CN110857701A - 叶轮的叶片布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶轮的叶片布置方法，所述方法包括：步骤S1：确定所述叶轮(4)上所需设置的叶片数；步骤S2：求出各个叶片所对应的最优叶片位置角，使得所述叶轮(4)的各阶次噪音值之和最小。通过本发明的方法选取的最优叶片位置角，不仅能够降低叶轮的单频噪音声压级，还能够有效约束其他阶次噪音值的大小，有利于提高电机的工作性能。

Description

叶轮的叶片布置方法

技术领域

本发明涉及叶轮技术领域，具体地，涉及一种叶轮的叶片布置方法。

背景技术

在现有技术中，一些电机在带动叶轮高速旋转时会产生声压级较大的高频噪音，这通常是由于叶轮上的叶片为等角度均匀布置引起的。此时，高频噪音的频率等于叶片数与转速频率的乘积，即该高频噪音为单频噪音。因此，当叶轮转速较高时，该单频噪音非常刺耳，会严重影响周边人员的听觉感受。

为降低上述单频噪音的声压级，现有的一些电机中通过采用正弦调制方法或增量式调制方法来布置叶轮的叶片位置角，使叶片呈不均匀布置以降低该单频噪音。

然而，在上述的降噪方法中，由于叶片不均匀布置，叶轮会产生由其他频率所引起的结构强迫振动或阶次频率噪音，同时也未计算出能够降低单频噪音的最优叶片位置角。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种叶轮的叶片布置方法，能够降低电机叶轮在高速旋转时产生的单频噪音的声压级，并能够约束其他阶次噪音值的大小，从而提高电机的工作性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种叶轮的叶片布置方法，所述方法包括：

步骤S1：确定所述叶轮上所需设置的叶片数；

步骤S2：求出各个叶片所对应的最优叶片位置角，使得所述叶轮的各阶次噪音值之和最小。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S21：分别限定各个所述叶片所对应的叶片位置角的取值范围，并在所述取值范围内选取预设的所述叶片位置角；

步骤S22：根据所述叶片数、各个所述叶片所对应的所述叶片位置角以及所述叶轮的噪音值阶次数，求出所述各阶次噪音值之和；

步骤S23：判断所述各阶次噪音值之和是否为最小值，其中，当所述各阶次噪音值之和为最小值时，执行步骤S24，否则返回所述步骤S21，并重新选取所述叶片位置角；

步骤S24：将预设的所述叶片位置角作为所述最优叶片位置角。

优选地，在所述步骤S21中，多个所述叶片位置角依次选取为x(1)～x(z)，在所述步骤S22中，所述叶轮的第i阶噪音值为y(i)并满足：

其中，z为所述叶片数。

优选地，在所述步骤S22中，所述噪音值阶次数为n，所述各阶次噪音值之和为y，满足：

优选地，在所述步骤S21中，多个所述叶片沿所述叶轮(4)的周向依次排布，且满足：x(1)＜x(2)＜x(3)＜……＜x(z)。

进一步地，，x(1)≥0。

优选地，所述步骤S21还包括：限定所述第i阶噪音值y(i)的取值范围。

优选地，所述第i阶噪音值y(i)不大于4。

优选地，所述叶轮的第1阶噪音值为y(1)并满足：y(1)≤0.1。

优选地，所述叶轮的所述叶片数不小于4个。

通过上述技术方案，在本发明的叶轮叶片布置方法中，可先确定叶轮上所需布置的叶片数，然后选取能够使各阶次噪音值之和最小的叶片位置角作为最优叶片位置角。通过此方法选取的最优叶片位置角，不仅能够降低叶轮的单频噪音声压级，还能够有效约束其他阶次噪音值的大小，有利于提高电机的工作性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有的叶轮的叶片等角度均匀布置时的叶片位置角的坐标图；

图2为现有的设有等角度均匀布置的叶片的离心式叶轮的结构示意图；

图3为本发明的具体实施方式中的离心式叶轮的结构示意图(叶片非均匀布置)；

图4为本发明的具体实施方式中采用了图3中的离心式叶轮的电机的结构爆炸图；

图5为现有的设有等角度均匀布置的叶片的轴流式叶轮的结构示意图；

图6为本发明的具体实施方式中的轴流式叶轮的结构示意图(叶片非均匀布置)；

图7为本发明的具体实施方式中采用了图6中的轴流式叶轮的电机的立体图；

图8为本发明的具体实施方式中的叶片布置方法的流程图；

图9为本发明的具体实施方式中的叶片布置方法的另一流程图；

图10为叶轮的5个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图；

图11为叶轮的7个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图；

图12为叶轮的9个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图；

图13为叶轮的11个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图。

附图标记说明：

100 电机

1 定子总成 2 转子总成

3 塑料外壳 4 叶轮

5 端盖 6 控制板组件

7 电机轴 8 轴承组件

41a～411a 等角度均匀布置的第一叶片～第十一叶片

41b～411b 通过本发明的具体实施方式中的方法调整叶片位置角的第一叶片～第十一叶片

412 离心式叶轮 413 轴流式叶轮

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种叶轮的叶片布置方法，参照图4和图8，该方法可包括步骤S1和步骤S2。其中，在步骤S1中，先确定叶轮4上所需设置的叶片数，优选地，叶轮4的叶片数不小于4个。然后继续进行步骤S2，求出各个叶片所对应的最优叶片位置角，使得叶轮4的各阶次噪音值之和最小。

