集成变频器无蜗壳风机优化设计

李昌奇 詹 腾 邓姣艳 成 毅

（湖南联诚轨道装备有限公司）

0 引言

地铁是城市轨道交通的重要组成部分，具有安全、准点、快捷、舒适等优点，已成为现代化大中城市交通发展的首选[1]。辅助变流器作为地铁车辆的关键部件，对车辆辅助系统设备进行供电，工作时其通过电流较大，发热量也相对较大。为了防止变流器的功率元件过热损坏，一般采用风机对系统进行散热。

EC 外转子风机具有效率高、体积小、质量小、无极调速等优势，广泛应用在轨道交通空调系统[2]和变流器冷却系统[3]中。风机安装在地铁车辆底部，运行过程中会吸入大量粉尘[4]，当风机运行一段时间后，电机进灰导致轴承失效，进而电机烧损，风机经常出现异响故障。

本文针对外转子风机易进灰尘的问题，研发了一种内转子集成变频器无蜗壳风机。该风机在满足一定的安装空间限制的基础上，还要满足变频调速、冷却散热及轻量化等要求，其中电机设计、变频器设计和风机结构设计是关键技术。本文利用计算仿真和试验验证等方法，对比了不同的优化方案，设计了一种锥形轮盘的无蜗壳集成变频器风机。通过多项试验验证，结果表明风机满足技术规范要求，可同等替代EC外转子风机。

1 风机概述

1.1 风机技术要求

基于辅助变流器对风机的技术要求，内转子风机主要参数如表1 所示。风机安装于结构紧凑的辅助变流器柜内，从柜外吸风至柜内，将柜内功率器件、电抗器、电容器、电缆等发热部件散发的热量带走，使柜内温升降低并保持稳定，以保证辅助变流器的正常工作。

1.2 风机工作原理

为了满足表1中关键技术指标要求，本文设计了一种集成变频器风机，主要由安装板、进风道、叶轮、支撑杆、电机及变频器等部件组成，其整体结构如图1所示。

表1 风机性能主要参数Tab.1 Main performance parameters of fan

图1 风机整体结构Fig.1 General structure of fan

该风机整体结构属于无蜗壳风机[5-6]，也称为Plug fan。风机通过安装板，用螺栓连接固定于辅助变流器柜顶板上。叶轮采用压装工艺，安装在电机锥轴上，并用外舌止动垫片与轴头螺母紧固连接。四根支撑杆分别连接电机和安装板，其中进风道安装在安装板上。为了实现风机的变频调速功能，在电机的尾端安装一个变频器。电机工作时转轴带动叶轮旋转，使气流沿进风道轴向流入叶轮，叶轮带动气体旋转，在离心力的作用下甩出叶轮，流进辅助变流器内，迫使气体流动，从而使辅助变流器得到冷却。

2 风机设计

为了实现EC外转子风机的对等开发，解决风机的进尘问题，采用防护等级更高的内转子电机，并通过集成变频器实现变频调速和通信功能。在解决了电机IP等级的同时，还要实现外转子风机结构简单。对风机的结构设计提出了更高的要求。

2.1 电机设计

电机为三相异步电机，主要技术参数如表2。为了提高电机的可靠性，本文主要从电机结构、绝缘结构等方面进行了设计优化，如图2所示。

表2 电机主要技术参数Tab.2 Main parameters of motor

根据风机在柜体上的连接方式，电机为立式安装。为此，电机前后轴承结构采用了后端轴承外圈固定，前端轴承外圈为浮动结构，这样后端轴承内盖将轴承外圈和转子总成再固定，前端波形弹簧为转子总成预留热膨胀空间，同时防止前轴承跑外圈，如图2a 所示。另外，为了提高电机的防护等级，在轴伸端采用骨架油封，可有效防止灰尘和水浸入电机而导致的轴承异响、失效或电机烧损。

为了尽可能的减小电机质量，将电机的前端盖与机座采用一体式结构，并设计加强筋和散热筋。该结构简单，质量小，又能保证前轴承室、定子铁芯和后端盖安装止口三个重要安装位置同轴，如图2b。机座和端盖均采用铝合金材料，在轴承室内嵌钢套（铸造时一起铸造）以增强轴承室耐磨性。上述结构，既满足结构强度和性能要求，又大大减少了质量。

图2 电机设计Fig.2 Design of motor

风机采用变频器供电，尖峰电压比较高，电机在绝缘结构方面采用H级绝缘。定子绕组采用双层、短距叠绕组，QP-2/200防电晕漆包圆铜线，槽绝缘和层间绝缘是CR NHN绝缘膜加双层聚酰亚胺薄膜，对地绝缘和相间绝缘均采用CR NHN，并头及引接线焊接处采用0.2×15防电晕云母带包扎，如图2c。端部绑扎采用0.10×20涤纶丝带，绑扎完毕后进行VPI处理，使用环保绝缘漆使之固化成一个整体，以确保绝缘结构的可靠性。

