Введение

На сегодняшний день электровентиляторы занимают особую роль в жизни человека и техники. Они используются в одинаковой мере в гражданской и промышленной сферах, так как ни одно устройство не может обойтись без охлаждения. Так же стоит необходимость в перемещения воздуха в системах кондиционирования и вентиляции, тем более в замкнутых пространствах, где отсутствует естественная вентиляция, например в космических аппаратах и подводных лодках.

При сегодняшнем техническом прогрессе, для систем жизнеобеспечения подвижных объектов используются электродвигатели постоянного и переменного тока. Они могут быть как асинхронными, так и синхронными. И каждый тип имеет свои недостатки и преимущества, в сравнении друг с другом. Так же в них могут варьироваться типы комплектующих систем управления, необходимые для работы двигателя.

В последнее время, максимально используют двигатели с бесконтактной коммутацией обмоток, для этого используют датчики положения ротора (ДПР). ДПР могут быть трех видов, а именно магнитоиндукционный (то есть в качестве датчика используются сами силовые катушки или дополнительные обмотки), магнитоэлектрический (датчики, использующие эффект Холла) и оптоэлектрические (различные оптопары). И каждый из ДПР имеет свои положительные и отрицательные качества.

В бесконтактных электродвигателях в качестве элемента ротора используют постоянные магниты. Они могут быть ферритовыми или из сплава редкоземельных металлов.

АО НПЦ «Полюс», ООО «Логотек-сервис» производят электродвигатели вентиляторов различной мощности бесконтактного коммутирования с улучшенными виброшумовыми характеристиками.

Сегодня за рубежом «набирают обороты» двигатели, у которых в основе лежит физический эффект, реализуемый магнитной сборкой Халбах 12

Такие электродвигатели имеют высокие эксплуатационные характеристики при сравнительно небольших габаритах. Давно замечено, что части машин, подвергаясь большое число раз усилиям (вибрации), переменных во времени, то есть совершая колебания, часто ломаются внезапно, до появления заметных остаточных деформаций. Подобные разрушения происходят при усилиях, даже меньше тех, при которых конструкция работает нормально при статических нагрузках [1].

Проблема борьбы c вибрацией обусловлена не только из-за реждевременного выхода оборудования и деталей из строя, но и пагубным влиянием на физиологию человека, порой приносящим вред здоровью. Так же снижение шума и механических вибраций требует и военно-тактические цели. Так как одним из способов обнаружения подводных лодок является эхолокационный метод сканирования. Таким образом, объектом исследования в данной работе является основной источник механических колебаний и шума в электровентиляторах, а именно электродвигатель.

Целью работы является проектирование электровентилятора, который будет иметь улучшенные виброшумовые характеристики, для использования в системах жизнеобеспечения подвижных объектов.

Для реализации цели решается задача применения способов снижения вибрация и шума. И дополнительно решается задача уменьшения массогабаритных характеристик электродвигателя. Теоритическая значимость работы заключается в систематизации наработок и технических решений по проблеме исследования.

Практическая значимость работы заключается в применение всех изложенных решений для реализации улучшенного варианта электровентилятора по показателям, рассматриваемых в данной работе.

1 Обзор используемых на сегодняшний день электродвигателей и вентиляторов

В данный момент для систем кондиционирования и вентиляции воздуха используют электродвигатели такие как вентильные и коллекторные, а так же синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока.

