DE102020128181A1

DE102020128181A1 - Fächer mit Steuereinheit zur Bestimmung der Resonanzfrequenz

Info

Publication number: DE102020128181A1
Application number: DE102020128181.1A
Authority: DE
Inventors: Simon Strohmeyr; Bernd Gundelsweiler; Patrick Fleischmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2022-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fächer zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils, insbesondere zur Kühlung einer Erregerspule eines linearen Direktantriebs. Der Fächer (1. 41) umfasst mindestens einen Magneten (3, 13), ein Fächerblatt (4), eine Haltevorrichtung (5) zur Halterung des Fächerblatts (4), eine getrennt von dem mindestens einen Magneten (3, 13) ausgebildete erste Spule (6), eine mit der ersten Spule (6) elektrisch verbundene Spannungsquelle (24) und eine Steuereinheit (2) zur Steuerung der Spannungsquelle (24). Der Fächer (1, 41) ist so ausgelegt, dass die erste Spule (6) im Betrieb mit einem Magnetfeld (8) des mindestens einen Magneten (3, 13) derart wechselwirkt, dass das Fächerblatt (4) hin- und herbewegt wird. Die Steuereinheit (2) steuert die Spannungsquelle (24) so, dass an der ersten Spule (6) eine Quellenwechselspannung anliegt. Der Fächer (1, 41) umfasst eine mit der Steuereinheit (2) verbundene Messvorrichtung (53). Die Steuereinheit (2) ist so ausgelegt, dass sie die Spannungsquelle (24) so steuert, dass die Frequenz der Quellenwechselspannung variiert wird, dass währenddessen ein von der Messvorrichtung (53) ermitteltes Signal in Form eines Messergebnis erhält, und dass sie aus dem Einfluss der in der ersten Spule (6) durch die Wechselwirkung zwischen der ersten Spule (6) und dem mindestens einen Magneten (3, 13) induzierten Induktionsspannung auf das Signal die Resonanzfrequenz des Fächers (1) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fächer zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils.
Es ist bekannt, zur Kühlung von feinmechanischen Bauteilen einen Fächer zu verwenden, dessen Fächerblatt elektrodynamisch zu Schwingungen angeregt wird. Dabei führt das Fächerblatt eine Fächerbewegung aus und fächert dem zu kühlenden Bauteil Luft zu. Ein solcher Fächer ist beispielsweise in der US 2019/075 680 A1 beschrieben.
Derartige Fächer arbeiten besonders effizient, wenn sie mit der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems angeregt werden. Um die Resonanzfrequenz zu finden wird üblicherweise die Frequenz der anregenden Wechselspannung so lange variiert bis eine maximale Auslenkung des Fächerblatts zu beobachten ist. Die Auslenkung des Fächerblatts ist schwer zu messen, weshalb das Finden der Resonanzfrequenz mit einigen Schwierigkeiten verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Fächer zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils bereitzustellen, der auf einfache Weise effizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Fächer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Diese Aufgabe wird auch durch einen Fächer mit den Merkmalen des Anpruchs 6 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Resonanzfrequenz mittels einer Spule ermittelt werden kann. In dieser Spule wird eine Induktionsspannung induziert, deren Einfluss auf ein Messsignal messbbar ist. Denn bei jeder erdenklichen Anordnung eines elektrodynamisch betriebenen Fächers ändert sich im Betrieb des Fächers der durch die Leiterschleife der Spule zur Messung der Resonanzfrequenz eingeschlossene magnetische Fluss zeitlich. Dadurch wird eine Spannung in der Spule induziert. Wenn die Induktionsspannung in Abhängigkeit der Frequenz der anregenden Wechselspannung am größten ist, schwingt das System in Resonanz. Aus der Messung der Induktionsspannung oder aus ihrem Einfluss auf ein Messsignal kann die Resonanzfrequenz bestimmt werden.
Bei der Lösung der Aufgabe mit einem Fächer gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass der Fächer eine erste Spule zur Auslenkung des Fächerblatts und eine zweite Spule zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Fächers umfasst. Durch Messen der in der zweiten Spule induzierten Induktionsspannung und Variation der Frequenz einer Quellenwechselspannung, die an der ersten Spule anliegt, kann die Resonanzfrequenz bestimmt werden. Die Resonanzfrequenz entspricht der Frequenz der Quellenwechselspannung, bei der die Induktionsspannung in der zweiten Spule maximal ist. Durch die zweite Spule zur Bestimmung der Resonanzfrequenz kann der Fächer auf einfache Weise effizient in Resonanz betrieben werden. Auch eine Anpassung an geänderte Betriebsbedingungen, die Einfluss auf die Resonanzfrequenz haben, ist während des Betriebs möglich. Beispielsweise kann bei einer Temperaturänderung die Resonanzfrequenz neu bestimmt werden. Auch eine permanente Überwachung der Lage der Resonanzfrequenz ist möglich.
Vorteilhaft trägt das Fächerblatt die erste Spule. Beim Anlegen der Quellenwechselspannung an die erste 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 erste 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 erste Spule trägt, wirken diese Kräfte auch auf das Fächerblatt im Wechsel. Auf diese Weise kann das Fächerblatt zu einer Fächerbewegung angeregt werden.
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.
