浅谈风扇叶参数对电机外风扇特性的影响.pdf

浅谈风扇叶参数对电机外风扇特性的影响马 强(佳木斯电机股份有限公司黑龙江佳木斯)摘 要 介绍了几个比较重要的风扇叶参数对电机外风扇性能的影响并结合后倾式径向离心外风扇物理模型对其进行流动特性分析得出外风扇 特性曲线电机外风路系统的散热能力与该曲线有直接关系从而为电机外风路设计提供参考 关键词 风扇叶流动特性电动机外风扇:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.).引言电机外风扇是电机的重要组成部分也是保证电机长期稳定可靠运行必不可少的部件 外风扇是电机外风路的动力源在其作用下冷却空气通过电机风扇罩进入冷却器散热管中电机内风路热风进入冷却器内腔与散热管进行热量交换冷却空气被加热后再经散热管进入周围环境中如此循环工作电机得以在规定的温度限制内安全有效的运行 所以要对电机外风扇的性能进行研究分析以便了解其冷却能力进而保证电机的运行性能 风扇设计基本要求.曲线及工作点 曲线是指风扇的风压风量的曲线电机风扇的设计必须满足该曲线或者对风扇进行仿真分析得出 曲线(风扇的 曲线能清晰直观的显示出风扇的性能)风扇工作点与风路系统的阻力有很大关系为降低风阻尽量减小电机外风扇的径向尺寸同时尽可能增大风扇叶高度即增大进风量外风路的散热能力强尽量增大电机内风扇径向尺寸同时尽可能减小风扇叶高度即提高风压保证电机内风路循环更加顺畅为保证电机风路设计合理风扇特性满足要求外风扇的工作点设计在风量的/处电机内风路风阻较大内风扇设计在风量/处.风量计算所需总风量 /()单位/式中总损耗允许温升空气比热体积流量计算经验公式./单位 一般 取 .散热方式电机散热方式有吹风与抽风方式吹风方式:优点:风扇设置在风扇罩进风口损耗低效率高 缺点:风扇罩设计不合理会产生散热死角抽风方式:优点:不易产生散热死角流场分布均匀 缺点:风扇设置在出风口处损耗高效率低适用吹风方式适用于电机内部风阻大局部损耗大的风路系统抽风方式适用于电机内部风阻低局部损耗比较均匀的风路系统 风扇叶设计的重要因素几个比较重要的扇叶参数对风扇性能的影响.叶片倾角风扇外特性受叶片倾角的影响较大倾角越大全压力中静压和动压占比相差越大 动压力占比越大转速相同时风压越大气体动能越大但动压力过大会产生气体回流通风损耗增大降低风扇性能静压力表征冷却能力对风扇的外特性作用明显 因此正确选择叶片倾角使动压和静压分配更加合理对提高风扇效率至关重要.叶片数目叶片数量的选取对风扇性能的影响较大叶片数量采用奇数时有利于风扇平衡及减小振动风扇在长期运行中扇叶不易因振动而断裂 在一定范围内叶片数量的增加有利于风量的提高数量增加过多风量及效率反而会降低 因此为降低风扇损耗目标电机风扇选择 片扇叶减少风扇外径尺寸尽可能增大扇叶高度增大风量降低噪声满足电机冷却要求.叶片弧度叶片形状分为平板形和圆弧形二者产生的风压有所不同 弧形扇叶可降低风扇损耗流动损失小但加工困难成本高而平板形扇叶虽然送风距离短但是风量大制作简单成本低适合批量生产而且气流进入流道时冲击小适用于双向旋转 目标电机采用平板形扇叶后倾式离心风扇气流损失较小加工工艺简单扇叶尺寸更易保证.叶片的振动风扇运行过程中扇叶因受力会发生振动风扇外径越大离中心线越远的部分自振幅值越大特别是在交变应力作用下扇叶内部会产生很多微小裂纹造成开裂 扇叶材质可选择塑料、铸铝和钢板塑料盒铸铝材质需要开模具制造成本高而且后期平衡困难 钢板扇叶加工制造简单焊接工艺性好冲击韧性强可承受一定的物理变形平衡性好为减小振动可适当增加扇叶厚度 外风扇流动特性分析.