CN109751256A

CN109751256A - 高速电机及电动工具

Info

Publication number: CN109751256A
Application number: CN201711062723.4A
Authority: CN
Inventors: 刘正伟; 徐刚
Original assignee: Positec Power Tools Suzhou Co Ltd
Current assignee: Positec Power Tools Suzhou Co Ltd
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-05-14

Abstract

本发明涉及一种高速电机及电动工具，包括壳体和电枢，所述电枢设于所述壳体内；还包括风扇，所述电枢中转轴带动所述风扇转动；所述风扇包括轮毂和若干扇叶；所述扇叶数量n为整数，且满足12片≤n≤50片；所述扇叶数量n与扇叶转速R和人耳对超声波最低感知频率U_min相关联，且满足以下条件：R/60×n＞U_min。上述高速电机中，风扇的扇叶数量通过满足电机转速和超声波的最低感知范围来控制，通过采用加密扇叶匹配电机转速的技术来达到气动噪音超越人耳感知的范围以外，通过产生超声波频段气流来降低高速电机噪音，大大降低高频尖锐气动噪音。

Description

高速电机及电动工具

技术领域

本发明涉及电动工具技术领域，特别是涉及一种具有超声波风扇结构的高速电机及具有该高速电机的电动工具。

背景技术

电动工具是一种由电动机或电磁铁作为动力，通过传动机构驱动工作头进行作业的手持式或可移动动式的机械化工具。电动工具由于其结构轻巧、便于携带，已经广泛应用于各行各业。

电动工具在工作过程中，会带来大量的噪音。据统计，普通的割草机产生的噪音会传播到约150米范围内，而汽油割草机产生的噪音会传播到约400米范围内，烦杂的噪音不仅影响使用者自身的环境，也影响了周边邻居的安静的休息时间。

电动工具在工作过程中产生的噪声大体可分为结构表面振动噪音和气动噪音。通常，人们侧重于研究振动噪音，对于气动噪音的研究报道较少。在电机高速运转时，气动噪音显得尤为突出，成为噪音源的主要部分且比较难消除。气动噪音实质为空气动力噪音，其产生的主要原因是由于空气存在弹性和惯性，扇叶的旋转会引起空气压强或密度的脉动而引起的。故而电动工具中的气动噪音主源于电机。然而高速电机会在人耳能感知的高频范围产生非常尖锐的气动噪音，大大影响操作人员或周围人员的身体健康。

发明内容

基于此，有必要针对现有的高速电机在人耳能感知的高频范围产生非常尖锐的气动噪音的问题，提供一种高速电机的超声波风扇结构、高速电机及电动工具。

一种高速电机，包括：

壳体和电枢，所述电枢设于所述壳体内；

还包括风扇，所述电枢中转轴带动所述风扇转动；所述风扇包括轮毂和设于所述轮毂外围的若干扇叶；所述扇叶数量n为整数，且满足12片≤n≤50片；所述扇叶数量n与扇叶转速R和人耳对超声波最低感知频率U_min相关联，且满足以下条件：

R/60×n＞U_min

其中，扇叶转速R的单位为rpm。

上述高速电机中，风扇的扇叶数量通过满足电机转速和超声波的最低感知范围来控制，通过采用加密扇叶匹配电机转速的技术来达到气动噪音超越人耳感知的范围以外，通过产生超声波频段气流来降低高速电机噪音，大大降低高频尖锐气动噪音。

