Ventilator mit reduzierter Schallabstrahlung
Die Erfindung betrifft einen Ventilator, insbesondere einen Gerätelüfter, mit reduzierter Schallabstrahlung.
Bei Ventilatoren können Schall- und Schwingungsemissionen zu einer subjektiv als störend empfundenen Geräuschentwicklung führen. Deshalb ist es wünschenswert, die Schall- und Schwingungsemissionen zu reduzieren.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Ventilator und ein entsprechendes neues Verfahren bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch einen Ventilator gemäß Anspruch 1. Hierbei erreicht man durch die Zuordnung des mindestens einen mechanischen Resonators zu dem mindestens einen Bauteil des Ventilators, bei welchem im Betrieb des Ventilators durch Anregung seiner Eigenfrequenz Schall- und Schwingungsemissionen entstehen können, eine effiziente Dämpfung der Eigenfrequenz; also eine reduzierte Schallabstrahlung. Somit kann die Entstehung der Schall- und Schwingungsemissionen zumindest stark verringert werden. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Patentanspruchs 14.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ventilators sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ventilators nach einem ersten Ausführungsbeispie!,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Unterseite des Ventilators in Pfeilrichtung Il von Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Seitenansicht des Ventilators von Fig. 1 und 2, gesehen in Richtung des Pfeils III der Fig. 2,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Motorgehäuses eines Klauenpolmotors mit einer erfindungsgemäßen Statoranordnung,
Fig. 5 eine Draufsicht auf das Motorgehäuse von Fig. 4,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Oberseite des oberen Klauenpolblechs von Fig. 4,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Innenseite des oberen Klauenpolblechs von Fig. 4,
Fig. 8 eine Draufsicht auf die Unterseite des oberen Klauenpolblechs von Fig. 6,
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Klauenpolblechs,
Fig. 10 eine Schnittansicht eines vergrößerten Ausschnitts des Ventilatorgehäuses von Fig. 3, gesehen längs der Linie X - X der Fig. 3,
Fig. 11 ein Schmalbandspektrum eines Ventilators ohne Resonator,
Fig. 12 ein Schmalbandspektrum des Ventilators aus Fig. 11 , jedoch mit Resonator,
Fig. 13 eine Überlagerung der Schmalbandspektren aus Fig. 11 und Fig. 12, und
Fig. 14 eine Explosionsdarstellung des Klauenpolmotors aus Fig. 4.
In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe links, rechts, oben und unten auf die jeweilige Zeichnungsfigur und können in Abhängigkeit von einer jeweils gewählten Ausrichtung (Hochformat oder Querformat) von einer Zeichnungsfigur zur nächsten variieren. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ventilators 20, welcher beispielhaft als Axialventilator ausgebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilator 20 als Gerätelüfter verwendbar. Hierbei ist der Ventilator 20 jedoch nicht auf einen Axialventilator beschränkt. Vielmehr können auch andere Ventilatortypen, z.B. Diagonal- oder Radialventilatoren, Anwendung finden.
Der Ventilator 20 hat ein Ventilatorgehäuse 22, welches in seinem Inneren etwa die Form eines zylinderförmigen Rohres 24 hat, an dessen einem Ende ein erster Gehäuseflansch 28 vorgesehen ist. Dem Ventilatorgehäuse 22, welches einheitlich aus Kunststoff oder Metall oder einer beliebigen Mischform hiervon ausgebildet werden kann, sind mechanische Resonatoren 52' und 52" zugeordnet. Die Durchströmrichtung der Luft wird durch eine Saugseite und eine Druckseite des Ventilators 20 festgelegt und ist mit einem Pfeil 34 gekennzeichnet.
Der Ventilator 20 hat einen Motor 21 zum Antrieb eines Axialventilatorrades 38, welches um eine Drehachse 23 drehbar ist und Ventilatorflügel 40' bis 40v aufweist, denen mechanische Resonatoren 50' bis 50v zugeordnet sind. Das Ventilatorrad 38 dreht sich im Betrieb in eine durch einen Pfeil 35 angedeutete Richtung. Die Form der Ventilatorflügel 401 bis 40v ist an die Form der Innenseite des Rohres 24 angepasst.
