EP1892421B1

EP1892421B1 - Axiallüfter mit elektrischem Antrieb

Info

Publication number: EP1892421B1
Application number: EP07013962A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Vollert
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: EP1892421A3; EP1892421A2; DE102006038655A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Axiallüfter mit elektrischem Antrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bekannt durch die WO 03/040570 A1 .
Der durch die WO 03/040570 A1 bekannt gewordene Axiallüfter wird insbesondere als Kühlgebläse für die Motorkühlung in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Das Kühlgebläse, bestehend aus dem Axiallüfter und einem antreibenden Elektromotor, ist innerhalb einer Lüfterzarge angeordnet, welche sich in Luftströmungsrichtung hinter einem Kühlmittelkühler oder einem aus mehreren Wärmeübertragem bestehenden Kühlmodul befindet. Aufgrund des elektromotorischen Antriebes treten in der Antriebswelle des Motors Drehschwingungen, so genannte Pendelmomente, auf, welche auf den Lüfter übertragen und als Schall abgestrahlt werden. Ein derartiges Lüftergeräusch wird als unangenehm empfunden und ist daher unerwünscht. Der bekannte Lüfter weist eine etwa topfförmig ausgebildete Nabe auf, weiche aus einer im Wesentlichen ebenen Stirnfläche und einer im Wesentlichen zylindrischen Umfangsfläche besteht, an welcher Axialschaufeln befestigt sind. Der Lüfter ist über die Stirnfläche der Nabe drehfest mit der Antriebswelle des Motors verbunden, wobei die Verbindung im Nabenbereich biegeweich ausgebildet ist. Dadurch soll eine Kippbewegung zwischen der Trägheitsachse des Lüfters und der Rotationsachse zugelassen werden. Durch die biegeweiche Anbindung des Axiallüfters an den Rotor des elektrischen Antriebes soll sich der Axiallüfter mit steigender Drehzahl in Richtung der Rotationsachse ausrichten. Damit soll ein Unwuchtmoment reduziert werden. Im Übrigen ist der bekannte Axiallüfter drehsteif mit der Motorwelle verbunden, sodass vom Motor ausgehende Erregerfrequenzen auf den Lüfter übertragen werden, wodurch es zu der unerwünschten Schallabstrahlung kommt.
Durch die GB 2 265 420 A wurde ein Elektrogebläse, bestehend aus einem Axiallüfter und einem Elektromotor, bekannt, wobei der Lüfter über eine schwingungsdämpfende Nabe mit der Motorwelle verbunden ist. Die Nabe besteht vorzugsweise aus einem elastomeren, Drehschwingungen absorbierenden Kunststoffmaterial, welches die Übertragung der Drehschwingungen auf den Lüfter verhindert. Nachteilig bei der bekannten Gebläseanordnung ist, dass der Nabenbereich von Luft durchströmt wird - dies beeinträchtigt den Wirkungsgrad und die Leistung des Lüfters.
Durch die DE 196 35 179 A1 wurde ein Axiallüfter mit elektrischem Antrieb bekannt, wobei zwischen Antriebswelle des Motors und Lüfternabe ein mehrarmiges Mitnahmeelement angeordnet ist. Dabei ist die Lüfternabe an den äußeren Enden der sternförmig angeordneten, radial ausgerichteten Arme durch Schraubverbindungen befestigt. Durch das Mitnahmeelement sollen das Trägheitsmoment des Lüfters verringert und Taumelbewegungen des Lüfterrades verhindert werden. Drehschwingungen werden nicht gedämpft, sondern über das Mitnahmeelement auf den Lüfter übertragen.
Durch die DE 81 10 769 U1 wurde ein Elektrogebläse mit einer Nabe bekannt, welche über Formteile aus elastischem Material mit der Motorwelle verbunden ist. Die Kunststoffformteile sollen die vom Motor ausgehenden Drehschwingungen (Pendelmomente bzw. Schwingungen in tangentialer Richtung) aufgefangen werden und damit das Lüftergeräusch reduziert werden. Nachteilig hierbei sind die Mehrzahl von Formteilen und eine ungenaue Zentrierung der Nabe gegenüber der Motorwelle, sodass sich Unwuchten, verbunden mit einem unruhigen Lauf, ergeben können.