在其中一个实施例中，人体对超声波最低感知频率U_min不低于20000Hz。

在其中一个实施例中，所述扇叶转速R的范围为24000rpm～100000rpm。进一步的，所述扇叶转速R为38×10³rpm～100×10³rpm。

在其中一个实施例中，所述高速电机应用于电动工具。

在其中一个实施例中，所述高速电机为交流电机或内转子无刷直流电机。

在其中一个实施例中，还包括：

轮盘，所述轮盘自所述轮毂外围延伸成型并与所述扇叶相接触。

在其中一个实施例中，若干所述扇叶的排列方式为沿所述轮毂径向分布的单层排列方式或多层排列方式。

在其中一个实施例中，若干所述扇叶的排列方式为沿所述轮毂径向且同心分布的多层排列方式，且每层扇叶数量n_x、与扇叶转速R和人耳对超声波最低感知频率U_min相关联，均满足以下条件：R/60×n_x＞U_min。

在其中一个实施例中，所述扇叶数量为非质数。

在其中一个实施例中，所述扇叶边缘为不带齿或缺口结构。

在其中一个实施例中，若干所述扇叶采用等距分布。

在其中一个实施例中，所述风扇与所述电枢中转子的连接方式为过盈配合。

一种电动工具，包括以上所述的高速电机。

在其中一个实施例中，所述电动工具包括园林工具以及地板护理工具。

附图说明

图1为本发明的一实施方式的高速电机的局部结构示意图；

图2为本发明的另一实施方式的风扇结构的示意图；

图3为本发明的又一实施方式的高速电机的局部结构示意图；

图4为三种风扇结构的噪声频谱对比图。

图中：

1、风扇，2、第一转子，3、第一转轴，4、换向器，101、轮毂，102、扇叶。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1-3所示，一种高速电机，包括壳体(未图示)和电枢，所述电枢设于所述壳体内。

在本实施方式中，所述高速电机可为无刷电机。所述电枢可包括第一定子(未图示)、第一转子2、第一转轴3和换向器4，所述第一转子2可套设于所述第一转轴3上，所述第一定子可套设于所述壳体内，且可设于所述壳体和所述第一转子2之间，所述换向器4设于所述第一转轴3上且与所述第一定子电连接。所述第一定子和第一转子2的结构尺寸可为常规设计。

在另一实施方式中，所述高速电机可为交流电机。所述电枢可包括第二定子、第二转子和第二转轴，所述第二转子可套设于所述第二转轴上，所述第二定子可套设于所述壳体内，且可设于所述壳体和所述第二转子之间。所述第二定子可包括定子铁芯和缠绕于定子铁芯上的定子绕组。所述第二转子可包括转子铁芯和缠绕于转子铁芯上的转子绕组。所述第二定子和第二转子的结构尺寸可为常规设计。在其他实施方式中，所述高速电机还可为直流有刷电机或其他类型的电机。

此外，上述高速电机还包括轴承，所述轴承将所述电枢固定在所述壳体上。上述高速电机还包括所述保护盖，所述保护盖套设于所述电枢上且用于固定电枢中第二转子的两端。

上述高速电机，还包括风扇1，所述电枢中转轴带动所述风扇1转动。具体的，所述风扇1套设于所述电枢中转轴。如图1和2所示，所述风扇1可包括轮毂101和设于所述轮毂外围的若干扇叶102。其中，图1中的风扇1的扇叶数量为41片，而图2中的风扇1的扇叶数量为39片。

在其中一个实施例中，所述风扇1与所述电枢中第一转子2或第二转子的连接方式可为过盈配合。

上述风扇结构中，还可包括轮盘，所述轮盘自所述轮毂101外围延伸成型并与所述扇叶102相接触。

在其中一个实施例中，若干所述扇叶102的排列方式为沿所述轮毂101径向分布的单层排列方式。在其中一个实施例中，若干所述扇叶102的排列方式为沿所述轮毂101径向且同心分布的多层排列方式，且每层扇叶数量n_x、与扇叶转速R和人耳对超声波最低感知频率U_min相关联，均满足以下条件：R/60×n_x＞U_min。如此可确保每层扇叶均能够完全消除倍频噪音，以实现整个风扇的倍频噪音的消除，降噪效果良好。