По конструктивным нюансам и принципу функционирования существуют следующие типы вентиляторов:

Осевые, или аксиальные вентиляторы (рисунок 1.1). Такой тип вентиляторов отличается несложной конструкцией, дешевизной, но при этом низкой эффективностью, которая, однако может быть увеличена за счет встраивания вентилятора в цилиндрический корпус и других инженерных хитростей. Воздух в таких вентиляторах, как можно догадаться из названия, перемещается вдоль оси благодаря наклону лопастей относительно плоскости всего колеса крыльчатки. Область применения осевых вентиляторов невероятно широка;

Рисунок 1.1 – Осевой вентилятор

Радиальные, или центробежные вентиляторы (рисунок 1.2). Они широко применяются в промышленности и в бытовых системах вентиляции воздуха. Конструкция центробежного вентилятора включает в себя вращающийся барабан из лопаток изогнутой формы, заборное отверстие и канал выброса воздуха под прямым углом к нему. Лопатки при этом могут располагаться под различным углом к оси барабана: по направлению движения, против направления движения и прямые. В зависимости от этого вентилятор приобретает некоторые свойства, например, становится б
олее экономичным, или менее шумным;

Рисунок 1.2 – Радиальный вентилятор

Диагональные вентиляторы. Это своеобразная комбинация осевых и центробежных вентиляторов. Движение воздуха происходит в осевом направлении, а затем в лопастном колесе отклоняется на 45 градусов, при этом усиливая поток. КПД таких вентиляторов чрезвычайно высок, они достаточно распространены в промышленных системах вентиляции, а также применяются в качестве канальных и крышных вентиляторов;

Диаметральные вентиляторы (рисунок 1.3). С виду такие вентиляторы очень напоминают беличье колесо. Они представляют собой продолговатые цилиндры и ротор с лопатками вдоль периферии и пустотой в центре. Воздух в систему поступает с фронтальной части, а затем благодаря диффузору направляется в нужную сторону с усиленной скоростью. Такие вентиляторы обладают завидным набором положительных свойств, таких как равномерность воздушного потока, легкость изменения его направления, низкая шумность работы и высокий КПД. Применяются диаметральные вентиляторы в бытовых вентиляторах башенного типа, вовнутренних блоках кондиционеров, в воздушных завесах и т.д.

Рисунок 1.3 – Диаметральный вентилятор

Так же вентиляторы можно классифицировать по исполнению:

Многозональные вентиляторы. Такие вентиляторы, как правило, используются в местах, где необходима вытяжка воздуха из нескольких локаций (комната, часть помещения или отдельный вентканал), но канал для выброса при этом единый. Вентиляторы при этом используются центробежные;

Канальные вентиляторы. В этой роли могут выступать как осевые, так и радиальные вентиляторы, с разными вариантами конструкции. Устанавливаются они прямо в вентиляционный канал. Канальные вентиляторы помещаются в корпус из специального пластика или гальванизированной стали. Они очень компактны, что обуславливает удобство их использования и возможность спрятать, например, за подвесным потолком или в специальных вертикальных шкафах;

Крышные радиальные вентиляторы. Размещаются они на крыше здания, при этом обеспечены специальной рамой, которая гарантирует долговечность и защищает от атмосферного влияния. К ним предъявляются повышенные требования, потому как они всегда находятся в агрессивной среде. Это и выступает причиной того, что крышные радиальные вентиляторы изготавливаются из высококачественных материалов.

Разделяют и по величине полного давления:

Низкого давления (до 1 кПа);

Среднего давления (до З кПа);

Высокого давления (до 12 кПа).

В зависимости от состава перемещаемой среды и условий эксплуатации подразделяют на:

Обычные для воздуха (газов) с температурой до 800 °С;

Коррозионностойкие для коррозионных сред; термостойкие для воздуха с температурой до 200 °С;

Взрывобезопасные для взрывоопасных сред; пылевые для запыленного воздуха (твердые примеси в количестве более 100 мг/м3).

По месту установки вентиляторы делят на:

Обычные, устанавливаемые на специальной опоре (раме, фундаменте и т.д.);

Канальные, устанавливаемые непосредственно в воздуховоде;

Крышные, размещаемые на кровле [3].