Die Anordnung der ersten 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 ersten Spule in einer Entfernung vom Fächerblatt kann vorgesehen sein. Falls der mindestens eine Magnet ein Permanentmagnet ist, ist die Anordnung des mindestens einen Magneten auf dem Fächerblatt jedoch energetisch vorteilhaft, da der mindestens eine Magnet eine größere Masse als die erste Spule aufweist und folglich bei Anordnung des mindestens einen Magneten auf dem Fächerblatt eine größere Masse zu beschleunigen ist als bei Anordnung der ersten Spule auf dem Fächerblatt.
Insbesondere bilden dass das Fächerblatt und die erste Spule eine Baugruppe und die zweite Spule ist zur Bestimmung der Resonanzfrequenz der Baugruppe vorgesehen.
Zweckmäßig trägt das Fächerblatt die zweite Spule. Dadurch wird die zweite Spule mit dem Fächerblatt durch das Magnetfeld des mindestens einen ersten Magneten bewegt. Dadurch wird die Induktionsspannung in der zweiten Spule induziert. Die Induktionsspannung ist eine Wechselspannung. Die Amplitude der induzierten Wechselspannung hängt von der Bewegung des Fächerblatts ab. Die Amplitude der Induktionsspannung ist am größten, wenn der Fächer in Resonanz betrieben wird.
Insbesondere ist die zweite Spule getrennt von der ersten Spule ausgebildet.
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 erste 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.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste 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.
Zweckmäßig ist die erste 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.
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 ersten Spule und des die erste Spule tragenden Fächerblatts in Relation zum Magnetfeld auf einfache Weise möglich.
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 ersten Spule ausgebildet. Die erste 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 ersten 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.
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 ersten Spule zugewandt sind, dass der erste Magnetpol und der vierte Magnetpol der ersten 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.
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 ersten Spule positionieren. Der Fächer lässt sich dann als fertiges Bauteil ohne das Erfordernis einer Justage des Magneten und/oder der Baugruppe aus Fächerblatt und erster Spule schnell und einfach installieren.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Spule im Inneren des Fächerblatts aufgenommen ist, so dass alle Leiterschleifen der ersten Spule vollständig von Material des Fächerblatts umschlossen sind. Dadurch werden Ausfallursachen wie beispielsweise ein Kabelbruch der Spule minimiert. Die Baugruppe aus Fächerblatt und erster 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 erste Spule angeordnet ist. Zusätzlich ermöglicht dies eine einfache, automatisierte Herstellung der Baugruppe. Vorteilhaft ist die erste Spule in eine das Fächerblatt bildende flexible Leiterplatte integriert.
Bei der Lösung der Aufgabe mit einem Fächer gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, dass der Fächer eine mit der ersten Spule elektrisch verbundene Spannungsquelle und eine Steuereinheit zur Steuerung der Spannungsquelle umfasst. Die Steuereinheit steuert die Spannungsquelle derart, dass an der ersten Spule eine Quellenwechselspannung anliegt. Der Fächer umfasst eine mit der Steuereinheit verbundene Messvorrichtung. Die Steuereinheit ist so ausgelegt, dass sie die Spannungsquelle so steuert, dass die Frequenz der Quellenwechselspannung variiert wird, dass sie währenddessen ein in von der Messvorrichtung ermitteltes Signal erhält, und dass sie aus dem Einfluss der in der ersten Spule durch die Wechselwirkung zwischen der ersten Spule und dem mindestens einen Magneten induzierten Induktionsspannung auf das Signal die Resonanzfrequenz des Fächers bestimmt. Dadurch kann die Resonanzfrequenz auf einfache Weise ermittelt werden. Die Masse der schwingenden Baugruppe muss dabei nicht beeinflusst werden. Auch eine Anpassung an geänderte Betriebsbedingungen, die Einfluss auf die Resonanzfrequenz haben, ist während des Betriebs möglich. Beispielsweise kann bei einer Temperaturänderung die Resonanzfrequenz neu bestimmt werden. Auch eine permanente Überwachung der Lage der Resonanzfrequenz ist möglich.
Vorteilhaft ist das von der Messvorrichtung ermittelte Signal das Spulenwechselspannungssignal der ersten Spule oder das Spulenwechselstromsignal der ersten Spule.
Insbesondere steuert die Steuereinheit die Spannungsquelle so, dass das Fächerblatt des Fächers in Resonanz schwingt.
Zweckmäßig trägt das Fächerblatt die erste Spule. Dadurch wird die Induktionsspannung aufgrund der Bewegung der ersten Spule im Magnetfeld des mindestens einen Magneten in der ersten Spule induziert.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fächer gemäß

- einer ersten Variante so ausgelegt ist, dass die Steuereinheit die Frequenz der Quellenwechselspannung bei konstantem Effektivwert der Quellenwechselspannung variiert und mittels der Messvorrichtung ein bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung lokales Minimum für den Effektivwert des durch die erste Spule fließenden Spulenwechselstroms ermittelt,

- einer zweiten Variante so ausgelegt ist, dass die Steuereinheit die Frequenz und die Amplitude der Quellenwechselspannung bei konstantem Effektivwert des durch die erste Spule fließenden Spulenwechselstroms variiert und die Steuereinheit mittels der Messvorrichtung ein bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung lokales Maximum für den Effektivwert der an der ersten Spule anliegenden Quellenwechselspannung ermittelt.

