WO2007036535A1

WO2007036535A1 - Lüfterrad zur förderung von kühlluft für eine elektrische maschine

Info

Publication number: WO2007036535A1
Application number: PCT/EP2006/066791
Authority: WO
Inventors: Horst Braun
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-04-05
Also published as: DE102005046056A1

Abstract

Lüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine mit einem Scheibenteil (14) , von dem Lüfterschaufeln (16) ausgehen, die entlang des Umfangs des Lüfterrads (10) radial nach außen gerichtet sind und in Achsrichtung weisen. Die Lüfterschaufeln (16) zumindest jeweils eine Schaufelhinterkante (28) mit der Höhe h und eine geneigte Schaufelvorderkante (26) aufweisen. Die Lüfterschaufeln (16) durch eine Einhüllende (50) beschreibbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einhüllende (50) durch die Schaufelhinterkante (28), einer von der Höhe h ausgehenden und zum Scheibenteil (14) parallelen Strecke (46), einer Verbindungslinie (49) und einer projizierten Oberfläche (43) des Scheibenteils (14) gebildet ist. Die Verbindungslinie (49) eine Gerade zwischen einem von der Schaufelhinterkante (28) abgewandten Ende der Strecke (46) und einem Schnittpunkt (40) der geneigten Schaufelvorderkante (26) mit dem Scheibenteil (14) ist. Die Verbindungslinie (49) die Schaufelvorderkante (26) in zumindest einem Punkt berührt. Das Verhältnis der Länge b der Strecke (46) zu der Schaufelhöhe h im Bereich von 0,08 ≤ b/h ≤ 0,60 liegt.

Description

Lüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine

Technisches Geb iet

Die Erfindung betrifft ein Lüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine mit einem S cheibenteil, von dem Lüfterschaufeln ausgehen, die entlang des Umfangs des Lüfterrads radial nach außen gerichtet sind und in Achsrichtung weisen, wob ei die Lüfterschaufeln zumindest j eweils eine S chaufelhinterkante mit der Höhe h und eine geneigte S chaufelvorderkante aufweisen, wobe i die Lüfterschaufeln durch eine Einhüllende beschreibbar sind.

Stand der Technik

B ei den zumeist als Radiallüfter ausgebildeten Lüftern aus Blech zur Kühlluftförderung für elektrische Maschinen ist die Minderung der im B etrieb auftretenden Geräusche ein ständiges Anliegen. B ei der Förderung von Kühlluft spielt unter anderem das Wirbelgeräusch im B ereich der Lüfterschaufeln eine große Rolle für die gesamte Geräuschentwicklung des Lüfters .

E ine Maßnahme zur Absenkung des Strömungsgeräusches einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kfz-Generators ist, den Kühlluftdurchsatz zu verkleinern. Das ist immer dann möglich, wenn die Anforderungen an die Kühlung der B auteile der Maschine nicht zu hoch sind.

Um den Kühlluftdurchsatz zu verkleinern, müssen Lüfter verwendet werden, die eine kleinere Förderleistung haben als die vorhandenen Lüfter, die einen Ausgangszustand darstellen. Diese bekannten Lüfter haben die S chaufelvorderkante der S chaufel zu der Drehachse des Lüfters le icht geneigt.

Um den Konstruktionsaufwand klein zu halten, werden üblicherweise die neuen Lüfter aus den vorhandenen Lüftern ab geleitet, indem die S chaufelhöhe gekürzt wird.

Dadurch verschlechtern sich j edoch die Strömungsverhältnisse im Bereich des Lüfters im eingebauten Zustand. Es kommt zu verstärkter Wirbelbildung an den S chaufelspitzen, und die Lüfter haben ein hö heres spezifisches Geräusch. Das spezifische Geräusch ist das Strömungsgeräusch b ezogen auf den Kühlluftdurchsatz .

Bei der gekürzten Lüfterschaufel ist der Abstand zwischen S chaufelspitze und Lagerschild größer als im Ausgangszustand. In einem dadurch entstehenden Sp alt wird die Strömung nicht mehr von der S chaufel geführt, so dass es aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Eintritt und dem Austritt der S chaufel zu einer Rückströmung von dem Eintritt nach dem Austritt kommt. Das führt zu Wirbelb ildung und einem erhöhten sp ezifischen Geräusch.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgab e zugrunde , die Förderleistung des Lüfters im Vergleich zu einem Ausgangszustand auf eine andere Weise als durch Verkürzung der S chaufelhöhe zu verringern, ohne die Strömungsverhältnisse am Lüfter zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird durch das Lüfterrad zur Förderung vo n Kühlluft für eine elektrische Maschine gemäss den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 dadurch gelö st, dass - die Einhüllende durch die Schaufelhinterkante, einer von der Höhe h ausgehenden und zum Scheibenteil parallelen Strecke, einer Verbindungslinie und einer projizierten Oberfläche des Scheibenteils gebildet ist, wobei die Verbindungslinie eine Gerade zwischen einem von der Schaufelhinterkante abgewandten Ende der Strecke und einem Schnittpunkt der geneigten Schaufelvorderkante mit dem Scheibenteil ist und die Verbindungslinie die Schaufelvorderkante in zumindest einem Punkt berührt, wobei

- das Verhältnis der Länge b der Strecke zu der Schaufelhöhe h im Bereich von 0,08 < b/h < 0,60 liegt.

