DE3804549C2 - Kleingebläse mit einem Ventilatorlaufrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kleingebläse mit einem Ventilatorlaufrad nach Anspruch 1. Solche Kleingebläse haben im allgemeinen kollektorlose Gleichstrommotoren, wel­ che Drehstellungsdetektoren aufweisen, und diese sind auch im allgemeinen soge­ nannte Hallgeneratoren (oder auch sogenannte Hall-ICs), mit deren Hilfe die Rotor­ stellung erfaßt wird, und dementsprechend wird die Wicklung pulsweise bestromt.

Aus diesem Stande der Technik ist es auch bekannt, für solche Motoren als Stator­ wicklung eine einzige Spule vorzusehen (DE OS 22 60 069 oder 22 25 442).

Für Anwendungen bei sehr unterschiedlicher Umgebungstemperatur, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, die sowohl am Nordpol als auch in der Sahara funktionieren müssen, ist es von besonderer Bedeutung, daß der Motor sicher funktioniert. Der Rotorstellungssensor unterliegt dabei jedoch temperaturbedingt starken Schwankun­ gen und arbeitet unter Umständen nicht mehr zuverlässig bzw. gibt sehr unterschied­ liche Spannungswerte ab. Neben diesem Bedürfnis geht es auch darum, solche sehr einfach gebauten Motoren entsprechend leise im Betrieb zu haben.

Aus dem DE-GM 18 77 564 ist ein Gleichstromkleinstmotor für Anwendung im Uh­ renbereich bekannt, der einen axial kompakten Aufbau mit ebenem Luftspalt und ebener länglicher Spulenform aufweist, wobei auch eine relativ einfache Schaltung vorgesehen ist, die jedoch keinen Kondensator aufweist und zwei unrunde Flach­ spulen auf einen gemeinsamen Körper gewickelt zeigt, welche jedoch galvanisch getrennte Leiterstränge aufweisen.

Die DE 29 43 529 A1 zeigt eine ebenfalls für die Uhrentechnik bekannte Anordnung, die von großem Aufwand ist, und bei der ein Auskoppelkondensator C3, jedoch von ganz anderer Funktion als der erfindungsgemäß Beanspruchte, vorgesehen ist. Die Entgegenhaltung zeigt eine einzige Spule, die als Arbeits- und Steuerspule wirkt, wo mit einem sehr aufwendigen Steuer- und Synchronisierblock ein exakter Taktlauf im Betrieb mit Hilfe eines Quarzoszillators (aber erst bei vollem Lauf) vorgesehen ist. Die Treiberschaltung nach dieser Entgegenhaltung ist wesentlich komplexer als die Betriebsschaltung nach der Erfindung und dürfte in der Praxis problematisch sein. Bei diesem Stand der Technik wirkt die Treiberschaltung zum Anlauf und erst bei laufendem Betrieb die Steuer- und Synchronisierschaltung.

Die DE 23 39 260 C2 zeigt eine Lösung, wo bei flachem Luftspalt zwei Motorspulen und eine Hilfsspule zur Steuerung der Kommutierung vorgesehen ist. Über ein passi­ ves Integrierglied wird dabei eine 90°-Verschiebung erreicht. Bei dieser vorbekannten Lösung muß die Arbeitswicklung (Spule) und die Tachowindung (Spule) an verschie­ denen Stellen des Stators vorgesehen werden, kann also nicht bei der Herstellung gemeinsam gewickelt werden (weder für Serienschaltung fortlaufend eindrähtig, noch bifilar parallel). Die Lösung nach der DE 23 39 260 C2 ist auch wesentlich aufwendiger und sehr fertigungsunfreundlich, was den Motor betrifft und auch die Schaltung.

