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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Lüfter zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.
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Stand der Technik
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Ein Kühlmodul besteht in der Regel aus einem Elektromotor, einem Lüfter und einer Kühlerzarge, welche den Lüfter und den Elektromotor umgibt. Die Kühlerzarge leitet die vom Lüfter angesaugte Luft und dient dazu, die Einheit aus Lüfter und Elektromotor beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs zu befestigen.
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Bei Kurvenfahrten des Kraftfahrzeugs wirkt aufgrund der Kreiselkräfte ein Kippmoment auf den rotierenden Lüfter. Bei der Auslegung der Lüfternabe wird darauf geachtet, dass es nicht zu Kollisionen zwischen dem Lüfter und der Kühlerzarge bei Kurvenfahrten kommen kann. Dies wird in der Regel durch eine steife Lüfternabe realisiert, die das Verkippen des Lüfters vermindert. Aufgrund der engen Einbauräume und der Randbedingungen für die Leitung der Luftströmung, ist es jedoch schwierig, ein Verkippen wirksam zu vermeiden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lüfter bereitzustellen, bei welchem auch bei dem Auftreten starker Kreiselkräfte die Kollisionsgefahr zwischen dem rotierenden Lüfter und der Kühlerzarge minimiert werden kann, so dass der Lüfter mit einem möglichst geringen radialen Abstand zu benachbarten Bauteilen, wie beispielsweise einer Kühlerzarge, montiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Lüfter gemäß Anspruch 1, das Kühlmodul gemäß Anspruch 8 und das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Lüfter vorgesehen, der eine Lüfternabe, an der Lüfternabe angebrachte Lüfterschaufeln und einen Antriebsmotor mit einem Außenläuferrotor umfasst, wobei der Außenläuferrotor innerhalb der Lüfternabe angeordnet ist. Dabei ist der Außenläuferrotor derart in der Lüfternabe angeordnet, dass sich der Außenläuferrotor nach radial außen über integral mit der Lüfternabe ausgebildete Kühlrippen an der radialen Außenwand der Lüfternabe abstützt.
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Somit wirkt der Außenläuferrotor als ein versteifender Einsatz in der Lüfternabe, wodurch sich die Steifigkeit der Lüfternabe erhöht und eine Verformung der Lüfternabe während Kurvenfahrten verringert werden kann. Das Elastizitätsmodul des Außenläuferrotors beträgt ungefähr das 40fache des Elastizitätsmoduls der Lüfternabe, so dass durch die erfindungsgemäße Anordnung des Außenläuferrotors in der Lüfternabe die bisher üblichen Versteifungsrippen im radial inneren Bereich der Lüfternabe eingespart werden können, und dennoch insgesamt eine deutlich höhere Steifigkeit der Lüfternabe erreicht wird.
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Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Lüfter verhindert werden, dass die Lüfterschaufeln oder ein radial außen an den Lüfterschaufeln angeordnetes Lüfterband mit benachbarten Bauteilen in Berührung kommen. Der Lüfter kann somit mit einem geringeren Abstand zu benachbarten Bauteilen angebracht werden, wodurch der vorhandene Platz zur Montage des Lüfters besser ausgenutzt werden kann.
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Dabei kann der Außenläuferrotor eine Mehrzahl von Magneten und einen Rückschlussring umfassen. Um eine besonders gute Verbindung zwischen dem Außenläuferrotor und der Lüfternabe zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass der Außenläuferrotor in die Lüfternabe eingespritzt ist. Hierdurch kann eine stabile, kraftschlüssige Verbindung zwischen der Lüfternabe und dem Außenläuferrotor über den gesamten Umfang des Außenläuferrotors erreicht werden, so dass einerseits der Außenläuferrotor sicher in der Lüfternabe angebracht ist, und andererseits eine hohe Steifigkeit der Lüfternabe mit darin angebrachtem Außenläuferrotor gewährleistet ist.
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Der Rückschlussring des Außenläuferrotors kann sich nach radial außen an den Kühlrippen der Lüfternabe abstützen. Dadurch ist in Richtung nach radial außen eine wirksame Kühlung des Außenläuferrotors gewährleistet. Weiterhin werden Verformungskräfte, welche auf den radial äußeren Bereich der Lüfternabe wirken, über die Kühlrippen auf den Außenläuferrotor übertragen, welcher durch seine hohe Steifigkeit eine Verformung des radial äußeren Bereichs der Lüfternabe verringert.