Wird die Schaufelhöhe eines Lüfters beibehalten, und nur die Schaufelvorderkante stärker zu der Drehachse des Lüfters geneigt, und zwar in der Weise, dass für das oben angegebene Verhältnis b/h die Beziehung 0,08 < b/h < 0,60 gilt, so führt das zu einem kleineren Kühlluftdurchsatz ohne dass es zu einer verstärkten Wirbelbildung und Erhöhung des spezifischen Geräusches kommt.

Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante eine konkave Form aufweist.

Bei einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante und die Schaufeloberkante gemeinsam eine durchlaufende etwa S-förmige Kante bilden, wobei einem konkaven Bogenabschnitt der Schaufelvorderkante nach radial außen ein konvexer Bogenabschnitt der Schaufeloberkante folgt. Der Vorteil bei dieser Variante ist ebenfalls darin zu sehen, dass die Verletzungsgefahr bei der Montage und bei der Handhabung des Läufers mit montierten Lüftern geringer ist. Bei einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante eine Gerade ist.

Bei noch einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung die Schaufelvorderkante eine Tangente ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines, beispielsweise als Radiallüfterrad ausgeführten Lüfterrads nach einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht;

Fig.2 eine Seitenansicht auf eine Schaufel des in der Fig. 1 dargestellten Lüfterrads;

Fig. 3 rein schematisch eine Strömung am Lüfter mit erfindungsgemäß stark geneigter Vorderkante einer Schaufel des in der Fig. 1 dargestellten Lüfterrads, wobei die Vorderkante nach dem Ausgangszustand strichliniert und die gekürzte Schaufelhöhe strichpunktiert angedeutet sind;

Fig.4 ein Diagramm, das das spezifische Strömungsgeräusch 12. Ordnung über der Generatordrehzahl für die Lüfter mit stark geneigter Schaufelvorderkante nach der Erfindung im Vergleich zu den bekannten Lüftern mit gekürzten Schaufelhöhe bei gleichem Durchsatz zeigt; und

Fig. 5 ein Balkendiagramm, das die Pegeldifferenzen des Strömungsgeräusches der Lüfterordnungen 9 bis 15 über der Drehzahl für die Lüfter mit stark geneigter Schaufelvorderkante nach der Erfindung im Vergleich zu den bekannten Lüftern mit gekürzter Schaufelhöhe bei gleichem Durchsatz darstellt. Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Darstellung der Fig. 1 zeigt ein, beispielsweise als Radiallüfterrad ausgeführten, allgemein mit 10 bezeichnetes Lüfterrad in perspektivischer Darstellung.

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 oder am Klauenpolläufer eines Kfz-Generators befestigt sein 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 und in Achsrichtung weisende Lüfterschaufeln 16 angeordnet. Senkrecht zur Achsrichtung erstrecken sich die Lüfterschaufeln 16 geradlinig entlang des Umfangs des Lüfterrads, wobei sie jeweils in einer gedachten Ebene liegen, die parallel und im Abstand zu der Drehachse 24 des Lüfterrads 10 verläuft.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist ein Radiallüfter mit N = IO Lüfterschaufeln 16 dargestellt. Die Lüfterschaufeln 16 sind mit ungleichen Abständen entlang des Umfangs des Lüfterrads 10 angeordnet, um das Lüftergeräusch im Betrieb weiter zu reduzieren. Aufgrund der ungleichmäßigen Schaufelteilungen verteilt sich die Schalleistung der Lüfter auf die Ordnungen 9 bis 15.

In Fig. 2 ist eine Lüfterschaufel 16 schematisch dargestellt, die radial von der Drehachse 24 des Radiallüfterrads 10 nach außen gerichtet ist und von dem nur schematisch angedeuteten Scheibenteil 14 in Achsrichtung nach oben weist. Die Lüfterschaufel 16 besitzt eine Schaufelhinterkante 28, die parallel zur Drehachse 24 verläuft und die die Höhe h aufweist, eine Schaufeloberkante 30 mit der Länge b und eine zur Drehachse 24 stark geneigte Schaufelvorderkante 26. Bei der gleichen Schaufelhöhe h wie bei dem Stand der Technik ist die Schaufelvorderkante 26 zu der Drehachse 24 stärker geneigt als bei dem Stand der Technik, so dass die Förderleistung des Lüfters mit solchen erfindungsgemäßen Lüfterschaufeln 16 gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. Gleichzeitig kommt aber ebenfalls zur Reduzierung des Geräusches bei der Förderung von Kühlluft.

