一种采用盘式电机的双级轴流风机及其设计方法

技术领域

本发明涉及双级轴流风机技术领域，尤其涉及一种采用盘式电机的双级轴流风机及其设计方法。

背景技术

传统的轴流风机是由普通电机即转子电机带动叶片转动的，该电机轴向尺寸大，因此它就决定了该系列风机具有很长的轴向尺寸，从而导致了浪费材料和空间的问题，这在尺寸受限的空调中特别明显，同时对电机的固定也带来了较大的困难：若电机结构简单则强度不够，若电机结构复杂则必然影响内机的流量、全压和效率。为了克服上述缺陷，现有的轴流风机采用外转子电机带动叶片转动，该外电机的一端盖及定子静止不动，另一端盖和转子围着电机轴转动，外转子外缘等分的均布叶片定位块，轴流分机扇叶通过螺栓固定在定位块上。然而，它依旧具有噪声大，给操作环境造成污染，影响工作，电机的冷却效果差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种采用盘式电机的双级轴流风机，采用一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法设计得到，其具有转速低、静压高、噪音低的优点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据盘式电机的旋转轴确定z轴，沿垂直于z轴的方向确定r轴，并根据z轴和r轴对双级轴流风机建立z-r-θ三维坐标系；

S2、在z-r二维坐标系下，设计一级进口额线、一级动静交界线、二级动静交界线和二级出口额线，以将双级轴流风机的子午流域分为一级转子域、静子域和二级转子域；

S3、根据导圈半径R

其中，一级转子域、静子域和二级转子域的径向长度参数和轴向长度参数包括进口处轮毂半径R

一级转子域、静子域和二级转子域的轴向长度参数和径向长度参数之间的限定关系包括：R

S4、根据上述轴向长度参数与径向长度参数，分别控制子午流域中的导圈型线和轮毂型线，以绘制双级轴流风机的子午流道中导圈和轮毂在子午流域的型线；其中轮毂型线包括一级转子域轮毂型线、静子域轮毂型线和二级转子域轮毂型线；

S5、将S4设计得到的轮毂型线转换为盘式电机，并根据盘式电机上划分的一级转子域、静子域和二级转子域分别安装一级动叶、静叶和二级动叶；

S6、将S4设计得到的导圈型线转换为导圈，将导圈与S5中的结构合并得到双级轴流风机。

优选的，在S4中，控制子午流域中的导圈型线为与旋转轴平行的直线。

优选的，在S4中，通过B样条控制点控制子午流域中的轮毂型线。

优选的，在S4中，通过B样条控制点控制子午流域中的轮毂型线，具体包括：

一级转子域轮毂型线的控制点分别为A

控制点A

记线段A

一级转子域轮毂型线的控制点之间的限定关系包括：h

二级转子域轮毂型线的控制点分别为B

控制点B

记线段B

二级转子域轮毂型线的控制点之间的限定关系包括：h

一种采用盘式电机的双级轴流风机，采用如上述所述的一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法制成，包括导圈、盘式电机、一级动叶、静叶和二级动叶；

所述盘式电机由前向后依次安装有一级动叶、静叶和二级动叶，所述导圈套设于所述一级动叶、静叶和二级动叶的外围；

所述导圈与所述盘式电机之间形成子午流域，所述子午流域包括一级转子域、静子域和二级转子域，且所述一级转子域、静子域和二级转子域的轴向长度参数和径向长度参数之间的限定关系包括：R

其中R

优选的，所述盘式电机包括旋转轴、第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承；

所述电机轴由前向后依次转动安装有所述第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承；

所述第一轴承和第二轴承的外圈设有一级电机转子，所述第一轴承和第二轴承的内圈设有一级电机定子绕组；

所述第三轴承和第四轴承的外圈设有二级电机转子，所述第三轴承和第四轴承的内圈设有二级电机定子绕组；

所述一级电机转子的外侧面套设安装有所述一级动叶，所述二级电机转子的外侧面套设安装有所述二级动叶，所述一级电机定子绕组和二级电机定子绕组的外侧面共同套设安装有所述静叶。

