CN1252390C

CN1252390C - 送风叶片及旋转电机

Info

Publication number: CN1252390C
Application number: CNB991119363A
Authority: CN
Inventors: 野田伸一; 相仓伸建; 林卓郎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: US6139275A; CN1243203A; JP3567086B2; JP2000045992A

Abstract

一种送风叶片及旋转电机，能避免冷却性能的下降、降低周期性噪音，并能同时降低振动及紊流噪音。送风叶片21相对叶轮23沿叶轮的外周配置5片叶片。此时，各叶片的位置角度θn满足下式：θn＝θn0+θmax×sin{2π×m×(n-1)/5}，同时，设定为-0.02≤RB≤0.02，且θmax为10度以下。

Description

送风叶片及旋转电机

技术领域

本发明涉及能降低噪音的送风叶片及旋转电机。

背景技术

近几年来，人们对环境噪音的关心在提高，对电动机及发电机等的旋转电机也在进行降低噪音的尝试。尤其是具有冷却用风扇的旋转电机，因为所述风扇的送风叶片产生的噪音占据了旋转电机发生噪音原因的大部分，所以进行了各种各样降低所述送风叶片产生的噪音的尝试。

一般情况下，随着送风叶片的旋转产生的噪音频率分布范围较广，但在送风叶片的多片叶片相对叶轮以均等间隔配置的情况下，就出现声级突出的规定频率的噪音。这样的噪音是将叶片数×旋转频率(Hz)作为基本频率f(Hz)的周期性噪音(即，将1×f、2×f、3×f……作为频率的噪音)，表现为纯音(即只有一种振动频率的声音，也就是正弦波)。具有纯音成分的噪音一般来说听来刺耳，或使人感到嘈杂。

对此已提出的解决方案，例如有日本发明专利公开1980年第25555号公报所示的送风叶片那样，通过将多片叶片配置成各叶片的间隔不均等，来降低周期性噪音。

然而，上述公报记载的送风叶片，并未很好考虑机械性平衡。具体以图15所示的螺旋桨型轴流式风扇的送风叶片1为例进行说明。该送风叶片1是上述公报记载的送风叶片，通过在叶轮2的外周沿叶轮外周配置5片叶片3而构成。图15中，L1至L5分别表示通过送风叶片1的旋转中心以及各叶片3的重心的5根轴，从图15中可以看出，送风叶片1分别相对于轴L1和L2左右对称，而相对于轴L3、L4和L5来说不对称。而且，各叶片3之间的角度差异很大，最大的角度差有66.9度。

一旦送风叶片1的对称性严重破坏，旋转时施加于各叶片3的离心力就不平衡，故有可能发生振动。此外，若各叶片3间的角度差异大，因为送风空气的流动紊乱，所以有可能紊流噪音增大，或送风量减少、冷却性能下降。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于，提供一种不致引起冷却性能下降、能降低周期性噪音、并能降低振动及紊流噪音的送风叶片及旋转电机。

例如已知风扇及鼓风机等的送风机，随着送风叶片的旋转会产生被称为叶片间距音的周期性噪音。以图13所示的径流式风扇时为例，对该叶片间距音的发生机理进行说明。

上述径流式风扇在风扇壳体4的内部设置具有5片叶片5的送风叶片6而构成。上述送风叶片6一旋转，随着各叶片5的通过，外部空气通过入口7流入风扇壳体4内。此时，空气在进入入口7时被压缩，在通过入口7后流入风扇壳体4内时膨胀。

这样的压缩、膨胀反复进行，仅随叶片5通过的时间差有偏移。可以认为，由于这样的压缩和膨胀的反复进行而发生叶片间距音。另外，风扇壳体4内的空气通过出口8排出到外部时，也同样发生压缩和膨胀的反复进行。

现在若仅考虑压缩侧空气的压力变动，则在5片叶片5等间隔配置的情况下，在任意的观测点观测到的声压P(t)为如图14(a)所示的正弦波。

设叶片通过任意的观测点时的空气压力即声压为最大，则声压P(t)用下式(1)表示。

P(t)＝sin(ω_z·t)……(1)

