異步電動機中離心式風扇的設計

鄭亞琦+張毅

【摘要】在離心式通風機葉輪的設計理論基礎上，結合電機冷卻系統的需要，總結出了電機上離心式風扇的設計方法；并闡述了電機上使用的離心式風扇的組成、結構、特點、結構參數的確定。

【關鍵詞】離心式風扇；異步電動機；設計

引言

風扇的合理設計對電機的性能有著重要意義。電機上的離心式風扇與離心式通風機的葉輪結構原理雖然很相似，但是由于專業性的限制，電機設計者對風機葉輪的設計理論大多不很熟悉。因此，將風機葉輪設計理論運用到電機設計中去，對提高電機的設計水平很有意義。

一、離心風扇的組成及結構特點

電機上的離心式風扇，一般由前盤、后盤、葉片、輪轂組成。葉片與前盤和后盤之間采用焊接或鉚接型式。焊接結構的流道光滑、風阻小、噪聲低，因此應用較多。

（一）前盤結構

前盤的形式可有：平前盤、錐形前盤、弧形前盤。平前盤風扇：因氣流進入葉片轉彎后分離損失較大、故效率低，但其整個風扇的制造工藝較簡單。弧形前盤風扇：氣流流動情況好、氣流通過時方向過渡平穩，損耗小，效率較高，但其制造工藝復雜，弧形處需用模具制造；錐形前盤風扇：效率及工藝性介于二者之間。從力學性能方面考慮，錐形前盤風扇和弧形前盤風扇的強度和剛度都優越于平前盤風扇。

（二）葉片結構

葉片是風扇向流體傳遞能量的主要零件，根據葉片出口角度不同，離心式風扇葉片分為：前傾式葉片、徑向式葉片、后傾式葉片。

根據葉片形狀不同，分為：圓弧形葉片，平板形葉片。由于葉片形狀不同，風扇性能也不同，使用場合也不一樣。一般大中型電機上使用的離心式風扇，主要有四種型式。其中：平板形徑向葉片風扇，制造工藝最簡單，適用于雙向旋轉，當氣流進入葉片流道時有較大沖擊，流動損失較大，效率低，并會產生較大噪聲。平板形后傾葉片風扇，進口氣流損失較小，但流道中流動損失較大，效率也不高。圓弧形后傾葉片風扇，流動損失小、效率高，運行噪聲也低；但葉片制造工藝復雜，成本高。為圓弧形前傾葉片風扇，若外徑相同時，它的風壓最高；但損耗大，效率低；常用于風阻大，風壓要求高的電機上。

當考慮風扇噪聲時，選擇葉片形式的原則為：后傾葉片風扇噪聲較低，前傾葉片風扇噪聲較高，徑向葉片風扇噪聲居中，圓弧形葉片風扇噪聲低于平直葉片。

二、離心式風扇的結構參數確定

離心式風扇的主要結構參數，見圖1，包括：D0為風扇進口直徑；D1為風扇葉片進口直徑；D2為風扇外徑；b1為風扇葉片進口寬度；b2為風扇葉片出口寬度；β1為葉片進口安裝角；β2為葉片出口安裝角；Z為葉片數；為風扇前盤傾斜角。

（一）風扇直徑D0、D1、D2的確定

設計風扇時，離心式風扇進口直徑D0的大小，主要取決于電機結構。在選擇風扇葉片進口直徑D1時，最好把風扇葉片的進口端設計成圖1的斜切邊結構，這樣可以保證沿葉片寬度方向的氣流沖角變化不大，減小由于氣流沖角不等而引起的沖擊損耗。通常，葉片入口最大直徑D1max，最小直徑D1min，平均入口直徑D1，可按下列關系選取：

對于外徑應根據通風方式和電機的結構選定，主要取決于冷卻風路上的風阻大小；當風阻較大時，應盡量取大些，以提高風扇的風壓。但是隨著的增加，風扇圓周線速度增加，其產生的風扇噪聲、通風損耗也會相應增加；設計時應在保證電機溫升合理的情況下盡可能的縮小。圖1

（二）葉片進口安裝角β1和出口角β2的確定

選擇葉片進風安裝角β1時，主要考慮風扇的風壓和工作效率。對于后傾式風扇，由于葉道內流動損失較小，因此β1的選擇應使風扇葉片進口沖擊損失為最小，一般β1=15°～35°。對于前傾式風扇，由于葉道內的分離損失較大，過小的進口安裝角會導致葉片彎曲度過大，分離損失增加，但葉道流動分離損失降低，二者比較，效率反而有所提高，一般β1=40°～60°。葉片出口角β2的選擇與風扇的性能、尺寸和噪聲等關系較大，因此選擇β2時要綜合考慮各方面的影響。對于后傾式風扇為了獲得較高效率，一般取β2=30°～50°。

（三）風扇葉片數Z的確定

如果葉片太少，一般流道擴散角過大，容易引起氣流邊界層分離，效率下降。葉片增多后，能減少出口氣流偏斜程度，提高壓強；但過多的葉片，會增加沿程摩阻損失和葉道進口的阻塞，也會使效率下降。一般葉片數Z可根據下方法確定：

一般來說，D1/D2較小時，葉片數取較少些，一面葉片進口阻塞；D1/D2較大時，葉片數可適當多些。從風扇制造工藝上考慮，葉片數最好采用偶數，可方便對稱劃線。

（四）葉片進口寬度b1和出口寬度b2的確定

確定風扇葉片寬度，主要是確定葉片出口的寬度，當出口寬度b2確定后，即可根據風扇的結構類型直接確定進口寬度b1。當風扇采用平前盤時，b1=b2；當采用錐形或弧形前盤時，b1≈b2D2/D1。

三、結束語

風機葉輪與電機風扇設計上的不同，主要在于輸入數據的獲得上。對于風機設計來講，它的壓力、流量等數據是事先給定的；而在電機設計中，很難通過理論計算的方法來得到冷卻風路的風阻。所需流量等風扇設計時所需的輸入數據，這樣便對風扇設計帶來困難。因此在實際中，根據實驗結果反復修正風扇幾何尺寸是十分必要的。其實，對于風路結構相差不大的電機，只要確定一個合理的風扇模型之后，在根據通風機的相似理論，設計風扇也就容易些。

參考文獻：

[1]《交流電機設計手冊》湖南人民出版社，1977

[2]陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業出版社，1990

[3]傅豐禮，唐孝鎬.異步電動機設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2001