对于步骤S2，参照图4和图9，进一步可包括步骤S21、步骤S22、步骤S23以及步骤S24。

在步骤S21中，分别限定各个叶片所对应的叶片位置角的取值范围，然后使各个叶片在各自所对应的取值范围内选取预设的叶片位置角。例如，多个叶片位置角依次为x(1)～x(z)，并且限定0≤x(1)＜x(2)＜x(3)＜……＜x(z)，即多个叶片沿叶轮4的周向依次间隔排布。

紧接着，在步骤S22中，可根据叶轮的叶片数z、各个叶片所对应的预设的叶片位置角x(1)～x(z)以及叶轮4的噪音值阶次数n，求出各阶次噪音值之和y。其中，可以先求出叶轮4的第i阶噪音值y(i)，此时各阶次噪音值之和y可通过对第i阶噪音值y(i)迭代计算求出。

优选地，

进一步地，

在迭代计算时，通常限定噪音值阶次数n不大于叶片数z，优选地，使得z＝n。

然后进入步骤S23，需要判断各阶次噪音值之和y是否为最小值。当各阶次噪音值之和y为最小值时，执行步骤S24，步骤S24为将预设的叶片位置角作为最优叶片位置角。若不是最小值，则返回步骤S21，并重新选取预设的各个叶片位置角，直至选取到最优叶片位置角为止。

在上述方法中，通过选取叶轮的最优叶片位置角，可以使叶轮的单频噪音声压级降低。进一步地，可对各阶次的噪音值进行附加约束，确保选取的最优叶片位置角不会带来过大的其他阶次噪音。

因此，在步骤S21中，可限定第i阶噪音值y(i)的取值范围。优选地，第i阶噪音值y(i)不大于4。对于第1阶噪音值y(1)，优先满足：y(1)≤0.1。

以下将求取设有7个叶片的叶轮的最优叶片位置角以作为对本发明的方法的示例性说明。在求取最优叶片位置角之前，先对设有等角度均匀布置的7个叶片的叶轮的噪音产生机理进行解释说明。

如图1、图2和图5所示，叶轮4设有等角度均匀布置的第一叶片至第七叶片，依次对应图示中的41a至47a。当叶轮4高速旋转并处于稳定的相同环境下时，第一叶片41a至第七叶片47a受力相同，假设每个叶片受力时所能够产生的最大声压为1，则可以用下式表示第一叶片41a的声压：

y1＝1*cos(i*(2*π*f*t+x(1)))；

此时，x(1)为第一叶片41a的初始的叶片位置角，f为第一叶片的转速频率，t为叶轮4的旋转时长，i为第一叶片41a所产生的声压的第i阶次。

类似地，第二叶片42a的声压为：

y2＝1*cos(i*(2*π*f*t+x(2)))。

如此类推，可以得到7个叶片所产生的第i阶噪音值y(i)：

y(i)＝y1+y2+……+y7。

紧接着，7个叶片均匀布置时，将x＝[0，51.43°，102.86°，154.29°，205.72°，257.15°，308.58°]代入上式，并分别计算y(1)～y(7)的值，从而得到7个叶片在前7阶的各阶次噪音值之和y：

y＝[0，0，0，0，0，0，7]。

由此可见，叶轮4高速旋转时所产生的声压集中在第7阶，即单频噪音。为改善该单频噪音，以下将说明如何利用本发明的方法优化叶轮4的叶片位置角。

由上述可知，叶轮4的各阶次噪音值之和y为：

此时，限定0≤x(1)＜x(2)＜x(3)＜……＜x(z)，并将x＝[x(1)，x(2)，x(3)，x(4)，x(5)，x(6)，x(7)]代入上式，求取各阶次噪音值之和y的最小值。同时，可对所关心的阶次噪音值作附加约束。在本实施例中，分别约束第1阶噪音值y(1)以及第7阶噪音值y(7)，使得y(1)≤0.1且y(7)≤3.5。

当各阶次噪音值之和y取得最小值且第1阶噪音值y(1)和第7阶噪音值y(7)满足上述约束条件时，叶轮4的7个叶片所分别对应的叶片位置角x为：

x＝[0，41.4°，112.8°，164.3°，215.7°，247.1°，318.6°]。

对应的前7阶的各阶次噪音值之和y为：

y＝[0.05，1.02，1.35，1.33，1.80，0.83，3.05]，此时各阶次噪音值之和y取得最小值。

对于上述计算结果，可参照图11。图11为叶轮的7个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图。其中，叶片位置角调整前的第一叶片至第七叶片对应图中的41a至47a(虚线部分)，叶片位置角调整后的第一叶片至第七叶片对应图中的41b至47b(实线部分)。

