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Die Erfindung betrifft ein Radiallüfterrad
zur Förderung
von Kühlluft
für eine
elektrische Maschine mit einer Mehrzahl von entlang des Umfangs
des Lüfterrads
angebrachten Lüfterschaufeln,
wobei verschiedene benachbarte Lüfterschaufeln
entlang des Umfangs ungleiche Winkelabstände aufweisen.
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Bei den zumeinst als Radiallüfter ausgebildeten
Lüftern
aus Blech zur Kühlluftförderung
für elektrische Maschinen
ist die Minderung der im Betrieb auftretenden Geräusche ein
ständiges
Anliegen. Typischerweise steht für
die Unterbringung des Lüfterrads
nur ein sehr beschränktes
Platzangebot zur Verfügung,
so dass die Lüfterschaufeln
nahe an den Kanten eines Lüftergehäuses vorbeistreifen.
Dies führt
zu stark erhöhten
Lüftergeräuschen mit
einer charakteristischen Frequenz, die in der Literatur oft als
Sirenentöne
bezeichnet werden.
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Es ist bereits vor Langem vorgeschlagen
worden, dem Problem der Sirenentöne
bei einem vielschaufligen Lüfter
dadurch zu begegnen, dass die Abstände zwischen benachbarten Lüfterschaufeln
nicht gleichmäßig, sondern
in der Aufeinanderfolge des Lüfterumfangs
um kleine Beträge
monoton ansteigend gewählt
werden. Um keine zu starke Unwucht entstehen zu lassen, wird der
Lüfterumfang
in zwei Sektoren unterteilt, innerhalb deren die Abstände benachbarter
Lüfterschaufeln
jeweils in ihrer Aufeinanderfolge der Größe nach geordnet sind. Es hat
sich jedoch herausgestellt, dass durch eine derartige Anordnung
lediglich eine Frequenzmodulation gegenüber dem Lüfterton eines Lüfters mit
gleichmäßiger Schaufelanordnung
erreicht wird und dass die durch die Frequenzmodulation entstehenden
Obertöne
als für
das menschliche Ohr besonders unangenehm empfunden werden.
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Zur Abhilfe schlägt daher die Druckschrift
DE 1 253 402 vor, die Abstände t zwischen
benachbarten Schaufeln eines vielschaufligen Radiallüfters aus
der möglichst
gleichmäßigen Teilung
der Differenz zwischen dem größten Abstand
tmax und dem kleinsten Abstand tmin durch die Schaufelzahl N zu
ermitteln. Ein Ungleichmäßigkeitsgrad
u der Verteilung wird durch die Beziehung
u =
(tmax – tmin)
/ tavg definiert, wobei tavg = (tmax + tmin)/2 ein mittlerer
Abstand zweier Lüfterschaufeln
ist. Der Ungleichmäßigkeitsgrad
u wird bei den Lüfterrädern der
Druckschrift
DE 1 253 402 mindestens
gleich 0,5, vorzugsweise größer als
1,0 gewählt.
Neben diesem großen
Ungleichmäßigkeitsgrad
kommt es bei dem in der Druckschrift
DE 1
253 402 beschriebenen Lüfter
besonders darauf an, dass die Lüfterschaufeln
möglichst
unregelmäßig längs des
Umfangs des Lüfters
verteilt sind. Um dies zu erreichen, wird das Lüfterrad in mindestens zwei
Sektoren mit gleicher Schaufelzahl untereilt, wobei in jedem Sektor
die Aufeinanderfolge der Abstände
von ihrer zahlenmäßig geordneten
Aufeinaderfolge zum einen stark abweicht und zum anderen von Sektor
zu Sektor unwiederholt anders ist. Die wirksamste Geräuschverminderung
wird gemäß der Druckschrift
DE 1 253 402 dann erreicht,
wenn sämtliche
Abstände
zwischen benachbarten Lüfterschaufeln
voneinander verschieden gewählt werden.
