DE2718428C2

DE2718428C2 -

Info

Publication number: DE2718428C2
Application number: DE2718428A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.-Ing. 7742 St Georgen De Mueller; Guenter 7730 Villingen De 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: 1990-10-25
Also published as: US4164690A; CH612736A5; DE2718428A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompakt-Kleinstlüfter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei einem solchen Kleinstlüfter tritt die Luft über eine Stirnseite ein und aus wenigstens einer der Seitenflächen aus. Kompakt-Kleinstlüfter sind insbesondere Lüfter hoher Drehzahl, wobei unter hohen Drehzahlen solche verstanden werden sollen, die über 3500 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. Es hat sich aber gezeigt, daß bei 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 sollte, das heißt, für solche Anwendungen können übliche Lüfter mit schlechtem Wirkungsgrad (10 bis 15%) gewöhnlich nicht angewendet werden. Kommt es auf den Wirkungsgrad nicht an, werden bekannte, gattungsgemäße Lüfter mit Mittelfrequenz (400 Hz) gespeist.

Aus der GB 12 79 912 ist ein Kompakt-Kleinstlüfter der eingangs genannten Art bekannt. Dieser Kleinstlüfter hat ein von einem koaxialen Außenläufermotor angetriebenes Radiallüfterrad, das von einem Luftführungsgehäuse umgeben ist. Die Luft tritt in eine Stirnseite des Luftführungsgehäuses ein und aus einer der über dem Umfang des Radiallüfterrades angeordneten Seitenflächen aus.

Weiterhin ist aus der DE-OS 16 13 626 ein Flachmotor mit einem ebenen Luftspalt und einem hutkrempenartig über ein Lagerrohr gezogenen Rotor bekannt, während in der DE-OS 25 26 255 ein kollektorloser Flachmotor beschrieben ist, bei dem eine Grundplatte zum magnetischen Rückschluß herangezogen wird. Aus der DE-OS 23 36 955 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor mit zwei Statorspulen bekannt, und in der FR 20 22 394 sind Hall IC's als Rotorstellungsgeber bei kollektorlosen Gleichstrommotoren beschrieben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kompakt-Kleinstlüfter mit guter Luftleistung zu schaffen, der hohen Wirkungsgrad und damit geringen elektrischen Leistungsbedarf besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einem Kompakt-Kleinstlüfter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der magnetische Rückschluß des Motors dient gleichzeitig als Verstärkung des Motorgehäuses, ist also in die Lüfterkonstruktion tragend einbezogen. Der Flachmotor scheibenartiger Gestalt liefert trotz seiner kleinen Dimensionen ein gutes Drehmoment sowie einen relativ schnellen Hochlauf und ermöglicht einen relativ großen Lufteintrittsquerschnitt sowie eine einfache Anordnung der Schaufeln des Radiallüfters im Lüftergehäuse, insbesondere bei extrem flachen und kompakten Lüftern. Er ist auch wirtschaftlich günstig herstellbar. Solche Flachmotoren sind als kollektorlose Gleichstrommotoren wartungsfrei und weniger Funkstörungen verursachend. Diese haben, insbesondere wenn sie in der in der DE-OS 22 25 442 beschriebenen Weise aufgebaut sind, auch bei kleinen Leistungen einen sehr beachtlichen Wirkungsgrad, z. B. bis zu 60% bei einem 3 Watt-Motor, und sie ermöglichen dank der hohen, mit ihnen möglichen Drehzahlen, auch bei kleinen Lüftergrößen eine beachtliche 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 Wirkungsgrad 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 ein 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 Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

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

Fig. 2 eine zweite, etwas andere räumliche Darstellung des Radiallüfters 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 weggebrochen dargestellte Draufsicht von oben auf den Radiallüfter nach den Fig. 1 und 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. 1 bis 5

Fig. 7 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des Radiallüfters,

Fig. 8 einen Schnitt, ähnlich zu Fig. 3, durch ein drittes Ausführungsbeispiel in natürlicher Größe,

