摘要：普通电动机的散热风扇一般采用的是径向直叶片离心式，由于其固有的缺点，再加上有些生产厂家为追求利益而采用了不合要求的设计和生产，致使在要求高效率散热的工作环境下电动机散热效果不佳，严重影响了设备的正常使用。本文分析了离心式电动机散热风扇及轴流式风扇各自的特点及优缺点，在参考了多种文献资料及进行了大量的相关实验的基础上，根据实际应用环境中相当数量的电动机仅单方向旋转工作的特点，将部分电动机更换为一种新型电动机散热风扇-单转向复合混流风扇，它集两种风扇的优点于一体，能极大地提高散热效率。该风扇经风速仪测试，风量为未改装之前的3-4倍，效果令人满意。
关键词：电动机；散热；单转向复合混流；风扇
0引言
电动机是指依据电磁感应定律将电能转换为机械能的一种电气设备，其主要作用是产生机械驱动转矩，作为各种电器和机械运行的动力源。电动机在把电能转化为机械能的同时，总会有一部分损耗，而以热量的形式表现出来，致使电动机表面温度升高。由于电动机不能长时间工作在高温下，厂家在生产电动机的时候，都会给电动机配备散热风扇。电动机散热风扇是一种常见的散热元件，由于电动机工作的环境、负荷、使用时间及生产厂家的不同，实际应用中部分电动机会产生过热现象。如果电动机长时间运行在过热环境下，轻则使线圈发生绝缘老化，硅钢片导磁率下降，端盖轴承间润滑油老化失去润滑作用,产生干磨而使动力下降，严重时会使线圈烧毁，整台电动机瘫痪，严重影响设备的正常使用。各种企业实际应用中大多受其困扰。有的企业选择单独给电动机加装风机的办法，取得了一定的效果，但需要增加额外的设备，造成成本增加，且受电动机环境所限，占用了大量空间又会增加电能的损耗。鉴于此，我公司对部分冷却效果不佳电动机散热风扇进行了改良，在不变动电动机整体结构的情形下，取得了非常好的效果，经专业工具测试，风量比传统的散热风扇高出3-4倍以上，效果令人满意。
1传统电动机散热风扇的原理
传统的电动机散热风扇有离心式、轴流式、和刮板式，其共同的特点是：（1）能提供电动机散热所需的风量；（2）通风损耗小，效率高；（3）噪声低和便于生产。不言而喻，提供电动机所需的风量是主要的。风量不足温升会升高，风量过大，噪声加剧，通风扇损耗相应也会大一些。但目前Y、Y2、YX3系列电动机均采用径向直叶片离心式外风扇，在80%负荷以上时明显感觉散热风量不足，致使电动机普遍存在过热现象，尤其是当电动机所处的环境温度超过摄氏28°C时，情况更为严重。
为更好地说明此种情况发生的缘由,现着重分析离心式风扇散热原理及优缺点：
1.1普通径向直叶片离心式电动机散热风扇的散热原理
当电动机旋转带动风扇转动时，叶轮上叶片之间的气体也跟着旋转，在离心力的作用下被甩向外边缘，气体流速增大，动能转变为静压能。随着气体的迅速增加，静压能又转变为速度能，作用在弧形的风扇罩上，通过风扇罩导流作用而改变方向，流向电动机壳体一侧，由出风口排出，此过程会在叶轮中间的入口处形成一定的负压，使外界气体在大气压的作用下立即补入。这样，在叶轮连续旋转的作用下空气就会不断排出和补入，从而达到连续排风的目的（如图1所示）。
1.2离心式径向直叶片散热风扇的优缺点
优点：离心式径向直叶片散热风扇适合逆时针和顺时针都能旋转的电动机，两个方向都有风。并且加工工艺简单，成本低廉，适合批量生产。
缺点如下：