Der Motor 21 ist bevorzugt ein Außenläufermotor mit einem Außenrotor, der eine Rotorglocke 25 hat. An der Rotorglocke 25, welcher mechanische Resonatoren 55' und 55" zugeordnet sind, ist das Ventilatorrad 38 befestigt. Zur Montage des Motors 21 in dem Ventilatorgehäuse 22 dient ein Flansch (48 in Fig. 2), der über dünne Haltestege (461 bis 46IV in Fig. 2) mit dem Gehäuse des Ventilators 20 verbunden ist, wie bei Fig. 2 beschrieben.
Im Betrieb des Ventilators 20 treibt der Motor 21 das Ventilatorrad 38 in Richtung des Pfeils 35 an. Wenn hierbei Eigenfrequenzen eines oder mehrerer Bauteile des Ventilators 20 angeregt werden, können unerwünschte Schall- und Schwingungsemissionen entstehen. Beispielsweise können durch Anregung der Eigenfrequenzen der Ventilatorflügel 40' bis 40v, der Rotorglocke 25 oder des Ventilatorgehäuses 22 derartige Schall- und Schwingungsemissionen entstehen.
Um eine derartige Geräuschentwicklung zu reduzieren, wird die Entstehung dieser Emissionen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit den mechanischen Resonatoren 521, 52", 501 bis 50v, 551 und 55" verringert bzw. gedämpft. Dies erfolgt durch Dämpfung der jeweiligen Eigenfrequenzen der entsprechenden Bauteile mit mechanischen Resonatoren, wobei erfindungsgemäß mindestens einem Bauteil mindestens ein mechanischer Resonator zugeordnet wird, um dessen Eigenfrequenz zu dämpfen und somit die Entstehung von Schall- und Schwingungsemissionen zu verringern. Bevorzugt wird jedem dieser Bauteile jedoch mindestens ein Resonator zugeordnet. Dementsprechend dienen die Resonatoren 501 bis 50v zur Dämpfung der Eigenfrequenzen der Ventilatorflügel 401 bis 40v, die Resonatoren 551 und 55" zur Dämpfung der Eigenfrequenzen der Rotorglocke 25, und die Resonatoren 521 und 52" zur Dämpfung der Eigenfrequenzen des Ventilatorgehäuses 22.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Schwingverhalten des Ventilators 20 bzw. seiner Bauteile nach der Herstellung des Ventilators 20 messtechnisch oder mittels FEM (FEM = Finite-Elemente-Methode) analysiert, wobei kritische Eigenfrequenzen der Bauteile bestimmt werden. D.h., jedes Bauteil, dessen Eigenfrequenz im Betrieb des Ventilators 20 derart angeregt werden kann, dass hierbei unerwünschte Schall- und Schwingungsemissionen entstehen können, wird durch Messung seiner Eigenfrequenz identifiziert. Für jedes identifizierte Bauteil wird dann eine Stelle mit maximaler Schwingungsamplitude bestimmt, an der der zugeordnete Resonator angeordnet werden kann.
