偏心的风扇外壳的制作方法

xiaoxiao2020-7-22  5

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偏心的风扇外壳的制作方法
【专利摘要】本发明的实施例指向一种电气设备系统,包括:电气设备部件;热管理系统,被布置成引导空气通过所述电气设备部件的构件;所述热管理系统的矩形风扇外壳;及在风扇外壳内布置的风扇,其中,风扇的旋转轴相对于所述矩形风扇外壳的几何中心点偏移。
【专利说明】偏心的风扇外壳
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及电力电子装置领域,尤其涉及用于空气冷却系统的风扇或通风机。
【背景技术】
[0002]例如开关装置和系统等广泛的各种应用存在于电力电子学中。该种系统可以包括热管理系统,热管理系统用于调节电气设备的温度以提高电气设备的可靠性和效率,同时降低设备的过早故障。例如,热管理系统可以具有风扇、通风机或其它的用于对电气设备进行空气冷却的设备。在某些应用中,风扇或通风机可以包括其中布置了风扇或通风机的外壳。现在认识到传统的风扇或通风机设计可能导致效率低或不均匀的空气流产生。

【发明内容】

[0003]在第一实施例中,电气设备系统包括:电气设备部件;热管理系统,被布置成引导空气通过所述电气设备部件的构件;所述热管理系统的矩形风扇外壳;及在风扇外壳内布置的风扇,其中,风扇的旋转轴相对于所述矩形风扇外壳的几何中心点偏移。
[0004]在第二实施例中,热管理系统被配置成减少电子部件在工作过程中的温度,所述热管理系统包括:矩形风扇外壳;及风扇,其中,所述风扇被偏心地安装在所述矩形风扇外壳内。
[0005]在第三实施例中,电机驱动器,包括:电力再生电路;矩形外壳;及在所述矩形外壳内安装的风扇,其中,所述风扇的旋转轴相对于所述矩形外壳的几何中心偏心。
【专利附图】

【附图说明】
[0006]当参考附图阅读下面的具体描述时,将更好地理解本公开的这些和其它的特征、方面和优点,在全部附图中相同的附图标记代表相同的部件,其中:
[0007]图1是根据本发明实施例的电子装置的透视图,该电子装置可以包括具有偏心外壳的通风机或风扇;
[0008]图2是根据本发明实施例的电气设备系统的示意图,该电子设备系统可以包括具有偏心外壳的通风机或风扇;
[0009]图3是根据本发明实施例的具有偏心外壳的风扇的透视图;
[0010]图4是根据本发明实施例的具有偏心外壳的风扇的透视图;
[0011]图5是根据本发明实施例的具有偏心外壳的风扇的正投影图;
[0012]图6是根据本发明实施例的风扇和入口环的透视图;
[0013]图7是说明根据本发明实施例的网格尺寸对风扇的入口处的体积流量的影响的表格;
[0014]图8是说明根据本发明实施例的模拟风扇的仿真结果和风扇的厂商提供的数据之间的对比的曲线图;[0015]图9是用于根据本发明实施例的确定风扇模型的校正后的风扇速度的各种数据点的表格;
[0016]图10是说明根据本发明实施例的风扇厂商数据和校正后的风扇速度据之间的对比的曲线图;
[0017]图11是具有根据本发明实施例的偏心外壳的风扇的參数模型的正投影图;
[0018]图12是具有根据本发明实施例的用于偏心外壳的參数建模的各种几何变量的范围的图表;
[0019]图13是列出根据本发明实施例的通过计算流体动力学工具计算出的运行(run)或叠代(iteration)的表格;
[0020]图14是列出根据本发明实施例的推倒出偏心外壳的预测局部流量系数的參数的表格;
[0021]图15是包括根据本发明实施例的用于确定在偏心外壳内的风扇的偏心位置的各种几何变量的值的表格;
[0022]图16是用于说明根据本发明实施例的用于测试风扇外壳的气流实验台的示意图;
[0023]图17是用于说明根据本发明实施例的使用图16中的气流实验台测试出的风扇外壳的测试结果的曲线图;
[0024]图18是用于说明根据本发明实施例的使用图16中的气流实验台测试出的风扇外壳的测试结果的曲线图;
[0025]图19是用于说明根据本发明实施例的使用图16中的气流实验台测试出的风扇外壳的测试结果的曲线图;
[0026]图20是用于说明根据本发明实施例的使用图16中的气流实验台测试出的风扇外壳的测试结果的曲线图;
[0027]图21是用于说明根据本发明实施例的对于偏心的风扇外壳的设计曲线的曲线图;
[0028]图22是用于说明根据本发明实施例的对于偏心的风扇外壳的设计曲线的曲线图。
【具体实施方式】
