CN117028312A - 叶轮结构及风机 - Google Patents

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CN117028312A CN202311031120.3A CN202311031120A CN117028312A CN 117028312 A CN117028312 A CN 117028312A CN 202311031120 A CN202311031120 A CN 202311031120A CN 117028312 A CN117028312 A CN 117028312A
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熊庆
刘永博
韩剑
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李囤
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Abstract

本发明涉及一种叶轮结构及风机，所述叶轮结构包括环形外框、轮毂及多个扇叶，轮毂设置在环形外框所圈围的圆形空间，多个扇叶圆形阵列均布在环形外框与轮毂之间，扇叶的根部向后偏转角度α后连接在轮毂的外周面上，扇叶的端部向后偏转角度β后连接在环形外框的内周面上，所述α为30°‑40°，所述β为15°‑25°，扇叶的后边缘为若干凸齿连续排列形成的锯齿状结构，凸齿的背面具有突起；所述风机包括电机及所述叶轮结构，电机具有电机主体及通过缓冲弹簧连接于电机主体外侧的控制盒。本发明对扇叶根部和端部偏转角度的设定能增大叶轮输送的风量，锯齿结构的凸齿的背面突起能避免凸齿断裂，缓冲弹簧的设置能减少控制盒的振动。

Description

叶轮结构及风机
技术领域
本申请涉及风机设备技术领域，特别是涉及一种叶轮结构及具有该叶轮结构的风机。
背景技术
散热风机主要由叶轮和电机组成，叶轮常采用气流沿着轴线方向排出的轴流叶轮，传统轴流叶轮增大风量的方式主要是提高转速，这将导致能耗增加，且对所配置电机的功率要求较高，不利于低成本化，因此需要从改善叶轮的结构出发，使叶轮在原来的运行转速下能输送更大的风量。
叶轮的平衡容易遭到破坏而使风机振动，一方面叶轮扇叶后边缘通常设置锯齿结构来减小涡流噪音，锯齿的齿尖容易受振动而断裂，另一方面电机刚性连接叶轮，电机上的控制器容易受振动而损坏。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种叶轮结构及具有该叶轮结构的风机。
一方面，本发明提供一种叶轮结构，包括：环形外框；设置在所述环形外框所圈围的圆形空间的中部的轮毂，所述轮毂与所述环形外框同轴心；及以所述轮毂为中心圆形阵列均布在所述环形外框与所述轮毂之间的多个扇叶，所述扇叶的根部向后偏转角度α后连接在所述轮毂的外周面上，所述扇叶的端部向后偏转角度β后连接在所述环形外框的内周面上，所述α为30°-40°，所述β为15°-25°，所述扇叶的后边缘为若干凸齿连续排列形成的锯齿状结构，所述凸齿的背面突起而使所述凸齿的厚度大于所述扇叶的厚度。
作为本发明叶轮结构进一步的方案，所述α＝34.9°，所述β＝16.2°。
作为本发明叶轮结构进一步的方案，所述轮毂外周面与所述环形外框内周面的直径比r＝0.5。
作为本发明叶轮结构进一步的方案，所述轮毂、所述环形外框及所述扇叶一体成型。
作为本发明叶轮结构进一步的方案，在所述轮毂的内周面上位于所述扇叶根部的两端分别设有加强柱，在所述轮毂前端面的背部设有呈辐射状分布的多个第一加强筋和呈同心间隔分布的多个第二加强筋。
作为本发明叶轮结构进一步的方案，在所述轮毂前端面上镶嵌有金属花键，所述金属花键与所述轮毂同轴心。
作为本发明叶轮结构进一步的方案，所述扇叶的数量为奇数。
另一方面，本发明提供一种风机，包括电机及如上任一项所述的叶轮结构，所述电机设置在所述轮毂内并用于驱动所述轮毂旋转，所述电机包括电机主体及设置在所述电机主体外侧的控制盒，所述控制盒与所述电机主体之间设置有缓冲弹簧。
作为本发明风机进一步的方案，所述电机主体内具有十二槽定子，所述十二槽定子包括定子铁芯、上绝缘套及三相线圈，所述定子铁芯内侧绕圆周均匀间隔设置有十二个绕线齿，所述上绝缘套设置在所述定子铁芯上部且具有十二个U型槽，十二个U型槽一一对应套设在十二个绕线齿上，在所述上绝缘套上插设有三个接线端子，在所述接线端子上设置有挂线槽，所述三相线圈在所述十二个绕线齿上绕线，所述三相线圈的三个电源端一一对应地设置在所述三个接线端子的挂线槽内且电源端焊接于接线端子，所述三个接线端子电连接所述控制盒。