在此，ω_z＝2π×f×z(f为送风叶片的旋转频率(Hz)，z为叶片数)，为了简便，设振幅为1。

与此相对照，叶片5在各叶片5的间隔配置成不均等的情况下，在任意的观测点观测到的声压P(t)如图14(b)所示。即，随着叶片5间隔的不同，声压P(t)的最大值位置发生变动。因此，原来的叶片间距音的频谱扩散成各种各样的频率，峰值量降低。因此，本发明的发明人采用了如下方法：对叶片间距音的正弦波进行周期性频率调制，具体是用正弦波进行频率调制，将叶片间距音的频谱扩散成各种各样的频率。

在此，若设调制的角频率为ω_m，则调制后的声压P(t)可用下式近似表示。

P(t)＝sin{ω_z×t+β×sin(ω_m×t)}……(2)

其中，β表示表示调制大小的振幅。并有ω_m＝m×2π×f(m为整数)的关系。

根据上述关系式(2)，进行各叶片的位置角度的设定，使叶片位于P(t)的最大值即可。严密的做法是根据式(2)，求出各叶片的位置角度，近似地可按如下所述求出。即，多片叶片沿叶轮外周排列在叶轮上的送风叶片，设叶片数为Z，并设Z片叶片均等排列在叶轮外周上时的第n片叶片的定位位置角度为θn0(其中1≤n≤Z)，设允许最大偏移角度为θmax，此时第n片叶片的位置角度θn可由下式求出。

θn＝θn0+θmax×sin{2π×m×(n-1)/Z}

(其中，m表示旋转频率的次数，是从1至Z-1的任意整数)

本发明的权利要求1的送风叶片取由上式求出的位置角度，将多片叶片不均等地配置在所述叶轮上。

根据上述构成，因为多片叶片配置成各叶片的间隔不均等，故能降低叶片间距音。此外，根据上述构成，相对均等配置时的叶片位置，当某一叶片向一方向偏移规定角度时，将另一叶片设定为向另一方向偏移规定角度。即，将各叶片相互互补地偏移配置，所以送风叶片的整体平衡不会受到大的影响。

然而，因旋转而施加于各片叶片上的离心力如果整体不平衡，就会发生大的振动。这样的振动是产生随着送风叶片的旋转而发生的噪音原因之一。在此，作为表示离心力平衡的指标，定义为如下，即，

RB = Σ_{n = 1}^{z} \cos θ \cdot n

时

以满足-0.1≤RB≤0.1为宜(权利要求2)。在此表示，RB的值越接近“0”，离心力越平衡，但在实际中，只要RB满足上述范围就能被允许。另外，RB的值因送风叶片的安装环境而异，例如作为旋转电机的冷却风扇使用的送风叶片，以满足-0.02≤RB≤0.02为宜。

此外，若允许最大偏移角度θmax增大，各叶片间的角度差异也增大，故送风空气的流动发生紊乱，紊流噪音增大，同时风扇效率下降。因此，允许最大偏移角度θmax最好在10度以内(权利要求3的发明)。

此时，叶片数最好在5片以上18片以下(权利要求4的发明)。

此外，本发明权利要求5的旋转电机特征在于，具有权利要求1至权利要求4中的任一项记载的送风叶片作为冷却用风扇。

附图说明

图1为示出本发明一实施例的送风叶片的主视图。

图2为上半部分剖切后示出的全封闭外风扇型感应电动机的侧视图。

图3为示出m的值与RB的值之关系的图。

图4为示出允许最大偏移角度与风扇效率之关系的图。

图5为示出允许最大偏移角度与噪音之关系的图。

图6为示出噪音强度的曲线图。

图7为放大示出图6所示噪音之中频率在0-500Hz的噪音的图。

图8为示出将叶片等间隔配置时的噪音强度的曲线图。

图9为放大示出图8所示噪音之中频率在0-500Hz的噪音的图。

图10示出了本发明其它的实施例，是示出在轴流式风扇中将叶片不均等配置时的噪音强度的曲线图(其1)。

图11是示出在轴流式风扇中将叶片不均等配置时的噪音强度的曲线图(其2)。

图12为示出叶片等间隔配置时的噪音强度的曲线图。

图13为说明叶片间距音发生机理用的图，其中(a)为径流式风扇的侧视图，(b)为其主视图。

图14(a)为示出叶片以等间隔配置的径流式风扇的叶片间距音声压的曲线图，图14(b)为示出叶片以不均等间隔配置的径流式风扇的叶片间距音声压的曲线图。

图15为说明传统技术用的图，为轴流式风扇的主视图。

具体实施方式

以下参照图1至图9，对将本发明应用于旋转电机即全封闭外风扇型感应电动机的一实施例进行说明。首先，图2示出了本实施例中的感应电动机的整体构成。在该图2中，电动机本体11具有定子框12及轴承架13。在定子框12的内周面上固定着定子铁心14，在该定子铁心14上卷绕着定子绕组15。