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Durch die ungleichmäßige Verteilung
der Lüfterschaufeln
am Umfang wird eine Umverteilung der erzeugten Schallleistung von
einer einzigen auf eine Reihe unterschiedlicher Frequenzen erreicht.
Dabei gilt, dass eine ungleichmäßigere Verteilung
der Schaufeln am Umfang zu einer breiteren Frequenzverteilung innerhalb
des Lüftergeräusches führt. Doch
ergibt ein von Null verschiedener Ungleichmäßigkeitsgrad u nicht zwangsläufig ein
günstigeres
Geräusch
des Lüfters.
Insbesondere können
die tonalen Geräusche,
die vom menschlichen Gehör
als unangenehm empfunden werden, sogar verstärkt auftreten. Auch kann der
Summenpegel des Strömungsgeräusches bei
einem nach der
DE 1 253 402 gestalteten
Lüfter
höher sein,
als bei einem Lüfter
mit gleichmäßiger Teilung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch
1 baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass die Mehrzahl
der Lüfterschaufeln
in drei oder mehr Schaufelsektoren aufgeteilt ist, wobei die Winkelabstände zwischen
benachbarten Lüfterschaufeln
innerhalb jeden Schaufelsektors gleich sind, und die Winkelabstände in verschiedenen
Schaufelsektoren voneinander verschieden sind. Dadurch können günstige tonale
Eigenschaften des Radiallüfterrads
erreicht werden, bei denen die Geräuschpegel für die verschiedenen Ordnungen
alle deutlich unter dem Summenpegel liegen. Auch der Summenpegel
wird durch eine solche Teilung günstig
beeinflusst und liegt niedriger als der eines gleichmäßig geteilten
Lüfters
mit derselben Schaufelzahl.
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Ohne an eine bestimmte Erklärung gebunden
zu sein, wird gegenwärtig
vermutet, dass das tonale Geräuschverhalten
eines Lüfterrads
dann besonders günstig
ist, wenn das Amplitudenspektrum bei der Ordnung der Schaufelzahl
ein Minimum aufweist. Es wurde nun überraschend gefunden, dass
sich bei der erfindungsgemäßen Teilung
der Schaufeln eines Lüfterrads
ein solches Amplitudenspektrum einstellen lässt.
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Versuche mit Lüftern, deren Teilung nach der
Druckschrift
DE 1 253 402 gestaltet
sind, und mindestens zwei Sektoren mit jeweils gleicher Schaufelzahl
aufweisen, ergaben, dass sich gegenüber gleichmäßig geteilten Lüftern keine
spürbare
Verbesserung des Geräuschempfindens
einstellt. Dagegen kann durch die unterschiedliche Anzahl von Lüfterschaufeln
in verschiedenen Schaufelsektoren gemäß Anspruch 2 eine tonale Geräuschverbesserung
und eine Absenkung des Summenpegels erreicht werden.
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Die Maßnahme des Anspruchs 3 hat
sich als eine besonders einfache und effiziente Lösung herausgestellt,
mit der jedoch alle erfindungsgemäßen Vorteile verwirklicht werden
können.
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Die Maßnahmen der Ansprüche 4 und
5 tragen dazu bei, dass das Amplitudenspektrum des Lüfterrads bei
der Ordnung, die der Schaufelzahl entspricht, ein Minimum aufweist.
Dadurch wird ein günstiges
Verhalten im Hinblick auf die Geräuschentwicklung erreicht.
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Als besonders vorteilhaft für die Tonalität eines
Lüfterrads
haben sich die Aufteilungen gemäß Anspruch
6 oder 7 herausgestellt. Dabei bezeichnet [x] die Gaußklammer,
also die größte ganze
Zahl kleiner oder gleich x. Für
ein Lüfterrad
mit zehn Schaufeln, also N = 10, ergibt sich beispielsweise nach
der Aufteilung von Anspruch 6 für
den ersten und zweiten Schaufelsektor eine Anzahl n1 beziehungsweise
n2 von n1 = n2 = [10/3 + 3/2) = [4,83 .. ] =
4
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Es verbleiben somit 2 Schaufeln für die Aufteilung
auf weitere Sektoren. Bei einer Teilung in genau drei Sektoren ergibt
sich damit eine Teilung 4-4-2.