Так например отечественный производитель, поставляющий продукцию для оборонных и космических целей государства, АО «НПЦ «Полюс», предлагает электровентиляторы с бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Электродвигатель имеет характеристики, такие как: мощность 200 Вт, частота вращения 3000 об/мин, габаритные размеры 320х350 мм, масса 18,2 кг. В данном электродвигателе используется магнитоиндукционный датчик положения ротора, что существенно влияет на массу и габариты изделия. Уровень шума вентилятора в сборе находится в

пределах 55 дБ. На рисунке 1.4 показан данный электровентилятор.

Рисунок 1.4 – Электровентилятор постоянного тока РСС1 (АО «НПЦ «Полюс»)

Так же на рынке данной продукции ООО «Завод ВЕНТИЛЯТОР» предлагает следующий вариант электровентилятора «Радиальный вентилятор BP 80-75», который имеет характеристики: мощность 120 Вт, частота вращения 1500 об/мин, масса в сборе 22 кг, суммарный уровень шума 67 дБ. Данный уровень шума является слишком высоким и непригоден для использования для применения на подводных судах. На рисунке 1.5 представлен вентилятор данного производителя. [7]

Рисунок 1.5 Радиальный электровентилятор (ООО «Завод ВЕНТИЛЯТОР»)

Итальянский производитель «Motive srl Italy» выпускает электродвигатель для вентиляционных систем со следующими показателями: мощность 180 Ватт, частота вращения 1000 об/мин, вес 6 кг, уровень шума 51 дБ. Стоит заметить, что разработанный ранее электродвигатель в ВКР бакалавра имеет более хорошие характеристики.

Швейцарская компания «Östberg» предлагает электровентилятор СК 315В (рисунок 1.6), мощность которого равна 190 Вт, частота вращения лопастей 2500 об/мин, максимальный диаметр 402 мм (с корпусом), вес 6,5 кг, общий уровень шума 56 дБ.

Рисунок 1.6 – Электровентилятор CK 315B компании «Östberg»

2 Минимальные требования характеристик для электровентилятора

Таким образом, чтобы минимизировать массогабаритные характеристики и получить возможность использовать шумо- и виброизоляционные решения, целесообразно разработать радиальный вентилятор канального типа. На рисунке 2.1 представлена сравнительная диаграмма спектра шумов вентилятора обычного исполнения и внутриканального.

Рисунок 2.1 – Спектры шума вентилятора обычного исполнения (1) и прямоточного (2) при Q=2000 м³/ч [5]

Исходя из данной диаграммы, можно судить о том, что прямоточный тип вентилятора наиболее эффективен электровентилятора обычного исполнения почти на всем диапазоне частот.

Исходя из характеристик продукции производителей сегодняшнего рынка, необходимо разработать вентилятор со следующими минимальными требованиями (мощность 200 Вт и частота вращения лопастного колеса 3000 об/мин (ТЗ)):

Виброактивность минимальная, для обеспечения уровня шума не более 40-50 дБ;

Вес не более 7 кг;

Производительность 250 м³/ч;

Габаритные размеры – минимально возможные;

3 Классификация методов борьбы с шумом. Выбор защиты

По принципу действия различают следующие методы защиты от шума и звуковой вибрации:

звукоизоляция;

звукопоглощение;

виброизоляция;

виброполгащение (вибродемпфирование);

глушители шума.

Звукоизоляция – метод защиты от воздушного шума, основанный на отражении звука от бесконечной плотной звукоизолирующей преграды.

Звукопоглощение – метод ослабления воздушного шума, использующий переход звуковой энергии в тепловую в мягкой звукопоглощающей конструкции.

Виброизоляция – метод снижения структурного звука, базирующийся на отражении вибрации в виброизоляторах.

Вибродемпфирование – способ защиты от звуковой вибрации, в котором используется переход вибрационной энергии в тепловую в вибродемпфирующих покрытиях.

Глушители шума – устройства, применяемые для уменьшения аэродинамического или гидродинамического шума за счет отражения или поглощения звуковой энергии.