在上述定子铁心14内部，留有规定间隙地配置有转子16。该转子16的转轴17通过轴承18由上述轴承架13支承。此时，上述转轴17的两端部伸出到电动机本体11的外侧。此外，在上述定子框12的外周面上，在沿着上述转轴17的方向，形成有冷却风扇19，在这些冷却风扇19之间，形成有通风道20。

在上述转轴17的两端部之中的反负载侧端部即图中的左端部，固定有冷却风扇即径流式风扇的送风叶片21，以此与转轴17成一体地旋转。并在左侧的轴承架13上，例如用螺栓固定安装着风扇罩22，来覆盖上述送风叶片21。

上述送风叶片21例如是聚酰胺制成的，如图1及图2所示，5片叶片24呈沿叶轮外周排列，具体是呈放射状排列在叶轮23上。此时，上述叶片24配置成各叶片24间的间隔不均等。对上述叶片24的配置后面将作叙述。此外，上述叶轮23呈从中央部向周边部，即，在图1中向里侧(在图2中向右侧)倾斜的漏斗状，在上述中央部，与嵌合在上述转轴17的左端部处的轮毂部25形成为一体。

还有，在风扇罩22的与所述送风叶片21相对的左端面上，形成有多个通孔26a构成的吸气口26。在上述构成中，一旦转子16被驱动、送风叶片21作旋转，由于其送风作用，空气即如箭头A所示，从所述吸气口26被吸引。被吸引的空气通过叶片24从出口27被送入通风道20内，于是电动机本体11被冷却。

上述送风叶片21的5片叶片24的定位位置角度如下设定。在此设5片叶片24之中，图1中位于最上位置的叶片24为第1片叶片，按顺时针次序，依次设为第2片叶片、第3片叶片……。所谓第n片叶片的位置角度θn，是指连接第1片叶片的重心与旋转中心的直线与连接第n片叶片的重心与旋转中心的直线之间的角度(其中n为1-5的整数)。

首先，将第n片叶片的位置角度θn设定为满足下式(3)。

θn＝θn0+θmax×sin{2π×m×(n-1)/5}……(3)

(其中，m表示旋转频率的次数，是从1至4的任意整数)

此外，当施加于各叶片的离心力不平衡时，会产生机械性不平衡，发生振动。这样的振动的发生是噪音原因之一。在此，当作为表示施加于各叶片24的离心力平衡的指标定义为如下，即：

RB = Σ_{n = 1}^{z} \cos θ \cdot n

时

则表示RB的值越接近0，施加于各叶片的离心力就越平衡，在本实施例中，以满足下式(4)，即满足

-0.02≤RB≤0.02……(4)

的要求，来设定各叶片24的位置角度θn。

图3示出了m的值与RB的值的关系。该图3是以θmax设定为10度时的m的值与RB的值的关系为代表示出的，如该图所示，与m为1或4时相比，m为2或3时，RB更接近0。具体是，m＝2时，RB＝0.018，m＝3时，RB＝0.02。另外，将θmax设定为非10度的值时也表示出相同的倾向，但这在图中未示出。因此在本实施例中，采用m＝2或m＝3。

另一方面，为了冷却电动机，希望送风叶片21的风量要大。在一般情况下，叶片不均等配置在叶轮上时，比叶片均等配置时的送风空气的流动要紊乱，风量下降。而送风空气的流动若发生紊乱，则会产生流体的涡流，随之产生的噪音增大。因此，在本实施例中，为了尽量抑制送风量的下降，将允许最大偏移角度θmax设定在10度以内。

将允许最大偏移角度θmax设定在10度以内，其根据是图4所示的θmax与送风叶片的风扇效率的关系及图5所示的θmax与噪音强度的关系。即，图4和图5示出了对送风叶片的送风量及噪音强度的测定结果，该送风叶片是设定m＝3，并将允许最大偏移角度θmax设定为各种值来求出各叶片的位置角度θn，根据该位置角度θn制成的。另外，在图4中，作为风扇效率，示出了相对于叶片等间隔配置的送风叶片的送风量的比例(％)。

