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Die Erfindung betrifft einen Lüfter für ein Steuergerät für ein Fahrzeug bzw. ein Steuergerät mit einem Lüfter nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Die gattungsbildende
US 2008 / 0 157 634 A1 offenbart einen Lüfter für die Kühlung von Elektronik, wobei ein Rotor vorgesehen ist, der als Hohlzylinder ausgebildet. Weiterhin ist ein Flügelrad mit mehreren Schaufeln vorgesehen und mit dem Hohlzylinder derart verbunden, dass eine Drehung des Hohlzylinders eine Drehung des Flügelrads bewirkt. Wobei der Hohlzylinder mehrere Magnete aufweist.
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Aus der
DE 10 2017 002 601 A1 ist ein elektronisches Steuergerät für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Gaskühlkanal zum Führen eines verdichteten Gases vorgesehen ist. Der Gaskühlkanal ist mit einer Steuerelektronik wärmeleitend verbunden und zum Trennen des verdichteten Gases von der Steuerelektronik ausgebildet. Der Gaskühlkanal weist einen Entspannungsabschnitt auf, in dem sich ein Strömungsquerschnitt des Gaskühlkanals zum Entspannen und Abkühlen des verdichteten Gases zur Kühlung der Steuerelektronik erweitert.
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Der erfindungsgemäße Lüfter für ein Steuergerät für ein Fahrzeug bzw. das erfindungsgemäße Steuergerät mit einem Lüfter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch das Vorsehen eines Stators mit einer Mehrzahl von Spulen, wobei der Stator als offener Hohlzylinder ausgebildet ist, ein Gewichtsvorteil erzielt wird. Weiterhin sind die Statornuten für die Wicklungen der Spulen näher zueinander angeordnet, indem der Stator als offener Hohlzylinder ausgebildet ist, denn es liegt dann weniger Umfang für die gleiche Zahl von Statornuten vor. Damit können die Magnete des Rotors mit weniger Energieeintrag den Schritt von einer Statornut zur nächsten überwinden. Außerdem ist aufgrund der näher gerückten Statornuten eine bessere Kontaktkühlung an das Steuergerätegehäuse möglich.
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Vorgeschlagen wird daher ein Lüfter, der vorzugsweise letztlich als ein bürstenloser, elektronisch kommutierter Synchronmotor ausgebildet ist, für ein Steuergerät für ein Fahrzeug mit einem Stator mit einer Mehrzahl von Spulen, wobei der Stator als offener Hohlzylinder ausgebildet ist. Weiterhin ist ein Rotor vorgesehen, der als Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei ein Flügelrad mit mehreren Schaufeln und dem Hohlzylinder derart verbunden ist, dass eine Drehung des Hohlzylinders eine Drehung des Flügelrads bewirkt. Der Hohlzylinder weist mehrere Magnete auf, wobei der Stator den Rotor nur teilweise umfasst. Daher weist der Stator einen größeren Radius auf als der Rotor.
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Unter einem Lüfter ist vorliegend eine Einrichtung zu verstehen, die Luft oder ein anderes Gas zur Kühlung bewegt, indem das Gas oder die Luft die Wärme von der erwärmten Struktur abtransportiert. Solch ein Lüfter weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor drehbar ist und durch ein Wanderfeld an den Spulen des Stators eine Bewegung des Rotors erreicht wird. Diese Drehung des Rotors bewirkt ein Ansaugen von Luft und damit ein Abtransport von Wärme an den zu kühlenden Elementen im Steuergerät.
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Ein Steuergerät empfängt Sensorsignale oder andere Statussignale und erzeugt daraus Ansteuersignale für eine Aktorik oder auch für eine Anzeige. Solch ein Steuergerät weist ein Gehäuse aus Kunststoff und/oder Metall üblicherweise auf. In dem Steuergerät befinden sich verschiedene elektrische und elektronische Baueinheiten. Dazu gehört vorzugsweise ein Rechner, insbesondere sogenannte Grafikprozessoren, die mit anderen Bausteinen verbunden sind und zu einer sehr hohen Rechenleistung fähig sind. Diese hohe Rechenleistung bedingt jedoch eine große Hitzeentwicklung, der begegnet werden muss mit einer Kühlung. Hierfür wird beispielsweise für jeden Grafikprozessor in dem Steuergerät der erfindungsgemäße Lüfter vorgeschlagen. Aber auch andere Prozessoren und Leistungselektronikbauelemente sind vorhanden, die Wärme erzeugen. Würde diese Wärme nicht abtransportiert, würde die Funktionsfähigkeit der Bauelemente im Steuergerät beeinträchtigt oder sie würden gar zerstört werden. Auch ein gefährliches Aufheizen des gesamten Steuergeräts kann nachteilige Folgen für das Fahrzeug haben.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lkw, ein Offroad-Fahrzeug oder andere Fahrzeuge, beispielsweise Boote oder Schiffe handeln.
