系列電機(jī)離心風(fēng)扇設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

何 輝

(1. 上海交通大學(xué)； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

系列化電機(jī)的電磁方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是綜合考慮了通用性、標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、先進(jìn)性、電磁特性、啟動(dòng)特性、負(fù)載特性、產(chǎn)品性能的市場(chǎng)適用性等方面制定的，因此系列化電機(jī)基本能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)中絕大部分的性能需求。隨著市場(chǎng)不斷發(fā)展和拓寬，會(huì)有一些超出通常性能考核的電機(jī)性能要求，有時(shí)會(huì)遇到現(xiàn)有成熟的系列化電機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足或存在一定風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品需求，需要進(jìn)行較大的方案變更，有可能會(huì)出現(xiàn)新開(kāi)工裝模具、增加材料成本等情況。本文旨在通過(guò)對(duì)風(fēng)扇的改進(jìn)優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)用最小的結(jié)構(gòu)變化解決一部分噪聲和溫升超出常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目要求。

1 概況

以某系列4極1 000中心高電機(jī)產(chǎn)品風(fēng)扇為研究對(duì)象。此系列電機(jī)在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)性能完全滿(mǎn)足通用標(biāo)準(zhǔn)，屬于高品質(zhì)電機(jī)。針對(duì)市場(chǎng)上一些對(duì)溫升或噪聲有較高要求的項(xiàng)目，研究風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)，既能滿(mǎn)足產(chǎn)品需求，又盡可能減少系列方案的變更。

系列風(fēng)扇為半開(kāi)式徑向直葉片結(jié)構(gòu)，如圖1所示，風(fēng)扇葉片為直扇葉，風(fēng)扇葉片前后緣處皆為直角。

優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)1：通過(guò)分析風(fēng)扇在線圈端部的散熱風(fēng)量方面的情況，對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，降低電機(jī)溫升。

優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)2：在冷卻效果改善或不變的前提下，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇，降低電機(jī)噪聲水平。

圖1 原系列風(fēng)扇示意圖

2 風(fēng)扇優(yōu)化方案

2.1 以降低溫升為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1.1 風(fēng)扇對(duì)電機(jī)溫升的影響

電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)為對(duì)稱(chēng)式通風(fēng)系統(tǒng)，機(jī)座頂部有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，冷卻空氣由于轉(zhuǎn)子上風(fēng)扇和通風(fēng)槽片的作用被抽入電機(jī)轉(zhuǎn)子，一部分冷卻空氣被抽入轉(zhuǎn)子鐵心，經(jīng)轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道，定、轉(zhuǎn)子空氣隙，定子徑向通風(fēng)道由機(jī)座中間的出風(fēng)口排出。另一部分冷卻空氣在風(fēng)扇作用下吹向定子線圈的端部，穿過(guò)定子線圈端部間隙，經(jīng)由機(jī)座機(jī)壁上的孔進(jìn)入機(jī)座出風(fēng)口與前一部分冷卻空氣混合后，通過(guò)換熱器再進(jìn)到機(jī)座兩端進(jìn)風(fēng)口，這樣完成了通風(fēng)循環(huán)。圖2為系列電機(jī)風(fēng)路示意圖。綜上，風(fēng)扇對(duì)電機(jī)整體溫升具有重要的影響，對(duì)風(fēng)路的整體壓頭起到重要作用，對(duì)定子繞組線圈端部冷卻尤為重要。

圖2 某系列電機(jī)風(fēng)路示意圖

2.1.2 優(yōu)化改進(jìn)