Bei der ursprünglich genannten DE-OS 22 60 069 sind Hallgeneratoren für die Steuerung des Motors vorgesehen, d. h. bei der Verwendung solcher Motoren für die beanspruchten Kleingebläse ist zwar eine wirtschaftlich günstige einfache Lösung vorgesehen, aber der gravierende Mangel der starken Temperaturabhängigkeit be­ steht nach wie vor.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, daß bei einem gattungsgemäßen Gegenstand für zuverlässigen Betrieb, d. h. also auch bei sehr unterschiedlichen Temperaturen sowie für geräuscharmen Lauf, eine Gesamtlösung bei niedrigem Herstellungspreis für ein Massenprodukt unter Einbeziehung der Steu­ erschaltung erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruches 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen und den Figuren.

Aus dem DE-GM 84 31 241 ist bereits eine sehr einfache Lösung mit Hall-IC und relativ aufwendiger zugehöriger Schaltung be­ kannt. Jene Lösung zeigt eine unsymmetrische Spule, wie sie aus der Fig. 1 der DE-OS 22 60 069 schon bekannt ist, während Fig. 8 der DE-OS 22 60 069 eine zur Rotationsachse konzentri­ sche, symmetrische Spule im ebenen Luftspalt (wie hier in Fig. 4) aufweist.

Eine einfach Gesamtlösung, d. h. einfachster Motor und möglichst wenig Schaltungselemente für die zugehörige Kommutierungsschal­ tung, ist deshalb zu erstreben. Obwohl die Schaltung gemäß Fig. 5 mit ihrer geringen Komponentenzahl für den gattungsge­ mäßen einfachen Motor insgesamt zu einer hervorragenden tech­ nischen Lösung für den Markt der Luftsensortechnik, insbesonde­ re wenn man den Herstellpreis einbezieht, führt, kann diese Schaltung möglicherweise auch unabhängig von der Art des spe­ ziellen Motors oder einer besonderen Anwendung, wie eingangs erwähnt, von Bedeutung sein, also z. B. auch in Verbindung mit Hallgeneratoren als Rotorstellungssensoren. Die Schaltung nach Fig. 5 trägt auch zu ruhigem Lauf bei.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Motors ist zum Antrieb eines Ventilatorlaufrads, z. B. für ein Sensorgebläse zu Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraumes, oder auch eines Ventillaufrades für andere Zwecke.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen.

Es zeigen (Fig. 1 bis 3 in doppelter natürlicher Größe):

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors im Schnitt, angewendet in einem Luftsensorgerät,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Motor samt Gerät,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Motors in zu Fig. 1 variierter Konstruktion,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 und 3,

Fig. 5 ein Steuerschaltbild des erfindungsgemäßen Motors und

Fig. 6 ein Kurvendiagramm des Drehmomentenverlaufs.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Ventilator besteht aus einem kleinen Elektromotor 1, einem Gehäuseoberteil 2, einem Gehäuse­ unterteil 3, einem Radialventilatorrad 4 und einer Steckerein­ heit 5.

Eine Welle 11 des Motors 1 läuft an einem axialen Ende 13 gegen eine Anlauffläche 12 des Gehäuseunterteiles 3 an. Dieses axiale Wellenende 13 hat vorzugsweise eine halbrunde Kuppe. Eine Dop­ pelgleitlagerbuchse 14 ist im Gehäuseunterteil 3 eingesetzt und weist zwei axial möglichst weit voneinander entfernte Laufflächen auf, in denen die Welle 11 läuft. Am anderen axialen Ende 15 ist das Ventilatorrad 4, eine Weicheisenscheibe 16 und ein perma­ nentmagnetischer Scheibenmagnet als Rotormagnet 17 konzentrisch und drehfest an­ gebracht. Zwischen dem Gehäuseoberteil 2 und dem Gehäuseunter­ teil 3 ist eine Leiterplatte 18 angeordnet. Auf der Leiterplatte 18 ist symmetrisch zur Welle 11 eine Spule 19 als Statorwicklung angeord­ net, die die Arbeitswicklung 40 und die Tachowicklung 41 enthält. Die Arbeitswicklung 40 und die Tachowicklung 41 sind bifilar oder geteilt gewickelt. Für die Tachowicklung 41 werden nicht so viele Windungen benötigt, d. h. die Windungen der Tachowicklung 41 werden erst nach einer bestimmten Anzahl der Windungen der Arbeitswicklung 40 mit dieser gleichphasig gewickelt (im Ausführungsbeispiel 1100 bzw. 700 Windungen). Eine durch die Rotorbewegung erzeugte Hilfs­ spannung wird zur Steuerung der pulsweisen Bestromung der Ar­ beitswicklung 40 verwendet. Die Luft wird über einen rohrförmigen Domschacht 20 angesaugt. Im Domschacht 20, d. h. im Luftstrom 21, ist ein Heißleiterwiderstand (PTC) 27, der über Mäander­ drähte 28, 29 und Leitungen 30 mit der Leiterplatte 18 ver­ bunden ist, angeordnet.

