CN106104007B - 具有空气动力学定子支柱的车辆冷却风扇 - Google Patents

具有空气动力学定子支柱的车辆冷却风扇 Download PDF

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Abstract

用于车辆的轴向冷却风扇包括电动马达，该电动马达能够操作成使风扇叶片旋转而使空气运动，以冷却车辆的部件或配件。定子位于马达处，并且具有将马达固定地支承在车辆处的多个支柱。定子的支柱包括前缘表面，比如，在给马达提供动力以使风扇叶片旋转时，该前缘表面大体上面向流向支柱并且经过支柱和定子的空气。支柱的前缘表面包括设置在此处的空气动力学设计或式样或结构，比如，位于支柱的前缘表面处的带齿的式样或结构。

Description

具有空气动力学定子支柱的车辆冷却风扇
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年3月13日提交的序列号为61/952,334的美国临时申请的权益，由此，该申请的全部内容通过参引并入本文。
技术领域
本发明涉及用于车辆的冷却风扇的电动马达，并且更具体地，涉及用于车辆的轴向冷却风扇的电动马达的定子支柱。
背景技术
已知冷却风扇送风器马达在风扇叶片的前缘和出口边缘上具有凹槽和隆起部。
发明内容
本发明提供了一种用于车辆冷却应用的轴向冷却风扇，其中，风扇具有马达安装结构件，该马达安装结构件具有带有空气动力学设计的前缘的表面或支柱，以使通过风扇的空气流增强。
根据本发明的方面，用于车辆的冷却风扇包括电动马达和定子装置，该电动马达能够操作成使风扇叶片旋转来使空气运动，以冷却车辆部件或配件，该定子装置具有将电动马达风扇驱动器固定地支承在车辆处的多个支柱。定子的支柱包括前缘表面，在给马达提供动力来使风扇叶片旋转时，该前缘表面大体上面向流向支柱并且经过支柱的空气。支柱的前缘表面包括设置在此处的空气动力学设计或式样或结构。
可选择地，设置在所述支柱的前缘表面处的空气动力学设计或式样或结构可以包括支柱的锯齿状或带齿的前缘。可选择地，支柱包括沿着支柱的一侧或两侧的凹槽或隆起部，其中，当空气经过支柱时，空气沿着凹槽或隆起部流动。凹槽或隆起部可以包括下述形式中的至少一者：(i)在横跨支柱的纵向延伸部和横向延伸部的式样，(ii)z字形形状，(iii)s形形状，(iv)c形形状以及(v)y形形状。
通过接合附图阅读以下说明，本发明的这些以及其他目的、优点、用途和特征将变得明显。
附图说明
图1为根据本发明的前缘上具有带齿的定子支柱的轴向风扇模块和车辆冷却组装件的剖视图；
图2示出了本发明的风扇模块的视图；
图3示出了本发明的风扇的效率的效率图；
图4示出了本发明的风扇的性能计算；
图5至图7为根据本发明的在前缘上具有带齿的马达定子支柱的风扇模块护罩的不同程度的放大立体图，其中，未示出马达、风扇叶片、风扇毂以及冷却组装件；
图8和图9为根据本发明的在前缘上具有带齿的马达定子支柱的风扇模块护罩的立体局部剖视图；
图10为在前缘上具有齿并且在大致与起始于可以根据经验产生的齿之间的空气流动方向正交的表面上的S形、C形及Y形凹槽的风扇模块马达定子支柱的立体图；以及
图11为根据本发明的相邻的风扇模块马达定子支柱的立体图，其中，前缘上具有齿，并且位于相邻支柱之间的附加的连接元件或腹板也具有齿。
附图标记：
1 定子支柱
2 风扇叶片
3 马达
4 风扇毂
5 护罩
6 冷却组装件(HEX(热交换器))
7 相邻元件的支柱
具体实施方式
具有内燃发动机(ICE)的车辆具有热交换器(HEX)(6)(散热器或冷却组装件)(如图1中所示出的)，热交换器通常位于车辆的前部，用于使发动机冷却液冷却。该热交换器需要来自周围环境的新鲜空气。电动汽车(E-car)具有用于电池和逆变器冷却的热交换器。内燃机和电动汽车均具有用于空气调节(A/C)的制冷剂冷凝热交换器(冷凝器)。通常，大多数现代车辆包括这两种热交换器。此外，为了增大ICE动力车辆(ICE-powered vehicle)的动力和效率，增加有补充的冷却组装件，比如，增压空气冷却器(CAC)——也被称为用于涡轮增压器的中间冷却器、变速器油冷却器(TOC)、动力转向油冷却器(PSOC)等。