風(fēng)扇葉片為直葉片，由于其空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響，對(duì)整個(gè)風(fēng)扇的效率會(huì)有一定的影響，且由于沒(méi)有葉片角度的變化，該風(fēng)扇的噪聲會(huì)較大。經(jīng)過(guò)分析，將風(fēng)扇葉片形狀設(shè)計(jì)成向內(nèi)凹的圓弧形狀，增加了葉片的做功能力，提高了風(fēng)扇產(chǎn)生的壓頭，增大了風(fēng)流量。同時(shí)風(fēng)扇葉片兩端的邊緣做成圓角形狀，以抑制前后邊緣噪聲過(guò)大的問(wèn)題。將風(fēng)扇扇葉數(shù)量改為奇數(shù)，可以盡可能削減共振帶來(lái)的影響，并且可以提高扇葉布置的對(duì)稱(chēng)性。但由于葉片形狀為向內(nèi)凹，扇葉沖角較大，會(huì)降低整體降噪的效果。優(yōu)化后的風(fēng)扇示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 以降低溫升為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)優(yōu)化示意圖

2.2 以降低噪聲為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.2.1 風(fēng)扇對(duì)電機(jī)噪聲的影響

風(fēng)扇對(duì)電機(jī)的噪聲影響屬于通風(fēng)噪聲的一部分。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子上某些凸出部位使空氣產(chǎn)生沖擊和摩擦形成通風(fēng)噪聲，且隨風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子線速度的增高而增大，強(qiáng)度與風(fēng)扇和通風(fēng)道的設(shè)計(jì)好壞有關(guān)。通風(fēng)噪聲主要有三種成份：風(fēng)扇或轉(zhuǎn)子的零部件在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣流遇到障礙物，氣流分裂成一系列獨(dú)立的小渦流，使空氣不斷壓縮、稀疏，引發(fā)的渦流聲，渦流噪聲的頻率取決于扇葉與空氣的相對(duì)速度，風(fēng)扇扇葉從內(nèi)圓到外圓其各處速度是連續(xù)變化的；風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到風(fēng)葉周期性力作用產(chǎn)生壓力脈動(dòng)從而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)聲，其頻率是葉片每秒打擊空氣質(zhì)點(diǎn)的次數(shù)，與風(fēng)扇扇葉數(shù)相關(guān)性很大；氣流遇障礙物發(fā)生干擾會(huì)產(chǎn)生單一頻率的笛聲，隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間氣隙的減小而增強(qiáng)[1]。

因此，一般降低噪聲有以下幾個(gè)方式：適當(dāng)減小風(fēng)扇外徑；合理改善扇葉數(shù)量；合理改進(jìn)扇葉形狀。

基于盡量不改變系列結(jié)構(gòu)方案的前提，對(duì)系列結(jié)構(gòu)改動(dòng)及影響最小，同時(shí)盡量不要降低通風(fēng)散熱能力，因此，本文僅只考慮對(duì)風(fēng)扇扇葉數(shù)量及形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.2 優(yōu)化改進(jìn)

將電機(jī)風(fēng)扇扇葉設(shè)計(jì)成向外凸的形狀，對(duì)進(jìn)口幾何角度進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，解決原風(fēng)扇沖角過(guò)大的問(wèn)題。風(fēng)扇葉片前后緣采用圓角處理，解決前后緣噪聲過(guò)大的問(wèn)題。優(yōu)化后的風(fēng)扇示意圖見(jiàn)圖4。將風(fēng)扇扇葉數(shù)量改為奇數(shù)，可以盡可能削減共振帶來(lái)的影響，并且可以提高扇葉布置的對(duì)稱(chēng)性。

圖4 以降低噪聲為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)優(yōu)化

3 對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案

3.1 試驗(yàn)條件

選擇一臺(tái)本系列內(nèi)的應(yīng)用此風(fēng)扇的項(xiàng)目電機(jī)產(chǎn)品作為試驗(yàn)對(duì)象。分別按照原系列風(fēng)扇方案、溫升優(yōu)化風(fēng)扇方案、噪聲優(yōu)化方案制造3套轉(zhuǎn)子風(fēng)扇作對(duì)比試驗(yàn)。在其他試驗(yàn)條件完全相同的條件下，分別使用3套風(fēng)扇進(jìn)行電機(jī)噪聲及溫升試驗(yàn)。得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：表1為風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表2為溫升試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

