系列电机离心风扇设计优化研究

何 辉

(1. 上海交通大学； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

系列化电机的电磁方案及结构设计是综合考虑了通用性、标准化、经济性、可靠性、先进性、电磁特性、启动特性、负载特性、产品性能的市场适用性等方面制定的，因此系列化电机基本能够满足市场中绝大部分的性能需求。随着市场不断发展和拓宽，会有一些超出通常性能考核的电机性能要求，有时会遇到现有成熟的系列化电机无法满足或存在一定风险的产品需求，需要进行较大的方案变更，有可能会出现新开工装模具、增加材料成本等情况。本文旨在通过对风扇的改进优化研究，实现用最小的结构变化解决一部分噪声和温升超出常规标准的项目要求。

1 概况

以某系列4极1 000中心高电机产品风扇为研究对象。此系列电机在行业领域内性能完全满足通用标准，属于高品质电机。针对市场上一些对温升或噪声有较高要求的项目，研究风扇优化设计，既能满足产品需求，又尽可能减少系列方案的变更。

系列风扇为半开式径向直叶片结构，如图1所示，风扇叶片为直扇叶，风扇叶片前后缘处皆为直角。

优化设计目标1：通过分析风扇在线圈端部的散热风量方面的情况，对风扇进行适当的优化，降低电机温升。

优化设计目标2：在冷却效果改善或不变的前提下，通过优化风扇，降低电机噪声水平。

图1 原系列风扇示意图

2 风扇优化方案

2.1 以降低温升为目标的风扇设计优化

2.1.1 风扇对电机温升的影响

电机通风系统为对称式通风系统，机座顶部有两个进风口，冷却空气由于转子上风扇和通风槽片的作用被抽入电机转子，一部分冷却空气被抽入转子铁心，经转子径向通风道，定、转子空气隙，定子径向通风道由机座中间的出风口排出。另一部分冷却空气在风扇作用下吹向定子线圈的端部，穿过定子线圈端部间隙，经由机座机壁上的孔进入机座出风口与前一部分冷却空气混合后，通过换热器再进到机座两端进风口，这样完成了通风循环。图2为系列电机风路示意图。综上，风扇对电机整体温升具有重要的影响，对风路的整体压头起到重要作用，对定子绕组线圈端部冷却尤为重要。

图2 某系列电机风路示意图

2.1.2 优化改进

风扇叶片为直叶片，由于其空气动力学性能的影响，对整个风扇的效率会有一定的影响，且由于没有叶片角度的变化，该风扇的噪声会较大。经过分析，将风扇叶片形状设计成向内凹的圆弧形状，增加了叶片的做功能力，提高了风扇产生的压头，增大了风流量。同时风扇叶片两端的边缘做成圆角形状，以抑制前后边缘噪声过大的问题。将风扇扇叶数量改为奇数，可以尽可能削减共振带来的影响，并且可以提高扇叶布置的对称性。但由于叶片形状为向内凹，扇叶冲角较大，会降低整体降噪的效果。优化后的风扇示意图见图3。

图3 以降低温升为目标的风扇设计优化示意图

2.2 以降低噪声为目标的风扇设计优化

2.2.1 风扇对电机噪声的影响

风扇对电机的噪声影响属于通风噪声的一部分。电机转动时，风扇和转子上某些凸出部位使空气产生冲击和摩擦形成通风噪声，且随风扇和转子线速度的增高而增大，强度与风扇和通风道的设计好坏有关。通风噪声主要有三种成份：风扇或转子的零部件在旋转时产生的气流遇到障碍物，气流分裂成一系列独立的小涡流，使空气不断压缩、稀疏，引发的涡流声，涡流噪声的频率取决于扇叶与空气的相对速度，风扇扇叶从内圆到外圆其各处速度是连续变化的；风扇高速旋转时，空气质点受到风叶周期性力作用产生压力脉动从而产生的旋转声，其频率是叶片每秒打击空气质点的次数，与风扇扇叶数相关性很大；气流遇障碍物发生干扰会产生单一频率的笛声，随转动部件和固定部件之间气隙的减小而增强[1]。

