DE2718428A1

DE2718428A1 - Kompakt-kleinstluefter

Info

Publication number: DE2718428A1
Application number: DE19772718428
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Dr Ing Mueller; Guenter Wrobel
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1976-04-27
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1977-11-10
Also published as: DE2718428C2; CH612736A5; US4164690A

Description

Papst-Motoren KG 25.4.1977

7742 St.George/Schwarzw. a 27 1 8Λ2Φ ⁵'^HDP/schl Bundesrepublik Deutschland · ** ' ^IW ^ OT"43o

Kompakt - Kl ei nstl Lifter

Die Erfindung betrifft einen Kompakt-Klei ns ti Ufter mit einem von einem koaxialen Elektromotor angetriebenen Radi al 1üfterrad, das von einem Luftführungs gehäuse quaderfö'rmi ger Gestalt umgeben ist, in dessen eine Stirnseite die Luft ein- und austritt aus wenigstens einer der Seitenflächen. Sie betrifft insbesondere einen solchen Lüfter hoher Drehzahl, wobei unter hohen Drehzahlen solche verstanden werden sollen, die über 35oo U/min, liegen. Lüfter kleinerer Baugröße werden heute vor allem in elektronischen Geräten in großen Stückzahlen zur Kühlung der elektronischen Bauelemente verwendet. Durch die Fortschritte der Elektronik sind die Geräte oft sehr klein geworden, doch hat es sich gezeigt, daß bei den Lüftern mit den herkömmlichen Mitteln eine Verkleinerung über ein bestimmtes Maß hinaus nicht ohne weiteres möglich ist. Dies ist bei manchen Anwendungen störend, z.B. in der Flugzeugelektronik, wo es auf eine sehr dichte Packung der Bauelemente ankommt, oder bei tragbaren Geräten, z.B. Meßgeräten, Funkgeräten oder dergleichen. Bei den letztgenannten Geräten kommt hinzu, daß der Leistungsbedarf der u.a. aus Batterien betriebenen Lüfter möglichst klein sein soll, das heißt, für solche Anwendungen können die üblichen Lüfter mit ihren schlechten Wirkungsgraden (Io bis 15 %) gewöhnlich nicht angewendet werden. Wo es auf den. Wirkungsgrad nicht ankam, hat man beim Einsatz bekannter, gattungsgemäßer Lüfter zur Speisung mit Mittelfrequenz (4oo Hz) gegriffen.

Eine Aufgabe der Erfindung wird also darin gesehen, einen kompakten Lüfter mit guter Luftleistung unter Vermeidung dieser Nachteile zu schaffen.

Erreicht wird dies nach der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Bei einer solchen Konstruktion dient der magnetische Rückschluß des Motors gleichzeitig als Verstärkung des Motorgehäuses, ist also in die Lüfterkonstruktion tragend einbezogen. Der Flachmotor scheibenartiger Gestalt ergibt trotz seiner

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nen Dimensionen ein gutes Drehmoment, einen relativ schnellen Hochlauf und ermöglicht einen relativ großen Lufteintrittsquerschnitt und eine einfache Anordnung der Schaufeln des Radiallüfters im LUftergehäuse, insbesondere bei extrem flachen und kompakten Lüftern, Er ist auch wirtschaftlich günstig herstellbar.

Wartungsfrei und weniger Funkstörungen verursachend sind solche Flachmotoren als kollektorlose Gleichstrommotoren. Letztere haben, insbesondere wenn sie nach der Lehre der Offenlegungs■ schrift 2 225 442 aufgebaut sind, auch bei kleinen Leistungen einen sehr beachtlichen Wirkungsgrad, z.B. bis zu 6o% bei einem 3 Watt-Motor und sie ermöglichen dank der hohen, mit ihnen möglichen Drehzahlen, auch bei kleinen Lüftergrößen, eine beachtlich große Luftleistung. Da man bei dieser Drehzahl nach oben praktisch nur durch das Lüftergeräusch begrenzt ist, kann man z. B. bei Flugzeugen, wo die Geräuschentwicklung wenig oder gar keine Rolle spielt, mit recht hohen Drehzahlen arbeiten. Ein weiterer Vorteil von Gleichstrommotoren ist, daß sie optimal an die Betriebsspannungen elektronischer Geräte anpaßbar sind und z.B. bei einer Spannung von 12 Volt einen besonders guten Wir-: kungsgrad erreichen. Auch ist ihre Drehzahl und damit ihre Lüfterleistung in sehr einfacher Weise durch Verändern ihrer Betriebsspannung in weiten Grenzen veränderbar, so daß mit einer einzigen Lüftergröße verschiedenartige Anwendungsfälle überdeckt werden können, also die Lagerhaltung beim Hersteller und beim Kunden stark reduziert wird.

Auch Batteriebetrieb ist ausgezeichnet möglich, z.B. in Klimaanlagen von Omnibussen oder in Reisezugwagen, ohne daß bei Stillstand des Fahrzeugs eine rasche Erschöpfung der Batterie befürchtet werden müsste.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel, sowie aus den Unteransprüchen.

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Es zeigt:

Fig. 1 eine erste raumbi1 dliehe Darstellung eines erfindungsgemäßen Radi allüfters in vergrößertem Maßstab, wobei zur Verdeutlichung der Dimensionen Maßeinheiten in Breiten- und Höhenrichtung angegeben sind.

