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Die Erfindung betrifft einen Fächer zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fächers.
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Es ist bekannt, zur Kühlung von feinmechanischen Bauteilen einen Fächer zu verwenden, dessen Fächerblatt durch einen Piezokristall elektrisch zu Schwingungen angeregt wird. Dabei führt das Fächerblatt eine Fächerbewegung aus und fächert dem zu kühlenden Bauteil Luft zu. Der Piezokristall wird mit einer Wechselspannung von etwa 230 Volt betrieben. Demzufolge müssen die Fächer in der Regel an das Verbundstromnetz angeschlossen werden. Im Umgang mit den hohen Spannungen müssen entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Die Kosten für den Piezokristall sind hoch und machen den Fächer teuer. Der Piezokristall ist feuchtigkeitsempfindlich und ohne aufwändige Vorkehrungen zum Schutz gegen Überschlagsspannungen für den Einsatz in feuchter Umgebung ungeeignet. Aufgrund der Stoßempfindlichkeit des Piezokristalls kann er nur mit entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen eingebaut und betrieben werden. In der Regel enthalten Piezokristalle Blei und sind daher giftig und schwer zu recyceln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Fächer zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils bereitzustellen, der auf einfache Weise sicher betrieben und einfach hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Fächer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Fächers anzugeben, das effizient ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Fächer umfasst mindestens einen Magneten, ein Fächerblatt, eine Haltevorrichtung zur Halterung des Fächerblatts und eine getrennt vom Magneten ausgebildete Spule zum Anschluss an einen Stromkreis. Das Fächerblatt trägt die Spule. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Spule kann auf die sich in der Spule hin- und herbewegenden Elektronen durch das Magnetfeld des mindestens einen Magneten eine Lorentz-Kraft wechselnder Richtung wirken. Hierbei kann auf die Spule abwechselnd eine erste Kraft in Richtung auf den mindestens einen Magneten und eine zweite Kraft in Richtung weg von dem mindestens einen Magneten wirken. Da das Fächerblatt die Spule trägt, wirken diese Kräfte auch auf das Fächerblatt im Wechsel. Auf diese Weise kann das Fächerblatt zu einer Fächerbewegung angeregt werden. Durch die Verwendung eines Magneten kann das Fächerblatt von einer einzigen Spule sowohl angezogen als auch abgestoßen werden.
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Zur Erzeugung der anziehenden bzw. abstoßenden Kräfte auf die Spule sind lediglich Spannungen im maximal dreistelligen mV-Bereich und Ströme im maximal dreistelligen mA-Bereich erforderlich. Dies macht jegliche Sicherheitsvorkehrungen überflüssig. Eine Isolierung der Spule oder sonstiger Bauteile des Fächers aus Sicherheitsgründen ist nicht erforderlich.
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Im Vergleich zu einem Fächer, der basierend auf einem Piezokristall betrieben wird und vergleichbar zum erfindungsgemäßen Fächer dimensioniert ist, ist zum Betrieb des erfindungsgemäßen Fächers eine geringere Leistung erforderlich. Die Eingangsleistung kann beim erfindungsgemäßen Fächer bei gleicher Ausgangsleistung um eine Größenordnung geringer sein. Daher ist der erfindungsgemäße Fächer energieeffizient.
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Der erfindungsgemäße Fächer benötigt keinen Piezokristall und ist vergleichsweise sehr viel günstiger herzustellen als ein Fächer mit einem Piezokristall.
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Herkömmliche Piezokristalle können bis zu einer Temperatur von etwa 125°C betrieben werden. Im Gegensatz zu einem Fächer basierend auf einem Piezokristall kann der erfindungsgemäße Fächer auch noch bei sehr viel höheren Temperaturen ohne Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit betrieben werden. Ohne besondere Materialien verwenden zu müssen, ist ein Einsatz bei Temperaturen bis zu 220°C problemlos möglich. Verwendung von Hochtemperaturmagneten ermöglichen einen Einsatz bei weit höheren Temperaturen. So sind beispielsweise Samarium-Kobalt-Magnete bis 350°C und Aluminium-Nickel-Kobalt-Magnete bis 500°C temperaturstabil.
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Die Anordnung der Spule auf dem Fächerblatt bewirkt ein geringes Gewicht der zu beschleunigenden Masse. Die zu beschleunigende Masse entspricht der Masse der Baugruppe aus Spule und Fächerblatt. Auch eine Anordnung des mindestens einen Magneten auf dem Fächerblatt und die gleichzeitige Anordnung der Spule in einer Entfernung vom Fächerblatt kann vorgesehen sein. Falls der mindestens eine Magnet ein Permanentmagnet ist, ist die Anordnung der Spule auf dem Fächerblatt jedoch energetisch vorteilhaft, da der mindestens eine Magnet eine größere Masse als die Spule aufweist und folglich bei Anordnung des mindestens einen Magneten auf dem Fächerblatt eine größere Masse zu beschleunigen ist als bei Anordnung der Spule auf dem Fächerblatt.