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Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Kühlrippen wenigstens eine Öffnung in wenigstens einer Wand der Lüfternabe vorgesehen ist, so dass Luft an den Kühlrippen vorbei zirkulieren kann. Dadurch wird sichergestellt, dass der Außenläuferrotor während des Betriebs des Lüfters ausreichend gekühlt wird.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Außenläuferrotor mit den Kühlrippen der Lüfternabe verbindbar ist, insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Außenläuferrotor sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung mit den Kühlrippen verbunden werden kann. Durch eine feste Verbindung zwischen dem Außenläuferrotor und den Kühlrippen der Lüfternabe kann eine Verformung des radial äußeren Bereichs der Lüfternabe verringert werden, da auf die Lüfternabe wirkende Kräfte über den gesamten Umfang gleichmäßig auf den Außenläuferrotor übertragen werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Außenläuferrotor eine Mehrzahl von Magneten und einen Rückschlussring, wobei der Rückschlussring mit den Kühlrippen der Lüfternabe verbindbar ist. Dadurch kann der Außenläuferrotor auf einen Rückschlussring und die Magnete reduziert werden, und es ist kein zusätzlicher Boden des Außenläuferrotors erforderlich. Dadurch kann die Herstellung des Außenläuferrotors vereinfacht werden, und es kann eine besonders gute Kühlung des Rückschlussrings gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Außenläuferrotor eine Mehrzahl von Magneten, einen Rückschlussring und einen Boden, wobei der Boden mit den Kühlrippen der Lüfternabe verbindbar ist. Dadurch kann eine Verbindung zwischen Außenläuferrotor und Kühlrippen sowohl in radialer, als auch in axialer Richtung erreicht werden, wodurch eine besonders hohe Steifigkeit der Lüfternabe erreicht werden kann.
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Dadurch, dass der Außenläuferrotor die Lüfternabe wie oben beschrieben versteift, kann erreicht werden, dass die Lüfternabe bei den im Betrieb maximal vorgesehenen Belastungen in ihrem radial äußeren Bereich eine Verformung von maximal 0,2mm, vorzugsweise von maximal 0,08mm aufweist. Die maximal im Betrieb vorgesehenen Belastungen werden dabei aus den maximal vorgesehenen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Lüfters und den maximal auftretenden Kreiselkräften aufgrund von Kurvenfahrten, Beschleunigungen oder Verzögerungen eines Kraftfahrzeugs, in dem der Lüfter montiert ist, bestimmt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kühlmodul vorgesehen, umfassend einen Lüfter wie voranstehend beschrieben, einen Antriebsmotor und eine Kühlerzarge, innerhalb welcher der Lüfter drehbar montiert ist, und mittels welcher das Kühlmodul in der Nähe eines zu kühlenden Bauteils angebracht werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug vorgesehen, das ein Kühlmodul wie oben beschrieben umfasst.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Kühlmodul entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine perspektivische Ansicht des Lüfters, der in das in 1 gezeigte Kühlmodul eingebaut ist;
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3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der auftretenden Kreiselkräfte;
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4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Verkippung einer nicht ausreichend versteiften Lüfternabe aufgrund eines Kreiselmoments;
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5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Kollisionsgefahr zwischen Lüfterband und Kühlerzarge bei der in 4 gezeigten Verkippung;
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6 eine Ansicht einer Lüfternabe eines Lüfters gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine schematische Schnittansicht einer Lüfternabe gemäß einer ersten Variante der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Kühlmodul 100 einen Lüfter 20, der in einer Kühlerzarge 10 drehbar montiert ist. Das Kühlmodul 100 kann beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs montiert werden kann. Der Lüfter 20 umfasst eine Lüfternabe 22, eine Mehrzahl von Lüfterschaufeln 24 und ein Lüfterband 26.
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Wie in 2 dargestellt, sind die Lüfterschaufeln 24 radial außen an der Lüfternabe 22 angeordnet, und das Lüfterband 26 verbindet die jeweils radial äußeren Enden der Lüfterschaufeln 24. Radial innen an der Lüfternabe 22 ist eine Wellenbuchse 28 angeordnet, mittels derer die Lüfternabe 22 drehbar auf einer Welle (nicht gezeigt) angebracht ist. Der Lüfter wird mittels eines Elektromotors angetrieben, wobei der Stator fest auf der Welle montiert ist und der Außenläuferrotor 30 (siehe 6 und 7) in der Lüfternabe 22 angeordnet und fest mit dieser verbunden ist.