Fig. 2 Eine zweite, etwas andere raumbildliche Darstellung des Radi allüfters der Fig. 1 mit gestrichelt angedeuteter Befestigungsvariante,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Radiallüfter der Fig. 1 und 2, gesehen längs der Linie III - III der Fig. 4,

Fig. 4 eine teilweise weggebrochene dargestellte Draufsicht von oben auf den Radiallüfter nach den Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 einen Schnitt, gesehen längs der Linie V-V der Fig. 3, wobei einige Einzelheiten der Wellenlagerung nicht dargestellt sind,

Fig. 6 eine Schaltung zum Betrieb des Radiallüfters nach den Fig. Ibis 5, und

Fig. 7 S'chaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen in vergrößertem Maßstab klar den konstruktiven Aufbau des Radial 1üfters lo. Dieser hat eine als Formstück aus Ku-nststoff, z.B. glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), ausgebildete Basisplatte 11, auf der mittels drei Schrauben 12 ein vorzugsweise ebenfalls aus GFK bestehendes Gehäuseoberteil 13 befestigt ist, däsan seiner Oberseite eine kreisrunde Lufteintrittsöffnung 14 und an einer vorderen Seitenwand 15 eine rechteckförmige Luftaustrittsöffnung 16 aufweist, welche z.B. beim Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 1 zur Erläuterung dargestellt, die Maße 17 χ 38 aufweist. Insgesamt ist der dargestellte Radiallüfter Io nur etwa 23 mm hoch und hat Grundrißmaße von 73 χ 73 mm, ist also extrem flach und kompakt und hat ein Volumen von weniger als 125 cm . Wie insbesondere Fig. 3 klar zeigt, ist das Gehäuseoberteil 13 luftdicht auf die Basisplatte 11 aufgesetzt und die Basisplatte hat, wie in Fig. 4 dargestellt, äußere Vertiefungen 2o zur

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Aufnahme der Seitenwände des Oberteils 13 und eine innere spiralförmige Vertiefung 21 zur Aufnahme einer spiralförmigen, am Oberteil 13 vorgesehenen Luftleitwand 22, welche rechts bei 18 in den hintersten Abschnitt der rechten Außenwand 19 übergeht.

Zur Befestigung des Radi al 1Ufters Io dienen Löcher 17 an zwei diametral gegenüberliegenden Ecken der Basisplatte 11, wobei die äußere Wand des Oberteils 13 an diesen Stellen, wie dargestellt, zurückgesetzt ist.

Die Fig. 2 deutet gestrichelt eine Variante im Sinne universeller Einbaubarkeit an. Die das Gehäuseteil 13 überragenden läppenartigen Ansätze 114 der Grundplatte 11 weisen Befestigungslöcher 17 auf, welche auf der zur Geraden 33 gem. Fig. 4 senkrechten Diagonalen 133 liegen. Die Deckfläche 111 des Gehäuseoberteils 13 zeigt nun in Fig. 2 gestrichelt ebensolche lappenartige Ansätze 115 mit Befestigungslöchern 117 auf der gleichen Diagonale 133. Durch die Ansätze 115 kann der Kompaktlüfter z.B. an eine Gehäusewand, aus welcher der Lüfter Luft her·-, aussaugen soll, direkt angeflanscht werden.

In den Hohlräumen 23, 24 zwischen den Vertiefungen 2o und 21 sind die · elektronischen Schaltelemente des Motors angeordnet, wenn dieser nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung als kollektorloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Vom Hohlraum 23 führt ein Anschlußkabel 124 nach außen.

Der in Fig. Ά gestrichelt eingezeichnete, alternativ zu 46 vorgesehene Hallgenerator 146 liegt mit seiner sensitiven Fläche neben, parallel und bündig mit der Spule 28 am Luftspalt im Randbereich 45, 47 des Magneten 3o. Diese Weiterbildung gegenüber der hierzu senkrechten Position des Hai 1 generators 46 erlaubt, den Hallgenerator 146 fertigungsgünstig in eine in der gleichen Ebene liegende gedruckte Schaltung einzubeziehen, welche durch punktiert gezeichnete Elektronikelemente ebenfalls angedeutet ist. Diese letzteren sind die überwiegend Wärme erzeugenden, welche außerdem dadurch gekühlt im Bereich der Lüfterströmung liegen.

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Seine flache Form erhält der Lüfter Io durch den Aufbau des ihn antreibenden Motors, der als Flachmotor 25 ausgebildet ist. Der magnetische Rückschluß des Motors 25 ist in Form von konzentrischen Ringen 26 aus Weicheisen ausgebildet, welche vorteilhafterweise gegeneinander isoliert sind und welche in der Basisplatte 11 in der dargestellten Weise in einer Vertiefung befestigt sind, z.B. direkt beim Spritzen (Formen) der Basisplatte Wenn die Basisplatte 11 im automatischen Spritzzyklus hergestellt wird, können die Ringe 26 mittels Kleber oder Ultraschall in die gespritzte Basisplatte fertigungswirtschaftlicher eingebracht werden, als wenn sie mit eingespritzt würden. Die Ringe 26 sind z.B. jeweils ca. 1 mm dick und liegen etwa nach Art der früher bei Kochherden üblichen Ringe ineinander. Naturgemäß ist auch eine andere Unterteilung des magnetischen Rückschlusses möglich, z.B. durch radiale Schlitze.