(1)效率低。由于电动机出厂时的设计都为双转向，所以只能配备离心径向直叶片风扇，并未按实际需求而专门设计使用效率更高的单转向风扇叶；(2)某些风扇配套厂家为节约成本而偷工减料，所生产的风扇没有达到设计要求，直径、叶片高度等均有不同程度的减小；更有甚者，采用小功率电动机的风扇代替大功率电动机风扇（轴颈相同），使得风扇风量根本达不到电动机的散热需求；(3)某些厂家为了节约成本，径向直叶片普遍偏少，以至于叶片之间涡流损失增大，压力、风量等均达不到设计要求，故效果不佳，造成温升过高。
事实上，影响离心风扇效率的因素较多，大致归纳为：径向尺寸、进出口宽度、进出口安放角、进出口冲角、叶片数、叶片和风罩的距离、叶片扭曲形状等。
图1 普通离心式电动机散热风扇的原理
2轴流式风扇工作的基本原理
轴流风扇的叶片就像普通电风扇的桨叶，它通过旋转将气体推向桨叶前方（出风侧），增加了桨叶前端的局部压力，达到送风的目的。当风扇前方的空气被吹出后，风扇后方就会形成一定的负压，由于大气压的作用，周围的空气会迅速来补充，这样空气就会源源不断地由后端吹向前端了。
之所以称为轴流式，是因为通过风扇的空气不会改变方向，而是平行于风扇做轴向运动。轴流风扇一般为翼型面，主要优势是能够改变叶片的角度或间距从而适合不同情形的设计要求，最大优点就是风量大，适合风压要求不高的场所。由于轴流风扇叶片宽大、短且与转轴几乎在同一平面，故常用于送风系统。
3新型高性能风扇设计要求
离心直叶片风扇的叶片在风扇罩内做高速旋转，带动周围的空气做高速运动，由于离心力的作用，高速旋转的空气被甩向四周，遇到蜗型风扇罩的阻挡沿轴方向两边分流，由于风扇罩只有电动机壳体一侧有出风口，故空气由散热筋处甩出。另一部分空气受阻后产后回流，造成做功浪费。由于受到风扇罩的强力阻挡而改变方向，空气的速度能损失过大。
轴流风扇是由于螺旋叶片的翼型角度，在转动时产生推力，把空气由扇叶的后方推向前方，产生源源不断的空气流动。轴流风扇轴的直径一般都比较小，扇叶宽大，吹出的风容易集中。但如果这样的风扇直接安装在电动机后轴上，由于电动机尾部的特殊构造，大部分空气会直接吹在后端盖上，造成空气反弹，效果反而不好。因此，在设计新型散热风扇的时候，将扇叶形状做成一种由轴心向四周采用离心式渐渐过度到轴流式的复合混流风叶，这样既有离心式风扇风压高的特点，又有轴流风扇风量大的优势，综合了离心和轴流风扇的优点与一体。
电动机冷却风既不像电风扇向前吹，也不是像换气扇向后吸，而是向四周扩散到后盖周围，再由风扇罩改变方向，顺电动机外壳的散热槽吹出，从而给电动机散热。实际应用中，大部分工作电动机一旦投入运行就只会朝一个方向旋转。这样，离心直叶片风扇的双转向的优点就没有了，同时风量小的缺点也就暴露了出来，从而引起电动机散热不良、温升过高。最有效的解决方案是给电动机配备一个能产生大风量的风扇。由于离心风扇的特点是风压高，但风量小。而轴流风扇的特点是风压小，但风量大。结合两者优缺点，考虑利用轴流风扇的优点来对电动机现行离心式风扇做进一步地改型。由于电动机的特殊构造，风扇端有端盖的阻挡，出风口又仅限于周围边缘，所以单纯地把轴流风扇硬装在电动机尾部是不合理的。
基于以上情形，新改型风扇要具有以下基本设计要求：
（1）要能产生足够的风量，以达到电动机散热的目的；（2）要有足够的强度、质量，以保证运转当中的平稳；（3）方便安装和拆卸；（4）对电动机表面不做或尽量不做大的物理改动，以免影响外部空间及操作的易用性。
4单转向复合混流风扇设计
