專利名稱：：高壓異步電動機的高效后傾離心式冷卻外風扇的設計方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種高壓異步電動機的高效后傾離心式冷卻外風扇的設計方法，屬于高壓高效異步電動機的
技術領域：
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背景技術：
：目前全世界對能源的消耗日益增加，節(jié)能成為各國重視的問題。電能作為重要的二次能源，格外受到關注。已有研究證明，世界發(fā)電量的60%70%是通過各種電動機(主要是異步電動機)消耗的。我國是一個能源大國，對電能的消耗量巨大。鑒于這樣的形勢，提高異步電動機的能效水平是節(jié)約能耗的重要舉措，同時對資源的節(jié)約、環(huán)境的保護和改善也非常有利。從節(jié)能與環(huán)保的角度出發(fā)，研究高壓高效電機是目前電機行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。因此，進行高效高壓三相異步電動機的研究意義重大。要提高大中型高壓異步電動機的效率，就是要降低電機總損耗，即定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗。對于高壓高效異步電動機，機械損耗占總損耗的40%左右，若能降低機械損耗，將對提高大中型高壓異步電動機的效率是非常樂觀的。因此，大多廠家通過采用更合理的通風結構型式、改變風路、選用低摩擦軸承、改善工藝技術等來實現(xiàn)。國外一些主要的電機公司如ABB、西門子等，在中型高壓異步電機中多采用混合通風和軸向通風型式取代過去的徑向通風。我國大部分異步電動機采用的是徑向通風型式，隨著技術的發(fā)展改進，近年來也研發(fā)制造出新型的混合通風和軸向通風電機，并得以應用在中小型電動機上。國外對電機風扇的研究受航天航空發(fā)展的影響，開始關注機翼型的軸流式風扇，并經(jīng)過一系列改造得以應用在電機上。國內(nèi)也在二十世紀就開始研制軸流式節(jié)能風扇，主要應用于小型異步電動機，效率提高顯著。就效率來說，軸流式風扇明顯高于離心式風扇，但風壓低是其一大缺陷，在大型電機中很難得到應用。目前國內(nèi)的大中型高壓三相異步電動機，一般采用徑向離心式風扇，由于風扇本身性能的限制，對提高電機整體效率有較大困難。根據(jù)風機理論的知識，徑向離心式風扇存在效率低、損耗大的缺點。根據(jù)理論分析，若改為采用后傾離心式風扇，配合以適當?shù)某叽绾托螤?，即能提供足夠風壓，又能損耗降低，使電機效率得以提高。當前在大中型高壓三相異步電動機上后傾離心式風扇的應用并不常見，因為其葉片的形狀通常比較復雜，工藝難度大。后傾離心風扇有三種前盤形式，平前盤、錐形前盤和弧形前盤，后兩者氣動性能為較；葉片進口處增加始端對減小入口損失，改善氣動性能有利；選擇合適的入、出口角度也能使風扇性能達到更好。綜合考慮生產(chǎn)廠的工藝水平和加工成本，采用帶有始端的平前盤式后傾離心風扇，理論上入、出口角度選擇為與氣體進入葉片的相對速度方向角"相等為最佳。葉片尺寸要滿足電機所需的風量和風壓，葉片數(shù)目由通風機理論和電機設計經(jīng)驗得到，同時滿足機械強度和噪聲方面的要求。新的風扇風壓和風量降低，效率提高，使得風扇損耗降低，提高了電機效率，適用于單向運行電機。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是針對電磁優(yōu)化難以使得高壓電機效率進一步大幅度提高的問題而提出的一種應用在高壓大中型異步電動機上的高效后傾離心式冷卻外風扇的方法。通過改變風扇型式降低損耗，目的是降低風扇損耗以提高高壓大中型異步電動機的效率和性能，幫助解決我國高壓電機能效水平低的問題。目前一些參考文獻上所涉及的風扇多是針對中小型電機，因為中小型電機本身損耗較小，風路結構簡單，風阻小，所需風量和風壓要求低，不必擔心壓頭不夠的問題，可以改用效率很高的軸流式風扇，因而損耗降低幅度大，效率提高顯著。而在大中型高壓異步電動機中，風路結構比較復雜，風阻大，若采用軸流風扇，會出現(xiàn)風壓不足的問題，無法滿足電機冷卻的要求。由于風扇型式的選擇受到了限制，效率的提高相對不那么容易。