WO2002073771A2 - Lüfteranordnung für eine elektrische maschine - Google Patents

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    • H02K5/16—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields

Definitions

  • the invention relates to a fan assembly for an electrical 'machine having a fan, which is rotatable about an axis, with air flowing in the axial direction into the fan and is discharged in the radial direction of the fan, a bearing shield and a pole wheel, wherein a flow channel at least partially is limited by the end shield and the magnet wheel.
  • fans are often used, which are rotatably mounted about the axis of the electrical machine. When the fan rotates, air flows into the fan in the axial direction and out of the fan in the radial direction.
  • the housing is partially designed as a bearing plate.
  • a bearing plate extends radially outward from the bearing of a rotor shaft and then forms part of the axially extending outer surface of the Generator.
  • the end shield therefore influences both the inflow and outflow of the cooling air.
  • end shields of the prior art are designed with sharp edges, which results in flow separation and eddy formation. An inflow that is disturbed in this way causes noise and the delivery capacity of the fan is impaired.
  • FIG. 1 shows an arrangement of fan 110 and end shield 112 of the prior art.
  • the arrangement is part of a three-phase generator, only the upper half of the generator being shown partially up to the center line 130.
  • the lower half of the three-phase generator, not shown, has a mirror-image shape.
  • Air enters the fan 110 from the left in the area of the air inlet 132 and exits the fan in the area 134 in the radial direction. It is to be recognized., As' ss pass through the air prior to entering the fan 110 to bearing plate 112 must be such that the air from the bearing plate 112, and in particular the generally existing sharp edges is affected.
  • the air outlet area 134 is delimited on one side by the end shield 112.
  • the pole wheel 136 of the three-phase generator represents a limitation.
  • the invention is based on the generic fan arrangement in that the flow cross section of the flow duct is essentially constant in the radial direction.
  • the flow cross section therefore does not increase in the radial direction, as is the case in the prior art. Rather, the flow cross-section is at least almost constant. This also prevents the flow channel from acting like a diffuser. Flow separations are thus avoided.
  • the flow cross section is essentially constant by adapting the shape of the end shield.
  • the end shield is shaped in such a way that the axial distance between the magnet wheel and the end shield decreases as you advance outward in the radial direction.
  • the expansion of the flow channel due to the circular geometry can thus be compensated for, so that ultimately a flow channel with an essentially constant flow cross section can be provided.
  • the minimum radial distance in the inflow area of the fan prevents pressure equalization between the inflow area and the outflow area. This has a positive influence on the flow behavior of the fan and ultimately also on the efficiency.
  • the end shield has rounded edges. In this way, flow separation and vortex formation are prevented, which can be recorded as disadvantageous in the prior art due to the sharp edges of the fan.
  • radial struts of the end shield are provided, which are subsequently flowed around by air flowing into the fan, the radial struts tapering in the axial direction.
  • Such a tapering of the radial struts has a positive influence on the flow behavior of the inflowing air.
  • the taper of the struts is symmetrical.
  • radial struts of the bearing plate are axially drop-shaped Have cross sections.
  • Such a drop-shaped cross section has the mentioned taper in the direction of flow of the inflowing air.
  • the invention is based on the finding that the flow behavior and ultimately the efficiency of a fan of an electrical machine can be improved by an essentially constant flow cross section of the flow channel. It is particularly preferred if the uniformity of the flow is further supported by a rounded shape of the end shield.
  • Figure 1 shows an arrangement of fan and end shield of the prior art
  • Figure 2 shows a bearing plate for use in a fan assembly according to the invention /
  • FIG. 3 shows an arrangement of the fan and end shield according to the invention. Description of the design examples
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of a bearing plate 12 and the relevant arrangement of a fan 10 according to the present invention.
  • the bearing plate 12 has an essentially cylindrical region 50 near the axis.
  • Several struts 52 extend from this cylindrical region 50. These struts 52 are wider on the side facing the viewer and they taper in the direction of the fan 10.
  • the cross section of the struts 52 along a sectional plane, which is axially aligned and is indicated by the broken line 54, is drop-shaped.
  • a rounded region 56 of the end shield is attached to the struts 52. This rounded one. , Area 56 merges into an area 58 extending in the axial direction.
  • the region 58 extending in the axial direction has a plurality of openings 60 which allow the heated air to escape.
  • Figure 3 shows a sectional view of a fan assembly according to the invention. Only part of the arrangement is shown.
  • the fan 10, the end shield 12 and the magnet wheel 14 can be seen.
