一种具有外转子碳纤维离心叶轮的冷却风机
阅读说明：本技术 一种具有外转子碳纤维离心叶轮的冷却风机 (Cooling fan with outer rotor carbon fiber centrifugal impeller ) 是由 屈小章 翟方志 张加贝 刘梦安 王艺 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有外转子碳纤维离心叶轮的冷却风机,其包括碳纤维离心叶轮、玻璃纤维进风道、外转子电机及铝合金机壳等组成,外转子碳纤维离心叶轮及机车空调用的轻量化冷却风机,所述的碳纤维离心叶轮和外转子电机通过螺栓联结,形成了外转子碳纤维离心叶轮；所述的外转子电机的定子通过螺栓安装于铝合金机壳的后侧板上；所述的玻璃纤维进风道安装于铝合金机壳和碳纤维离心叶轮之间,主要用于导流作用,在使用时,本发明实现了外转子碳纤维离心叶轮,玻璃钢进风道等的设计,外转子电机的负载小和可靠性高,机车空调风机的整机质量轻,流体效率高,安装检修方便等的优点。(The invention provides a cooling fan with an outer rotor carbon fiber centrifugal impeller, which comprises a carbon fiber centrifugal impeller, a glass fiber air inlet channel, an outer rotor motor, an aluminum alloy shell and the like, wherein the outer rotor carbon fiber centrifugal impeller and the lightweight cooling fan for a locomotive air conditioner are connected through bolts to form the outer rotor carbon fiber centrifugal impeller; the stator of the outer rotor motor is arranged on the rear side plate of the aluminum alloy shell through a bolt; the glass fiber air inlet duct is arranged between the aluminum alloy casing and the carbon fiber centrifugal impeller and is mainly used for the flow guiding function, when the air conditioner is used, the design of the outer rotor carbon fiber centrifugal impeller, the glass fiber reinforced plastic air inlet duct and the like is realized, the load of an outer rotor motor is small, the reliability is high, and the air conditioner fan of the locomotive has the advantages of light overall weight, high fluid efficiency, convenience in installation and maintenance and the like.)
技术领域
本发明涉及通风冷却设备技术领域，尤其涉及一种具有外转子碳纤维离心叶轮的冷却风机。
背景技术
空调是用于轨道交通机车调节空气性能，是轨道交通交流传动机车的关键设备之一。空调工作时，它的内部将产生大量的热量，为了防止空调过热损坏，保证交流电力机车的正常运行，需要采用风机系统给空调强迫散热，离心风机是空调系统中不可缺少的关键部件。另外，随着轨道交通节能降耗和可靠性的要求越来越高，对其装备轻量化及可靠性的要求越来越高。对空调离心风机的轻量化设计技术主要有三种方法，第一是对结构进行优化设计，目前空调离心风机均采用的薄壁结构，且轨道交通装备对振动及可靠性的要求非常高，因此在现有空调离心风机下，结构的优化空间较小；第二是采用强度比高的纤维复合材料代替原有的金属材料。目前，机车空调离心风机采用铝合金叶轮和钢材机壳组成，对于风机的轻量化设计，叶轮减重至关重要，叶轮越轻，不但可以实现叶轮本身的轻量化，而且可以减少风机的负荷，降低风机的振动，提高风机轴承等关键部件的可靠性；另外现有的外转子电机的侧面引线方式，侧面引线将电源线在机壳内部通过铁丝固定，容易与旋转叶轮干涉，安全性差，而且维护检修不便等。
发明内容
本发明目的在现有的铝合金外转子离心叶轮的基础上，设计了一种高强度比的碳纤维复合材料外转子离心叶轮，集成于外转子电机，采用后端引线方式，用于具有高性能的电力机车空调散热的轻量化离心风机中，满足电力机车轻量化结构设计要求，并可有效地提升风机的可靠性和安全性。
本发明的技术方案如下：
一种具有外转子碳纤维离心叶轮的冷却风机，其特征在于，包括离心叶轮、进风道、外转子电机及机壳组合形成了系统集成机车空调用的轻量化冷却风机，所述的碳纤维离心叶轮和外转子电机通过第一紧固件连接，形成了外转子碳纤维离心叶轮；所述的外转子电机的定子通过第二紧固件安装于机壳的后侧板上；所述的机壳包括法兰板、安装板、出口侧板、蜗壳板、弧形板、前侧板、内挡板、后侧板等；所述的进风道安装于机壳和离心叶轮之间，用于导流作用。
进一步地，离心叶轮为碳纤维离心叶轮、进风道为玻璃纤维进风道、机壳为铝合金机壳。
进一步地，所述的离心叶轮由前轮盘、叶片和后轮盘连接而成，所述的前轮盘、叶片和后轮盘-采用T300碳纤维±45°预浸料布材料制造，纤维层的厚度为0.2~0.4mm，前轮盘和叶片的厚度为2~3mm，后轮盘的厚度优先2~4mm。
进一步地，前轮盘设有导流结构，以提高风机效率。
进一步地，所述的进风道厚度为2~3mm，采用270g玻璃纤维±45°预浸料布材料制造，纤维层的厚度为0.2~0.4mm。
进一步地，所述的离心叶轮的叶片上下边缘处均设计有凸台和，所述的前轮盘和后轮盘上开设有与叶片的第一凸台和第二凸台适配的槽口，叶片通过第一凸台和第二凸台装配进前轮盘和后轮盘的槽口中实现离心叶轮整体稳定组装。
进一步地，所述的叶片的进口角度B1为20°～24°、出口角度B2为34°～37°；叶片进口宽度c为78～85mm、出口宽度d为55～65mm；前轮盘设有导流结构，半径R为7～10mm，宽度h为10-15mm。
进一步地，所述的进风道通过第三紧固件安装于机壳的前侧板上，离心叶轮和进风道的间隙b的尺寸为2～4mm，重贴宽度a为7～9mm。
进一步地，所述的前轮盘、叶片、后轮盘和进风道在纤维层排列铺放完毕后的毛坯需各自经历袋压预成型和加热加压固化工艺，固化过程的温度达80℃时加压2MPa保温1h，然后升温至125℃并保温2h。
进一步地，所述的前轮盘、叶片、后轮盘进行相互接缝处的打胶粘接的定位组装，打胶缝隙饱满、无残胶，粘接完成后再进行打磨，并在前轮盘、后轮盘在与叶片连接凸台位置处采用碳纤维预浸料进行补强，补强的预浸料铺贴总厚度1~2mm，采用胶膜连接。
进一步地，所述的离心叶轮组装后采用工装定位的整体真空袋压进行固化，温度到达80℃时加压至2MPa保温1h，然后加温至125°并保温固化2h，在叶轮整体固化过程中，叶片与前轮盘、后轮盘的碳纤维完成二次高温成型，叶片与前轮盘、后轮盘接缝处的碳纤维预浸料也完成高温成型。
本发明的有益效果是，外转子电机具有承载能力小的问题，将高强度比和更轻质的碳纤维用于空调风机外转子离心叶轮设计中，降低了叶轮的重量，实现外转子电机受载减小，风机的振动降低，有利于提高外转子电机的寿命及可靠性，实现风机的轻量化设计，满足轨道交通装备轻量化及可靠性的要求。
叶轮的前轮盘、叶片、后轮盘采用特定的铺层方式，不但实现了叶轮的分体成型，有效地降低整体成型的复杂性，而且降低了模具制作成本及原材料的成本，有效地降低了研发成本。
采用碳纤维铺层离心叶轮，防止了金属叶轮焊接成型变形的问题，并弥补了材料内部存在空隙、缺陷等不利因素，提高了叶轮结构包括动平衡工艺的稳定性，提高了风机产品的一致性。