Die Mäanderdrähte 28, 29 liegen im Luftstrom 21 und werden lau­ fend von der angesaugten Luft gekühlt und haben dadurch einen vernachlässigbar kleinen Temperatureinfluß auf den PTC 27. Die Leitungen 30 liegen in den Schlitzen 22 und damit im Aus­ trittsbereich des Luftstromes 21, d. h. auch dieser Bereich wird laufend gekühlt und beeinflußt deshalb nicht den für Steuer­ zwecke eingebauten PTC 27.

Der PTC 27 steuert beispielsweise Funktionen einer Klimaanlage in einem PKW. Der Luftstrom wird durch das Ventilatorrad 4 er­ zeugt, wobei er über den Domschacht 20 angesaugt wird und über das Ventilatorrad 4 durch einen oder mehrere Schlitze 22, die im Gehäuseoberteil 2 parallel den Außenkanten der radial gerichteten Flügel des Ventilatorrades 4 gegenüberliegend angeordnet sind, herausgeführt wird. Die Leiterplatte 18 ist zwischen dem Gehäu­ seoberteil 2 und dem Gehäuseunterteil 3 festgeklemmt und ragt seitlich mit einem Überstand 23 heraus. Die Steckereinheit 5 kann einteilig an das Gehäuseoberteil 2 angespritzt oder an diesem befestigt sein. Die Stecker 24 sind an ihrem einen Ende 25 direkt mit den Leiterbahnen bzw. Kontakten auf dem Überstand 23 der Leiterplatte 18 verbunden. Zur Sicherung des Anlaufs des Motors ist ein weichmagnetisches Eisenplättchen 26 neben der Statorwicklung 19 auf der Leiterplatte 18 den Rotormagneten (vorzugsweise 4 Pole) 17 axial gegenüberliegend angeordnet.

Günstiger ist es, wenn mindestens zwei Eisenplättchen 26, 26' gegenüber­ liegend, d. h. 180° umfangsmäßig versetzt, angeordnet werden, wie Fig. 4 zeigt. Aus Platzgründen wurde in Fig. 1 nur ein Eisenplättchen 26 auf der Leiterplatte 18 angebracht. Wegen größtmöglichen Leichtlaufes wurde auch auf einen magnetischen Rückschluß (z. B. weichmagnetische Scheibe) unter der Stator­ wicklung 19 verzichtet. Der Wellendurchmesser wurde auch wegen des Leichtlaufes möglichst klein, hier 1 mm, gewählt.

Grundsätzlich werden die weichmagnetischen Elemente 26, 26', 26" nicht nur für eine bestimmte Startposition, sondern auch für guten Lauf angeordnet bzw. gestaltet. Hierzu wird ausdrück­ lich auf die DE-OS 22 25 442 und ihre Zusatzanmeldungen verwie­ sen.