Besonders vorteilhaft, vor allem für hohe Drehzahlen, sind geradlinige oder leicht gekrümmte Einschnitte, die unter einem Winkel von 2o bis 7o° , z.B. 3o° zur Tangente an den Außenumfang des Rückschlußringes vom Berührpunkt dieser Tangente jeweils weg verlaufen, dabei mindestens die Länge der Polteilung (in Umfangsrichtung) haben und mindestens so dicht auf den Umfang verteilt sind, daß jeder denkbare Radial schnitt mindestens ein bis zwei solcher Einschnitte kreuzt. Eine radiale Unterteilung des Rückschlußringes ist dann unnötig. Die Steifigkeit eines derart gestalteten Rückschlußringes ist eventuell geringer, seine Effektivität zur Unterdrückung der Wirbelströme aber noch größer. Diese kann weiter gesteigert werden, wenn der Rückschlußring mit angebrachten Einschnitten, deren Schnittfläche aus der Blechebene noch herausstehen, durch Bondern beispielsweise einen isolierenden Phosphatüberzug erhält und anschließend der Ring vor Einspritzen ins Lüftergehäuse eben gewalzt wird. Die Wirbelströme sind durch diese Maßnahme kräftig gedämpft.

Ein isolierender Oberzug ist auf den zuerst erwähnten radial unterteilten, steiferen Rückschlußringen 26 günstig, welche als Bewehrung der Platte 11 diese besonders gut versteifen.

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Direkt über den Ringen 26 sind die beiden Spulen 27 und 28 des Stators befestigt, z.B. durch Aufkleben. Diese Spulen können z.B. ebenfalls jeweils eine Höhe von 1 mm haben, damit sich ein kleiner, magnetisch wirksamer Luftspalt 29 von z.B. ca. 2 mm zwischen dem Rotormagneten 3o und den Rückschlußringen 26 ergibt. Die Rückschlußringe 26 und der als axial polarisierter 4poliger Ringmagnet ausgebildete Rotormagnet 3o haben etwa dieselbe Grundrißform und überdecken sich gegenseitig, wie das Fig. 3 klar zeigt.

Die Spulen 27 und 28 haben, wie dargestellt, ihre Mittelpunkte jeweils auf einer Geraden 33, par ^a^ 1^e^ zurlängeren der beiden Gehäusediagonalen. Sie haben im Grundriß etwa die Form einer Sportarena und ihre Längsachse steht jeweils senkrecht auf der Geraden 33. ihre magnetisch-aktiven Abschnitte liegen beim Ausführungsbeispiel jeweils etwa 14o° el. voneinander entfernt. Sie sind beide zweidrähtig gewickelt und gleichsinnig miteinander verbunden. Vom Anschluß A (Fig.5) der Spule 28 führt also ein Draht durch diese und durch die Spule 27 zum dortigen Anschluß E, und dasselbe gilt für die Anschlüsse A¹ und E¹. Wird z.B. eine Gleichspannung zwischen A und E angelegt, so erzeugen beide Spulen ein gleich starkes Magnetfeld mit derselben Richtung, z.B. in beiden Fällen oben einen Nordpol. Analoges gilt beim Anlegen einer Gleichspannung zwischen A¹ und E'.

Oberhalb der beiden Spulen ist an einem zentralen Vorsprung 35 der Basisplatte 11, in welchem ein Lagertragrohr 36 zur Aufnahme der Rotorwelle 37 befestigt ist, ein etwa quadratisches, mit abgerundeten Ecken versehenes Weicheisenstück 38 axial und radial innerhalb des Magnetringes 3o festgeklebt, welches aus der DT-OS 2 535 41l(ir-43^) an sich bekannt ist und worauf zur Vermeidung unnötiger Längen ausdrücklich Bezug genommen sei, wobei seine Diagonale 39 mit der Diagonalen 33 einen Winkel^einschließt.

Das Weicheisenstück 38 arbeitet mit dem Streufluß am Innenumfang 4o zusammen, um beim Betrieb des Motors ein Reluktanzmoment zu erzeugen, dessen antreibende Komponenten in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmomentes wirksam sind, wie das u.a. Gegen-

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stand der DT-OS 2 225 442 ist. Die Drehrichtung des Flachmotors 25 ist mit 43 bezeichnet. Für eine vereinfachte und preiswerte Ausführung wird der stehende Rückschluß 26 so ausgebildet, daß er in Zusammenwirken mit dem Rotormagneten 3o das gewünschte Reluktanzmoment erzeugt, z.B. durch V-förmige Ausschnitte am Außenumfang des stehenden Rückschlußeisens im Abstand der Polteilung, und das weich-ferromagnetische Formstück 38 könnte dann entfallen. Der Rückschlußring kann dann in der entsprechenden Form billig als Stanzteil ausgebildet sein.

Bei dieser Ausführung ist aber das Nutzmoment eventuell reduziert, denn der Rückschlußquerschnitt ist geschwächt.

Der Magnetring 3o hat eine trapezförmige Magnetisierung, wie sie in F i g u r 7A schematisch mit B . bezeichnet ist. Seine PoI-lücken 44 . diese sind auf dem Ring 3o nicht sichtbar, sondern nur Lücken seiner Magnetisierung - sind von innen nach außen entgegen der Drehrichtung gekrümmt, wie das ebenfalls Gegenstand der DT-OS .2 225 44Z ist, auf deren Inhalt zur Vermeidung ¹I von Längen ausdrücklich Bezug genommen wird.

Um die äußeren Enden der Pollücken 44 herum hat der Außenumfang 45 des Magnetrings 3o jeweils in einem Winkelbereich von etwa 5o bis loo° el., beim Ausführungsbeispiel etwa 8o° el., vier Ausnehmungen in Form von Abflachungen 47, deren Funktion mit der der vorerwähnten V-förmigen Ausschnitte zur Erzeugung des Reluktanzhilfsmomentes nicht verwechselt werden darf. Diesen Abflachungen gegenüber ist auf der Basisplatte 11 ein galvanomagnetischer Sensor 46 angeordnet, der beim Ausführungsbeispiel im Streufluß des Rotormagneten liegt und als Hall-IC ausgebildet ist, z.B. vom Typ Honeywell 63 SS 2 C.