- der ersten Variante die Frequenz der Quellenwechselspannung so einstellt, dass bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung für den Effektivwert des durch die erste Spule fließenden Spulenwechselstroms ein lokales Minimum vorliegt

- der zweiten Variante die Frequenz und die Amplitude der Quellenwechselspannung so einstellt, dass bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung ein lokales Maximum für den Effektivwert der Spulenwechselspannung vorliegt.

Dadurch wird die Frequenz der an der ersten Spule anliegenden Quellenwechselspannung so eingestellt, 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.
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 Magnetfeld 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,
6 ein Diagramm, das den Effektivwert des durch die erste Spule fließenden Spulenwechselstroms in Abhängigkeit der Frequenz der Quellenwechselspannung bei konstantem Effektivwert der Quellenwechselspannung zeigt,
7 ein Diagramm, das den Effektivwert der an der ersten Spule anliegenden Quellenwechselspannung in Abhängigkeit der Frequenz der Quellenwechselspannung bei konstantem Effektivwert des durch die erste Spule fließenden Spulenwechselstroms zeigt und
8 eine schematische Draufsicht von oben auf eine alternative Ausführungsform eines Fächers mit einer ersten und einer zweiten Spule.

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.
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. Der Fächer 1 umfasst eine erste Spule 6. Sowohl der erste Magnet 3 als auch der zweite Magnet 13 sind getrennt von der ersten 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“.
Der Fächer 1 weist ein Fächerblatt 4 auf. Weiterhin umfasst der Fächer 1 eine Haltevorrichtung 5 zur Halterung des Fächerblatts 4 und die getrennt vom mindestens einen Magneten 3, 13 ausgebildete erste Spule 6. Das Fächerblatt 4 ist zwischen dem ersten Magnet 3 und dem zweiten Magnet 13 angeordnet.
Das Fächerblatt 4 trägt die erste Spule 6. Die erste Spule 6 ist auf dem Fächerblatt 4 befestigt. Hierzu dient eine Klebeverbindung. Die erste Spule 6 liegt über die Klebeverbindung am Fächerblatt 4 an. Die erste Spule 6 ist derart mit dem Fächerblatt 4 verbunden, dass bei einer Bewegung der ersten Spule 6 das Fächerblatt 4 mitbewegt wird. Die erste Spule 6 liegt flach auf dem Fächerblatt 4 auf. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spule in das Fächerblatt eingebettet ist. Die erste Spule 6 umfasst mindestens eine Leiterschleife 9. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Spule 6 eine bis zehn Leiterschleifen 9 umfasst. Im Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst die erste Spule 6 zehn Leiterschleifen 9. Die erste Spule 6 ist in einem kreisringförmigen Bereich 10 des Fächerblatts 4 angeordnet. Die Leiterschleifen 9 sind annährend kreisförmig. Die erste Spule 6 ist zwischen dem ersten Magneten 3 und dem zweiten Magneten 13 angeordnet.
Enden 28 und 29 der ersten Spule 6 sind jeweils über Kontaktleitungen 18 und 19 mit einer Spannungsquelle 24 zu einem Stromkreis 7 verbunden. Das erste Ende 28 der ersten Spule 6 ist über eine erste Kontaktleitung 18 mit der Spannungsquelle 24 verbunden. Das zweite Ende 29 ist über eine zweite Kontaktleitung 19 mit der Spannungsquelle 24 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist die Spannungsquelle 24 ein Transformator der an das Verbundnetz angeschlossen ist. Die Spannungsquelle 24 ist eine Wechselspannungsquelle. Die von der Spannungsquelle 24 erzeugte Spannung wird als Quellenwechselspannung bezeichnet. 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.
Der Fächer 1 umfasst eine Messvorrichtung 53. Die Messvorrichtung 53 misst ein Signal, das von einer in der ersten Spule 6 induzierten Induktionsspannung beeinflusst ist. Im Ausführungsbeispiel nach 1 misst die Messvorrichtung 53 den durch die erste Spule 6 fließenden Strom. Die Messvorrichtung 53 ist ein Strommessgerät. Die Messvorrichtung 53 ist mit der ersten Spule 6 in Reihe geschaltet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung 53 die Spannung zwischen dem ersten Ende 28 der ersten Spule 6 und dem zweiten Ende 29 der ersten Spule 6 misst. Die Spannung zwischen dem ersten Ende 28 der ersten Spule 6 und dem zweiten Ende 29 der ersten Spule 6 wird als Spulenwechselspannung bezeichnet. Falls die Messvorrichtung 53 die Spulenwechselspannung misst, ist die Messvorrichtung 53 parallel zur ersten Spule 6 geschaltet. In diesem Fall ist die Messvorrichtung 53 ein Spannungsmessgerät. Es kann auch vorgesehen sein, dass es sich bei der Messvorrichtung um ein anderes Gerät handelt, dass zu Messung eines Signals geeignet ist, das von der in der ersten Spule 6 induzierten Induktionsspannung beeinflusst ist.
Der Fächer 1 umfasst eine Steuereinheit 2. Die Steuereinheit 2 dient zur Steuerung der Spannungsquelle 24. Die Steuereinheit 2 ist mit der Spannungsquelle 24 verbunden. Die Steuereinheit 2 ist mit der Messvorrichtung 53 verbunden. Die Steuereinheit 2 empfängt von der Messvorrichtung 53 Signale.
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.
