CN120301065B - 风道结构、电机及风道结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种风道结构、电机及风道结构设计方法，风道结构包括扇环状的槽板，在槽板上设置有风道；风道包括依次连通的进风段、膨胀腔和出风段；沿槽板的周向，进风段与出风段错位设置；进风段的一端延伸至膨胀腔内，并与膨胀腔之间限定出第一内插段；出风段的一端延伸至膨胀腔内，并与膨胀腔之间限定出第二内插段。本申请通过上述方案，使进入膨胀腔的部分声波反射回声源或在消声器内部来回反射、干涉，以衰减声波，降低声波能力，从而阻碍声波向下游传播。而第一内插段和第二内插段在对气流进行导向的同时，还可增加膨胀腔的内部面积，从而可增加声波在腔体内的反射次数和散射次数，声波衰减效果更好。如此，可降低发电机工作时的噪声。

Description

风道结构、电机及风道结构设计方法

技术领域

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种风道结构、电机及风道结构设计方法。

背景技术

电机是指依据电磁感应定律实现电能和机械能转换的一种电磁装置。发电机是电机的一种，其可将其他形式的能源转换为电能。发电机主要包括外壳、固定于外壳内的定子组件以及转动设置于外壳内的转子组件。转子组件包括主轴、套接于主轴的定子铁芯以及绕设于转子定子铁芯的转子绕线。定子组件包括定子铁芯以及绕设在定子铁芯叠片的齿部的线棒。定子铁芯包括多个叠压设置的硅钢片。

由于发电机工作时，存在机械损耗并会存在电阻热，因此发电机工作时会产生较多热量。为了保证发电机的工作性能，改善发电机的工作温度，需要对发电机进行散热。相关技术中，为了改善定子组件的工作温度，在定子组件上设置有风道。风机带动气流流动，从而使得风道内的空气流动，以将定子组件的热量带走，实现对定子组件的降温。

而气流流过结构表面时，会产生气流扰动，从而会产生噪声。噪声污染属于感觉公害，长期在90dB(A)以上的强噪声环境工作会导致耳聋、神经衰弱和心血管疾病。并且，大型交流励磁发电机近场噪声可达105 dB(A)～120dB(A)。因此，需要降低发电机工作时的噪声，改善电站的工作环境，以保护相关工作人员的身心健康。

发明内容

本申请实施例提供一种风道结构，可降低发电机工作时的噪声，以至少解决上述技术问题。

为了实现上述目的，根据本申请的第一方面，提供一种风道结构，该风道结构包括扇环状的槽板，槽板的两端分别为内径端和外径端，在槽板的一侧板面上设置有多个风道，多个风道沿槽板的周向间隔设置；自内径端向外径端的方向，风道包括依次连通的进风段、膨胀腔和出风段；沿槽板的周向，进风段与出风段错位设置；其中，进风段的一端延伸至膨胀腔内，并与膨胀腔之间限定出第一内插段；出风段的一端延伸至膨胀腔内，并与膨胀腔之间限定出第二内插段。

可选地，进风段包括缩口部和内延伸部，缩口部的两端分别与膨胀腔及内延伸部连通，缩口部朝向膨胀腔的一端的截面尺寸小于缩口部背离膨胀腔的一端的截面尺寸。

可选地，在内延伸部中设置有内导流条，内导流条的延伸方向平行于内延伸部的延伸方向。

可选地，在相邻两个风道之间设置有连通口，连通口的两端分别与相邻的两个风道的内延伸部连通。

可选地，风道结构还包括多个齿板，多个齿板与内径端连接，多个齿板沿槽板的周向间隔设置，相邻两个风道的部分内延伸部延伸至同一齿板上。

可选地，出风段包括扩口部和外延伸部，扩口部的两端分别与膨胀腔及外延伸部连通，扩口部朝向膨胀腔的一端的截面尺寸小于扩口部背离膨胀腔的一端的截面尺寸。

可选地，在外延伸部中设置有外导流条，外导流条的延伸方向平行于外延伸部的延伸方向。

可选地，相邻两个风道之间限定出分隔条，分隔条的任两个部位的宽度尺寸一致。

根据本申请的第二方面，提供一种电机，该电机包括定子铁芯以及前述的风道结构，定子铁芯有多个，多个定子铁芯沿电机的轴向依次设置；在相邻两个定子铁芯之间均设置有风道结构，槽板背离风道的板面与一定子铁芯连接，槽板设置有风道的板面与另一定子铁芯抵接。