Dieser Hall-IC 46 wird gesteuert vom Streufluß Β_ς. (Fig· 7 A) am Außenumfang 45 und dank der Abflachungen 47, von denen eine auch in Fig. 1 sichtbar ist, hat dieser Streufluß relativ große Lücken Q, welche wesentlich breiter sind als die schmalen Pollücken P des Nutzflusses im Luftspalt 29. Durch diese einfache Maßnahme _t wenn der Magentring 3o z.B. aus einer Mischung von Hartferriten und Gummi oder dergleichen besteht, also einem sogenannten Gummimagneten, so kann man ihn in seiner Gesamtheit einfach

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- hier jedoch zur Erzeugung eines gewünschten Verlaufs der Hallspannung - in der endgültigen Form ausstanzen - und braucht bei der Magnetisierung praktisch keine Rücksicht mehr auf die Form dieser Ausgangsspannung Um des Hall-IC 46 zu nehmen, da sich u,. (diese Spannung ist Βς. praktisch proportional) in sehr einfacher Weise durch Ändern der Abflachungen 47 modifizieren läßt.

Die Welle 37 ist mittels zwei Kugellagern 5o (oben) und 51 (unten) im Tragrohr 36 gelagert. 5o liegt mit dem Außenring gegen einen Sprengring 52 an, der im Tragrohr 36 befestigt ist. Der Innenring von 51 liegt gegen einen Sprengring 53 auf der Welle 37 an, wodurch die am Sprengring 52 abgestützte Feder 54 einen Ring 55 gegen den Außenring von 51 preßt und diesen dadurch axial gegen den Innenring verspannt. Durch den magnetischen Axialzug im Luftspalt wird der Innen-und Außenlaufring auch des Kugellagers 5o axial zueinander verspannt, so, daß beide Lager ohne Spiel laufen, was für Laufruhe und Lebensdauer bei hohen Drehzahlen sehr wichtig ist.

Am oberen Ende von 37 ist eine Buchse 57 befestigt ,. und an dieser ist ein tiefgezogenes, hutförmiges Formstück 58 befestigt, welches das Tragrohr 36 mit geringem Abstand umgibt und auf dessen flachem, der Hutkrempe entsprechendem Teil 59 an der Unterseite der Ringmagnet 3o festgeklebt und an der Oberseite ein Formstück 6o befestigt ist, z.B. durch Nieten; am Umfang des Formstücks 6o sind 16 Radi allüfterschaufeln 63 angebracht, deren Form aus den Figuren 1 und 2 klar hervorgeht.

Dadurch, daß der dem Oberteil des Hutes entsprechende Abschnitt des Formstücks 58 das Lagerrohr 36 eng umgibt, erhält man einen großen Lufteintrittquerschnitt und gleichzeitig eine ausgezeichnete, sehr stabile Lagerung des Lüfterrades 6o, so daß die Luft (Pfeil 64 in Fig. 3) gut in den Lüfter einströmen kann und sich auf der Einströmseite geringe Luftwiderstände ergeben. Ferner steht trotz der geringen Gesamthöhe des Radi al 1üfters Io für die Schaufel 63 doch eine beträchtliche Bauhöhe zur Verfügung und naturgemäß könnte man durch Vergrößerung der Höhe des Lüfters diese Schaufelhöhe ohne weiteres kräftig erhöhen, woraus sich ergibt, daß die Raumausnutzung bei Verlängerung der Schaufel, z.B. auf die doppelte Dicke des Gehäusequaders, sich drastisch erhöht und ein solcher Lüfter im Zusammenhang mit dem erfindungsbedingten großen

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Eintrittsquerschnitt strömungsmäßig günstig gestaltbar ist.

Für würfelförmige und ähnliche Kompakt-Kleinstlüfter ist deshalb die Erfindung zusätzlich vorteilhaft, vorausgesetzt natürlich, daß Radial 1üfterräder verwendet werden, denn sie gewähren ein kleines Verhältnis d/e und bei Verlängerung der axialen Schaufeldimension a zu kubischer Lüfterform hin wird das Verhältnis a/h größer (und besser). Die Kombination von minimalen d/e und maximalem a/h ergibt optimal für die Strömung ausgenutztes Lüftergehäusevolumen (a, d, e, h/s.Fig.3). h ist die axiale, g die dem Durchmesser des Lüfterrades entsprechende Abmessung des Gehäuses; a ist die axiale wirksame Schaufel 1änge.

Auch der Luftaustrittsquerschnitt, also die öffnung 16 gem.Fig.1 und 2, ist ersichtlich groß, a/h d.h. trotz der kleinen Abmessungen des Radi al 1üfters Io (wie dargestellt) erhält man in seinem Nutzdrehzahlbereich (rund 3ooo bis 7ooo U/min.) eine sehr gute Luftleistung bei kleiner Leistungsaufnahme (ca. 3 Watt bei 45oo U/min.).

Fig. 6 zeigt zur besseren Erläuterung der mit den Abflachungen verfolgten Ziele eine Schaltung zur Steuerung des Stromes in den Motorwicklungen. Diese sind in Fig. 6 durch die Buchstaben A, A' und E, E¹ genau wie in Fig. 5 gekennzeichnet. Es könnten naturgemäß auch die Schaltungen nach der DT-OS 2 419 432 verwendet werden, wobei insbesondere auch auf die blockiersicheren Schaltungen nach beiden Offenlegungsschriften hinzuweisen ist, denn diese blockiersicheren Schaltungen sind bei Lüftern besonders vorteilhaft. Die Schaltung nach Fig.6 ist Gegenstand der OS 2 555 o55.