目前大中型高壓異步電動機的冷卻外風扇采用傳統(tǒng)平板徑向離心式風扇，尺寸選取參考的傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法，這在新型高效電機研究上存在一定缺陷。本發(fā)明針對高壓高效異步電動機的具體情況，減小了風量和風壓，更換為后傾離心式風扇，并在葉片形狀上進行了一些優(yōu)化。在保證電機溫升在限值內(nèi)的前提下，最大限度地減小風扇損耗，以提高電機效率。所述的方法在計算機中具體依次含有以下步驟步驟(1).按以下步驟計算改用后傾離心式冷卻外風扇后電機冷卻所需的風量g及風壓//:步驟(i.i)，改用后傾離心式風扇后電機總損耗為iL.=S。.,、.-A^，其中原來采用徑向離心式風扇時的總損耗，A巧.為設計要求下降的風扇損耗,A尸,皆為已知數(shù)；步驟(1.2)，按下式計算電機冷卻所需的風量g及風壓//:y尸'Am、.及其中，《電機空氣溫升，C?？諝獗葻?，均為給定值，Z為外風路風阻；步驟(2).按下式及約束條件確定風扇的基本尺寸內(nèi)徑D"、外徑片寬度6:步驟(2.1)，根據(jù)下式確定i^與Dp的關系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，〖為風扇葉片相對長度；步驟(2.2)，根據(jù)步驟(2.1)及下式確定與D,2:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，"為電機額定轉(zhuǎn)速，p為空氣密度，7。為風扇空載時氣體動效率，/////。為為風壓與空載風壓之比，取風扇外特性曲線上風扇效率7,最大點處所對應的值；歩驟(2.3)，根據(jù)下式確定風扇葉片寬度6:'1其中，^為風量修正系數(shù)，義為考慮葉片厚度損失的實際面積系數(shù)，均為已知值；步驟(2.4),判斷D"與6是否滿足,1滿足，執(zhí)行下一步；不滿足，返回步驟(2.2);歩驟(3).根據(jù)步驟(2)得到的尺寸值，重新計算風量和風壓，令新的風:和風壓為0及//'，并判斷是否滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>滿足，執(zhí)行下一步；不滿足，返回步驟(2.l)重新確定風扇的尺寸；步驟(4).計算風扇損耗巧^g'/Z'/;7/.，/7/=0.250.30;步驟(5).按照以下步驟確定風扇葉片形狀步驟(5.1)，設定葉片入口角A等于葉片出口角A，/2=25°45°;步驟(5.2)，按下式計算葉片圓弧對應半徑凡、圓心角《、a"所對應的弦長^:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>則葉片弧長即葉片實際長度為/=凡;步驟(5.3)，根據(jù)步驟(3)確定的內(nèi)徑尺寸Z)"計算葉片增加始端部分的最大直徑為A,，最小直徑為A,，平均直徑為A^<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>步驟(6).按以下步驟確定風扇葉片數(shù)TV:步驟(6.1)，若按后傾離心式風扇葉片計算公式，葉片數(shù)W:詞.5,歩驟(6.2)，按風扇其中，A，，步驟(6.3)，滿足剛時，則葉片數(shù)7V為其中，g為葉片厚度，步驟(6.4)，根據(jù)步驟(6.1)(6.3)的葉片要求，確定葉片數(shù)選取的范圍。對于高壓異步電動機風扇，僅僅縮減風扇尺寸對損耗的降低不明顯，而改換風扇型式，從提高風扇本身的效率，加上尺寸和形狀上的優(yōu)化，損耗的減小幅度比較大。雖然工藝上后傾式風扇比徑向式復雜，但該設計方法時考慮到了目前的工藝水平，不會造成加工困難和成本的大幅增加。圖1.本發(fā)明方法流程圖。圖2.離心式風扇外特性曲線1.葉片徑向，2.葉片后傾，3葉片前傾。圖3.徑向離心式風扇。圖4.后傾離心式風扇葉片形狀。圖5.后傾離心式風扇增加的始端結構l.始端。具體實施方方式本發(fā)明以降低風扇損耗為出發(fā)點，進行新的設計，用于高壓大中型異步電動機。由于在已有電機結構的基礎上只改變風扇部分的結構，所以除風扇的相關參數(shù)外，其它結構參數(shù)均不變。設計時要全面考慮以下幾個方面性能最佳時計算葉片數(shù)7VZ)/2—Z),'sinAr為葉柵密度，且r=0.5+1.7sin/2;度條件，即葉片高度應不小于葉片中心高度處的葉間距1)風扇供風量的大小；2)電機溫升的高低；3)風扇損耗的大小；4)通風噪聲的高低；5)工藝性壞。