电风扇能效值的工程计算方法

詹云峰

佛山市质量计量监督检测中心 广东佛山 528225

1 背景

家用电风扇产品是我国较早实施能效标识管理的产品之一，家用电风扇产品在出厂前必须加贴能效标签，向消费者明示产品的能效等级。

电风扇能效等级是由能效值决定的，根据国家标准GB 12021.9和GB/T 13380规定，能效值=实测风量÷电动机输入功率。生产企业需对每一个型号规格的电风扇进行风量和电动机输入功率的检验，以获得产品的能效值。目前，由于没有缺少相关的研究，还没有效的方法能够在产品设计阶段获得产品的能效值，大多数企业只能在最终产品进行实际的测试来获得能效值，如果发现能效值达不到要求，则必须重新进行产品设计，这将是费时又费成本的过程。此外，决定电风扇能效值的关键为电动机和扇叶的特性，而电风扇生产企业通常有一系列的电动机和扇叶，由于不可能对所有的扇叶或所有的电动机进行全组合的实际测试，因此也就不知道如何进行组合可以获得最高的能效值。本文提出一种工程计算的方法，以获得能效值的近似值。

2 电风扇能效值的工程计算方法的原理

问题的实质可以归结为：给定一个电动机和一个扇叶，如何在产品设计阶段就获得能效值，而非在最终产品上进行实际测试。

目前对于电动机通过测功机测试，生产企业能够很容易提供一组反映电动机特性的参数曲线，包括转速-扭矩曲线、转速-效率曲线、转速-输入功率曲线等。而对电风扇扇叶，相关研究较少，目前还没有提出扇叶相关特性参数的概念。那么扇叶应该提供哪些特性参数能够计算出能效值？通过长期的测试和总结，提出建立风扇扇叶的转速-输入转矩曲线和转速-风量曲线的概念，以实现能效值的工程计算。

由能效值的计算公式：

能效值=实测风量÷电动机输入功率

可知，计算能效值应获得风量和输入功率。由于电动机生产企业均能提供电动机的转速-输入功率曲线，因此如果能确定电风扇在工作状态下电动机的转速，就能确定输入功率；如果能获得风扇扇叶的转速-风量曲线，那么只要知道在电风扇工作状态下的扇叶转速（也即在电风扇工作状态下的电动机转速），通过这条曲线就能获得风量值。因此最终的问题就是如何获得电风扇工作状态下电动机（也即扇叶）的转速。

电风扇在正常工作时，其扇叶是以一个特定的转速旋转的，为克服阻力，扇叶要保持在这个转速下旋转就必需获得一个特定的转矩，而这个转矩正是由电动机提供的。因此如果能获得扇叶的转速-转矩曲线就能和电动机的转速-输出转矩曲线建立联系：将扇叶的转速-输入转矩曲线和电动机的转速-输出转矩曲线绘制到一张图上，两条曲线的交点就是但风扇的正常工作状态点，其交点对应的转速就是电风扇工作状态下电动机（也即扇叶）的转速。确定了电风扇工作状态下的转速也就能获得风量和输入功率，也即能通过公式计算出能效值：

图1 转速-输入转矩曲线测量装置简图

3 扇叶特性参数的获得方法

扇叶特性参数主要包括转速-输入转矩曲线和转速-风量曲线。图1为测量转速-输入转矩曲线的装置简图（其中：1-变频电机；2-扭矩传感器；3-转速传感器；4-支撑部件；5-被测扇叶），也作为测量转速-风量曲线的驱动装置，风量测量的其他布置同GB/T 13380中电风扇风量测量一致。图1中的变频电机在控制器的控制下可在需要的频率范围内驱动被测扇叶旋转，通过转速传感器、力矩传感器以及GB/T 13380中规定风量测量装置，就可以获得转速-输入转矩曲线和转速-风量曲线。图2为一个扇叶转速-输入转矩曲线和转速-风量曲线的例子。