2.2 叶轮设计

对于常规的无蜗壳风机，叶轮是风机的主要部件，而叶片数与叶片的进出口角对风机的性能影响很大，通常叶轮采用后向离心式叶轮[8-9]。风机的轴向高度尺寸限制较大，采用常规的离心叶轮，空间尺寸难以满足要求。在保证风机性能的前提下，将风机的后轮盘设计成锥型结构，如图3，电机上部与后轮盘重合，尽可能的减小轴向尺寸。

图3 叶轮结构设计Fig.3 Design of impeller structure

2.3 变频器设计

变频器通过4个螺栓固定在电机端盖上，变频器主要由两部分组成，一部分为电路，除中间支撑电容外的器件均焊接在电路板上；另一部分为上、下壳体，采用铝合金材料，利于散热。

为了实现风机的变频控制，采用风机集成变频器来实现变频调速的功能，主电路原理图如图4。控制信号及三相电压（L1、L2及L3）来自车辆辅助变流器，控制信号电压范围为0～10VDC。三相电压输入至变频器主电路，经过滤波回路、整流回路进入中间直流回路，中间直流回路开始充电；当变频器接收到辅助变流器控制信号的电压大于0VDC 时，DSP 处理器输出的PWM[7]波控制逆变回路开关器件IGBT 的通断，从而调节变频器输出电压的频率和幅值。例如接收到控制信号电压为4VDC 时，由控制信号与频率，转速对应关系可以得出，对应的变频器输出电压频率为27.57Hz、对应电机的转速则为1622r/min。基于辅助变流器输出的功率对风量的不同要求，变频器通过接收辅助变流器控制模块提供的，不同电压值的控制信号来调节输出电压（U、V 及W），驱动风机工作，实现风机无极调速，从而使辅助变流器能够得到充分的冷却，满足运行工况的要求。

图4 主电路原理图Fig.4 Main circuit diagram

3 数值仿真及结构设计优化

要求风机质量≤23kg，轴向高度≤380mm，悬臂结构安装，因此对风机结构设计要求较高。对于风机三维建模，采用NX 软件建立三维模型，建模思路参考文献[10]。

3.1 CFD仿真计算

本文采用Fluent 软件对风机流场进行CFD 计算[11-13]，采用k-ε 模型，标准壁面函数，一阶迎风对流格式，稳态计算方法。计算过程中，将计算域划分为进口静止域、叶轮旋转域及出口静止域，其中动静域之间的耦合采用多参考模型(MFR)，通过交界面传递数据。

风机采用全流体域进行计算，网格划分采用四面体的非结构网格，模型网格总数220万个。计算边界条件设置质量流量进口、压力出口，该种方式计算稳定，结果容易收敛。风机的计算结果，如表3 所示。由表3可知，风机在工况点，满足设计要求。

表3 风机性能仿真计算Tab.3 Fan performance simulation calculation

3.2 结构设计及优化

离心风机在旋转运行时，风机的激振源主要是叶轮离心力产生的激振频率。对于风机整体也有必要进行模态分析，计算其固有频率，对风机结构进行校核，以掌握风机对激振力的响应避免产生共振。借助于ANSYS Workbench软件对其进行模态分析，可以得到其固有频率的近似解和模态的振型，这些计算结果可在风机设计时避免共振提供参考依据。

3.2.1 风机建模

对于一些微小且复杂的结构，如倒角、圆角、连接结构等进行了简化。对于电机和变频器的复杂外壳进行了简化，采用一个实心的圆柱进行代替，建立风机有限元模型，其中部件的材料参数如表4所示。

表4 材料参数Tab.4 Material parameters

为了使计算结果精确，以四面体网格为主，对前轮盘、后轮盘及轮芯进行网格细化，模型节点数为62156，单元数为31699。为了模拟实际安装情况，给安装板的4 个螺栓孔添加固定约束，引入重力因素，用BEAM 单元模拟螺栓连接电机和支架。