从图4可知，当允许最大偏移角度θmax在10度以下时，风扇效率保持在98％以上，但一旦超过10度，风扇效率即急剧下降。另一方面，如图5所示，相对于将叶片等间隔配置时的噪音强度(68分贝(A))，将叶片24不均等间隔配置时的噪音强度全部下降，尤其是当允许最大偏移角度θmax为10度时，噪音强度为最小。

在本实施例中，根据以上的关系式(3)及关系式(4)，设定θmax＝10，m＝3，算出各叶片24的位置角度θn，制成送风叶片21。再将该送风叶片21动作时(旋转频率30Hz)的噪音强度(dB(A))具体是用噪音计获得的声音的波形用FET进行频率分析，其结果在图6和图7示出。另外，本实施例的送风叶片21的各叶片24的位置角度θn具体如表1所示，此时RB的值为0.02。

表1

n	θmax＝10m＝3时的θn(度)	θmax＝10m＝2时的θn(度)	叶片均等配置时的θn(度)
n	θmax＝10m＝3时的θn(度)	θmax＝10m＝2时的θn(度)	叶片均等配置时的θn(度)	1	0	0	0
2	66	78	72	1	0	0	0
2	66	78	72	3	153.5	134.5	144
4	206.5	225.5	216	3	153.5	134.5	144
4	206.5	225.5	216	5	294	282	288

此外，图8和图9示出了将叶片均等配置时的送风叶片动作时的噪音强度(dB(A))，表1示出各叶片的位置角度。在此，图7为将图6之中的0-500Hz的部分放大示出的图，图9是将图8中的0-500Hz的部分放大示出的图。

如图9所示，在叶片均等配置的送风叶片中，因为出现频率为150Hz、300Hz、450Hz的纯音成分(图9中用150、300、450表示)、即所谓的叶片间距音，所以听上去感到刺耳和嘈杂。与此相对照，如图7所示，在本实施例的送风叶片21中，无明显的纯音，听感上获得改善，变成较能接受的声音。

又如上所述，本实施例的送风叶片21因为紊流噪音也降低了，所以整体噪音级为64dB(A)。与此相对照，叶片均等配置时的送风叶片的噪音级为68dB(A)，所以，用本实施例的送风叶片21，噪音的能量被抑制在1/3以下，

如上所述若采用本实施例，通过将叶片24不均等配置，能降低随着送风叶片21的旋转产生的噪音(叶片间距音)。此外，虽然叶片24不均等配置，施加于各叶片24的离心力也大致平衡，所以，能大力防止送风叶片21旋转时产生振动，其结果是，能降低噪音。

在本实施例中，各叶片24间的角度差最大为34.5度，与传统的送风叶片1的角度差最大为66.9度相比小得多。因此，能大力防止紊流噪音的发生，所以能降低送风叶片21整体产生的噪音，而且能大力抑制送风量的下降，故能大力防止冷却性能的下降。

另外在上述实施例中，设定为θmax＝10，m＝3，但也可以是θmax＝10，m＝2。即，具体虽然未图示，但根据本发明的发明人的实验，设定θmax＝10、m＝2，制成送风叶片21时，也能获得与上述实施例相同的效果。此时各叶片24的位置角度θn如表1所示，RB为0.02。

在上述实施例中，以径流式风扇的送风叶片21为例进行了说明，但是，也可以应用于例如在传统技术的说明中所示的轴流式风扇(参照图15)的送风叶片。具体是，在叶片数Z＝5的轴流式风扇中，设定θmax＝10、m＝2，算出各叶片的位置角度θn，制成的轴流式风扇动作时的噪音级(dB(A))在图10中示出。此时各叶片的位置角度θn在表1中示出。另外，设定θmax＝10，m＝3，算出各叶片的位置角度θn，制成的轴流式风扇的噪音级在图1中示出。还有，将叶片均等配置时的轴流式风扇动作时的噪音级(dB(A))在图12中示出，而各叶片的位置角度θn与表1示出的径流式风扇时的相同。