将成本降低的玻璃纤维用于进风道结构设计中，即有利于降低进风道的重量，有利于降低成本，进一步实现了风机的轻量化设计。
对叶轮的进口和出口角度、进口和出口宽度等进行了相关限定，确保了风机的性能，另外在前轮盘增设了导流结构，更有利于提高风机的流体性能。
将碳纤维叶轮和外转子电机有效集成，可显著减小外转子的电机承载，提高外转子电机的寿命及可靠性；并将外转子电机的引线方式由侧面改成后端引线，提高了风机的安全性及检修的方便性。
风机的叶轮和进风道采用非金属材料代替传统的金属材料，机壳结构由原来的钢质材料改成轻质铝合金材料，在通过不断地优化结构，实现了风机减重25%以上，有效地满足轨道交通装备轻量化的要求。
附图说明
图1为本发明实施例冷却风机总装结构图。
图2为本发明实施例外转子碳纤维叶轮的主视图和右视图。
图3为图2中叶轮的第一凸台和第二凸台结构示意图。
图4为图2中叶轮的后轮盘槽口结构示意图。
图5为本发明实施例进风道的结构示意图。
图6为本发明实施例外转子电机的主视图和右视图。
图7为本发明实施例机壳的主视图和右视图。
附图中：离心叶轮1、进风道2、外转子电机3、机壳4、第一紧固件5、第二紧固件6、第三紧固件7、前轮盘1-1、叶片1-2、后轮盘1-3、槽口1-4、导流结构1-1-1、第一凸台1-2-1、第二凸台1-2-2、定子3-2、前侧板4-7、后侧板4-9。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1至图7所示的一种具有外转子碳纤维离心叶轮的冷却风机实施例，其其特征在于，包括离心叶轮1、进风道2、外转子电机3及机壳4组合形成了系统集成机车空调用的轻量化冷却风机，所述的离心叶轮1和外转子电机3通过第一紧固件5连接，形成了外转子碳纤维离心叶轮；所述的外转子电机3的定子3-2通过第二紧固件6安装于机壳4的后侧板4-9上；所述的机壳包括法兰板、安装板、出口侧板、蜗壳板、弧形板、前侧板、内挡板、后侧板等；所述的进风道2安装于机壳4和离心叶轮1之间，用于导流作用。
在本实施例中，离心叶轮1为碳纤维离心叶轮、进风道2为玻璃纤维进风道、机壳4为铝合金机壳。
在本实施例中，所述的离心叶轮1由前轮盘1-1、叶片1-2和后轮盘1-3连接而成，所述的前轮盘1-1、叶片1-2和后轮盘1-3采用T300碳纤维±45°预浸料布材料制造，纤维层的厚度为0.2mm（在其余实施例中，纤维层的厚度还可以为0.2~0.4mm，例如0.3mm），前轮盘1-1和叶片1-2的厚度为2.5mm（在其余实施例中，前轮盘1-1和叶片1-2的厚度还可以为2~3mm，例如2mm），后轮盘1-3的厚度优先3mm（在其余实施例中，后轮盘1-3的厚度还可以为2~4mm，例如3.5mm）。
在本实施例中，前轮盘设有导流结构，以提高风机效率。
在本实施例中，所述的进风道2厚度为2mm（在其余实施例中，进风道2厚度还可以为2~3mm，例如2.8mm），采用270g玻璃纤维±45°预浸料布材料制造，纤维层的厚度为0.2mm（在其余实施例中，纤维层的厚度还可以为0.2~0.4mm，例如0.3mm）。
在本实施例中，所述的离心叶轮1的叶片1-2上下边缘处均设计有凸台1-2-1和1-2-2，所述的前轮盘1-1和后轮盘1-3上开设有与叶片的第一凸台1-2-1和第二凸台1-2-2适配的槽口1-4，叶片1-2通过第一凸台1-2-1和第二凸台1-2-2装配进前轮盘1-1和后轮盘1-3的槽口1-4中实现离心叶轮1整体稳定组装。
在本实施例中，所述的叶片1-2的进口角度B1为22.8°、出口角度B2为35°（在其余实施例中，叶片1-2的进口角度B1还可以为20°～24°，例如22°；出口角度B2还可以为34°～37°，例如36°）；叶片1-2进口宽度c为81mm、出口宽度d为60mm（在其余实施例中，叶片1-2进口宽度c还可以为78～85mm，例如83mm；出口宽度d还可以为55～65mm，例如63mm）；前轮盘1-1设有导流结构1-1-1，半径R为8mm，宽度h为12mm（在其余实施例中，前轮盘1-1的导流结构1-1-1半径R还可以为7～10mm，例如9mm；宽度h为10-15mm，例如13mm）。