  • the view of the end shield 12 corresponds to a radial section through the end shield according to FIG. 2, the viewing direction marked A in FIG. 2 being selected. It is the central one in the .Essential cylindrical part 50 of the bearing plate 12 can be seen.
  • a strut 52 can also be seen.
  • the rounded part 56 of the bearing plate is shaped on its side facing the fan in such a way that the axial distance between the bearing plate 12 and the magnet wheel 14 decreases radially outward. In this way, a flow channel 16 with an almost constant flow cross section is made available.
  • the increase in the flow cross section due to the circular geometry in the radial direction is compensated for by the decrease in the axial distance between the magnet wheel 14 and the end shield 12. It can also be seen that there is a minimal radial distance 18 between the end shield 12 and the fan 10 in the inflow region of the air 62. This minimal radial distance 18 ensures that the outflowing air 64 does not flow back through the flow channel 16 into the inflow region of the air. There is therefore no disadvantageous recirculation flow of the prior art. Furthermore, pressure equalization between the inflow area and the outflow area is avoided, which leads to a further increase in the fan output.
  • the axial distance between the end shield 12 and the fan 10 is chosen to be greater than the minimum radial distance 18. This has advantages with regard to the compensation of tolerances that arise in particular during production.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lüfteranordnung für eine elektrische Maschine mit einem Lüfter (10), der um eine Achse drehbar ist, wobei Luft in axialer Richtung in den Lüfter (10) einströmt und in radialer Richtung aus dem Lüfter (10) ausströmt, einem Lagerschild (12) und einem Polrad (14), wobei ein Strömungskanal (16) zumindest teilweise von dem Lagerschild (12) und dem Polrad (14) begrenzt wird und der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals (16) in radialer Richtung im Wesentlichen konstant ist.

Description

Lüfteranordnung für eine elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine Lüfteranordnung für eine elektrische ' Maschine mit einem Lüfter, der um eine Achse drehbar ist, wobei Luft in axialer Richtung in den Lüfter einströmt und in radialer Richtung aus dem Lüfter ausströmt, einem Lagerschild und einem Polrad, wobei ein Strömungskanal zumindest teilweise von dem Lagerschild und dem Polrad begrenzt wird.
Stand der Technik
• Beim.' Betrieb elektrischer Maschinen kommt es naturgemäß zu einer Wärmeentwicklung. Man ist bestrebt, diese Wärme abzuführen. Zu diesem Zweck werden häufig Lüfter verwendet, wobei diese um die Achse der elektrischen Maschine drehbar gelagert sind. Bei einer Drehung des Lüfters strömt Luft in axialer Richtung in den Lüfter ein und in radialer Richtung aus dem Lüfter aus .
Bei Generatoren, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist das Gehäuse teilweise als Lagerschild ausgebil- det. Ein solches Lagerschild erstreckt sich vom Lager einer Läuferwelle radial nach außen und bildet dann einen Teil der sich axial erstreckenden äußeren Oberfläche des Generators. Daher beeinflusst der Lagerschild sowohl das Einströmen als auch das Ausströmen der Kühlluft.
Als nachteilig ist zu verzeichnen, dass Lagerschilde des Standes der Technik mit scharfen Kanten ausgebildet sind, was Strömungsablösungen und Wirbelbildungen zur Folge hat. Eine derart gestörte Zuströmung verursacht Geräusche, und die Förderleistung des Lüfters wird verschlechtert.
Figur 1 zeigt eine Anordnung von Lüfter 110 und Lagerschild 112 des Standes der Technik. Die Anordnung ist ein Teil eines Drehstromgenerators, wobei nur die obere Hälfte des Generators teilweise bis zur Mittellinie 130 dar- gestellt ist. Die nicht dargestellte untere Hälfte des Drehstromgenerators weist eine spiegelbildliche Gestalt auf. Luft tritt von links in den Lüfter 110 im Bereich des Lufteintritts 132 ein und im Bereich 134 in radialer Richtung aus dem Lüfter aus. Es ist zu erkennen., da'ss die Luft vor dem Eintritt in den Lüfter 110 den Lagerschild 112 passieren muss, so dass die Luft von dem Lagerschild 112 und insbesondere den allgemein vorhandenen scharfen Kanten beeinflusst wird. Der Luftaustrittsbereich 134 ist an einer Seite von dem Lagerschild 112 begrenzt. An der anderen Seite stellt das Polrad 136 des Drehstromgenerators eine Begrenzung dar.