Fig. 9 einen Schnitt, gesehen längs der Linie IX-IX der Fig. 8,

Fig. 10 einen Schnitt, gesehen längs der Linie X-X der Fig. 8 und

Fig. 11 bis 13 Lagerungsvarianten zu den Fig. 3 und 8.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen in vergrößertem Maßstab den konstruktiven Aufbau des Radiallüfters 10. Dieser hat eine als Formstück aus Kunststoff, z. B. glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), ausgebildete Grund- oder Basisplatte 11, auf der mittels drei Schrauben 12 ein vorzugsweise ebenfalls aus GFK bestehendes Gehäuseoberteil 13 befestigt ist, das an 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 × 38 mm aufweist. Insgesamt ist der dargestellte Radiallüfter 10 nur etwa 23 mm hoch und hat Grundrißmaße von 73 × 73 mm; er ist also extrem flach und kompakt und hat ein Volumen von weniger als 125 cm³. Wie insbesondere Fig. 3 klar zeigt, ist das Gehäuseoberteil 13 luftdicht auf die Grundplatte 11 aufgesetzt, und die Grundplatte 11 hat, wie in Fig. 4 dargestellt ist, äußere Vertiefungen 20 zur Aufnahme der Seitenwände des Gehäuseoberteils 13 und eine innere spiralförmige Vertiefung 21 zur Aufnahme einer spiralförmigen am Gehäuseoberteil 13 vorgesehenen Luftleitwand 22, welche rechts bei einer Stelle 18 in den hintersten Abschnitt der rechten Außenwand 19 übergeht.

Zur Befestigung des Radiallüfters 10 dienen Löcher 17 an zwei diametral gegenüberliegenden Ecken der Grundplatte 11, wobei die äußere Wand des Oberteils 13 an diesen Stellen, wie dargestellt, zurückgesetzt ist.

Die Fig. 2 deutet gestrichelt eine für universelle Einbaubarkeit geeignete Variante an. Das Gehäuseoberteil 13 überragende lappenartige Ansätze 114 der Grundplatte 11 weisen Befestigungslöcher 17 auf, welche auf einer zu einer Geraden 33 (vgl. Fig. 4) senkrechten Diagonalen 133 a liegen. Eine Deckfläche 111 des Gehäuse oberteils 13 zeigt nun in Fig. 2 gestrichelt ebensolche lappenartige Ansätze 115 mit Befestigungslöchern 117 auf der gleichen Diagonalen 133 a. Durch die Ansätze 115 kann der Kleinstlüfter z. B. an eine Gehäusewand, durch welche der Lüfter Luft heraussaugen soll, direkt angeflanscht werden.

In Hohlräumen 23, 24 zwischen den Vertiefungen 20 und 21 sind die elektronischen Schaltelemente des Motors angeordnet, wenn dieser als kollektorloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Vom Hohlraum 23 führt ein Anschlußkabel 124 nach außen.

Ein in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnete, alternativ zu einem Hallgenerator 46 vorgesehener Hallgenerator 146 liegt mit seiner sensitiven Fläche neben, parallel und bündig mit einer Spule 28 am Luftspalt im Randbereich 45, 47 eines Magneten 30. Diese Weiterbildung gegenüber der hierzu senkrechten Position des Hallgenerators 46 erlaubt es, 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 Bauteile, welche außerdem dadurch gekühlt im Bereich der Lüfterströmung liegen.

Seine flache Form erhält der Lüfter 10 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 Grundplatte 11 in der dargestellten Weise in einer Vertiefung befestigt sind, was z. B. direkt beim Spritzen bzw. Formen der Grundplatte 11 geschehen kann. Wenn die Grundplatte 11 im automatischen Spritzzyklus hergestellt wird, können die Ringe 26 mittels Kleber oder Ultraschall in die gespritzte Grundplatte 11 fertigungsgünstiger 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 20 bis 70°, z. B. 30° 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 Radialschnitt 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 Überzug ist auf den zuerst erwähnten radial unterteilten, steiferen Rückschlußringen 26 günstig, welche als Bewehrung der Platte 11 diese besonders gut versteifen.

Direkt über den Ringen 26 sind die beiden Spulen 27 und 28 des Stators befestigt, was z. B. durch Aufkleben geschehen kann. Diese Spulen 27, 28 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 30 und den Rückschlußringen 26 ergibt. Die Rückschlußringe 26 und der als axial polarisierter 4-poliger Ringmagnet ausgebildete Rotormagnet 30 haben etwa dieselbe Grundrißform und überdecken sich gegenseitig, wie dies in Fig. 3 klar gezeigt ist.