作为本发明风机进一步的方案，所述三相线圈分别定义为U相线圈、V相线圈及W相线圈，所述十二个绕线齿以顺时针方向依序定义为第一绕线齿、第二绕线齿、第三绕线齿……第十一绕线齿、第十二绕线齿，所述U相线圈依序在所述第一绕线齿、所述第四绕线齿、所述第七绕线齿及所述第十绕线齿上设置绕组，所述V相线圈依序在所述第十一绕线齿、所述第八绕线齿、所述第五绕线齿及所述第二绕线齿上设置绕组，所述W相线圈依序在所述第九绕线齿、所述第六绕线齿、所述第三绕线齿及所述第十二绕线齿上设置绕组。
本发明叶轮结构的技术方案，为常规轴流叶轮的改进实施例，扇叶整体相对轮毂前后端面偏转，其中扇叶根部的偏转角度α为30°-40°，扇叶端部的偏转角度β为15°-25°，在同样的运行情况下，本发明叶轮结构比常规轴流叶轮输送的风量大，在配置低功率电机的情况下，输送风量的上限增大。
本发明叶轮结构的技术方案，扇叶后缘为锯齿状结构，能够有效减少涡流噪音，凸齿的背面突起而使凸齿的厚度大于扇叶的厚度，加强了凸齿的结构强度，能够避免凸齿因振动而断裂。
本发明风机的技术方案，在具备前述叶轮结构带来的效果外，还通过将控制盒用缓冲弹簧连接在电机主体的外侧来减小控制盒的振动，使控制器不易损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明叶轮结构的立体示意图；
图2为本发明叶轮结构的正视图；
图3为图2中A-A处的剖面示意图；
图4为本发明叶轮结构中轮毂的后视图；
图5为本发明叶轮结构中扇叶的截面示意图；
图6为本发明风机中电机外部的结构示意图；
图7为本发明风机中电机的十二槽定子的结构示意图(无三相线圈)；
图8为本发明风机中电机的三相线圈的一种绕线方式；
图9中(a)为仿真测试下本发明叶轮结构的扭矩及风量的数据图表，(b)为仿真测试下传统叶轮结构的扭矩及风量的数据图表；
图10中(a)为仿真测试下本发明叶轮结构的噪音数值图表，(b)为仿真测试下传统叶轮结构的噪音数值图表。
附图标记说明：
10、轮毂；11、加强柱；12、第一加强筋；13、第二加强筋；14、通孔；20、环形外框；30、扇叶；31、凸齿；311、凸齿的背面突起；40、金属花键；51、电机主体；511、定子铁芯；512、上绝缘套；513、接线端子；5131、挂线槽；52、控制盒；53、缓冲弹簧。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参考图1至图5，本发明提供的一种叶轮结构，包括轮毂10、环形外框20和以圆周阵列均布的多个扇叶30，所述轮毂10设置在所述环形外框20所圈围的圆形空间的中部，且所述轮毂10与所述环形外框20同轴心，所述扇叶30设置在所述轮毂10和所述环形外框20之间，所述扇叶30具有根部和与所述根部相对的端部，所述扇叶30根部连接所述轮毂10的外周面，所述扇叶30端部连接所述环形外框20的内周面，所述扇叶30整体相对所述轮毂10的前后端面偏转，其中，所述扇叶30根部偏转角度α为30°-40°，所述扇叶30端部偏转角度β为15°-25°；所述扇叶30的后边缘为若干凸齿31连续排列形成的锯齿状结构，所述凸齿的背面突起311而使所述凸齿31的厚度大于所述扇叶30的厚度。
本发明叶轮结构的技术方案，为常规轴流叶轮的改进实施例，在同样的运行情况下，本发明叶轮结构比常规轴流叶轮输送的风量大，在配置低功率电机的情况下，输送风量的上限增大。本发明叶轮结构的扇叶30后缘为锯齿状结构，能够有效减少涡流噪音，凸齿的背面突起311而使凸齿31的厚度大于扇叶30的厚度，加强了凸齿31的结构强度，能够降低叶轮工作时凸齿31的振动，并减少齿尖涡流。
参考图5，所述扇叶30的厚度基本一致，所述凸齿31的齿尖朝向垂直于扇叶30的厚度方向，所述凸齿的背面突起311由齿根平滑延伸到齿尖；参考图2，所述扇叶30的前缘和后缘的走向均为弧线，所述扇叶30的后缘基本上整个边缘都为锯齿状结构，每个凸齿31为上边长度大于下边长度的锐角形状，上边长度与下边长度的比例接近2；参考图3，从所述扇叶30的根部到端部，扇叶30截面的宽度缓慢减小，所述扇叶30的根部的两端之间的垂直距离L1大于端部的两端之间的垂直距离L2，优选L1＝2L2。
优选的，所述α＝34.9°，所述β＝16.2°。
优选的，所述轮毂10外周面与所述环形外框20内周面的直径比r＝0.5。