[0029]本公开的实施例致力于风扇或通风机外壳(在该外壳内偏心地布置有风扇)。换句话说说,风扇的旋转轴的几何中心与外壳的几何中心不同中心。在某些实施例中,外壳可以具有矩形或正方形配置。另外,根据这些实施例,可以基于各种变量(例如风扇尺寸、风扇性能、外壳尺寸、操作压カ等),卩隹一地定制或优化在外壳内的风扇的偏心或偏移定位。
[0030]图1是电机驱动器100的透视图,其可以包括具有偏心外壳的通风机或风扇。在一个实施例中,电机驱动器100可以是由Wisconsin的Milwaukee的RockwellAutomation(罗克,尔自动化)制造的PowerFlex驱动器。然而,应该注意,电机驱动器100可以代表应用根据本技术的冷却系统的其它电子装置。在图1所示的实施例中,电机驱动器100包括外壳102,外壳102具有在驱动器100的一个或多个侧面上的冷却ロ 104。为了便于与电机驱动器100互相作用,电机驱动器100可以包括人机界面(HMI) 106。HMI106可以包括例如IXD或其它显示器等显示器108以及允许由用户进行输入的小键盘110。另外,HMI106可以被拆除以及可以被放置于外壳102中的贮槽中。
[0031]如下面进一步描述的,电机驱动器100可以包括热管理系统112,热管理系统112包括具有偏心外壳的通风机或风扇。具体地,通风机或风扇(例如,离心式风扇)可以被配置以将冷却空气流提供到电机驱动器100中。即,通风机或风扇可以迫使冷却空气流穿过在电机驱动器100内的电气设备。例如,电机驱动器100可以包括电机起动器、过载继电器、电路断路器以及固态电机控制装置,固态电机控制装置例如是变频驱动器、可编程逻辑控制器、电力再生电路等。将理解,该种电气设备在工作过程中可以产生热,从而降低电气设备的效率。为了提高效率,可以通过由风扇或通风机产生的冷却空气流来控制和/或降低该种电气设备的温度。
[0032]此外,如下面具体描述的,风扇或通风机可以被布置在偏心外壳内。换句话说,风扇或通风机可以被安置在相对于外壳偏移或偏心的位置。外壳一般可以是矩形(例如,正方形)以便于在电气装置中的相容安装并保留电气装置内的限定的可用空间。现在认识至IJ,通过在外壳内偏心地设置通风机或风扇,可以调节流出风扇或通风机的冷却空气流的形状和数量。以该方式,可以改善热管理系统112(即,风扇或通风机)的效率。例如,在不调整外壳的尺寸的情况下可以修改冷却空气流的形状、压力和/或流速。另外,可以改善通风机或风扇的噪声特性和能量利用。此外,在某些实施例中,可以对于具体应用或工作条件来将通风机或风扇的偏移中心或偏心位置进行优化。具体地,如下面描述的,可以使用计算流体动力学软件来模拟风扇或通风机,并且可以定制或计算(例如,使用实验逼近的设计)风扇或通风机在外壳内的离心位置以达到所期望的风扇或通风机性能。
[0033]图2是可以包括热管理系统112的电气设备系统120 (例如,电机驱动器)的示意图。虽然上述热管理系统112的实施例是在电机驱动器100的背景下描述的,但是具有风扇或通风机(该风扇或通风机具有偏心外壳)的热管理系统112可以用在具有电气设备的其它系统中。实际上,图2所示的电气设备系统120可以是具有电气设备122的任意的各种系统。例如,电气设备系统120可以是个人计算机、路由器或转换器、变压器、制造设备、家用电器、汽车或具有电气设备122的任意其它系统。
[0034]如所示出的,热管理系统112包括在外壳126内布置的风扇124。更具体地,如下面具体描述的,风扇124被布置在外壳126内以使得风扇124具有相对于外壳126的几何中心128 (例如,中心点)偏心、偏移或离心的位置。即,风扇124几何中心130 (例如,中心点)与外壳126的几何中心128不同中心。如所示出的,热管理系统112产生冷却空气流132,冷却空气流132可以通向、越过或穿过电气设备122,从而降低电气设备122的温度。如下所述,由于风扇124在外壳126内的偏心定位,可以调节冷却空气流132的各种特性,并且可以改善热管理系统112和电气设备122的效率。
[0035]图3是热管理系统112的透视图,该图示出了在外壳126内偏心布置的风扇124。gp,风扇124几何中心130 (例如,风扇124的旋转轴140)与外壳126的几何中心128不同中心。在所示实施例中,可以由金属片或其它材料构成的外壳126具有矩形配置。S卩,外壳126的前表面和后表面基本上为矩形。例如,外壳126可以具有矩形棱柱配置,和/或外壳126的内部可以具有基本上的立方体体积。然而,外壳126的其它实施例可以具有其它配置。如所示出的,在所示实施例中风扇124被安装在具有入口环(inlet ring) 142的外壳126内并且被配置成产生空气流150,空气流150以相对于风扇124的空气入口 152近似90度角流出外壳126。更特定地,空气154通过空气入口 152进入外壳126,并且由电机158沿顺时针方向156驱动的风扇124产生通过外壳126的敞开的顶部160流出的空气流150。由于风扇124在外壳126内的偏心安装,夕卜壳126内的高压区域162可能大于外壳内的低压区域164。由于该布置,可以提高风扇124和外壳126的空气流150的流速,从而提高风扇124和外壳126的效率。另外,低压区域164的面积减少可以有助于减少由箭头166表不的空气流150中的一部分再次进入外壳126。
