WO2004020838A1 - Radiallüfterrad zur förderung von kühlluft für eine elektrische maschine - Google Patents

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    • F04D29/666—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps by means of rotor construction or layout, e.g. unequal distribution of blades or vanes

Definitions

  • Radial fan wheel for conveying cooling air for an electrical machine
  • the present invention relates to a radial fan wheel for conveying cooling air for an electrical machine with a plurality of fan blades attached along the circumference of the fan wheel with arcuate blade ends, each of which has a first tangent to its radially inner edge with a tangent to the inner circumference of the fan wheel Include angles, and enclose a second angle at its radially outer edge with a tangent to the outer circumference of the fan wheel.
  • the fans made of sheet metal which are usually designed as radial fans, for conveying cooling air for electrical machines
  • the reduction of the noises occurring during operation is a constant concern.
  • the swirling noise in the area of the fan blades plays a major role in the overall noise development of the fan.
  • the cooling air flow in the area of the fan is severely disrupted.
  • the most important components that cause turbulence are the struts and ribs of the end shields, the surface of the end shields on the side facing the fan, the heat sink and the circuit board on the B side and the end winding.
  • FIG. 4 explains the definition of inlet angle ⁇ 1 and outlet angle ⁇ 2 for circular fan blade ends 18.
  • the inlet angle ⁇ 1 is defined as the angle between the radially inner edge of the blade end 18 and a tangent 22 to the inner circumference 20 of the fan wheel.
  • the exit angle ⁇ 2 is defined as the angle between the radially outer edge of the blade end 18 and a tangent 26 to the outer circumference 24 of the fan wheel.
  • An arcuate blade end 18 of a fan blade 16 is clearly determined by specifying these two angles ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the device according to the invention according to claim 1 is based on the prior art in that the second angle ⁇ 2 is chosen to be more than 75% larger than the first angle ⁇ 1 in order to minimize eddy noises in the area of the fan blades during operation of the fan wheel.
  • the inventions This is based on the idea of reducing the vortex noise by improving the fluid mechanical efficiency of the fan.
  • the angles ß1 and 32 are chosen so that the specific noise of the fan is minimal.
  • the specific noise refers to the fan noise in relation to the cooling air throughput.
  • the measure of claim 6 offers the advantage that the tonal noises that are perceived as unpleasant by the human ear are further reduced significantly.
  • the design of the fan wheel according to claim 9 often covers fan wheel designs in which the solution according to the invention is particularly advantageous.
  • the design according to the invention plays a particularly large role in the fan wheels specified in claim 10.
  • Figure 1 is a schematic representation of a radial fan wheel according to an embodiment of the invention in a perspective view
  • FIG. 2 is a plan view of the fan wheel shown in Figure 1;
  • FIG. 3 shows an angle diagram to show the angle ranges for the entry angle ⁇ 1 and the exit angle 32 according to the invention;
  • FIG. 4 shows a diagram for explaining the definition of entry angle ⁇ 1 and exit angle ⁇ 2 with an arcuate blade end
  • FIG. 5 in (a) and (b) schematic representations of two particularly preferred designs of a fan wheel according to the invention.
  • Figure 6 is a diagram showing the specific fan noise based on a reference fan for a number of different entry angles ß1, shown as a function of the exit angle ß2.
  • FIG. 1 shows a radial fan impeller, generally designated 10, in a perspective illustration
  • FIG. 2 shows a top view of the fan impeller 10 in FIG. 1.
  • the fan wheel 10 is made from a stamped and bent part made of sheet metal. For example, it can be driven in a manner known per se by an electric motor, not shown, and for this purpose has a central opening 12 for attachment to a machine shaft, not shown.
  • a disk part 14 which contains the central opening 12, fan blades 16 are arranged radially outward along the circumference with blade ends 18 pointing in the axial direction.
  • the blade ends 18 extend perpendicular to the axial direction in a substantially circular arc between the inner circumference 20 and the outer circumference 24 of the fan wheel.
  • the fan blades 16 are arranged at unequal intervals along the circumference of the fan wheel in order to further reduce the fan noise during operation.