优选的，所述扇叶30的数量为奇数，根据所需而定，例如7个、9个、11个、13个等等；扇叶设置奇数个使得叶轮工作时内力较小，能减小拉扯。
优选的，所述轮毂10、所述环形外框20及所述扇叶30一体成型，尤其是一体的塑料注塑件或金属件，如此使得叶轮强度好，生产效率更高，成本更低，还能提高外观整体性。
为了进一步加强叶轮的强度以减少变形的发生，参考图4，可在所述轮毂10的内周面上位于所述扇叶30根部的两端分别设置加强柱11，附加地还可在所述轮毂10前端面的背部设置以轮毂10轴心为中心的呈辐射状分布的多个第一加强筋12和以轮毂10轴心为圆心的多个呈同心间隔分布的第二加强筋13，所述第一加强筋12较好地是能连接到加强柱11上。
另外可选地，在所述轮毂10前端面上镶嵌有金属花键40，所述金属花键40与所述轮毂10同轴心。金属花键40方便与电机轴连接，尤其当所述轮毂10、所述环形外框20及所述扇叶30为一体成型的塑料注塑件时能提高连接强度。
另外可选地，在所述轮毂10前端面上开设有若干通孔14用以漏机油。
下面基于SolidWorks Flow simulation仿真技术进行叶轮风场仿真来验证本发明的技术效果，通过对比本发明叶轮结构与传统叶轮结构在同工况下的风量、扭矩及噪音来体现，对比的传统叶轮结构与本发明叶轮结构的不同仅在于扇叶根部、端部的偏转角度，以及传统叶轮的扇叶后缘不设有锯齿状结构。传统叶轮结构中扇叶根部、端部的偏转角度相同且为25.5°，本发明叶轮结构中扇叶根部的偏转角度为34.9°，端部的偏转角度为16.2°。
在Flow simulation中建立仿真的过程如下：
S1、在三维模型中设置边界条件及计算域；
S2、建立旋转区域，旋转区域完全包裹叶轮；
S3、使进风端与出风端的压力均为101325pa；
S4、设定求解目标，设定需求的值，需求出风端的体积流量、叶轮的扭矩；
S5、进行网格划分，全局网络在Y向网格数量为32，X、Z向为5，最大通道细化级别为2，细小固体特征细化级别为3，划定局部网络，选取旋转区域单独设定局部网络，细化网络级别为3，细小固体特征细化级别为4；
S6、设定计算机控制项目，设定结束条件为迭代次数，迭代次数为800，然后运行；
S7、计算在不同压差条件下风扇的风量、扭矩，需要进行假设分析，对静压进行变量控制，监控在不同风压条件下的风量及扭矩表现，得到本发明叶轮的数据图表9(a)和传统叶轮的数据图表图9(b)；
S8、在粒子流动轨迹里面观察气流方向是否异常，在表面参数里面查看此扇叶的最大噪音，得到的本发明噪音数据图表10(a)和传统叶轮的噪音数据图表10(b)。
根据数据图表，表明本发明叶轮结构相比传统叶轮结构在同条件驱动下风量有所增大，噪音值大大降低。
本申请还提供一种风机，参考图6，包括电机及如上所述的叶轮结构，所述电机设置在所述轮毂内并用于驱动所述轮毂旋转，所述电机包括电机主体51及设置在所述电机主体51外侧的控制盒52，控制盒52通过卡扣结构连接在电机主体51上，并且在控制盒52与电机主体51之间设置有缓冲弹簧53，卡扣结构为松动连接，从而控制盒52能相对电机主体51在一定距离内靠近和远离，而在缓冲弹簧53的作用下控制盒52能保持稳定。通过设置缓冲弹簧53，减少控制盒52的振动，避免控制器损坏；而且控制盒52通过卡扣结构连接在电机主体51的外侧，也方便控制盒52损坏后进行更换。
参考图7，所述电机主体51内具有十二槽定子，所述十二槽定子包括定子铁芯511、上绝缘套512及三相线圈，所述定子铁芯511内侧绕圆周均匀间隔设置有十二个绕线齿，所述上绝缘套512设置在所述定子铁芯511上部且具有十二个U型槽，十二个U型槽一一对应套设在十二个绕线齿上，在所述上绝缘套512上插设有三个接线端子513，在所述接线端子513上设置有挂线槽5131，所述三相线圈在所述十二个绕线齿上绕线，所述三相线圈的三个电源端一一对应地设置在所述三个接线端子513的挂线槽5131内且电源端焊接于接线端子513，所述三个接线端子513电连接所述控制盒52。设置具有挂线槽5131的接线端子513，在绕线时三相线圈的三个电源端一一对应地挂接到三个接线端子513的挂线槽5131上，在绕线完成后不需人工理线，且通过焊接设备将电源端直接焊接到接线端子513上，加快生产效率。
