電風(fēng)扇能效值的工程計(jì)算方法

詹云峰

佛山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)中心 廣東佛山 528225

1 背景

家用電風(fēng)扇產(chǎn)品是我國(guó)較早實(shí)施能效標(biāo)識(shí)管理的產(chǎn)品之一，家用電風(fēng)扇產(chǎn)品在出廠前必須加貼能效標(biāo)簽，向消費(fèi)者明示產(chǎn)品的能效等級(jí)。

電風(fēng)扇能效等級(jí)是由能效值決定的，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12021.9和GB/T 13380規(guī)定，能效值=實(shí)測(cè)風(fēng)量÷電動(dòng)機(jī)輸入功率。生產(chǎn)企業(yè)需對(duì)每一個(gè)型號(hào)規(guī)格的電風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)量和電動(dòng)機(jī)輸入功率的檢驗(yàn)，以獲得產(chǎn)品的能效值。目前，由于沒有缺少相關(guān)的研究，還沒有效的方法能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段獲得產(chǎn)品的能效值，大多數(shù)企業(yè)只能在最終產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試來(lái)獲得能效值，如果發(fā)現(xiàn)能效值達(dá)不到要求，則必須重新進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這將是費(fèi)時(shí)又費(fèi)成本的過(guò)程。此外，決定電風(fēng)扇能效值的關(guān)鍵為電動(dòng)機(jī)和扇葉的特性，而電風(fēng)扇生產(chǎn)企業(yè)通常有一系列的電動(dòng)機(jī)和扇葉，由于不可能對(duì)所有的扇葉或所有的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行全組合的實(shí)際測(cè)試，因此也就不知道如何進(jìn)行組合可以獲得最高的能效值。本文提出一種工程計(jì)算的方法，以獲得能效值的近似值。

2 電風(fēng)扇能效值的工程計(jì)算方法的原理

問題的實(shí)質(zhì)可以歸結(jié)為：給定一個(gè)電動(dòng)機(jī)和一個(gè)扇葉，如何在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就獲得能效值，而非在最終產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

目前對(duì)于電動(dòng)機(jī)通過(guò)測(cè)功機(jī)測(cè)試，生產(chǎn)企業(yè)能夠很容易提供一組反映電動(dòng)機(jī)特性的參數(shù)曲線，包括轉(zhuǎn)速-扭矩曲線、轉(zhuǎn)速-效率曲線、轉(zhuǎn)速-輸入功率曲線等。而對(duì)電風(fēng)扇扇葉，相關(guān)研究較少，目前還沒有提出扇葉相關(guān)特性參數(shù)的概念。那么扇葉應(yīng)該提供哪些特性參數(shù)能夠計(jì)算出能效值？通過(guò)長(zhǎng)期的測(cè)試和總結(jié)，提出建立風(fēng)扇扇葉的轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線和轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線的概念，以實(shí)現(xiàn)能效值的工程計(jì)算。

由能效值的計(jì)算公式：

能效值=實(shí)測(cè)風(fēng)量÷電動(dòng)機(jī)輸入功率

可知，計(jì)算能效值應(yīng)獲得風(fēng)量和輸入功率。由于電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)均能提供電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-輸入功率曲線，因此如果能確定電風(fēng)扇在工作狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就能確定輸入功率；如果能獲得風(fēng)扇扇葉的轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線，那么只要知道在電風(fēng)扇工作狀態(tài)下的扇葉轉(zhuǎn)速（也即在電風(fēng)扇工作狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速），通過(guò)這條曲線就能獲得風(fēng)量值。因此最終的問題就是如何獲得電風(fēng)扇工作狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)（也即扇葉）的轉(zhuǎn)速。

電風(fēng)扇在正常工作時(shí)，其扇葉是以一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，為克服阻力，扇葉要保持在這個(gè)轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)就必需獲得一個(gè)特定的轉(zhuǎn)矩，而這個(gè)轉(zhuǎn)矩正是由電動(dòng)機(jī)提供的。因此如果能獲得扇葉的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線就能和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-輸出轉(zhuǎn)矩曲線建立聯(lián)系：將扇葉的轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-輸出轉(zhuǎn)矩曲線繪制到一張圖上，兩條曲線的交點(diǎn)就是但風(fēng)扇的正常工作狀態(tài)點(diǎn)，其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是電風(fēng)扇工作狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)（也即扇葉）的轉(zhuǎn)速。確定了電風(fēng)扇工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速也就能獲得風(fēng)量和輸入功率，也即能通過(guò)公式計(jì)算出能效值：

圖1 轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖

3 扇葉特性參數(shù)的獲得方法

扇葉特性參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線和轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線。圖1為測(cè)量轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線的裝置簡(jiǎn)圖（其中：1-變頻電機(jī)；2-扭矩傳感器；3-轉(zhuǎn)速傳感器；4-支撐部件；5-被測(cè)扇葉），也作為測(cè)量轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線的驅(qū)動(dòng)裝置，風(fēng)量測(cè)量的其他布置同GB/T 13380中電風(fēng)扇風(fēng)量測(cè)量一致。圖1中的變頻電機(jī)在控制器的控制下可在需要的頻率范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)被測(cè)扇葉旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器、力矩傳感器以及GB/T 13380中規(guī)定風(fēng)量測(cè)量裝置，就可以獲得轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線和轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線。圖2為一個(gè)扇葉轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線和轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線的例子。