Die Spulen 27 und 28 haben, wie dargestellt ist, ihre Mittelpunkte jeweils auf einer Geraden 33, parallel zur längeren 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 140° el. voneinander entfernt. Sie sind beide zweidrähtig gewickelt und gleichsinnig miteinander verbunden. Von einem 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 Anschlüsse A′ und E′. Wird z. B. eine Gleichspannung zwischen die Anschlüsse A und E angelegt, so erzeugen beide Spulen ein gleich starkes Magnetfeld mit derselben Richtung, wobei z. B. in beiden Fällen in der Fig. oben einen Nordpol. Analoges gilt beim Anlegen einer Gleichspannung zwischen die Anschlüsse A′ und E′.

Oberhalb der beiden Spulen 27, 28 ist an einem zentralen Vorsprung 35 der Grundplatte 11, in welchem ein Lager- oder Tragrohr 36 zur Aufnahme der Rotorwelle 37 befestigt ist, ein etwa quadratisches, mit abgerundeten Ecken versehenes weichferromagnetisches Element (Weicheisenstück 38) axial und radial innerhalb des Magnetringes 30 festgeklebt, welches aus der DE-OS 25 35 411 an sich bekannt ist, wobei seine Diagonale 39 mit der Diagonalen 33 einen Winkel ε einschließt.

Das Weicheisenstück 38 arbeitet mit dem Streufluß am Innenumfang 40 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. in der DE-OS 22 25 442 erläutert ist. Die Drehrichtung des Flachmotors 25 ist mit einem Pfeil 43 bezeichnet. Für eine vereinfachte und preiswerte Ausführung wird der stehende Rückschluß 26 so ausgebildet, daß er in Zusammenwirken mit dem Rotormagneten 30 das gewünschte Reluktanzmoment erzeugt, z. B. durch V-förmige Ausschnitte am Außenumfang des stehenden Rückschlußeisens im Abstand der Polteilung; das Weicheisenstück 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 30 hat eine trapezförmige Magnetisierung, wie sie in Fig. 7A schematisch mit B _nutz bezeichnet ist. Seine Pollücken 44 - diese sind auf dem Ring 30 nicht sichtbar, sondern nur Lücken seiner Magnetisierung - sind von innen nach außen entgegen der Drehrichtung gekrümmt, wie das in der DE-OS 22 25 442 beschrieben ist.

Um die äußeren Enden der Pollücken 44 herum hat der Außenumfang 45 des Magnetrings 30 jeweils in einem Winkelbereich von etwa 50 bis 100° el., beim Ausführungsbeispiel etwa 80° 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 Grundplatte 11 ein galvanomagnetischer Sensor 46 angeordnet, der beim Ausführungsbeispiel im Streufluß des Rotormagneten liegt und als Hall-IC ausgebildet ist.

Dieser Hall-IC 46 wird vom Streufluß B _Streu (Fig. 7A) am Außenumfang 45 gesteuert, 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 kann, wenn der Magnetring 30 z. B. aus einer Mischung von Hartferriten und Gummi oder dergleichen besteht, also bei einem sogenannten Gummimagneten, dieser in seiner Gesamtheit einfach - hier jedoch zur Erzeugung eines gewünschten Verlaufs der Hallspannung - in der endgültigen Form ausgestanzt werden, und es braucht bei der Magnetisierung praktisch keine Rücksicht mehr auf die Form der Ausgangsspannung u _H des Hall-IC 46 genommen zu werden, da sich u _H (diese Spannung ist B _Streu praktisch proportional) in sehr einfacher Weise durch Ändern der Abflachungen 47 modifizieren läßt.

Die Welle 37 ist mittels zwei Kugellagern 50 (oben) und 51 (unten) im Lagerrohr 36 gelagert. Das Kugellager 50 liegt mit dem Außenring gegen einen Sprengring 52 an, der im Lagerrohr 36 befestigt ist. Der Innenring des Kugellagers 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 des Kugellagers 51 preßt und diesen dadurch axial gegen den Innenring verspannt. Durch den magnetischen Axialzug im Luftspalt wird der Innen- und Außenlaufring auch des Kugellagers 50 axial zueinander verspannt, so, daß beide Lager ohne Spiel laufen, was für Laufruhe und Lebensdauer bei hohen Drehzahlen sehr wichtig ist.