风扇是高速电机的重要部件，其起到冷却电机的作用。风扇与电枢中的转轴一起高速旋转，扇叶表面压力周期性脉动，并不断存在涡的脱落、产生和破裂，形成尖锐的气动噪音。

气动噪音的大小其实与电机的转速、内部风道结构以及风扇的结构等相关。气动噪音可分为旋转噪音和宽频噪音，旋转噪音是气动噪音的主要部分。旋转噪音产生的主要原因是由于空气存在弹性和惯性，扇叶的旋转会引起空气压强或密度的脉动而引起的。因此，风扇结构设计尤其是扇叶结构设计对于降低旋转噪音至关重要。

关于风扇结构设计，研究学者主要在扇型、扇片形状设计、扇叶的不等间距分布、每片扇叶不同倾角设置、扇叶上开孔或缺口、减少扇叶的厚度等等方面进行大量的研究，从根本上希望能够减少或消灭噪音。但是并未基于超声波频率范围、转速和叶片数目来从根本上进行进一步开展研究。

对此，我们基于超声波频率范围，并结合声频、转速和叶片数目的关系，来调节气动噪音的频率，通过调整扇叶数量使气动噪音超过人耳感知的范围以外。通常，目前人耳能够感知的声音频率范围为20～20KHz，当声音频率范围超过20KHz时，此时产生超声波，人耳是无法感知的。

设定风扇的扇叶数量为n，其中n为整数。设定风扇的扇叶转速为R，单位为rpm(转/分)，每个扇叶的噪音频率为R/60(Hz)，设定人耳对超声波最低感知频率为U_min；

当扇叶数量n满足条件：

R/60×n＞U_min (1)

目前，通常U_min为20KHz，即风扇的扇叶的谐波频率大于20KHz，此时的风扇的气动噪音超过认为可以感知的范围以外。但是若随着人耳对超声波感知能力的变化，U_min可能不限于20KHz，可能会超过20KHz，此时的n所满足的条件也做相应的调整。

此时扇叶片n满足条件具体可为：

R/60×n＞20×10³ (2)

在高速电机中，风扇与电枢中的转轴一起高速旋转。在一实施方式中，电机的转速通常高达24×10³rpm～100×10³rpm，为了满足以上公式(2)，则此时扇叶数量n为12片～50片。

故而，风扇结构中的扇叶数量n满足12片≤n≤50片，所述扇叶数量n与高速电机的扇叶转速R相关联，且同时满足以下条件：R/60×n＞U_min(20×10³Hz)，即可降低高频尖锐气动噪音。

在本实施方式中，满足以上条件的扇叶结构可为通用型扇叶片或离心扇叶片。例如扇叶结构可为径向叶片、前弯式离心叶片、后弯式离心叶片或混流，轴流叶片。

在本实施方式中，对于扇叶数量不要求为质数，其数量可为质数，也可为非质数。基于本案的以上研究，在满足以上条件的风扇，当扇叶数量到一定数量时，叶片的振动分布模态属于高阶，故而非质数数量的风扇也能达到良好的降噪效果。

在本实施方式中，对满足以上条件的扇叶结构可为常规扇叶结构，可不需要对扇叶结构进行复杂的结构设计。具体的，所述扇叶边缘可为不带齿或缺口结构。此外，若干扇叶片可是等距均匀分布。如此可简化对扇叶结构的计算和设计步骤，应用范围更广。当然，为了取得进一步的降噪效果，所述扇叶结构还可为非常规扇叶结构，可设计为带齿或带缺口或不等距非均匀分布等结构。

在本实施方式中，所述风扇的最大外径为55～65mm；所述风扇的最大外径/轴向长度比例可为4～6:1。优选的，所述风扇的最大外径为62mm；所述风扇的最大外径/轴向长度比例可为6:1。

在本实施方式中，扇叶的厚度可为0.5mm～2mm。优选的，扇叶的厚度为1.2mm～1.8mm。另外，扇叶的安装倾角可为0～90度，优选的，扇叶的安装倾角为90度。此外，所述扇叶结构还可做一些其他基于现有技术的设计，在此不再赘述。