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Der Stator ist ein Bauelement, der vorliegend mehrere Spulen aufweist. Diese Spulen werden vom Steuergerät bspw. mit einer elektrischen Schaltung derart mit elektrischem Strom angesteuert, dass ein drehendes magnetisches Feld erzeugt wird, welches den Rotor, der vorliegend auch als permanenterregter Läufer bezeichnet werden kann, mitzieht. Dieser Bewegung dieses Wanderfeldes entspricht dann die Drehung des Rotors. Der Stator selbst ist fest angeordnet und vorliegend als offener Hohlzylinder ausgebildet. Offener Hohlzylinder heißt, dass der Hohlzylinder nicht geschlossen ist. Insbesondere ist dieser offene Hohlzylinder beispielsweise nur zur Hälfte mit einem Mantel versehen. Das heißt, die andere Hälfte ist komplett offen. Will man die gleiche Anzahl von Spulen wie mit einem geschlossenen Hohlzylinder verwenden, dann rücken die Spulen näher zueinander. Dies ergibt dann die oben genannten Vorteile. Die Spulen sind bspw. auf Nuten aufgewickelt, wobei die Nuten aus laminierten Blechpaketen bestehen, um so eine optimale Bildung des elektromagnetischen Felds zu bewirken.
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Unter einer Spule ist vorliegend ein elektrisches Bauteil zu verstehen, das eine Induktivität aufweist und damit unter vorzugsweise konstanter Bestromung ein magnetisches Feld entwickelt. Eine Spule ist vorliegend gewickelt und dabei wie oben angedeutet, um einen Kern beispielsweise gewickelt, um damit ein optimales Feld zu formen.
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Der Rotor ist wie oben angedeutet ein drehbar gelagertes Bauteil, das sich also drehen lässt. Vorliegend wird diese Drehung durch das oben angegebene magnetische Wanderfeld der Spulen bewirkt. Dafür hat der Rotor in seinem Mantel Magnete, beispielsweise in Sacklöchern, angeordnet. Bei den Magneten handelt es sich um Permanentmagnete, die bezüglich ihrer Polung und zwar radial zu der Drehachse des Rotors, vorzugsweise wechselweise angeordnet sind. Das heißt, von einer Seite angesehen wechseln sich Nord- und Südpol nacheinander ab. Der Rotor ist selber als Hohlzylinder ausgebildet, wobei ein Flügelrad mit mehreren Schaufeln mit dem Hohlzylinder derart verbunden ist, dass eine Drehung des Hohlzylinders eine Drehung des Flügelrads bewirkt. Das heißt, dass wenn der Hohlzylinder mit den Magneten sich dreht, sich auch das Flügelrad mit den Schaufeln dreht und damit den Sog für die Luft bewirkt. Als Ausführungsbeispiel kann beispielsweise das Flügelrad daher einstückig mit dem Hohlzylinder hergestellt sein. Es kann jedoch auch andersartig mit dem Hohlzylinder verbunden sein durch kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung.
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Aufgrund der Tatsache, dass der Stator als offener Hohlzylinder ausgebildet ist und einen größeren Durchmesser als der Rotor aufweist, umfasst der Stator diesen Rotor nur teilweise. Beispielsweise könnte diese Umfassung nur zur Hälfte oder sogar weniger als die Hälfte des Umfangs umfassen.
