DE3332659C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrom- Lüftermotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein Motor dieser Gattung ist in der nachveröffentlichten, auf eine ältere Anmeldung zurückgehende EP 93 817 A1 be­ schrieben.

Ein wichtiges Ziel bei der Herstellung von Lüftern besteht darin, daß ein sehr einfacher Motor verwendet wird, so daß sich niedrige Herstellungskosten ergeben. Außerdem ist es anzustreben, den Lüftermotor in einer möglichst flachen Bauweise auszubilden. Aus der DE-PS 8 19 281 ist es bekannt, zur Erzielung einer flachen Bauweise den Rotor eines Lüfter­ motors in Form eines Rings auszubilden, der die auf der Ro­ torachse angeordneten Ventilatorflügel umschließt. Der Mo­ tor ist als Asynchronmotor ausgebildet, und dementsprechend trägt der besagte Ring auf seinem äußeren Umfang die bei Kurzschlußläufermotoren üblichen Stäbe. In dem den Rotor umgebenden Stator sind außer den Erregerwicklungen noch Kurzschlußwicklungen eingelassen, um durch Erzielung einer Phasenverschiebung ein selbsttätiges Anlaufen des Motors zu erreichen. Im Falle einer Ausbildung als Zweiphasen- Asynchronmotor soll diese Phasenverschiebung durch ein­ schaltung von Kondensatoren erzeugt werden. Ein ähnlicher Lüftermotor, bei dem der den Rotor bildenden Ring nicht durch gesonderte Speichen sondern durch die Lüfterflügel selbst gehalten wird, ist aus der US-PS 19 96 195 bekannt. Auch hierbei handelt es sich um einen Asynchronmotor.

Die Läufer von Asynchron- oder anderen Wechselstrommotoren müssen am äußeren Umfang Wicklungsteile oder die erwähnten Kurzschlußstäbe tragen, werden also aus verschiedenen Ele­ menten zusammengesetzt, was die Herstellungskosten erhöht und auch die Möglichkeit von Unwuchten steigert, die eigens ausbalanciert werden müssen. Außerdem stehen mehrphasige Versorgungsspannungen für Asynchronmotoren nicht überall zur Verfügung. In neuerer Zeit gewinnen daher Gleichstrom­ motoren für Lüfter immer mehr an Bedeutung, insbesondere dort, wo Lüfter zum Kühlen elektronischer Einrichtungen eingesetzt werden, bei denen Gleichspannung zur Verfügung steht.

Bürstenlose Gleichstrommotoren, die den Hall-Effekt aus­ nutzende Elemente verwenden, um die Kommutierungspunkte während des Umlaufens des Rotors festzustellen, sind be­ kannt. In solchen Motoren werden eine oder mehrere Stator­ spulen wiederholt erregt, oder ihre Erregung wird umgekehrt, um die Verlagerung des durch Pole des Statorkerns hervorge­ rufenen elektromagnetischen Feldes zu bewirken. Ein Perma­ nentmagnet-Rotor wird ständig zu den Positionen der elektro­ magnetischen Statorpole hingezogen. Für die Kommutierung sind ein oder mehrere Hall-Elemente vorhanden, welche die räumliche Stellung der Pole des Rotorpermanentmagneten fest­ stellen, um dadurch die Erregung der Statorwicklung zu steuern; oder ein Hall-Element stellt die Position eines oder mehrerer Kommutierungsmagneten fest, die mit dem Rotor gemeinsam umlaufen und speziell dazu dienen, durch Zustands­ wechsel des Hall-Elementes die Kommutierungspunkte beim Um­ laufen des Rotors anzuzeigen.

Bei dem in der erwähnten EP 93 817 A1 beschriebenen bürsten­ losen Gleichstrom-Lüftermotor weist der Rotor eine ringför­ mige Anordnung permanentmagnetischer Segmente auf, die in Radialrichtung polarisiert und um den Umfang des Rotors ver­ teilt sind. In einer Ausführungsform enthält der Stator die­ ses Motors eine außerhalb der Ringanordnung nahe dem Umfang befindliche Elektromagnetkonstruktion aus einer Spulenanord­ nung und einem zugehörigen Magnetflußleiter, welcher zur Bildung eines ein Drehfeld auf die Ringanordnung ausüben­ den Magnetfeldes angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung und der Magnetflußleiter auf einen Ortsbereich begrenzt sind, der an einer Seite des Rings liegt und über weniger als 180° um den Ring reicht. Eine den Hall-Effekt ausnutzen­ de Lagefühleinrichtung kommutiert den elektrischen Strom der Spulenanordnung derart, daß das Magnetfeld wiederholt erzeugt wird und ein Drehmoment an aufeinanderfolgenden Magnetsegmenten angreift.

Bei diesem zuletzt beschriebenen Lüftermotor müssen die einzelnen Magnetsegmente in aufwendigen Arbeitsgängen auf einen ferromagnetischen Ring aufgeklebt oder sonstwie be­ festigt werden. Dabei ist besondere Sorge zu tragen, daß Unwuchten vermieden oder nachträglich ausgeglichen werden. Außerdem bereitet das Anlaufen des Motors Probleme.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen bürstenlosen Gleichstrom-Lüftermotor zu schaffen, dessen zuverlässiger und erschütterungsfreier Betrieb mit sehr geringem Herstellungsaufwand erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 aufge­ führten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße einstückige Magnetring aus permanent­ magnetischem Material hat gegenüber einzelnen, diskreten Permanentmagnet-Segmenten verschiedene Vorteile. Er ist ein­ facher herzustellen als eine mehrteilige Ringanordnung und ist von Anfang an richtig ausgewuchtet, so daß es keiner aufwendigen Arbeitsgänge zur Erzielung eines ruhigen Laufs bedarf. Der dem einstückigen Magnetring benachbarte weitere Permanentmagnet, der den Magnetring im Stillstand für das Wiederanlaufen positioniert, ist ebenfalls ein einfaches und leicht anzubringendes Bauteil.