所有这些热交换器组装起来以获得需要的环境空气流，以使热交换器冷却。当车辆本身的速度过低而不能产生处理冷却水的热所需的空气流时，则安装有一个冷却风扇(或两个冷却风扇)，用于使额外的空气运动通过HEX。由于空气动力学参数选择和车辆安全法规，在大多数车辆中，冷却风扇安装在HEX或者冷却组装件6的后方。常规的风扇模块组件被包括在作为独立于HEX所提供的完全组装好的框架的护罩5内。如已知的那样，冷却风扇由BLDC(无刷直流电)马达3驱动。风扇毂4保持风扇叶片2。马达的不可移动部分由定子1(也被称为定子支柱)保持在护罩的中央。
为了保持(车辆的)送风器马达和电力发生器尽可能小、轻且便宜同时实现合意的冷却效果，高空气动力输出情况下的低电力消耗是满足需要的。空气动力输出Pair表示为穿过风扇的体积流量(Q)(或)与压力增加量(△P)的乘积，由等式Pair＝Q×△P表示。机电一体的冷却风扇模块效率被表示为ηMOD，其中：
(1)ηMOD＝Pair/Pelectrical，
其中，Pelectrical是马达驱动所消耗的电力。
风扇的空气动力学效率被表示为ηair，其中：
(2)ηair＝Pair/Pmechanical
冷却风扇的马达驱动效率被表示为ηelectrical，其中：
(3)ηelectrical＝Pmechanical/Pelectrical，
其中，Pmechanical也被称为轴功率，通过转矩(T)与角速度(ω)的乘积限定。Pmechanical＝T×ω(参见图3)。
由于空气动力的工作效率很大程度上取决于流动速率，因此，空气动力效率对于大多数操作范围而言显著低于最大效率的50％(参见图4)。常规的电效率为大约80％。显然希望对具有小于ηMOD＝ηelectrical×ηair(0.8max*0.5max)＝0.4max情形的冷却风扇系统的总效率进行改进。空气流效率的单个百分比的改进对整个模块效率造成的影响是电效率的等量改进对整个模块效率造成的影响的两倍。同时，提高电效率较难且不太有效而且是昂贵的。
为了提高飞机机翼、飞机螺旋桨、航空飞机涡轮叶片、船用螺旋桨、风力涡轮机转子、直升机旋翼、通风设备叶片以及车辆冷却风扇叶片(径向和轴向)的空气动力学效率，已知的是，通过将它们设计为具有凹槽和/或隆起部和/或鼓起部和/或锯齿状前缘和/或尾缘的特殊形状来改善空气动力学性能并且随之提高空气效率。对于风力涡轮机而言，已知的是，设计稳定的环绕管的形状。
为了提高(轴向)车辆冷却风扇叶片——尤其是发动机散热器冷却风扇的空气动力学效率，本发明为定子支柱(或梁)应用了一种空气动力学设计，尤其是在暴露于即将到来的空气流的区域处应用了空气动力学设计。例如，定子支柱可以具有锯齿状或带齿的前(暴露于即将到来的空气流)缘，如图1和图5至图11中所示。
可选择地，作为替代方案或附加方案，定子支柱可以包括锯齿状或带齿的尾缘。可选择地，锯齿或齿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部呈对称分布。可选择地，锯齿或齿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部呈数学上可描述的分布。可选择地，锯齿或齿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部呈随机的、混乱的或根据经验确定的分布(比如，通过仿生学(从生物学设计比如从秃鹫的翅膀受到启示或仿照)、通过仿真或反复试验)。可选择地，锯齿或齿的宽度沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以是相等的或基本相等的。可选择地，锯齿或齿的宽度沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以以数学上可描述的方式而不同。可选择地，锯齿或齿的宽度沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以以随机的、混乱的或根据经验确定的方式而不同。可选择地，锯齿或齿的距离沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以是相等的或基本相等的。可选择地，锯齿或齿的距离沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以以数学上可描述的方式而不同。可选择地，锯齿或齿的距离沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以以随机的、混乱的或根据经验确定的方式而不同。