下面通过噪音试验来验证以上条件：

频谱测试环境为消音室环境，测试条件为噪音测试，测试转速36×10³rpm。采用三个扇叶样板，扇叶A为31片，扇叶B为39片(图2)，扇叶C为41片(图1)，对三个扇叶样品进行声压和倍频程测试，并绘制其噪声频谱(如图4所示)。

参见图4的噪声频谱图以及其局部放大示意图可知，扇叶B和扇叶C没有波峰，倍频噪声峰值被消除，而扇叶A的仍存在波峰，倍频噪声峰值未被消除。

此外，从整体图上来看，高频段的噪声幅度明显降低，噪声降低幅度的大小为扇叶C＞扇叶B＞扇叶A，说明扇叶B和扇叶C还可在一定程度上降低高频整体噪音。

对于以上噪音试验的结果，我们通过公式(2)进行验证，在转速为36×10³rpm时，仅扇叶B(39片)和扇叶C(41片)满足条件，而扇叶A(31片)并不满足上述公式(2)的条件，因此扇叶A理论上不能够降低气动噪声。这与以上噪音试验的结果相一致。

在另一实施方式中，所述扇叶转速R的范围为38×10³rpm～100×10³rpm，为了满足以上公式(2)，则此时扇叶数量n为12片～31片。此时，风扇结构中的扇叶数量n满足12片≤n≤31片，且同时满足以下条件：R/60×n＞U_min(20×10³Hz)，即可降低高频尖锐气动噪音。

上述超声波风扇结构，扇叶数量n通过满足电机转速和人耳对超声波的最低感知范围来控制，通过采用加密扇叶匹配电机转速的技术来达到气动噪音超越人耳感知的范围以外，通过产生超声波频段气流来降低高速电机噪音，大大降低高频尖锐气动噪音。

通过以上理论和试验论述，发现加密扇叶并配合电机转速和超声波的最低感知范围即可实现减少尖锐的气动噪音的目的。然而为了进一步提高和改善扇叶的整体噪音，还可在本技术方案的基础上，进一步通过对扇叶结构进行优化改进设计。

在具体应用中，以上风扇或超声波风扇结构应用于电动工具。所述电动工具可包括以上超声波风扇结构或高速电机，例如如图1所示的结构可应用于角磨工具，以及如图3所示的结构可应用于电锤工具。其中的电动工具不限于工业领域用电动工具(如角磨机等)，还可应用于其他非工业领域，如园林工具(如割草机等)以及地板护理工具(如吸尘器等)。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种高速电机，包括：

壳体和电枢，所述电枢设于所述壳体内；

其特征在于，

R/60×n＞U_min

其中，扇叶转速R的单位为rpm。

2.根据权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述扇叶转速R的范围为24×10³rpm～100×10³rpm。

3.根据权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述高速电机应用于电动工具。

4.根据权利要求1所述的高速电机，其特征在于，所述高速电机为交流电机或内转子无刷直流电机。

5.根据权利要求1所述的高速电机，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求1-5任一所述的高速电机，其特征在于，若干所述扇叶的排列方式为沿所述轮毂径向分布的单层排列方式或多层排列方式。

7.据权利要求1-5任一所述的高速电机，其特征在于，若干所述扇叶的排列方式为沿所述轮毂径向且同心分布的多层排列方式，且每层扇叶数量n_x、与扇叶转速R和人耳对超声波最低感知频率U_min相关联，均满足以下条件：R/60×n_x＞U_min。

8.根据权利要求7所述的高速电机，其特征在于，所述风扇与所述电枢中转子的连接方式为过盈配合。

9.一种电动工具，其特征在于，包括：

权利要求1-8任一所述的高速电机。

10.根据权利要求9所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具包括园林工具以及地板护理工具。