高壓高效電機離心式風扇設計與有限元分析

宋德江

（哈電集團佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

高壓高效電機離心式風扇設計與有限元分析

宋德江

（哈電集團佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

本文通過對風扇理論的分析，結合有限元分析方法，對大中型高壓高效電機采用何種風扇設計進行闡述。

高效；離心式風扇；設計

從國家對節能要求的角度來看，對大中型高效電機的研究已經成為現今電機行業的主流趨勢。想要提高大中型高壓電機效率，就必須降低整個電機的損耗，而事實上也是通過降低機械損耗來達到提高電機效率這一根本目的。僅從降低機械損耗這個目標來看，絕大多數業內人士采取的方法都是對通風結構進行優化。本文結合個人多年從事電機的實踐工作經驗，從離心式風扇理論入手，結合有限元分析方法，對大中型高壓高效電機采用離心風扇設計進行闡述。

1 高壓高效電機離心式風扇概述

我國早在20世紀90年代就已經開始了對軸流式節能風扇的研究工作，當時研發的目的主要是為了適用于一些小型的異步電動機之中的，事實證明：使用軸流式風扇的電機效率比離心式風扇高出很多，但是，在這種情形下造成的風壓低也是一個重大的缺陷。基于這樣的考慮，直接導致了此種設計很難應用在大中型電機之中。也正是因為風扇本身性能上所存在的限制，直接決定了想通過這方面提高電機的效率有很大難度。若嘗試采用后傾式風扇設計的話，加之選擇合適的尺寸和形態，就可以達到我們需要的風壓，同時，也能夠降低整體損耗，最終達到提高電機使用效率的目的。

2 高效電機后傾式風扇設計

2.1 關于尺寸和風壓方面

風扇外徑對于一個風扇來說是最為重要的性能指標，其確定原則就在于保障風扇能夠產生我們需要的風壓數值，最終克服電機風阻，當然還要維持基本的風量和風速，這樣的選擇其實是受到電機尺寸、效率以及噪聲大小影響的。當風阻較大時，外徑應盡量取大些，以提高風扇的風壓，但隨著外徑的增加，風扇的圓周線速度增加，其產生的風扇噪聲、通風損耗也會相應的增加，設計時應盡可能在保證電機溫升合理的情況下縮小外徑。如果我們能夠知道風扇的外部特性和通風系統的風阻特性時，就能夠通過這些數值計算出系統的風量。

2.2 關于葉片選型

在考慮風扇葉片的時候，根據葉片的出口角度不同，離心式風扇葉片分為：前傾式葉片、徑向式葉片、后傾式葉片。當出口角小于90°時為前傾式；當出口角等于90°時為徑向式；當出口角大于90°時為后傾式。葉片的片型是由安裝角決定的，對于后傾式風扇，我們比較常見的型線有直線、圓弧線與對數螺旋線，考慮到當進出風口角的數值一樣時，是不能采用直線的，對數螺旋線在制造中又過于復雜，因此，葉片可采用圓弧線。

3 不同型式離心風扇的有限元分析

以Y500-4 10kV系列電機風扇為例，搭建不同型式的離心式風扇模型并進行有限元分析，對比前傾式和后傾式風扇所產生的機械損耗，以驗證采取后傾式風扇的優勢所在。

3.1 后傾式風扇的分析計算

為了方便后傾式風扇設計，在建模時，可采用直線型葉片，進風口角β1為35°，出風口角β為45°，其葉片后傾式排列與轉子風扇結構模式見圖1、圖2。

圖1 后傾式風扇Fig.1 Rear dump fan

圖2 風扇模型Fig.2 Fan model

從圖2風扇模型可以得知：風扇共有葉片14片，每片葉寬85 mm，在逆時針旋轉中轉速為1 493 r/min。在已知條件下，風扇在旋轉過程中流體場的流線與風壓，如圖3、圖4所示。

圖3 風壓圖Fig.3 Wind pressure chart

圖4 流線圖Fig.4 Streamline chart

從圖3、4可以看出，風扇葉片正面風壓比背面風壓大，形狀較為規則，同時，風扇葉片之間的流線分布也十分理想，流體運動均勻，幾乎看不到渦流現象。此模型下的后傾分布葉片風量為4.246 36［kgs^-1］，損耗為1 374.22W。

3.2 前傾式風扇的分析計算

同一模型，順時針旋轉則為前傾式風扇。前傾式風扇在旋轉過程中的流體場的流線與風壓，如圖5、圖6所示。

圖5 風壓圖Fig.5 Wind pressure chart

圖6流線圖Fig.6 Streamline chart

圖5 、圖6顯示，風扇葉片的正面風壓明顯大于背面風壓，且形狀極不規則，葉片之間的流線分布也十分不理想，存在著嚴重的渦流現象。此模型下的前傾式風量為0.335 72［kgs^-1］，耗損為2 007.19W。

由此分析可以看出，后傾式風扇產生的渦流損耗小，效率高，所以，在高壓高效電機風扇設計中采取后傾式風扇效果最佳。

4 結語

本文主要結合了主流學說對高壓高效電機離心式風扇設計的基本觀點，推理出來影響風扇設計的關鍵因素是風壓與風量，而風扇設計對提高電機效率，降低機械損耗又至關重要。因此，當風量和風壓的數值達到一定規模時，就需要我們定好具體風壓比例數值，只有這樣，才能得到我們想到的最優的效率工作平衡點，而這正是我們在開發大中型高壓高效電機中需要深入研究的重要因素。

［1］陳世坤.電機設計［M］.北京：機械工業出版社，1982.

Analysis Finite Element and Design of Centrifugal fan for High Voltage and High Efficiency Motor

SONG De-jiang
(Jiamusi Electric Machine Company Limited,Heilongjiang,Jiamusi 154002,China)

This article through to the fan theory analysis,combined with the finite element analysis method,to the large and medium-sized high voltage and high efficiency motor to use what kind of fan design to carry on the elaboration.

High efficiency;Centrifugal fan;Design

TM301.4

B

1674-8646（2015）09-0024-02

2015-06-19

宋德江（1988-），男，山東齊河人，學士，助理工程師，從事高壓電機設計與研發工作。