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Nach der Aufteilung von Anspruch
7 ergibt sich für
den ersten und zweiten Schaufelsektor jeweils eine Anzahl an Lüfterschaufeln
von n1 = n2 = [10/3 + 1/2] = [3, 83 .. ] = 3
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Hier verbleiben somit 4 Schaufeln
für die
Aufteilung auf weitere Sektoren. Bei einer Teilung in genau drei
Sektoren ergibt sich damit eine Teilung 3-3-4.
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Die Ausgestaltung des Anspruchs 8
führt zu
einer für
die Geräuschminderung
besonders günstigen Anordnung
der Lüfterschaufeln.
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Es hat sich weiter herausgestellt,
dass der Ungleichmäßigkeitsgrad
einen wichtigen Einflussparameter für das Geräuschverhalten des Lüfterrads
darstellt, wobei die Werte im Bereich des Anspruchs 9 zu besonders günstigem
tonalen Verhalten beitragen.
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Die Ausgestaltung des Lüfterrads
nach Anspruch 10 decken oft verwendete Lüfterradgestaltungen ab, bei
denen die erfindungsgemäße Lösung zu
besonderen Verbesserungen führt.
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Da bei einem aus einem Stanz-Biegeteil
ausgebildeten Lüfter
die Anzahl der Schaufeln und der Betrag des Ungleichmäßigkeitsgrads
aus Fertigungsgründen
begrenzt sind, spielt bei den in Anspruch 11 angegebenen Lüfterrädern die
erfindungsgemäße Gestaltung
eine besonders große
Rolle.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen
beispielhaft beschrieben.
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Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Radiallüfterrads nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung in perspektivischer Ansicht;
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2 eine
Aufsicht auf das in der 1 dargestellte
Lüfterrad;
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3 das
Amplitudenspektrum zweier zehnschaufliger Radiallüfter, in
(a) eines Lüfters
mit gleichmäßiger Teilung
und in (b) eines Lüfters
mit ungleichmäßiger Teilung;
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4 den
Summenpegel eines ungleichmäßig geteilten
Lüfters
und eines gleichmäßig geteilten
Lüfters,
aufgetragen in Abhängigkeit
von der Drehzahl r;
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5 das
Amplitudenspektrum von vier zehnschaufligen Radiallüftern mit
unterschiedlichen Teilungen;
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6 ein
Diagramm, das den Einfluss des Ungleichmäßigkeitsgrads u auf den Betrag
der 10. Ordnung im Amplitudenspektrum eines Lüfterrads mit der Teilung 4-4-2
darstellt;
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7 den
Summenpegel eines erfindungsgemäßen Lüfters und
eines gleichmäßig geteilten
Lüfters nach
dem Stand der Technik, aufgetragen in Abhängigkeit von der Drehzahl r;
und
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8 den
Summenpegel und die Ordnungspegel eines erfindungsgemäßen Lüfterrads über einem weiten
Drehzahlbereich.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die Darstellung der 1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes
Radiallüfterrad
in perspektivische Darstellung. 2 zeigt
eine Aufsicht auf das Lüfterrad 10 der 1.
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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 und weist dazu eine zentrale Öffnung 12 zur Befestigung
an einer nicht gezeigten Maschinenwelle auf. An einem Scheibenteil 14,
das die zentrale Öffnung 12 enthält, sind
radial entlang des Umfangs nach außen gerichtete Lüfterschaufeln 16 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 ist ein Radiallüfter mit
N = 10 Lüfterschaufeln
dargestellt. Wie am Besten aus 2 zu
ersehen, sind die Lüfterschaufeln 16 mit
ungleichen Abständen
entlang des Umfangs angeordnet, um das Lüftergeräusch im Betrieb zu reduzieren.
