異步電動(dòng)機(jī)中離心式風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

鄭亞琦+張毅

【摘要】在離心式通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合電機(jī)冷卻系統(tǒng)的需要，總結(jié)出了電機(jī)上離心式風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方法；并闡述了電機(jī)上使用的離心式風(fēng)扇的組成、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。

【關(guān)鍵詞】離心式風(fēng)扇；異步電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)

引言

風(fēng)扇的合理設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的性能有著重要意義。電機(jī)上的離心式風(fēng)扇與離心式通風(fēng)機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)原理雖然很相似，但是由于專業(yè)性的限制，電機(jī)設(shè)計(jì)者對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)理論大多不很熟悉。因此，將風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)理論運(yùn)用到電機(jī)設(shè)計(jì)中去，對(duì)提高電機(jī)的設(shè)計(jì)水平很有意義。

一、離心風(fēng)扇的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電機(jī)上的離心式風(fēng)扇，一般由前盤、后盤、葉片、輪轂組成。葉片與前盤和后盤之間采用焊接或鉚接型式。焊接結(jié)構(gòu)的流道光滑、風(fēng)阻小、噪聲低，因此應(yīng)用較多。

（一）前盤結(jié)構(gòu)

前盤的形式可有：平前盤、錐形前盤、弧形前盤。平前盤風(fēng)扇：因氣流進(jìn)入葉片轉(zhuǎn)彎后分離損失較大、故效率低，但其整個(gè)風(fēng)扇的制造工藝較簡單?；⌒吻氨P風(fēng)扇：氣流流動(dòng)情況好、氣流通過時(shí)方向過渡平穩(wěn)，損耗小，效率較高，但其制造工藝復(fù)雜，弧形處需用模具制造；錐形前盤風(fēng)扇：效率及工藝性介于二者之間。從力學(xué)性能方面考慮，錐形前盤風(fēng)扇和弧形前盤風(fēng)扇的強(qiáng)度和剛度都優(yōu)越于平前盤風(fēng)扇。

（二）葉片結(jié)構(gòu)

葉片是風(fēng)扇向流體傳遞能量的主要零件，根據(jù)葉片出口角度不同，離心式風(fēng)扇葉片分為：前傾式葉片、徑向式葉片、后傾式葉片。

根據(jù)葉片形狀不同，分為：圓弧形葉片，平板形葉片。由于葉片形狀不同，風(fēng)扇性能也不同，使用場合也不一樣。一般大中型電機(jī)上使用的離心式風(fēng)扇，主要有四種型式。其中：平板形徑向葉片風(fēng)扇，制造工藝最簡單，適用于雙向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)氣流進(jìn)入葉片流道時(shí)有較大沖擊，流動(dòng)損失較大，效率低，并會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。平板形后傾葉片風(fēng)扇，進(jìn)口氣流損失較小，但流道中流動(dòng)損失較大，效率也不高。圓弧形后傾葉片風(fēng)扇，流動(dòng)損失小、效率高，運(yùn)行噪聲也低；但葉片制造工藝復(fù)雜，成本高。為圓弧形前傾葉片風(fēng)扇，若外徑相同時(shí)，它的風(fēng)壓最高；但損耗大，效率低；常用于風(fēng)阻大，風(fēng)壓要求高的電機(jī)上。

當(dāng)考慮風(fēng)扇噪聲時(shí)，選擇葉片形式的原則為：后傾葉片風(fēng)扇噪聲較低，前傾葉片風(fēng)扇噪聲較高，徑向葉片風(fēng)扇噪聲居中，圓弧形葉片風(fēng)扇噪聲低于平直葉片。

二、離心式風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

離心式風(fēng)扇的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖1，包括：D0為風(fēng)扇進(jìn)口直徑；D1為風(fēng)扇葉片進(jìn)口直徑；D2為風(fēng)扇外徑；b1為風(fēng)扇葉片進(jìn)口寬度；b2為風(fēng)扇葉片出口寬度；β1為葉片進(jìn)口安裝角；β2為葉片出口安裝角；Z為葉片數(shù)；為風(fēng)扇前盤傾斜角。