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Vorteilhaft besitzt der mindestens eine Magnet zwei Magnetpole, die beide auf einer Querachse angeordnet sind, die quer, insbesondere senkrecht zu einer Ebene des Fächerblatts verläuft. Die Ebene des Fächerblatts ist ortsfest und entspricht einer Ebene, in der sich das Fächerblatt im Ruhezustand, wenn keine Spannung angelegt ist, befindet. Durch die Anordnung der Magnetpole auf der Querachse kann die Spule so auf dem Fächerblatt angeordnet sein, dass die vom Zusammenspiel der Wechselspannung und dem mindestens einen Magneten erzeugten wechselnden Lorentz-Kräfte, nämlich die erste Kraft und die zweite Kraft, quer, insbesondere senkrecht zur Ebene des Fächerblatts wirken. Dadurch kann effizient eine Fächerbewegung erzeugt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule mindestens eine Leiterschleife umfasst, und dass die mindestens eine Leiterschleife so auf dem Fächerblatt angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der Magnetfeldlinien des mindestens einen Magneten in der Ebene des Fächerblatts quer, insbesondere senkrecht zur Leiterschleife verläuft. Dadurch kann ein besonders großer Anteil der wechselnden Lorentz-Kräfte zur Erzeugung der Fächerbewegung genutzt werden. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass in einem Winkelbereich von mindestens 300°, insbesondere von mindestens 320° um die Querachse herum die Magnetfeldlinien in der Ebene des Fächerblatts quer, insbesondere senkrecht zu der zumindest einen Leiterschleife verlaufen. Dieser Winkelbereich kann sich aus mehreren Teilwinkelbereichen zusammensetzen. Die Teilwinkelbereiche müssen in Umfangsrichtung nicht zusammenhängen.
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Zweckmäßig ist die Spule im Wesentlichen in einem kreisringförmigen Bereich des Fächerblatts angeordnet und die Magnetpole liegen gemeinsam mit einem Mittelpunkt des kreisringförmigen Bereichs auf der Querachse. Dadurch werden die wechselnden Lorentz-Kräfte vollständig oder nahezu vollständig zur Erzeugung der Fächerbewegung genutzt. Die Lorentz-Kräfte sind betragsmäßig sehr groß.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist der mindestens eine Magnet ein Permanentmagnet. Dadurch kann Energie zum Betrieb eines Elektromagneten eingespart werden. Ein Permanentmagnet kann auf einfache Weise im Fächer eingebaut werden, da keine Stromanschlüsse erforderlich sind. Das Magnetfeld eines Permanentmagneten ist konstant und hängt im Gegensatz zu dem eines Elektromagneten nicht von der Stromstärke ab, mit der der Elektromagnet betrieben wird. Durch das konstante Magnetfeld ist eine optimale Ausrichtung der Spule und des die Spule tragenden Fächerblatts in Relation zum Magnetfeld auf einfache Weise möglich.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung umfasst der Fächer außer dem mindestens einen Magneten, der auch als erster Magnet bezeichnet wird, einen zweiten Magneten. Der erste Magnet und der zweite Magnet sind vorteilhaft getrennt von der Spule ausgebildet. Die Spule ist zweckmäßig zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten angeordnet. Dadurch können der erste und der zweite Magnet ein aus den Magnetfeldern beider Magneten resultierendes Gesamtmagnetfeld erzeugen. Vorteilhaft sind die in der Ebene des Fächerblatts quer, insbesondere senkrecht zu der mindestens einen Leiterschleife der Spule verlaufenden Magnetfeldlinien Magnetfeldlinien des Gesamtmagnetfelds. Dadurch kann in der Ebene des Fächerblatts auf einfache und kostengünstige Weise ein Magnetfeld großer Stärke erzeugt werden. Daraus resultiert eine große Lorentz-Kraft, die für eine große Auslenkung des Fächerblatts und damit eine gute Kühlwirkung sorgt. Durch die Verwendung von zwei Magneten können die Magnete bei unverändertem Verlauf der Magnetfeldlinien eines jeden Magneten bei alleinstehender Anordnung näher am Fächerblatt angeordnet werden, da die Magnetfeldlinien des Gesamtmagnetfelds dichter zusammenliegen und in geringerem Abstand zu den Magneten parallel zur Ebene des Fächerblatts verlaufen. Dadurch kann der Fächer kompakt gestaltet sein und lediglich einen geringen Bauraum beanspruchen.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der erste Magnet einen ersten Magnetpol und einen zweiten Magnetpol besitzt, dass der zweite Magnet einen dritten Magnetpol und einen vierten Magnetpol besitzt, dass der zweite Magnetpol und der dritte Magnetpol in Richtung quer, insbesondere senkrecht zum Fächerblatt der Spule zugewandt sind, dass der erste Magnetpol und der vierte Magnetpol der Spule abgewandt sind, und dass der zweite Magnetpol und der dritte Magnetpol gleichpolig sind. Dadurch können die Magnete so angeordnet sein, dass sich in der Ebene des Fächerblatts ein besonders großes Magnetfeld und damit auch eine besonders große Lorentz-Kraft ergibt. In der Ebene des Fächerblatts können die Magnetfeldlinien der beiden Einzelmagnete sich gegenseitig in dieselbe Richtung zeigend überlagern, wodurch sich in der Ebene des Fächerblatts eine besonders große Magnetfeldstärke ergibt. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit des Fächers sehr groß sein.