Am oberen Ende der Welle 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 30 festgeklebt und an der Oberseite ein Formstück 60 befestigt ist, was z. B. durch Nieten geschehen kann; am Umfang des Formstücks 60 sind 16 Radiallüfterschaufeln 63 angebracht, deren Form aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht.

Dadurch, daß der dem Oberteil des Hutes entsprechende Abschnitt des Formstücks 58 das Lagerrohr 36 eng umgibt, erhält man einen großen Lufteintrittsquerschnitt und gleichzeitig eine ausgezeichnete, sehr stabile Lagerung des Lüfterrades 60, 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 Radiallüfters 10 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 erhöhten, 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 großen Eintrittsquerschnitt strömungsmäßig günstig gestaltbar ist.

Für würfelförmige und ähnliche Kompakt-Kleinstlüfter ist deshalb die Erfindung zusätzlich vorteilhaft, denn die Radiallüfterräder erlauben ein kleines Verhältnis d/e von Abmessungen d und e (vgl. Fig. 3), und bei Verlängerung der axialen Schaufeldimension a zu kubischer Lüfterform hin wird das Verhältnis a/h (vgl. ebenfalls Fig. 3) größer und besser. Die Kombination von minimalen d/e und maximalem a/h ergibt ein optimal für die Strömung ausgenutztes Lüftergehäusevolumen. Dabei bedeuten h die axiale und g die dem Durchmesser des Lüfterrades entsprechende Abmessung des Gehäuses, während a die axiale wirksame Schaufellänge ist.

Auch der Luftaustrittsquerschnitt, also die Öffnung 16 gemäß Fig. 1 und 2, ist ersichtlich groß, d. h. trotz der kleinen Abmessungen des Radiallüfters 10 erhält man in seinem Nutzdrehzahlbereich (rund 3000 bis 7000 U/min.) eine sehr gute Luftleistung bei kleiner Leistungsaufnahme (ca. 3 Watt bei 4500 U/min.).

Fig. 6 zeigt zur besseren Erläuterung der mit den Abflachungen 47 verfolgten Ziele eine Schaltung zur Steuerung des Stromes in den Motorwicklungen. Diese sind in Fig. 6 durch die Buchstaben A, A′ und E, E′ genau wie in Fig. 5 gekennzeichnet. Es könnten naturgemäß auch die Schaltungen nach der DE-OS 24 19 432 verwendet werden, wobei insbesondere auch auf die blockiersicheren Schaltungen nach beiden obigen Offenlegungsschriften hinzuweisen ist, denn diese blockiersicheren Schaltungen sind bei Lüftern besonders vorteilhaft. Die Schaltung nach Fig. 6 ist in der DE-OS 25 55 055 näher erläutert.

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 zur Basis eines pnp-Transistors 68 und über einen Widerstand 69 zum Emitter eines pnp-Transistors 70. Der in der Fig. rechte Ausgang des Hall-IC 46 führt zur Basis des Transistors 70 und über einen Widerstand 73 zum Emitter des Transistors 68. Gegenkopplungswiderstände 69 und 73 von z. B. je 1000 Ohm dienen dazu, den Motorströmen jeweils einen Verlauf mit einem Wert u _H oberhalb bzw. unterhalb eines in Fig. 7A mit +u _S bzw. -u _S bezeichneten Schwellenwerts zu verleihen. Der Kollektor des Transistors 68 führt zur Basis eines npn-Leistungstransistors 74. Der Kollektor des Transistors 70 ist mit der Basis eines npn-Leistungstransistors 75 verbunden.

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

Wenn im Betrieb der Hall-IC 46 eine Pollücke 44 oder der sie umgebende Bereich einer Abflachung 47 gegenübersteht, haben sein linker und rechter Ausgang etwa dasselbe Potential, und die Transistoren 68 und 70 sind beide nicht leitend, was auch für die Transistoren 74 und 75 gilt. Wenn sich dann ein Ende einer Abflachung 46 nähert, so daß z. B. der linke Ausgang negativer und der rechte Ausgang positiver wird, leitet noch keiner der Transistoren 68 oder 70, da die Schwellenspannung u _s des Transistors 68 noch nicht erreicht ist. Erst wenn u _H größer wird als u _s, werden die Transistoren 68 und 74 leitend, die Wicklung 76 erhält Strom und der Strom i₇₆ nimmt in der Fig. 7B dargestellten Weise monoton, also nicht sprunghaft, zu. Beim Erreichen der nächsten Abflachung 47 wird dann die Schwellenspannung u _s wieder unterschritten und der Strom i₇₆ (vgl. Fig. 7B) wird zu Null. Als nächstes wird dann - gemäß 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 Aufwand.