Da der Abstand zwischen dem Lagerschild 112 und dem Polrad 136 in axialer Richtung konstant ist, nimmt der Strö- mungsquerschnitt des Ξtrömungskanals 138 in radialer Richtung aufgrund der Kreisgeometrie zu. Somit wirkt der Strömungskanal 138 wie ein' Diffusor, so dass es zu Strö- mungsablösungen kommen kann. Dies beeinträchtigt' die Förderleistung des Lüfters. Ein anderer nachteiliger Effekt der Anordnung von Lüfter 110 und Lagerschild, 112 des Standes der Technik besteht darin, dass aufgrund des Abstandes zwischen dem Lüfter 110 und dem Lagerschild 112 eine Rezirkulationsströmung 140 auftreten kann. Da somit erwärmte Luft in den Lüfter 110 eintritt, . wird der Wirkungsgrad des Lüfters 110 verschlechtert.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung baut auf- der gattungsgemäßen Lüfteranordnung dadurch auf, dass der Strömungsquerschnitt des Strö- mungskanals in radialer Richtung im Wesentlichen konstant ist. Der Strömungsquerschnitt nimmt also nicht in radialer Richtung zu, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Vielmehr ist der Strörnungsquerschnitt zumindest nahezu konstant. Au • diese Weise wird verhindert, dass der Strömungskanal wie ein Diffusor wirkt. Strömungsablösungen werden insofern vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungs- querschnitt durch Anpassung der Form des Lagerschilds im Wesentlichen konstant. Der Lagerschild ist so geformt, dass der axiale Abstand zwischen Polrad und Lagerschild abnimmt, wenn man in radiale Richtung nach außen fortschreitet. Damit lässt sich die aufgrund der Kreisgeometrie vorliegende Erweiterung des Strömungskanals kompen- sieren, so dass letztlich ein Strömungskanal mit im Wesentlichen konstantem Strömungsquerschnitt bereitgestellt werden kann. Es ist zu bevorzugen, dass zwischen dem Lagerschild und dem Lüfter ein minimaler radialer Abstand im Einströmbereich des Lüfters vorliegt. Dieser minimale radiale Ab- 5 stand verhindert ein Rückströmen von bereits erwärmter Luft. Dieses Vermeiden einer Rezirkulationsströmung verbessert den Wirkungsgrad des Lüfters, da der Lüfter somit praktisch ausschließlich nicht vorgewärmte Luft ansaugt. Ferner wird durch den minimalen radialen Abstand im Ein- 10 strömbereich des Lüfters ein Druckausgleich zwischen dem Einströiribereich und dem Ausströ bereich verhindert. Dies beeinflusst das Strömungsverhalten des Lüfters positiv und letztlich ebenfalls den Wirkungsgrad.
15 In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Lagerschild abgerundete Kanten auf. Auf diese Weise werden Strömungsablösungen und Wirbelbildungen verhindert, welche im Stand der Technik aufgrund der scharfen Kanten des Lüfters als nachteilig zu verzeichnen sind. Der Lüf-
20.. ter arbeitet daher geräuscharm und mit großer Förderleistung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind radiale Streben des Lagerschilds vorgesehen, welche von- nach- 25 folgend in den Lüfter einströmender Luft umströmt werden, wobei sich die -radialen Streben in axialer Richtung verjüngen. Eine solche Verjüngung der radialen Streben beeinflusst das Strömungsverhalten der einströmenden Luft positiv. Die Verjüngung der Streben ist symmetrisch.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass radiale Streben des Lagerschilds axial tropfenförmige Querschnitte aufweisen. Ein solcher tropfenförmiger Querschnitt weist die erwähnte Verjüngung in Strömungsrichtung der einströmenden Luft auf.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, -dass durch einen im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt des Strömungskanals das Strömungsverhalten und letztlich der Wirkungsgrad eines Lüfters einer elektrischen Maschine verbessert werden kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Gleichmäßigkeit der Strömung noch durch eine abgerundete Gestalt des Lagerschilds unterstützt wird.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die' begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Dabei zeigt:
Figur 1 eine Anordnung von Lüfter und Lagerschild des Standes der Technik;
Figur 2 ein Lagerschild zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Lüfteranordnung/ und
Figur 3 eine erfindungsgemäße Anordnung von Lüfter und Lagerschild. Beschreibung der Äusführungsbeispiele
