何 輝

(1. 上海交通大學(xué)； 2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

系列化電機的電磁方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計是綜合考慮了通用性、標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟性、可靠性、先進性、電磁特性、啟動特性、負載特性、產(chǎn)品性能的市場適用性等方面制定的，因此系列化電機基本能夠滿足市場中絕大部分的性能需求。隨著市場不斷發(fā)展和拓寬，會有一些超出通常性能考核的電機性能要求，有時會遇到現(xiàn)有成熟的系列化電機無法滿足或存在一定風(fēng)險的產(chǎn)品需求，需要進行較大的方案變更，有可能會出現(xiàn)新開工裝模具、增加材料成本等情況。本文旨在通過對風(fēng)扇的改進優(yōu)化研究，實現(xiàn)用最小的結(jié)構(gòu)變化解決一部分噪聲和溫升超出常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的項目要求。

1 概況

以某系列4極1 000中心高電機產(chǎn)品風(fēng)扇為研究對象。此系列電機在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)性能完全滿足通用標(biāo)準(zhǔn)，屬于高品質(zhì)電機。針對市場上一些對溫升或噪聲有較高要求的項目，研究風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計，既能滿足產(chǎn)品需求，又盡可能減少系列方案的變更。

系列風(fēng)扇為半開式徑向直葉片結(jié)構(gòu)，如圖1所示，風(fēng)扇葉片為直扇葉，風(fēng)扇葉片前后緣處皆為直角。

優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)1：通過分析風(fēng)扇在線圈端部的散熱風(fēng)量方面的情況，對風(fēng)扇進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，降低電機溫升。

優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)2：在冷卻效果改善或不變的前提下，通過優(yōu)化風(fēng)扇，降低電機噪聲水平。

圖1 原系列風(fēng)扇示意圖

2 風(fēng)扇優(yōu)化方案

2.1 以降低溫升為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計優(yōu)化

2.1.1 風(fēng)扇對電機溫升的影響

電機通風(fēng)系統(tǒng)為對稱式通風(fēng)系統(tǒng)，機座頂部有兩個進風(fēng)口，冷卻空氣由于轉(zhuǎn)子上風(fēng)扇和通風(fēng)槽片的作用被抽入電機轉(zhuǎn)子，一部分冷卻空氣被抽入轉(zhuǎn)子鐵心，經(jīng)轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道，定、轉(zhuǎn)子空氣隙，定子徑向通風(fēng)道由機座中間的出風(fēng)口排出。另一部分冷卻空氣在風(fēng)扇作用下吹向定子線圈的端部，穿過定子線圈端部間隙，經(jīng)由機座機壁上的孔進入機座出風(fēng)口與前一部分冷卻空氣混合后，通過換熱器再進到機座兩端進風(fēng)口，這樣完成了通風(fēng)循環(huán)。圖2為系列電機風(fēng)路示意圖。綜上，風(fēng)扇對電機整體溫升具有重要的影響，對風(fēng)路的整體壓頭起到重要作用，對定子繞組線圈端部冷卻尤為重要。

圖2 某系列電機風(fēng)路示意圖

2.1.2 優(yōu)化改進

風(fēng)扇葉片為直葉片，由于其空氣動力學(xué)性能的影響，對整個風(fēng)扇的效率會有一定的影響，且由于沒有葉片角度的變化，該風(fēng)扇的噪聲會較大。經(jīng)過分析，將風(fēng)扇葉片形狀設(shè)計成向內(nèi)凹的圓弧形狀，增加了葉片的做功能力，提高了風(fēng)扇產(chǎn)生的壓頭，增大了風(fēng)流量。同時風(fēng)扇葉片兩端的邊緣做成圓角形狀，以抑制前后邊緣噪聲過大的問題。將風(fēng)扇扇葉數(shù)量改為奇數(shù)，可以盡可能削減共振帶來的影響，并且可以提高扇葉布置的對稱性。但由于葉片形狀為向內(nèi)凹，扇葉沖角較大，會降低整體降噪的效果。優(yōu)化后的風(fēng)扇示意圖見圖3。

圖3 以降低溫升為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計優(yōu)化示意圖

2.2 以降低噪聲為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計優(yōu)化

2.2.1 風(fēng)扇對電機噪聲的影響

風(fēng)扇對電機的噪聲影響屬于通風(fēng)噪聲的一部分。電機轉(zhuǎn)動時，風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子上某些凸出部位使空氣產(chǎn)生沖擊和摩擦形成通風(fēng)噪聲，且隨風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子線速度的增高而增大，強度與風(fēng)扇和通風(fēng)道的設(shè)計好壞有關(guān)。通風(fēng)噪聲主要有三種成份：風(fēng)扇或轉(zhuǎn)子的零部件在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的氣流遇到障礙物，氣流分裂成一系列獨立的小渦流，使空氣不斷壓縮、稀疏，引發(fā)的渦流聲，渦流噪聲的頻率取決于扇葉與空氣的相對速度，風(fēng)扇扇葉從內(nèi)圓到外圓其各處速度是連續(xù)變化的；風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時，空氣質(zhì)點受到風(fēng)葉周期性力作用產(chǎn)生壓力脈動從而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)聲，其頻率是葉片每秒打擊空氣質(zhì)點的次數(shù)，與風(fēng)扇扇葉數(shù)相關(guān)性很大；氣流遇障礙物發(fā)生干擾會產(chǎn)生單一頻率的笛聲，隨轉(zhuǎn)動部件和固定部件之間氣隙的減小而增強[1]。