Die in Fig. 1 gezeigten Resonatoren 521, 52", 501 bis 50v, 551 und 55" sind beispielhaft als zusätzliche Bauteile am Ventilatorgehäuse 22, den Ventilatorflügeln 401 bis 40v und
der Rotorglocke 25 des Ventilators 20 befestigt und bestehen jeweils aus einem zungenförmigen Materialabschnitt. Die Resonatoren sind auf eine Anregungsfrequenz abgestimmt, deren Wert von der Geometrie des Resonators, d.h. seiner Länge, Breite und Dicke, seiner Masse, sowie entsprechenden Werkstoffparametern abhängt und bevorzugt etwa im Bereich des 0,9 bis 1 ,1-fachen der Eigenfrequenz des zugeordneten Bauteils liegt. Die Wirkung der Resonatoren bzw. deren Schwingverhalten kann hierbei durch eine geeignete Kombination verschiedener Werkstoffe zusätzlich beeinflusst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Resonatoren 52', 52", 50' bis 50v, 551 und 55" als integrale Bestandteile der zugeordneten Bauteile hergestellt, z.B. bei Kunststoff- oder Metallgußverfahren oder bei Stanzverfahren. Die Resonatoren 521, 52", 501 bis 50v, 551 und 55" werden somit in die schwingenden Bauteile integriert, so dass deren Eigenfrequenzen einfach und kostengünstig gedämpft werden können.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite des Ventilators 20 in Pfeilrichtung Il von Fig. 1. Fig. 2 zeigt die Stege 461 bis 46IV, welche bevorzugt einstückig mit dem Motorflansch 48 ausgebildet sind. An dieser befindet sich bevorzugt ein Lagerrohr 79 (Fig. 4), auf das der Stator 101 des Motors 21 montiert ist.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Ventilators 20 von Fig. 1 und 2. Diese verdeutlicht den am Ventilatorgehäuse 22 vorgesehenen Resonator 52'. Dieser ist in Fig. 10 in einer Schnittansicht eines vergrößerten Ausschnitts 1000 im Ruhezustand und im schwingenden Zustand (52" in Fig. 10) dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht von inneren Teilen des Motorgehäuses 70 eines Klauenpolmotors 99 (z.B. Motor 21 in Fig. 1), welcher zum Antrieb des Ventilators 20 von Fig. 1 bis 3 verwendbar ist. Dieser ist, wie bei Fig. 1 beschrieben, bevorzugt als Außenläufermotor mit einem Permanentmagnet-Außenrotor 103 ausgebildet, welcher eine Rotorglocke 105 (25 in Fig. 1) aufweist, an der ein Ventilatorrad (38 in Fig. 1) befestigt ist.
Wie sich aus Fig. 4 ergibt, hat der Motor 99 eine um das Lagerrohr 79 herum angeordnete Statoranordnung 75 mit einer koaxialen Ringspule 72 und zwei axial
gegenüberliegenden Klauenpolblechen, einem oberen Klauenpolblech 80 (Fig. 6 und 8) und einem unteren Klauenpolblech 90 (Fig. 9), von denen hier jedes zwei diametral gegenüberliegende Klauenpole 80', 80" bzw. 90', 90" hat. Die beiden grundsätzlich identisch ausgebildeten Klauenpolbleche 80, 90 liegen auf den axial gegenüberliegenden Stirnseiten der Ringspule 72 und sind dabei in Umfangsrichtung gegeneinander um 90° mechanisch versetzt, wie das die Fig. 4 und 5 zeigen, so dass sich die Klauenpole 80', 80" bzw. 90', 90" der beiden Klauenpolbleche 80 bzw. 90 in Umfangsrichtung jeweils abwechseln. Hierdurch werden bei Stromfluss durch die Ringspule 72 in Umfangsrichtung abwechselnde magnetische Nord/Süd-Pole gebildet.
Da im Betrieb des Klauenpolmotors analog zu dem oben Beschriebenen auch bei Bauteilen des Motors unerwünschte Schall- und Schwingungsemissionen entstehen können, werden auch diese Bauteile identifiziert und mit einem oder mehreren mechanischen Resonatoren versehen. Beispielhaft hat das Klauenpolblech 80 zwei geradlinig ausgebildete, mechanische Resonatoren 88', 88", die zungenförmig als integrale Bestandteile des Polblechs 80 ausgebildet sind und in den Fig. 5 bis 8 verdeutlicht sind. Das Klauenpolblech 90 hat vorzugsweise ebenfalls zwei Resonatoren (96', 96" beim Klauenpolblech 92 in Fig. 9). Diese Resonatoren dienen zur Dämpfung der Eigenfrequenzen der Klauenpolbleche 80, 90.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Oberseite des oberen Klauenpolblechs 80 von Fig. 4. Fig. 6 verdeutlicht die Resonatoren 88', 88" sowie eine Bohrung 87 zur Montage des Klauenpolblechs 80 auf dem Lagerrohr 79 von Fig. 4 und 5. Auch sind in Fig. 6 axial verlaufende Schlitze im Klauenpol 80' mit 86 gekennzeichnet. Eine perspektivische Ansicht der Unterseite des oberen Klauenpolblechs 80 ist in Fig. 7 und eine Draufsicht auf diese Unterseite ist in Fig. 8 gezeigt.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Klauenpolblechs 92, welches mit der Statoranordnung 75 des Klauenpolmotors 99 gemäß Fig. 4 und 5 verwendbar ist. Dieses hat Klauenpole 99', 99" mit axial darin vorgesehenen Schlitzen 97 bzw. 98, eine Durchbohrung 94 und mechanische Resonatoren 96' und 96".