Gemäß Fig. 6 ist der eine Stromanschluß des Hall-IC 46 über einen Widerstand 65 mit einer Minusleitung 66, der andere direkt mit einer Plusleitung 67 verbunden. Sein linker Ausgang führt direkt ^₃ zur Basis eines pnp-Transistors und - über einen Widerstand 69 ° zum Emitter eines pnp-Transistors 7o. Der rechte Ausgang von 46 oo führt zur Basis von 7o und - über einen Widerstand 73 - zum cn Emitter von 68. 69 und 73 sind Gegenkopplungswiderstände von z.B. _o je looo Ohm und dienen dazu, die Motorströme jeweils etwa zu ^ω einem Bild des Verlaufs von u_u oberhalb bzw. unterhalb eines in

CTl π

«> Fig. 7 A mit + u bzw. - u bezeichneten Schwellenwert zu machen. Der Kollektor von 68 führt zur Basis eines npn-Leistungstransistors 74, der Kollektor von 4o zur Basis eines npn Leistungstransistors 75. -lo-

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Zwischen den Kollektoren von 74 bzw. 75 und der Plusleitung 67 liegen die beiden Motorwicklungen 76 bzw. 77, deren Wickelsinn durch die großen Buchstaben klar gekennzeichnet ist.

Wenn im Betrieb der IC 46 eine Pollücke 44 oder der sie umgebende Bereich einer Abflachung 47 gegenübersteht, haben sein linker und rechter Ausgang etwa dasselbe Potential und 68 und 7o sind beide nicht leitend, ebenso 74 und 75. Wenn sich dann ein Ende einer Abflachung 46 nähert, so daß z.B. sein linker Ausgang negativer und dessen rechter Ausgang positiver wird, wird noch keiner der Transistoren 68 oder 7o leiten, da die Schwl1enspannung u_$ des Transistors 68 noch nicht erreicht ist. Erst wenn u_H größer wird als u , werden die Transistoren 68 und 74 leiten, die Wicklung 76 erhält Strom und der Strom ι", nimmt in der Fig. 7 B dargestellten Weise monoton, also nicht sprunghaft, zu.Beim Erreichen der nächsten Abflachung 47 wird dann u_s wieder unterschritten und I₇₆ wird zu Null. Als nächstes wird dann - nach Fig. 6 ist die Schaltung ja völlig symmetrisch - in völlig analoger Weise die Wicklung 77 eingeschaltet. Die Motorströme I₇₆ und I₇₇ werden also sanft ein-und ausgeschaltet und man erhält in der gewünschten Weise eine große Stromlücke Q, was u.a. sehr zu einem ruhigen Lauf des Motors beiträgt, den Wirkungsgrad erhöht und die Transistoren 74 und 75 am wenigsten belastet, da sowohl Ein-wie Ausschalten des Motorstroms mit seiner hohen Gegen-EMK in den Wicklungen koinzidieren.

Alle Bauelemente der Schaltung nach Fig. 6 lassen sich bequem in den Hohlräumen 23 und 24 des Gehäuses unterbringen. Die Lösung mit Hall-IC im Streufeld ist gerade für kleinste Radiallüfter eine bevorzugte Lösung; sie bedeutet aber einen gewissen A u f w a η d.

Naturgemäß könnte bei qeeigneter Formgebung der Pollücken 44 (vergleiche z.B. die Deutsche Offenl egungsschrift 2 419-432', Fig.4) der Sensor 46 auch im Luftspalt 29, also im Nutzflußbereich, angeordnet werden, wobei dann ein gewöhnlicher Hal I generator ausreichen würde.

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Ein Flachmotor nach der Erfindung ist im Sinne wirtschaftlicher Fertigung besonders mit den weiteren offenbarten Fortbildungen _auch in der Serienproduktion beherrschbar.

Figur 8 zeigt einen Schnitt ähnlich Figur 3, durch ein drittes Ausführungsbeispiel, jedoch in natürlicher Größe

Figur 9 zeigt den Schnitt gemäß Linie IX- IX der F i g u r 8

Fi g u r Io zeigt den Schnitt gemäß Linie X-X der Figur 8. Figuren 11 bis 13 zeigen Lagerungsvarianten zu Figuren 3 und 8. Das in den Figuren 8 bis To dargestellte dritte Ausführungsbeispiel bietet in dieser Hinsicht eine vorteilhafte alternative Lösung und ist im übrigen zum großen Teil gleich aufgebaut wie die relevanten vorhergehenden Figuren.

Dies ist durch eine solche Bezifferung ersichtlich, die gleich ist wie in den Figuren 1 bis 7 oder die fehlt. Die variierten Teile wurden jedoch variiert beziffert.

Das Lüftergehäuse der Fi guren8 und 9 hat die Maße : h = 25 mm, g χ g = 76' mm χ 76 mm. Die durch die strichpunktierte Linie 229 in Fi g u r 9 als Umrandung angedeutete Platte 22o weist (ähnlich wie bei Figur 4 beschrieben) eine gedruckte Schaltung auf die die gesamte Elektronik mit den Leiterverbindungen incl. den Anschlüssen an- die Statorspulen beinhaltet..Vor allem die Leistungsbauelemente auf ihr liegen zwischen dem Umfang des Lüfterrades und der Ausblasöffnung 16.im Bereich der Luftströmung. Der Rotorstellungsdetektor ist als "normaler" Hai 1 generator 246 (ohne IC) im Nutzflußbereich (größerer Induktion als im Streufeld) des Motors, d.h. innerhalb des Ringmagneten 23o auf der Platte angeordnet. Figur 8 zeigt im Unterschied zur Ausführung nach Figur 3 ein hutartiges Formstück 258, das nicht nur durch eine kegelstumpfförmige Nabe den Einlauf der Strömung (Pfeil 3oo) begünstigt, sondern als Kunststoffpreßteil einstückig mit den Schaufeln 263 das Lüfterrad bildet und wirtschaftlich vorteilhaft die gleichen Rückschlußringe 259 (wie statorseitig mit 26 beziffert)) eingefaßt hält, auf denen der Permanentring 23o des Rotors magnetisch und mechanisch befestigt ist. Dessen Struktur Λνι rd bei fast voller motorischer