可选择地，暴露于空气流的支柱可以包括大致正交地面向空气流的表面。根据本发明，这些表面可以包括用于使经过这些表面的空气的摩擦阻力降低的凹槽和/或隆起部和/或鼓起部，由此提高冷却风扇系统的效率。可选择地，表面的凹槽、隆起部或鼓起部沿横跨支柱的纵向延伸部的方向可以呈对称分布。可选择地，表面的凹槽、隆起部或鼓起部沿横跨支柱的横向延伸部(与空气流大致平行)的方向可以是呈对称分布。可选择地，表面的凹槽、隆起部或鼓起部沿横跨支柱的纵向延伸部的方向可以呈数学上可描述的分布。可选择地，表面的凹槽、隆起部或鼓起部沿横跨支柱的横向延伸部(与空气流大致平行)的方向可以呈数学上可描述的分布。可选择地，表面的凹槽、隆起部或鼓起部沿横跨支柱的纵向延伸部的方向可以呈随机的、混乱的或根据经验确定的分布。可选择地，表面的凹槽、隆起部或鼓起部沿横跨支柱的横向延伸部(与空气流大致平行)的方向可以呈随机的、混乱的或根据经验确定的分布。
可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的高度沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以是相等的或基本相等的。可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的高度沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以以数学上可描述的方式而不同。可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的高度沿横跨暴露于空气流的支柱的纵向延伸部的方向可以以随机的、混乱的或根据经验确定的方式而不同。
可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的高度沿横跨暴露于空气流的支柱的横向(与空气流大致平行)延伸部的方向可以是相等的或基本相等的。可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的高度沿横跨暴露于空气流的支柱的横向(与空气流大致平行)延伸部的方向可以以数学上可描述的方式而不同。可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的高度沿横跨暴露于空气流的支柱的横向(与空气流大致平行)延伸部的方向可以随机的、混乱的或根据经验确定的方式而不同。
可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的分布沿横跨支柱的纵向延伸部和横向延伸部的方向可以遵循一种式样。可选择地，凹槽或隆起部的深度或者鼓起部的高度沿横跨支柱的纵向延伸部和横向延伸部的方向可以具有一式样。可选择地，大致正交地面向空气流的表面上的凹槽具有z字形形状、s形形状、c形形状(描述为曲线)、y形形状(如图10中所示出的)或者可以相互交叉。这些形状和/或式样可以根据经验建立/确定(比如，通过仿生学(从生物学设计比如从秃鹫的翅膀得到启示或仿照)或者通过仿真或反复试验))。
可选择地，用于改善空气动力学性能的齿可以具有圆形头部、三角形头部或矩形头部或者这些形状的组合。上述选项中的任何选项及所有选项可以单独地应用或组合地应用。
可选择地，支柱在其之间可以具有连接元件或腹板。可选择地，连接元件或腹板可以具有齿、隆起部、凹槽和/或鼓起部，用于改善空气动力学性能，如关于支柱的上文所描述的选项，并且如图11中所示。
作为本发明的另一方面，暴露于空气流的马达支柱的表面可以是纳米结构的，以通过微小漩涡或湍流减小空气摩擦力。通过插入模制工具或者通过将经结构化的箔粘附于或施加于支柱上或者在模制过程之后通过将经结构化的箔压印在支柱上来应用上述结构。
Fraunhofer IFAM在http://www.ifam.fraunhofer.de/content/dam/ifam/de/documents/IFAM-Bremen/2804/fachinfo/infoblaetter/en/oe415/Produktblatt-2804-EN-Lacktechnik-Riblet.pdf上示出了复杂的应用过程。
结构可以根据经验产生或者根据仿生学受到启发。例如，结构的尺寸和形状可能与比如蝴蝶翅膀、稻米叶、鱼鳞、鲨鱼的皮肤肋条的表面相似。鲨鱼皮肤的单一结构是位于100μm大小的区域中。ShartletTM研制了与鲨鱼皮肤表面相近的现有技术方法。
正如包括等效学说的专利法的原理所释义的，在不背离旨在仅由所附权利要求的范围限定的本发明的原理的情况下，能够对具体描述的实施方式进行改变和修改。