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In 1 ist ersichtlich, dass zwischen dem Lüfterband 28 und der Kühlerzarge 10 ein schmaler Spalt ist, um eine Kollision des sich drehenden Lüfters 20 mit der feststehenden Kühlerzarge 10 zu verhindern.
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Wenn die Kühlerzarge 10 beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs montiert ist, treten bei Betrieb des Lüfters 20 nicht nur Kräfte auf, welche direkt aus der Rotation des Lüfters 20 um seine Achse resultieren, sondern auch Kreiselkräfte aufgrund von Querbeschleunigungen, beispielsweise aufgrund einer Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs oder, je nach Einbaurichtung des Lüfters relativ zur Fahrtrichtung, aufgrund von Beschleunigungen oder Verzögerungen des Kraftfahrzeugs. Diese Kreiselkräfte bewirken eine Verkippung des Lüfters 20, so dass die Lüfternabe 22 verformt wird. Diese Verformung kann zu einer Kollision zwischen dem Lüfterband 28 und der Kühlerzarge 10 führen.
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Um eine derartige Kollision zu vermeiden, kann der Abstand zwischen der Kühlerzarge 10 und dem Lüfterband 28 vergrößert werden. Dann kann allerdings der verfügbare Platz nicht optimal genutzt werden und die Kühlleistung des Lüfters 20 ist möglicherweise nicht ausreichend. Daher wird bei dem erfindungsgemäßen Lüfter 20 die Lüfternabe 22 besonders steif ausgeführt, so dass eine Verformung der Lüfternabe 22 verringert werden kann, und somit eine Kollision des Lüfterbands 28 mit der Kühlerzarge 10 auch dann verhindert werden kann, wenn der Lüfter 20 den vorhandenen Raum möglichst optimal ausnutzt.
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3 und 4 verdeutlichen die auftretenden Kräfte, wenn der Lüfter 20 um eine Drehung um eine Achse gezwungen wird, welche keine Hauptachse des Lüfters ist. Dabei ist ω die Winkelgeschwindigkeit des Lüfters und ωP die Kurvengeschwindigkeit des Fahrzeugs um eine Drehachse, welche im vorliegenden Beispiel senkrecht zur Drehachse des Lüfters verläuft. Der Lüfter 20 versucht, der Drehung aufgrund der Kurvenfahrt rechtwinklig auszuweichen und erzeugt ein Kreiselmoment, das über eine Verformung des Lüfters 20, und insbesondere über eine Verformung im Bodenbereich der Lüfternabe 22, abgefangen wird.
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Das Kreiselmoment M kann für den Fall, dass die Drehachse der Kurvenfahrt senkrecht auf der Drehachse des Lüfters 20 steht, durch M = J·ω·ωP bestimmt werden, wobei das Trägheitsmoment J für einem annähernd zylinderförmigen Lüfter durch J = ½·m· R2 bestimmt ist, wobei m die Masse und R der Radius des Lüfters 20 ist.
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Wie im rechten Teil von 4 gezeigt ist, verursacht das auf den Lüfter 20 wirkende Kreiselmoment eine Verformung im Bodenbereich der Lüfternabe 22. Wenn ein Außenläuferrotor 30, wie in 4 angedeutet, im radial inneren Bereich der Lüfternabe 22 angeordnet ist, tritt die Verformung, wie im rechten Teil von 4 gezeigt, vor allem in den Bereichen der Lüfternabe auf, die sich radial außerhalb des Außenläuferrotors 30 befinden.
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Wie in 5 gezeigt, bewirkt diese Verformung einen Winkelversatz der radialen Außenbereiche des Lüfters 20 gegenüber der Kühlerzarge 10, so dass das Lüfterband 26 oder die Lüfterschaufeln 24 mit der Kühlerzarge 10 kollidieren können.
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Eine nicht versteifte Lüfternabe 22 hat ein relativ geringes Elastizitätsmodul von ca. 5000 MPa. Daher wird eine nicht versteifte Lüfternabe durch bei Kurvenfahrten auftretende Kreiselmomente relativ stark verformt. Allgemein wird die Durchbiegung WA der Nabe durch WA = (F·r3)/(3·E·I) bestimmt, wobei F die anliegende Kraft ist, r der Radius der Lüfternabe 22, E das Elastizitätsmodul der Lüfternabe 22 und I das Flächenträgheitsmoment der Lüfternabe 22 ist.