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Vorteilhaft ist der mindestens eine Magnet über eine Befestigungsvorrichtung an der Haltevorrichtung befestigt. Dadurch lässt sich der mindestens eine Magnet auf einfache Weise in Relation zur Spule positionieren. Der Fächer lässt sich dann als fertiges Bauteil ohne das Erfordernis einer Justage des Magneten und/oder der Baugruppe aus Fächerblatt und Spule schnell und einfach installieren.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule in Inneren des Fächerblatts aufgenommen ist, so dass alle Leiterschleifen der Spule vollständig von Material des Fächerblatts umschlossen sind. Dadurch werden Ausfallursachen wie beispielsweise ein Kabelbruch der Spule minimiert. Die Baugruppe aus Fächerblatt und Spule kann bezüglich der Ebene des Fächerblatts symmetrisch gestaltet sein. Dadurch wird der Einbau der Baugruppe erleichtert, da nicht darauf geachtet werden muss, auf welcher Seite des Fächerblatts die Spule angeordnet ist. Zusätzlich ermöglicht dies eine einfache, automatisierte Herstellung der Baugruppe. Vorteilhaft ist die Spule in eine das Fächerblatt bildende flexible Leiterplatte integriert.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die Spule mit Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz angesteuert wird, und dass die Frequenz der Wechselspannung und die Auslegung des Fächers, insbesondere der Maße des Fächerblatts, derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Baugruppe bestehend aus dem Fächerblatt und der Spule in Resonanz schwingt. Dadurch kann der Fächer energieeffizient betrieben werden. Für die eingebrachte Leistung wird die maximal mögliche Kühlleistung erzielt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Fächers,
- 2 eine schematische Draufsicht von oben auf den Fächer nach 1,
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine die Querachse enthaltende, senkrecht zur Ebene des Fächerblatts verlaufende Ebene des Magnetfelds des Fächers nach 1,
- 4 eine schematische Draufsicht auf das Magnetfelds des Fächers nach 1 in der Ebene des Fächerblatts,
- 5 eine schematische Draufsicht auf eine die Querachse enthaltende, senkrecht zur Ebene des Fächerblatts verlaufende Ebene des Magnetfelds eines Fächers mit nur einem Magneten und
- 6 eine schematische Draufsicht von oben auf einen Fächer mit zwei Fächerblättern und drei Magneten.
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1 zeigt einen Fächer 1 zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils. Der Fächer 1 kann zur Kühlung von beispielsweise integrierten Schaltkreisen oder ähnlichem vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel dient der Fächer 1 der Kühlung einer Erregerspule eines nicht dargestellten linearen Direktantriebs.
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Der Fächer 1 umfasst mindestens einen Magneten 3, 13. Im Ausführungsbeispiel nach 1 sind ein erster Magnet 3 und ein zweiter Magnet 13 Bestandteile des Fächers 1. Der mindestens eine Magnet 3, 13 ist ein Permanentmagnet. Es kann auch vorgesehen sein, den mindestens einen Magneten als Elektromagnet zu gestalten. Sowohl der erste Magnet 3 als auch der zweite Magnet 13 sind getrennt von der Spule 6 ausgebildet. Mit dem Ausdruck „der mindestens eine Magnet 3, 13” ist bezüglich der Ausführungsbeispiele sowohl der „erste Magnet 3” als auch der „zweite Magnet 13“ bezeichnet. So umfasst der Ausdruck „der mindestens eine Magnet 3, 13” den Ausdruck „der erste Magnet 3 und/oder der zweite Magnet 13”. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Fächer genau einen getrennt von der Spule ausgebildeten Magneten umfasst.
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Weiterhin umfasst der Fächer 1 ein Fächerblatt 4, eine Haltevorrichtung 5 zur Halterung des Fächerblatts 4 und eine getrennt vom mindestens einen Magneten 3, 13 ausgebildete Spule 6. Das Fächerblatt 4 ist zwischen dem ersten Magnet 3 und dem zweiten Magnet 13 angeordnet.