（一）風(fēng)扇直徑D0、D1、D2的確定

設(shè)計(jì)風(fēng)扇時(shí)，離心式風(fēng)扇進(jìn)口直徑D0的大小，主要取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)。在選擇風(fēng)扇葉片進(jìn)口直徑D1時(shí)，最好把風(fēng)扇葉片的進(jìn)口端設(shè)計(jì)成圖1的斜切邊結(jié)構(gòu)，這樣可以保證沿葉片寬度方向的氣流沖角變化不大，減小由于氣流沖角不等而引起的沖擊損耗。通常，葉片入口最大直徑D1max，最小直徑D1min，平均入口直徑D1，可按下列關(guān)系選?。?/p>

對(duì)于外徑應(yīng)根據(jù)通風(fēng)方式和電機(jī)的結(jié)構(gòu)選定，主要取決于冷卻風(fēng)路上的風(fēng)阻大??；當(dāng)風(fēng)阻較大時(shí)，應(yīng)盡量取大些，以提高風(fēng)扇的風(fēng)壓。但是隨著的增加，風(fēng)扇圓周線速度增加，其產(chǎn)生的風(fēng)扇噪聲、通風(fēng)損耗也會(huì)相應(yīng)增加；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證電機(jī)溫升合理的情況下盡可能的縮小。圖1

（二）葉片進(jìn)口安裝角β1和出口角β2的確定

選擇葉片進(jìn)風(fēng)安裝角β1時(shí)，主要考慮風(fēng)扇的風(fēng)壓和工作效率。對(duì)于后傾式風(fēng)扇，由于葉道內(nèi)流動(dòng)損失較小，因此β1的選擇應(yīng)使風(fēng)扇葉片進(jìn)口沖擊損失為最小，一般β1=15°～35°。對(duì)于前傾式風(fēng)扇，由于葉道內(nèi)的分離損失較大，過小的進(jìn)口安裝角會(huì)導(dǎo)致葉片彎曲度過大，分離損失增加，但葉道流動(dòng)分離損失降低，二者比較，效率反而有所提高，一般β1=40°～60°。葉片出口角β2的選擇與風(fēng)扇的性能、尺寸和噪聲等關(guān)系較大，因此選擇β2時(shí)要綜合考慮各方面的影響。對(duì)于后傾式風(fēng)扇為了獲得較高效率，一般取β2=30°～50°。

（三）風(fēng)扇葉片數(shù)Z的確定

如果葉片太少，一般流道擴(kuò)散角過大，容易引起氣流邊界層分離，效率下降。葉片增多后，能減少出口氣流偏斜程度，提高壓強(qiáng)；但過多的葉片，會(huì)增加沿程摩阻損失和葉道進(jìn)口的阻塞，也會(huì)使效率下降。一般葉片數(shù)Z可根據(jù)下方法確定：

一般來說，D1/D2較小時(shí)，葉片數(shù)取較少些，一面葉片進(jìn)口阻塞；D1/D2較大時(shí)，葉片數(shù)可適當(dāng)多些。從風(fēng)扇制造工藝上考慮，葉片數(shù)最好采用偶數(shù)，可方便對(duì)稱劃線。

（四）葉片進(jìn)口寬度b1和出口寬度b2的確定

確定風(fēng)扇葉片寬度，主要是確定葉片出口的寬度，當(dāng)出口寬度b2確定后，即可根據(jù)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)類型直接確定進(jìn)口寬度b1。當(dāng)風(fēng)扇采用平前盤時(shí)，b1=b2；當(dāng)采用錐形或弧形前盤時(shí)，b1≈b2D2/D1。

三、結(jié)束語

風(fēng)機(jī)葉輪與電機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)上的不同，主要在于輸入數(shù)據(jù)的獲得上。對(duì)于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)來講，它的壓力、流量等數(shù)據(jù)是事先給定的；而在電機(jī)設(shè)計(jì)中，很難通過理論計(jì)算的方法來得到冷卻風(fēng)路的風(fēng)阻。所需流量等風(fēng)扇設(shè)計(jì)時(shí)所需的輸入數(shù)據(jù)，這樣便對(duì)風(fēng)扇設(shè)計(jì)帶來困難。因此在實(shí)際中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)修正風(fēng)扇幾何尺寸是十分必要的。其實(shí)，對(duì)于風(fēng)路結(jié)構(gòu)相差不大的電機(jī)，只要確定一個(gè)合理的風(fēng)扇模型之后，在根據(jù)通風(fēng)機(jī)的相似理論，設(shè)計(jì)風(fēng)扇也就容易些。

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