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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Lüfterrad
zur Förderung
von Kühlluft
für eine
elektrische Maschine mit einem Scheibenteil, von dem Lüfterschaufeln
ausgehen, die entlang des Umfangs des Lüfterrads radial nach außen gerichtet
sind und in Achsrichtung weisen, wobei die Lüfterschaufeln zumindest jeweils eine
Schaufelhinterkante mit der Höhe
h und eine geneigte Schaufelvorderkante aufweisen, wobei die Lüfterschaufeln
durch eine Einhüllende
beschreibbar sind.
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Bei
den zumeist als Radiallüfter
ausgebildeten Lüftern
aus Blech zur Kühlluftförderung
für elektrische
Maschinen ist die Minderung der im Betrieb auftretenden Geräusche ein
ständiges
Anliegen. Bei der Förderung
von Kühlluft
spielt unter anderem das Wirbelgeräusch im Bereich der Lüfterschaufeln
eine große
Rolle für
die gesamte Geräuschentwicklung des
Lüfters.
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Eine
Maßnahme
zur Absenkung des Strömungsgeräusches einer
elektrischen Maschine, insbesondere eines Kfz-Generators ist, den
Kühlluftdurchsatz
zu verkleinern. Das ist immer dann möglich, wenn die Anforderungen
an die Kühlung
der Bauteile der Maschine nicht zu hoch sind.
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Um
den Kühlluftdurchsatz
zu verkleinern, müssen
Lüfter
verwendet werden, die eine kleinere Förderleistung haben als die vorhandenen
Lüfter,
die einen Ausgangszustand darstellen. Diese bekannten Lüfter haben
die Schaufelvorderkante der Schaufel zu der Drehachse des Lüfters leicht
geneigt.
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Um
den Konstruktionsaufwand klein zu halten, werden üblicherweise
die neuen Lüfter
aus den vorhandenen Lüftern
abgeleitet, indem die Schaufelhöhe
gekürzt
wird.
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Dadurch
verschlechtern sich jedoch die Strömungsverhältnisse im Bereich des Lüfters im
eingebauten Zustand. Es kommt zu verstärkter Wirbelbildung an den
Schaufelspitzen, und die Lüfter
haben ein höheres
spezifisches Geräusch.
Das spezifische Geräusch
ist das Strömungsgeräusch bezogen
auf den Kühlluftdurchsatz.
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Bei
der gekürzten
Lüfterschaufel
ist der Abstand zwischen Schaufelspitze und Lagerschild größer als
im Ausgangszustand. In einem dadurch entstehenden Spalt wird die
Strömung
nicht mehr von der Schaufel geführt,
so dass es aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Eintritt und
dem Austritt der Schaufel zu einer Rückströmung von dem Eintritt nach
dem Austritt kommt. Das führt
zu Wirbelbildung und einem erhöhten
spezifischen Geräusch.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Förderleistung des Lüfters im
Vergleich zu einem Ausgangszustand auf eine andere Weise als durch Verkürzung der
Schaufelhöhe
zu verringern, ohne die Strömungsverhältnisse
am Lüfter
zu verschlechtern.
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Diese
Aufgabe wird durch das Lüfterrad
zur Förderung
von Kühlluft
für eine
elektrische Maschine gemäss
den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass
- – die
Einhüllende
durch die Schaufelhinterkante, einer von der Höhe h ausgehenden und zum Scheibenteil
parallelen Strecke, einer Verbindungslinie und einer projizierten
Oberfläche
des Scheibenteils gebildet ist, wobei die Verbindungslinie eine
Gerade zwischen einem von der Schaufelhinterkante abgewandten Ende
der Strecke und einem Schnittpunkt der geneigten Schaufelvorderkante
mit dem Scheibenteil ist und die Verbindungslinie die Schaufelvorderkante
in zumindest einem Punkt berührt,
wobei
- – das
Verhältnis
der Länge
b der Strecke zu der Schaufelhöhe
h im Bereich von 0,08 ≤ b/h ≤ 0,60 liegt.