  • the structure of two different fan blades is shown in simplified form in FIG. 2 in order to make the inlet angle ⁇ 1 and the outlet angle 32 of the blade ends 181 and 182 more clearly visible.
  • the direction of rotation of the fan wheel during operation is shown by arrow 28.
  • FIG. 5 (a) shows a schematic illustration of a correspondingly designed fan wheel in which only the blade ends 18 are shown.
  • FIG. 6 shows a diagram which shows measurement results for the specific fan noise, in each case based on the noise development of a reference fan (ordinate equal to 0).
  • the fan blades 16 are divided into three sectors for further noise reduction, in which the blade spacings of the partitions between adjacent blades 16 are in each case the same.
  • the angular distances in different sectors are different from each other.
  • the sound power generated by the fan is distributed to different frequencies, that is to say to different orders in the amplitude spectrum.
  • the fan noise is perceived as more pleasant when the degree of unevenness is greater, but a non-zero degree of unevenness does not automatically lead to a more favorable fan noise.
  • the degree of unevenness is u through
  • Such a value for the degree of non-uniformity contributes to a particularly favorable ' tonal behavior of the fan wheel.
  • this fan wheel has a pronounced minimum in the amplitude spectrum in the order of the number of blades, here the 10th order, which, according to current understanding, results in a particularly advantageous noise behavior of the fan wheel.

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Abstract

Bei einem Radiallüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine mit einer Mehrzahl von entlang des Umfangs des Lüfterrads (10) angebrachten Lüfterschau­feln (16) mit kreisbogenförmigen Schaufelenden (18), welche an ihrer radial innen gelegenen Kante mit einer Tangente (20) an den inneren Umfang (20) des Lüfterrads (10) einen ersten Winkel (ß1) einschließen, und an ihrer radial außen gelegenen Kante mit einer Tangente (22) an den äußeren Umfang (24) des Lüfterrads (10) einen zweiten Winkel (ß2) einschließen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Winkel (ß2) um 75% oder mehr größer als der erste Winkel (ßl) gewählt ist, um im Betrieb des Lüfterrads (10) Wirbelgeräusche im Bereich der Lüfter­schaufeln (16) zu minimieren.

Description

Radiallüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radiallüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine mit einer Mehrzahl von entlang des Umfangs des Lüfterrads angebrachten Lüfterschaufeln mit kreisbogenförmigen Schaufelenden, welche jeweils an ihrer radial innen gele- genen Kante mit einer Tangente an den inneren Umfang des Lufterrads einen ersten Winkel einschließen, und an ihrer radial außen gelegenen Kante mit einer Tangente an den äußeren Umfang des Lüfterrads einen zweiten Winkel einschließen.
Stand der Technik
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. Bei der Förderung der Kühlluft spielt unter anderem das Wirbelgeräusch im Bereich der Lüfterschaufeln eine große Rolle für die gesamte Geräuschentwicklung des Lüfters . In einem Generator ist die Kühlluftströmung im Bereich des Lüfters stark gestört. Die wichtigsten Bauteile, die für Verwirbelungen sorgen, sind die Streben und Rippen der Lagerschilde, die Oberfläche der Lagerschilde auf der dem Lüfter zugewandten Seite, Kühlkörper und Verschal- tungsplatte auf der B-Seite und der Wickelkopf.
Wichtige Geometrieparameter für die Lüfterschaufeln sind der Eintrittswinkel ßl und der Austrittswinkel «32 der Schaufelenden. Figur 4 erläutert die Definition von Ein- trittswinkel ßl und Austrittswinkel ß2 für kreisbogenförmige Lüfterschaufelenden 18. Der Eintrittswinkel ßl ist als der Winkel zwischen der radial innen gelegenen Kante des Schaufelendes 18 und einer Tangente 22 an den inneren Umfang 20 des Lüfterrads definiert. Der Austrittswinkel ß2 ist als der Winkel zwischen der radial außen gelegenen Kante des Schaufelendes 18 und einer Tangente 26 an den äußeren Umfang 24 des Lüfterrads definiert. Ein kreisbogenförmiges Schaufelende 18 einer Lüfterschaufel 16 ist durch Angabe dieser beiden Winkel ßl und ß2 eindeutig bestimmt .
