宋德江

（哈电集团佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002）

高压高效电机离心式风扇设计与有限元分析

宋德江

（哈电集团佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002）

本文通过对风扇理论的分析，结合有限元分析方法，对大中型高压高效电机采用何种风扇设计进行阐述。

高效；离心式风扇；设计

从国家对节能要求的角度来看，对大中型高效电机的研究已经成为现今电机行业的主流趋势。想要提高大中型高压电机效率，就必须降低整个电机的损耗，而事实上也是通过降低机械损耗来达到提高电机效率这一根本目的。仅从降低机械损耗这个目标来看，绝大多数业内人士采取的方法都是对通风结构进行优化。本文结合个人多年从事电机的实践工作经验，从离心式风扇理论入手，结合有限元分析方法，对大中型高压高效电机采用离心风扇设计进行阐述。

1 高压高效电机离心式风扇概述

我国早在20世纪90年代就已经开始了对轴流式节能风扇的研究工作，当时研发的目的主要是为了适用于一些小型的异步电动机之中的，事实证明：使用轴流式风扇的电机效率比离心式风扇高出很多，但是，在这种情形下造成的风压低也是一个重大的缺陷。基于这样的考虑，直接导致了此种设计很难应用在大中型电机之中。也正是因为风扇本身性能上所存在的限制，直接决定了想通过这方面提高电机的效率有很大难度。若尝试采用后倾式风扇设计的话，加之选择合适的尺寸和形态，就可以达到我们需要的风压，同时，也能够降低整体损耗，最终达到提高电机使用效率的目的。

2 高效电机后倾式风扇设计

2.1 关于尺寸和风压方面

风扇外径对于一个风扇来说是最为重要的性能指标，其确定原则就在于保障风扇能够产生我们需要的风压数值，最终克服电机风阻，当然还要维持基本的风量和风速，这样的选择其实是受到电机尺寸、效率以及噪声大小影响的。当风阻较大时，外径应尽量取大些，以提高风扇的风压，但随着外径的增加，风扇的圆周线速度增加，其产生的风扇噪声、通风损耗也会相应的增加，设计时应尽可能在保证电机温升合理的情况下缩小外径。如果我们能够知道风扇的外部特性和通风系统的风阻特性时，就能够通过这些数值计算出系统的风量。

2.2 关于叶片选型

在考虑风扇叶片的时候，根据叶片的出口角度不同，离心式风扇叶片分为：前倾式叶片、径向式叶片、后倾式叶片。当出口角小于90°时为前倾式；当出口角等于90°时为径向式；当出口角大于90°时为后倾式。叶片的片型是由安装角决定的，对于后倾式风扇，我们比较常见的型线有直线、圆弧线与对数螺旋线，考虑到当进出风口角的数值一样时，是不能采用直线的，对数螺旋线在制造中又过于复杂，因此，叶片可采用圆弧线。

3 不同型式离心风扇的有限元分析

以Y500-4 10kV系列电机风扇为例，搭建不同型式的离心式风扇模型并进行有限元分析，对比前倾式和后倾式风扇所产生的机械损耗，以验证采取后倾式风扇的优势所在。

3.1 后倾式风扇的分析计算

为了方便后倾式风扇设计，在建模时，可采用直线型叶片，进风口角β1为35°，出风口角β为45°，其叶片后倾式排列与转子风扇结构模式见图1、图2。

图1 后倾式风扇Fig.1 Rear dump fan

图2 风扇模型Fig.2 Fan model

从图2风扇模型可以得知：风扇共有叶片14片，每片叶宽85 mm，在逆时针旋转中转速为1 493 r/min。在已知条件下，风扇在旋转过程中流体场的流线与风压，如图3、图4所示。

图3 风压图Fig.3 Wind pressure chart

图4 流线图Fig.4 Streamline chart

从图3、4可以看出，风扇叶片正面风压比背面风压大，形状较为规则，同时，风扇叶片之间的流线分布也十分理想，流体运动均匀，几乎看不到涡流现象。此模型下的后倾分布叶片风量为4.246 36［kgs^-1］，损耗为1 374.22W。

3.2 前倾式风扇的分析计算

同一模型，顺时针旋转则为前倾式风扇。前倾式风扇在旋转过程中的流体场的流线与风压，如图5、图6所示。

图5 风压图Fig.5 Wind pressure chart

图6流线图Fig.6 Streamline chart

图5 、图6显示，风扇叶片的正面风压明显大于背面风压，且形状极不规则，叶片之间的流线分布也十分不理想，存在着严重的涡流现象。此模型下的前倾式风量为0.335 72［kgs^-1］，耗损为2 007.19W。

由此分析可以看出，后倾式风扇产生的涡流损耗小，效率高，所以，在高压高效电机风扇设计中采取后倾式风扇效果最佳。

4 结语

本文主要结合了主流学说对高压高效电机离心式风扇设计的基本观点，推理出来影响风扇设计的关键因素是风压与风量，而风扇设计对提高电机效率，降低机械损耗又至关重要。因此，当风量和风压的数值达到一定规模时，就需要我们定好具体风压比例数值，只有这样，才能得到我们想到的最优的效率工作平衡点，而这正是我们在开发大中型高压高效电机中需要深入研究的重要因素。

［1］陈世坤.电机设计［M］.北京：机械工业出版社，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，山东齐河人，学士，助理工程师，从事高压电机设计与研发工作。