异步电动机中离心式风扇的设计

郑亚琦+张毅

【摘要】在离心式通风机叶轮的设计理论基础上，结合电机冷却系统的需要，总结出了电机上离心式风扇的设计方法；并阐述了电机上使用的离心式风扇的组成、结构、特点、结构参数的确定。

【关键词】离心式风扇；异步电动机；设计

引言

风扇的合理设计对电机的性能有着重要意义。电机上的离心式风扇与离心式通风机的叶轮结构原理虽然很相似，但是由于专业性的限制，电机设计者对风机叶轮的设计理论大多不很熟悉。因此，将风机叶轮设计理论运用到电机设计中去，对提高电机的设计水平很有意义。

一、离心风扇的组成及结构特点

电机上的离心式风扇，一般由前盘、后盘、叶片、轮毂组成。叶片与前盘和后盘之间采用焊接或铆接型式。焊接结构的流道光滑、风阻小、噪声低，因此应用较多。

（一）前盘结构

前盘的形式可有：平前盘、锥形前盘、弧形前盘。平前盘风扇：因气流进入叶片转弯后分离损失较大、故效率低，但其整个风扇的制造工艺较简单。弧形前盘风扇：气流流动情况好、气流通过时方向过渡平稳，损耗小，效率较高，但其制造工艺复杂，弧形处需用模具制造；锥形前盘风扇：效率及工艺性介于二者之间。从力学性能方面考虑，锥形前盘风扇和弧形前盘风扇的强度和刚度都优越于平前盘风扇。

（二）叶片结构

叶片是风扇向流体传递能量的主要零件，根据叶片出口角度不同，离心式风扇叶片分为：前倾式叶片、径向式叶片、后倾式叶片。

根据叶片形状不同，分为：圆弧形叶片，平板形叶片。由于叶片形状不同，风扇性能也不同，使用场合也不一样。一般大中型电机上使用的离心式风扇，主要有四种型式。其中：平板形径向叶片风扇，制造工艺最简单，适用于双向旋转，当气流进入叶片流道时有较大冲击，流动损失较大，效率低，并会产生较大噪声。平板形后倾叶片风扇，进口气流损失较小，但流道中流动损失较大，效率也不高。圆弧形后倾叶片风扇，流动损失小、效率高，运行噪声也低；但叶片制造工艺复杂，成本高。为圆弧形前倾叶片风扇，若外径相同时，它的风压最高；但损耗大，效率低；常用于风阻大，风压要求高的电机上。

当考虑风扇噪声时，选择叶片形式的原则为：后倾叶片风扇噪声较低，前倾叶片风扇噪声较高，径向叶片风扇噪声居中，圆弧形叶片风扇噪声低于平直叶片。

二、离心式风扇的结构参数确定

离心式风扇的主要结构参数，见图1，包括：D0为风扇进口直径；D1为风扇叶片进口直径；D2为风扇外径；b1为风扇叶片进口宽度；b2为风扇叶片出口宽度；β1为叶片进口安装角；β2为叶片出口安装角；Z为叶片数；为风扇前盘倾斜角。

（一）風扇直径D0、D1、D2的确定

设计风扇时，离心式风扇进口直径D0的大小，主要取决于电机结构。在选择风扇叶片进口直径D1时，最好把风扇叶片的进口端设计成图1的斜切边结构，这样可以保证沿叶片宽度方向的气流冲角变化不大，减小由于气流冲角不等而引起的冲击损耗。通常，叶片入口最大直径D1max，最小直径D1min，平均入口直径D1，可按下列关系选取：

对于外径应根据通风方式和电机的结构选定，主要取决于冷却风路上的风阻大小；当风阻较大时，应尽量取大些，以提高风扇的风压。但是随着的增加，风扇圆周线速度增加，其产生的风扇噪声、通风损耗也会相应增加；设计时应在保证电机温升合理的情况下尽可能的缩小。图1

（二）叶片进口安装角β1和出口角β2的确定

选择叶片进风安装角β1时，主要考虑风扇的风压和工作效率。对于后倾式风扇，由于叶道内流动损失较小，因此β1的选择应使风扇叶片进口冲击损失为最小，一般β1=15°～35°。对于前倾式风扇，由于叶道内的分离损失较大，过小的进口安装角会导致叶片弯曲度过大，分离损失增加，但叶道流动分离损失降低，二者比较，效率反而有所提高，一般β1=40°～60°。叶片出口角β2的选择与风扇的性能、尺寸和噪声等关系较大，因此选择β2时要综合考虑各方面的影响。对于后倾式风扇为了获得较高效率，一般取β2=30°～50°。

（三）风扇叶片数Z的确定

如果叶片太少，一般流道扩散角过大，容易引起气流边界层分离，效率下降。叶片增多后，能减少出口气流偏斜程度，提高压强；但过多的叶片，会增加沿程摩阻损失和叶道进口的阻塞，也会使效率下降。一般叶片数Z可根据下方法确定：

一般来说，D1/D2较小时，叶片数取较少些，一面叶片进口阻塞；D1/D2较大时，叶片数可适当多些。从风扇制造工艺上考虑，叶片数最好采用偶数，可方便对称划线。

（四）叶片进口宽度b1和出口宽度b2的确定

确定风扇叶片宽度，主要是确定叶片出口的宽度，当出口宽度b2确定后，即可根据风扇的结构类型直接确定进口宽度b1。当风扇采用平前盘时，b1=b2；当采用锥形或弧形前盘时，b1≈b2D2/D1。

三、结束语

风机叶轮与电机风扇设计上的不同，主要在于输入数据的获得上。对于风机设计来讲，它的压力、流量等数据是事先给定的；而在电机设计中，很难通过理论计算的方法来得到冷却风路的风阻。所需流量等风扇设计时所需的输入数据，这样便对风扇设计带来困难。因此在实际中，根据实验结果反复修正风扇几何尺寸是十分必要的。其实，对于风路结构相差不大的电机，只要确定一个合理的风扇模型之后，在根据通风机的相似理论，设计风扇也就容易些。

参考文献：

[1]《交流电机设计手册》湖南人民出版社，1977

[2]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，1990

[3]傅丰礼，唐孝镐.异步电动机设计手册[M].北京：机械工业出版社，2001