根据本申请的第三方面，提供一种电机的风道结构的设计方法，该电机为前述的电机，设计方法包括：

获取膨胀腔内的声速设计值c及膨胀腔的宽度设计值b，并基于声速设计值c、膨胀腔宽度设计值b及膨胀腔长度l设定值，确定膨胀腔的N阶的最大消声频率f_Nmax及失效频率f_cut；

根据最大消声频率f_Nmax等于电机的基频气动噪声的频率f1，且最大消声频率f_Nmax小于失效频率f_cut，得到膨胀腔的长度l的拟定值的数列；

获取第一内插段的长度l₁的拟定值、第二内插段的长度l₂的拟定值以及风道的横截面膨胀比m，并基于这三者以及膨胀腔的长度l的拟定值确定膨胀腔的声传递损失L_TL；

声传递损失L_TL不小于目标值时，将膨胀腔的长度l的拟定值、第一内插段的长度l₁的拟定值以及第二内插段的长度l₂的拟定值确定为目标设定值；

声传递损失L_TL小于目标值时，调整膨胀腔的长度l的拟定值、第一内插段的长度l₁的拟定值以及第二内插段的长度l₂的拟定值中的至少一者，直至声传递损失L_TL不小于目标值。

本申请实施例的风道结构中，通过设置依次连通的进风段、膨胀腔和出风段，从而使得进风段和膨胀腔之间以及出风段和膨胀腔之间的横截面面积突变，产生声阻抗失配，使进入膨胀腔的部分声波反射回声源或在消声器内部来回反射、干涉，以衰减声波，降低声波能力，从而阻碍声波向下游传播。而设置第一内插段和第二内插段，在对气流进行导向的同时，还可增加膨胀腔的内部面积，从而可增加声波在腔体内的反射次数和散射次数，使声波能量更分散，声波衰减效果更好。如此，可降低发电机工作时的噪声。

本申请的其他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

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行以下说明，其中在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1是本公开示例性实施方式中提供的风道结构的结构示意图；

图2是本公开示例性实施方式中提供的风道结构的侧视图；

图3是本公开示例性实施方式中提供的风道结构的局部结构示意图；

图4是本公开示例性实施方式中提供的电机的局部结构示意图；

图5是本公开示例性实施方式中提供的电机的局部侧视图；

图6是本公开示例性实施方式中提供的设计方法的流程示意图；

图7本公开示例性实施方式中提供的声传递损失分析对比图；

图8本公开示例性实施方式中提供的发电机气动噪声谱对比图。

附图标记说明：

100-风道结构；

10-槽板；101-内径端；102-外径端；103-分隔条；104-板体；

10a-风道；

11-进风段；111-缩口部；112-内延伸部；113-内导流条；

12-膨胀腔；121-第一内插段；122-第二内插段；123-尖角；124-拐点；

13-出风段；131-扩口部；132-外延伸部；133-外导流条；

14-连通口；

15-齿板；151-穿线槽；

200-电机；20-定子铁芯；201-硅钢片组；202-绕线槽；21-定子线棒；22-槽楔。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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。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。

而术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品和方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品和方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品和方法中还存在另外的相同要素。

在介绍本申请的实施例提供的一种风道结构、电机及其风道结构设计方法之前，先对本申请的相关技术进行介绍。

相关技术中，发电机的噪声源由振动噪声源和气动噪声源构成。其中，振动噪声包括气隙交变电磁力产生的电磁噪声和动部件摩擦振动产生的机械噪声。气动噪声由发电机内部流过结构表面的气流扰动产生，其发声和传播均在气体介质中，与结构振动无必然联系。气动噪声的大小由气流马赫数决定，气动噪声的频谱由宽频噪声和离散噪声共同组成。

现阶段，抑制电磁噪声的方式主要有设置斜槽、斜极、减小槽口尺寸、采用磁性槽楔等方式，抑制机械噪声的方式有改善转子动平衡、增加结构刚度、避开模态固有频率、增加减振阻尼等。以上减振降噪机理和应用技术的研究相对成熟，实践证明合理的电磁和结构优化能够控制发电机近场振动噪声不超过90dB(A)，满足噪声治理要求。

但是，由于大型交流励磁发电机的转子线速度高达每秒一百多米，使得气流马赫数接近0.4，导致发电机的近场气动噪声大于105dB(A)。如此，导致气动噪声成为决定该类型发电机噪声大小的重要成分。

现阶段，抑制发电机气动噪声的方式主要有以下方面：

（1）减少声源侧发声部件，包括取消转子风扇、取消外置通风机、减少冷却风道等，这类措施降低了发电机的通风散热性能，导致发电机温升增加；

（2）优化声源区域空气流型，包括开发低噪声风扇、改进转子风道结构等，以通过削弱声源区域的非定常气流扰动实现降噪功能；但在发电机电磁功率高且发电机的径向尺寸不变的前提下，这类措施实施前后的气流马赫数变化不大，气动噪声降幅较小，通常不超过3dB(A)；