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass der zweite Winkel ß2 um mehr als 75% größer als der erste Winkel ßl gewählt ist, um im Betrieb des Lüfterrads Wirbelgeräusche im Bereich der Lüfterschaufeln zu minimieren. Die Erfin- dung beruht somit auf dem Gedanken, das Wirbelgeräusch durch eine Verbesserung des strömungsmechanischen Wirkungsgrads des Lüfters zu reduzieren. Dazu werden die Winkel ßl und 32 so gewählt, dass das spezifische Ge- rausch des Lüfters minimal ist. Dabei bezeichnet das spezifische Geräusch das Lüftergeräusch bezogen auf den Kühlluftdurchsatz .
Mit den Maßnahmen der Ansprüche 2 beziehungsweise 4 las- sen sich besonders niedrige Werte für das spezifische Lüftergeräusch erzielen.
Insbesondere haben sich die Werte für den Eintrittswinkel und Austrittswinkel gemäß der Ansprüche 3 beziehungsweise 5 als vorteilhaft herausgestellt.
Die Maßnahme des Anspruchs 6 bietet den Vorteil, dass die tonalen Geräusche, die vom menschlichen Gehör als unangenehm empfunden werden, weiter deutlich verringert werden.
Mit der Maßnahme des Anspruchs 7 kann auf einfache und effiziente Weise erreicht werden, 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.
Es hat sich weiter herausgestellt, dass der Ungleichmä- ßigkeitsgrad einen wichtigen Einflussparameter für das Geräuschverhalten des Lüfterrads darstellt , wobei die Werte im Bereich des Anspruchs 8 zu besonders günstigem tonalen Verhalten beitragen .
Die Ausgestaltung des Lüfterrads nach Anspruch 9 decken oft verwendete Lüfterradgestaltungen ab , bei denen die erfindungsgemäße Lösung besonders vorteilhaft ist .
Da bei einem aus einem Stanz-Biegeteil ausgebildeten Lüfter die Anzahl der Schaufeln und der Betrag des Un- gleichmäßigkeitsgrads aus Fertigungsgründen begrenzt sind, spielt bei den in Anspruch 10 angegebenen Lüfterrädern die erfindungsgemäße Gestaltung eine besonders große Rolle .
Seichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.
Dabei zeigt :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Radiallüfterrads nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht;
Figur 2 eine Aufsicht auf das in der Figur 1 dargestellte Lüfterrad; Figur 3 ein Winkeldiagramm zur Darstellung der Winkelbereiche für den Eintrittswinkel ßl und den Austrittswinkel «32 nach der Erfindung;
Figur 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Definition von Eintrittswinkel ßl und Austrittswinkel ß2 bei einem kreisbogenförmigen Schaufelende;
Figur 5 in (a) und (b) sche atische Darstellungen zweier nach der Erfindung besonders bevorzugter Gestaltungen eines Lüfterrads ; und
Figur 6 ein Diagramm, das das spezifische Lüftergeräusch bezogen auf einen Referenzlüfter für eine Reihe verschiedener Eintrittswinkel ßl zeigt, dargestellt als Funktion des Austrittswinkels ß2 .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Darstellung der Figur 1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Radiallüfterrad in perspektivische Darstellung, und Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf das Lüfterrad 10 der Figur 1.
Das Lüfterrad 10 ist aus einem 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 mit in Achsrichtung weisenden Schaufelenden 18 angeordnet. Senkrecht zur Achsrichtung erstrecken sich die Schaufelenden 18 im Wesentlichen kreisbogenförmig zwischen dem inneren Umfang 20 und dem äußeren Umfang 24 des Lüfterrads.
Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 ist ein Radi- allüfter mit N = 10 Lüfterschaufeln dargestellt. Wie weiter unten genauer ausgeführt, sind die Lüfterschaufeln 16 mit ungleichen Abständen entlang des Umfangs des Lüfterrads angeordnet, um das Lüftergeräusch im Betrieb weiter zu reduzieren. Zwei verschiedene Lüfterschaufeln sind in der Figur 2 in ihrer Struktur vereinfacht dargestellt, um den Eintrittswinkel ßl und den Austrittswinkel «32 der Schaufelenden 181 und 182 deutlicher sichtbar zu machen. Die Drehrichtung des Lüfterrads im Betrieb ist durch den Pfeil 28 dargestellt.
