的規(guī)定進(jìn)行振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)。

模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)頻率范圍5Hz～150Hz。模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)r.m.s量級(jí)：垂向5.72(m/s2)；橫向2.55(m/s2)；縱向3.96(m/s2)；方向：三個(gè)互相垂直的軸線方向；時(shí)間：每個(gè)方向各5h。

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

試驗(yàn)完畢后，進(jìn)行通電檢查，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，葉輪和殼體無(wú)摩擦聲；檢查風(fēng)機(jī)外觀和機(jī)械完整性無(wú)改變；風(fēng)機(jī)表面無(wú)裂紋、無(wú)電纜摩擦、緊固件松動(dòng)、部件老化、裂紋和斷裂現(xiàn)象，表明風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)可靠，滿足長(zhǎng)壽命和振動(dòng)沖擊使用要求。

4.3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1236-2017 工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，采用C 形裝置，90度弧進(jìn)口噴嘴。

如圖7 所示，列出了不同工況下的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。從性能曲線的對(duì)比可知，曲線整體趨勢(shì)相同，但模擬計(jì)算的結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏大，尤其在小流量點(diǎn)時(shí)偏差更大。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparisons between test and simulation results

在額定工況點(diǎn)，風(fēng)機(jī)測(cè)試的全壓約為1020Pa，功率為825W，風(fēng)機(jī)全壓效率為61.9%，而模擬計(jì)算較測(cè)試值偏差在4%左右。綜上所述，數(shù)值計(jì)算模型的選擇是正確的，計(jì)算結(jié)果可信。

5 結(jié)論

1）針對(duì)某型地鐵車輛輔助變流器EC 外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的進(jìn)塵問(wèn)題，研發(fā)了一款新型集成變頻器的內(nèi)轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)，其中電機(jī)采用IP等級(jí)更高的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，并通過(guò)集成變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和通信功能。

2）對(duì)于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化要求，設(shè)計(jì)一種錐形后輪盤(pán)的無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)；電機(jī)前端蓋與機(jī)座采用一體式結(jié)構(gòu)；變頻器設(shè)計(jì)成上下分層結(jié)構(gòu)，安裝于電機(jī)的尾端。

3）利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)，驗(yàn)證了原始方案存在共振，表明了模態(tài)計(jì)算方法的有效性。利用該方法對(duì)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(kāi)了共振頻率。從工程實(shí)際出發(fā)，選擇通過(guò)調(diào)整支撐桿的直徑來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)的固有頻率，減小風(fēng)機(jī)的振動(dòng)。通過(guò)振動(dòng)速度測(cè)量、長(zhǎng)壽命振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，表明了風(fēng)機(jī)優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

4）為了保證風(fēng)機(jī)性能，利用數(shù)值模擬手段，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，趨勢(shì)相同，吻合情況良好，為今后此類風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。