（3）增加传播侧声阻抗，例如，采用隔声室整体包覆发电机、安装吸声材料和穿孔板在发电机室表面等；通过增加发电机外的声辐射阻抗，可以取得较好的降噪效果，是大型发电机的常见降噪措施，但这会增加设备制造和维护成本，且对发电机的散热有不利影响。

基于上述情况，针对发电机的气动噪声问题，尤其是大型交流励磁发电机气动噪声问题，本申请实施例提供的一种风道结构、电机及其风道结构设计方法。本申请的实施例提供的风道结构可以显著抑制中低频段（＜3000Hz）基频气动噪声（即，电机高速旋转时产生的特定频率气动噪声，又可称之为离散噪声，其权重大，是电机气动噪声主要成分）。本申请实施例提供的风道结构在降低发电机噪声的同时，还可兼顾发电机的通风散热性能，并可降低发电机的制造成本。

以下结合图1至图8，对本申请实施例提供的一种风道结构、电机及其风道结构设计方法分别进行详细说明。

请参阅图1和图2，图1是本公开示例性实施方式中提供的风道结构100的结构示意图，图2是本公开示例性实施方式中提供的风道结构100的侧视图。第一方面，本申请的实施例提供一种风道结构100。该风道结构100包括扇环状的槽板10。槽板10的两端分别为内径端101和外径端102。在槽板10的一侧板面上设置有多个风道10a。多个风道10a沿槽板10的周向间隔设置。自内径端101向外径端102的方向，风道10a包括依次连通的进风段11、膨胀腔12和出风段13。沿槽板10的周向，进风段11与出风段13错位设置。其中，进风段11的一端延伸至膨胀腔12内，并与膨胀腔12之间限定出第一内插段121。出风段13的一端延伸至膨胀腔12内，并与膨胀腔12之间限定出第二内插段122。

可以理解，该槽板10应用于电机200。具体地，槽板10环绕电机200的转轴设置。内径端101为槽板10朝向转轴的一端，外径端102为槽板10背离转轴的一端。具体地，槽板10背离风道10a的板面与电机200的一个定子铁芯20连接，槽板10设置有风道10a的板面与电机200的另一个定子铁芯20抵接，以将风道10a的沿其长度方向延伸设置的开口封闭，使得从定子铁芯20内周侧流入风道10a的气流沿着风道10a向定子铁芯20的外周流动。

可以理解，第一内插段121的一端与槽板10限定出进风段11的表面连接为一体，第一内插段121的另一端插入膨胀腔12内，并沿槽板10的径向延伸设置。

可以理解，第二内插段122的一端与槽板10限定出出风段13的表面连接为一体，第二内插段122的另一端插入膨胀腔12内，并沿槽板10的径向延伸设置。

可以理解，膨胀腔12的长度尺寸为l，第一内插段121的长度尺寸为l₁，第二内插段122的长度尺寸为l₂，如图3所示，图3是本公开示例性实施方式中提供的风道结构100的局部结构示意图。其中，膨胀腔12的长度尺寸l大于第一内插段121的长度尺寸l₁和第二内插段122的长度尺寸l₂之和，以保证进风段11进入膨胀腔12的气流能顺畅地从出风段13流出。长度尺寸l可以是膨胀腔12的最长的尺寸，也可以是膨胀腔12的外周侧的拐点124和内周侧的拐点124之间的尺寸，还可以是图3所示这种，位于膨胀腔12的尖角123和拐点124之间的中间位置之间的尺寸。

可以理解，风道10a与气流流通方向垂直的截面为风道10a的横截面。其中，进风段11靠近膨胀腔12的部位的横截面面积S₁小于膨胀腔12的横截面面积S₂，出风段13靠近膨胀腔12的部位的横截面面积S₃小于膨胀腔12的横截面面积S₂。具体地，S₁=S₃。

示例性地，槽板10为钢板。

在本实施例中，通过设置依次连通的进风段11、膨胀腔12和出风段13，从而使得进风段11和膨胀腔12之间以及出风段13和膨胀腔12之间的横截面面积突变，产生声阻抗失配，使进入膨胀腔12的部分声波反射回声源或在消声器内部来回反射、干涉，以衰减声波，降低声波能力，从而阻碍声波向下游（即，出风段13）传播。而设置第一内插段121和第二内插段122，在对气流进行导向的同时，还可增加膨胀腔12的内部面积，从而可增加声波在腔体内的反射次数和散射次数，使声波能量更分散，声波衰减效果更好。如此，可降低发电机工作时的噪声，改善电站的工作环境，以保护相关工作人员的身心健康。