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Qualität gemäß Fi g u r Io durch trapezförmige, untereinander gleiche, von Streifenmaterial in zweifacher Beziehung mit einfachstem Werkzeug verschnittfrei herzustellende Teilmagnete bis 234 gebildet, deren Trapezform durch zwei rechte und einen 45°-Winkel bestimmt ist. Die Abstände zwischen benachbarten Teilmagneten bilden die Pollücken, hier wie bei F i g u r 5, in Drehrichtung 243 von außen nach innen geschrägt (Umkehrung: s. Anspruch 2o). Das hutartige Formstück 258 kann auch ein Leichtmetall-Druckgußteil sein (aUs AL-oder Mg-Legierung).

Die Nabe ist durch radiale, ebene Rippen 256 versteift, während in sie eine Metallbuchse 257 mit unrundem Rand eingespritzt ist, in welche die Welle 37 eingepreßt ist. Alternativ ist eine Welle mit örtlich (an der Stelle 357) angerauhter Oberfläche drehfest in das Formstück 258 eingesetzt, z.B. eingeklebt.

In F i g u r 5 ist der Winkel λλ eingezeichnet. Er ist der spitze Winkel (<C9o°, d.h. kleiner als 9o°) zwischen der Geraden 33 durch die Spulenzentren und der entgegen der Drehrichtung 43 nächstiiegenden Normalen 133 (Senkrechten) auf eine Stirn (Einbuchtung) des Reluktanzeisens 38 (oder der entgegen der Drehrich- · tung 43 nächstiiegenden Winkelhalbierenden 133 zwischen zwei Vorsprüngen 38' und 38'' am Reluktanzeisen 38),

Der Winkel^ beträgt optimal bei einem Rotor mit ρ Polpaaren

wenn die Pollücken (in Figur 5 mit 44 beziffert) radial gerichtet wären.

Der optimale Wert fUr-Wbei Schrägung der Pollücken von radial außen nach Radial innen j_n_ Drehrichtung ist/i^ bis 2/3x aj (mi t stärkerer Schrägung abnehmend).

Der optimale Wert für-y bei Schrägung der Pollücken von außen nach innen gegen die Drehrichtung des Rotors ist-<ju bis 4/3 <fo (mit stärkerer Schrägung zunehmend).

Zwischen den Winkeln q und«t4 besteht die allgemeine Beziehung:

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F i g u r 11 zeigt, noch stärker vergrößert, eine zusätzlich vorteilhafte Variante der Lagerung von Figur 3. Dabei stützt sich der Außenlaufring des unteren Kugellagers 81 auf einer Schulter der Innenbohrung der mit dem übrigen Gehäuse in gleicher Weise wie in F i g u r 3 verbundenen Lagerbuchse 86 ab. Das obere Lager stützt sich am Innensprengring 82, der in die Eindrehung in die Bohrung der Lagerbuchse 86 eingelassen ist, ab. Der Innenlaufring des Lagers 81 wird mit der Kraft der Feder 84 gegen den Innenlaufring des Lagers 8o und gegen seinen Außenlaufring (des Lagers 81) verspannt und drückt diesen damit gegen die Schulter 88. Der am Sprengring 82 abgestützte Außenlaufring des oberen Lagers 8o wird durch den magnetischen Zug PM im Luftspalt gegen den Innenlaufring des Lagers 8o über das Ringelement 89 in glei eher Weise wie in Figur 3 verspannt. Diese Variante der Figur 11 hat den Vorteil, daß die Montage und Demontage stark vereinfacht ist, daß Welleneinstich und Seegerring auf der Welle entfallen, was bei sehr klein werdendem Wellendurchmesser von 2 mm und darunter besonders wirtschaftlich sein kann, da der Luftspaltmagnetzug PM den Rotor und damit die Welle 87 ständig nach unten in Richtung der Kraft PM zieht und dieser magnetische Zug so stark ist, daß weitere mechanische Sicherungselemente entbehrlich sind. In einfachster Weise kann der Rotor und die Welle 87 auch nur gegen die magnetische Kraft PM aus der Lagerung herausgezogen werden.

Noch vortei Uiafter wird auf dem Außenlaufring des unteren Lagers eine starre Hülse 99 gemäß Figur 12 aufgesetzt, welche unter Spielsitz in die Bohrung der Lagerbuchse 86 einschiebbar ist. auf welche dann das obere Lager 8o mit seinem Außenlaufring auf Anschlag aufgesetzt wird. Dadurch werden zusätzlich auch der Sprengring und der Inneneinstich, der ihn aufnimmt, entbehrlich. Bei dieser Ausgestaltung drückt der magnetische Zug PM über das Ringelement 89 auf den Innenlaufring des Lagers 8o, verspannt diesen wiederum gegen den Außenlaufring, welcher seinerseits auf die Hülse 99 und diese auf den Außenlaufring des unteren Lagers drückt und jener auf der Schulter 88 aufsitzt. Die die Welle 87 umgebende Feder 84 stützt sich, wie in F i g u r 11, am oberen Innenlaufring ab und verspannt die Laufringe des unteren Lagers gegeneinander. Diese letzte Variante ist eine sehr wirtschaftliche Lösung. - 14 -

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Die Summe der Axialtoleranzen von Ringelement 89, Lager 80 und 81 sowie der starren Hülse 99, welche leicht und billig beherrsch"-! bar ist, bestimmt den Luftspalt, was auch bedeutet, daß mit einfachen zusätzlichen Justierscheiben, z.B. zwischen den Elementen 89 und 80, der Luftspalt genau einhaltbar ist.