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Das Fächerblatt 4 trägt die Spule 6. Die Spule 6 ist auf dem Fächerblatt 4 befestigt. Hierzu dient eine Klebeverbindung. Die Spule 6 liegt über die Klebeverbindung am Fächerblatt 4 an. Die Spule 6 ist derart mit dem Fächerblatt 4 verbunden, dass bei einer Bewegung der Spule 6 das Fächerblatt 4 mitbewegt wird. Die Spule 6 liegt flach auf dem Fächerblatt 4 auf. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spule in das Fächerblatt eingebettet ist. Die Spule 6 umfasst mindestens eine Leiterschleife 9. Es kann vorgesehen sein, dass die Spule 6 eine bis zehn Leiterschleifen 9 umfasst. Im Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst die Spule 6 zehn Leiterschleifen 9. Die Spule 6 ist in einem kreisringförmigen Bereich 10 des Fächerblatts 4 angeordnet. Die Leiterschleifen 9 sind annährend kreisförmig. Die Spule 6 ist zwischen dem ersten Magneten 3 und dem zweiten Magneten 13 angeordnet.
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Enden 28 und 29 der Spule 6 sind jeweils über Kontaktleitungen 18 und 19 mit einer Wechselspannungsquelle 24 zu einem Stromkreis 7 verbunden. Das erste Ende 28 der Spule 6 ist über eine erste Kontaktleitung 18 mit der Wechselspannungsquelle 24 verbunden. Das zweite Ende 29 ist über eine zweite Kontaktleitung 19 mit der Wechselspannungsquelle 24 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist die Wechselspannungsquelle 24 ein Transformator der an das Verbundnetz angeschlossen ist. Der Transformator liefert eine Sinusspannung mit maximalen Spannungspeaks von 250 mV bis 750 mV, insbesondere von 400 mV bis 600 mV. Im Ausführungsbeispiel nach 1 liefert der Transformator eine Peakspannung von 450 mV bis 550 mV.
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Das Fächerblatt 4 ist mit seinem einen Längsende 25 in der Haltevorrichtung 5 befestigt. Das Fächerblatt 4 ist flexibel. Im Ausführungsbeispiel besteht das Fächerblatt 4 aus Kunststoff. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Fächerblatt 4 aus einem anderen flexiblen Material besteht. Beispielsweise kann das Fächerblatt aus einem dünnen, nicht-magnetischen, insbesondere metallischen Blech bestehen.
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Die Kontaktleitungen 18 und 19 verlaufen auf dem Fächerblatt 4 von der Spule 6 zur Haltevorrichtung 5. Dadurch, dass das Fächerblatt mit seinem Längsende 25 in der Haltevorrichtung befestigt ist, wird das Längsende 25 bei einer Fächerbewegung des Fächerblatts 4 nicht ausgelenkt. Im Bereich des in der Haltevorrichtung 5 befestigten Längsendes 25 werden auch die Kontaktleitungen 18 und 19 nicht ausgelenkt. Dadurch ist eine Bruchgefahr für die Kontaktleitungen 18 und 19 reduziert.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spule im Inneren des Fächerblatts aufgenommen ist, so dass alle Leiterschleifen vollständig von Material des Fächerblatts umschlossen sind. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Kontaktleitungen im Bereich des Fächerblatts vollständig im Inneren des Fächerblatts aufgenommen sind. Dadurch liegen Spule und Kontaktleitungen geschützt vor äußeren Einflüssen. Die Bruchgefahr für Spule und Kontaktleitungen ist minimiert. Dadurch, dass die Spule und die Kontaktleitungen im Inneren des Fächerblatts liegen, sind sie im Bereich des Fächerblatts isoliert. Dies ermöglicht einen gefahrlosen Einsatz des Fächers auch in elektrisch leitfähigen oder korrosiven Gasen oder Flüssigkeiten. Zudem kann der Fächer dadurch auf einfache Weise automatisiert hergestellt werden. Die Baugruppe aus Fächerblatt und Spule kann dabei als flexible Leiterplatte hergestellt werden.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt, ist der zweite Magnet 13 über eine Befestigungsvorrichtung 17 an der Haltevorrichtung 5 befestigt. In analoger Weise ist der erste Magnet 3 über eine zur besseren Übersicht nicht dargestellte Befestigungsvorrichtung mit der Haltevorrichtung 5 verbunden.
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Eine in 2 dargestellte Ebene E des Fächerblatts 4 ist ortsfest und entspricht einer Ebene, in der sich das Fächerblatt im Ruhezustand befindet. Im Ruhezustand führt das Fächerblatt 4 des Fächers 1 keine Fächerbewegung aus. Quer, in den Ausführungsbeispielen senkrecht zur Ebene E verläuft eine Querachse 50.
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Wie in 1 dargestellt, ist der erste Magnet 3 zylinderförmig. Der erste Magnet 3 weist eine erste Mantelfläche 33 auf. Die erste Mantelfläche 33 ist von einer ersten Kreisfläche 34 des ersten Magneten 3 und von einer zweiten Kreisfläche 35 des ersten Magneten 3 begrenzt. Die erste Kreisfläche 34 ist dem Fächerblatt 4 abgewandt. Die zweite Kreisfläche 35 ist dem Fächerblatt 4 zugewandt. Die zweite Kreisfläche 35 verläuft senkrecht zur Querachse 50. Ein Mittelpunkt der zweiten Kreisfläche 35 liegt auf der Querachse 50. Die zweite Kreisfläche 35 des ersten Magneten 3 verläuft parallel zur Ebene E des Fächerblatts 4.