Naturgemäß könnte bei geeigneter Formgebung der Pollücken 44 (vergleiche z. B. die DE-OS 24 19 432) der Sensor 46 auch im Luftspalt 29, also im Nutzflußbereich, angeordnet werden, wobei dann ein gewöhnlicher Hallgenerator ausreichen würde.

Ein derartiger Flachmotor ist im Sinne wirtschaftlicher Fertigung besonders mit den weiteren offenbarten Fortbildungen auch in der Serienproduktion beherrschbar.

Das in den Fig. 8 bis 10 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.

Das Lüftergehäuse der Fig. 8 und 9 hat die Maße: h = 25 mm, g × g = 76 mm × 76 mm. Eine durch eine strichpunktierte Linie 229 in Fig. 9 als Umrandung angedeutete Platte 220 weist (ähnlich wie bei Fig. 4 beschrieben) eine gedruckte Schaltung auf, die die gesamte Elektronik mit den Leiterverbindungen einschließlich 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" Hallgenerator 246 (ohne IC) im Nutzflußbereich mit größerer Induktion als im Streufeld des Motors, d. h. innerhalb des Ringmagneten 230 auf der Platte angeordnet.

Fig. 8 zeigt im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 3 ein hutartiges Formstück 258, das nicht nur durch eine kegelstumpfförmige Nabe den Einlauf der Strömung (Pfeil 300) 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 230 des Rotors magnetisch und mechanisch befestigt ist. Dessen Struktur wird bei fast voller motorischer Qualität gemäß Fig. 10 durch trapezförmige, untereinander gleiche, von Streifenmaterial in zweifacher Beziehung mit einfachstem Werkzeug verschnittfrei herzustellende Teilmagnete 231 bis 234 gebildet, deren Trapezform durch zwei rechte und einen 45°-Winkel bestimmt ist. Die Abstände zwischen benachbarten Teilmagneten bilden die Pollücken, die hier wie bei Fig. 5 in Drehrichtung 243 von außen nach innen geschrägt sind. Das hutartige Formstück 258 kann auch ein Leichtmetall- Druckgußteil aus AL- oder Mg-Legierung sein.

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 einer Stelle 357 angerauhter Oberfläche drehfest in das Formstück 258 eingesetzt, z. B. eingeklebt.

In Fig. 5 ist der Winkel η eingezeichnet. Er ist der spitze Winkel (<90°) zwischen der Geraden 33 durch die Spulenzentren und der entgegen der Drehrichtung 43 nächstliegenden Normalen 133 (Senkrechten) auf eine Stirn (Einbuchtung) des Weicheisenstücks 38 (oder der entgegen der Drehrichtung 43 nächstliegenden Winkelhalbierenden 133 zwischen zwei Vorsprüngen 38′ und 38″ am Weicheisenstück 38).

Der Winkel η beträgt optimal bei einem Rotor mit p Polpaaren

η₀ = π/2p

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

Der optimale Wert für η bei Schrägung der Pollücken von radial außen nach radial innen in Drehrichtung ist η₀ bis 2/3 · η₀ (mit stärkerer Schrägung abnehmend).

Der optimale Wert für η bei Schrägung der Pollücken von außen nach innen gegen die Drehrichtung des Rotors ist η₀ bis 4/3η₀ (mit stärkerer Schrägung zunehmend).