4 能效值工程计算举例

图2、图3所示为一款实际电风扇产品中使用的电动机和扇叶的特性曲线，其中图2扇叶特性曲线是使用上述图1所示的转速-输入转矩曲线测量装置，以及采用国家标准GB/T 13380-2007《交流电风扇和调速器》的方法获得的扇叶转速-转矩和转速-风量曲线；图3为通过测功机测量得到的电动机转速-扭矩和转速-输入功率曲线。通常情况电动机制造企业均有能力和设备测量电动机的特性曲线并提供给用户使用。

图2 扇叶特性曲线

图3 电动机特性曲线

现以图2的扇叶特性曲线和图3的电机特性曲线为例说明计算过程：首先将图2和图3的曲线合并到同一张图上，如图4；然后找出扇叶转速-输入转矩曲线和电动机转速-输出转矩曲线的交点，通过该交点可以确定对应的转速，此转速即为电风扇工作时的转速，此例中转速近似为1050r/min；在扇叶的转速-风量曲线上找出转速为1050r/min时的风量值，此例中风量值为34m3/min；在电动机的转速-输入功率曲线上找出转速为1050r/min时的输入功率值，此例中为41W；最后计算出能效值=风量÷输入功率=34m3/min÷41W =0.829m3/(min•W)。此结果即为计算结果。

图4 合并后的扇叶和电机曲线图

如果将一个扇叶特性曲线和一系列电动机特性曲线进行上述的计算，则可以找出扇叶和电动机的最佳组合，从而获得最高的产品能效值。

5 能效值计算结果准确性的验证

本文第四部分例子中的电动机和扇叶，其实就是一款实际型号为FS-30D11的机械控制式电风扇的部件。为验证计算结果的准确性，按照国家标准GB/T 13380-2007《交流电风扇和调速器》的方法，对该款电风扇产品的能效值进行了实际测试。经检测，该款风扇的实测风量值为34.8m3/(min，实测输入功率为41.4W，得到实际的能效值为0.841m3/(min•W)。与采用能效值工程计算方法得到的结果：风量34m3/min，输入功率41W，能效值0.829m3/(min•W)相比较，偏差为：风量2.3%，输入功率1.0%，能效值1.4%。由于采用GB/T 13380-2007标准规定的方法进行风量测量时，该方法的测量不确定度一般都超过±5%，因此总体来看，能效值工程计算方法得到的结果具有较高的准确性。

6 结论

本文提出建立电风扇扇叶特性曲线的概念，通过特定的装置测量出扇叶的转速-输入转矩曲线和转速-风量曲线，利用这些扇叶的特性曲线和电动机的特性曲线可以方便快捷地计算出风扇的能效值。该方法具有较高的准确性，使得产品设计人员能在研发阶段获得产品的能效值，从而缩短研发周期，少走弯路。生产企业也可以采用该方法，为各种规格的扇叶建立特性曲线数据库，将这些数据与电动机的特性曲线进行合并、计算，能得到扇叶和电动机的最佳组合，从而改进在产产品的性能，提高产品的能效值。

7 总结

（1）本文所述的工程计算方法能使研发人员在产品开发阶段就获得电风扇的能效近似值，实现电动机和扇叶的最佳配合，缩短开发时间。特别是对于产品规格较多的企业，能快速优化改进在产产品，提高产品能效值。

（2）为更好应用该方法，企业应事先获得每一个规格的扇叶和电动机的特性曲线（可以是数据表），形成数据库。

（3）本方法的误差主要来源于扇叶和电动机的特性曲线的准确度，特别是扇叶的转速-风量曲线，由于风量测量方法本身存在较大的不确定度，且各种电风扇网罩结构会对风量值造成一定影响，而在测量扇叶的转速-风量曲线时又无法模拟这种影响。虽然存在一定的误差，但并不影响找出扇叶和电动机的最佳组合。