Так же классифицировать способы защиты можно в зависимости от использования дополнительного источника энергии:

пассивные (без дополнительного источника);

активные (с дополнительным источником).

В активных средствах защиты от шума и вибрации используется принцип интерференции звука. [6]

Для улучшения виброшумовых характеристик в данном проекте планируется использовать пассивные методы шумоизоляции и шумопоглащения.

В настоящее время существует материал, производством которого занимается компания «ШумОФФ», у которого коэффициент поглощения шума равен 0,95. Материал имеет следующие выгодные особенности:

Материал обладает способностью медленно (в течении 40 минут) восстанавливаться после длительного сжатия. Тем самым обеспечивается легкий монтаж двух поверхностей большой площади между которыми монтируется уплотнитель «Герметон». Материал, восстанавливаюсь, заполняет пустоты, не позволяя в дальнейшем панелям издавать скрипы и создает дополнительную герметизацию, уменьшая нежелательное воздействие внешнего шума;

Пропитка материала обеспечивает его специальные свойства по горючести. Скорость его горения менее 10 м/мин (ГОСТ 25076). Другими словами, если убрать открытое пламя, материал не разгорается, а затухает. Это свойство очень важно, так как пожаробезопасность электровентиляторов для применения на судах имеет большую значимость. Пропитка, так же, значительно снижает способность воды попадать во внутрь материала, что позволяет вести обработку поверхностей с возможным попаданием воды;

Клеевой монтажный слой обладает стойкостью к воде;

Материал не выделяет запаха и не окрашивает прилегающие поверхности в процессе эксплуатации, что свойственно некоторым подобным продуктам с битумной пропиткой

Так же необходимо использовать вибродемпфирующие устройства для снижения вибраций, исходящих от электродвигателя.

4 Наработки прошлых лет

На данный момент по этой теме имеются наработки, выполненные в рамках выпускной квалификационной работы бакалавриата.

В ВКР обоснована значимость снижения вибраций и шумов, порождаемые работой электродвигателей. Спроектирован электродвигатель с магнитной сборкой Халбах (ФЮРА.525162.009.СБ), которая позволяет существенно улучшить характеристики двигателя, такие как массогабаритные параметры, срок службы отдельных элементов, технологичность исполнения, экономическая эффективность и виброшумовые характеристики.

Сборка Халбах позволяет увеличить магнитную индукцию почти в два раза с одной стороны магнитов, в то время как с другой индукция почти отсутствует, как показано на рисунке 4.1. Так же в данном электродвигателеиспользован статор с печатной обмоткой [4].

Рисунок 4.1 – Моделирование магнитного пола сборки Халбах

На данном рисунке изображено смоделированное магнитное поле с помощью программного обеспечения ELCUT. По рисунку 4.1 можем видеть, что индукция на расстоянии 0,33 см от магнитов составляет от 1,1 до 1,3 Тл. В то время как массивные ферримагнитные магниты на том же расстоянии показывают среднюю индукцию равную 0,6 Тл.

В данном электродвигателе роль статора исполняет печатная обмотка, которая дает большое преимущество перед обмоткой обычного исполнения. [2]

Так же разработан чертеж и 3D модель электродвигателя (рисунок 4.2-4.4), выполнена оценка экономического потенциала и ресурсоэффективности. Рассмотрены пункты производственной и экологической безопасности.

Р
исунок 4.2 – Внешний вид спроектированного электродвигателя

Рисунок 4.3 – Электродвигатель в разрезе

Рисунок 4.4 – Плата с ДПР

В заключение проектирования было проведено сравнение с прототипом (таблица 1), которое показало, что массогабаритные характеристики заметно улучшились [4].