并且，相比相关技术中通过减少声源侧发声部件、优化声源区域空气流型、配置吸声材料等降噪措施，本实施例提供的风道结构100在保证电机200散热的基础上，其结构简单，降噪效果好，降噪成本低，可避免因布置隔声室和安装吸声材料带来额外的设备制造和维护成本。

可以理解，膨胀腔12尺寸固定，对应地，该风道结构100的阻抗固定。而不同频率声波的阻抗不同，需要针对不同型号的电机200设置对应的风道10a尺寸，以实现对目标频率的声波的降噪处理。

因此，对大型交流励磁发电机降噪时，由于基频气动噪声是大型交流励磁发电机最主要的离散噪声成分，可对大型交流励磁发电机的基频气动噪声的频率设置对应的风道结构100，以减小大型交流励磁发电机的基频气动噪声，从而可减小大型交流励磁发电机的总噪声。

另外，每一膨胀腔12靠近内径端101的两侧均设置有进风段11。为了避让进风段11的设置，使得进风段11能将气流平缓得导入膨胀腔12内，每一膨胀腔12靠近内径端101的一端的宽度尺寸随着靠近内径端101逐渐减小，使得膨胀腔12靠近内径端101的部位为尖角123。如此，在提升气流在进风段11中流动顺畅性的基础上，还可使得膨胀腔12具有更多的彼此呈夹角设置的表面，以利于增加声波在腔体内的反射次数和散射次数，使声波能量更分散，声波衰减效果更好。

对应地，每一膨胀腔12靠近外径端102的两侧均设置有出风段13。为了避让出风段13的设置，使得出风段13能将气流平缓得导出，每一膨胀腔12靠近出径端的一端的宽度尺寸随着靠近出径端逐渐减小，使得膨胀腔12靠近出径端的部位为尖角123。如此，在提升气流流动顺畅性的基础上，还可使得膨胀腔12具有更多的彼此呈夹角设置的表面，以利于增加声波在腔体内的反射次数和散射次数，使声波能量更分散，声波衰减效果更好。

请参阅图2，在一些实施例中，进风段11包括缩口部111和内延伸部112。缩口部111的两端分别与膨胀腔12及内延伸部112连通。缩口部111朝向膨胀腔12的一端的截面尺寸小于缩口部111背离膨胀腔12的一端的截面尺寸。如此，可通过缩口部111将内延伸部112的气流较为平滑地导入膨胀腔12内，从而可降低风道10a的流阻，以利于减少气流流动损失，保证风道10a内流动的风量。这样，可提升电机200的散热效率。

具体地，内延伸部112通过缩口部111平滑地过渡到膨胀腔12。

请参阅图2，在一些实施例中，在内延伸部112中设置有内导流条113，内导流条113的延伸方向平行于内延伸部112中的延伸方向。

示例性地，内导流条113与槽板10一体成型。

在本实施例中，通过在内延伸部112中设置内导流条113，可使得内延伸部112和缩口部111之间形成具有多路汇流效果的结构，可以降低冷却空气的流阻损失，以提升冷却空气吹拂线棒侧边和铁芯表面的有效性，实现充分冷却定子组件的功能。

另外，通过在内延伸部112中设置内导流条113，一方面，可增大风道结构100与气流接触地面积，以利于提升风道结构100的散热效率；另一方面，可通过内导流条113对内延伸部112内的气流流动进行导向，从而使得气流流动更为顺畅，以利于减少气流流动损失。

请参阅图2，在一些实施例中，在相邻两个风道10a之间设置有连通口14，连通口14的两端分别与相邻的两个风道10a的内延伸部112连通。如此，可通过该连通口14将一风道10a内的气流导入另一风道10a内，使得气流沿槽板10的周向流动。这样，可利于优化空气流形，从而可减小流阻，提升气流流动效率。

请参阅图1和图2，在一些实施例中，风道结构100还包括多个齿板15。多个齿板15与内径端101连接。多个齿板15沿槽板10的周向间隔设置。相邻两个风道10a的部分内延伸部112延伸至同一齿板15上。