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Wird
die Schaufelhöhe
eines Lüfters
beibehalten, und nur die Schaufelvorderkante stärker zu der Drehachse des Lüfters geneigt,
und zwar in der Weise, dass für
das oben angegebene Verhältnis
b/h die Beziehung 0,08 ≤ b/h ≤ 0,60 gilt,
so führt
das zu einem kleineren Kühlluftdurchsatz
ohne dass es zu einer verstärkten
Wirbelbildung und Erhöhung
des spezifischen Geräusches
kommt.
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Bei
einer bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante
eine konkave Form aufweist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante
und die Schaufeloberkante gemeinsam eine durchlaufende etwa S-förmige Kante
bilden, wobei einem konkaven Bogenabschnitt der Schaufelvorderkante
nach radial außen
ein konvexer Bogenabschnitt der Schaufeloberkante folgt. Der Vorteil
bei dieser Variante ist ebenfalls darin zu sehen, dass die Verletzungsgefahr bei
der Montage und bei der Handhabung des Läufers mit montierten Lüftern geringer
ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante
eine Gerade ist.
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Bei
noch einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante
eine Tangente ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines, beispielsweise als Radiallüfterrad
ausgeführten
Lüfterrads
nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung in perspektivischer Ansicht;
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2 eine
Seitenansicht auf eine Schaufel des in der 1 dargestellten
Lüfterrads;
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3 rein
schematisch eine Strömung
am Lüfter
mit erfindungsgemäß stark
geneigter Vorderkante einer Schaufel des in der 1 dargestellten Lüfterrads,
wobei die Vorderkante nach dem Ausgangszustand strichliniert und
die gekürzte
Schaufelhöhe
strichpunktiert angedeutet sind;
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4 ein
Diagramm, das das spezifische Strömungsgeräusch 12. Ordnung über der
Generatordrehzahl für
die Lüfter
mit stark geneigter Schaufelvorderkante nach der Erfindung im Vergleich
zu den bekannten Lüftern
mit gekürzten
Schaufelhöhe bei
gleichem Durchsatz zeigt; und
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5 ein Balkendiagramm, das die Pegeldifferenzen
des Strömungsgeräusches der
Lüfterordnungen 9 bis 15 über der
Drehzahl für
die Lüfter
mit stark geneigter Schaufelvorderkante nach der Erfindung im Vergleich
zu den bekannten Lüftern
mit gekürzter
Schaufelhöhe
bei gleichem Durchsatz darstellt.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Die
Darstellung der 1 zeigt ein, beispielsweise
als Radiallüfterrad
ausgeführten,
allgemein mit 10 bezeichnetes Lüfterrad in perspektivischer
Darstellung.
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Das
Lüfterrad 10 ist
als Stanz-Biegeteil aus Blech gefertigt. Es kann beispielsweise
in an sich bekannter Weise durch einen nicht gezeigten Elektromotor
angetrieben werden oder am Klauenpolläufer eines Kfz-Generators befestigt
sein und weist dazu eine zentrale Öffnung 12 zur Befestigung
an einer nicht gezeigten Maschinenwelle auf.
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An
einem Scheibenteil 14, das die zentrale Öffnung 12 enthält, sind
radial entlang des Umfangs nach außen gerichtete und in Achsrichtung
weisende Lüfterschaufeln 16 angeordnet.
Senkrecht zur Achsrichtung erstrecken sich die Lüfterschaufeln 16 geradlinig
entlang des Umfangs des Lüfterrads,
wobei sie jeweils in einer gedachten Ebene liegen, die parallel
und im Abstand zu der Drehachse 24 des Lüfterrads 10 verläuft.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 ist ein Radiallüfter mit N = 10 Lüfterschaufeln 16 dargestellt. Die
Lüfterschaufeln 16 sind
mit ungleichen Abständen
entlang des Umfangs des Lüfterrads 10 angeordnet,
um das Lüftergeräusch im
Betrieb weiter zu reduzieren. Aufgrund der ungleichmäßigen Schaufelteilungen
verteilt sich die Schalleistung der Lüfter auf die Ordnungen 9 bis 15.
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In 2 ist
eine Lüfterschaufel 16 schematisch
dargestellt, die radial von der Drehachse 24 des Radiallüfterrads 10 nach
außen
gerichtet ist und von dem nur schematisch angedeuteten Scheibenteil 14 in
Achsrichtung nach oben weist. Die Lüfterschaufel 16 besitzt eine
Schaufelhinterkante 28, die parallel zur Drehachse 24 verläuft und
die die Höhe
h aufweist, eine Schaufeloberkante 30 mit der Länge b und
eine zur Drehachse 24 stark geneigte Schaufelvorderkante 26.