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Zunächst wird das Grundprinzip
der Geräuschminderung
aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung der
Lüfterschaufeln
im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert. 3 zeigt das Amplitudenspektrum zweier
zehnschaufliger Radiallüfter,
aufgetragen gegen die Ordnung 30.
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In 3(a) ist
das Amplitudenspektrum eines Radiallüfterrads mit gleichmäßiger Schaufelteilung
aufgetragen, also einem Lüfterrad,
bei dem der Winkelabstand benachbarter Schaufeln jeweils 360°/N = 36° beträgt. Das
gleichmäßig geteilte
Lüfterrad
erzeugt im Betrieb einen einzigen Ton definierter Frequenz, der
im Amplitudenspektrum aufgrund der Schaufelzahl N = 10 als Schallwert 32 bei
der 10. Ordnung auftritt.
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3(b) zeigt
das Amplitudenspektrum eines Radiallüfterrads mit ungleichmäßiger Schaufelteilung, welches
nach der Lehre der Druckschrift
DE
1 253 402 gestaltet ist. Durch die ungleichmäßigen Abstände der Schaufeln
wird die erzeugte Schallleistung
34 auf unterschiedliche
Frequenzen, im Amplitudenspektrum also auf verschiedene Ordnungen
verteilt. Je ungleichmäßiger die
Lüfterschaufeln
am Umfang verteilt sind, desto breiter ist das Frequenzband des
Lüftergeräusches,
in das die Schalleistung des Lüfterrads
umverteilt wird.
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Untersuchungen haben nun ergeben,
dass zwar im Allgemeinen das Lüftergeräusch bei
größerem Ungleichmäßigkeitsgrad
als angenehmer empfunden wird, dass jedoch ein Ungleichmäßigkeitsgrad
u ≠ 0 nicht automatisch
zu einem günstigeren
Lüftergeräusch führt.
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So wurden beispielsweise Versuche
mit zwei zehnschaufligen Lüftern
durchgeführt,
bei denen entsprechend der Lehre der
DE
1 253 402 sämtliche
Abstände
zwischen benachbarten Lüfterschaufeln
voneinander verschieden ge wählt
sind. Die Winkelabstände
benachbarter Schaufeln in Grad waren dabei: Tabelle
I:
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Gegenüber einem gleichmäßig geteilten
Lüfter
führten
die oben gezeigten ungleichmäßigen Teilungen nicht
zu einer spürbaren
Verbesserung des empfundenen Geräusches.
Wie in 4 dargestellt,
ist der Summenpegel 42 eines ungleichmäßig geteilten Lüfters bei
Drehzahlen r oberhalb von etwa 8000 Umdrehungen pro Minute sogar
höher als
der Summenpegel 40 des gleichmäßig geteilten Lüfters.
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Nach gegenwärtigem Verständnis ist
das Geräuschverhalten
eines Lüfterrads
dann besonders günstig,
wenn sein Amplitudenspektrum bei der Ordnung, die der Schaufelzahl
entspricht, ein Minimum aufweist. Bei den oben angegebenen Lüftern A
und B ist diese Bedingung nicht erfüllt. Stattdessen ergibt sich
für die zehnschaufligen
Lüfter
bei der 10. Ordnung jeweils ein Maximum.