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Für das Steuergerät wird der Rotor mit einer Halterung, die den Rotor hält, und zwar drehbar hält, seitlich in ein Gehäuse des Steuergeräts eingeschoben. Damit wird durch diese teilweise Umfassung des Stators um den Rotor herum es ermöglicht, dass der Einbau des Rotors mit dieser Halterung einfach gestaltet ist. Damit kann auch ein einfacher Austausch auch von ungeschultem Personal ermöglicht werden. Dies wird erreicht, dass der Rotor mit der Halterung durch eine lösbare Verbindung mit dem Gehäuse verbunden ist. Wie aus den abhängigen Ansprüchen hervorgeht, kann eine solche lösbare Verbindung durch wenigstens einen Schnapphaken bewirkt sein. Aber auch jede andere Klickverbindung, die letztlich durch Formschluss die Verbindung herstellt, kann hier verwendet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Lüfters bzw. Steuergeräts sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es ist vorgesehen, dass das Flügelrad drehbar um eine Welle angeordnet ist, wobei die Welle über eine Aufhängung mit einer Halterung verbunden ist, wobei die Halterung konkav ausgebildet ist und den Rotor teilweise umfasst. Es ist also eine Welle vorgesehen, um die das Flügelrad angeordnet ist und diese Welle ist über eine Aufhängung mit der Halterung verbunden. Die Halterung dient letztlich als Griff, um die Einheit aus Rotor und Halterung herausnehmen zu können. Die Halterung ist dabei spiegelbildlich mehr oder weniger dem Stator nachgebildet, denn auch sie umfasst den Rotor nur teilweise. Dafür ist die konkave Ausbildung der Halterung vorgesehen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Stator in seinem Außenmantel einen magnetischen Rückschluss aufweist. Dieser magnetische Rückschluss wird durch eine Metallisierung erreicht, die eine Führung des magnetischen Felds bewirkt. Damit kann das elektromagnetische Feld besser und effizienter für die Bewegung des Rotors eingesetzt werden.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Rotor mit der Halterung radial entnehmbar ist. Dies stellt einen großen Vorteil dar, denn eine radiale Entnahme ist bereits wie oben dargestellt, eine sehr einfache Übung, um den Rotor beispielsweise bei einer Fehlfunktion oder einer massiven Verschmutzung auszutauschen. Dies kann eben auch durch ungeschultes Personal ausgeführt werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Halterung wenigstens eine Rastverbindung zu einer lösbaren Befestigung der Halterung mit dem Steuergerät aufweist. Solch eine Rastverbindung ist wie oben dargestellt eine formschlüssige Verbindung, die auch wieder mit einem geringen Aufwand lösbar ist, aber den Rotor sicher in Betrieb in der vorgesehenen Position hält.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Halterung vorwiegend aus Gründen der Stabilität eine Stegkonstruktion aufweist, und sie ist mit einem Außenmantel umgeben. Der Rotor und die Halterung lassen sich so leicht entnehmen. Die Stegkonstruktion erweist sich bei dynamischen Kräften als äußerst vorteilhaft, um Trägheitsmomente, insbesondere das Torsionsträgheitsmoment infolge hoher Drehzahl des Rotors und einer möglichen Umwucht des Rotors, kompensieren zu können. Ebenso erweist sich die Stegkonstruktion besonders vorteilhaft neben diesen radialen Kräften auch axiale Kräfte entlang der Drehachse formstabil aufnehmen zu können etwa bei einer axialen Beschleunigung auf holprigen Straßen.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der Rotor 14 Permanentmagnete und der Stator 12 Spulen aufweisen. Diese Anzahl der Permanentmagnete und der Spulen hat sich als besonders vorteilhaft im Betrieb erwiesen.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Stator und das Steuergerät gegenüber dem Rotor abgedichtet sind. Diese Abdichtung kann durch eine Gummidichtung, einer Metalldichtung oder eine andere Dichtung erreicht werden. Sie soll so hermetisch sein, dass keine Feuchtigkeit in das Innere dieser Abdichtung gelangen kann.
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Wie oben dargestellt, kann die lösbare Verbindung auch durch einen Schnapphaken gekennzeichnet sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und werden in der Zeichnung dargestellt.
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Es zeigen
- 1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät und verbundenen Elementen;
- 2 eine schematische Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Lüfter und
- 3 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Lüfters im Steuergerät.
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1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Steuergeräts SG in einem Egofahrzeug EF mit angeschlossenen Komponenten. An das Steuergerät SG sind die Sensoren S1 bis S6 angeschlossen. Diese Sensoren sind beispielsweise Umfeldsensoren, die als Radar und/oder Lidar ausgebildet sind oder auch als Kamera, um das Umfeld abzutasten. Diese Sensordaten werden roh oder auch vorverarbeitet an das Steuergerät vorzugsweise digital übertragen. Das Steuergerät weist dann Rechenmittel auf, beispielsweise grafische Prozessoren, aber auch andere Mikrocontroller oder Mikroprozessoren sind hier verwendbar, um aus den Daten der Sensoren S1 bis S6 eine Umfeldinterpretation abzuleiten. Anhand dieser Umfeldinterpretation kann dann das Steuergerät auch unter der Verwendung von künstlicher Intelligenz auf eine Ansteuerung einer Aktorik AKT beispielsweise einer Lenkung, Bremsen oder Beschleunigen, entscheiden, um das Fahrzeug beispielsweise autonom zu steuern.
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Es sind jedoch auch andere Sensoriken an das Steuergerät SG anschließbar. Dazu gehört beispielsweise eine Inertialsensorik, aber auch Daten von anderen Steuergeräten, damit das Steuergerät SG einen vollständigen Überblick über die Funktionsweise des Egofahrzeugs EF hat und damit auf die richtigen Entscheidungen trifft. Auch beispielsweise eine Sensorik, die die Fahrzeuginsassen erfasst, kann hier gemeint sein. Unter der Aktorik sind auch beispielsweise passive Rückhaltemittel zu verstehen.