Im Gegensatz zu den in den Fig. 4 bis 8 dargestellten, geradlinig ausgebildeten Resonatoren 88', 88" sind die Resonatoren 96', 96" beispielhaft bogenförmig ausgebildet, um zu verdeutlichen, dass wie oben bei Fig. 1 beschrieben die Anregungsfrequenz eines Resonators unter anderem von dessen Geometrie abhängt. D.h. die Resonatoren 96', 96" sind hier auf andere Anregungsfrequenzen eingestellt, als die Resonatoren 88', 88" der Fig. 4 bis 8.
Fig. 10 zeigt einen Schnitt längs der Linie X-X der Fig. 3. Bei Resonanz schwingt die Zunge 52', was durch eine gestrichelte Linie 52" angedeutet ist.
Ersichtlich kann die Zunge 52' auch an einem separaten Bauteil angeordnet werden, das dann z. B. in Fig. 1 oder 3 mechanisch am Gehäuse 22 befestigt wird, oder an einem beliebigen sonstigen Bauteil, das mit unerwünschten Schwingungen behaftet ist. Wichtig ist dabei, dass die Zunge 52' frei schwingen kann, wie das Fig. 10 zeigt.
Fig. 11 zeigt ein Schmalbandspektrum der Geräusche eines Ventilators aus der, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, jedoch ohne Resonator. Fig. 12 zeigt ein Schmalbandspektrum der Geräusche eines seriennahen Ventilators mit Resonator, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. Fig. 13 zeigt eine Überlagerung der Schmalbandspektren aus Fig. 11 und Fig. 12.
In Fig. 11 und Fig. 13 zeigt die Kurve „Standard" 150 den Schalldruckpegel LpA mit der Einheit dB/20μPa, aufgetragen über einen Frequenzbereich 5000 Hz bis 6000 Hz. Der Schallpegel steigt im Bereich zwischen 5,2 kHz und 5,4 kHz sowohl von der Grundkurve 154 als auch von den Spitzen her deutlich an.
Es wird angenommen, dass die Geräusche im Bereich 5,2 kHz bis 5,4 kHz wesentlich durch Reibung im Lager erzeugt werden, das sich im Lagerrohr befindet und in diesem Fall als Sinterlager ausgebildet ist.
Um die Geräusche des Ventilators zu verringern, sollte also durch die Resonatoren insbesondere eine Dämpfung im Bereich von 5,2 kHz bis 5,4 kHz erfolgen.
In Fig. 12 und Fig. 13 zeigt die Kurve „Resonator" 152 den Schalldruckpegel LpA mit der Einheit dB/20μPa, aufgetragen über einen Frequenzbereich 5000 Hz bis 6000 Hz.
Der Schallpegel ist durch die Resonatoren im Bereich zwischen 5,2 kHz und 5,4 kHz sowohl von der Grundkurve 156 als auch von den Spitzen her zum Teil um mehr als 10 dB/20 μPa gesenkt, wie dies mit dem Pfeil 158 angedeutet ist.
Erreicht wurde diese Senkung mit einem Resonator, der in das Gehäuse des Ventilators integriert wurde, wie das z.B. beim Resonator 52' in Fig. 3 zu sehen ist Der Resonator hat einen Arbeitsbereich im Bereich von ca. 4,7 kHz, und er hat eine aktive Länge von 12,54 mm, eine Breite von 5,0 mm und eine Dicke von 1 mm. Zusätzlich wurde auf den Resonator ein Dämpfungsbelag (Dämpfungsschicht) aus einem zäh-elastischen Kunststoff mit hoher Eigendämpfung angebracht, um hierdurch den Resonanzbereich und damit den Bereich der dämpfenden Wirkung zu verbreitern. Ein solcher Dämpfungsbelag kann z.B. in Form einer selbstklebenden Folie angebracht werden.
Fig. 14 zeigt eine Explosionsdarstellung des Motors aus Fig. 4 bis Fig. 8.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.