Zwischen den Winkeln e und η besteht die allgemeinen Beziehung:

η = ε + π/2p

Fig. 11 zeigt, noch stärker vergrößert, eine zusätzlich vorteilhafte Variante der Lagerung von Fig. 3. Dabei stützt sich der Außenlaufring eines unter Kugellagers 81 auf einer Schulter 88 der Innenbohrung einer mit dem übrigen Gehäuse in gleicher Weise wie in Fig. 3 verbundenen Lagerbuchse 86 ab. Ein oberes Lager 80 stützt sich an einem Innensprengring 82, der in die Eindrehung in die Bohrung der Lagerbuchse 86 eingelassen ist, ab. Der Innenlaufring des Lagers 81 wird mit der Kraft einer Feder 84 gegen den Innenlaufring des Lagers 80 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 80 wird durch einen magnetischen Zug P _M im Luftspalt gegen den Innenlaufring des Lagers 80 über das Ringelement 89 in gleicher Weise wie in Fig. 3 verspannt. Diese Variante der Fig. 11 hat den Vorteil, daß die Montage und Demontage stark vereinfacht sind, 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 P _M den Rotor und damit die Welle 87 ständig nach unten in Richtung des Zugs P _M zieht und dieser magnetische Zug so stark ist, daß weitere mechanische Sicherungselemente entbehrlich sind. In einfachster Weise können der Rotor und die Welle 87 auch nur gegen den magnetischen Zug P _M aus der Lagerung herausgezogen werden.

Noch vorteilhafter wird auf dem Außenlaufring des unteren Lagers eine starre Hülse 99 gemäß Fig. 12 aufgesetzt, welche unter Spielsitz in die Bohrung der Lagerbuchse 86 einschiebbar ist, auf welche dann das obere Lager 80 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 P _M über das Ringelement 89 auf den Innenlaufring des Lagers 80 und 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 Fig. 11 gezeigt ist, am oberen Innenlaufring ab und verspannt die Laufringe des unteren Lagers 81 gegeneinander. Diese letzte Variante ist eine sehr wirtschaftliche Lösung.

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

Ein elastisches Element zwischen der Schulter 88 und dem Außenlaufring des Lagers 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 Fig. 12 nicht dargestellt ist, könnte in für die Genauigkeit des Luftspalts ausreichendem Maße gewährleistet werden, was ohne jeden zusätzlichen Aufwand geschehen kann.

Eine gestrichelt gezeichnete Feder 95 der Fig. 11 würde ohne beiden Laufringe gegeneinander verspannen.

Diese Lagerungsvarianten der Fig. 11 und 12 sind billiger und bedeuten eine einfacherer 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 Fig. 3 eines Scheibenläufers mit permanentmagnetischem Rotor und deshalb großem axialem Zug, der die Laufringe des oberen Lagers 50 (80) verspannt, wobei die Laufringe des Lagers 51 (81) durch die Feder verspannt sind. Bei insbesondere permanentmagnetischen Scheibenrotoren 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 (vgl. hierzu die nicht vorveröffentliche DE-OS 27 01 295).

Die Fig. 13 zeigt vergrößert die Lagerung für das Beispiel der Fig. 8, die ähnlich wie die der Fig. 3 aufgebaut ist. Sie hat eine hohlnietartige Hülse 98 mit kleiner Spieldistanz δ, wobei der Rotor nur soweit aus der Lagerung 86 herausgezogen werden kann, bis diese Spieldistanz δ verbraucht ist.

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 deshalb für Motoren ohne wesentlichen magnetischen Axialzug, ist aber aufwendiger.

Claims

1. Kompakt-Kleinstlüfter mit einem von einem koaxialen Elektromotor angetriebenen Radiallüfterrad, das von einem Luftführungsgehäuse mit einer eine Rückwand bildenden Grundplatte umgeben ist, wobei die Luft in eine der Rückwand gegenüberliegende Stirnseite des Luftführungsgehäuses eintritt und im Randbereich des Radiallüfterrads austritt, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Elektromotor als Flachmotor mit ebenem Luftspalt ausgebildet ist,
- der Stator des Flachmotors (25) einen an der Grundplatte (11) befestigten magnetischen Rückschluß (26) und auf diesem die als Flachspulen (27, 28) ausgebildeten Statorwicklungen aufweist,
- an der Grundplatte (11) ein die Rotorwelle (37) lagerndes Lagerrohr (36) befestigt ist,
- der Rotor hutförmig über dem Lagertragrohr (36) angeordnet ist und an einem hutkrempenförmigen Teil (59) auf dessen Oberseite die Schaufeln (63) des Lüfterrads (60) und auf dessen Unterseite mindestens einen Magneten (30) trägt, so daß das Lüfterrad (60) auf der von den Flachspulen (27, 28) abgewandten Seite des Rotors vorgesehen ist und
- das Luftführungsgehäuse (11, 13) im wesentlichen quaderförmige Gestalt besitzt.

2. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flachspulen (27, 28) vorgesehen sind, die etwa auf der einen Diagonalen der rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Grundplatte (11) liegen.

3. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vierpoligen Motor die Flachspulen (27, 28) im Grundriß und mit ihren Längsachsen mit der Diagonalen jeweils etwa einen rechten Winkel einschließen.

4. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch aktiven Abschnitte der Flachspulen (27, 28) jeweils etwa 130° el. voneinander entfernt liegen.

5. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Rückschluß in Form wenigstens zweier konzentrischer, vorzugsweise gegeneinander isolierter Einzelringe (26) aus einem weichferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.

6. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Rückschluß (26) mindestens teilweise in die Grundplatte (11) des Gehäuses, diese Grundplatte (11) dabei verstärkend, eingebettet ist.

7. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Permanentmagnetrotor ausgebildet ist.

8. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor als kollektorloser Gleichstrommotor (25) mit einem von dem oder den Rotor-Magneten (30) gesteuerten Rotorstellungsgeber (46) ausgebildet ist und daß dieser Rotorstellungsgeber (46) am Stator befestigt ist.

9. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorstellungsgeber (46) als galvanomagnetischer Sensor, insbesondere als integrierter Hall-Generator, ausgebildet ist.

10. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorstellungsgeber (46) im Streuflußbereich des Rotor-Magneten (30) angeordnet ist.

11. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorstellungsgeber (46) mit seiner feldaktiven Fläche neben einer Flachspule (28) und bündig mit dieser am Luftspalt angeordnet ist.

12. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor-Magnet (30) am Außenumfang (45) Abflachungen (47) aufweist.

13. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachungen des ringförmigen Rotor-Magneten (30) im Bereich der Pollücken (44) vorgesehen sind.

14. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abflachungen (47) jeweils über einen Bereich von etwa 50 bis 100° el. erstrecken.

15. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor- Magnet (30) aus einem Material gestanzt ist, welches aus einer Mischung von Hartferriten und Gummi oder Kunststoff besteht.

16. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Rotor-Magnet (30) Pollücken (44) aufweist, welche von außen nach innen entgegen der Drehrichtungen geschrägt sind, wenn ein als Rotorstellungsgeber dienender Hallgenerator (46) in Drehrichtung oder umgekehrt gesehen hinter einer der Flachspulen angeordnet ist.

17. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor- Magnet (30) etwa trapezförmig magnetisiert ist und schmale Pollücken (44; P) aufweist.

18. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Rotor-Magnets (30) ein am Stator befestigtes, weichferromagnetisches Element (38) angeordnet ist, welches im Zusammenwirken mit dem Stator ein Reluktanzmoment erzeugt, dessen antreibende Komponenten in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wirksam sind.

19. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (37) im Lagertragrohr (36) über zwei Kugellager (50, 51) gelagert ist und daß wenigstens eines der beiden Kugellager zur Vermeidung von Lagerspiel axial, vorzugsweise durch den zwischen dem magnetischen Rückschluß (26) und dem Rotor- Magneten (30) vorhandenen magnetischen Zug, verspannt ist.

20. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kugellager (51) durch eine Verspannfeder (54) axial verspannt ist.

21. Kompakt-Kleinstlüfter nach Anspruch 20, 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.

22. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Hohlräume (23, 24) zwischen einer etwa spiralförmigen Luftleitwand (22) und der Gehäuseaußenseite mindestens ein Teil der elektronischen Bauelemente des kollektorlos ausgebildeten Flachmotors (25) angeordnet ist.

23. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische, statorseitige Rückschluß (26) ein Reluktanzmoment erzeugende Ausnehmungen aufweist, derart, daß die antreibenden Komponenten dieses Reluktanzmoment in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments liegen.

24. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Durchmesser (g) des Luftführungsgehäuses etwa 3mal so groß ist wie seine axiale Länge (h) ist (Fig. 3).

25. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftführungsgehäuse wenigstens angenähert würfelförmig ist.

26. Kompakt-Kleinstlüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem die Rückwand geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit einem tiefgezogenen Teil über das Lagertragrohr (36) mit engem Spielabstand zu diesem gestülpt ist, und daß das Radiallüfterrad (60) als ein einstückiges Formstück (60, 258) ausgebildet ist.