Ein permanentmagnetischer Hilfsmagnet statt des weichmagneti­ schen Eisenplättchens 26 würde zwar einerseits eine Verbesserung des Anlaufes des Motors bringen, aber eventuell das Laufge­ räusch (axiales Rattern) erhöhen.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ventila­ tors gemäß der Erfindung gezeigt. Das Ventilatorrad 4 wird von einem Motor 31, der im wesentlichen dem oben beschriebenen Mo­ tor 1 entspricht, ebenfalls direkt angetrieben. Der Motor 31 und das Ventilatorrad 4 werden von einem Gehäuseoberteil 32 und einem Gehäuseunterteil 33 eingeschlossen. Zwischen beiden Teilen 32 und 33 ist eine Leiterplatte 38 befestigt. Stecker 34 ragen durch das Gehäuseunterteil 33 zum Einstecken in ent­ sprechende nicht gezeigte Buchsen. Am anderen Ende sind die Stecker 34 an die Leiterplatte 38 kontaktierend angebracht. Ein PTC 37 ist auf der Leiterplatte 38 verlötet und liegt im aus­ blasenden Bereich des Luftstromes 21. Die Welle 11 des Motors 31 ist in zwei Gleitlagern 35 gelagert. Ein Wellenende 13 läuft mit einer Kuppe gegen eine Anlauffläche im Gehäuseunterteil 33 axial an, während am anderen Wellenende 15 eine Buchse 36 zentrisch auf der Welle festgemacht ist. An der Buchse 36 ist konzentrisch die Haltescheibe 16 befestigt und auf der einen Stirnseite der weichmagnetischen Rückschlußscheibe 16 das Ven­ tilatorrad 4 und auf der anderen Stirnseite der Scheibenmagnet 17 angeordnet. Als Anlaufhilfe ist hier ein permanentmagneti­ sches, zur Welle symmetrisches Plättchen 39 konzentrisch zur Welle auf einem lagerrohrartigen Ansatz 50 befestigt. Ein kon­ zentrisches weichmagnetisches Plättchen mit z. B. quadratischer Außenkontur könnte das z. B. 2polige Permanentmagnetplättchen 39 ersetzen.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Statorwicklung 19, die in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 3 zur Anwendung kommt. Die Wicklung 19 ist symmetrisch um die Welle 11 angeord­ net und bildet im wesentlichen ein längliches Rechteck. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors sind die Längsseiten des Rechtecks in der Mitte nach Art einer liegenden Acht (∞) eingezogen bei einem Motor mit vier Rotorpolen. Die Form einer solchen Wicklung ist mit strichpunktierten Linien 59 eingezeich­ net. Die motorisch wirksamen Abschnitte der Wicklung 19 sollen nämlich gemäß Anspruch 7 möglichst radial verlaufen. In Fig. 4 ist ein weiteres Weicheisenteil 26" eingezeichnet. Zu diesem um 180° diametral versetzt könnte ein nicht gezeichnetes weite­ res Teil 26''' für bessere Symmetrie dieses ergänzen. Alle Tei­ le 26 insgesamt sind im Sinne der Lehre der DE-OS 22 25 442 und DE-OS 22 43 923 optimal gestaltet.

Sie können als weichmagnetische Teile allein oder mit perma­ nentmagnetischen Elementen kombiniert verwendet werden, wie z. B. in der DE-OS 22 60 069 angegeben. Fig. 1 zeigt hier nur weichmagnetische, Fig. 4 nur permanentmagnetische statorseitige Teile zur Erzeugung eines Reluktanzhilfsmoments. Aber es könn­ te auch 26, 26' permanentmagnetisch, 26" und 26''' weichmagne­ tisch sein. Die lappenartigen rechteckförmigen Ansätze können auch abgewinkelte Teile eines Weicheisenblechs sein, das unter der Spule 19 für den magnetischen Rückschluß vorgesehen ist, welches, wie angedeutet, zwar die Reibung erhöht (da es mit dem Rotormagneten nicht rotiert), aber auch das Drehmoment er­ höht.