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Der zweite Magnet 13 ist zylinderförmig. Der zweite Magnet 13 weist eine zweite Mantelfläche 36 auf. Wie aus der Zusammenschau der 1 und 2 ersichtlich, ist die zweite Mantelfläche 36 von einer dritten Kreisfläche 37 des zweiten Magneten 13 und von einer vierten Kreisfläche 38 des zweiten Magneten 13 begrenzt. Die dritte Kreisfläche 37 ist dem Fächerblatt 4 zugewandt. Die vierte Kreisfläche 38 ist dem Fächerblatt 4 abgewandt. Die dritte Kreisfläche 37 verläuft senkrecht zur Querachse 50. Ein Mittelpunkt der dritten Kreisfläche 37 liegt auf der Querachse 50. Die dritte Kreisfläche 37 des zweiten Magneten 13 verläuft parallel zur Ebene E des Fächerblatts 4.
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2 zeigt den Fächer 1 aus 1 in einer Ansicht von oben. Das Fächerblatt 4 befindet sich in einem unausgelenkten Ruhezustand und erstreckt sich in diesem Zustand in der Ebene E des Fächerblatts 4. Die Ebene E des Fächerblatts 4 ist ortsfest. Auch bei einer Auslenkung des Fächerblatts 4 bleibt die räumliche Lage der Ebene E unverändert. Quer zur Ebene E verläuft die Querachse 50. Die Querachse 50 ist senkrecht zur Ebene E orientiert.
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Der erste Magnet 3 besitzt einen ersten Magnetpol 11 und einen zweiten Magnetpol 12. Der zweite Magnet 13 besitzt einen dritten Magnetpol 21 und einen vierten Magnetpol 22. Der erste Magnet 3 weist genau zwei Magnetpole 11, 12 auf. Der zweite Magnet 13 weist genau zwei Magnetpole 21, 22 auf. Die beiden Magnetpole 11 und 12 des ersten Magneten 3 sind auf der Querachse 50 angeordnet. Die beiden Magnetpole 21 und 22 des zweiten Magneten 13 sind auf der Querachse 50 angeordnet. Der zweite Magnetpol 12 des ersten Magneten 3 und der dritte Magnetpol 21 des zweiten Magneten 13 sind in Richtung der Querachse 50 der Spule 6 zugewandt. Der erste Magnetpol 11 des ersten Magneten 3 und der vierte Magnetpol 22 des zweiten Magneten 13 sind in Richtung der Querachse 50 der Spule 6 abgewandt. Der zweite Magnetpol 12 des ersten Magneten 3 und der dritte Magnetpol 21 des zweiten Magneten 13 sind gleichpolig. Der erste Magnetpol 11 des ersten Magneten 3 und der vierte Magnetpol 22 des zweiten Magneten 13 sind gleichpolig. Im Ausführungsbeispiel nach 2 sind der zweite Magnetpol 12 des ersten Magneten 3 und der dritte Magnetpol 21 des zweiten Magneten 13 Nordpole. Im Ausführungsbeispiel nach 2 sind der erste Magnetpol 11 des ersten Magneten 3 und der vierte Magnetpol 22 des zweiten Magneten 13 Südpole.
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Der Nordpol des ersten Magneten 3 ist auf der zweiten Kreisfläche 35 des ersten Magneten 3 angeordnet. Der Nordpol des zweiten Magneten 13 ist auf der dritten Kreisfläche 37 des zweiten Magneten 13 angeordnet.
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Aus der beschriebenen Anordnung der Magnete 3 und 13 ergibt sich ein in den 3 und 4 dargestelltes Gesamtmagnetfeld 26. Das Gesamtmagnetfeld 26 des ersten Magneten 3 und des zweiten Magneten 13 resultiert aus einer Überlagerung eines in 5 dargestellten Magnetfelds 8 des ersten Magneten 3 und einem spiegelsymmetrisch bezüglich der Ebene E hierzu ausgebildeten, nicht dargestellten Magnetfelds des zweiten Magneten 13.
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Wie sich aus der Zusammenschau der 3 und 4 ergibt, liegt ein Mittelpunkt M des kreisringförmigen Bereichs 10 auf der Querachse 50. Damit liegen sowohl die Magnetpole 11 und 12 des ersten Magneten 3 und die Magnetpole 21 und 22 des zweiten Magneten 13, als auch der Mittelpunkt M des kreisringförmigen Bereichs 10 gemeinsam auf der Querachse 50. Die Leiterschleife 9 ist so im kreisringförmigen Bereich des Fächerblatts 4 angeordnet, dass die Lage des Mittelpunkts M in etwa, insbesondere genau einer Lage eines Mittelpunkts der in etwa, insbesondere exakt kreisförmigen Leiterschleife 9 entspricht. Anders ausgedrückt liegt ein Schwerpunkt einer von der Leiterschleife 9 begrenzten Fläche in etwa, insbesondere genau, auf dem Mittelpunkt des kreisringförmigen Bereichs 10.