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Bei dem in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die Lüfterschaufeln
in drei Sektoren S1, S2 und S3 aufgeteilt, in denen die Schaufelabstände der
Teilungen 22, 24 beziehungsweise 26 jeweils gleich
sind, Der Sektor S1 umfasst vier Lüfterschaufeln 16 und
vier Teilungen 22 mit Winkelabstand tmax, der Sektor S2
umfasst ebenfalls vier Lüfterschaufeln 16 und
vier Teilungen 24 mit Winkelabstand tmin und der Sektor
S3 umfasst zwei Lüfterschaufeln 16 und
zwei Teilungen 26 mit Winkelabstand tavg. Eine solche Unterteilung
wird entsprechend der Anzahl der Lüfterschaufeln in den jeweiligen
Sektoren kurz mit 4-4-2 (Reihenfolge tmax-tmin-tavg) bezeichnet.
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Bei gegebener Anzahl der Lüfterschaufeln
N (im Ausführungsbeispiel
ist N = 10) und gegebenem Ungleichmäßigkeitsgrad u (im Ausführungsbeispiel
der 2 ist u = 0,4) werden
die Werte für
tmax, tmin und tavg für
ein erfindungsgemäßes Lüfterrad
mit folgenden Beziehungen berechnet: tavg = 360° /
N (1) tavg = (tmax + tmin)/2 (2) u = (tmax – tmin)/tavg (3) Auflösen der
Gleichungen (1) – (3)
nach tmax, tmin und tavg ergibt für N = 10 und u = 0,4 die Werte
tmax = 43,2°,
tmin = 28,8° und
tavg = 36,0°,
wie in der 2 dargestellt.
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Für
die Anzahl der Lüfterschaufeln
in jedem Sektor gibt es eine Reihe von vorteilhaften Möglichkeiten. Beispielhaft
sind die Aufteilungen in drei Sektoren für Lüfterräder mit 9 bis 12 Schaufeln
in der Reihenfolge tmax-tmin-tavg
in der Tabelle II dargestellt. Tabelle
II:
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5 zeigt
das Amplitudenspektrum der vier zehnschaufligen Lüfter der
Fallgruppen I bis IV. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet die
Amplituden des in den 1 und 2 gezeigten Lüfters mit
der Teilung 4-4-2, das Bezugszeichen 52 bezeichnet die
Amplituden des Lüfters
mit der Teilung 3-3-4, das Bezugszeichen 54 die Amplituden
des Lüfters
mit der Teilung 2-2-6 und das Bezugszeichen 56 schließlich die
Amplituden des Lüfters mit
der Teilung 1-1-8. In allen vier Fällen ist der Ungleichmäßigkeitsgrad
u = 0,4 gewählt.
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Wie aus den Spektren deutlich zu
erkennen, weist die Amplitude für
die Lüfter
der Fallgruppen I und II, also die Lüfter mit der Teilung 4-4-2
beziehungsweise 3-3-4, bei der Ordnung der Schaufelzahl (Bezugszeichen 58)
ein Minimum auf. Diese Teilungen sind im Rahmen der Erfindung für zehnschauflige
Lüfterräder aufgrund
ihrer guten Geräuschminderung
besonders bevorzugt.
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Ab der Fallgruppe III ergibt sich
für die
zehnschaufligen Lüfter
ein Maximum bei der Ordnung der Schaufelzahl, und das Amplitudenspektrum
nähert
sich mehr und mehr dem eines gleichmäßig geteilten Lüfters an.
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Das allgemeine Berechnungsschema
für die
Teilung in drei Sektoren für
ein Lüfterrad
mit N Schaufeln lautet nach Fallgruppe I:
n1 = [N/3 + 3/2],
n2
= [N/3 + 3/2], und
n3 = N – 2·n1,
wobei
n1, n2, n3 die Anzahl der Schaufeln im ersten, zweiten beziehungsweise
dritten Schaufelsektor darstellt.
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Für
die Fallgruppe II lautet das allgemeine Berechnungsschema für die Teilung
in drei Sektoren:
n1 = [N/3 + 1/2],
n2 = [N/3 + 1/2],
und
n3 = N – 2·n1.