Bei der gleichen Schaufelhöhe
h wie bei dem Stand der Technik ist die Schaufelvorderkante 26 zu
der Drehachse 24 stärker
geneigt als bei dem Stand der Technik, so dass die Förderleistung des
Lüfters
mit solchen erfindungsgemäßen Lüfterschaufeln 16 gegenüber dem
Stand der Technik reduziert wird. Gleichzeitig kommt aber ebenfalls
zur Reduzierung des Geräusches
bei der Förderung
von Kühlluft.
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Die
Lüfterschaufel 16 kann
durch eine Einhüllende 50 beschrieben
werden. Die Einhüllende 50 besteht
erfindungsgemäß aus den
Linien gebildet aus der projizierten Oberfläche 43, der Schaufelhinterkante 28,
der zum Scheibenteil 14 parallelen Strecke 46 und
der Verbindungslinie 49. Dabei ist die Verbindungslinie 49 eine
Gerade zwischen einem von der Schaufelhinterkante 28 abgewandten
Ende der Strecke 46 und einem Schnittpunkt 40 der
geneigten Schaufelvorderkante 26 mit dem Scheibenteil 14.
Die Verbindungslinie 49 berührt die Schaufelvorderkante 26 in
zumindest einem Punkt.
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In 2 sind
mehrere Varianten der Durchführung
der Schaufelvorderkante 26 angedeutet. Bei einer dieser
Varianten, die strichpunktiert angedeutet ist, ist die Schaufelvorderkante 26 konkav
ausgebildet, d.h. dass sie die Form eines konkaven Bogens zwischen
dem Schnittpunkt 38 der Schaufelvorderkante 26 mit
der Schaufeloberkante 30 und dem Schnittpunkt 40 der
Schaufelvorderkante 26 mit dem Scheibenteil 14 aufweist.
Bei einer weiteren dieser Varianten, die strichliniert angedeutet
ist, bilden die beiden ursprünglich
geradlinigen Schaufelvorderkante 26 und Schaufeloberkante 30 gemeinsam
eine durchlaufende Kante, die entfernt Ähnlichkeit mit der Form des
Buchstabes S aufweist, wobei einem konkaven Bogenabschnitt der Schaufelvorderkante 26 nach
radial außen
ein konvexer Bogenabschnitt der Schaufeloberkante 30 folgt,
und die zwischen dem Schnittpunkt 42 der Schaufeloberkante 30 mit
der Schaufelhinterkante 28 und dem Schnittpunkt 40 der Schaufelvorderkante 26 mit
dem Scheibenteil 14 verläuft. Besonders günstig ist
dabei, wenn die Schaufelvorderkante 26 eine Tangente an
die Verbindungslinie 49 ist. Bei noch einer weiteren dieser
Varianten, die als Volllinie angedeutet ist, ist die Schaufelvorderkante 26 eine
Gerade.
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In 3 ist
schematisch eine Strömung
am Lüfter
mit stark geneigter Schaufelvorderkante 26 einer erfindungsgemäßen Lüfterschaufel 16 des
in der 1 dargestellten Lüfterrads 10 gezeigt,
wobei die Schaufelvorderkante nach dem Ausgangszustand strichliniert
und die gekürzte
Schaufelhöhe
nach dem Stand der Technik strichpunktiert für den Vergleich mit der Erfindung
angedeutet sind.
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Das
Scheibenteil 14 der Lüfterschaufel 16 ist zu
einem Polrad 34 auf einer nicht dargestellten Antriebswelle
befestigt. Im Abstand zum Polrad 34 ist in radialer Richtung
ein Wickelkopf 36 angeordnet. Im Abstand zu der Lüfterschaufel 16 in
axialer Richtung ist ein Lagerschild 32 angeordnet. Durch
die Pfeile P wird die Strömung
der Kühlluft
im Bereich der Lüfterschaufel 16 bei
der Schaufelgeometrie nach der Erfindung angedeutet.
