一種超高效率電機(jī)新型風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的考慮

劉夫乾， 李志強(qiáng)， 黃 堅(jiān)

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

在國(guó)家高效節(jié)能、低碳環(huán)保政策的指導(dǎo)下，高效、超高效電機(jī)將會(huì)得到普遍推廣應(yīng)用。隨著對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的要求越來越高，如何能進(jìn)一步降低電機(jī)的各種損耗已成為研究重點(diǎn)。電機(jī)的風(fēng)摩耗是電機(jī)的五項(xiàng)損耗之一，電機(jī)的冷卻外風(fēng)扇對(duì)電機(jī)的損耗、振動(dòng)、噪聲和溫升有著重要作用，設(shè)計(jì)符合流體流動(dòng)特性的新型電機(jī)外風(fēng)扇，對(duì)滿足開發(fā)高效、超高效電機(jī)的需要是一項(xiàng)很有意義的工作。

目前企業(yè)中批量生產(chǎn)的Y系列、Y2系列、YX3系列三相異步電動(dòng)機(jī)所配用的外風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，是根據(jù)系列產(chǎn)品通風(fēng)散熱的需要而專門設(shè)計(jì)的，在實(shí)際使用中取得了良好效果。但對(duì)于目前將要開發(fā)的高效、超高效三相異步電動(dòng)機(jī)，這些外風(fēng)扇結(jié)構(gòu)可能不完全適用。希望能夠在借助傳統(tǒng)理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)這些典型結(jié)構(gòu)的電機(jī)外風(fēng)扇進(jìn)行有限元分析計(jì)算對(duì)比，綜合其優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更加符合高效、超高效三相異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的新型結(jié)構(gòu)風(fēng)扇。

1 對(duì)Y、Y2、YX3系列電機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)形式的分析

目前，Y、Y2、YX3系列H315機(jī)座號(hào)以下的三相異步電動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇一般采用可正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的徑向直葉片結(jié)構(gòu)，此類風(fēng)扇相對(duì)于后彎離心式風(fēng)扇所具有的特點(diǎn)為風(fēng)壓高、風(fēng)量低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，但噪聲大、效率低。徑向直葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇所具有的一些重要參數(shù)特點(diǎn)如下。

(1)比轉(zhuǎn)速范圍一般為

(2)葉片進(jìn)出口安放角:

本文中下標(biāo)1代表風(fēng)扇進(jìn)口參數(shù)，下標(biāo)2代表風(fēng)扇出口參數(shù)。

(3)全壓系數(shù)一般為

(5)葉片數(shù)Z:

其中:葉柵稠密度近似為

一般取Z=10～20，風(fēng)機(jī)行業(yè)推薦值為Z=12～16。

Y、Y2、YX3系列電機(jī)多數(shù)風(fēng)扇是這種徑向直葉片結(jié)構(gòu)，該直葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇能夠產(chǎn)生的風(fēng)壓為

在風(fēng)扇外徑D2相等和轉(zhuǎn)速n不變的情況下，Y、Y2、YX3系列電機(jī)風(fēng)扇(如圖1所示)能夠產(chǎn)生的最大風(fēng)壓基本相等。除YX3系列風(fēng)扇外，各種外徑都比較均勻，因此出口壓力也較均勻。

圖1 Y、Y2、YX3系列電機(jī)風(fēng)扇

對(duì)風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量及效率影響的因素較多，與徑向尺寸b(b=D2－D1)，進(jìn)出口寬度a(進(jìn)口寬度 a1，出口寬度 a2)，進(jìn)出口安放角 β1A、β2A，進(jìn)出口沖角 Δα1、Δα2，葉片數(shù) Z，葉片和風(fēng)罩間距，葉片扭曲形狀等密切相關(guān)。

風(fēng)扇進(jìn)口直徑:

為保證沿葉片寬度氣流入口沖角都相同，可把葉片始端或整個(gè)葉片設(shè)計(jì)成空間葉片，有時(shí)稱為雙曲率葉片。從葉片始端形狀來看，圖1中的(a)、(c)和(d)較為合理，一般始端最大、最小直徑取值范圍為 D1max=(1.01～1.05)D0，D1min=(0.8～0.98)D0。本文中取 D1m=D0，D0為風(fēng)罩進(jìn)口開孔部分最大外徑。

2 新型結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的考慮

綜合上述Y、Y2、YX3系列電機(jī)風(fēng)扇的優(yōu)點(diǎn)，擬考慮設(shè)計(jì)一種新型結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇，用于目前所開發(fā)的高效、超高效電機(jī)。