可以理解，相邻两个齿板15之间形成穿线槽151，发电机的定子线棒21绕设与该穿线槽151中。

可以理解，齿板15与定子铁芯20的齿部相对设置，槽板10与定子铁芯20的轭部相对设置。

示例性地，齿板15与槽板10一体设置。

在本实施例中，通过设置齿板15，一方面，可增大风道结构100与定子铁芯20之间的接触面积，从而可提升风道10a组件对定子铁芯20的散热效率；另一方面，可对位于定子组件内周侧的气流进行导向，从而可提升气流流动的顺畅性，以利于提升电机200散热效率。

请参阅图1和图2，在一些实施例中，出风段13包括扩口部131和外延伸部132。扩口部131的两端分别与膨胀腔12及外延伸部132连通。扩口部131朝向膨胀腔12的一端的截面尺寸小于扩口部131背离膨胀腔12的一端的截面尺寸。如此，可通过扩口部131将气流较为平缓地导入外延伸部132内，从而可降低风道10a的流阻，以利于减少气流流动损失，保证风道10a内流动的风量。这样，可提升电机200的散热效率。

具体地，外延伸部132通过扩口部131平滑地过渡到膨胀腔12。

在一些实施例中，在外延伸部132中设置有外导流条133，外导流条133的延伸方向平行于外延伸部132的延伸方向。

示例性地，外导流条133与槽板10一体成型。

在本实施例中，通过在外延伸部132中设置外导流条133，一方面，可增大风道结构100与气流接触地面积，以利于提升风道结构100的散热效率；另一方面，可通过外导流条133对外延伸部132内的气流流动进行导向，从而使得气流流动更为顺畅，以利于减少气流流动损失。

请参阅图1和图2，在一些实施例中，相邻两个风道10a之间限定出分隔条103。在分隔条103的延伸方向上，分隔条103宽度尺寸不变。如此，可使得槽板10位于两个风道10a之间的部位结构均匀，从而可改善槽板10的受力情况，避免应力集中。这样，可利于提升风道结构100的强度。

可以理解，分隔条103的宽度尺寸是指分隔条103的成型一风道10a的内壁与成型另一风道10a内壁之间的间距。

示例性地，分隔条103的宽度尺寸为0.5mm~4mm。分隔条103的宽度包括但不限于为0.5mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm。

示例性地，分隔条103可以为槽钢。

示例性地，槽板10包括板体104以及设置于板体104上的多个分隔条103，多个分隔条103沿周向间隔限制，相邻两个分隔条103之间限定出风道10a。板体104可以与分隔条103一体设置，也可以是分隔条103焊接于板体104上。分隔条103为槽钢时，分隔条103与定子铁芯20的齿部相对的部位为齿部槽钢，与定子铁芯20的轭部相对的部位为轭部槽钢。

请参阅图4和图5，图4是本公开示例性实施方式中提供的电机200的局部结构示意图，图5是本公开示例性实施方式中提供的电机的局部侧视图。第二方面，本申请的实施例还提供一种电机200。该电机200包括定子铁芯20以及前述的风道结构100。定子铁芯20有多个。多个定子铁芯20沿电机200的轴向依次设置。在相邻两个定子铁芯20之间均设置有风道结构100。槽板10背离风道10a的板面与一定子铁芯20连接。槽板10设置有风道10a的板面与另一定子铁芯20抵接。

可以理解，电机200还包括外壳、转动设置于外壳内的转轴以及固定于转轴上的转子组件。

可以理解，电机200还包括定子线棒21，定子线棒21绕设在定子铁芯20即风道结构100上，以形成定子组件。定子组件与转子组件之间具有气隙。

可以理解，定子铁芯20包括多个硅钢片组201，多个硅钢片组201沿周向依次设置，且相邻两个硅钢片组201互相接触。每一硅钢片组201包括多个沿电机200轴向依次层叠的硅钢片。每一定子铁芯20具有多个风道结构100，多个风道结构100分别与多个硅钢片组201一一对应设置。

具体地，定子铁芯20的齿部之间限定出绕线槽202，在绕线槽202远离定子铁芯20的轭部的一侧设置有槽楔22。槽楔22将线棒压紧于绕线槽202内。

可以理解，电机200包括上述的风道结构100，该电机200具有上述风道结构100的所有有益效果，本公开在此不再赘述。

请参阅图6，图6是本公开示例性实施方式中提供的设计方法的流程示意图。第三方面，本申请的实施例提供一种电机200的风道结构100的设计方法，该电机200为前述的电机200，设计方法包括：

获取膨胀腔12内的声速设计值c及膨胀腔12的宽度设计值b，并基于声速设计值c、膨胀腔宽度设计值b及膨胀腔长度l设定值，确定膨胀腔12的N阶的最大消声频率f_Nmax及失效频率f_cut；

