DE102018129612A1

DE102018129612A1 - Rotorbaugruppe

Info

Publication number: DE102018129612A1
Application number: DE102018129612.6A
Authority: DE
Inventors: Volker Ehlers; Frederick Wursthorn
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-05-28
Also published as: US11808273B2; CN209724779U; KR20210094526A; EP3853482A1; CN113015855A; US20220003237A1; WO2020104127A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochdrehzahl-Radialventilator sowie eine Rotorbaugruppe (10) für einen Hochdrehzahl-Radialventilator umfassend ein innen axial offenes Lagerrohr (20) in dem eine, ein Ventilatorrad (30) tragende Welle (40) mit einem Rotor (50) gelagert ist, wobei der Rotor (50) der Rotorbaugruppe (10) in einem zylinderförmigen Spalttopf (3) gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorbaugruppe mit Ventilatorrad sowie einen Radiallüfter mit einer solchen Rotorbaugruppe.
Bei gewissen Applikationen von Radialventilatoren besteht das grundsätzliche Problem, dass eine Abdichtung zwischen dem Rotor und dem Stator bzw. der Elektronik benötigt wird, so dass ein Medium nicht zum Stator oder in das Elektronikgehäuse gelangen kann.
Bei langsam laufenden Pumpen finden sich bereits Lösungen, welche über eine magnetische Kupplungsscheibe von einer magnetischen Gegenkupplung von außen durch ein Spalttopfgehäuse angetrieben wird. Diese magnetische Gegenkupplung wird z. B. direkt oder separat angeflanscht und über einen Elektromotor angetrieben.
Diese Bauweise umfasst viele Komponenten und benötigt aufgrund der Magnetkupplung einen vergleichsweise großen Bauraum. Bei den hohen Drehzahlen eines Radialgebläses lässt sich demnach eine kompakte Einheit mit hoher Leistungsdichte mit separater Magnetkupplung nicht sinnvoll realisieren.
Eine Abdichtung des Elektronikbereichs ohne Spalttopf mit Hilfe von schleifenden Wellendichtringen erzeugt unerwünschte Reibung und einen hohen Verschleiß. Hier sind ebenfalls die hohen Drehzahlen der limitierende Faktor.
Hochdrehzahlanwendungen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Drehzahlen des Ventilatorrads bei denen die Umfangsgeschwindigkeit am Radialverdichter-Austritt mindestens 60 m/s beträgt.
Insofern lassen sich die bekannten Lösungen aus dem Bereich von vergleichsweise langsam drehenden Spalttopfpumpen unter Verwendung von Spaltrohrmotoren nicht auf Hochdrehzahlventilatoren übertragen.
Ferner erfordert der klassische Aufbau eine Trennung der Lagersitze. Eine passgenaue Lagerfluchtung der Lager und Lagersitze kann jedoch nur mit hohem Aufwand gewährleistet werden. Das Auswuchten einer solchen Einheit muss aufgrund der beidseitigen Lagerung in zwei Schritten erfolgen. Zuerst muss der Anker in einem ersten Schritt gewuchtet werden, danach muss die Kompletteinheit gewuchtet werden, weil der Anker unzugänglich ist.
Sofern zur Mediendichtung auf geteilte oder mehrteilige Gehäuse zurückgegriffen wird oder zum Beispiel einen einseitig offenen Spalttopf, so besteht nach der Montage der Rotoreinheit immer noch das Problem der Abdichtung zwischen dem Stator und dem Rotor. So kann man die Rotoreinheit z. B. zunächst vollständig aufbauen wenn das Lagerrohr als z. B. umspritzte Komponente im Primärgehäuse angebracht ist. In diesem Fall ist es aber erforderlich, dass der Spalttopf von hinten offen konstruiert ist und dieser daher nach Abschluss aller Montageschritte verschlossen und abgedichtet werden muss.