Ein elastisches Element zwischen der Schulter 88 und dem Außenlaufring von 81 könnte eine allenfalls auftretende nicht-Koaxialität vom Sitz des Lagers 81 und der Welle 87 ausgleichen. Die axiale Dicke dieses elastischen Elements, das in F i g u r 12 nicht dargestellt ist, könnte in für die Genauigkeit des Luftspalts ausreichendem Maße gewährleistet werden und zwar ohne jeden zusätzlichen Aufwand.

Die gestrichelt gezeichnete Feder 95 der F i g u r 11 würde ohne Feder 84 das untere Lager gegen die Schulter 88 drücken und seine beiden Laufringe gegeneinander verspannen.

Diese Lagerungsvarianten der Figuren 11 und 12 sind billiger und bedeuten eine einfachere Montage von Lagern in einer Bohrung, die untereinander und in sich verspannt werden müssen, insbesondere für Elektro-Kleinmotoren mit magnetischen Zugkräften in Richtung der- in ihnen rotierenden Welle, z.B. wie im Falle der Figur 3 eines Scheibenläufers mit permanentmagnetischem Rotor und deshalb großem axialem Zug, der die Laufringe des oberen Lagers 5o (80) verspannt·(wobei die Laufringe des Lagers 51 (81) durch die Feder verspannt sind). Bei permanentmagnetischen Scheibenrotoren insbesondere ist das Herausfallen eines hängend laufenden Rotors aus der Lagerung durch sein Gewicht im allgemeinen nicht zu befürchten und eine zusätzliche Sicherung dagegen ist nicht nötig. (Diesem Problem begegnet speziell die Deutsche Patent-Anmeldung P 27 öl 295.9.)

Die Figur 13 zeigt vergrößert die Lagerung der Figur 8, die ähnlich wie die der Figur 3 und ähnlich wie die in P 27 öl 295.9 aufgebaut ist. Sie hat eine hohlnietartige Hülse mit kleiner Spieldistanz S, wobei der Rotor nur soweit aus der Lagerung 86 herausgezogen werden kann, bis diese Spieldistanz verbraucht ist.

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Die Feder 94 stützt sich über ein Element 93 am Sprengring 82 ab und verspannt die Laufringe des Lagers 81 zueinander über den umgebördelten Rand des Hohlniets 98, dessen Schaft am radial inneren Teil des Elements 93 anschlagen kann. Diese Lagerung sichert den Rotor gegen axiales Herausfallen bei hängendem Lauf. Sie eignet sich für Motoren ohne wesentlichen magnetischen Axialzug, ist aber aufwendiger.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

Papst-Motoren KG - *fT - 25.4.1977 7742 St.Georgen/Schwarzw. DT-43o 2718A28 Paten tansprüche

1.kompakt-Kleinstlüfter mit einem von einem koaxialen Elektromotor angetriebenen Radi al 1üfterrad , das von einem Luftführungsgehäuse quaderförmiger Gestalt umgeben ist, in dessen eine Stirnseite die Luft eintritt und aus wenigstens einer der über dem Umfang des Radi al 1üfterrades angeordneten Seitenflächen austritt,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Elektromotor als Flachmotor mit ebenem Luftspalt ausgebildet ist und daß der Stator des Flachmo.tors (25) einen an einer Grundplatte (11) des Gehäuses befestigten, magnetischen Rückschluß (26) und auf diesem die als Flachspulen (27, 28) ausgebildeten Statorwicklungen aufweist.

2.Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (11) eine geschlossene Wand des Luftführungsgehäuses.(11, 13) (mindestens teilweise - US) bildet.

oder 2

3.Kompaktlüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Stator^Zw.^eSpulen (27, 28) hat, die etwa auf der einen Diagonalen der rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Grundplatte 1iegen.

4.Kompaktlüfter nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem 4poligen Motor die Flachspulen (27, 28) im Grundriß etwa die Form einer Sportarena aufweisen und daß ihre Längsachsen mit der genannten Diagonalen jeweils etwa einen rechten Winkel einschließen.

5.Kompaktlüfter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch aktiven Abschnitte der Spulen (27, 28) jeweils etwa 13o° el.voneinander entfernt liegen.

6.Kompaktlüfter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Rückschluß in Form wenigstens zweier konzentrischer, vorzugsweise gegeneinander isolierter Einzelringe (26) aus einem weichferromagnetischen Werkstoff gebildet ist. -17 -

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7. Kompaktlüfter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Rückschluß (26) mindestens teilweise in die Grundplatte (11) des Gehäuses, diese Grundplatte (11) dabei verstärkend, eingebettet ist.

8. Kompaktlüfter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grundplatte (11) ein die Rotorwelle (37) lagerndes Lagertragrohr (36) befestigt ist, und daß der Rotor an der Welle (37) etwa hutartig über diesem Lagertragrohr angeordnet ist, wobei der hutkrempenartige breite Umfang (59) die Schaufeln (63) des Radi al 1üfterrades (6o) trägt.