4 能效值工程計(jì)算舉例

圖2、圖3所示為一款實(shí)際電風(fēng)扇產(chǎn)品中使用的電動(dòng)機(jī)和扇葉的特性曲線，其中圖2扇葉特性曲線是使用上述圖1所示的轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線測(cè)量裝置，以及采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13380-2007《交流電風(fēng)扇和調(diào)速器》的方法獲得的扇葉轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線；圖3為通過(guò)測(cè)功機(jī)測(cè)量得到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-扭矩和轉(zhuǎn)速-輸入功率曲線。通常情況電動(dòng)機(jī)制造企業(yè)均有能力和設(shè)備測(cè)量電動(dòng)機(jī)的特性曲線并提供給用戶使用。

圖2 扇葉特性曲線

圖3 電動(dòng)機(jī)特性曲線

現(xiàn)以圖2的扇葉特性曲線和圖3的電機(jī)特性曲線為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程：首先將圖2和圖3的曲線合并到同一張圖上，如圖4；然后找出扇葉轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-輸出轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)，通過(guò)該交點(diǎn)可以確定對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，此轉(zhuǎn)速即為電風(fēng)扇工作時(shí)的轉(zhuǎn)速，此例中轉(zhuǎn)速近似為1050r/min；在扇葉的轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線上找出轉(zhuǎn)速為1050r/min時(shí)的風(fēng)量值，此例中風(fēng)量值為34m3/min；在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-輸入功率曲線上找出轉(zhuǎn)速為1050r/min時(shí)的輸入功率值，此例中為41W；最后計(jì)算出能效值=風(fēng)量÷輸入功率=34m3/min÷41W =0.829m3/(min?W)。此結(jié)果即為計(jì)算結(jié)果。

圖4 合并后的扇葉和電機(jī)曲線圖

如果將一個(gè)扇葉特性曲線和一系列電動(dòng)機(jī)特性曲線進(jìn)行上述的計(jì)算，則可以找出扇葉和電動(dòng)機(jī)的最佳組合，從而獲得最高的產(chǎn)品能效值。

5 能效值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

本文第四部分例子中的電動(dòng)機(jī)和扇葉，其實(shí)就是一款實(shí)際型號(hào)為FS-30D11的機(jī)械控制式電風(fēng)扇的部件。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13380-2007《交流電風(fēng)扇和調(diào)速器》的方法，對(duì)該款電風(fēng)扇產(chǎn)品的能效值進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。經(jīng)檢測(cè)，該款風(fēng)扇的實(shí)測(cè)風(fēng)量值為34.8m3/(min，實(shí)測(cè)輸入功率為41.4W，得到實(shí)際的能效值為0.841m3/(min?W)。與采用能效值工程計(jì)算方法得到的結(jié)果：風(fēng)量34m3/min，輸入功率41W，能效值0.829m3/(min?W)相比較，偏差為：風(fēng)量2.3%，輸入功率1.0%，能效值1.4%。由于采用GB/T 13380-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行風(fēng)量測(cè)量時(shí)，該方法的測(cè)量不確定度一般都超過(guò)±5%，因此總體來(lái)看，能效值工程計(jì)算方法得到的結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文提出建立電風(fēng)扇扇葉特性曲線的概念，通過(guò)特定的裝置測(cè)量出扇葉的轉(zhuǎn)速-輸入轉(zhuǎn)矩曲線和轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線，利用這些扇葉的特性曲線和電動(dòng)機(jī)的特性曲線可以方便快捷地計(jì)算出風(fēng)扇的能效值。該方法具有較高的準(zhǔn)確性，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能在研發(fā)階段獲得產(chǎn)品的能效值，從而縮短研發(fā)周期，少走彎路。生產(chǎn)企業(yè)也可以采用該方法，為各種規(guī)格的扇葉建立特性曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，將這些數(shù)據(jù)與電動(dòng)機(jī)的特性曲線進(jìn)行合并、計(jì)算，能得到扇葉和電動(dòng)機(jī)的最佳組合，從而改進(jìn)在產(chǎn)產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品的能效值。

7 總結(jié)

（1）本文所述的工程計(jì)算方法能使研發(fā)人員在產(chǎn)品開發(fā)階段就獲得電風(fēng)扇的能效近似值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和扇葉的最佳配合，縮短開發(fā)時(shí)間。特別是對(duì)于產(chǎn)品規(guī)格較多的企業(yè)，能快速優(yōu)化改進(jìn)在產(chǎn)產(chǎn)品，提高產(chǎn)品能效值。

（2）為更好應(yīng)用該方法，企業(yè)應(yīng)事先獲得每一個(gè)規(guī)格的扇葉和電動(dòng)機(jī)的特性曲線（可以是數(shù)據(jù)表），形成數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）本方法的誤差主要來(lái)源于扇葉和電動(dòng)機(jī)的特性曲線的準(zhǔn)確度，特別是扇葉的轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線，由于風(fēng)量測(cè)量方法本身存在較大的不確定度，且各種電風(fēng)扇網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)風(fēng)量值造成一定影響，而在測(cè)量扇葉的轉(zhuǎn)速-風(fēng)量曲線時(shí)又無(wú)法模擬這種影響。雖然存在一定的誤差，但并不影響找出扇葉和電動(dòng)機(jī)的最佳組合。