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Rotorbaugruppe eines Radialventilators, insbesondere eines Hochdrehzahl- Radialventilators bereit zu stellen, die eine optimierte Montagemöglichkeit bietet und bei der gleichzeitig eine Dichtung zwischen dem Rotor und dem Stator geschaffen werden kann bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Rotorbaugruppe für einen Hochdrehzahl-Radialventilator vorgeschlagen, umfassend ein innen axial offenes Lagerrohr in dem eine, ein Ventilatorrad tragende Welle mit einem Rotor gelagert ist, wobei der Rotor der Rotorbaugruppe in einem zylinderförmigen Spalttopf eines Gehäuses gelagert ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Radialventilator mit einem Ventilatorgehäuse, welches einteilig mit dem Spalttopf ausgebildet ist und demnach die Rotorbaugruppe im Spalttopf des Ventilatorgehäuses untergebracht ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass das Lagerrohr mit der Welle und dem auf der Welle gelagerten Rotor in dem umfangsgeschlossenen Spalttopf angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Konstruktion vorgesehen, bei der sich der Spalttopf in Axialrichtung von einer im Wesentlichen flachen Gehäusebodenplatte des Ventilatorgehäuses weg erstreckt. Ebenso ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Rotor und einem den Rotor (50) umgebenden Stator ein Luftspalt ausgebildet ist und der Spalttopf mit seinen zylindrischen Spalttopfwänden im Luftspalt angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich ein Antrieb der Ventilatorwelle ohne die Notwendigkeit einer Magnetkupplung unmittelbar realisieren.
Es ist weiter bevorzugt, wenn das Material des Spalttopfs kein guter elektrischer Leiter ist, da dies zu Wirbelstromverlusten durch den rotierenden Magneten führt. Der Durchgangswiderstand des Spalttopfmaterials sollte 10 Ohm nicht unterschreiten. Ebenso ist eine magnetische Permeabilität des Spalttopfmaterials nahe 1 zu bevorzugen, da sonst Teile des Magnetfeldes abgeschrimt werden.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Welle an einem ersten im Lagerrohr angeordneten Lager und einem dazu in Axialrichtung beabstandeten zweiten im Lagerrohr angeordneten Lager zentral in einem Bereich zwischen dem Ventilatorrad und dem Rotor gelagert sind.
Die Topologie des Motors ist bestimmungsgemäß für hohe Drehzahlen optimiert. Zur Reduzierung der elektrischen Felddrehzahl hat der Rotor die minimale Polpaarzahl von 1 oder 2 Polen. Dadurch ist es möglich, einen großen magnetischen Luftspalt zu akzeptieren, ohne dabei zu große Wirkungsgradverluste in Kauf nehmen zu müssen. In diesem magnetischen Luftspalt kann der Spalttopf platziert werden, der den Rotorbereich vom Statorbereich trennt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass der Rotor des Motors genau 2 oder 4 Pole aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator von einem Gehäuse umgeben ist, welches einen Aufnahmeraum für den Stator und vorzugsweise eine im Aufnahmeraum installierte Motorelektronik bereitstellt, wobei das Gehäuse gegenüber dem Ventilatorgehäuse abgedichtet und mit diesem verbunden ist.
Zur einfacheren Montage lagert das Lagerrohr mit einer radialen Auskragung auf einer Gehäusebodenplatte des Ventilatorgehäuses auf und ist mit dem Ventilatorgehäuse mittels einer Verbindungsanordnung verbunden, wobei sich die Auskragung zumindest teilweise über den Außenumfang des Ventilatorrads erstreckt.
Die Vorteile der Erfindung lassen sich demnach wie folgt zusammenfassen:

- Bestmögliche Dichtheit zwischen Rotor und Elektronikbereich durch einteiligen, nahtlosen Spalttopf,
- Kompaktes Design mit wenigen Komponenten durch Direktantrieb des Rotors durch den Stator ohne Magnetkupplung
- Gute Hochdrehzahleignung durch zentrales Lagerrohr und einfache Wuchtbarkeit in Betriebslagerung.
- Verbesserte Ableitung der auftretenden Verlustwärme aufgrund der hohen Leistungsdichte.

Das konstruktive Konzept lässt sich durch verschiedene Skalierungsoptionen weiter an verschiedene Arbeitspunkte anpassen. Solche Skalierungsoptionen sind z. B. der Lüfterdurchmesser, die Lüfterdrehzahl, die Lüfterform, die Lüfterradschaufelhöhe, der Querschnitt des Spiralgehäuses, der Durchmesser der Stutzen, die Größe der Kugellager, die Aktivlänge des Motors, der Durchmesser des Stators, der Durchmesser des Magneten, die Größe des Luftspalts, der Aufbau der Leiterplatte, die Wicklungskonfiguration und der Wellendurchmesser.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Rotorbaugruppe,
2 eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Radialventilators,
3 eine perspektivische Schnittansicht durch das Ausführungsbeispiel gemäß 2 und
4 bis 8 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 8 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In den 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Hochdrehzahl-Radialventilators 1 mit einer Rotorbaugruppe 10 gezeigt.
Die Rotorbaugruppe 10 umfasst ein innen axial offenes Lagerrohr 20. In dem Lagerröhr 20 ist eine Welle 40 gelagert, wobei auf der Welle 40 ein Rotor 50 eines Spalttopfmotors gelagert ist. Zwischen dem Rotor 50 und einem den Rotor 50 umgebenden Stator 51 ist ein Luftspalt ausgebildet und der Spalttopf ist mit seinen zylindrischen Spalttopfwänden 3a im Luftspalt angeordnet. Der insofern außenliegende Stator 51 des Motors ist wiederum in einem Gehäuse 52 angeordnet. Der Rotor 50 weist in diesem Ausführungsbeispiel genau 2 Pole auf.
Das Gehäuse 52 bildet einen Aufnahmeraum für den Stator 51 und die Motorelektronik 55 aus, wobei das Gehäuse 52 gegenüber dem Ventilatorgehäuse 2 an Dichtungsflächen 56 abgedichtet und mit diesem verbunden ist.
Das Lagerrohr 20 weist eine nach außen ragende radiale Auskragung 21 auf.
In der Schnittansicht gemäß der 1 ist gut zu erkennen, dass sich Auskragung 21 über den Außenumfang 31 des Ventilatorrads 30 erstreckt. Die Auskragung 21 ist im Wesentlichen als eine runde plattenförmige Auskragung ausgebildet, deren Durchmesser größer ist, als der Durchmesser des Ventilatorrads 30.
Die Auskragung 21 besitzt ferner einen außen umlaufenden nach oben ragenden Kragen 23, der sich in Axialrichtung A erstreckt und den radialen Randbereich 32 des Ventilatorrads 30 radial außen umschließt. Anders ausgedrückt, ist das Ventilatorrad 30 so auf der Welle 40 platziert, dass das Ventilatorrad 30 in die Vertiefung in der Auskragung 21 angeordnet ist.
Die Welle 40 wird zwischen zwei Lager 24, 25 gelagert, wobei eine Feder 28 gegen das erste Lager 24 vorgespannt ist, die sich an einem inneren Bundsteg 29 abstützt. Das zweite (in der 1 untere Lager 25) sitzt am unteren Ende des Lagerrohrs 20 und ist gegen den Bundsteg 29 gelagert. Durch das untere Lager 25 ragt die Welle 40 mit dem Rotor 50.
In der 1 und 2 ist ferner das Ventilatorgehäuse 2 gezeigt. Das Lagerrohr 20 ragt dabei mit der Welle 40 und dem auf der Welle 40 gelagerten Rotor 50 in einen umfangsgeschlossenen (oben offenen) Spalttopf 3, der Teil des Ventilatorgehäuses 2 des Radialventilators 1 ist und ist mit diesem einteilig ausgebildet.
Der Spalttopf 3 des Gehäuses 2 erstreckt sich in Axialrichtung von einer im Wesentlichen flachen Gehäusebodenplatte 2a des Ventilatorgehäuses 2 weg. Das Lagerrohr 20 lagert mit seiner radialen Auskragung 21 auf der Gehäusebodenplatte 2a auf und ist mit dem Ventilatorgehäuses 2 mittels einer Schraubverbindung verbunden.
In den 4 bis 8 finden sich weitere Ausführungsformen der Erfindung, wobei insbesondere die Gestaltung des Gehäuses 2, des Spalttopfs 3, des Lagerrohrs 20 und die Gestaltung des Wärmeableitabschnitts 23 in einer alternativen Form erfolgt sind. Zu erkennen ist auch die Auskragung des Spalttopfs 3v, welche sich zwischen ein Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil des Gehäuses 2 erstreckt. In der 9 ist ferner ersichtlich, dass im Bereich des Wärmeableitabschnitts 23 eine Befestigungsöffnung vorgesehen ist, um die Auskragung des Lagerrohrs 20 an der Auskragung des Spaltrohrs 3 zu befestigen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. So könnte die Bauform entsprechend applikationsspezifischer Skalierungsoptionen, wie oben näher erläutert, an die Applikation angepasst werden.