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Einen weiteren wichtigen Einflussparameter
auf das Geräuschverhalten
stellt der Ungleichmäßigkeitsgrad
u dar. 6 zeigt den Einfluss
des Ungleichmäßigkeitsgrads
u auf den Betrag der 10. Ordnung im Amplitudenspektrum für ein zehnschaufliges
Lüfterrad
mit der Teilung 4-4-2. Der Betrag der 10. Ordnung ist bei
einem Wert von u = 0,4 minimal (Bezugszeichen 60). In der
besonders bevorzugten Ausgestaltung der 2 ist daher, wie oben angegeben, für die Teilung
4-4-2 ein Ungleichmäßigkeitsgrad
u = 0,4 gewählt.
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Neben der Gestaltung der 2 haben sich insbesondere
folgende Lüfterradkonfigurationen
als aus Geräuschsicht
besonders vorteilhaft gezeigt:
Bei Lüfterrädern mit N = 9 Schaufeln, eine
Teilung 4-4-1 bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad von u = 0,5, sowie eine
Teilung 3-3-3 bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad von u = 0,5.
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Bei Lüfterrädern mit N = 10 Schaufeln,
eine Teilung 4-4-2 bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad von u = 0,4 (2), sowie eine Teilung 3-3-4
bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad
von u = 0,5.
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Bei Lüfterrädern mit N = 11 Schaufeln,
eine Teilung 5-5-1 bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad von u = 0,4, sowie
eine Teilung 4-4-3 bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad von u = 0,4.
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Bei Lüfterrädern mit N = 12 Schaufeln,
eine Teilung 5-5-2 bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad von u = 0,4, sowie
eine Teilung 4-4-4 bei einem Ungleichmäßigkeitsgrad von u = 0,4.
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Die günstigen tonalen Eigenschaften
sind anhand der Geräuschkurven
der 7 erkennbar, die
den Summenpegel 80 und die Ordnungspegel 82 des
Lüfterrads
der 1 und 2 über einen weiten Drehzahlbereich
zeigt. Der Summenpegel 80 liegt mit großem Abstand 84 über dem
stärksten
Ordnungspegel, was eine vorteilhafte gleichmäßige Geräuschverteilung anzeigt.
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Die mit einem erfindungsgemäßen Lüfterrad
erzielten Vorteile sind in den 7 und 8 dargestellt. 8 zeigt den Summenpegel 70 eines
erfindungsgemäßen Lüfters mit
Teilung 4-4-2 und dem Ungleichmäßigkeitsgrad u = 0,4. Der Summenpegel
liegt in fast allen Drehzahlbereichen unter dem Summenpegel 72 eines
gleichmäßig geteilten
Lüfters
nach dem Stand der Technik.
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Während
die Erfindung insbesondere mit Bezug auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele
gezeigt und beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann,
dass Änderungen
in Gestalt und Einzelheiten gemacht werden können, ohne von dem Gedanken
und Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Zum Beispiel kann die Unterteilung
des Lüfterrads
nicht nur in drei Sektoren, sonder beispielsweise auch in vier oder
fünf Sektoren
erfolgen. Bei einer Unterteilung in vier Sektoren können die
Winkelabstände
in den einzelnen Sektoren beispielsweise durch tmin, ta, tb und
tmax gegeben sein, wobei ta = (tmin + tavg)/2, tb = (tmax + tavg)/2
gewählt
ist. Die Teilung kann analog zu den oben angegebenen allgemeinen
Beziehungen erfolgen. Beispielsweise kann in der Reihenfolge tmax-tmin-tb-ta
bei einem zehnschaufligen Lüfter
eine Teilung 4-4-1-1 oder 3-3-2-2 vorgesehen sein, oder eine Teilung
4-4-2-2 bei einem Lüfterrad
mit 12 Schaufeln.
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Dementsprechend soll die Offenbarung
der vorliegenden Erfindung nicht einschränkend sein. Statt dessen soll
die Offenbarung der vorliegenden Erfindung den Umfang der Erfindung
veranschaulichen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.