Die Steuerschaltung (Fig. 5) des erfindungsgemäßen Motors 1, 31 besteht aus wenig Bauteilen, und zwar aus einem Operationsver­ stärker (OP) 42, einem Startkondensator 43 und einem Rückkopp­ lungskondensator 45. Im Ausführungsbeispiel wurde ein Opera­ tionsverstärker mit offenem Kollektor verwendet, der als IC ausgeführt ist.

Zum Anlaufen benötigt der Motor einen Einschaltspannungsimpuls, der durch Schließen eines Schalters 46 (beispielsweise Zünd­ schloß beim PKW) über den Startkondensator 43 an den invertierenden Eingang 44 des Operationsverstärkers 42 gelangt. Dadurch wird der OP 42 leitend, die Arbeitswicklung 40 ist eingeschaltet.

Die Impulsbreite ist so ausgelegt, daß der Rotor ei­ nen ausreichend großen Drehmomentstoß erfährt. Schon bei ge­ ringer Bewegung des Rotors wird in der Tachowicklung 41 eine Spannung induziert, die die weitere phasenrichtige Steuerung des Motorstroms übernimmt.

Die Arbeitswicklung 40 wird dabei jeweils nur eine Halbwelle lang, d. h. über eine Polteilung hinweg, eingeschaltet. Die kinetische Energie des sich drehenden Rotors reicht aus, um sicher über die antriebslosen Winkelbereiche hinwegzukommen.

Anstelle des durch Weicheisenteile 26 erzeugten Reluktanzmoments könnte auch ein magnetisch erzeugtes Hilfsmoment verwendet werden. Zum Schalten größerer Leistungen kann dem OP 42 natür­ lich ein entsprechender Leistungs-Transistor nachgeschaltet wer­ den.

Durch diese Schaltung wird auch eine Bedämpfung der Kommu­ tierungs-Schaltimpulse des Motors 1, 31 bewirkt. Die Schaltim­ pulsspitzen werden vom negativen Ausgang der Arbeitswicklung 40 über eine Leitung 47 und den Rückkopplungskondensator 45 wieder an den invertierenden Eingang 44 des OP 42 geführt (Rückkoppe­ lung). Durch diesen negativen Impuls am Eingang 44 wird der Impuls am Ausgang 48 des OP 42 bedämpft, d. h. der invertieren­ de Eingang bewirkt eine Umkehrung dieses Impulses am Ausgang 48 und damit eine Bedämpfung des von der Arbeitswicklung 40 ausgehen­ den negativen Impulses. Auch der Kondensator 43 wirkt ent­ sprechend dämpfend. Durch die vorbeschriebene Rückkopplung wird das Laufgeräusch des Motors 1, 31 wesentlich kleiner.

Fig. 6 zeigt die Wirkungsweise des Motors 1, 31 anhand des Dreh­ momentenverlaufes. Das Reluktanzmoment gibt dem Rotor Ruhelagen vor, aus denen heraus ein Anlauf möglich ist. Bei 4poliger Mag­ netisierung sind je Rotorumdrehung vier stabile Ruhelagen S₁ bis S₄ und vier labile Ruhelagen L₁ bis L₄ vorhanden. Nach dem Einschalten der Wicklung läuft der Rotor aus S₁/S₃ nach der ei­ nen Richtung, aus S₂/S₄ nach der anderen Richtung an. Ent­ sprechendes gilt theoretisch auch für die labilen Ruhelagen. Sie kommen in der Praxis jedoch kaum zum Tragen.

Werden weichmagnetische Teile 26 (Fig. 1) verwendet, erzeugen diese mit dem Rotormagneten zusammen ein Reluktanzmoment doppel­ ter Frequenz mit vier Ruhelagen S₁ bis S₄. Im Falle permanent­ magnetischer statorseitiger Elemente (39 in Fig. 3) ist das dann erzeugte Hilfsmoment von gleicher Frequenz wie das elektrische Moment Mee und im optimalen Fall gegenphasig zu diesem (vgl. DE-OS 22 60 069). Das ergibt ein besseres Anlaufverhalten für den Motor.