9. Kompaktlüfter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein hutartiges tiefgezogenes Teil (58) aus Stahlblech aufweist, welches mit seinem Oberteil, vorzugsweise unter engem Spielabstand zum Lagertragrohr (36), über dasselbe gestülpt ist und welches auf der Unterseite seines hutkrempenartigen Teils (59) mindestens einen Permanentmagneten (3o) trägt.

10. Kompaktlüfter nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lüfterrad als ein einstückiges Formstück (6o,258) ausgebildet ist unf auf der von den Statorspulen (27, 28) abgewandten Seite des Rotors (58) befestigt ist.

11. Kompaktlüfter nach Anspruch 1 bis lo, dad.gekennzeichnet, daßder Rotor als Permanentmagnetrotor ausgebildet ist.

12. Kompaktlüfter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor als kol1ektorloser Gleichstrommotor (25) mit einem von dem oder den Rotormagneten (3o) gesteuerten Rotorstellungsgeber (46) ausgebildet ist und daß dieser Rotorstellungsgeber (46) am Stator befestigt ist.

13. KOmpaktlüfter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorstellungsgeber als galvanomagnetischer Sensor, insbesondere als Hall-IC (46), ausgebildet ist.

14. Kompaktlüfter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorstellungsgeber (46) im Streuflußbereich des Rotormagneten (3o) angeordnet ist.

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15. Kompaktlüfter nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorstellungsgeber (146) mit seiner feldaktiven Fläche neben einer Spule (28) und bündig mit dieser am Luftspalt angeordnet ist.

16. Kompaktlüfter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Magnet (3o) des Rotors im Bereich der Pollücken (44) an seinem Umfang (45) jeweils mit einer Ausnehmung (47) versehen ist.

17. Kompaktlüfter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abflachungen (47) jeweils über einen Bereich von etwa 5o bis loo° el. erstrecken.

18. Kompaktlüfter nach Anspruch 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (3o) aus einem sogenannten Gummimagneten gestanzt ist, also aus einem Material, welches aus einer Mischung von Hartferriten und Gummi-oder Kunststoffmaterial besteht.

bis 18

19. Kompaktlüfter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß

der Rotormagnet (3o) am Außenumfang (45) Abflachungen (47) aufweist.

einem der Ansprüche 1 bis 19,

20. Kompaktlüfter nach . , dadurch gekennzeichnet, daß

der Magnetr'ing (3o) Pollücken (44) aufweist, welche von außen

nach innen entgegen.der Drehrichtung (43) geschrägt sind,

wenn der Hall generator (46) in Drehrichtung gesehen hinter einer der Spulen angeordnet ist (oder umgekehrt).

....... einem, der Ansprüche 12 bis 2o,

21. Kompaktlufter nach . ., dadurch gekennzeichnet,

daß der Magnetring (3o) etwa trapezförmig magnetisiert (Fig.7A) ist und schmale Pollücken (44; P) aufweist.

bis 21,

22. Kompaktlüfter nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, daß

auf der Innenseite des Magnetrings (3o) ein am Stator befestigtes, weichferromagnetisches Element (38) angeordnet ist, welches in Zusammenwirken mit dem Stator ein Reluktanzmoment erzeugt, dessen antreibende Komponenten in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wirksam sind.

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DT-430

23. Kotnpaktl lifter nach Anspruch l dadurch gekennzeichnet, daß an der Grundplatte (11) ein Lagertragrohr (36) befestigt ist, daß die Rotorwelle (37) in diesem Lagertragrohr (36) über zwei Kugellager (5o, 51) gelagert ist und daß wenigstens eines der beiden Kugellager zur Vermeidung von Lagerspiel axial, vorzugsweise durch den zwischen dem Eisenrückschluß (26) und dem Rotormagneten (3o) vorhandenen magnetischen Zug, verspannt ist.

24. Kompaktlüfter nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kugellager (51) durch eine Federkraft (54) axial verspannt ist.

25. Kompaktlüfter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannfeder (54) stationär und mit Vorspannung im Lagertragrohr (36) zwischen einem Anschlag (52) desselben und einem Außenring des Kugellagers (51) angeordnet ist.

bis 25,

26. Kompaktlüfter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,

daß sein Gehäusevolumen kleiner als 4oo cm^ ist.

27. Kompaktlüfter nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,

daß sein Gehäusevolumen kleiner als 2oo cm3 ist.

bis 27,

28. Kompaktlüfter nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet,

daß er ,bei Verwendung eines kollektorlosen Gleichstrommotors (25) als Antriebsmotor für eine Betriebsdrehzahl im Bereich von oberhalb 35oo U/min, ausgebildet ist.

29. KompaktlUfter nach Ansprüchen 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kollektorlosen Gleichstrommotors (25) seine Leistungsaufnahme bei Nenndrehzahl, z.B. 45oo U/min., kleiner oder gleich 3 Watt ist.

30. Kompaktlüfter nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Hohlräume (23, 24) zwischen der etwa spiralförmigen Luftleitwand (22) und der Gehäuseaußenseite mindestens ein Teil der elektronischen Bauelemente des kollektorlos ausgebildeten Flachmotors (25) angeordnet ist.

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31. Kompaktlüfter nach Anspruch 1 bi$^r3o» dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische, statorseitige Rückschluß ein Reluktanzmoment erzeugende Ausnehmungen aufweist, derart, daß die antreibenden Komponenten dieses Reluktanzmomentes in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmomentes liegen.

32) Kompaktlüfter nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Durchmesser des Gehäuses (g) etwa 3mal so groß ist wie seine axiale Länge (h) (Fig. 3).

33) Kompaktlüfter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens angenähert würfelförmig (kubisch) ist.

34) Kompaktlüfter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusegestalt zwischen der gemäß Anspruch 32 und der gemäß Anspruch 33 liegt.

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