Claims

Rotorbaugruppe (10) für einen Hochdrehzahl-Radialventilator umfassend ein innen axial offenes Lagerrohr (20) in dem eine, ein Ventilatorrad (30) tragende Welle (40) mit einem Rotor (50) gelagert ist, wobei der Rotor (50) der Rotorbaugruppe (10) in einem zylinderförmigen Spalttopf (3) gelagert ist.
Radialventilator (1) mit einer Rotorbaugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialventilator ein Ventilatorgehäuse (2) aufweist, welches einteilig mit dem Spalttopf (3) ausgebildet ist.
Radialventilator (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerrohr (20) mit der Welle (40) und dem auf der Welle (40) gelagerten Rotor (50) in dem umfangsgeschlossenen Spalttopf (3) angeordnet ist.
Radialventilator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spalttopf (3) in Axialrichtung von einer im Wesentlichen flachen Gehäusebodenplatte (2a) des Ventilatorgehäuses (2) weg erstreckt.
Radialventilator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (50) und einem den Rotor (50) umgebenden Stator (51) ein Luftspalt ausgebildet ist und der Spalttopf (3) mit seinen zylindrischen Spalttopfwänden (3a) im Luftspalt angeordnet ist.
Radialventilator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Spalttopfs (3) ein Isolator ist oder einen Durchgangswiderstand von größer 10 Ohm aufweist.
Radialventilator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (40) an einem ersten im Lagerrohr (20) angeordneten Lager (24) und einem dazu in Axialrichtung beabstandeten zweiten im Lagerrohr (20) angeordneten Lager (25) in einem Bereich zwischen dem Ventilatorrad (30) und dem Rotor (50) gelagert sind.
Radialventilator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (50) genau 2 oder genau 4 Pole aufweist.
Radialventilator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (51) von einem Gehäuse (52) umgeben ist, welches einen Aufnahmeraum für den Stator (51) und vorzugsweise eine im Aufnahmeraum installierte Motorelektronik bereitstellt, wobei das Gehäuse (52) gegenüber dem Ventilatorgehäuse (2) abgedichtet und mit diesem verbunden ist.
Radialventilator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerrohr (20) mit einer radialen Auskragung (21) auf einer Gehäusebodenplatte (2a) auflagert und mit dem Ventilatorgehäuses (2) mittels einer Verbindungsanordnung verbunden ist, wobei die Auskragung (21) zumindest teilweise über den Außenumfang (31) des Ventilatorrads (30) erstreckt.