外风扇物理模型目标电机外风扇为径向离心式风扇主要由前盘、叶片及后盘构成其中叶片数目为 个其物理模型如图 所示?图 电机外风扇结构模型电机在实际运行中外风扇部分出风口与进风口附近的截面变化较大为了让风扇罩内流体的流动形态更加充分则需要在出风口和入风口截面积不改变的前提下在出风口和入风口处建立一定长度的流体域由于外风扇叶片较薄相邻或对应的面之间的节点无法完全对应为了更准确的计算风扇转动过程中流体流动情况特别是风扇附近流体的流动情况因此采用多面体网格和边界层相结合进行网格划分同时对扇叶附近流体域网格进行加密细化外风扇剖分后的模型网格如图 所示图 风扇流域网格模型.风扇域流场分布外风扇设计为后倾式径向叶片流体在风扇叶片内流动比较顺畅没有叶片间涡流出现 为减小通风损耗采用逆时针旋向离心风扇出风口在风扇右上方冷却空气从前盘进入风扇向上流出后进入冷却器 由于风扇单向旋转导致左右两侧流体分布不对称风扇右侧风压高流量大左侧风压底流量小流体右侧流动好于左侧 所以风扇右上部分流体流速要大于其他部分风扇叶流体流出处最大速度最大为/风扇叶流体流速范围在/至/.外风扇工况点下流动特性分析提取外风扇工作点下风扇表面压力分布如图 所示风扇中间截面速度和压力分布如图、图 所示76221633187714241970251630633609415647025249579563416888PressurePa图 风扇表面压力分布107999183756759514335271911Velocityms-1图 风扇中心截面速度分布677413150-113-376-640-903-1166-1430-1693-1956-2219-2486-2746-3009Pressurepa图 风扇中心截面压力分布根据外风扇区域流动和风扇的压力云图可以看出图中风扇按逆时针旋转越靠近压力面叶片流体的速度越大流体最大速度出现在压力面叶片顶部附近风扇外径处最大风速为/通过改变不同流量下运行点仿真分析得到外风扇 特性曲线和外风路阻力曲线如图 所示 从图中可以看出运行工况点下电机外风扇的运行工作点风扇和外风路冷却系统比较匹配6000500040003000200010000?Pa0 1 2 3 4 5?/m s3?RP-Q图 外风扇 特性曲线和外风路阻力曲线通过数值计算得到电机外部风路风量为./风扇机械损耗为结合电机试验损耗数据通过能量守恒公式计算电机所需最小冷却风量为./通过计算结果与仿真对比可知风扇产生的风量比电机需求冷却风量大表明现有通风结构的冷却风量理论上可以满足电机换热需求因此该外风扇设计可以满足电机风路冷却系统设计要求 结语()风扇叶参数对外风扇的性能影响较大风扇叶设计不合理会导致外风路的风量和风压都无法匹配外风路的需求 因此后续设计需要结合结合外风路的特点对外风路的离心风扇进行优化设计计算风扇的子午面流道及叶片的结构设计出新型的外风扇结构方案 从而提升外风扇的风量、静压和效率使风扇额定运行点的综合性能明显提高也可以进一步提升外风路的散热效率()通过计算得到了外风扇的 性能曲线和系统阻力曲线该电机外风路选用的风扇自身产生的压力和效率较好性能曲线平缓 在电机运行工况点下外风路风量为./时风扇性能曲线对应的压力为 与外风路系统阻力 相比可以克服外风路系统阻力满足要求参考文献 魏书慈.中小型电机的通风结构.浙江机械.李改英.浅谈电机中离心风扇的组成及结构.防爆电机.汪书苹.高压三相异步电动机高效风扇的设计.清华大学学报.作者简介:马强 男 年生毕业于哈尔滨工程大学机械工程专业现从事电机设计工作.收稿日期: