電風扇能效值的工程計算方法

詹云峰

佛山市質量計量監督檢測中心 廣東佛山 528225

1 背景

家用電風扇產品是我國較早實施能效標識管理的產品之一，家用電風扇產品在出廠前必須加貼能效標簽，向消費者明示產品的能效等級。

電風扇能效等級是由能效值決定的，根據國家標準GB 12021.9和GB/T 13380規定，能效值=實測風量÷電動機輸入功率。生產企業需對每一個型號規格的電風扇進行風量和電動機輸入功率的檢驗，以獲得產品的能效值。目前，由于沒有缺少相關的研究，還沒有效的方法能夠在產品設計階段獲得產品的能效值，大多數企業只能在最終產品進行實際的測試來獲得能效值，如果發現能效值達不到要求，則必須重新進行產品設計，這將是費時又費成本的過程。此外，決定電風扇能效值的關鍵為電動機和扇葉的特性，而電風扇生產企業通常有一系列的電動機和扇葉，由于不可能對所有的扇葉或所有的電動機進行全組合的實際測試，因此也就不知道如何進行組合可以獲得最高的能效值。本文提出一種工程計算的方法，以獲得能效值的近似值。

2 電風扇能效值的工程計算方法的原理

問題的實質可以歸結為：給定一個電動機和一個扇葉，如何在產品設計階段就獲得能效值，而非在最終產品上進行實際測試。

目前對于電動機通過測功機測試，生產企業能夠很容易提供一組反映電動機特性的參數曲線，包括轉速-扭矩曲線、轉速-效率曲線、轉速-輸入功率曲線等。而對電風扇扇葉，相關研究較少，目前還沒有提出扇葉相關特性參數的概念。那么扇葉應該提供哪些特性參數能夠計算出能效值？通過長期的測試和總結，提出建立風扇扇葉的轉速-輸入轉矩曲線和轉速-風量曲線的概念，以實現能效值的工程計算。

由能效值的計算公式：

能效值=實測風量÷電動機輸入功率

可知，計算能效值應獲得風量和輸入功率。由于電動機生產企業均能提供電動機的轉速-輸入功率曲線，因此如果能確定電風扇在工作狀態下電動機的轉速，就能確定輸入功率；如果能獲得風扇扇葉的轉速-風量曲線，那么只要知道在電風扇工作狀態下的扇葉轉速（也即在電風扇工作狀態下的電動機轉速），通過這條曲線就能獲得風量值。因此最終的問題就是如何獲得電風扇工作狀態下電動機（也即扇葉）的轉速。

電風扇在正常工作時，其扇葉是以一個特定的轉速旋轉的，為克服阻力，扇葉要保持在這個轉速下旋轉就必需獲得一個特定的轉矩，而這個轉矩正是由電動機提供的。因此如果能獲得扇葉的轉速-轉矩曲線就能和電動機的轉速-輸出轉矩曲線建立聯系：將扇葉的轉速-輸入轉矩曲線和電動機的轉速-輸出轉矩曲線繪制到一張圖上，兩條曲線的交點就是但風扇的正常工作狀態點，其交點對應的轉速就是電風扇工作狀態下電動機（也即扇葉）的轉速。確定了電風扇工作狀態下的轉速也就能獲得風量和輸入功率，也即能通過公式計算出能效值：

圖1 轉速-輸入轉矩曲線測量裝置簡圖

3 扇葉特性參數的獲得方法

扇葉特性參數主要包括轉速-輸入轉矩曲線和轉速-風量曲線。圖1為測量轉速-輸入轉矩曲線的裝置簡圖（其中：1-變頻電機；2-扭矩傳感器；3-轉速傳感器；4-支撐部件；5-被測扇葉），也作為測量轉速-風量曲線的驅動裝置，風量測量的其他布置同GB/T 13380中電風扇風量測量一致。圖1中的變頻電機在控制器的控制下可在需要的頻率范圍內驅動被測扇葉旋轉，通過轉速傳感器、力矩傳感器以及GB/T 13380中規定風量測量裝置，就可以獲得轉速-輸入轉矩曲線和轉速-風量曲線。圖2為一個扇葉轉速-輸入轉矩曲線和轉速-風量曲線的例子。