因此，一般降低噪聲有以下幾個方式：適當(dāng)減小風(fēng)扇外徑；合理改善扇葉數(shù)量；合理改進扇葉形狀。

基于盡量不改變系列結(jié)構(gòu)方案的前提，對系列結(jié)構(gòu)改動及影響最小，同時盡量不要降低通風(fēng)散熱能力，因此，本文僅只考慮對風(fēng)扇扇葉數(shù)量及形狀進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.2 優(yōu)化改進

將電機風(fēng)扇扇葉設(shè)計成向外凸的形狀，對進口幾何角度進行了優(yōu)化計算，解決原風(fēng)扇沖角過大的問題。風(fēng)扇葉片前后緣采用圓角處理，解決前后緣噪聲過大的問題。優(yōu)化后的風(fēng)扇示意圖見圖4。將風(fēng)扇扇葉數(shù)量改為奇數(shù)，可以盡可能削減共振帶來的影響，并且可以提高扇葉布置的對稱性。

圖4 以降低噪聲為目標(biāo)的風(fēng)扇設(shè)計優(yōu)化

3 對比試驗驗證優(yōu)化方案

3.1 試驗條件

選擇一臺本系列內(nèi)的應(yīng)用此風(fēng)扇的項目電機產(chǎn)品作為試驗對象。分別按照原系列風(fēng)扇方案、溫升優(yōu)化風(fēng)扇方案、噪聲優(yōu)化方案制造3套轉(zhuǎn)子風(fēng)扇作對比試驗。在其他試驗條件完全相同的條件下，分別使用3套風(fēng)扇進行電機噪聲及溫升試驗。得到實驗數(shù)據(jù)如下：表1為風(fēng)扇噪聲試驗結(jié)果對比，表2為溫升試驗結(jié)果對比。

3.2 試驗對比結(jié)論

通過表1和表2的數(shù)據(jù)對比：

表1 風(fēng)扇噪聲試驗結(jié)果對比

表2 風(fēng)扇溫升試驗結(jié)果對比 K

降噪優(yōu)化的風(fēng)扇方案確實達到了降噪聲的目的，比原系列風(fēng)扇方案降低了8 dB，該風(fēng)扇方案偏重降噪優(yōu)化，因此在降溫升方面效果不大。

降溫風(fēng)扇優(yōu)化方案跟預(yù)期一樣在降低噪聲上總體上基本無效果，此方案偏重降溫優(yōu)化，試驗結(jié)果降低溫升效果較為明顯，定子溫升總體上下降了4 K。

4 風(fēng)扇優(yōu)化研究在實際市場需求中的應(yīng)用案例

4.1 項目背景

某個外貿(mào)電站項目，向我公司訂購電動給水泵電機，4極電機，電機方案為我廠另外一個系列內(nèi)產(chǎn)品，與本文作為研究對象的電機不是同一個系列。電站項目行業(yè)內(nèi)通常噪聲考核值為空載不高于85 dB(聲壓級)。本項目有一條強制性技術(shù)要求為：空載噪聲不高于80 dB(聲壓級)。

4.2 確定技術(shù)方案

由于本項目的焦點問題是噪聲問題，因此在選擇參考方案時，僅采用系列內(nèi)多槽配合的方案類型作為參考，經(jīng)過篩選，選出了其中多槽配合的4個項目試驗數(shù)據(jù)，空載噪聲數(shù)據(jù)分別為：79 dB(聲壓級)、76 dB(聲壓級)、76 dB(聲壓級)、79 dB(聲壓級)。然后，根據(jù)收集到的資料第一時間組織了相關(guān)人員召開了設(shè)計評審會，經(jīng)過慎重討論決定，采用本文研究的降噪風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計方案，以確保此出口項目電機噪聲水平可以穩(wěn)妥達到項目要求。

4.3 方案實施及試制情況

設(shè)計方案選取了技術(shù)成熟的同容量的系列電機方案，將風(fēng)扇按本文研究的降噪風(fēng)扇優(yōu)化方案進行設(shè)計改進，其余按原系列不做變更。產(chǎn)品試制完成后的試驗報告數(shù)據(jù)顯示：噪聲測定值為72 dB(聲壓級)，比風(fēng)扇優(yōu)化前降低了4～7 dB，完全達到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)語

本文以某系列電機為研究對象，分別進行了降噪風(fēng)扇優(yōu)化和降溫升風(fēng)扇優(yōu)化的設(shè)計分析，并且通過產(chǎn)品實物對比試驗的方式論證了兩種風(fēng)扇的優(yōu)化改進成果。通過一個對噪聲有特殊要求的實際項目，跨系列采用本文研究對象降噪風(fēng)扇改進方案、并成功得到預(yù)期噪聲性能的實例更加有力的證明了本文風(fēng)扇優(yōu)化研究結(jié)果的可行性、可應(yīng)用性、可推廣性及先進性。

總之，根據(jù)不同的項目需求選擇合適的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和類型，在某些情況下，用最小的改動，在不影響系列大結(jié)構(gòu)的前提下，使產(chǎn)品符合產(chǎn)品需求，并且更加可靠，電機品質(zhì)得以提高。