Die Kontaktleitungen 18 und 19 verlaufen auf dem Fächerblatt 4 von der ersten 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.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste 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 die erste Spule und die Kontaktleitungen geschützt vor äußeren Einflüssen. Die Bruchgefahr für die erste Spule und die Kontaktleitungen ist minimiert. Dadurch, dass die erste 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 erster Spule kann dabei als flexible Leiterplatte hergestellt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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 ersten 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 ersten 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.
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.
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.
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.
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 ersten Spule 6. Die zumindest eine Leiterschleife 9 der ersten 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 ersten 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.
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 ersten Spule verlaufen. Im Ausführungsbeispiel nach 5 verlaufen die Magnetfeldlinien zumindest quer zu der Leiterschleife 9 der ersten Spule 6.
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.
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 ersten Spule 6 sind innerhalb des kreisringförmigen Bereichs 10 angeordnet.
Der Fächer 1 ist so ausgelegt, dass die erste Spule 6 bei an der ersten Spule 6 angelegter Quellenwechselspannung mit einem in den 3 und 4 dargestellten Gesamtmagnetfeld 26 der Magneten 3 und 13 wechselwirkt. Falls nur ein einziger Magnet vorgesehen ist, wechselwirkt die erste Spule 6 bei an der ersten Spule 6 angelegter Quellenwechselspannung mit dem Magnetfeld 8 des mindestens einen Magneten 3. Durch die Wechselspannung werden in der ersten Spule 6 Elektronen hin- und herbewegt. Bei der Hinbewegung werden die Elektronen in der Leiterschleife 9 der ersten Spule 6 in eine Richtung beschleunigt und bei der Herbewegung werden die Elektronen in der Leiterschleife 9 der ersten Spule 6 in die entgegengesetzte Richtung 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 erste 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 einer ersten Richtung R1 wirkt die Lorentz-Kraft in Form einer ersten Kraft F1 in eine erste Richtung senkrecht zur Ebene E, bei der Herbewegung der Elektronen in einer zweiten Richtung R2 wirkt die Lorentz-Kraft in Form einer zweiten Kraft F2 in eine zweite Richtung senkrecht zur Ebene E, die entgegengesetzt der ersten Richtung 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.
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.
Der Fächer 1 ist ein elektrodynamischer Fächer.
Im Betrieb des Fächers 1 wird die erste Spule 6 mit Quellenwechselspannung einer bestimmten Frequenz angesteuert. Die Frequenz der Quellenwechselspannung und die Auslegung des Fächers 1 sind derart aufeinander abgestimmt, dass eine Baugruppe 20, bestehend aus dem Fächerblatt 4 und der ersten Spule 6 in Resonanz schwingt. Hierbei sind insbesondere die Maße des Fächerblatts 4 und die Masse der Baugruppe 20 und die Frequenz aufeinander abgestimmt.
Bei der Hin- und Herbewegung des Fächerblatts 4 wird eine Induktionsspannung in der ersten Spule 6 erzeugt. Dies geschieht aufgrund der Wechselwirkung der ersten Spule 6 mit dem mindestens einen Magneten 3. Wie in 4 dargestellt, wird das Fächerblatt 4 bei Bewegung der Elektronen in der ersten Spule 6 in die erste Richtung R1 in Richtung der ersten Kraft F1 ausgelenkt. Dadurch werden die Elektronen auch in Richtung der Kraft F1 im Gesamtmagnetfeld 26 bewegt. Dadurch werden die Elektronen auch in Richtung der Kraft F1 im Magnetfeld 8 des mindestens einen Magneten 3 bewegt. Gemäß der Lenz'schen Regel wirkt die Induktionsspannung ihrer Ursache entgegen. Die Ursache für die Entstehung der in der ersten Spule 6 induzierten Induktionsspannung ist die Bewegung der Elektronen in der ersten Spule 6 aufgrund der Quellenwechselspannung. Dementsprechend ist die Induktionsspannung der Quellenwechselspannung entgegengerichtet. Mikroskopisch gesehen wirkt auf ein in Richtung der Kraft F1 beschleunigtes Elektron aufgrund der Wechselwirkung mit dem senkrecht zur Leiterschleife 9 verlaufenden Gesamtmagnetfeld 26 bzw. des Magnetfelds 8 eine Lorentz-Kraft in Richtung entgegen der ersten Richtung R1, in die das Elektron ursprünglich durch die Quellenwechselspannung bewegt wurde.
Die Induktionsspannung kann genutzt werden, um die Resonanzfrequenz des Fächers 1 zu ermitteln. Wenn der Fächer 1 in Resonanz betrieben wird, ist die maximale Auslenkung des Fächerblatts 4 maximal. Bei Anordnung der ersten Spule 6 auf dem Fächerblatt 6 - wie in den Ausführungsbeispielen - legen die Elektronen von einem Auslenkungsextremum des Fächerblatts 4 zum anderen bei Betrieb in Resonanz die größte Strecke zurück. Deshalb ist auch ihre Geschwindigkeit in Auslenkungsrichtung (in 4 in Richtung der ersten Kraft F1 oder der zweiten Kraft F2) sehr groß. Dies führt zu einer sehr großen induzierten Lorentz-Kraft auf die Elektronen. Dadurch liegt in Resonanz ein Maximum für die Induktionsspannung vor. Dies gilt zumindest, so lange lediglich die Frequenz der anregenden Quellenwechselspannung variiert wird und die anderen Parameter unverändert bleiben.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 variiert die Steuereinheit 2 die Frequenz der Quellenwechselspannung und bestimmt dabei aus dem Einfluss der in der ersten Spule 6 aufgrund der Bewegung der ersten Spule 6 im Magnetfeld 8 des mindesten einen Magneten 3 induzierten Induktionsspannung auf ein von der Messvorrichtung 53 ermitteltes Signal die Resonanzfrequenz des Fächers 1.