Die Lüfterschaufel 16 kann durch eine Einhüllende 50 beschrieben werden. Die Einhüllende 50 besteht erfindungsgemäß aus den Linien gebildet aus der projizierten Oberfläche 43, der Schaufelhinterkante 28, der zum Scheibenteil 14 parallelen Strecke 46 und der Verbindungslinie 49. Dabei ist die Verbindungslinie 49 eine Gerade zwischen einem von der Schaufelhinterkante 28 abgewandten Ende der Strecke 46 und einem Schnittpunkt 40 der geneigten Schaufelvorderkante 26 mit dem Scheibenteil 14. Die Verbindungslinie 49 berührt die Schaufelvorderkante 26 in zumindest einem Punkt.

In Fig.2 sind mehrere Varianten der Durchführung der Schaufelvorderkante 26 angedeutet. Bei einer dieser Varianten, die strichpunktiert angedeutet ist, ist die Schaufelvorderkante 26 konkav ausgebildet, d.h. dass sie die Form eines konkaven Bogens zwischen dem Schnittpunkt 38 der Schaufelvorderkante 26 mit der Schaufeloberkante 30 und dem Schnittpunkt 40 der Schaufelvorderkante 26 mit dem Scheibenteil 14 aufweist. Bei einer weiteren dieser Varianten, die strichliniert angedeutet ist, bilden die beiden ursprünglich geradlinigen Schaufelvorderkante 26 und Schaufeloberkante 30 gemeinsam eine durchlaufende Kante, die entfernt Ähnlichkeit mit der Form des Buchstabes S aufweist, wobei einem konkaven Bogenabschnitt der Schaufelvorderkante 26 nach radial außen ein konvexer Bogenabschnitt der Schaufeloberkante 30 folgt, und die zwischen dem Schnittpunkt 42 der Schaufeloberkante 30 mit der Schaufelhinterkante 28 und dem Schnittpunkt 40 der Schaufelvorderkante 26 mit dem Scheibenteil 14 verläuft. Besonders günstig ist dabei, wenn die Schaufelvorderkante 26 eine Tangente an die Verbindungslinie 49 ist. Bei noch einer weiteren dieser Varianten, die als Volllinie angedeutet ist, ist die Schaufelvorderkante 26 eine Gerade.

In Fig. 3 ist schematisch eine Strömung am Lüfter mit stark geneigter Schaufelvorderkante 26 einer erfindungsgemäßen Lüfterschaufel 16 des in der Fig. 1 dargestellten Lüfterrads 10 gezeigt, wobei die Schaufelvorderkante nach dem Ausgangszustand strichliniert und die gekürzte Schaufelhöhe nach dem Stand der Technik strichpunktiert für den Vergleich mit der Erfindung angedeutet sind.

Das Scheibenteil 14 der Lüfterschaufel 16 ist zu einem Polrad 34 auf einer nicht dargestellten Antriebswelle befestigt. Im Abstand zum Polrad 34 ist in radialer Richtung ein Wickelkopf 36 angeordnet. Im Abstand zu der Lüfterschaufel 16 in axialer Richtung ist ein Lagerschild 32 angeordnet. Durch die Pfeile P wird die Strömung der Kühlluft im Bereich der Lüfterschaufel 16 bei der Schaufelgeometrie nach der Erfindung angedeutet.

Durch die Versuche wurde festgestellt, dass besonders gute Ergebnisse bei der Geräuschminderung bei den Lüftern mit erfindungsgemäßen Lüfterschaufeln 16 dann erreicht werden können, wenn die Beziehung der Länge b der Schaufeloberkante 30 zu der Schaufelhöhe h im Bereich von 0,08 bis 0,60 liegt, wobei für das Verhältnis b/h die Beziehung 0,08 < b/h < 0,60 gilt.

Für den Vergleich einer Geräuschbildung bei den bekannten Lüftern mit gekürzten Schaufelhöhen und bei den erfindungsgemäßen Lüftern wurde die Messung mit einem Kfz-Generator durchgeführt. Auf dem Polrad wurden jeweils zwei Lüfter montiert. Der erste Lüfter mit 12 Schaufeln gemäß der Erfindung mit der Schaufelhöhe h von 10 mm und der Länge b der Schaufeloberkante 30 von 2 mm, d.h. mit dem Verhältnis b/h von 0,2, wurde mit einem entsprechenden bekannten Lüfter mit der gekürzten Schaufelhöhe von 7,5 mm und der Länge b der Schaufeloberkante von 8,1 mm verglichen. Der zweite Lüfter 10 mit 10 Schaufeln gemäß der Erfindung mit der Schaufelhöhe h von 13 mm und der Länge b der Schaufeloberkante 30 von 2 mm, d.h. mit dem Verhältnis b/h von 0,15, wurde mit einem entsprechenden bekannten Lüfter mit der gekürzten Schaufelhöhe von 10 mm und der Länge b der Schaufeloberkante von 13,7 mm verglichen. Aufgrund der ungleichmäßigen Schaufelteilungen verteilte sich die Schallleistung der Lüfter auf die Ordnungen 9 bis 15.