可见，通过本发明的方法，能够将叶轮4的叶片由均匀布置调整为非均匀布置，能够获得使各阶次噪音值之和y最小的各叶片位置角，并以该叶片位置角作为叶轮4的最优叶片位置角，实现噪音的降低，同时能够附加约束所关心的阶次噪音值，提升电机性能。

在另一种实施方式中，当叶轮4的叶片数为5个时，同样可以利用本发明的方法调整各叶片位置角，当各阶次噪音值之和y取得最小值时，可得到最优叶片位置角x，且x为：

x＝[0，57.0°，129.0°，201.0°，273.0°]。

对于上述计算结果，可参照图10。图10为叶轮的5个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图。其中，叶片位置角调整前的第一叶片至第五叶片对应图中的41a至45a(虚线部分)，叶片位置角调整后的第一叶片至第五叶片对应图中的41b至45b(实线部分)。

在另一种实施方式中，当叶轮4的叶片数为9个且各阶次噪音值之和y取得最小值时，可得到最优叶片位置角x，且x为：

x＝[0.0，50.0°，82.8°，110.0°，170.0°，210.0°，250.0°，270.0°，330.0°]。

对于上述计算结果，可参照图12。图12为叶轮的9个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图。其中，叶片位置角调整前的第一叶片至第九叶片对应图中的41a至49a(虚线部分)，叶片位置角调整后的第一叶片至第九叶片对应图中的41b至49b(实线部分)。

在另一种实施方式中，当叶轮4的叶片数为11个且各阶次噪音值之和y取得最小值时，可得到最优叶片位置角x，且x为：

x＝[0.0，47.7°，80.5°，88.0°，119.9°，152.1°，207.6°，216.7°，246.8°，303.9°，338.8°]。

对于上述计算结果，可参照图13。图13为叶轮的11个叶片位置角通过本发明的具体实施方式中的方法调整前与调整后的对比示意图。其中，叶片位置角调整前的第一叶片至第十一叶片对应图中的41a至411a(虚线部分)，叶片位置角调整后的第一叶片至第十一叶片对应图中的41b至411b(实线部分)。

此外，本发明还提供了一种叶轮4，如图3和图6所示，该叶轮4包括沿周向依次间隔排布的多个叶片，各个叶片所对应的最优叶片位置角可通过上述的叶片布置方法求取。其中，叶轮4可以是图3中的离心式叶轮(412)或者是图6中的轴流式叶轮(413)。

优选地，为方便加工以提高生产效率，可将叶轮4与多个叶片设置为一体成型结构。例如，叶轮4与多个叶片可通过一体注塑成型或通过一体铸造成型。

此外，本发明还提供了一种采用上述叶轮4的电机100，如图4和图7所示。在图4中，电机100包括定子总成1、转子总成2、塑料外壳3、叶轮4(上述的离心式叶轮(412))、端盖5以及控制板组件6。在图7中，电机100包括上述的轴流式叶轮(413)、电机轴7以及轴承组件8。

通过采用上述叶轮4，本发明的电机100工作噪音小且工作稳定，具有优良的工作性能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种叶轮的叶片布置方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：确定所述叶轮(4)上所需设置的叶片数；

步骤S2：求出各个叶片所对应的最优叶片位置角，使得所述叶轮(4)的各阶次噪音值之和最小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S21：分别限定各个所述叶片所对应的叶片位置角的取值范围，并在所述取值范围内选取预设的所述叶片位置角；

步骤S22：根据所述叶片数、各个所述叶片所对应的所述叶片位置角以及所述叶轮(4)的噪音值阶次数，求出所述各阶次噪音值之和；

步骤S23：判断所述各阶次噪音值之和是否为最小值，其中，当所述各阶次噪音值之和为最小值时，执行步骤S24，否则返回所述步骤S21，并重新选取所述叶片位置角；

步骤S24：将预设的所述叶片位置角作为所述最优叶片位置角。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S21中，多个所述叶片位置角依次选取为x(1)～x(z)，在所述步骤S22中，所述叶轮(4)的第i阶噪音值为y(i)并满足：

其中，z为所述叶片数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S22中，所述噪音值阶次数为n，所述各阶次噪音值之和为y，满足：

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S21中，多个所述叶片沿所述叶轮(4)的周向依次排布，且满足：x(1)＜x(2)＜x(3)＜……＜x(z)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，x(1)≥0。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S21还包括：限定所述第i阶噪音值y(i)的取值范围。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第i阶噪音值y(i)不大于4。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述叶轮(4)的第1阶噪音值为y(1)并满足：y(1)≤0.1。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮(4)的所述叶片数不小于4个。

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