3.2.2 模态分析

将建立的仿真模型在有限元软件中进行求解，所得前2阶频率结果如图5所示。

由图5 可知，风机的最大位移出现在叶轮上，主要原因是支撑杆的刚度不够，导致电机摆动过大。从频率来看，风机的激振频率：

图5 模态计算结果Fig.5 Modal calculation results

其中，n为电机转速；f为激振频率。

计算可知，风机的激振频率为57Hz，与一阶固有频率相差不大，风机存在共振的可能性。

3.2.3 结构优化设计

为了提高风机的刚度，对风机的支撑杆和安装板进行优化，具体如表5所示。

表5 优化策略Tab.5 Optimization strategy

针对以上优化方向，确定三种优化方案：

1）方案一：在原方案的基础上，更换安装板；

2）方案二：在原方案的基础上，更换支撑杆；

3）方案三：在原方案的基础上，更换安装板和支撑杆。

通过仿真计算，得到方案一到方案三的模态结果，与试验结果进行对比分析，对比数据如表6。

表6 模态对比分析Tab.6 Modal comparative analysis

根据表6分析可知，增加支撑杆的直径和增加安装板的压型槽，固有频率都有不同程度的增加。增加支撑杆直径要优于增加安装板的压型槽对风机固有频率的调整效果。

4 试验验证

基于仿真分析及优化设计，对优化后的风机进行振动速度试验、振动冲击试验及风机性能试验等。

4.1 风机振动速度试验

为了进一步验证结构性能，按上述4种方案组装风机，并根据机械行业标准JB/T 8689-2014通风机振动检测及其限值进行试验，如图6所示，测量结果如表7所示。

表7 风机振动速度测量结果Tab.7 Measurement results of fan vibration speed

图6 风机振动测试示意图Fig.6 Schematic diagram of fan vibration test

由表7可以得出，原风机振动值较其他方案振动值大近2 倍，也表明原方案确实存在共振的问题，与表6的计算结果较吻合。增加支撑杆的直径和安装板的压型槽，风机垂向和水平方向的振动速度均有大幅度下降，但是仅对安装板增加压型槽，振动速度不能满足小于2.8mm/s 的要求。综合考虑，采用方案二为最终方案，风机总质量为21.5kg，轴向高度为360mm。

4.2 风机振动冲击试验

为了进一步验证结构抗振动冲击的能力，对方案二的风机进行试验。按IEC 61373-2010《铁路应用机车车辆电气设备冲击振动试验》中1类B级的规定进行振动和冲击试验。

模拟长寿命试验频率范围5Hz～150Hz。模拟长寿命试验r.m.s量级：垂向5.72(m/s2)；横向2.55(m/s2)；纵向3.96(m/s2)；方向：三个互相垂直的轴线方向；时间：每个方向各5h。

冲击试验分别在垂向、横向、纵向三个方向上分别以30m/s2、30m/s2、50m/s2的脉冲加速度，在三个正交平面上正向和反向各三次，脉冲时间30ms。

试验完毕后，进行通电检查，风机运转正常，叶轮和壳体无摩擦声；检查风机外观和机械完整性无改变；风机表面无裂纹、无电缆摩擦、紧固件松动、部件老化、裂纹和断裂现象，表明风机整体结构可靠，满足长寿命和振动冲击使用要求。

4.3 风机性能试验

依据标准GB/T1236-2017 工业通风机用标准化风道进行性能试验对风机进行性能测试，采用C 形装置，90度弧进口喷嘴。

如图7 所示，列出了不同工况下的试验测试结果。从性能曲线的对比可知，曲线整体趋势相同，但模拟计算的结果较试验结果偏大，尤其在小流量点时偏差更大。

图7 试验结果与模拟计算结果对比Fig.7 Comparisons between test and simulation results

在额定工况点，风机测试的全压约为1020Pa，功率为825W，风机全压效率为61.9%，而模拟计算较测试值偏差在4%左右。综上所述，数值计算模型的选择是正确的，计算结果可信。

5 结论

1）针对某型地铁车辆辅助变流器EC 外转子风机的进尘问题，研发了一款新型集成变频器的内转子风机，其中电机采用IP等级更高的内转子电机，并通过集成变频器实现变频调速和通信功能。

2）对于风机结构轻量化要求，设计一种锥形后轮盘的无蜗壳风机；电机前端盖与机座采用一体式结构；变频器设计成上下分层结构，安装于电机的尾端。

3）利用数值模拟和试验，验证了原始方案存在共振，表明了模态计算方法的有效性。利用该方法对比了不同优化方案，结果表明增加支撑杆的直径和增加安装板的压型槽，系统固有频率都有不同程度的增加，避开了共振频率。从工程实际出发，选择通过调整支撑杆的直径来调整风机的固有频率，减小风机的振动。通过振动速度测量、长寿命振动和冲击试验验证，表明了风机优化方案结构的合理性和可靠性。

4）为了保证风机性能，利用数值模拟手段，对风机进行了气动方案设计，并通过试验加以验证，趋势相同，吻合情况良好，为今后此类风机的设计提供了参考。