根据最大消声频率f_Nmax等于电机的基频气动噪声的频率f1，且最大消声频率f_Nmax小于失效频率f_cut，得到膨胀腔12的长度l的拟定值的数列；

获取第一内插段121的长度l₁的拟定值、第二内插段122的长度l₂的拟定值以及风道10a的横截面膨胀比m，并基于这三者以及膨胀腔12的长度l的拟定值确定膨胀腔12的声传递损失L_TL；

声传递损失L_TL不小于目标值时，将膨胀腔12的长度l的拟定值、第一内插段121的长度l₁的拟定值以及第二内插段122的长度l₂的拟定值确定为目标设定值；

声传递损失L_TL小于目标值时，调整膨胀腔12的长度l的拟定值、第一内插段121的长度l₁的拟定值以及第二内插段122)长度l₂的拟定值中的至少一者，直至声传递损失L_TL不小于目标值。

可以理解，膨胀腔12的长度l的拟定值需满足f_Nmax= f₁，f_Nmax＜f_cut。第一内插段121的长度l₁的拟定值、第二内插段122的长度l₂的拟定值以及膨胀腔12的长度l的拟定值需满足L_TL不小于目标值。

具体地，该设计方法包括如下步骤。

S100、获取风道10a的横截面膨胀比m；

具体地，采用发电机通风计算程序（例如，Fluent、Flowmaster），进行发电机通风温升计算，根据定子铁芯20风道10a中的进风段11靠近膨胀腔12的横截面积s₁和膨胀腔12的横截面积s₂，风道10a横截面膨胀比m为：

公式（1）；

上述中，进风段11靠近膨胀腔12的横截面积和出风段13靠近膨胀腔12的横截面积均为S₁。

S200、获取电机200的近场噪声频谱，并根据近场噪声频谱确定电机200的基频气动噪声的频率f₁；

具体地，采用气动声学时域分析法，进行发电机气动噪声计算，得到发电机的近场噪声频谱，根据近场噪声频谱确定发电机的基频气动噪声的频率f₁为：

公式（2）；

其中，

z₂为大型交流励磁发电机转子槽数；

n为运行转速。

可以理解，近场噪声频谱是指在噪声源附近区域测量得到的噪声频谱。近场噪声频谱是指噪声源的声谱级，其包含噪声源的发声频率以及发声频率对应的声压级。通过分析近场噪声频谱可以获得其中权重最大的噪声频率和声压级，也就是基频气动噪声的两个特征，其中该噪声频率就是基频噪声的频率。

S300、获取膨胀腔12的长度l的拟定值；

确定膨胀腔12的N阶的最大消声频率f_Nmax，其中，

公式（3）；

其中，c是在膨胀腔12中的声速设计值。

确定膨胀腔12失效频率f_cut，其中：

公式（4）；

其中，b是膨胀腔12的宽度。

选取N为0~4，并根据f_Nmax= f₁，且f_Nmax＜f_cut，得到膨胀腔12的长度l的数列，数列中的每个值为膨胀腔12的长度l的拟定值。

S400、获取第一内插段121的长度l₁的拟定值以及第二内插段122的长度l₂的拟定值，其中，0＜l₁+ l₂＜l；

S500、根据膨胀腔12的长度l的拟定值、第一内插段121的长度l₁的拟定值、第二内插段122的长度l₂的拟定值以及风道10a横截面膨胀比m确定膨胀腔12的声传递损失L_TL；

具体地，基于平面波理论频域分析法，采用传递矩阵法计算膨胀腔12的声传递损失为：

公式（5）；

其中，

k为波数；

表示入射波声压，即进入膨胀腔12的声波的压力；

表示透射波声压，是经过膨胀腔12后继续向前传播的声波的压力。

S600、判断L_TL是否不小于目标值，如若是，则将膨胀腔12的长度l的拟定值、第一内插段121的长度l₁的拟定值以及第二内插段122的长度l₂的拟定值确定为目标设定值。如若不是，则调整膨胀腔12的长度l的拟定值、第一内插段121的长度l₁的拟定值以及第二内插段122的长度l₂的拟定值中的至少一者，直至在满足f_Nmax= f₁，且f_Nmax＜f_cut时，L_TL不小于目标值。

其中，目标值可以根据电动机的应用环境的要求设定，例如，目标值可为30dB（A），对应地，需要满足：L_TL≥30dB（A）。

可以理解，膨胀腔12的N阶通过频率f_Nmin可根据模态阶数N、声速设计值c以及膨胀腔12的长度l的目标设定值确定，具体地，

公式（6）。

可以理解，膨胀腔12的消声能力具有适用频率范围。其中，在满足f_nmax时，膨胀腔12具有最大消声能力，在f_cut处丧失消声能力。因此，需要电机200的基频气动噪声f₁正好等于f_Nmax，同时f_Nmax不能超出f_cut。这样，膨胀腔12才对基频气动噪声的频率为f₁的噪声有最佳消声效果。