Der Einfluss der in der ersten Spule 6 induzierten Induktionsspannung schlägt sich in verschiedenen Signalen nieder.
Derartige Signale werden mit der Messvorrichtung 53 gemessen. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass an der ersten Spule 6 die Quellenwechselspannung anliegt. Die Steuereinheit 2 ist so ausgelegt, dass sie die Spannungsquelle 24 so steuert, dass die Frequenz der Quellenwechselspannung variiert wird. Hierbei wird die Frequenz der Quellenwechselspannung kontinuierlich erhöht. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Frequenz der Quellenwechselspannung von einem Maximalwert ausgehend verringert wird. Auch andere Raster für der Frequenzdurchlauf sind denkbar. Während der Variation der Frequenz der Quellenwechselspannung misst die Messvorrichtung 53 ein Signal. Das Messergebnis wird von der Messvorrichtung 53 an die Steuereinheit 2 weitergeleitet. Aus dem Einfluss der in der ersten Spule 6 induzierten Induktionsspannung auf das Signal bestimmt die Steuereinheit die Resonanzfrequenz des Fächers 1. Die Induktionsspannung wird in der ersten Spule 6 durch die Wechselwirkung zwischen der ersten Spule 6 und dem mindestens einen Magneten 3 induziert.
Das von der Messvorrichtung 53 gemessene Signal kann die Spannung der ersten Spule 6 sein. Die zwischen dem erste Ende 18 der ersten Spule 6 und dem zweiten Ende 19 der ersten Spule 6 gemessene Spannung wird als Spulenwechselspannung bezeichnet. Für die Spulenwechselspannung wird das Formelzeichen U_Sp verwendet. Für die Quellenwechselspannung, die von der Spannungsquelle 24 erzeugt wird, wird das Formelzeichen U_Qu verwendet. Für die in der ersten Spule 6 induzierte Induktionsspannung wird das Formelzeichen U_ind verwendet. Es gilt folgender Zusammenhang: $U_{Sp} = U_{Qu} - U_{ind} = I_{Sp} \cdot R$
Die Induktionsspannung Uind hat demnach einen unmittelbaren Einfluss auf die Spulenwechselspannung U_Sp. Der durch die erste Spule 6 fließende Strom wird als Spulenwechselstrom bezeichnet. Für den Spulenwechselstrom wird das Formelzeichen I_Sp verwendet. Für den Gesamtwiderstand des gesamten Stromkreises 7 wird der Formelbuchstabe R verwendet.
Wenn die Messvorrichtung 6 die Spulenwechselspannung U_Sp misst, kann die Steuereinheit aus der Differenz der Quellenwechselspannung U_Qu und der Spulenwechselspannung Usp die Induktionsspannung U_ind bestimmen. Bei der Variation der Frequenz der Quellenwechselspannung ist der Wert mit der größten Induktionsspannung U_ind der Resonanzfrequenz des Fächers 1 zugeordnet. Aus diesem Zusammenhang kann die Resonanzfrequenz bestimmt werden.
Die Resonanzfrequenz kann durch die Steuereinheit 2 auch 2 aus einem Maximum der Spulenwechselspannung U_Sp bezüglich der Variation der Frequenz der Quellenwechselspannung U_Qu ermittelt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 2 aus einem Minimum der Spulenwechselspannung U_Sp bezüglich der Variation der Frequenz der Quellenwechselspannung U_Qu auf die Resonanzfrequenz schließt.
Die Spulenwechselspannung U_Sp besitzt einen Effektivwert. Der Effektivwert wird auch als quadratischer Mittelwert der Spulenwechselspannung U_Sp bezeichnet. Der Effektivwert der Spulenwechselspannung U_Sp ist so groß wie derjenige Wert einer Gleichgröße, die an einem ohmschen Verbraucher in einer repräsentativen Zeitspanne dieselbe elektrische Energie umsetzt wie die Spulenwechselspannung U_Sp. Zur Berechnung des Effektivwerts der Spulenwechselspannung wird der zeitliche Mittelwert des Quadrats der Spulenwechselspannung U_Sp berechnet und hieraus die Quadratwurzel gezogen. In analoger Weise können Effektivwerte für die Quellenwechselspannung U_Qu und die Induktionsspannung U_ind berechnet werden. Es gilt: $U_{eff,Sp} = U_{eff,Qu} - U_{eff,ind} = I_{eff,Sp} \cdot R,$
wobei U_eff,Sp den Spulenwechselspannungseffektivwert, U_eff,Qu den Quellenwechselspannungseffektivwert, U_eff,ind den Induktionsspannungseffektivwert und I_eff,Sp den Spulenwechselstromeffektivwert bezeichnet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung 53 die Spulenwechselspannung U_Sp über mindesten eine Periodendauer misst. Hieraus kann die Steuereinheit 2 den Spulenwechselspannungseffektivwert U_eff,Sp berechnen. Ein Minimum der Spulenwechselspannungseffektivwerte U_eff,Sp bezüglich der Variation der Frequenz der Quellenwechselspannung U_Qu ist mit einer Resonanzfrequenz des Fächers 1 verbunden. Die Frequenz der Quellenwechselspannung U_Qu beim Minimum der Spulenwechselspannungseffektivwerte U_eff,Sp entspricht der Resonanzfrequenz.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 misst die Messvorrichtung 53 den Spulenwechselstrom I_Sp. Die entsprechenden Werte werden an die Steuereinheit 2 übermittelt. Die Steuereinheit 2 bestimmt für jeden Wert der variierten Frequenz der Quellenwechselspannung U_Qu einen Spulenwechselstromeffektivwert I_eff,Sp.