Таблица 1 – Сравнение показателей разработки и прототипа

Критерий сравнения	Двигатель с магнитной сборкой Halbach	РСС1 200 Вт (АО НПЦ «Полюс»
1. Габаритные размеры, мм	109х216	320х350
2. Масса, кг	≈3,2	18,2

5 Схема проектируемого вентилятора

Для проектирования выбран радиальный внутриканальный вентилятор. В соответствии с данным классом разработана схема электровентилятора. (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Схема проектируемого электровентилятора

На схеме представлены следующие элементы: 1 – воздухопровод;
2 – крыльчатка вентилятора; 3 – спрямляющая лопатка;
4 – кожух электродвигателя; 5 – электродвигатель; 6 – демпфирующие устройства; 7 – кожух вентилятора. Стрелками показано движение воздушных потоков.

Форма «пули» выполняет функцию, предохраняющую от «схлопывания» воздуха, путем направления потоков со всех сторон параллельно друг другу.

6 План дальнейшей работы

В предстоящей ВКР магистра планируется выполнить следующие задачи:

Разработка полной конструкции и 3D модели электровентилятора проточного типа (электродвигатель находится внутри воздуховода) для систем жизнеобеспечения подвижных объектов. Схема представлена на рисунке 5.1;

Проработка конструктивного исполнения жидкостного демпфера;

Разработка блока управления и блока питания электродвигателя;

Улучшение конструктивных особенностей спроектированного ранее двигателя;

В спроектированной конструкции представляется внести изменения, влияющие не только на изменение шума и вибрации, но и позволит повысить эффективность электродвигателя. Для снижения вибрации планируется использовать жидкостные демпферы, которые эффективны на широкой полосе частот, в то время как обычные работают на узкой полосе частот. Для снижения шумового давления решено использовать защитные кожухи шумоизоляции и шумопоглащения, которые способны снизить уровень шума до 15-20 дБ.

Так же для повышения эффективности электродвигателя целесообразно использовать двойную сборку Халбах. Предположительно, это поможет увеличить мощность как минимум в 1,5 раза.

Создание расчетной базы для магнитной сборки Халбах.

В имеющийся электродвигатель был рассчитан по методу подобия, так как отсутствуют методики расчета.

Заключение

После выполнения обзора и выявления аналогов, которые присутствуют на рынке, определили минимальные технические требования, которые бы обеспечили конкурентоспособность. Проработана схема электровентилятора, которая представлена на рисунке 5.1. Для снижения вибрации, а вследствии и шума, выбран жидкостной демпфер, который способен уменьшать вибрацию на широкой полосе частот. Также для этой цели выбрали средства пассивного шумопоглащения и шумоизоляции, а именно продукт фирмы «ШумОФФ»

Список использованных источников

Дмитриев В.С., Иванова В.С. Основы теории колебаний и моделирования колебательных систем в технике. Часть I. – Т: Изд-во «Томский политехнический университет», 2012. 215 с.

Казанский В.М., Основич Л.Д. Малоинерционные электродвигатели постоянного тока с печатной обмоткой. - М: Изд-во «Энергия», 1965. – 98 с.

Гримитлин А.М., Иванов О.П., Пухкал В.А. Насосы, вентиляторы, компрессоры в инженерном оборудовании зданий. – СПб: Изд-во «Абок-северозапад», 2006. – 202 с.

Шарпаев И. В. Электродвигатель для системы жизнеобеспечения подвижных объектов: бакалаврская работа / И. В. Шарпаев; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности (ИШНКБ), Отделение электронной инженерии (ОЭИ); науч. рук. В. С. Дмитриев. — Томск, 2018.

Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. – Л: Изд-во «Судостроение», 1981. – 404 с.

Иванов И.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом. – М: Изд-во «Логос», 2008. – 423 с.

«Завод ВЕНТИЛЯТОР». Радиальный вентилятор BP-75.[электронный ресурс] – режим доступа: http://ventilator.spb.ru/produkciya/ventilyatory_promyshlennye/radialnye/vr_8075/ (дата обращения 01.01.2019)

Код для цитирования: Скопировать