4 能效值工程計算舉例

圖2、圖3所示為一款實際電風扇產品中使用的電動機和扇葉的特性曲線，其中圖2扇葉特性曲線是使用上述圖1所示的轉速-輸入轉矩曲線測量裝置，以及采用國家標準GB/T 13380-2007《交流電風扇和調速器》的方法獲得的扇葉轉速-轉矩和轉速-風量曲線；圖3為通過測功機測量得到的電動機轉速-扭矩和轉速-輸入功率曲線。通常情況電動機制造企業均有能力和設備測量電動機的特性曲線并提供給用戶使用。

圖2 扇葉特性曲線

圖3 電動機特性曲線

現以圖2的扇葉特性曲線和圖3的電機特性曲線為例說明計算過程：首先將圖2和圖3的曲線合并到同一張圖上，如圖4；然后找出扇葉轉速-輸入轉矩曲線和電動機轉速-輸出轉矩曲線的交點，通過該交點可以確定對應的轉速，此轉速即為電風扇工作時的轉速，此例中轉速近似為1050r/min；在扇葉的轉速-風量曲線上找出轉速為1050r/min時的風量值，此例中風量值為34m3/min；在電動機的轉速-輸入功率曲線上找出轉速為1050r/min時的輸入功率值，此例中為41W；最后計算出能效值=風量÷輸入功率=34m3/min÷41W =0.829m3/(min?W)。此結果即為計算結果。

圖4 合并后的扇葉和電機曲線圖

如果將一個扇葉特性曲線和一系列電動機特性曲線進行上述的計算，則可以找出扇葉和電動機的最佳組合，從而獲得最高的產品能效值。

5 能效值計算結果準確性的驗證

本文第四部分例子中的電動機和扇葉，其實就是一款實際型號為FS-30D11的機械控制式電風扇的部件。為驗證計算結果的準確性，按照國家標準GB/T 13380-2007《交流電風扇和調速器》的方法，對該款電風扇產品的能效值進行了實際測試。經檢測，該款風扇的實測風量值為34.8m3/(min，實測輸入功率為41.4W，得到實際的能效值為0.841m3/(min?W)。與采用能效值工程計算方法得到的結果：風量34m3/min，輸入功率41W，能效值0.829m3/(min?W)相比較，偏差為：風量2.3%，輸入功率1.0%，能效值1.4%。由于采用GB/T 13380-2007標準規定的方法進行風量測量時，該方法的測量不確定度一般都超過±5%，因此總體來看，能效值工程計算方法得到的結果具有較高的準確性。

6 結論

本文提出建立電風扇扇葉特性曲線的概念，通過特定的裝置測量出扇葉的轉速-輸入轉矩曲線和轉速-風量曲線，利用這些扇葉的特性曲線和電動機的特性曲線可以方便快捷地計算出風扇的能效值。該方法具有較高的準確性，使得產品設計人員能在研發階段獲得產品的能效值，從而縮短研發周期，少走彎路。生產企業也可以采用該方法，為各種規格的扇葉建立特性曲線數據庫，將這些數據與電動機的特性曲線進行合并、計算，能得到扇葉和電動機的最佳組合，從而改進在產產品的性能，提高產品的能效值。

7 總結

（1）本文所述的工程計算方法能使研發人員在產品開發階段就獲得電風扇的能效近似值，實現電動機和扇葉的最佳配合，縮短開發時間。特別是對于產品規格較多的企業，能快速優化改進在產產品，提高產品能效值。

（2）為更好應用該方法，企業應事先獲得每一個規格的扇葉和電動機的特性曲線（可以是數據表），形成數據庫。

（3）本方法的誤差主要來源于扇葉和電動機的特性曲線的準確度，特別是扇葉的轉速-風量曲線，由于風量測量方法本身存在較大的不確定度，且各種電風扇網罩結構會對風量值造成一定影響，而在測量扇葉的轉速-風量曲線時又無法模擬這種影響。雖然存在一定的誤差，但并不影響找出扇葉和電動機的最佳組合。