参照图8，所述三相线圈的一种绕线方式，所述三相线圈分别定义为U相线圈、V相线圈及W相线圈，所述十二个绕线齿以顺时针方向依序定义为第一绕线齿、第二绕线齿、第三绕线齿……第十一绕线齿、第十二绕线齿(对应图8中标号1-12)，所述U相线圈依序在所述第一绕线齿、所述第四绕线齿、所述第七绕线齿及所述第十绕线齿上设置绕组，所述V相线圈依序在所述第十一绕线齿、所述第八绕线齿、所述第五绕线齿及所述第二绕线齿上设置绕组，所述W相线圈依序在所述第九绕线齿、所述第六绕线齿、所述第三绕线齿及所述第十二绕线齿上设置绕组，所述十二个绕线齿上的各绕组的绕线方向均相同。如此能快速进行绕线，尤其三相线圈采用三角形接法时，漆包线的首端挂接到一接线端子513的挂线槽5131上，然后进行U相线圈的绕线，在完成U相线圈的绕线后直接挂接在另一接线端子513的挂线槽5131上继续进行V相线圈的绕线，在完成V相线圈的绕线后直接挂接在余下的接线端子513的挂线槽5131上继续进行W相线圈的绕线，漆包线的尾端与首端挂接同一个接线端子513，之后将接线端子513上的漆包线焊接到接线端子513上。
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申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种叶轮结构，其特征在于，包括：
环形外框；
设置在所述环形外框所圈围空间中心处的轮毂，所述轮毂与所述环形外框同轴心；及
以所述轮毂为中心圆形阵列均布在所述环形外框与所述轮毂之间的多个扇叶，所述扇叶的根部向后偏转角度α后连接在所述轮毂的外周面上，所述扇叶的端部向后偏转角度β后连接在所述环形外框的内周面上，所述α为30°-40°，所述β为15°-25°，所述扇叶的后边缘为若干凸齿连续排列形成的锯齿状结构，所述凸齿的背面突起而使所述凸齿的厚度大于所述扇叶的厚度。
2.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于，所述α＝34.9°，所述β＝16.2°。
3.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于，所述轮毂外周面与所述环形外框内周面的直径比r＝0.5。
4.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于，所述轮毂、所述环形外框及所述扇叶一体成型。
5.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于，在所述轮毂的内周面上位于所述扇叶根部的两端分别设有加强柱，在所述轮毂前端面的背部设有呈辐射状分布的多个第一加强筋和呈同心间隔分布的多个第二加强筋。
6.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于，在所述轮毂前端面上镶嵌有金属花键，所述金属花键与所述轮毂同轴心。
7.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于，所述扇叶的数量为奇数。
8.一种风机，其特征在于，包括电机及如权利要求1至7任一项所述的叶轮结构，所述电机设置在所述轮毂内并用于驱动所述轮毂旋转，所述电机包括电机主体及设置在所述电机主体外侧的控制盒，所述控制盒与所述电机主体之间设置有缓冲弹簧。
9.根据权利要求8所述的风机，其特征在于，所述电机主体内具有十二槽定子，所述十二槽定子包括定子铁芯、上绝缘套及三相线圈，所述定子铁芯内侧绕圆周均匀间隔设置有十二个绕线齿，所述上绝缘套设置在所述定子铁芯上部且具有十二个U型槽，十二个U型槽一一对应套设在十二个绕线齿上，在所述上绝缘套上插设有三个接线端子，在所述接线端子上设置有挂线槽，所述三相线圈在所述十二个绕线齿上绕线，所述三相线圈的三个电源端一一对应地设置在所述三个接线端子的挂线槽内且电源端焊接于接线端子，所述三个接线端子电连接所述控制盒。
10.根据权利要求9所述的风机，其特征在于，所述三相线圈分别定义为U相线圈、V相线圈及W相线圈，所述十二个绕线齿以顺时针方向依序定义为第一绕线齿、第二绕线齿、第三绕线齿……第十一绕线齿、第十二绕线齿，所述U相线圈依序在所述第一绕线齿、所述第四绕线齿、所述第七绕线齿及所述第十绕线齿上设置绕组，所述V相线圈依序在所述第十一绕线齿、所述第八绕线齿、所述第五绕线齿及所述第二绕线齿上设置绕组，所述W相线圈依序在所述第九绕线齿、所述第六绕线齿、所述第三绕线齿及所述第十二绕线齿上设置绕组。
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