該風扇是將原YKK系列高壓異步電動機的徑向離心式冷卻外風扇改為效率較高的后傾離心式冷卻外風扇，方法流程如圖l所示，具體實施方式如下1.假定風扇改變前后電機風量0和風壓//不變，原徑向離心式風扇時總損耗為ZL.，改用后傾離心式風扇后電機總損耗為A/>，其中，A戶,為設計的風扇欲降低到風扇損耗值，根據(jù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(1)計算改用后傾離心式冷卻外風扇后電機冷卻所需的風量g及風壓//,其中，《電機空氣溫升，C?？諝獗葻?，均為給定值，Z為外風路風阻，由風路結構確定；2.將計算得到的風量、風壓作為初選值，按下式及約束條件確定風扇的基本尺寸內(nèi)徑",、外徑D,，、葉片寬度6。為了保證風扇有較好氣動性能，風扇葉片尺寸應滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(2)由此知道Z),.。/)/2及6的選擇范圍，根據(jù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(3)確定Z),.,、Z)^及6。其中，〗為風扇葉片相對長度，"為電機額定轉(zhuǎn)速；/l為考慮葉片厚度損失的實際面積系數(shù)，p為空氣密度，/7。為風扇空載時氣體動效率，《為風量修正系數(shù)，如表1所示，/////。為風壓與空載風壓之比，取風扇外特性曲線上風扇效率77,最大點處所對應的值，見圖2所示；表l風扇相關計算參數(shù)參考值<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>3.根據(jù)新確定的風扇尺寸值，重新計算風量和風壓，令新的風量和風壓為Q'及//'，而且若改進后"<0，但因風扇改進后損耗降低，所以既使風量有所減小，也不會影響溫升，考慮到風路計算時所忽略掉的風阻以及運行時增加的風阻，則風壓以//'>//為宜，且滿足^1%S5%(4)否則需重新確定風扇的尺寸；4.重新計算風扇損耗尸,=G'H'/",;5.鑒于原有外風扇形狀在性能上的一些欠缺，為提高其氣動性能，需對葉片形狀作進一步的改進。主要包括確定葉片入、出口角度A、A，葉片型線，以及增加葉片始端a)風扇的入、出口角A、/2的確定，由于氣流進入風扇前的速度大小及方向與葉輪轉(zhuǎn)速并不相同，造成葉片入口處氣體與葉輪有一個相對速度方向角a。且氣流進入葉片時有一定的入口損失，與/,的大小相關。根據(jù)風機理論和流體知識，當A越接近a，氣流入口沖擊越小，當/1="時，氣流入口沖擊最小，該角度即為最佳入口角度。為了工藝與計算上的方便，出口角通常選取與入口角相等，即A二A，一般A-25。45e為宜；b)風扇葉片的型線并確定其尺寸葉片型線主要決定葉片安裝時的直曲程度。常用型線有直線、圓弧線和對數(shù)螺旋線。由于選定入、出口角度相等，型線必定不能采用直線式；對數(shù)螺旋線比較復雜，工藝難度大，對廠家來說很難加工完成。為了兼顧性能和工藝，葉片線型采用圓弧線為好為了兼顧性能和工藝，葉片線型采用圓弧線。根據(jù)圖4風扇葉片形狀及幾何關，按下式計算葉片圓弧對應半徑/、圓心角"、所對應的弦長:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>則葉片弧長即葉片實際長度為C)葉片始端氣體進入葉片時，靠近前盤處的氣流速度明顯大于靠近后盤處。對于無始端的葉片，這將導致入口氣流角沿進入葉片的寬度方向明顯變小，形成較大的入口沖擊，造成氣流損失。為此葉片增加始端，如圖5陰影部分所示，可減小沿葉片入口寬度氣流角的變化程度，減少葉片入口的沖擊，從而提高風扇氣動性能。增加葉片始端來提高氣動性能。以確定的內(nèi)徑尺寸D"為標準，確定始端部分的尺寸。令始端部分最大直徑為A,，最小直徑為/),_，平均直徑為Dh，則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(6)6.