上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：在子午流面的流通区域分别控制导圈型线和轮毂型线，以此限定一级转子域、静子域和二级转子域的流通区域大小，并根据盘式电机上划分的一级转子域、静子域和二级转子域分别安装一级动叶、静叶和二级动叶，从而节省风机成本和减小轴向尺寸。

更进一步的，通过限定一级转子域、静子域和二级转子域的轴向长度参数和径向长度参数之间的关系，使双级轴流风机进口处的气流流动加速，并可用较低的叶轮线速度达到较高的压力，有利于实现低噪声；同时增加双级轴流风机出口处的压力，使压力系数可达单级轴流风机的二倍，接近离心风机，可替代精密空调中大量使用的高速轴流风机，降低材料消耗。

综上，本设计方法得到的双级轴流风机具有转速低、静压高、噪音低的优点。可应用于基站服务器精密空调的散热设备，从而具有非常大的应用价值。

附图说明

图1是本发明一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法的流程示意图；

图2是本发明一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法的子午流域划分示意图；

图3是本发明一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法的轮毂型线的控制示意图；

图4是本发明一种采用盘式电机的双级轴流风机的结构示意图；

图5是本发明一种采用盘式电机的双级轴流风机的盘式风机的结构示意图；

附图中：导圈1、盘式电机2、一级动叶3、静叶4、二级动叶5、旋转轴21、第一轴承22、第二轴承23、第三轴承24、第四轴承25、一级电机转子26、一级电机定子绕组27、二级电机转子28、二级电机定子绕组29。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-3所示，一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据盘式电机的旋转轴确定z轴，沿垂直于z轴的方向确定r轴，并根据z轴和r轴对双级轴流风机建立z-r-θ三维坐标系；

S2、在z-r二维坐标系下，设计一级进口额线、一级动静交界线、二级动静交界线和二级出口额线，以将双级轴流风机的子午流域分为一级转子域、静子域和二级转子域；

S3、根据导圈半径R

其中，一级转子域、静子域和二级转子域的径向长度参数和轴向长度参数包括进口处轮毂半径R

一级转子域、静子域和二级转子域的轴向长度参数和径向长度参数之间的限定关系包括：R

需要说明的是，导圈半径R

在一级转子域内，一级转子域轮毂型线为上抬的曲线，使得一级转子域内形成收缩流道，使双级轴流风机进口处的气流流动加速；

在静子域内，静子域轮毂型线为与旋转轴平行的直线；

在二级转子域内，二级转子域轮毂型线为下压的曲线，使得二级转子域内形成扩张流道，使得流体的动压转换成静压，增加双级轴流风机出口处的压力。

S4、根据上述轴向长度参数与径向长度参数，分别控制子午流域中的导圈型线和轮毂型线，以绘制双级轴流风机的子午流道中导圈和轮毂在子午流域的型线；其中轮毂型线包括一级转子域轮毂型线、静子域轮毂型线和二级转子域轮毂型线；

S5、将S4设计得到的轮毂型线转换为盘式电机，并根据盘式电机上划分的一级转子域、静子域和二级转子域分别安装一级动叶、静叶和二级动叶；

S6、将S4设计得到的导圈型线转换为导圈，将导圈与S5中的结构合并得到双级轴流风机。

本发明基于双级轴流风机的基本参数进行双级轴流风机在子午流面的流通区域快速成型设计，在子午流面的流通区域分别控制导圈型线和轮毂型线，以此限定一级转子域、静子域和二级转子域的流通区域大小，并根据盘式电机上划分的一级转子域、静子域和二级转子域分别安装一级动叶、静叶和二级动叶，从而节省风机成本和减小轴向尺寸。

更进一步的，通过限定一级转子域、静子域和二级转子域的轴向长度参数和径向长度参数之间的关系，使双级轴流风机进口处的气流流动加速，并可用较低的叶轮线速度达到较高的压力，有利于实现低噪声；同时增加双级轴流风机出口处的压力，使压力系数可达单级轴流风机的二倍，接近离心风机，可替代精密空调中大量使用的高速轴流风机，降低材料消耗。