从上述图10-图12可知，在轴流式风扇中，通过将各叶片不均等配置来满足上述关系式，明显的纯音(叶片间距音)也会消失，并能降低整体的噪音强度。

还有，本发明并不受上述实施例所限，例如可以有如下的变形。

除了可以应用于电动机之外，也可以应用于发电机冷却风扇的送风叶片。此外，并不限于径流式风扇和轴流式风扇，也可应用于斜流式风扇及横流式风扇等的所有送风机的送风叶片。

RB的值满足-0.1≤RB≤0.1即可。即，电动机之类的旋转电机，因为振动的发生会引起噪音的增大和影响机械性能，故RB值最好尽可能接近“0”，因此，在上述各实施例中，以满足-0.02≤RB≤0.02为条件。而在换气扇及电风扇等中，在-0.1≤RB≤0.1的范围内即可。

送风叶片除了聚酰胺之外，也可以由塑料、铝合金的铸件构成，或通过焊接板金而构成。

求叶片的位置角度θn的式子也可表示如下。

θn＝θn0+θmax×cos{2π×m×(n-1)/Z}

叶片的片数可以是3片或4片，也可以是5片以上。顺便提一下，叶片数为6片的送风叶片，最好如下所示设定各叶片的位置角度θn。

θ1＝0，θ2＝68.5，θ3＝111.5，θ4＝180，θ5＝248.5，θ6＝291，

在叶片数为7片的送风叶片中，最好如下所示设定各叶片的位置角度θn。

θ1＝0，θ2＝60，θ3＝99，θ4＝147，θ5＝213，θ6＝261.5

θ7＝299

另外，在叶片数为7片的送风叶片中，如下所示设定各叶片的位置角度θn也是良好的构成。

θ1＝0，θ2＝48，θ3＝109，θ4＝146，θ5＝213.5，θ6＝261.5

θ7＝299

此外，在叶片数为8片的送风叶片中，最好如下所示设定各叶片的位置角度θn。

θ1＝0，θ2＝55，θ3＝90，θ4＝125，θ5＝180，θ6＝235

θ7＝270，θ8＝305

在叶片数为9片的送风叶片中，可以如下所示设定各叶片的位置角度θn。

θ1＝0，θ2＝50，θ3＝83.5，θ4＝111.5，θ5＝153.5，θ6＝206.5

θ7＝248.5，θ8＝276，θ9＝310

此外，在叶片数为9片的送风叶片中，如下所示设定各叶片的位置角度θn也是良好的构成。

θ1＝0，θ2＝43，θ3＝73.5，θ4＝128.5，θ5＝150，θ6＝206.5

θ7＝248，θ8＝276.5，θ9＝310

此外，在叶片数为9片的送风叶片中，以如下所示设定各叶片的位置角度θn为宜。

θ1＝0，θ2＝31，θ3＝88.5，θ4＝120，θ5＝151，θ6＝206.5

θ7＝248，θ8＝276.5，θ9＝310

如上所述可知，若采用本发明的送风叶片，将多片叶片配置成各叶片的间隔不均等，且能尽量抑制机构平衡变差，所以，能避免冷却性能的下降，并能降低噪音及振动。

Claims

1.一种多片叶片沿叶轮外周排列的送风叶片，其特征在于，

当设叶片数为Z，

并设Z片叶片均等配置在所述叶轮上时、第n片叶片的定位位置角度为θn0，其中1≤n≤Z，

设允许最大偏移角度为θmax时，

将所述叶片不均等配置在所述叶轮上，并使第n片叶片的位置角度θn满足下式：

θn＝θn0+θmax×sin{2π×m×(n-1)/Z}，

其中，m表示旋转频率的次数，是从1至Z-1的任意整数。

2.根据权利要求1所述的送风叶片，其特征在于，当将表示施加于各叶片的离心力平衡的指标定义为

RB = Σ_{n = 1}^{z} \cos θ \cdot n

时

满足式子-0.1≤RB≤0.1

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的送风叶片，其特征在于，允许最大偏移角度θmax为10度以内。

4.根据权利要求3所述的送风叶片，其特征在于，叶片数为5片以上8片以下。

5.根据权利要求1或2中的任一项所述的送风叶片，其特征在于，叶片数为5片以上8片以下。

6.一种旋转电机，其特征在于，作为冷却用风扇，具有根据权利要求5所述的送风叶片。

7.一种旋转电机，其特征在于，作为冷却用风扇，具有根据权利要求1或2中的任一项所述的送风叶片。