DE10021067A1

DE10021067A1 - Electric ventilator for temperature sensor for automobile heating system has fan wheel driven by brushless electric induction motor

Info

Publication number: DE10021067A1
Application number: DE10021067A
Authority: DE
Inventors: Juergen Mangler; Daniel Klumpp; Matthias Henschel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-10-31

Abstract

The electric ventilator (10) has a 2-part ventilator housing (11,12), provided with an air inlet (17) aligned with the temperature sensor (15) and at least one air outlet (18) and enclosing a fan wheel (13) driven by the rotor (27) of a brushless electric induction motor (14), e.g. an induction motor with a short-circuit rotor or a Ferraris rotor.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft einen elektromotorisch betriebenen Lüfter zum Belüften eines Sensors, der beispielsweise ein Temperatursensor eines Reglers einer Fahrzeugheizungsanlage ist.The invention relates to an electric motor operated Fan for ventilating a sensor, for example a Temperature sensor of a controller of a vehicle heating system is.

Ein solcher die Gattung bildender elektromotorisch betriebe ner Lüfter mit einem Lüftergehäuse und einem einlaßseitig in dem Lüftergehäuse angeordneten Sensor ist bekannt durch die DE 38 23 447 A1. Der eingebaute Antriebsmotor ist ein elek tronisch kommutierter, also sogenannter bürstenloser Elek tromotor, auf dessen Ankerwelle ein Lüfterrad befestigt ist. Gemäß der DE 38 21 557 C1 ist für einen Lüfter der genannten Krt ein elektronisch kommutierbarer Gleichstrom-Kleinstmotor verwendbar mit einem Anker, der in Form einer vierpolig ma gnetisierten Scheibe ausgebildet ist, und mit einem Stator, der beispielsweise zwei räumlich um 90° gegeneinander ver dreht angeordnete Wicklungsstränge für zwei Phasen aufweist, wobei die Kommutierung durch Drehung des Ankers erfolgt mit telbar über einen Hall-Sensor, der entlang der Umlaufbahn der Pole des Ankers angeordnet ist. Die Ausbildung des Sta tors ist aber nicht eingeschränkt auf zwei um 90° gegenein ander verdreht angeordnete Wicklungsstränge für zwei Phasen, sondern die Anordnung kann auch erweitert werden durch we nigstens einen zusätzlichen Wicklungsstrang, so dass der Gleichstrom-Kleinstmotor beispielsweise mit drei Phasen be treibbar ist. Ein solcher sich selbst kommutierender Gleich strom-Kleinstmotor wird nur dann sicher anlaufen, wenn man durch besondere Mittel für eine günstige Drehausrichtung des Ankers beispielsweise vor dem Einschalten eines Wicklungs stranges sorgt. Hierfür weist der Gleichstrom-Kleinstmotor der DE 38 21 557 C1 einen Weicheisenring auf, der radial einwärts gerichtete Zähne hat, wobei diese Zähne ortsfest entlang des Umlaufweges der Magnetpole des Ankers angeordnet sind. Dabei ist die Zahl der Zähne gleich groß gewählt wie die Anzahl der Ankerpole, so dass bei ausgeschaltetem Gleichstrom-Kleinstmotor sich die Ankerpole auf die Zähne ausrichten und dabei der Anker eine günstige Startdrehaus richtung einnimmt. Eine weitere günstige Eigenschaft aus der Anordnung dieses Weicheisenringes ist diejenige, dass im Be trieb des Gleichstrom-Kleinstmotors die umlaufenden Pole des Ankers zwischen den Zähnen des weichmagnetischen Eisenringes befindliche Weicheisenabschnitte periodisch ummagnetisieren und dieserart für ein mit der Motordrehzahl ansteigendes Bremsmoment sorgen und dadurch als ein Drehzahlbegrenzer wirken. Als nachteilig kann allerdings angesehen werden, dass die Kräfte, die der Drehausrichtung des Ankers in seine Startdrehausrichtung dienen, im Betrieb des Gleichstrom- Kleinstmotors drehbeschleunigend und drehverzögernd auf den Anker wirken und so die Ursache für Geräuschentstehung sein können.Such an electric motor company forming the genus ner fan with a fan housing and an inlet side in the fan housing arranged sensor is known from the DE 38 23 447 A1. The built-in drive motor is an elek tronically commutated, so-called brushless electr motor, on the armature shaft of which a fan wheel is attached. According to DE 38 21 557 C1, the above is for a fan Krt is an electronically commutatable DC small motor can be used with an anchor in the form of a four-pole ma gnetized disc is formed, and with a stator, which, for example, ver two spatially 90 ° against each other has twisted winding phases for two phases, the commutation is carried out by rotating the armature telbar via a Hall sensor that runs along the orbit the pole of the armature is arranged. The training of the Sta tors is not limited to two by 90 ° against each other other twisted winding phases for two phases, but the arrangement can also be expanded by we at least one additional winding strand, so that the Small DC motor, for example, with three phases is drivable. Such a self-commuting alike Small electric motor will only start safely if you by special means for a favorable turning orientation of the Anchor, for example, before switching on a winding stranges. For this purpose, the DC miniature motor DE 38 21 557 C1 a soft iron ring, the radial has inwardly facing teeth, these teeth being stationary arranged along the circumferential path of the magnetic poles of the armature are. The number of teeth is chosen to be the same as the number of armature poles, so that when switched off Small DC motor, the armature poles on the teeth align and thereby anchor an inexpensive starting rotary direction. Another cheap property from the Arrangement of this soft iron ring is the one that in the loading of the DC miniature motor drove the rotating poles of the Anchor between the teeth of the soft magnetic iron ring Periodically remagnetize the soft iron sections and this way for an increasing with the engine speed Provide braking torque and thereby as a speed limiter Act. However, it can be considered disadvantageous that the forces involved in the rotational orientation of the anchor in its Start rotation alignment serve in the operation of the DC Small motor accelerates and decelerates to the Anchors act and are the cause of noise can.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße elektromotorisch angetriebene Lüfter zum Belüften eines Sensors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 hat den Vorteil, dass durch Fremdkommutie rung das Anlaufen des Ankers bzw. des Lüfters sicherer mög lich ist unabhängig davon, welche Drehausrichtung der Anker relativ zu seinem Stator vor dem Zeitpunkt des Einschaltens des Induktions-Kleinst-Motors hat. Desweiteren dreht sich der Anker des Induktionsmotors gleichmäßiger als der Anker des Gleichstrom-Kleinstmotors gemäß der DE 38 21 557 C1, so dass die erfindungsgemäße Verwendung des Induktionsmotors als eine geräuschmindernde Maßnahme anzusehen ist. Auch macht die erfindungsgemäße Verwendung eines Induktionsmotors eine Selbstkommutierung über einen Hall-Sensor im Gleich strom-Kleinstmotor überflüssig.The fan driven by an electric motor according to the invention for ventilating a sensor with the characteristic features of claim 1 has the advantage that by foreign commutation The armature or fan can start up more safely irrespective of the direction of rotation of the anchor relative to its stator before it was turned on of the small induction motor. Furthermore, it turns the armature of the induction motor is more uniform than the armature of the DC miniature motor according to DE 38 21 557 C1, see above that the use of the induction motor according to the invention is to be regarded as a noise-reducing measure. Also makes the use of an induction motor according to the invention self-commutation via a Hall sensor at the same time Electricity miniature motor superfluous.

Durch die in den nachgeordneten Ansprüchen aufgeführten Maß nahmen sind vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Lüfters möglich.By the measure listed in the subordinate claims took advantageous developments of the invention Fan possible.

Das Ausführungsbeispiel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 hat den Vorteil, dass bei einer Auslegung für den Betrieb des Lüfters mit etwa der Hälfte des maxima len Drehmomentes des Elektromotors bei Schwankungen von des sen Versorgungsspannung nur wenige Prozente von Drehzahlän derung auftreten mit dem Vorteil, dass ein Ankerlager des Induktionsmotors verschleißarm benützt wird und des weiteren durch eine in etwa gleichbleibende Tonhöhe des Geräusches des Lüfters die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers nicht störend in Anspruch genommen wird.The embodiment with the characteristic features of claim 2 has the advantage that in an interpretation for the operation of the fan with about half of the maxima len torque of the electric motor with fluctuations of the supply voltage only a few percent of speed change occur with the advantage that an anchor bearing of the Induction motor is used with little wear and further through an approximately constant pitch of the noise the driver's attention is disruptively claimed.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3 ergeben den Vorteil, dass der Anker des Induktionsmotors in technisch einfacher Weise herstellbar ist. Beispielsweise kann der An ker aus einem Kupferblech oder einem Aluminiumblech gestanzt werden.The characterizing features of claim 3 result in the Advantage that the armature of the induction motor is technically is easy to manufacture. For example, the An ker punched from a copper sheet or an aluminum sheet become.

drawing

Zwei Ausführungsbeispiele des elektromotorisch angetriebenen Lüfters zum Belüften eines Sensors sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbei spiel mit einem Anker in Form eines Ferraris-Läufers, Fig. 2 eine Drehzahldrehmomentkennlinie für einen solchen Motor mit Ferraris-Läufer und Fig. 3 zusätzlich noch eine Dreh zahldrehmomentkennlinie für ein zweites mit einem Käfigläu fer-Induktionsmotor ausgestattetes nicht gezeichneten Aus führungsbeispiel.Two exemplary embodiments of the electric motor-driven fan for ventilating a sensor are shown in the drawing. In the drawings Fig. 1 shows a first Ausführungsbei game with an anchor in the form of a Ferraris rotor, Fig. 2 is a speed torque curve for such an engine with Ferraris runners and Fig. 3 additionally a rotational speed torque characteristic for a second with a Käfigläu fer induction motor equipped unsigned exemplary embodiment.

Description of the embodiments

Der erfindungsgemäße Lüfter 10 gemäß der Fig. 1 hat ein er stes Gehäuseteil 11, ein zweites Gehäuseteil 12, ein Lüfter rad 13, einen Elektromotor 14 und ist bestimmt zum Belüften eines Sensors 15.The fan 10 according to the present invention FIG. 1 has a Stes he housing part 11, a second housing part 12, a fan wheel 13, an electric motor 14 and is intended for ventilating a sensor 15.

Im Beispiel hat das erste Gehäuseteil 11 in gleichachsiger Ausrichtung zu einer Achse 16 des Lüfterrades 13 einen nach Art eines rohrartigen Stutzens ausgebildeten Einlaß 17 und im wesentlichen radial zum Lüfterrad 13 ausgerichtet wenig stens einen Auslaß 18 in Form eines Loches im ersten Gehäu seteil 11. Beispielsweise in Verlängerung der Achse 16 und damit auch vorzugsweise in der Längsachse des Einlasses 17 ist der Sensor 15 positioniert und von einer irgendwie im ersten Gehäuseteil fixierten Tragstange 19 gehalten. Wie be reits in der Beschreibungseinleitung angesprochen, kann die ser Sensor 15 ein Temperatursensor einer Regeleinrichtung einer Fahrzeugheizungsanlage sein. Dabei kann auch die Fahr zeugheizungsanlage eingerichtet sein zusätzlich zum Kühlen. Die Ausgestaltung des Reglers, der hier nicht dargestellt ist, gehört nicht zur Erfindung und braucht deshalb hier nicht beschrieben zu werden.In the example, the first housing part 11 has a coaxial alignment with an axis 16 of the fan wheel 13, an inlet 17 designed in the manner of a tubular socket and essentially radially aligned with the fan wheel 13 , least least one outlet 18 in the form of a hole in the first housing set 11 . For example, in an extension of the axis 16 and thus preferably also in the longitudinal axis of the inlet 17 , the sensor 15 is positioned and held by a support rod 19 which is somehow fixed in the first housing part. As already mentioned in the introduction to the description, this sensor 15 can be a temperature sensor of a control device of a vehicle heating system. The vehicle heating system can also be set up in addition to cooling. The configuration of the controller, which is not shown here, is not part of the invention and therefore does not need to be described here.

Der Elektromotor 14 weist einen Befestigungsansatz 20 auf, mittels dem er mittelbar unter Verwendung einer elastischen Spinne 21 innerhalb des zweiten Gehäuseteils 12 und dabei elastisch zu diesem aufgehängt ist. Ein Deckel 22 dient zum Verschließen des zweiten Gehäuseteils 12 und dabei zum Fi xieren der elastischen Spinne 21 an diesem zweiten Gehäuse teil.The electric motor 14 has a fastening projection 20 , by means of which it is suspended indirectly using the elastic spider 21 within the second housing part 12 and thereby elastically to the latter. A cover 22 is used to close the second housing part 12 and thereby to fix the elastic spider 21 on this second housing part.

Der Befestigungsansatz 20 ist hohl ausgebildet und nimmt ei ne Lagerbuchse 23 auf, in der die Achse 16 drehbar gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel befindet sich das Lüfterrad 13 unterhalb des Elektromotors 14, so dass die Achse 16 senk recht ausgerichtet ist und ein Herausziehen der Achse 16 nach unten aus der Lagerbuchse 13 durch einen Anschlagring 24 verhindert wird. Dieser Anschlagring 24 ist beispielswei se per Preßpassung auf der Achse 16 fixiert. Zwischen dem Anschlagring 24 und der Lagerbuchse 23 ist beispielsweise eine verschleißmindernde Gleitscheibe 25 eingelegt.The fastening projection 20 is hollow and takes ei ne bearing bush 23 in which the axis 16 is rotatably mounted. In the exemplary embodiment, the fan wheel 13 is located below the electric motor 14 , so that the axis 16 is oriented vertically and pulling the axis 16 downward out of the bearing bush 13 is prevented by a stop ring 24 . This stop ring 24 is for example se fixed by press fit on the axis 16 . For example, a wear-reducing slide washer 25 is inserted between the stop ring 24 and the bearing bush 23 .

An dem Befestigungsansatz 20 befestigt ist ein Stator 26 des Elektromotors 14. Ein Rotor 27 des Elektromotors 14 ist ver drehfest mit dem Lüfterrad 13 verbunden. Beispielsweise wird hierdurch mittelbar über das Lüfterrad 13 und die Achse 16 der Rotor von dem Anschlagring 24 getragen, der sich über die Gleitscheibe 25 auf der Lagerbuchse 23 abstützt.A stator 26 of the electric motor 14 is fastened to the fastening projection 20 . A rotor 27 of the electric motor 14 is rotatably connected to the fan impeller 13 . For example, the rotor is supported indirectly by the stop ring 24 via the fan wheel 13 and the axis 16 , which is supported on the bearing bush 23 via the sliding disk 25 .

Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 ist der Ro tor 27 nach Art eines Ferraris-Läufers ausgebildet und weist zu diesem Zweck eine Scheibe 28 aus Aluminium oder Kupfer und einen weichmagnetischen Rückschlußkörper auf, der nach Art einer Scheibe ausgebildet ist. Wie bereits in der Be schreibungseinleitung erwähnt, ist ein solcher Ferraris- Läufer als Rotor billig herstellbar durch Ausstanzen aus ei ner elektromagnetisch weichen Blechplatte, die mit Aluminium oder mit Kupfer plattiert ist. Der Stator 26 ist beispiels weise mit einem nicht dargestellten sogenannte Spaltpole aufweisenden Joch ausgerüstet, so dass bei einer periodi schen Bestromung wenigstens ein umlaufendes Drehfeld ent steht, das die Scheibe 28 durchflutet und in dieser Wirbel ströme erzeugt. Diese Wirbelströme ihrerseits erzeugen in der Scheibe 28 magnetische Kräfte, die die Scheibe 28 in Drehung versetzen. Diese Drehungen werden auf das Lüfterrad 13 übertragen, so dass dieses in an sich bekannter Weise ei nen Luftstrom 30 durch den Einlaß 17 und durch den Auslaß 18 des ersten Gehäuseteils 11 erzeugt und damit in gewollter Weise den Sensor 15 belüftet.In the first embodiment according to FIG. 1, the ro gate 27 is designed in the manner of a Ferrari rotor and has for this purpose a disk 28 made of aluminum or copper and a soft magnetic yoke body which is designed in the manner of a disk. As already mentioned in the introduction to the description, such a Ferraris rotor as a rotor can be produced cheaply by punching out an electromagnetically soft sheet metal plate which is plated with aluminum or with copper. The stator 26 is, for example, equipped with a yoke (not shown), so that there is at least one circumferential rotating field during periodic energization, which flows through the disk 28 and generates currents in this vortex. These eddy currents in turn generate magnetic forces in the disk 28 which cause the disk 28 to rotate. These rotations are transmitted to the fan wheel 13 so that it generates egg NEN air flow 30 through the inlet 17 and through the outlet 18 of the first housing part 11 in a known manner and thus ventilated the sensor 15 in a desired manner.

Weitere Einzelheiten des beschriebenen Elektromotors 14 kann man der DE-OS 23 52 028 entnehmen. Dort sind die Gestaltung eines Spaltpole aufweisenden Joches dargestellt und die Funktionsweise erläutert. Der sich dadurch ergebende Zusam menhang zwischen Drehmoment M und der jeweiligen Drehzahl b im möglichen Drehzahlbereich ist in der DE-OS 23 52 028 an gegeben als eine Kurve mit der Bezeichnung 30. Die Fig. 2 ist eine Kopie dieser Kurve der DE-OS 23 52 028. Erkennbar ist, dass bei der Drehzahl n gleich Null das Drehmoment M am größten ist mit dem Vorteil, dass der Elektromotor zu drehen anfängt, auch wenn die Achse 16 in der Lagerbuchse 23 einen Reibwiderstand hat, den man als außergewöhnlich gegenüber einem Durchschnittswert bezeichnen kann.Further details of the electric motor 14 described can be found in DE-OS 23 52 028. There the design of a yoke having split poles is shown and the mode of operation is explained. The resulting relationship between torque M and the respective speed b in the possible speed range is given in DE-OS 23 52 028 as a curve with the designation 30 . Fig. 2 is a copy of this curve of DE-OS 23 52 028. It can be seen that at the speed n is zero, the torque M is greatest with the advantage that the electric motor begins to turn, even if the axis 16 in the bearing bush 23 has a frictional resistance which can be described as exceptional compared to an average value.

Das nicht gezeichnete zweite Ausführungsbeispiel weist einen Elektromotor auf, der im Unterschied zum Elektromotor 14 als einen Rotor einen sogenannten Käfigläufer aufweist. Elektro motoren mit Käfigläufern sind beispielsweise bekannt durch die US 3 394 276 A und die DE 34 04 960 A1, so dass auf eine Ausführungsbespielszeichnung verzichtet werden kann. Infolge des erwähnten Käfiges, der bekanntlich zu einer Drehmoment erzeugung führt bei Drehzahlen, die asynchron zu einer Höchstdrehzahl entsprechend einer Umlaufzahl des Statorfel des sind, entsteht in dem Drehzahlbereich ein an sich be kannter Zusammenhang zwischen einer jeweiligen Drehzahl n und einem Moment M, so wie es in der Fig. 3 per eine ge strichelte Kurve 40 qualitativ dargestellt ist.The second exemplary embodiment, not shown, has an electric motor which, in contrast to the electric motor 14, has a so-called squirrel-cage rotor as a rotor. Electric motors with squirrel-cage rotors are known, for example, from US 3,394,276 A and DE 34 04 960 A1, so that an exemplary embodiment drawing can be dispensed with. As a result of the cage mentioned, which is known to lead to torque generation at speeds which are asynchronous to a maximum speed corresponding to a number of revolutions of the stator field, a known relationship between a respective speed n and a moment M arises in the speed range, such as it is shown qualitatively in FIG. 3 by a dashed curve 40 .

In der Fig. 3 sind weitere Kurven 41 und 42 eingetragen. Die untere ununterbrochene Kurve 41 ist dabei einer Versor gungsspannung zugeordnet, von der man annimmt, dass sie die unterste zur Verfügung stehende Versorgungsspannung ist. Im Unterschied dazu ist die strichpunktiert dargestellte Kurve 42 einer höchsten zu befürchtenden Versorgungsspannung und demgemäß dem höchsten von dem Induktionsmotor abgebbaren Drehmoment zugeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Maxima der Kurven 40, 41 und 42, die bei beispielsweise etwa 70% der synchronen Drehzahl liegen, ist erkennbar, dass die je weilige Kennlinie um so steiler abfällt, je höher das in ihr enthaltene Maximum ist. Legt man nun die Lüfterkennlinie, damit ist der Drehmomentenbedarf des Lüfterrades 13 über der Drehzahl gemeint, über die Kennlinien 40, 41 und 42, so stellt man fest, dass variierende Versorgungsspannungen des Induktionsmotors nur sehr geringe Drehzahlveränderungen für das Lüfterrad 13 ergeben. Insoweit ergibt sich der Vorteil, dass trotz verhältnismäßig stark variierender Versorgungs spannung die Drehzahl des Lüfterrades 13 fast konstant bleibt. Folglich bleibt der Tonhöheneindruck, den ein von dem Lüfter verursachtes Geräusch wenigstens beim Fahrzeug führer verursacht, praktisch unverändert, so dass Versor gungsspannungsänderungen nicht mittelbar über Geräuschände rungen die Aufmerksamkeit des Fahrers auf sich ziehen und vom Verkehrsgeschehen ablenken. Des weiteren ist der Vorteil vorhanden, dass durch die im wesentlichen konstante Be triebsdrehzahl des Elektromotors der Konstrukteur eine Lage rung des Rotors besser optimieren kann. Dies kommt der Lauf ruhe und damit der Geräuscharmut des Lüfters zugute.In the Fig. 3 additional curves are entered 41 and 42. The lower uninterrupted curve 41 is associated with a supply voltage, which is assumed to be the lowest available supply voltage. In contrast to this, the curve 42 shown in broken lines is associated with a highest supply voltage to be feared and accordingly with the highest torque that can be output by the induction motor. Due to the different maxima of the curves 40 , 41 and 42 , which are, for example, about 70% of the synchronous speed, it can be seen that the respective characteristic curve drops the steeper the higher the maximum contained in it. If one now sets the fan characteristic curve, which means the torque requirement of the fan wheel 13 over the speed, via the characteristic curves 40 , 41 and 42 , it is found that varying supply voltages of the induction motor result in only very slight changes in speed for the fan wheel 13 . In this respect, there is the advantage that the speed of the fan wheel 13 remains almost constant despite the relatively widely varying supply voltage. As a result, the pitch impression that a noise caused by the fan causes at least the driver of the vehicle remains practically unchanged, so that supply voltage changes do not indirectly attract the driver's attention via noise changes and distract from the traffic situation. Furthermore, there is the advantage that the designer can better optimize the position of the rotor due to the substantially constant operating speed of the electric motor. This ensures smooth running and thus the low noise level of the fan.

In der Fig. 3 ist Reibung einer nicht gezeichneten Elektro motorachse nicht berücksichtigt. Dies ist in der Fig. 3 daran erkennbar, dass die Lüfterkennlinie 43 im Ursprung der Drehzahlachse und der Drehmomentachse im Punkt Null beginnt und dabei im wesentlichen nach Art einer quadratischen Para bel nach oben gekrümmt verläuft.In Fig. 3, friction of an electric motor axis, not shown, is not taken into account. This can be seen in FIG. 3 from the fact that the fan characteristic curve 43 begins at the origin of the speed axis and the torque axis at point zero and in this case runs upward in the manner of a quadratic para.

Claims

1. Electromotively driven fan ( 10 ) for ventilating a sensor ( 15 ), the fan ( 10 ) having a fan housing ( 11 , 12 ) with an inlet ( 17 ) and at least one outlet ( 18 ), the sensor ( 15 ) in alignment with a let ( 17 ) is arranged and a in the fan housing ( 11 , 12 ) arranged fan wheel ( 13 ) can be driven by a rotor ( 27 ) of a brushless electric motor ( 14 ), characterized in that the electric motor ( 14 ) as an induction motor is formed.

2. Electric motor-driven fan according to claim 1, characterized in that the electric motor ( 14 ) is designed as an induction motor with a rotor having a short-circuit cage.

3. Electric motor driven fan according to claim 1, characterized in that the electric motor ( 14 ) has a Ferrari rotor as a rotor ( 27 ).