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Durch
die Versuche wurde festgestellt, dass besonders gute Ergebnisse
bei der Geräuschminderung
bei den Lüftern
mit erfindungsgemäßen Lüfterschaufeln 16 dann
erreicht werden können,
wenn die Beziehung der Länge
b der Schaufeloberkante 30 zu der Schaufelhöhe h im
Bereich von 0,08 bis 0,60 liegt, wobei für das Verhältnis b/h die Beziehung 0,08 ≤ b/h ≤ 0,60 gilt.
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Für den Vergleich
einer Geräuschbildung
bei den bekannten Luftern mit gekürzten Schaufelhöhen und
bei den erfindungsgemäßen Lüftern wurde
die Messung mit einem Kfz-Generator durchgeführt. Auf dem Polrad wurden
jeweils zwei Lüfter
montiert. Der erste Lüfter
mit 12 Schaufeln gemäß der Erfindung mit
der Schaufelhöhe
h von 10 mm und der Länge
b der Schaufeloberkante 30 von 2 mm, d.h. mit dem Verhältnis b/h
von 0,2, wurde mit einem entsprechenden bekannten Lüfter mit
der gekürzten
Schaufelhöhe
von 7,5 mm und der Länge
b der Schaufeloberkante von 8,1 mm verglichen. Der zweite Lüfter 10 mit
10 Schaufeln gemäß der Erfindung
mit der Schaufelhöhe
h von 13 mm und der Länge
b der Schaufeloberkante 30 von 2 mm, d.h. mit dem Verhältnis b/h
von 0,15, wurde mit einem entsprechenden bekannten Lüfter mit
der gekürzten
Schaufelhöhe
von 10 mm und der Länge
b der Schaufeloberkante von 13,7 mm verglichen. Aufgrund der ungleichmäßigen Schaufelteilungen
verteilte sich die Schallleistung der Lüfter auf die Ordnungen 9 bis 15.
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Die
Ergebnisse dieser Vergleichung sind in 4 auf einem
Diagramm dargestellt, welches die gemessenen spezifischen Strömungsgeräusche 12. Ordnung über der
Generatordrehzahl für
die Lüfter mit
einer erfindungsgemäß stark
geneigten Schaufelvorderkante, vgl. die Kurvenlinie A, im Vergleich
zu den bekannten Lüftern
mit gekürzten
Schaufelhöhe, vgl.
die Kurvenlinie B, bei gleichem Durchsatz zeigt. Auch die Geräuschpegel
der anderen Ordnungen der Lüfter
sind bei den Lüftern
mit erfindungsgemäß stärker geneigten
Schaufelvorderkanten niedriger als bei den bekannten Lüftern mit
gekürzter
Schaufelhöhe.
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In 5 wird ein Balkendiagramm gezeigt, das
die Pegeldifferenzen des Strömungsgeräusches der
Geräuschpegelordnungen 9 bis 15,
gemittelt im Drehzahlbereich 6000 rpm – 18000 rpm, über der Drehzahl
für die
Lüfter
mit stark geneigter Schaufelvorderkante 26 im Vergleich
zu den Lüftern
mit gekürzter
Schaufelhöhe
bei gleichem Durchsatz darstellt.
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In 5 stellt die oberste horizontale Linie, die
eine Nulldifferenz bezeichnet, den Geräuschpegel des bekannten Lüfters mit
gekürzter
Schaufelhöhe
dar. Wie aus der 5 geht hervor, lagen
die Geräuschpegel
der Lüfter
mit dem erfindungsgemäß stark
geneigten Schaufelvorderkanten 26, die durch die schwarzen
Balken dargestellt sind, bis zu 5 dB unter dem Geräuschpegel
der Lüfter
mit gekürzten Schaufeln.
Das bedeutet, dass die Ordnungen der Lüfter mit stark geneigten Schaufelvorderkanten 26 bei
gleichem geförderten
Kuhlluftdurchsatz durchweg niedrigere Geräuschpegel als die bekannten Lüfter mit
gekürzten
Schaufelhöhen
hatten. Mit anderen Worten ist mit gleichem Kühlluftdurchsatz das Geräusch der
Lufter mit erfindungsgemäßen Schaufeln 16 leiser
als bei den bekannten Lüftern
mit gekürzten
Schaufelhöhe.