In 6 ist ein Diagramm mit einer Kurve 70 gezeigt. Die Kurve 70 gibt einen gemessenen Zusammenhang zwischen Spulenwechselstromeffektivwerten I_eff,Sp und Frequenzen f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu an. Die Spulenwechselstromeffektivwerte I_eff,Sp sind über Frequenzen f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu aufgetragen. Bei der Messung wurde lediglich die Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu variiert. Die Amplitude der Quellenwechselspannung U_Qu blieb unverändert. Die Amplitude wird auch als Peakwert oder als Spitzenwert bezeichnet. Im Ausführungsbespiel ist die Quellenwechselspannung U_Qu eine Sinusspannung. Es kann aber auch jede andere Art von Wechselspannung vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Fächer 1 mit einer Rechteckspannung betrieben werden. Mit der Amplitude der Quellenwechselspannung U_Qu bleibt auch der Quellenwechselspannungseffektivwert U_eff,Qu unverändert. Die Steuereinheit 2 variiert die Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu bei unverändertem Quellenwechselspannungseffektivwert U_eff,Qu.
Die Kurve 70 in 6 weist lokale Minima 71 und 72 auf. Ein Minimum im Verlauf eine Spulenwechselstromeffektivwert- Quellenwechselspannungsfrequenz-Kurve 70 ist mit einer Resonanzfrequenz verbunden. Der Wert der Quellenwechselspannungsfrequenz am Minimum entspricht dem Wert der Resonanzfrequenz des Fächers 1. Der Fächer 1 im Ausführungsbeispiel besitzt zumindest zwei Resonanzfrequenzen. Eine erste beim lokalen Minimum 71 und eine zweite beim lokalen Minimum 72.
Die Steuereinheit 2 stellt die Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu so ein, dass bezüglich der Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu für den Spulenwechselstromeffektivwert I_eff,Sp das lokale Minimum 72 vorliegt. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass das Fächerblatt 4 des Fächers 1 in Resonanz schwingt. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass die Baugruppe 20 aus Fächerblatt 4 und erster Spule 6 in Resonanz schwingt. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass der Fächer 1 in Resonanz schwingt.
Die Steuereinheit 2, die Messvorrichtung 53 und die Spannungsquelle 24 bilden eine Regeleinheit. In einem Regelungsprozess wird mit einer Startfrequenz der Fächer 1 zum Schwingen angeregt. Hierbei schwingt das Fächerblatt 4 hin und her. Die Signale aus der Messvorrichtung 53 werden dabei detektiert. Die Startfrequenz kann im weiteren Verlauf um das Inkrement 1 Hz, insbesondere um das Inkrement 2 Hz, für Feinabgleiche um das Inkrement 0,1 Hz verändert werden. Dabei werden die Signale aus der Messvorrichtung 53 erneut ermittelt. Durch den Abgleich der Signale aus verschiedenen Messungen kann die Resonanzfrequenz durch finden von Extremwerten, wie zuvor beschrieben, ermittelt werden. Durch die Regelung kann der Fächer 1 autonom in Resonanz betrieben werden.
Äußere Einflüsse auf die Resonanzfrequenz des Fächers wie Temperatur, Alterung, Feuchtigkeit usw. können durch die Regeleinheit ausgeglichen werden. Aufgrund der genannten externen Einflüsse erfolgt in einer beispielhaft vorgesehenen Kontrollschleife eine ständige Überwachung der Betriebsbedingungen. Wird durch die Kontrollschleife eine Veränderung der Resonanzfrequenz festgestellt, beginnt die Suche der Resonanzfrequenz erneut. Durch diese Kontrollschleife wird sichergestellt, dass der Fächer 1 immer in seinem optimalen Betriebspunkt betrieben wird.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das von der Messvorrichtung 53 ermittelte Signal das Spulenwechselspannungssignal U_Sp der ersten Spule 6 ist. Die Messvorrichtung 53 ist dann ein Spannungsmessgerät. In diesem Fall ist die Messvorrichtung 53 parallel zur ersten Spule 6 geschaltet. Die Spannung wird zwischen dem ersten Ende 28 und dem zweiten Ende 29 der ersten Spule 6 abgegriffen.