可以理解，如若f_Nmax= f₁，且f_Nmax＜f_cut时，L_TL小于目标值，则调整膨胀腔12的长度l的设定值、第一内插段121的长度l₁的拟定值以及第二内插段122的长度l₂的拟定值中的至少一者，进行下一轮的迭代计算，直至在满足f_Nmax= f₁，且f_Nmax＜f_cut时，L_TL不小于目标值。

其中，由于平面波理论推导的一维声阻抗忽略了高阶声模态影响，计算精度有限，需要采用气动声学时域分析法，对采用该风道结构100的发电机（如，大型交流励磁发电机）的气动噪声频谱进行详细的计算，并和本申请的实施例提供的风道结构100的原发电机的气动噪声频谱比对，判断噪声抑制效果是否符合预期。如果不符合预期，则需要调整膨胀腔12尺寸l、l₁和l₂中的至少一者，并迭代此计算，直至L_TL不小于目标值。如果符合预期，则可以确定出有效的风道结构100的尺寸。

本申请的实施例基于膨胀腔12消声原理，并结合频域和时域分析法，能实现准确预测和抑制发电机（例如，大型交流励磁）基频气动噪声的功能。

由上可知，本申请实施例至少具有如下有益效果：

其一，本申请实施例的通过膨胀腔12、第一内插段121和第二内插段122，以在膨胀消声的基础上，对气流进行导向，并可增加膨胀腔12的内部面积，从而可增加声波在腔体内的反射次数和散射此处，使声波能量更分散，声波衰减效果更好。

其二，在控制风道10a的风阻的基础上，优化风道结构100的尺寸参数，可以明显抑制发电机的基频气动噪声。相比相关技术中减少声源侧发声部件和优化声源区域空气流型等降噪措施，本申请实施例的实施简单，降噪效果好。

其三，通过CFD流体特性分析，优化风道结构100的风阻系数，使发电机通风系统的整体风阻与相关技术相比不会有大幅增加，从而不会对电机200冷却造成大的负面影响。如此，合理设计该风道结构100的尺寸参数可减小空气流过该风道10a的流阻损失，可以保证发电机的通风散热条件。相比取消转子风扇、减少冷却风道10a等降噪措施，本申请实施例对发电机通风散热性能影响小。

其四，可避免因布置隔声室和安装吸声材料带来额外的设备制造和维护成本，本申请实施例得经济性好。

以下结合具体实施例和数据对本申请实施例提供的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例1

通过仿真软件（例如，COMSOL Multiphysics、Ansys 系列软件）对现有技术中发电机的风道10a的声传递损失和本申请实施例提供的发电机的风道结构100的声传递损失分析，得到如图7所示的声传递损失分析对比图。图7中，（a）图所示为现有技术中发电机的风道10a的声传递损失分析图，（b）图为本申请实施例提供的发电机的风道结构100的声传递损失分析图。声传递损失分析图反应了声音通过各自的风道10a传播后，声音在风道10a的出口相对风道10a的进口的减小量。相比于（a）图，（b）图在特定频率段（主要在400Hz~3000Hz）具有更大的减小量。由此可知，本申请的实施例提供的风道结构100的消声能力更好。

实施例2

通过仿真软件（例如，COMSOL Multiphysics、Ansys 系列软件）对现有技术中发电机的气动噪声谱和本申请实施例提供的发电机的气动噪声谱分析，得到如图8所示的发电机气动噪声谱对比图。图8中，（c）图所示为现有技术中的发电机气动噪声谱，（d）图为本申请实施例提供的发电机气动噪声谱。具体地，（c）图和（d）图是发电机的远场的噪声谱。（d）图在2100hz基频处的SPL（Sound Pressure Level，声压级）被有效抑制，总噪声（总噪声是指声谱中每段频率的声压级加权值的和）也比（c）图更小。由此可知，本申请的实施例提供的风道结构100的消声能力更好。

在本申请的描述中，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一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本申请实施例、实施方式及相关技术特征之间，在不冲突的情况下可以相互组合、替换。