Als besonders geräuschgünstig haben sich folgende Winkelbereiche für den Eintrittswinkel ßl und den Austrittswinkel ß2 erwiesen:
(A) ßl = 25° ... 35° und 32 = 45° ... 70°
sowie
(B) 31 15' und 32 = 75' Die beiden Bereiche sind in dem Winkeldiagramm der Figur 3 mit dem Bezugszeichen 30 (Bereich A) beziehungsweise dem Bezugszeichen 32 (Bereich B) dargestellt.
Ganz besonders gute Ergebnisse wurden in Versuchen mit einem Lüfterrad erhalten, das einen Eintrittswinkel ßl = 30° und einen Austrittswinkel 32 = 65° aufwies. Diese Winkelkombination ist in der Figur 3 mit Bezugszeichen 34 gekennzeichnet. Figur 5 (a) zeigt eine schematische Darstellung eines entsprechend gestalteten Lüfterrads bei dem nur die Schaufelenden 18 dargestellt sind.
Mit einem anderen Lüfterrad, das einen Eintrittswinkel ßl = 10° und einen Austrittswinkel ß2 = 80° aufwies, konnten ebenfalls besonders gute Ergebnisse erhalten werden. Die Winkelkombination dieses Lüfterrads ist in der Figur 3 mit Bezugszeichen 36 gekennzeichnet und in Figur 5(b) schematisch dargestellt.
Figur 6 zeigt ein Diagramm, das Messergebnisse für das spezifische Lüftergeräusch darstellt, jeweils bezogen auf die Geräuschentwicklung eines Referenzlüfters (Ordinate gleich 0) . Das Diagramm zeigt in Abhängigkeit vom Aus- trittswinkel ß2 Messkurven für einen Eintrittswinkel von ßl = 10° (Bezugszeichen 40), ßl = 20° (Bezugszeichen 42), 31 = 30° (Bezugszeichen 44) , 31 = 50° (Bezugszeichen 46) und von ßl = 70° (Bezugszeichen 48) . Es ist deutlich erkennbar, dass die oben genannten Bereiche für den Ein- tritts- und Austrittswinkel jeweils eine starke Geräuschminderung bezogen auf den Referenzlüfter bieten.
Die Messpunkte für die als besonders geräuschgünstig erkannten Ausführungsbeispiele der Figur 5 (a) mit ßl = 30° und ß2 = 65°, beziehungsweise der Figur 5 (b) mit 1 = 10° und ß2 = 80° sind im Diagramm der Figur 6 mit Bezugs- zeichen 54 und 56 gekennzeichnet.
Über die geometrische Ausbildung der Schaufelenden hinaus sind bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Lüfterschaufeln 16 zur weiteren Geräuschreduzierung in drei Sektoren aufgeteilt, in denen die Schaufelabstände der Teilungen zwischen benachbarten Schaufeln 16 jeweils gleich sind. Die Winkelabstände in verschiedenen Sektoren sind jedoch voneinander verschieden. Ein erster Sektor umfasst dabei vier Lüfterschaufeln 16, die mit einem Winkelabstand von tmax = 43,2° angeordnet sind, ein zweiter Sektor umfasst ebenfalls vier Lüf- terschaufeln 16, die mit Winkelabstand von tmin = 28,8° angeordnet sind, und ein dritter Sektor umfasst zwei Lüfterschaufeln 16, die mit einem mittleren Winkelabstand von tavg = 36° angeordnet sind.
Durch die ungleichmäßigen Abstände der Lüfterschaufeln wird die vom Lüfter erzeugte Schallleistung 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.
Zwar wird im Allgemeinen das Lüftergeräusch bei größerem Ungleichmäßigkeitsgrad als angenehmer empfunden, doch führt ein von Null verschiedener Ungleichmäßigkeitsgrad nicht automatisch zu einem günstigeren Lüftergeräusch. Dabei ist der Ungleichmäßigkeitsgrad u durch
u = (tmax - tmin) / tavg
definiert .