In 7 ist ein Diagramm mit einer Kurve 80 gezeigt. Die Kurve 80 gibt einen gemessenen Zusammenhang zwischen Quellenwechselspannungseffektivwerten U_eff,Qu und Frequenzen f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu an. Die Quellenwechselspannungseffektivwerten U_eff,Qu sind über Frequenzen f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu aufgetragen. Bei der Messung wurde die Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu variiert. Gleichzeitig wurde die Amplitude der Quellenwechselspannung U_Qu so verändert, dass der Spulenwechselstromeffektivwert I_eff,Sp unverändert blieb. Die Quellenwechselspannung U_Qu wurde demnach immer so nachgeregelt, dass sie betragsmäßig um die in der ersten Spule 6 induzierte Induktionsspannung erhöht wurde. Es gilt: $U_{Qu} = U_{Sp} + U_{ind}$
Damit ist der Spulenwechselspannungseffektivwert U_eff,Sp unabhängig von der Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu konstant gleich groß. Der Spulenwechselstromeffektivwert I_eff,Sp ist unabhängig von der Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu konstant gleich groß. Die Steuereinheit 2 variiert die Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu und die Amplitude der Quellenwechselspannung U_Qu bei unverändertem Spulenwechselstromeffektivwert I_eff,Sp.
Die Kurve 80 in 7 weist lokale Maxima 81 und 82 auf. Ein Maximum im Verlauf der Spulenwechselspannungseffektivwert- Quellenwechselspannungsfrequenz-Kurve 80 ist mit einer Resonanzfrequenz verbunden. Der Wert der Quellenwechselspannungsfrequenz am Maximum entspricht dem Wert der Resonanzfrequenz des Fächers 1. Der Fächer 1 im Ausführungsbeispiel besitzt zumindest zwei Resonanzfrequenzen. Eine erste beim lokalen Maximum 81 und eine zweite beim lokalen Maximum 82.
Die Steuereinheit 2 stellt die Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu so ein, dass bezüglich der Frequenz f_Qu der Quellenwechselspannung U_Qu für den Quellenwechselspannungseffektivwerten U_eff,Qu das lokale Maximum 82 vorliegt. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass das Fächerblatt 4 des Fächers 1 in Resonanz schwingt. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass die Baugruppe 20 aus Fächerblatt 4 und erster Spule 6 in Resonanz schwingt. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass der Fächer 1 in Resonanz schwingt.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Fächer 41, bei dem die Induktionsspannung ebenfalls zur Bestimmung der Resonanzfrequenz genutzt wird. Der Fächer 41 ist nahezu identisch zum Fächer 1 aus 1 aufgebaut. Der Fächer 41 weist zusätzlich eine zweite Spule 66 auf. Anstatt der Messvorrichtung 53 weist der Fächer 41 nach 8 eine Messvorrichtung 63 auf. Ansonsten ist der Fächer 41 identisch zum Fächer 1 aufgebaut. Zu den übrigen Teilen wird auf die Beschreibung des Fächers 1 verwiesen, die auch auf den Fächer 41 zutrifft.
Die zweite Spule 66 ist zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Fächers 1 vorgesehen. Die zweite Spule 66 ist zur Bestimmung der Resonanzfrequenz der Baugruppe 20 aus Fächerblatt 4 und erster Spule 6 vorgesehen. Die zweite Spule 66 ist zur Bestimmung der Resonanzfrequenz einer Baugruppe 60 aus Fächerblatt 4, erster Spule 6 und zweiter Spule 66 vorgesehen.
Das Fächerblatt 4 trägt die zweite Spule 66. Die zweite Spule 66 ist getrennt von der ersten Spule 6 ausgebildet.
Die Messvorrichtung 63 ist ein Spannungsmessgerät. Die Messvorrichtung 63 misst im Betrieb des Fächers 41 unmittelbar die in der zweiten Spule 66 induzierte Induktionsspannung. In der zweiten Spule 66 wird aufgrund der Bewegung der zweiten Spule 66 im Magnetfeld 8 des mindestens einen ersten Magneten 3 die Induktionsspannung induziert. Wie oben erläutert ist der Effektivwert der Induktionsspannung am größten wenn der Fächer 41 in Resonanz schwingt. Die Messergebnisse der Messvorrichtung werden dahingehend in der Steuereinheit 2 ausgewertet, dass bei Variation der Frequenz der Quellenwechselspannung der größte Effektivwert der Induktionsspannung ermittelt wird. Die Frequenz der Quellenwechselspannung, bei der der größte Effektivwert für die Induktionsspannung vorliegt, entspricht der Resonanzfrequenz des Fächers 41. Die Steuereinheit 2 steuert die Spannungsquelle 24 so, dass sie eine Quellenwechselspannung mit einer der Resonanzfrequenz entsprechenden Frequenz erzeugt.
Sowohl bei einer analogen als auch digitalen Ansteuerung des Fächers 1, 41 können zusätzliche Pausenzeiten im Ansteuersignal vorgesehen werden, um die Resonanzfrequenz des Fächers 1, 41 zu finden. Wird die Bestromung der Spule 6 pausiert, so schwingt das Fächerblatt 4 aufgrund der Massenträgheit und der im Fächerblatt 4 gespeicherten elastischen Energie weiter. Da sich die Spule 6, 66 im Magnetfeld befindet, wird aufgrund der Bewegung die Induktionsspannung U_ind in der Spule 6, 66 induziert. Die Induktionsspannung U_ind ist proportional zur Bewegung des Fächerblattes 4 . Die Resonanzen des Fächerblattes 4 äußern sich in lokalen Maxima der bewegungsinduzierten Induktionsspannung U_ind im Verlauf einer Induktionsspannungs-Quellwechselspannungsfrequenz-Kurve. Ebenfalls kann der Stromfluss durch die Spule aufgrund der gegeninduzierten Spannung U_ind in den Pausenzeiten der Ansteuerung ermittelt werden. Die Resonanz äußert sich in betragsmäßigen lokalen Maxima der Spulenwechselstrom-Quellwechselspannungsfrequenz-Kurve.