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Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Elastizitätsmodul E der Lüfternabe 22 dadurch erhöht, dass, wie in 6 gezeigt ist, der Außenläuferrotor 30 in die Lüfternabe 22 eingelegt ist. Für eine wirksame Erhöhung der Steifigkeit muss der Außenläuferrotor 30 dabei möglichst weit radial außen an der Lüfternabe 22 angebracht sein, um die in 4 gezeigte Verformung des radialen Außenbereichs der Lüfternabe 22 zu minimieren.
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Andererseits muss der Außenläuferrotor 30 aber während des Betriebs ausreichend gekühlt werden. Somit ist es nicht möglich, den Außenläuferrotor 30 direkt an die radiale Außenwand 36 der Lüfternabe 22 anliegend anzuordnen, sondern es ist erforderlich, dass Luft um den Außenläuferrotor 30 herum zirkulieren kann. Daher sind bei der vorliegenden Erfindung Kühlrippen 32 zwischen dem Außenläuferrotor 30 und der radialen Außenwand 36 der Lüfternabe 22 vorgesehen.
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Für eine besonders gute Verbindung zwischen der Lüfternabe 22 und dem Außenläuferrotor 30 kann dieser zusammen mit der Lüfternabe 22 eingespritzt werden. Das Einspritzen des Außenläuferrotors 30 in die Lüfternabe 22 erhöht das Elastizitätsmodul dieser von ca. 5000MPa auf 210000MPa.
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Um die Kollisionsgefahr zwischen dem Lüfterband 26 und der Kühlerzarge 10 wirksam zu verringern, ist es notwendig, die Lüfternabe so zu versteifen, dass die Durchbiegung im radialen Außenbereich des Lüfters 20 aufgrund der Nachgiebigkeit der Lüfternabe ≤2mm ist (siehe 5). Durch die großflächige Verbindung des Außenläuferrotors 30 mit der Lüfternabe 22 bei der vorliegenden Erfindung, und dadurch, dass das Elastizitätsmodul des Außenläuferrotors 30 ungefähr das 40fache des Elastizitätsmodul des Nabenwerkstoffs beträgt (210000MPa zu 5000MPa), reduziert sich die Nachgiebigkeit der Nabe auf ca. 0,08mm. Dies ist ausreichend, um die Kollisionsgefahr gegenüber einer herkömmlichen Lüfternabe stark zu verringern. Dann sind weitere Versteifungsrippen in der Lüfternabe 22 überflüssig und können eingespart werden.
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Beim Einlegen des Außenläuferrotors 30 in der Lüfternabe 22 stehen zwei Varianten zur Verfügung.
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Die erste Variante ist in 7 gezeigt. Hierbei umfasst der Außenläuferrotor 30 einen Rückschlussring 38, eine Mehrzahl von Magneten 40 und einen Boden 42. Rückschlussring 38 und Boden 42 können hierbei einstückig als ein Tiefziehblech ausgebildet sein. Die Kühlrippen 32 sind dabei sowohl zwischen der radialen Außenwand 36 der Lüfternabe 22 und dem Rückschlussring 38 des Außenläuferrotors 30, als auch zwischen dem Boden 34 der Lüfternabe 22 und dem Boden 42 des Außenläuferrotors 30 angeordnet, so dass Luft um den Außenläuferrotor 30 herum zirkulieren kann. Der Außenläuferrotor 30 ist über seinen Rückschlussring 38 und seinen Boden 42 sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung mit den Kühlrippen 32 verbunden, so dass eine besonders gute Befestigung des Außenläuferrotors 30 in der Lüfternabe 22 erreicht wird.
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Bei der zweiten Variante wird der Boden 42 des Außenläuferrotors 30 eingespart, und der Außenläuferrotor 30 wird somit auf einen Rückschlussring 38 und eine Mehrzahl von Magneten 40 reduziert. Die Verbindung zwischen dem Außenläuferrotor 30 und der Lüfternabe 22 wird ebenfalls über die Kühlrippen 32 realisiert, wobei bei dieser Variante eine Abstützung und Befestigung des Außenläuferrotors 30 an den Kühlrippen 32 lediglich in radialer Richtung möglich ist. Dafür ermöglicht die zweite Variante gegenüber der ersten Variante eine verbesserte Kühlung des Außenläuferrotors 30, da die Luftzirkulation um die Magnete 40 und den Rückschlussring 38 herum verbessert ist.
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Bei beiden Varianten können für eine verbesserte Luftzirkulation im Boden 34 der Lüfternabe 22 zusätzliche Belüftungsöffnungen vorgesehen sein.