在本实施例中，所述的进风道2通过第三紧固件7安装于机壳4的前侧板4-7上，离心叶轮1和进风道2的间隙b的尺寸为3mm，重贴宽度a为8mm（在其余实施例中，间隙b的尺寸还可以为2～4mm，例如2.5mm；重贴宽度a还可以为7～9mm，例如7.5mm）。
在本实施例中，进风道2的风道出口直径J2为165～172mm，安装最大直径J3为275～285mm，宽度J1为28-30mm，本实施例J2为170mm，J3为280mm，J1为29mm。
在本实施例中，所述的前轮盘1-1、叶片1-2、后轮盘1-3和进风道2在纤维层排列铺放完毕后的毛坯需各自经历袋压预成型和加热加压固化工艺，固化过程的温度达80℃时加压2MPa保温1h，然后升温至125℃并保温2h，固化成型后，分别将前轮盘1-1、叶片1-2、后轮盘1-3和玻璃纤维进风道2的毛坯从固化模具中脱出，然后进行数控加工。
在本实施例中，完成数控加工后，所述的前轮盘1-1、叶片1-2、后轮盘1-3进行相互接缝处的打胶粘接的定位组装，打胶缝隙饱满、无残胶，粘接完成后再进行打磨，并在前轮盘1-1、后轮盘1-3在与叶片1-2连接凸台位置处采用碳纤维预浸料进行补强，补强的预浸料铺贴总厚度1.5mm（在其余实施例中，铺贴总厚度还可以为1~2mm，例如1.8mm），采用胶膜连接。
在本实施例中，所述的离心叶轮1组装后采用工装定位的整体真空袋压进行固化，温度到达80℃时加压至2MPa保温1h，然后加温至125°并保温固化2h，在叶轮整体固化过程中，叶片1-2与前轮盘1-1、后轮盘1-3的碳纤维完成二次高温成型，叶片1-2与前轮盘1-1、后轮盘1-3接缝处的碳纤维预浸料也完成高温成型。
需要特别说明的是，以上所有固化工艺均是在温度到达80℃逐渐加压至2MPa保温1h，再升温至125℃并保温2h。
在使用时，1、在生产外转子碳纤维叶轮时，只需要制造简易模具，不需要整体复杂模具和机械加工设备，生产工序较少和简单。制作的碳纤维叶轮总重量对比碳钢材质重量，减重达60%以上，相对于铝合金材质叶轮，减重达到25%以上，大幅度降低了空调风机的振动，提升了外转子电机3的使用寿命及可靠性。
2、对叶片的进口角度B1、出口角度B2、进口宽度c、出口宽度d进行的相关限定，可有效确保外离心叶轮1及冷却风机的压力和流量参数，另外前轮盘1-1设有导流结构1-1-1设计则将使得介质流场更趋于合理，有效提升离心叶轮及冷却风机的整体性能。
3、外转子电机3由转子3-1、定子3-2、电源出线3-3、温控出线3-4和电源引线3-5组成，电源引线3-5方式由原来侧面引线改为后端引线方式，外转子电机的防护等级不低于IP54；现有的外转子电机的侧面引线方式，侧面引线将电源线在机壳内部通过铁丝固定，容易与旋转叶轮干涉，安全性差，而且维护检修不便等。将侧面引线改为后端引线有利于提高产品的可靠性和安全性，而且安装简单，维护检修方便。
4、机壳4的材料由原型的钢质改为铝合金，实现产品的轻量化设计。
5、外转子电机3具有承载能力小的问题，将高强度比和更轻质的碳纤维用于空调风机外转子离心叶轮设计中，降低了叶轮的重量，实现外转子电机3受载减小，风机的振动降低，有利于提高外转子电机3的寿命及可靠性，实现风机的轻量化设计，满足轨道交通装备轻量化及可靠性的要求。
6、离心叶轮1的前轮盘1-1、叶片1-2、后轮盘1-3采用特定的铺层方式，不但实现了叶轮的分体成型，有效地降低整体成型的复杂性，而且降低了模具制作成本及原材料的成本，有效地降低了研发成本。
7、采用碳纤维铺层离心叶轮1，防止了金属叶轮焊接成型变形的问题，并弥补了材料内部存在空隙、缺陷等不利因素，提高了叶轮结构包括动平衡工艺的稳定性，提高了风机产品的一致性。
8、将成本降低的玻璃纤维用于进风道2结构设计中，即有利于降低进风道2的重量，有利于降低成本，进一步实现了风机的轻量化设计。
9、对离心叶轮1的进口和出口角度、进口和出口宽度等进行了相关限定，确保了风机的性能，另外在前轮盘1-1增设了导流结构，更有利于提高风机的流体性能。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。