Die Resonanz des Fächers kann über den Phasenwinkel der ersten Spule 6 zur zweiten Spule 66 bestimmt werden. Der Phasenwinkel von erster Spule 6 und zweiter Spule 66 beträgt bei Resonanz des Fächerblattes 4 0°.
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.
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 ersten 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 Quellenwechselspannung für der Fächer 1 mit zwei Magneten 3 und 13 eine größere Lorentz-Kraft als für den Fächer 51 mit nur einem Magneten 3.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2019075680 A1 [0002]

Claims

Fächer zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils, insbesondere zur Kühlung einer Erregerspule eines linearen Direktantriebs, umfassend: - mindestens einen Magneten (3, 13), - ein Fächerblatt (4), - eine Haltevorrichtung (5) zur Halterung des Fächerblatts (4) und - eine getrennt vom Magneten (3, 13) ausgebildete erste Spule (6) zum Anschluss an einen Stromkreis (7), wobei der Fächer (1, 41) so ausgelegt ist, dass die erste Spule (6) im Betrieb mit einem Magnetfeld (8) des mindestens einen Magneten (3, 13) wechselwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fächer (41) eine zweite Spule (66) zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Fächers (41) umfasst.
Fächer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fächerblatt (4) die erste Spule (6) trägt.
Fächer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fächerblatt (4) und die erste Spule (6) eine Baugruppe (20) bilden, und dass die zweite Spule (66) zur Bestimmung der Resonanzfrequenz der Baugruppe (20) vorgesehen ist.
Fächer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fächerblatt (4) die zweite Spule (66) trägt.
Fächer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (66) getrennt von der ersten Spule (6) ausgebildet ist.
Fächer zur Kühlung eines feinmechanischen Bauteils, insbesondere zur Kühlung einer Erregerspule eines linearen Direktantriebs, umfassend: - mindestens einen Magneten (3, 13), - ein Fächerblatt (4), - eine Haltevorrichtung (5) zur Halterung des Fächerblatts (4), - eine getrennt von dem mindestens einen Magneten (3, 13) ausgebildete erste Spule (6), - eine mit der ersten Spule (6) elektrisch verbundene Spannungsquelle (24) und - eine Steuereinheit (2) zur Steuerung der Spannungsquelle (24), wobei der Fächer (1, 41) so ausgelegt ist, dass die erste Spule (6) im Betrieb mit einem Magnetfeld (8) des mindestens einen Magneten (3, 13) derart wechselwirkt, dass das Fächerblatt (4) hin- und herbewegt wird, wobei die Steuereinheit (2) die Spannungsquelle (24) so steuert, dass an der ersten Spule (6) eine Quellenwechselspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fächer (1, 41) eine mit der Steuereinheit (2) verbundene Messvorrichtung (53) umfasst und dass die Steuereinheit (2) so ausgelegt ist, - dass sie die Spannungsquelle (24) so steuert, dass die Frequenz der Quellenwechselspannung variiert wird, - dass währenddessen ein von der Messvorrichtung (53) ermitteltes Signal in Form eines Messergebnis erhält, und - dass sie aus dem Einfluss der in der ersten Spule (6) durch die Wechselwirkung zwischen der ersten Spule (6) und dem mindestens einen Magneten (3, 13) induzierten Induktionsspannung auf das Signal die Resonanzfrequenz des Fächers (1) bestimmt.
Fächer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Messvorrichtung (53) ermittelte Signal das Spulenwechselspannungssignal der ersten Spule (6) oder das Spulenwechselstromsignal der ersten Spule (6) ist.
Fächer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) die Spannungsquelle (24) so steuert, dass das Fächerblatt (4) des Fächers (1, 41) in Resonanz schwingt.
Fächer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fächerblatt (4) die erste Spule (6) trägt.
Fächer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fächer (1, 41) gemäß - einer ersten Variante so ausgelegt ist, dass die Steuereinheit (2) die Frequenz der Quellenwechselspannung bei konstantem Effektivwert der Quellenwechselspannung variiert und mittels der Messvorrichtung (53) ein bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung lokales Minimum für den Effektivwert des durch die erste Spule (6) fließenden Spulenwechselstroms ermittelt, oder gemäß - einer zweiten Variante so ausgelegt ist, dass die Steuereinheit (2) die Frequenz und die Amplitude der Quellenwechselspannung bei konstantem Effektivwert des durch die erste Spule (6) fließenden Spulenwechselstroms variiert und die Steuereinheit (2) mittels der Messvorrichtung (53) ein bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung lokales Maximum für den Effektivwert der an der ersten Spule (6) anliegenden Quellenwechselspannung ermittelt.
Fächer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) gemäß - der ersten Variante die Frequenz der Quellenwechselspannung so einstellt, dass bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung für den Effektivwert des durch die erste Spule (6) fließenden Spulenwechselstroms ein lokales Minimum vorliegt oder gemäß - der zweiten Variante die Frequenz und die Amplitude der Quellenwechselspannung so einstellt, dass bezüglich der Frequenz der Quellenwechselspannung ein lokales Maximum für den Effektivwert der Spulenwechselspannung vorliegt.