3.2 試驗(yàn)對(duì)比結(jié)論

通過(guò)表1和表2的數(shù)據(jù)對(duì)比：

表1 風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2 風(fēng)扇溫升試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 K

降噪優(yōu)化的風(fēng)扇方案確實(shí)達(dá)到了降噪聲的目的，比原系列風(fēng)扇方案降低了8 dB，該風(fēng)扇方案偏重降噪優(yōu)化，因此在降溫升方面效果不大。

降溫風(fēng)扇優(yōu)化方案跟預(yù)期一樣在降低噪聲上總體上基本無(wú)效果，此方案偏重降溫優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果降低溫升效果較為明顯，定子溫升總體上下降了4 K。

4 風(fēng)扇優(yōu)化研究在實(shí)際市場(chǎng)需求中的應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目背景

某個(gè)外貿(mào)電站項(xiàng)目，向我公司訂購(gòu)電動(dòng)給水泵電機(jī)，4極電機(jī)，電機(jī)方案為我廠另外一個(gè)系列內(nèi)產(chǎn)品，與本文作為研究對(duì)象的電機(jī)不是同一個(gè)系列。電站項(xiàng)目行業(yè)內(nèi)通常噪聲考核值為空載不高于85 dB(聲壓級(jí))。本項(xiàng)目有一條強(qiáng)制性技術(shù)要求為：空載噪聲不高于80 dB(聲壓級(jí))。

4.2 確定技術(shù)方案

由于本項(xiàng)目的焦點(diǎn)問(wèn)題是噪聲問(wèn)題，因此在選擇參考方案時(shí)，僅采用系列內(nèi)多槽配合的方案類(lèi)型作為參考，經(jīng)過(guò)篩選，選出了其中多槽配合的4個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)數(shù)據(jù)，空載噪聲數(shù)據(jù)分別為：79 dB(聲壓級(jí))、76 dB(聲壓級(jí))、76 dB(聲壓級(jí))、79 dB(聲壓級(jí))。然后，根據(jù)收集到的資料第一時(shí)間組織了相關(guān)人員召開(kāi)了設(shè)計(jì)評(píng)審會(huì)，經(jīng)過(guò)慎重討論決定，采用本文研究的降噪風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以確保此出口項(xiàng)目電機(jī)噪聲水平可以穩(wěn)妥達(dá)到項(xiàng)目要求。

4.3 方案實(shí)施及試制情況

設(shè)計(jì)方案選取了技術(shù)成熟的同容量的系列電機(jī)方案，將風(fēng)扇按本文研究的降噪風(fēng)扇優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，其余按原系列不做變更。產(chǎn)品試制完成后的試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)顯示：噪聲測(cè)定值為72 dB(聲壓級(jí))，比風(fēng)扇優(yōu)化前降低了4～7 dB，完全達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某系列電機(jī)為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了降噪風(fēng)扇優(yōu)化和降溫升風(fēng)扇優(yōu)化的設(shè)計(jì)分析，并且通過(guò)產(chǎn)品實(shí)物對(duì)比試驗(yàn)的方式論證了兩種風(fēng)扇的優(yōu)化改進(jìn)成果。通過(guò)一個(gè)對(duì)噪聲有特殊要求的實(shí)際項(xiàng)目，跨系列采用本文研究對(duì)象降噪風(fēng)扇改進(jìn)方案、并成功得到預(yù)期噪聲性能的實(shí)例更加有力的證明了本文風(fēng)扇優(yōu)化研究結(jié)果的可行性、可應(yīng)用性、可推廣性及先進(jìn)性。

總之，根據(jù)不同的項(xiàng)目需求選擇合適的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和類(lèi)型，在某些情況下，用最小的改動(dòng)，在不影響系列大結(jié)構(gòu)的前提下，使產(chǎn)品符合產(chǎn)品需求，并且更加可靠，電機(jī)品質(zhì)得以提高。