Claims (10)

1.一种用于车辆的轴向冷却风扇，所述轴向冷却风扇包括：
电动马达，所述电动马达能够操作成使风扇叶片旋转来使空气运动，以冷却所述车辆的部件；
位于所述电动马达处的定子，所述定子具有将所述电动马达固定地支承在所述车辆处的多个支柱；
其中，所述定子的所述支柱包括前缘表面，所述前缘表面大体上面向流向所述支柱并且经过所述定子的空气；
其中，所述支柱的所述前缘表面包括设置在该前缘表面处的空气动力学结构，所述空气动力学结构包括所述支柱的带齿的前缘，
其中，所述支柱包括尾缘以及在所述前缘表面与所述尾缘之间延伸的侧部，并且其中，所述支柱包括沿着所述支柱的所述侧部中的至少一个侧部的凹槽，其中，当空气经过所述支柱时，所述空气沿着所述凹槽流动，并且
其中，所述凹槽包括下述形式中的至少一者：(i)横跨所述支柱的纵向延伸部和横向延伸部的式样，(ii)z字形形状，(iii)s形形状，以及(iv)y形形状。
2.根据权利要求1所述的轴向冷却风扇，其中，所述凹槽从位于所述前缘的相邻的齿之间的凹部延伸并且沿着所述侧部中的所述至少一个侧部朝向所述尾缘延伸。
3.根据权利要求2所述的轴向冷却风扇，其中，所述凹槽中的至少一个凹槽包括y形形状，并且从位于所述前缘的齿的相反两侧部处的凹陷部朝向所述尾缘延伸。
4.根据权利要求1所述的轴向冷却风扇，其中，所述带齿的前缘的各个齿与所述带齿的前缘的其他各个齿不同。
5.根据权利要求4所述的轴向冷却风扇，其中，所述带齿的前缘的各个齿具有(i)不同形状和/或(ii)不同尺寸。
6.根据权利要求1所述的轴向冷却风扇，其中，相邻的支柱经由位于所述相邻的支柱之间的至少一个连接元件连接，并且其中，所述至少一个连接元件包括前沿表面，所述至少一个连接元件的所述前沿表面处设置有空气动力学结构。
7.根据权利要求1所述的轴向冷却风扇，其中，所述支柱包括模制的聚合物支柱。
8.根据权利要求7所述的轴向冷却风扇，其中，设置在所述支柱的所述前缘表面处的所述空气动力学结构与所述支柱一体地模制。
9.根据权利要求7所述的轴向冷却风扇，其中，设置在所述支柱的所述前缘表面处的所述空气动力学结构附接至所述支柱。
10.一种用于车辆的轴向冷却风扇，所述轴向冷却风扇包括：
电动马达，所述电动马达能够操作成使风扇叶片旋转来使空气运动，以冷却所述车辆的部件；
位于所述电动马达处的定子，所述定子具有将所述电动马达固定地支承在所述车辆处的多个支柱；
其中，所述定子的所述支柱包括前缘表面，所述前缘表面大体上面向流向所述支柱并且经过所述定子的空气；
其中，所述支柱的所述前缘表面包括设置在该前缘表面处的空气动力学结构，所述空气动力学结构包括所述支柱的带齿的前缘，
其中，所述支柱包括尾缘以及在所述前缘表面与所述尾缘之间延伸的侧部，并且其中，所述支柱包括沿着所述支柱的所述侧部中的至少一个侧部的隆起部，其中，当空气经过所述支柱时，所述空气沿着所述隆起部流动，并且
其中，所述隆起部包括下述形式中的至少一者：(i)横跨所述支柱的纵向延伸部和横向延伸部的式样，(ii)z字形形状，(iii)s形形状，(iv)c形形状以及(v)y形形状。
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