以上，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，但凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种电机的风道结构的设计方法，其特征在于，所述电机具有风道结构，自所述电机的径向向外的方向，所述风道结构的风道(10a)包括依次连通的进风段(11)、膨胀腔(12)和出风段(13)，所述进风段(11)的一端延伸至所述膨胀腔(12)内，并与所述膨胀腔(12)之间限定出第一内插段(121)；所述出风段(13)的一端延伸至所述膨胀腔(12)内，并与所述膨胀腔(12)之间限定出第二内插段(122)；

其中，所述设计方法包括：

获取所述膨胀腔(12)内的声速设计值c及所述膨胀腔(12)的宽度设计值b，并基于所述声速设计值c、所述膨胀腔宽度设计值b确定所述膨胀腔(12)的N阶的最大消声频率f_Nmax及失效频率f_cut；

根据所述最大消声频率f_Nmax等于所述电机的基频气动噪声的频率f1，且所述最大消声频率f_Nmax小于失效频率f_cut，得到膨胀腔(12)的长度l的拟定值的数列；

获取第一内插段(121)的长度l₁的拟定值、第二内插段(122)的长度l₂的拟定值以及风道(10a)的横截面膨胀比m，并基于这三者以及所述膨胀腔(12)的长度l的拟定值确定所述膨胀腔(12)的声传递损失L_TL；

所述声传递损失L_TL不小于目标值时，将所述膨胀腔(12)的长度l的拟定值、所述第一内插段(121)的长度l₁的拟定值以及所述第二内插段(122)的长度l₂的拟定值确定为目标设定值；

所述声传递损失L_TL小于目标值时，调整所述膨胀腔(12)的长度l的拟定值、所述第一内插段(121)的长度l₁的拟定值以及所述第二内插段(122)的长度l₂的拟定值中的至少一者，直至所述声传递损失L_TL不小于目标值。

2.根据权利要求1所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，所述风道结构包括扇环状的槽板(10)，在所述槽板(10)的一侧板面上设置有多个所述风道(10a)，多个所述风道(10a)沿所述槽板(10)的周向间隔设置；

所述槽板(10)包括内径端(101)和外径端(102)，自所述内径端(101)向所述外径端(102)的方向，所述风道(10a)包括依次连通的所述进风段(11)、所述膨胀腔(12)和所述出风段(13)；沿所述槽板(10)的周向，所述进风段(11)与所述出风段(13)错位设置。

3.根据权利要求2所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，所述进风段(11)包括缩口部(111)和内延伸部(112)，所述缩口部(111)的两端分别与所述膨胀腔(12)及所述内延伸部(112)连通，所述缩口部(111)朝向所述膨胀腔(12)的一端的截面尺寸小于所述缩口部(111)背离所述膨胀腔(12)的一端的截面尺寸。

4.根据权利要求3所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，在所述内延伸部(112)中设置有内导流条(113)，所述内导流条(113)的延伸方向平行于所述内延伸部(112)的延伸方向。

5.根据权利要求3所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，在相邻两个所述风道(10a)之间设置有连通口(14)，所述连通口(14)的两端分别与相邻的两个所述风道(10a)的所述内延伸部(112)连通。

6.根据权利要求3所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，所述风道结构还包括多个齿板(15)，多个所述齿板(15)与所述内径端(101)连接，多个所述齿板(15)沿所述槽板(10)的周向间隔设置，相邻两个所述风道(10a)的部分所述内延伸部(112)延伸至同一所述齿板(15)上。

7.根据权利要求2所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，所述出风段(13)包括扩口部(131)和外延伸部(132)，所述扩口部(131)的两端分别与所述膨胀腔(12)及所述外延伸部(132)连通，所述扩口部(131)朝向所述膨胀腔(12)的一端的截面尺寸小于所述扩口部(131)背离所述膨胀腔(12)的一端的截面尺寸。

8.根据权利要求7所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，在所述外延伸部(132)中设置有外导流条(133)，所述外导流条(133)的延伸方向平行于所述外延伸部(132)的延伸方向。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，相邻两个所述风道(10a)之间限定出分隔条(103)，所述分隔条(103)具有的宽度尺寸，所述宽度尺寸为所述分隔条(103)成型一所述风道(10a)的内壁与成型另一所述风道(10a)内壁之间的间距，在所述分隔条(103)的延伸方向上，所述分隔条(103)的宽度尺寸不变。

10.根据权利要求2-8中任一项所述的电机的风道结构的设计方法，其特征在于，所述电机还包括：

多个定子铁芯(20)，沿所述电机的轴向依次设置；在相邻两个所述定子铁芯(20)之间均设置有所述风道结构，所述槽板(10)背离所述风道(10a)的板面与一所述定子铁芯(20)连接，所述槽板(10)设置有风道(10a)的板面与另一所述定子铁芯(20)抵接。