Die Entkoppelung von Drehschwingungen, welche vom Elektromotor ausgehen, gegenüber einem Lüfterrad ist auch bei Heizungs- und/oder Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge bekannt Derartige Lüfterräder sind als Radialgebläseräder ausgebildet, welche die Luft axial ansaugen und über auf dem Umfang angeordnete Radialschaufeln (Schaufelkranz) in radialer Richtung nach außen in eine Gebläsespirale fördern. Das Radialgebläserad weist eine Nabe auf, welche einerseits mit der Motorwelle eines Elektromotors und andererseits über Speichen, Streben oder eine durchbrochene Tragscheibe mit dem Schaufelkranz verbunden ist. Zur Dämpfung der vom Motor ausgehenden Drehschwingungen, d. h. zur Entkoppelung des Schaufelkranzes von der Motorwelle wurden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen:
Durch die DE 29 39 385 C2 der Anmelderin wurde ein Radialgebläse bekannt, bei welchem der Schaufelkranz mit der Motorwelle über Speichen verbunden ist, welche ein Bündel von parallel geschalteten Federn bilden. Damit wird eine Verstimmung des Federmassesystems erreicht, und Resonanzschwingungen des Schaufelkranzes, erregt durch die Motorwelle, werden vermieden.
Ähnliche Vorschläge zur Entkoppelung der Drehschwingungen bei Radialgebläserädern wurden durch die EP 0 181 549 A1 sowie die US-A 4,639,193 bekannt, wobei ebenfalls zwischen Lüfterkranz und Nabe ein elastischer Bereich oder ein elastisches Glied vorgesehen sind.
Durch die DE 199 05 075 C2 wurde für eine Kraftfahrzeugheizungs- oder Klimaanlage ein Radialgebläserad bekannt, bei welchem in der Nabe ein elastisch verformbares, schwingungsdämpfendes Material angeordnet ist. Auch damit wird eine Entkoppelung erreicht.
Durch die DE 43 17 712 C1 wurde ein von einer elektrischen Maschine angetriebenes Radialgebläserad mit einer Tragscheibe bekannt, welche durch Schaubbolzen elastisch gegenüber der Nabe befestigt ist. Zur Entkoppelung der Drehschwingungen sind auf den Schraubbolzen Dämpfungselemente in Form von Gummibuchsen vorgesehen.
Die WO 20041097226 A1 offenbart einen Lüfter mit einem inneren und einem äußeren Nabenteil mit einem Vibrationsdämpfungselement dazwischen.
Die JP 2002 242882 offenbart einen Lüfter mit Nabe und Lager.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Axiallüfterrad der eingangs genannten Art die akustische Emission, welche durch den Lüfter abgestrahlt und durch den Elektromotor erregt wird, zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist die Verbindung zwischen Axiallüfter und Elektromotor torsionsweich ausgebildet, d. h. der ein Drehmoment übertragende Bereich zwischen Motorwelle und Axialbeschaufelung ist in Umfangsrichtung elastisch bzw. nachgiebig ausgebildet. Damit wird der Vorteil erreicht, dass von der Motorwelle ausgehende Erregerfrequenzen, welche das Lüftergeräusch verursachen, vom Lüfter, insbesondere den Lüfterschaufeln entkoppelt werden. Das unangenehme Lüftergeräusch, welches über die Lüfterblätter abgestrahlt wird, tritt aufgrund dieser Entkoppelung nicht mehr auf.
Bei einer topfförmig ausgebildeten Nabe kann die im Wesentlichen eben und geschlossen ausgebildete Stirnfläche torsionsweich ausgebildet werden, und zwar durch eine reduzierte Wandstärke. Dies ist insbesondere bei Kunststofflüftern mit einer Kunststoffnabe spritztechnisch einfach realisierbar. Die reduzierte Wandstärke kann kreisringförmig oder sektorartig ausgebildet sein, wobei zur Versteifung der Nabe, insbesondere zur Erzielung einer hinreichenden Biegesteifigkeit radial verlaufende Rippen an der Nabe vorgesehen sind, welche ebenfalls angespritzt werden können. Diese Rippen auf der Innenseite der Nabe erfüllen gleichzeitig eine Kühlfunktion für den elektrischen Antriebsmotor.
Zur Erzielung einer Torsionsweichheit kann der Nabenbereich auch als offenes Speichenrad ausgebildet sein, wobei die Zwischenräume zwischen den einzelnen Speichen durch eine Folie, insbesondere eine Klebefolie luftdicht abgeschlossen werden. Damit wird eine aerodynamisch günstige Form der Nabe erreicht, wodurch die Strömung im Schaufelbereich des Lüfters begünstigt und dessen Wirkungsgrad verbessert wird. Die Speichen sind dabei torsionsweich und hinreichend biegesteif.