综上，本设计方法得到的双级轴流风机具有转速低、静压高、噪音低的优点。可应用于基站服务器精密空调的散热设备，从而具有非常大的应用价值。

更进一步的说明，在S4中，控制子午流域中的导圈型线为与旋转轴平行的直线。为了便于安装，在本实施例中将导圈型线设计为与旋转轴平行的直线。

更进一步的说明，在S4中，通过B样条控制点控制子午流域中的轮毂型线。

具体的，所述B样条控制点为Bezier曲线，其基本思想是通过线性插值和二次插值，利用一组控制点来描述一条曲线。这种曲线具有很多优良性质，如凸包性、对称性、几何不变性、仿射不变性、拟局部性等，保证了生成曲线的平滑性、连续性和可控性。

更进一步的说明，在S4中，通过B样条控制点控制子午流域中的轮毂型线，具体包括：

一级转子域轮毂型线的控制点分别为A

控制点A

记线段A

一级转子域轮毂型线的控制点之间的限定关系包括：h

二级转子域轮毂型线的控制点分别为B

控制点B

记线段B

二级转子域轮毂型线的控制点之间的限定关系包括：h

在本实施例中，控制点A

如图4-5所示，一种采用盘式电机的双级轴流风机，采用如上述所述的一种采用盘式电机的双级轴流风机的设计方法制成，包括导圈1、盘式电机2、一级动叶3、静叶4和二级动叶5；

所述盘式电机2由前向后依次安装有一级动叶3、静叶4和二级动叶5，所述导圈1套设于所述一级动叶3、静叶4和二级动叶5的外围；

所述导圈1与所述盘式电机2之间形成子午流域，所述子午流域包括一级转子域、静子域和二级转子域，且所述一级转子域、静子域和二级转子域的轴向长度参数和径向长度参数之间的限定关系包括：R

其中R

在本发明中，一种采用盘式电机的双级轴流风机只需一台盘式电机即可驱动双级叶轮旋转，从而节省风机成本，且减小轴向尺寸；并可用较低的叶轮线速度达到较高的压力，有利于实现低噪声；同时压力系数可达单级轴流风机的二倍，接近离心风机，可替代精密空调中大量使用的高速轴流风机，从而降低材料消耗。

更进一步的说明，所述盘式电机2包括旋转轴21、第一轴承22、第二轴承23、第三轴承24和第四轴承25；

所述电机轴21由前向后依次安装有所述第一轴承21、第二轴承22、第三轴承23和第四轴承24；

所述第一轴承21和第二轴承22的外圈设有一级电机转子26，所述第一轴承21和第二轴承22的内圈设有一级电机定子绕组27；

所述第三轴承23和第四轴承24的外圈设有二级电机转子28，所述第三轴承23和第四轴承24的内圈设有二级电机定子绕组29；

所述一级电机转子26的外侧面套设安装有所述一级动叶3，所述二级电机转子28的外侧面套设安装有所述二级动叶5，所述一级电机定子绕组27和二级电机定子绕组29的外侧面共同套设安装有所述静叶4。

在一种采用盘式电机的双级轴流风机中，所述一级动叶3和静叶4负责将气体加速并输送到二级动叶5。所述一级动叶3主要起到加速气体的作用，而静叶4则起到进一步压缩和调节气体的作用，以满足二级动叶5的进气要求。

所述二级动叶5在双级轴流风机中起到进一步加速和压缩气体的作用。当气体经过所述一级动叶3和静叶4的加速和压缩后，进入二级动叶5，二级动叶5将气体进一步加速并压缩，以达到输送气体的目的。

综上所述，一种采用盘式电机的双级轴流风机中的一级动叶3、静叶4和二级动叶5各自承担着不同的功能，共同实现了气体的加速、压缩和输送。

以下为具体实施例：

实施例1

导圈半径R

表1原型机与实施例测试结果对比

表1为原型机与实施例的测试结果。其中原型机为同尺寸的单转子叶轮的轴流风机，设计转速为6540rpm。在给定不同的静压条件下实施例转速降低，进而降低了旋转噪声，同时功率降低，而且功率减小、效率提升，说明通过所述的采用盘式电机的双级轴流外转风机，其具有转速低、噪音低、效率高的优点。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。