[0036]图4是热管理系统112的透视图,该图示出了在外壳126内偏心布置的风扇124。更特定地,图4提供了具有在前面设置的电机158的热管理系统112的透视图。作为結果,图4清楚地示出电机158也关于外壳126被偏心地设置。换句话说,电机158的几何中心或旋转轴偏离外壳126的几何中心128。在某些实施例中,电机158可以是例如无刷DC电机等电动机,然而,其它类型的电机158可以用于对风扇124提供电力。
[0037]图5是在外壳126内偏心布置的风扇124的正投影图。在所示实施例中,外壳126具有矩形配置。更具体地,所示外壳126具有高度180、长度182和深度184。另外,风扇124具有直径186。例如,直径186可以近似为100至500mm、150至450mm、200至400mm或250至350mm。如上面提到的,风扇124在外壳126内具有偏移或偏心位置。S卩,虽然风扇124本身一般在形状上是统ー的,但是风扇124的几何中心130与外壳126的几何中心128不同中心。
[0038]如上面所提到的,可以參考各种几何变量来描述风扇124在外壳126内的偏心率。例如,可以关于从风扇124到外壳126的各种距离来描述风扇124在外壳126内的位置。如所示出的,风扇124的外圆周188离外壳126的底部192大约为距离190。S卩,风扇124被设置在外壳126的底部192上方的距离190处。因此,风扇124的外圆周188位于离外壳126的顶部160距离194处。类似的,风扇124的外圆周188被设置在离外壳126的左壁198距离196处并且离外壳126的右壁距离200处。将理解,距离196和200可以不相等,从而在相对于外壳126的偏心或偏移位置上设置风扇124。作为结果,距离190、194、196和200可以用于限定风扇124在外壳126内的位置(至少关于外壳126的前表面204和后表面206)。另外,可以根据距离208 (离外壳126的后表面206距离208来设置电机158)至少部分地表示风扇124在外壳126内的位置。S卩,距离208是从电机的前表面210到形成后表面206 (即,与前表面204或空气入口 152相对立的面)的壳壁的距离。
[0039]如上面所提到的,根据这些实施例,所描述的几何变量(例如,距离190、196、200和208)可以被定制或优化以达到由风扇124和外壳126产生的空气流150的期望或目标特性。例如,可以基于例如风扇124的尺寸或性能和/或外壳126的尺寸限制(例如,外壳126的高度180、长度182及深度184)等因素来优化上面描述的几何变量。例如,在某些实施例中,距离196与风扇124的直径186之比可以大约为0.10到0.30。类似地,距离190与风扇124的直径186之比可以大约为0.05到0.30。另外,在某些实施例中,距离200与风扇124的直径186之比可以大约为0.05到0.20。进ー步例如,距离196与距离190之比可以大约为2.50到0.50。另外,距离196与距离200之比可以大约为2.50至Ij 1.50,以及距离190与距离200之比可以大约为0.50到2.00。如下面具体描述的,可以使用參数建模(例如,风扇124和/或外壳126的建模)和统计学方法来将几何变量进行优化以达到改善后的空气流150。
[0040]另外,如下面所描述的,当对风扇124在外壳126内的偏心位置进行优化时可以考虑其它变量。例如,在对风扇124在外壳126内的偏心率进行优化中可以考虑由箭头212表示的、具有外壳126和风扇124的环境的周围或工作压力。下面再现的实验数据表示风扇124在外壳126内的偏心定位可以有助于改善空气流150的流速、压力、效率等。改善后的空气流150然后能够改善电气设备系统120 (例如,电机驱动器100)内的电气设备122的冷却,从而改善电气设备系统120的性能和效率。
[0041]下面的描述描述了一种方法,该方法可以用于优化外壳126的各种几何变量以在希望的工作压力范围(例如,工作压力212)内达到风扇124的改善的效率。更具体地,下面的实验使用实验设计(Design of Experiment)技术、计算流体动力学工具以及基于遗传算法的优化工具来研发有效的风扇外壳126设计。在无量纲流(φ)、压力(V)和动力U)风扇系数方面示出数值和实验结果,其可被定义为:
【权利要求】
1.一种电气设备系统,包括: 电气设备部件; 热管理系统,被布置成引导空气通过所述电气设备部件的构件; 所述热管理系统的矩形风扇外壳;及 在风扇外壳内布置的风扇,其中,风扇的旋转轴相对于所述矩形风扇外壳的几何中心点偏移。
2.根据权利要求1所述的电气设备系统,其中,所述电气设备部件是电机驱动器。
3.根据权利要求2所述的电气设备系统,其中,所述电机驱动器包括电力再生电路。
4.根据权利要求1所述的电气设备系统,其中,所述矩形风扇外壳包括正方形风扇外壳。
5.根据权利要求1所述的电气设备系统,其中,所述矩形风扇外壳包括一个或更多个片状金属面。
6.根据权利要求1所述的电气设备系统,其中,所述矩形风扇外壳和所述风扇被配置成接收输入空气流,并且所述风扇被配置成产生输出空气流,其中,所述输出空气流以相对于所述输入空气流大约90度角流出所述矩形风扇外壳。
7.根据权利要求1所述的电气设备系统,其中,所述风扇的外圆周被布置为距离所述矩形风扇外壳的第一壁第一距离,以及所述风扇的外圆周被布置为距离所述矩形风扇外壳的第二壁第二距离,其中,所述第一壁与所述第二壁相对立,以及所述第一距离和所述第二距离不同。`
8.根据权利要求7所述的电气设备系统,其中,所述矩形风扇外壳包括在所述矩风扇和所述矩矩形风扇外壳的第一壁之间的高压区域、和在所述矩风扇和所述矩矩形风扇外壳的第二壁之间的低压区域,其中,所述高压区域大于所述低压区域。
9.根据权利要求7所述的电气设备系统,其中,所述第一距离与所述风扇的直径之比大约为0.10到0.30。
10.根据权利要求7所述的电气设备系统,其中,所述第二距离与所述风扇的直径之比大约为0.05到0.20。
11.根据权利要求7所述的电气设备系统,其中,所述第一距离与所述第二距离之比大约为2.50到1.50。
12.根据权利要求1所述的电气设备系统,其中,所述风扇的外圆周被布置为距离所述矩形风扇外壳的底部壁第一距离,以及所述外圆周被布置为距离所述矩形风扇外壳的敞开的顶部第二距离,其中,由所述风扇产生的输出空气流被配置成从所述敞开的顶部流出,所述底部壁与所述敞开的顶部相对立,以及所述第一距离和所述第二距离不同。
13.根据权利要求12所述的电气设备系统,其中,所述第一距离与所述风扇的直径之比大约为0.05到0.30。
14.一种热管理系统,被配置成减少电子部件在工作过程中的温度,所述热管理系统包括: 矩形风扇外壳 '及 风扇,其中,所述风扇被偏心地安装在所述矩形风扇外壳内。
15.根据权利要求14所述的热管理系统,其中,所述风扇的几何中心点相对于所述矩形风扇外壳的几何中心点偏移。
16.根据权利要求14所述的热管理系统,其中,所述风扇的旋转轴从所述矩形风扇外壳的几何中心偏移。
17.根据权利要求14所述的热管理系统,包括被配置成驱动所述风扇的电机,其中,所述电机的旋转轴从所述矩形风扇外壳的几何中心偏移。
18.—种电机驱动器,包括: 电カ再生电路; 矩形外壳 '及 在所述矩形外壳内安装的风扇,其中,所述风扇的旋转轴相对于所述矩形外壳的几何中心偏心。
19.根据权利要求18所述的电机驱动器,其中,所述风扇的外圆周被布置为距离所述矩形外壳的第一壁第一距离,所述风扇的外圆周被布置为距离所述矩形外壳的第二壁第二距离,所述第一壁与所述第二壁相对立,所述第一距离和所述第二距离不同,以及所述第一距离与所述风扇的直径之比大约为0.10到0.30。
20.根据权利要求18所述的电机驱动器,其中,所述风扇的外圆周被布置为距离所述矩形外壳的底部壁第一距离,所述外圆周被布置为距离所述矩形外壳的敞开的顶部第二距离,由所述风扇产生的输出空气流被配置成从所述矩形外壳的敞开的顶部流出,所述矩形外壳的底部壁与所述矩形外壳的敞开的顶部相对立,所述第一距离和所述第二距离不同,以及所述第一距离与所`述风扇的直径之比大约为0.05到0.30。
【文档编号】F04D29/40GK103557183SQ201310133102
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年4月1日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】加龙·科赫·莫里斯, 布鲁斯·威廉·魏斯, 罗伯特·迈克尔·米哈尔斯基 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司

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