Die Darstellung des Standes der Technik gemäß Figur 1 wurde im allgemeinen Teil der vorliegenden Beschreibung erläutert.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Lagerschilds 12 sowie die diesbezügliche Anordnung eines Lüfters 10 gemäß der vorliegenden- Erfindung.- Der Lagerschild 12 hat einen achsnahen im Wesentlichen zylindrischen Bereich 50. Von diesem zylindrischen Bereich 50 erstrecken sich mehrere Streben 52. Diese Streben 52 sind auf der dem Betrachter zugewandten Seite breiter und sie verjüngen sich in Richtung auf den Lüfter 10. Der Querschnitt der Streben 52 entlang einer Ξchnittebene , die axial ausgerichtet ist und durch die unterbrochene Linie 54 angedeutet ist, ist tropfenförmig. An den Streben 52 setzt ein abgerundeter Bereich 56 des Lagerschilds an. Dieser abgerundete ..Bereich 56 geht in einen sich in axialer Richtung erstreckenden Bereich 58 über. Der sich in axialer Richtung erstreckende Bereich 58 hat eine Vielzahl von Öffnungen 60, die den Austritt der erwärmten Luft gestatten.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Lüfteranordnung. Es ist nur ein Teil der Anordnung dargestellt. Zu erkennen sind der Lüfter 10, das Lagerschild 12 und das Polrad 14. Die Ansicht des Lagerschildes 12 entspricht einem radialen Schnitt durch das Lagerschild gemäß Figur 2, wobei die in Figur 2 mit A gekennzeichneten Blickrichtung gewählt ist. Es ist der zentrale im .Wesentlichen zylindrische Teil 50 des Lagerschilds 12 zu erkennen. Ferner erkennt man eine Strebe 52. Der abgerundete Teil 56 des Lagerschilds ist an seiner dem Lüfter zugewandten Seite so geformt, dass der axiale Abstand zwischen dem Lagerschild 12 und dem Polrad 14 radial nach außen abnimmt. Auf diese Weise wird ein Strömungskanal 16 mit nahezu konstantem Strömungsquerschnitt zur Verfügung gestellt. Die Zunahme des Strömungsquerschnittes aufgrund der Kreisgeometrie in radialer Richtung wird durch die Abnahme des axialen Abstandes zwischen dem Polrad 14 und dem Lagerschild 12 kompensiert. Ferner ist zu erkennen, dass zwischen dem Lagerschild 12 und dem Lüfter 10 im Einströmbereich der Luft 62 ein minimaler radialer Abstand 18 vorliegt. Durch diesen minimalen radialen Ab- stand 18 wird sichergestellt, dass die ausströmende Luft 64 nicht durch den Strömungskanal 16 in den Einströmbereich der Luft zurückströmt. Es kommt somit nicht zu der nachteiligen Rezirkulationsströ ung des Standes der Technik. Weiterhin wird ein Druckausgleich zwischen dem Ein- strömbereich und dem Ausströmbereich vermieden, was zu einer nochmaligen Steigerung der Lüfterleistung führt. Der axiale Abstand zwischen dem Lagerschild 12 und dem Lüfter 10 ist größer gewählt als der minimale radiale Abstand 18. Dies hat Vorteile im Hinblick auf den Aus- gleich von Toleranzen, die insbesondere bei der Fertigung entstehen.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrati- ven Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der
Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Lüfteranordnung für eine elektrische Maschine mit
einem Lüfter (10) , der um eine Achse drehbar ist, wobei Luft in axialer Richtung in den Lüfter (10) einströmt und- in radialer Richtung aus dem Lüfter (10) ausströmt,
einem Lagerschild (12) und
einem Polracl (14),
wobei ein Strömungskanal (16) zumindest teilweise von dem Lagerschild (12) und dem Polrad (14) begrenzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Strömun'gskanals (16) in radialer Richtung im Wesentlichen konstant ist.
2. Lüfteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ströπiungsquerschnitt des Strömungskanals
(16) durch Anpassung der Form des Lagerschilds (12) in radialer. Richtung im Wesentlichen konstant ist.
3. Lüfteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagerschild (12) und dem Lüfter (10) ein minimaler radialer Abstand (18) im Einströmbereich des Lüfters (10) vorliegt.
4. Lüfteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerschild (12) abgerundete Kanten aufweist.
5. Lüfteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radiale Streben (52) des Lagerschilds (12) , welche von nachfolgend in den Lüfter (10) einströmender Luft umströmt werden, sich in axialer Richtung verjüngen.
6. Lüfteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass radiale Streben (52) des Lagerschilds (12) axial tropfenförmige Querschnitte aufweisen.
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