Die Lüfternabe kann direkt auf der Motorwelle befestigt sein, z. B. aufgepresst oder über eine mit der Lüfternabe spritztechnisch verbundene Metallbuchse, welche auf die Motorwelle aufgeschoben wird.
Alternativ kann die Lüfternabe gegenüber der Motorwelle über ein Mitnahmeelement, welches radial abragende Arme zur Verschraubung mit der Lüfternabe aufweist, befestigt sein. In der Schraubverbindung sind schwingungsabsorbierende Dämpfungselemente, insbesondere Buchsen aus einem elastomeren Material angeordnet, sodass eine Entkoppelung in tangentialer Richtung erreicht wird.
Ferner kann bei dem Mitnahmeelement vorgesehen sein, dass die sich radial erstreckenden Arme ihrerseits in Umfangsrichtung nachgiebig, d. h. elastisch ausgebildet sind. Auch dadurch kann die Entkoppelung zwischen Motorwelle und Lüfter in Umfangsrichtung erreicht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: einen Axiallüfter mit Lüfterzarge,
Fig. 2: ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Axial- lüfter,
Fig. 3: einen Teilschnitt durch den Axiallüfter gemäß Fig. 2,
Fig. 4: ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Axiallüf- ters,
Fig. 5: einen vergrößerten Teilschnitt des Lüfters gemäß Fig. 4,
Fig. 5a: eine stärkere Vergrößerung des Teilschnittes gemäß Fig. 5,
Fig. 6: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit elastischer An- kopplung über ein Mitnahmeelement und
Fig. 7: ein weiteres Ausführungsbeispiel des Mitnahmeelementes.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Axiallüfters 1, in Luftströmungsrichtung gesehen, sowie eine Lüfterzarge 2 mit einem Zargenring 2a, in welchem der Axiallüfter 1 umläuft. Die Lüfterzarge 2 ist rechteckförmig ausgebildet und an einen nicht dargestellten Wärmeübertrager, insbesondere einen Kühlmittelkühler angepasst und an diesem befestigt, vorzugsweise über seitlich angeordnete Befestigungselemente 2b. Der nicht dargestellte Kühlmittelkühler kann auch Teil eines Kühlmoduls, bestehend aus weiteren Wärmeübertragern wie Ladeluftkühler, Kältemittelkondensator und Ölkühler sein, welche im vorderen Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet sind. Der Axiallüfter 1 wird von einem hier nicht sichtbaren Elektromotor angetrieben, welcher über Befestigungselemente, insbesondere Streben 3 mit der Lüfterzarge 2 verbunden ist. Der Axiallüfter 1 saugt somit durch den nicht dargestellten Kühlmittelkühler oder das Kühlmodul Umgebungsluft an und kühlt damit das Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufes, die Ladeluft für einen Verbrennungsmotor und/oder das Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage. Der Axiallüfter 1 ist, was im Folgenden näher erläutert wird, in Drehrichtung gegenüber dem antreibenden Elektromotor entkoppelt, wodurch eine Geräuschabstrahlung durch den Lüfter 1 vermieden wird.
Fig. 2 zeigt den Lüfter 1 aus Fig. 1 als Einzelteil. Der Lüfter ist als Axiallüfter 1, als so genannter Sichellüfter, ausgebildet und weist sichelförmige, d. h. in Drehrichtung gekrümmte Lüfterflügel 4 (im Folgenden auch Axialschaufeln genannt), eine Nabe 5 sowie einen Mantel 6 auf. Die Lüfterschaufeln können auch gerade (in radialer Richtung) oder mit entgegengesetzter Krümmung ausgebildet sein. Der Axiallüfter 1 mit Nabe 5, Axialschaufeln 4 und Mantel 6 ist vorzugsweise einstückig als Kunststoffspritzteil ausgebildet. Die Nabe 5 ist etwa topfförmig ausgebildet und weist eine im Wesentlichen eben ausgebildete Stirnfläche 5a auf, in welcher sektorartig ausgebildete Öffnungen 7, gleichmäßig über den Umfang verteilt, angeordnet sind. Zwischen den Öffnungen 7 sind radial verlaufende Stege 8 belassen. Durch die Öffnungen bzw. Aussparungen 7 wird der Nabenbereich 5a dreh- oder torsionsweich ausgebildet, d. h. der Stirnbereich ist in Drehrichtung nachgiebig. Da die Nabe 5, insbesondere ihre Stirnfläche 5a jedoch aus aerodynamischen Gründen geschlossen sein soll, werden die Aussparungen 7, was in Fig. 2 nicht dargestellt ist, durch eine Folie, insbesondere eine Klebefolie abgedeckt - die Folie überträgt kein Drehmoment.
Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 durch die Nabe 5. Die Lüfternabe 5 ist - wie in der Schnittdarstellung deutlich erkennbar - topfförmig ausgebildet, d. h. an den im Wesentlichen eben ausgebildeten Stirnbereich 5a schließt sich über eine leichte Rundung eine im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete Umfangsfläche 5b an, an welche die Lüfterschaufeln 4 angespritzt sind. Die Lüfternabe 5 ist auf eine nur teilweise dargestellte Motorwelle 9 eines nicht dargestellten Elektromotors aufgepresst Die Nabe 5 wird in Richtung eines Pfeils L von der Luft angeströmt, und der nicht dargestellte Antriebsmotor befindet sich im stromabwärtigen Bereich der Lüfternabe 5 - wie auch aus der eingangs zitierten, gattungsbildenden Druckschrift bekannt ist. Die Aussparungen 7 sind durch eine Klebefolie 10 luftdicht abgedeckt, sodass sie nicht von Luft durchströmt werden können Hierdurch wird eine Rückströmung (Rezirkulation) der Luft im Nabenbereich verhindert. Auf der Innenseite, d. h. der der Luftströmung abgewandten Seite der Stirnfläche 5a sind in radialer und axialer Richtung sich erstreckende Rippen 11 angeordnet, welche eine Versteifung der Lüfternabe 5, insbesondere im Stimbereich 5a bewirken. Gleichzeitig erfüllen die Versteifungsrippen 11 eine Kühlfunktion, indem sie Kühlluft in Richtung des nicht dargestellten Elektromotors fördern. Die dargestellte Nabe 5 ist somit in ihrem Stimbereich 5a geschlossen und bildet eine glatte strömungsgünstige Fläche. Andererseits ist die Nabe 5 infolge der Aussparungen 7 drehweich, sodass die Lüfterschaufeln 4 entkoppelt sind und nicht zu Geräusch verursachenden Schwingungen in tangentialer Richtung angeregt werden können. Dennoch ist infolge der Verrippung durch die Rippen 11 eine hinreichende Biegesteifigkeit der Nabe 5 gewährleistet.
Fig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Axiallüfter 12, bei welchem lediglich die Nabe 13 abweichend gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 ausgebildet ist: sie weist einen kreisringförmigen Bereich 14 mit reduzierter Wandstärke auf.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Nabe 13 entsprechend der Schnittebene V-V in Fig. 4. Man erkennt aus der Schnittdarstellung die topfförmige Ausbildung der Nabe 13 mit einem im Wesentlichen ebenen Stirnbereich 13a und einem im Wesentlichen zylinderförmigen Umfangsbereich 13b, der allerdings auch - aus strömungstechnischen Gründen - leicht konisch verlaufen kann. Der Stirnbereich 13a weist die Kreisringfläche 14 auf, in welcher die Wandstärke der Nabe 13, insbesondere die Wandstärke des Stimbereiches 13a auf die Stärke einer Membran oder Haut reduziert ist. Infolge der reduzierten Wandstärke im Kreisringbereich 14 ergibt sich für die Nabe 13 eine Nachgiebigkeit in Umfangsrichtung mit der Folge einer Entkopplung von Erregerfrequenzen, welche von der Motorwelle ausgehen. Durch die dünne Haut 14 bleibt die Lüfternabe 13 im Stimbereich 13a geschlossen, sodass keine Luft hindurchtreten kann. Auf der Innenseite der Nabe 13 sind wiederum Rippen 15 angeordnet, welche in radialer und axialer Richtung verlaufen und somit eine hinreichende Biegesteifigkeit der Nabe 13 sicherstellen.