借鑒除塵鼓風(fēng)機(jī)、切線泵和火箭高速泵葉輪等的結(jié)構(gòu)形式，初步考慮了幾種徑向直葉片結(jié)構(gòu)的新型風(fēng)扇型式。若將除塵鼓風(fēng)機(jī)和切線泵等的一般葉輪結(jié)構(gòu)不作修改而直接用在電機(jī)中并不合適，因?yàn)樵擄L(fēng)機(jī)和泵中的流體流出葉片后不需改變流動(dòng)方向而直接流出蝸殼，為徑向出口。電機(jī)中的氣流流體流出葉片出口后，氣流流動(dòng)會(huì)改變方向，由徑向變?yōu)檩S向，使得風(fēng)扇出口處回流嚴(yán)重，容積損失很大，用有限元仿真計(jì)算的結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此，該類風(fēng)扇結(jié)構(gòu)用于電機(jī)中需要進(jìn)行必要的修正。

選擇超高效電機(jī)YE3－132－2作為新風(fēng)扇的載體，其設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算后參數(shù)如下:空氣密度ρ =1.2 kg/m3，轉(zhuǎn)速 n=2 950 r/min，重力加速度g=9.8 kg/s2，全壓 ptF=420 Pa，流量 Q=0.02 m3/s，比轉(zhuǎn)速 ns=24.91，全壓系數(shù) ψ =1.308，流量系數(shù) φ=0.049 58，出口安放角 β2=90°，葉片數(shù)Z=10，葉片進(jìn)口寬度a1=0.018 m，葉片出口寬度a2=0.012 m，葉片進(jìn)口直徑D1=0.065 m，葉片出口直徑D2=0.150 m，與YX3－132－2風(fēng)扇外徑相同。

此種風(fēng)扇與前未修正的風(fēng)扇相比，增加了葉片數(shù)，因修正了無(wú)效區(qū)域A，而有效抑制了風(fēng)扇內(nèi)的氣流脫流，減少了風(fēng)扇內(nèi)的二次回流，使風(fēng)扇的效率得以提高，風(fēng)量增大，功耗也有所降低。

3 新型結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的有限元仿真分析

(1)邊界條件。用四面體劃分網(wǎng)格，并對(duì)風(fēng)扇葉輪網(wǎng)格加密，設(shè)置進(jìn)口空氣湍流強(qiáng)度約為5%，外界大氣壓力為一個(gè)大氣壓，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，并認(rèn)為流體不可壓，在此條件下求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

由Boussinesq假設(shè):

采用K-epsilon RNG模型，使方程封閉默認(rèn)。

(2)結(jié)果對(duì)比。根據(jù)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，新設(shè)計(jì)的風(fēng)扇整體性能大幅提升，具體參數(shù)對(duì)比如表1所示。由表1中的數(shù)據(jù)可知，在風(fēng)扇葉片出口全壓相同的情況下，新風(fēng)扇的風(fēng)量是舊風(fēng)扇的2.5倍。有限元仿真計(jì)算結(jié)果還表明，舊風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的葉片外緣直徑不均勻，出口處壓力差別大，高壓僅集中在直徑最大處;新設(shè)計(jì)的葉片外徑均勻，葉片出口壓力基本一樣，高壓區(qū)域較大。舊風(fēng)扇結(jié)構(gòu)葉片間的漩渦較大，并且葉片間流體脫流嚴(yán)重，損失大大增加;新設(shè)計(jì)的風(fēng)扇葉片間沒有形成漩渦，流線基本上沿著葉片流動(dòng)。

新設(shè)計(jì)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)一般葉片數(shù)不宜太少，建議葉片數(shù)應(yīng)當(dāng)取推薦葉片數(shù)。

表1 新舊風(fēng)扇有限元計(jì)算對(duì)比

在鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)上，進(jìn)行了初步的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，從表中的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，新型風(fēng)扇結(jié)構(gòu)取得了較好的效果。

表2 不同外風(fēng)扇時(shí)的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由以上分析可知，新設(shè)計(jì)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)總體上性能較優(yōu)，建議開發(fā)高效、超高效電機(jī)可優(yōu)先考慮采用該風(fēng)扇。

［1］孔熠.2006版新編風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］.1版.北京:中國(guó)知識(shí)出版社，2006.

［2］續(xù)魁昌.風(fēng)機(jī)手冊(cè)［M］.1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.