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Wie in den 3 und 4 dargestellt, verlaufen Magnetfeldlinien 27 des Gesamtmagnetfelds 26 in der Ebene E des Fächerblatts 4 quer, insbesondere senkrecht zu der mindestens einen Leiterschleife 9 der Spule 6. Die zumindest eine Leiterschleife 9 der Spule 6 ist so auf dem Fächerblatt 4 angeordnet, dass zumindest ein Teil der Magnetfeldlinien des mindestens einen Magneten 3, 13 in der Ebene E der Fächerblatts 4 quer, insbesondere senkrecht zur Leiterschleife verläuft. Die in der Ebene E des Fächerblatts 4 quer, insbesondere senkrecht zu der mindestens einen Leiterschleife 9 der Spule 6 verlaufenden Magnetfeldlinien 27 sind Magnetfeldlinien des aus den Magnetfeldern des ersten Magneten 3 und des zweiten Magneten 13 resultierenden Gesamtmagnetfelds 26. Im Ausführungsbeispiel nach 3 verlaufen die Magnetfeldlinien 27 in der Ebene E des Fächerblatts 4 senkrecht zu der Leiterschleife 9. Hierbei liegen zumindest ein Teil der Richtungsvektoren der Magnetfeldlinien in der Ebene E des Fächerblatts 4.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Fächerblatt bei einem Fächer mit nur einem Magneten so in Relation zum Magneten angeordnet ist, dass die Magnetfeldlinien des Magneten in der Ebene des Fächerblatts senkrecht zur Leiterschleife der Spule verlaufen. Im Ausführungsbeispiel nach 5 verlaufen die Magnetfeldlinien zumindest quer zu der Leiterschleife 9 der Spule 6.
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Wie in 4 dargestellt, zeigen die durch die Vektorpfeile dargestellten Magnetfeldlinien 27 des Gesamtmagnetfelds 26 in der Ebene E des Fächerblatts 4 in Radialrichtung der Querachse 50 von der Querachse 50 weg. Durch den im Wesentlichen kreisförmigen Verlauf der Leiterschleife 9 und dadurch, dass die Lage des Mittelpunkts M in etwa der Lage des Mittelpunkts der Leiterschleife 9 entspricht, verlaufen alle Magnetfeldlinien 27 in der Ebene E des Fächerblatts 4 senkrecht zur Leiterschleife 9.
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In 4 ist eine radial innenliegende kreisförmige Begrenzung 39 des kreisringförmigen Bereichs 10 durch eine durchgezogene schwarze Linie dargestellt. Eine radial außenliegende kreisförmige Begrenzung 40 des kreisringförmigen Bereichs 10 ist durch eine weitere durchgezogene schwarze Linie dargestellt. Der Radius der außenliegenden kreisförmigen Begrenzung 40 beträgt vorteilhaft mindestens das 1,5fache des Radius der innenliegenden kreisförmigen Begrenzung 39. Die Leiterschleifen 9 der Spule 6 sind innerhalb des kreisringförmigen Bereichs 10 angeordnet.
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Der Fächer 1 ist so ausgelegt, dass die Spule 6 bei an der Spule 6 angelegter Wechselspannung mit einem in den 3 und 4 dargestellten Gesamtmagnetfeld 26 der Magneten 3 und 13 wechselwirkt. Durch die Wechselspannung werden in der Spule 6 Elektronen hin- und herbewegt. Bei der Hinbewegung werden die Elektronen in der Leiterschleife 9 der Spule 6 in eine erste Richtung R1 beschleunigt und bei der Herbewegung werden die Elektronen in der Leiterschleife 9 der Spule 6 in eine engegengesetzt zur ersten Richtung R1 orientierte zweite Richtung R2 beschleunigt. Hierbei bewegen sich die Elektronen mit wachsender oder abnehmender Geschwindigkeit in der Leiterschleife 9. Aufgrund des quer zur Leiterschleife 9 verlaufenden Gesamtmagnetfelds 27 wirkt während der Bewegung der Elektronen eine Lorentz-Kraft auf die Elektronen und damit auch auf die Spule 6 und das Fächerblatt 4. Die Lorentz-Kraft auf ein Elektron ist proportional zum Betrag des Vektorprodukts aus dem Geschwindigkeitsvektor des Elektrons und dem Vektor der Magnetfeldstärke am Ort des Elektrons. Da die Magnetfeldlinien in der Ebene E verlaufen, wirkt die gesamte Lorentz-Kraft in Richtung senkrecht zur Ebene E. Dadurch wird das Fächerblatt 4 aufgrund der Wechselspannung in Richtung der Querachse 50 ausgelenkt. Bei der Hinbewegung der Elektronen in der Leiterschleife 9 in der ersten Richtung R1 wirkt die Lorentz-Kraft in Form einer ersten Kraft F1 in eine erste Kraftrichtung senkrecht zur Ebene E; bei der Herbewegung der Elektronen in der zweiten Richtung R2 wirkt die Lorentz-Kraft in Form einer zweiten Kraft F2 in eine zweite Kraftichtung senkrecht zur Ebene E, die entgegengesetzt der ersten Kraftrichtung verläuft. Während einer Periode der Sinusspannung wechselt die Auslenkungsrichtung einmal. Beispielsweise wird das Fächerblatt 4 in der ersten Periodenhälfte in Richtung auf den ersten Magneten 3 beschleunigt und in der zweiten Periodenhälfte in Richtung von dem ersten Magneten 3 weg.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Magnetfeldlinien in der Ebene E des Fächerblatts 4 in einem Winkelbereich von mindestens 300°, insbesondere von mindestens 320° um die Querachse 50 herum quer, insbesondere senkrecht zu der zumindest einen Leiterschleife verlaufen. Dieser Winkelbereich kann sich aus mehreren Teilwinkelbereichen zusammensetzen. Die Teilwinkelbereiche müssen in Umfangsrichtung nicht zusammenhängen. Beispielsweise können ein quaderförmiger Magnet und eine dazu korrespondierend ausgebildete rechteckige Spule vorgesehen sein.