因此，一般降低噪声有以下几个方式：适当减小风扇外径；合理改善扇叶数量；合理改进扇叶形状。

基于尽量不改变系列结构方案的前提，对系列结构改动及影响最小，同时尽量不要降低通风散热能力，因此，本文仅只考虑对风扇扇叶数量及形状进行优化设计。

2.2.2 优化改进

将电机风扇扇叶设计成向外凸的形状，对进口几何角度进行了优化计算，解决原风扇冲角过大的问题。风扇叶片前后缘采用圆角处理，解决前后缘噪声过大的问题。优化后的风扇示意图见图4。将风扇扇叶数量改为奇数，可以尽可能削减共振带来的影响，并且可以提高扇叶布置的对称性。

图4 以降低噪声为目标的风扇设计优化

3 对比试验验证优化方案

3.1 试验条件

选择一台本系列内的应用此风扇的项目电机产品作为试验对象。分别按照原系列风扇方案、温升优化风扇方案、噪声优化方案制造3套转子风扇作对比试验。在其他试验条件完全相同的条件下，分别使用3套风扇进行电机噪声及温升试验。得到实验数据如下：表1为风扇噪声试验结果对比，表2为温升试验结果对比。

3.2 试验对比结论

通过表1和表2的数据对比：

表1 风扇噪声试验结果对比

表2 风扇温升试验结果对比 K

降噪优化的风扇方案确实达到了降噪声的目的，比原系列风扇方案降低了8 dB，该风扇方案偏重降噪优化，因此在降温升方面效果不大。

降温风扇优化方案跟预期一样在降低噪声上总体上基本无效果，此方案偏重降温优化，试验结果降低温升效果较为明显，定子温升总体上下降了4 K。

4 风扇优化研究在实际市场需求中的应用案例

4.1 项目背景

某个外贸电站项目，向我公司订购电动给水泵电机，4极电机，电机方案为我厂另外一个系列内产品，与本文作为研究对象的电机不是同一个系列。电站项目行业内通常噪声考核值为空载不高于85 dB(声压级)。本项目有一条强制性技术要求为：空载噪声不高于80 dB(声压级)。

4.2 确定技术方案

由于本项目的焦点问题是噪声问题，因此在选择参考方案时，仅采用系列内多槽配合的方案类型作为参考，经过筛选，选出了其中多槽配合的4个项目试验数据，空载噪声数据分别为：79 dB(声压级)、76 dB(声压级)、76 dB(声压级)、79 dB(声压级)。然后，根据收集到的资料第一时间组织了相关人员召开了设计评审会，经过慎重讨论决定，采用本文研究的降噪风扇的优化设计方案，以确保此出口项目电机噪声水平可以稳妥达到项目要求。

4.3 方案实施及试制情况

设计方案选取了技术成熟的同容量的系列电机方案，将风扇按本文研究的降噪风扇优化方案进行设计改进，其余按原系列不做变更。产品试制完成后的试验报告数据显示：噪声测定值为72 dB(声压级)，比风扇优化前降低了4～7 dB，完全达到了预期的效果。

5 结语

本文以某系列电机为研究对象，分别进行了降噪风扇优化和降温升风扇优化的设计分析，并且通过产品实物对比试验的方式论证了两种风扇的优化改进成果。通过一个对噪声有特殊要求的实际项目，跨系列采用本文研究对象降噪风扇改进方案、并成功得到预期噪声性能的实例更加有力的证明了本文风扇优化研究结果的可行性、可应用性、可推广性及先进性。

总之，根据不同的项目需求选择合适的风扇结构和类型，在某些情况下，用最小的改动，在不影响系列大结构的前提下，使产品符合产品需求，并且更加可靠，电机品质得以提高。