Fig. 5a zeigt die Lüfternabe 13 entsprechend Fig. 5 in weiter vergrößerter Darstellung, drehfest verbunden mit einer Motorwelle 16, welche die Nabe 13 antreibt. Zwischen Motorwelle 16 und dem Stimbereich 13a der Nabe 13 ist eine Metallscheibe 17 angeordnet, welche einerseits spritztechnisch mit dem Nabenbereich 13a verbunden und andererseits drehfest auf der Motorwelle 16 angeordnet ist. Die Nabe 13 weist insbesondere im Stimbereich 13a eine Wandstärke s auf, welche in dem kreisringförmigen Bereich 14 deutlich reduziert ist, sodass sich eine drehweiche Verbindung zwischen Motorwelle 16 und dem Umfangsbereich 13b mit den Lüfterschaufeln ergibt. Messungen, die von der Anmelderin durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass sich durch diese drehweiche Verbindung eine deutliche Reduzierung des Lüftergeräusches - im Vergleich zum Stand der Technik - ergibt.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der hier nicht dargestellte Axiallüfter über ein Mitnahmeelement 18 an der Motorwelle 19 eines Elektromotors 20 befestigt ist. Die Stirnansicht des Motors 20 zeigt drei auf dem Umfang des Motors 20 angeordnete Befestigungslaschen 21, über welche der Motor 20 und mit ihm der nicht dargestellte Lüfter gegenüber einer hier nicht dargestellten Lüfterzarge befestigt ist. Das Mitnahmeelement 18 weist drei sternförmig angeordnete Arme 18a, 18b, 18c auf, an deren äußeren Enden sich nicht näher dargestellte Bohrungen zur Aufnahme von Schraubbolzen befinden. Soweit entspricht das Mitnahmeelement 18 dem Stand der Technik, d. h. der eingangs genannten DE 196 35 179 A1 . Der nicht dargestellte Lüfter wird über Entkoppelungselemente, ausgebildet als elastische Buchsen 22 und erkennbar in der linken Schnittdarstellung, mittels der Schraubbolzen mit dem Mitnahmeelement 18 verbunden. Durch die elastischen Buchsen 22, welche als elastisches Glied zwischen dem Mitnahmeelement 18 und dem Lüfter wirken, wird eine Entkoppelung des Lüfters gegenüber der Motorwelle 19 erreicht.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszahlen verwendet werden. Auf der Motorwelle 19 des Elektromotors 20 ist ein Mitnahmeelement 23 drehfest angeordnet, welches drei sich in radialer Richtung erstreckende, in Umfangsrichtung elastisch ausgebildete Arme 23a, 23b, 23c aufweist, an deren Enden sich Bohrungen zur Aufnahme von Schraubbolzen befinden. Der nicht dargestellte Lüfter wird mittels nicht dargestellter Schraubbolzen, d. h. durch eine Schraubverbindung mit dem Mitnahmeelement 23 verbunden. Die Entkoppelung erfolgt hier durch die Nachgiebigkeit der Radialarme 23a, 23b, 23c in Umfangsrichtung - daher können die elastischen Entkopplungselemente in Form von Gummibuchsen 22 gemäß Fig. 6 bei diesem Ausführungsbeispiel entfallen.

Claims

Axiallüfter (1, 12) mit einer Nabe (5, 13) zur Verbindung des Axiallüfters mit einem elektrischen Antriebsmotor (20), wobei die Nabe (5, 13) im Wesentlichen topfförmig ausgebildet ist und einen Stirnbereich (5a, 13a) sowie einen im Wesentlichen zylindrischen Umfangsbereich (5b, 13b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirnbereich (13a) einen etwa kreisringförmigen Bereich (14) mit reduzierter Wandstärke aufweist und die reduzierte Wandstärke als Membran (14) ausgebildet ist.
Axiallüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Stirnbereich (5a) Aussparungen (7) angeordnet sind, welche durch eine Folie (10), vorzugsweise eine Klebefolie abgedeckt sind.
Axiallüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirnbereich (5a, 13a) im Wesentlichen radial verlaufende Streben oder Rippen (11, 15) auf der dem Antriebsmotor zugewandten Seite aufweist.
Axiallüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Axiallüfter (1, 12), mit der Nabe (5, 13) einstückig, vorzugsweise als Kunststoffspritzteil ausgebildet ist.
Axiallüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (20) eine Motorwelle (19) aufweist, auf weicher ein mehrere Radialarme (18a, 18b, 18c; 23a, 23b, 23c) aufweisendes Mitnahmeelement (18, 23) befestigt ist, welches über die Radialarme drehweich mit dem Stirnbereich der Nabe verbunden ist.
Axiallüfter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Radialarmen (18a, 18b, 18c) und dem Stirnbereich Entkoppelungselemente, insbesondere elastische und/oder dämpfende Buchsen (22) aus einem elastomeren Material angeordnet sind.
Axiallüfter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialarme (23a, 23b, 23c) in Umfangsrichtung elastisch und nachgiebig ausgebildet sind.