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Im Betrieb des Fächers 1 wird die Spule 6 mit Wechselspannung einer bestimmten Frequenz angesteuert. Die Frequenz der Wechselspannung und die Auslegung des Fächers 1 sind derart aufeinander abgestimmt, dass eine Baugruppe 20, bestehend aus dem Fächerblatt 4 und der Spule 6 in Resonanz schwingt. Hierbei sind insbesondere die Maße des Fächerblatts 4 und die Masse der Baugruppe 20 und die Frequenz aufeinander abgestimmt.
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5 zeigt eine alternative Ausführung eines Fächers 51 mit lediglich einem einzigen Magneten 3. Bezugszeichen, die Bauteile betreffen, die im Vergleich zu dem in den 1 bis 4 dargestellten Fächer 1 unveränderte sind, sind für den Fächer 51 nach 5 gleich gewählt. Die Anordnung der Bauteile des Fächers 51 nach 5 unterscheidet sich von der Anordnung der Bauteile des Fächers 1 nach den 1 bis 4 lediglich im Fehlen des zweiten Magneten 13. Ansonsten sind die Bauteile wie oben beschrieben angeordnet.
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Der wesentliche Unterschied bei Verwendung nur eines Magneten im Vergleich zur Verwendung von zwei Magneten liegt im Verlauf der Magnetfeldlinien. 5 zeigt durch Vektoren dargestellte Magnetfeldlinien 52 des Magnetfelds 8 des nur einen Magneten 3. Auch beim Fächer 51 verläuft ein Teil der Magnetfeldlinien 52 in der Ebene E des Fächerblatts 4 senkrecht zur Spule 6. Dieser Anteil ist jedoch geringer als beim Fächer 1, bei dem das Gesamtmagnetfeld 26 aus den Magnetfeldern von zwei Magneten 3 und 13 resultiert. Ebenso ist die Magnetfeldstärke bei Verwendung von zwei Magneten mit identischen Eigenschaften im Vergleich zur Verwendung nur eines Magneten mit ebenfalls zu den Eigenschaften der beiden Magnete identischen Eigenschaften in der Ebene E größer. Daraus resultiert beim Anlegen einer gleichen Wechselspannung für der Fächer 1 mit zwei Magneten 3 und 13 eine größere Lorentz-Kraft als für den Fächer 51 mit nur einem Magneten 3.
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Bei Verwendung eines zweiten Magneten 13, wie für den Fächer 1 nach den 1 bis 4, wird das Magnetfeld des ersten Magneten umgangssprachlich ausgedrückt „gestaucht“. Die Magnetfeldlinien 27 des Gesamtmagnetfels 26 liegen im Bereich zwischen den beiden Magneten 3 und 13 dichter zusammen als die Magnetfeldlinien 52 des Magnetfelds 8 von nur einem Magneten 3.
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Fächer 41. Der Fächer 41 nach 6 umfasst insgesamt drei Magnete 3, 13 und 23. Bezugszeichen, die Bauteile betreffen, die im Vergleich zu dem in den 1 bis 4 dargestellten Fächer 1 unveränderte sind, sind für den Fächer 41 in 6 gleich gewählt. Die Anordnung der Bauteile des Fächers 41 nach 5 unterscheidet sich von der Anordnung der Bauteile des Fächers 1 nach den 1 bis 4 dadurch, dass der Fächer 41 ein zweites Fächerblatt 14 mit einer zweiten Spule 16, eine zweite Haltevorrichtung 15 zur Halterung des zweiten Fächerblatts 14 und einen dritten Magneten 23 umfasst. Ansonsten umfasst der Fächer 41 nach 6 sämtliche Bauteile, die auch der Fächer 1 nach den 1 bis 4 umfasst. Diese Bauteile sind wie oben zum Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 4 beschrieben angeordnet. Der Fächer 1 nach den 1 bis 4 ist um das zweites Fächerblatt 14 mit der zweiten Spule 16, die zweite Haltevorrichtung 15 zur Halterung des zweiten Fächerblatts 14 und den dritten Magneten 23 zum Fächer 41 nach 6 erweitert. Der Fächer 1 nach den 1 bis 4 ist Bestandteil des Fächers 41 nach 6.