風扇葉片數(shù)目7V的選定要同時保證風扇性能、噪聲和剛度的條件ca)若按后傾離心式風扇葉片計算公式，葉片數(shù)應為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(7)(8)b)若按風扇性能最佳考慮，風扇葉片數(shù)應為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，A=A|A，T為葉柵密度，且r-0.5+1.7sinA;c)若按剛度條件，即葉片高度應不小于葉片中心高度處的葉間距時，葉片數(shù)應滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(9)其中，g為葉片厚度，通常為g-510醒。根據(jù)式(7)(9)確定葉片數(shù)選取的范圍。根據(jù)上述要求得到的尺寸存在一定的調(diào)節(jié)范圍，實際上在加工時取適合加工的尺寸值即可。權利要求1、高壓異步電動機的高效后傾離心式冷卻外風扇的設計方法，其特征是在計算機中具體依次按以下步驟實現(xiàn)的步驟(1).按以下步驟計算改用后傾離心式冷卻外風扇后電機冷卻所需的風量Q及風壓H步驟(1.1)，改用后傾離心式風扇后電機總損耗為其中，Ploss為原來采用徑向離心式風扇時的總損耗，ΔPf為設計要求下降的風扇損耗，Ploss及ΔPf皆為已知數(shù)；步驟(1.2)，按下式計算電機冷卻所需的風量Q及風壓H其中，θa電機空氣溫升，ca空氣比熱，均為給定值，Z為外風路風阻；步驟(2).按下式及約束條件確定風扇的基本尺寸內(nèi)徑Df1、外徑Df2、葉片寬度b步驟(2.1)，根據(jù)下式確定Df1與Df2的關系其中，<overscore>l</overscore>為風扇葉片相對長度；步驟(2.2)，根據(jù)步驟(2.1)及下式確定Df1與Df2其中，n為電機額定轉(zhuǎn)速，ρ為空氣密度，η0為風扇空載時氣體動效率，H/H0為為風壓與空載風壓之比，取風扇外特性曲線上風扇效率ηf、最大點處所對應的值；步驟(2.3)，根據(jù)下式確定風扇葉片寬度b其中，δ0為風量修正系數(shù)，λ為考慮葉片厚度損失的實際面積系數(shù)，均為已知值；步驟(2.4)，判斷Df1與b是否滿足滿足，執(zhí)行下一步；不滿足，返回步驟(2.2)；步驟(3).根據(jù)步驟(2)得到的尺寸值，重新計算風量和風壓，令新的風量和風壓為Q′及H′，并判斷是否滿足滿足，執(zhí)行下一步；不滿足，返回步驟(2.1)重新確定風扇的尺寸；步驟(4).計算風扇損耗Pf＝Q′H′/ηf，ηf＝0.25～0.30；步驟(5).按照以下步驟確定風扇葉片形狀步驟(5.1)，設定葉片入口角β1等于葉片出口角β2，β2＝250～450；步驟(5.2)，按下式計算葉片圓弧對應半徑Rn、圓心角αn、αn所對應的弦長<overscore>mn</overscore>則葉片弧長即葉片實際長度為ln＝Rnαn；步驟(5.3)，根據(jù)步驟(3)確定的內(nèi)徑尺寸Df1計算葉片增加始端部分的最大直徑為D1max，最小直徑為D1min，平均直徑為D1m步驟(6).按以下步驟確定風扇葉片數(shù)N步驟(6.1)，按后傾離心式風扇葉片計算公式，葉片數(shù)N步驟(6.2)，按風扇性能最佳時計算葉片數(shù)N其中，τ為葉柵密度，且τ＝0.5+1.7sinβ2；步驟(6.3)，滿足剛度條件，即葉片高度應不小于葉片中心高度處的葉間距時，則葉片數(shù)N其中，g為葉片厚度，g＝5～10mm；步驟(6.4)，根據(jù)步驟(6.1)～(6.3)的葉片要求，確定葉片數(shù)選取的范圍。全文摘要高壓異步電動機的高效后傾離心式冷卻外風扇的設計方法，屬于高壓高效電動機的研究技術。其特征在于采用效率較高的后傾離心式風扇并對其進行改良。在保證機械強度、噪聲和溫升的情況下，根據(jù)預期要降低的風扇損耗值，確定滿足電機所需的風壓和風量，計算風扇的基本尺寸、葉片形狀和葉片數(shù)目。其中葉片型線和入、出口角度的確定同時考慮了工藝問題，并對尺寸加以優(yōu)化和修正以降低風摩耗。該風扇噪聲低，效率高，葉片增加始端，減小了葉片入口沖擊損失，氣動性能好，適合于YKK系列的防護等級為IP44或IP54，全封閉自外扇冷式的高壓異步電動機。文檔編號F04D1/00GK101383541SQ20071030376公開日2009年3月11日申請日期2007年12月21日優(yōu)先權日2007年12月21日發(fā)明者馮垚徑,汪書蘋,趙爭鳴申請人:清華大學