Claims (11)

1. Kleingebläse mit einem Ventilatorlaufrad zur Temperaturerfassung in Kombi­ nation mit einem Sensor, dessen Ausgangssignal eine Klimaanlage steuert, insbesondere für einen Kraftfahrzeug-Innenraum,
wobei ein direkt antreibender kollektorloser Gleichstrommotor mit permanent­ magnetischem Rotor vorgesehen ist, welcher mit einer motorisch wirkenden Arbeitswicklung (40), die ein- oder zweipulsig zur Erzeugung eines erregenden statorseitigen Wechselfeldes gespeist wird,
und mit weichmagnetischen und/oder permanentmagnetischen statorseitigen Teilen, die definierte Startstellungen des Rotormagneten (17) als auch Reluk­ tanzhilfsmomente erzeugen, ausgestattet ist
und wobei eine durch die Rotorbewegung in einer Tachowicklung (41) er­ zeugte induzierte Hilfsspannung zur Steuerung der mittels einer Steuerschal­ tung bewirkten pulsweisen Bestromung der Arbeitswicklung (40) verwendet wird,
wobei die Arbeitswicklung (40) eine Spule (19) bei ebenem Luftspalt aufweist, welche im wesentlichen ein längliches Rechteck bildet und auch die Tacho­ wicklung (41) enthält,
und wobei in der Steuerschaltung die Tachowicklung (41) mit einem Start­ kondensator (43) vorgesehen ist, der so mit dieser zusammenwirkt, daß er beim Einschalten der Betriebsspannung einen Spannungsimpuls auf einen der Eingänge eines Verstärkers (42) leitet,
und wobei der Ausgang des Verstärkers (42) mit der Arbeitswicklung (40) verbunden ist.

2. Kleingebläse nach Anspruch 1, wobei in der Steuerschaltung die Tachowicklung (41) in Serie mit dem Start­ kondensator (43) an der Betriebsspannung und der invertierende Eingang (44) des Verstärkers 42 mit dem gemeinsamen Ende der Tachowicklung (41) einerseits und des Startkondensators (43) andererseits verbunden ist.

3. Kleingebläse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die einzige Spule (19) symmetrisch um die Rotationsachse angeordnet ist.

4. Kleingebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Spule (19) in der Mitte der Längsseiten nach Art einer liegenden Acht eingezogen und der Rotor 4polig ist.

5. Kleingebläse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tachowicklung (41) zur Erzeugung der induzierten Hilfsspannung im Lauf von geringerer Windungszahl als die Arbeitswicklung (40) ist.

6. Kleingebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in die Arbeitswicklung (40) die Tachowicklung (41) bifilar mit eingewic­ kelt ist.

7. Kleingebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Arbeitswicklung (40) und die Tachowicklung (41) zusammen eine einzige Spule (19) bilden, welche durchgehend eindrähtig gewickelt ist, und eine herausgeführte Anzapfung die in Serie gewickelten Wicklungen (Ar­ beitswicklung (40) und Tachowicklung (41)) verbindbar macht.

8. Kleingebläse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tachowindung (41) mit dem invertierenden Eingang (44) des Operations­ verstärkers (42) verbunden ist.

9. Kleingebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der negative Ausgang der Arbeitsspule (40) über einen Rückkopplungs­ kondensator (45) mit dem invertierenden Eingang (44) des Verstärkers (42) verbunden ist.

10. Kleingebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die einzige Spule (19) so gestaltet ist, daß ihre motorisch wirkenden, im Be­ reich des Rotormagneten liegenden Abschnitte senkrecht zur Rotationsachse möglichst radial parallel zu den Pollücken des Rotormagneten verlaufen.

11. Kleingebläse nach Anspruch 10, wobei die Spule bei ungerader Polpaarzahl (2p = 2, 6, 10, . . .) eine Durchmes­ serwicklung bildet.