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Die Fächerblätter 4 und 14 des Fächers 41 sind im Ruhezustand parallel nebeinanderliegend angeordnet. Der dritte Magnet 23 besitzt einen fünften Magnetpol 31 und einen sechsten Magnetpol 32. Der dritte Magnet 23 weist genau zwei Magnetpole 31, 32 auf.
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Die beiden Magnetpole 31 und 32 des dritten Magneten 23 sind auf der Querachse 50 angeordnet. Der vierte Magnetpol 22 des zweiten Magneten 13 und der fünfte Magnetpol 31 des dritten Magneten 23 sind in Richtung der Querachse 50 der zweiten Spule 16 zugewandt. Der dritte Magnetpol 21 des zweiten Magneten 13 und der sechste Magnetpol 32 des dritten Magneten 23 sind in Richtung der Querachse 50 der zweiten Spule 16 abgewandt. Der vierte Magnetpol 22 des zweiten Magneten 13 und der fünfte Magnetpol 31 des dritten Magneten 23 sind gleichpolig. Der dritte Magnetpol 21 des zweiten Magneten 13 und der sechste Magnetpol 32 des dritten Magneten 23 sind gleichpolig. Im Ausführungsbeispiel nach 6 sind der vierte Magnetpol 22 des zweiten Magneten 13 und der fünfte Magnetpol 31 des dritten Magneten 23 Südpole. Im Ausführungsbeispiel nach 6 sind der dritte Magnetpol 21 des zweiten Magneten 13 und der sechste Magnetpol 32 des dritten Magneten 23 Nordpole.
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Die zum Gesamtmagnetfeld 26 der Magnete 3 und 13 des Fächers 1 nach den 1 bis 4 getroffenen Aussagen lassen sich auf ein Gesamtmagnetfeld des zweiten Magneten 13 und des dritten Magneten 23 übertragen.
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Der erste Magnet 3, der zweite Magnet 13 und der dritte Magnet 23 sind baugleich. Die Spule 6 und die zweite Spule 16 sind baugleich. Das Fächerblatt 4 und das zweite Fächerblatt 14 sind baugleich. Es kann auch vorgesehen sein unterschiedliche Magnete zu verwenden. Vorteilhaft erfolgt die Anordnung der Pole von unterschiedlichen Magneten bezüglich der Querachse jedoch in abwechselnder Orientierung. Ebenso kann vorgesehen sein unterschiedliche Fächerblätter und/oder unterschiedliche Spulen zu verwenden.
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Das zweite Fächerblatt 14 und die zweite Spule 16 bilden eine zweite Baugruppe 30. Zur gleichphasigen Anregung der Baugruppe 20 und der Baugruppe 30 werden die Spule 6 und die zweite Spule 16 mit einer gegenphasigen Wechselspannung gleicher Frequenz und gleicher Amplitude betrieben. Die sinusförmigen Wechselspannungen sind um 180° phasenverschoben zueinander. Dadurch ergibt sich eine synchrone Fächerbewegung des Fächerblatts 4 und des zweiten Fächerblatts 14. Alternativ zum Betrieb mit gegenphasigen Wechselspannungen können die nicht dargestellten Kontaktleitungen der zweiten Spule 16 genau andersherum wie die in 1 gezeigten Kontaktleitungen 18 und 19 der Spule 6 an die Spannungsquelle 24 angeschlossen werden. Auch dadurch kann eine synchrone Fächerbewegung der Fächerblätter 4 und 14 erreicht werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Fächerblätter 4 und 14 gegenphasig schwingen. Dazu können die Kontaktleitungen der zweiten Spule 16 genauso wie die Kontaktleitungen 18 und 19 an die Spannungsquelle 24 angeschlossen sein.
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Der Fächer 41 nach 6 stellt eine Erweiterung des Fächers 1 nach den 1 bis 4 dar. Nach demselben Prinzip lässt sich der Fächer 41 nach 6 um eine beliebige Anzahl an Fächerblättern erweitern. Hierbei wird auch jeweils ein weiterer Magnet eingesetzt. Dieser Magnet wird mit seinen Magnetpolen auf der Querachse 50 angeordnet, so dass der dem unmittelbar benachbarten Magneten zugewandte Magnetpol des neu verbauten Magneten gleichpolig zu dem dem neu verbauten Magneten zugewandten Magnetpol des unmittelbar benachbarten, bereits verbauten Magneten ist. Auf diese Weise lässt sich die Fächerleistung des Fächers modular aufstocken.