Der Ungleichmäßigkeitsgrad des Lüfterrads von Figur 2 beträgt mit den oben genannten Winkelabständen u = 0,4. Ein derartiger Wert für den Ungleichmäßigkeitsgrad trägt zu einem besonders günstigen ' tonalen Verhalten des Lüfterrads bei. Insbesondere ergibt sich bei diesem Lüfterrad im Amplitudenspektrum bei der Ordnung der Schaufel- zahl, hier der 10. Ordnung ein ausgeprägtes Minimum, was nach gegenwärtigem Verständnis ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten des Lüfterrads ergibt .
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. Dementsprechend soll die Offenbarung der vorliegen- den Erfindung nicht einschränkend sein. Statt dessen soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung den Umfang der Erfindung veranschaulichen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Ansprüche
1. Radiallüfterrad zur Förderung von Kühlluft für eine elektrische Maschine mit
einer Mehrzahl von entlang des Umfangs des Lüfterrads (10) angebrachten Lüfterschaufeln (16) mit kreisbogenförmigen Schaufelenden (18) ,
welche jeweils an ihrer radial innen gelegenen Kante mit einer Tangente (22) an den inneren Umfang (20) des Lüfterrads (10) einen ersten Winkel ( ßl ) einschließen, und
an ihrer radial außen gelegenen Kante mit einer Tangente (26) an den äußeren Umfang (24) des Lüfterrads (10) einen zweiten Winkel (ß2 ) einschließen,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Winkel (32) um mehr als 75% größer als der erste Winkel (31) gewählt ist, um im Betrieb des Lüfterrads (10) Wirbelgeräusche im Bereich der Lüfterschaufeln (16) zu minimieren.
2. Radiallüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (ßl ) zwischen 25° und 35° gewählt ist, und der zweite Winkel (32) zwischen 45° und 70° gewählt ist.
3. Radiallüfterrad nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (ßl ) etwa 30° beträgt und zweite Winkel («32 ) etwa 65° beträgt.
4. Radiallüfterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (31) zwischen 5° und 15° gewählt ist, und der zweite Winkel (32) zwischen 75° und 85° gewählt ist.
5. Radiallüfterrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel ( ßl ) etwa 10° beträgt und zweite Winkel (ß2 ) etwa 80° beträgt.
6. Radiallüfterrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die entlang des Umfangs angeordneten Lüfterschaufeln (16) in mehrere Schaufelsektoren aufgeteilt sind, wobei
die Winkelabstände zwischen benachbarten Lüfterschaufeln (16) innerhalb jeden Schaufelsektors gleich sind, und die Winkelabstände in verschiedenen Schaufelsektoren voneinander verschieden sind.
7. Radiallüfterrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lüfterschaufeln (16) in genau drei Schaufelsektoren aufgeteilt sind,
die Winkelabstände zwischen benachbarten Lüfterschaufeln (16) in einem ersten Schaufelsektor den maximalen Abstand (tmax) aufweisen,
- die Winkelabstände zwischen benachbarten Lufterschaufeln (16) in einem zweiten Schaufelsektor den minimalen Abstand (tmin) aufweisen,
die Winkelabstände zwischen benachbarten Lüfter- schaufeln (16) in einem dritten Schaufelsektor einen mittleren Abstand (tavg) aufweisen, der der halben Summe von maximalem Abstand (tmax) und minimalem Abstand (tmin) entspricht, und dass
- die Anzahl der Lüfterschaufeln (16) in dem ersten Schaufelsektor und in dem zweiten Schaufelsektor gleich ist.
8. Radiallüfterrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für den maximalen Abstand (tmax) und den minimalen Abstand (tmin) so gewählt sind, dass der Ungleichmäßigkeitsgrad
u = 2* (tmax - tmin) /(tmax + tmin)
zwischen 0,35 und 0,55, bevorzugt bei etwa 0,4 liegt.
9. Radiallüfterrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (10) neun bis zwölf Lüfterschaufeln aufweist, bevorzugt, dass die Anzahl der Lüfterschaufeln (16) gleich zehn ist.
10. Radiallüfterrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (10) als Stanz-Biegeteil aus Blech ausgebildet ist.
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