Die Ergebnisse dieser Vergleichung sind in Fig.4 auf einem Diagramm dargestellt, welches die gemessenen spezifischen Strömungsgeräusche 12. Ordnung über der Generatordrehzahl für die Lüfter mit einer erfindungsgemäß stark geneigten

Schaufelvorderkante, vgl. die Kurvenlinie A, im Vergleich zu den bekannten Lüftern mit gekürzten Schaufelhöhe, vgl. die Kurvenlinie B, bei gleichem Durchsatz zeigt. Auch die Geräuschpegel der anderen Ordnungen der Lüfter sind bei den Lüftern mit erfindungsgemäß stärker geneigten Schaufelvorderkanten niedriger als bei den bekannten Lüftern mit gekürzter Schaufelhöhe. In Fig. 5 wird ein Balkendiagramm gezeigt, das die Pegeldifferenzen des Strömungsgeräusches der Geräuschpegelordnungen 9 bis 15, gemittelt im Drehzahlbereich 6000 rpm - 18000 rpm, über der Drehzahl für die Lüfter mit stark geneigter Schaufelvorderkante 26 im Vergleich zu den Lüftern mit gekürzter Schaufelhöhe bei gleichem Durchsatz darstellt.

In Fig. 5 stellt die oberste horizontale Linie, die eine Nulldifferenz bezeichnet, den Geräuschpegel des bekannten Lüfters mit gekürzter Schaufelhöhe dar. Wie aus der Fig. 5 geht hervor, lagen die Geräuschpegel der Lüfter mit dem erfindungsgemäß stark geneigten Schaufelvorderkanten 26, die durch die schwarzen Balken dargestellt sind, bis zu 5 dB unter dem Geräuschpegel der Lüfter mit gekürzten Schaufeln. Das bedeutet, dass die Ordnungen der Lüfter mit stark geneigten Schaufelvorderkanten 26 bei gleichem geförderten Kühlluftdurchsatz durchweg niedrigere Geräuschpegel als die bekannten Lüfter mit gekürzten Schaufelhöhen hatten. Mit anderen Worten ist mit gleichem Kühlluftdurchsatz das Geräusch der Lüfter mit erfindungsgemäßen Schaufeln 16 leiser als bei den bekannten Lüftern mit gekürzten Schaufelhöhe.

Claims

Patentansprüche

1. Lüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine mit

- einem Scheibenteil (14), von dem Lüfterschaufeln (16) ausgehen,

- die entlang des Umfangs des Lüfterrads (10) radial nach außen gerichtet sind und in Achsrichtung weisen,

- wobei die Lüfterschaufeln (16) zumindest jeweils eine Schaufelhinterkante (28) mit der Höhe h und eine geneigte Schaufelvorderkante (26) aufweisen,

- wobei die Lüfterschaufeln (16) durch eine Einhüllende (50) beschreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Einhüllende (50) durch die Schaufelhinterkante (28), einer von der Höhe h ausgehenden und zum Scheibenteil (14) parallelen Strecke (46), einer Verbindungslinie (49) und einer projizierten Oberfläche (43) des Scheibenteils (14) gebildet ist, wobei die Verbindungslinie (49) eine Gerade zwischen einem von der Schaufelhinterkante (28) abgewandten Ende der Strecke (46) und einem Schnittpunkt (40) der geneigten Schaufelvorderkante (26) mit dem Scheibenteil (14) ist und die Verbindungslinie (49) die Schaufelvorderkante (26) in zumindest einem Punkt berührt, wobei

- das Verhältnis der Länge b der Strecke (46) zu der Schaufelhöhe h im Bereich von 0,08 < b/h < 0,60 liegt.

2. Lüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (26) eine konkave Form aufweist.

3. Lüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (26) und die Schaufeloberkante (30) gemeinsam eine durchlaufende etwa S-förmige Kante bilden, wobei einem konkaven Bogenabschnitt der Schaufelvorderkante (26) nach radial außen ein konvexer Bogenabschnitt der Schaufeloberkante (30) folgt.

4. Lüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (26) eine Gerade ist.

5. Lüfterrad nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (26) eine Tangente ist.