综合离心风扇和轴流风扇各自的优点，再结合Y、Y2、YX3系列电动机尾部的特殊结构，我们设计了一种单转向复合式混流风扇叶，经我公司实际测试，效果非常好。具体设计如下：
（1）叶片由原来的径向直叶片改为后弯式（根据方向设计，不超过20度），在到达边缘前约2/3处逐渐演变为轴流式。参照美国AMD公司出品的小型轴流风扇的特点，叶片逐渐扭转一定的弧度（已经过严格计算，各种型号弧度也不一样。具体弧度计算公式在此不做陈述）；
（2）部分电动机型号的叶片数目增加，并由偶数改为奇数。这是因为奇数叶片的组合能比偶数叶片组合带来更多的性能优势。如果叶片为偶数设计，并形成对称排列方式，此时不但使自身的的平衡性难以调整，而且使风扇在高速运转时产生更大的共振，从而导致叶片无法长时间承受共振产生的疲劳，容易出现叶片断裂等情况。奇数叶片的设计同样出现在日常电风扇和直升机螺旋桨中；
（3）风扇叶片高度比原来径向直叶片高出一定比例，其目的是保证低转速下也能产生足够的风量；
（4）部分风扇保持原来的底盘（固定和导流作用）并继续沿用原来的倾斜角（主要是考虑电动机轴的原有设计，长度等已经固定）,倾斜角主要起空气的导流作用；
（5）风扇叶与风扇罩周边的间隙比以前缩小。这是因为送风原理跟原来离心式风扇不同，离心式风扇是通过风扇罩导流改变方向，新型风扇主要是通过风扇自身改变方向，即使没有风扇罩也可以把风吹向电动机散热壳体,见图2。风扇罩在这里主要起保护风扇和进一步导流的作用。
图2新型电动机散热风扇的原理
（6）由于部分风扇叶片加高，原来的风扇罩空间狭小，轴向长度不够，放不下新风扇，故原有风扇罩在轴向加长原来的约1/10。（有的电动机风罩在出厂时本身就偷工减料做得较小）。
（7）新型风扇构造较为复杂，为保证质量，生产时全部采用优质铝合金铸造。铝合金风扇要比普通塑料风扇强度高得多，几乎不变形，不易损坏（一般的损坏都是由于拆卸不当引起的）。采用新型散热风扇，虽前期投入相对较高，但长期维护成本很低。正常使用寿命在10-20年。
新型散热风扇在做高速旋转时，叶片周围的空气也跟着高速流动，在离心力加风扇底盘导流的作用下，高速旋转的空气被甩向风扇边缘，由于靠近边缘的扇叶逐渐演变成翼型轴流式，空气的流动由离心力甩向四周后再通过轴流风扇改变方向（小于90度的角），吹向电动机壳体一侧(图2)。这样，轴流风扇叶边缘进风向一侧的空气也会形成一个负压，由于大气压的作用，风罩外面的空气就会及时过来补充，由离心力甩出的空气（来自风扇中间的那部分空气）和轴流风叶后面的空气混合在一起就被源源不断地吹向电动机壳体一侧，从而提高了散热效率。
5结论
目前我公司部分冷却效果不佳的电动机风扇已改造为新型风扇单转向复合混流风扇。经风速计测量原旧风扇风速为1.9m/s～2.5m/s，而改造后风速为5.1m/s～7.3m/s。电动机温度减少近20℃，大大改善了电动机的运行环境。
参考文献
[1]许海燕.低压电动机的散热分析和改善[J].湖北电力，2009，(2)。
作者简介
徐强，(1978-)，男，工程师，河北蔚州能源综合开发有限公司工程设备部，高级技师，长期从事发电厂电气设备检修与技术管理工作。
论文作者:徐强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：风扇论文; 电动机论文; 叶片论文; 轴流论文; 风量论文; 空气论文; 散热风扇论文; 《电力设备》2018年第26期论文;