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2 zeigt nun einen Lüfter L für ein solches Steuergerät, der erfindungsgemäß ausgebildet ist. Der Lüfter L weist zunächst einen Stator ST auf, der als offener Hohlzylinder ausgebildet ist. Die 2 zeigt eine Draufsicht auf die axiale Richtung, die in die Bildebene hineingeht. Der Stator ST umfasst daher den Rotor RO teilweise. Der Stator ST weist daher auch einen größeren Radius als der Rotor RO auf. Im Stator ST sind Spulen SP angeordnet. Die Spulen SP werden von einer elektrischen Schaltung im Steuergerät bestromt, so dass ein drehendes magnetisches Feld erzeugt wird, das den vorliegend permanenterregten Rotor RO mitzieht. Da vorliegend die Spulen SP in einem offenen Hohlzylinder angeordnet werden, liegen sie nun enger beieinander als vorher, als ein geschlossener Hohlzylinder verwendet wurde. Dies ermöglicht die oben genannten Vorteile. Der Stator ST weist weiterhin einen magnetischen Rückschluss MR durch eine Metallisierung auf, die eine bessere Führung des magnetischen Flusses ermöglicht. Der metallisierte magnetische Rückschluss dient weiterhin als Abschirmung der von den Spulen SP verursachten Strahlungsfeldern.
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Zwischen dem Stator ST und dem Rotor RO ist ein Luftspalt. Dieser ist nötig, um die Drehung des Rotors zu ermöglichen. Der Rotor RO selbst weist in seinem Hohlzylinder Magnete M, nämlich Permanentmagnete, auf, die in Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Feldern der Spulen SP die Bewegung des Rotors RO ermöglichen. Diese Magnete M sind beispielsweise in Sacklöchern angeordnet und dort fixiert. Vorzugsweise sind diese Magnete M bezüglich ihrer Polung und zwar radial zu der Drehachse des Rotors RO betrachtet, vorzugsweise wechselweise angeordnet. Das heißt, von einer Seite angesehen, wechseln sich Nord- und Südpol nacheinander ab. In einer Draufsicht ist zunächst ein Südpol zu sehen, dann ein Nordpol und dann wieder ein Südpol.
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Vorliegend ist das Flügelrad FR mit seinen Schaufeln SC mit dem Hohlzylinder des Rotors RO fest verbunden, beispielsweise indem diese Einheit einstückig hergestellt wurde. Wie oben dargestellt, sind jedoch auch andere Verbindungen, beispielsweise form-, kraft- und/oder stoffschlüssige, möglich.
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In der Mitte des Flügelrads FR befindet sich eine Nabe N, durch die auch eine metallische Welle geht, die vorliegend nicht dargestellt ist. An diese Welle sind jedoch Stege einer Aufhängung AH angeschlossen, und zwar, um diese Welle fest mit einer Halterung zu verbinden, die aus einer Stegkonstruktion SG aufgebaut ist. Diese Halterung kann ein Gehäuse umfassen, um diese Stegkonstruktion vor Verschmutzung und Ähnlichem zu schützen. Diese Aufhängung AH kann sowohl unten als auch oben bezüglich der axialen Richtung mit der Halterung verbunden sein. Die Stege sowohl der Aufhängung AH als auch der Stegkonstruktion SG sind vorzugsweise aus ABS-Kunststoff ausgebildet. Selbstverständlich sind auch weitere Ausbildungen beispielsweise eines glasfaserverstärkten ABS-Kunststoffes oder eines metallischen Werkstoffes möglich.
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3 zeigt nun eine Seitenansicht des Lüfters im eingebauten Zustand im Steuergerät. Das Steuergerät weist ein Gehäuse G auf mit einem Luftkanal, der von oben in das Gehäuse eindringt und dann über den Lüfter in einen Kanal LK übergeht, der eine Abbiegung um 90° letztlich vollzieht. Der Luftstrom LU wird hier durch die Pfeile gezeigt. Dieser Luftstrom wird durch den Rotor RO und insbesondere durch seine Drehung bewirkt. Hier ist dargestellt, dass die Welle W, die durch den Rotor wie oben dargestellt geht, mit der Stegkonstruktion SG verbunden ist. Der Stator ST umfasst auch hier den Rotor RO entsprechend nur teilweise. Der Stator ist hier schematisch durch die weißen und dunklen Abschnitte als mit den verschiedenen Spulen versehen dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- EF
- Egofahrzeug
- S1 - 6
- Sensoren
- SG
- Steuergerät
- AKT
- Aktorik
- ST
- Stator
- RO
- Rotor
- SP
- Spulen
- MR
- magnetischer Rückschluss
- L
- Lüfter
- FR
- Flügelrad
- SC
- Schaufel
- M
- Magnete
- SG
- Stegkonstruktion
- AH
- Aufhängung
- LU
- Luftstrom
- W
- Welle
- LK
- Luftkanal
- G
- Gehäuse