Aus der DE-OS 27 18 428 ist es an sich bekannt, bei einem Lüftermotor als Rotor einen einstückigen Magnetring zu verwenden. In diesem bekannten Fall aber sind die Lüfter­ flügel nicht innerhalb des Rings, sondern ihm gegenüber axial versetzt angeordnet. Außerdem liegt der Stator nicht radial außerhalb des Rotor-Magnetrings, sondern in Axial­ richtung versetzt, um einen sogenannten "Flachmotor" zu bilden. Dementsprechend ist die magnetische Polarisierung des Magnetrings auch nicht radial, sondern axial gerichtet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht des Gleichstrom-Lüftermotors gemäß der Erfindung, worin die segmentartige Magnetisierung des ringförmigen Permanentmagneten an­ gedeutet ist, während ferner die äußere Spule und die Elektromagnet- Statorkonstruktion erkennbar sind;

Fig. 2 einen Teilschnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, in welchem die dreh­ bare Halterung des Rotors und der Lüfterflügel auf einer Nabe um eine zentralen Trägerabschnitt des Stators dargestellt ist;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der Speisungsschaltung für die Stator­ spule.

Der Gleichstrom-Lüftermotor 10 gemäß der Erfindung weist einen Rotor 11 und einen Stator 12 auf. Der Rotor 11 enthält einen Magnetring 14, der in Segmenten des Umfangs magnetisiert ist. Die in Umfangsrich­ tung aufeinanderfolgenden Segmente sind in radialer Rich­ tung entgegengesetzt magnetisiert. Der Magnetring 14 ist an einem Ring 16 befestigt. Lüfterflügel 17 verlaufen zwischen dem Ring 16 und einer Mittelnabe 19.

Gemäß Fig. 2 trägt die Nabe 19 eine Welle 21, die in einer Lagerhülse 22 gelagert ist, welche in einer Bohrung 23 steckt, die in einem zentralen vorspringenden Abschnitt 25 des Stators 12 ausgeformt ist. Sicherungssprengringe 28 und 29 halten das Lager und sichern den Rotor 11 gegenüber dem Stator 12. Abstandsscheiben 31 füllen überschüssigen Spielraum in der Anordnung aus. Die besondere Halterung, die für die drehbare Halterung der Rotoranordnung und Lüfterflügel 17 im Stator 12 verwendet wird, ist für die Erfindung nicht wesent­ lich und nur beispielhaft zu sehen. So können beispielswei­ se Kugellager oder dergleichen an die Stelle der Lagerhülse 22 treten, und auch andere Anordnungen als die Welle 21 und die Bohrung 23 sind denkbar.

Drei Streben 33 verlaufen von der zentralen Statorhülse 25 auswärts. Sie stellen die Verbindung zu einem im wesent­ lichen kreisförmigen Gehäuse 34 her, an deren Umfang Be­ festigungsansätze 35 mit Löchern 36 vorgesehen sind, so daß der gesamte Motor mit dem Lüfter z. B. mit Schrauben, die durch die Löcher 36 hindurchtreten, befestigt werden kann.

An einer Stelle des Gehäuses 34, das sich in der Fig. 1 am unteren Ende befindet, ist eine Kammer 40 ausgebildet, die eine Statorspule 41, einen Elektromagneten 42, ein Hall-Element X 1 und die übrigen Schaltungs­ elemente der Kommutierungsschaltung, die in der Fig. 1 nicht gezeigt sind, enthält. Die Spule 41 ist auf einen Spulenkasten 43 gewickelt. Durch den Spulenkasten 43 verläuft ein Kern 44 aus magnetisierbarem Material von einem Ende bis zum anderen und bildet einen Teil des Elektromagneten 42. Auch der Spulenkasten 43 selbst kann ein Teil der Elektromagnetkonstruktion sein. Zu dieser Konstruktion gehört auch ein Paar Magnetflußleiter 46 und 47, die eine magne­ tisch leitende Verbindung zwischen dem Magnetkern 44 und Polstücken 48, 49 herstellen, welche an die Außenfläche des Magnetrings 14 angrenzen. Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist der Abstand der Polstücke 48, 49 so groß gewählt, daß bei einer Magnetanordnung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, und bei Erregung der Spule 41 derart, daß das Polstück 48 zum Nordpol und das Polstück 49 zum Südpol wird, der Rotor 11 mit den Lüfterflügeln 17 im Uhrzeigersinn ge­ dreht wird.

Ein weiterer Permanentmagnet 50 richtet den ringförmigen Rotormagneten in eine solche Stellung aus, daß der Motor mit Sichereit anläuft. Zum Anlauf des Motors wird die Spule 41 derart erregt, daß über die Polstücke 48, 49 das Anlaufdrehmoment auf den Ringmagneten übertragen wird. Das Hall-Element X 1 steuert die Speisung der Spule 41 so, daß die Spule erregt wird, um die sich annähernden Pole des Magnetrings 14 anzuziehen, und anschließend abge­ schaltet wird, wenn das Magnetfeld des Magnetrings 14 an dem Hall-Element X 1 aufgrund der Bewegung eines entgegengesetzt polarisierten Segmentes, das in die Nähe der Hall-Einrichtung gelangt, sich umkehrt. Die Entregung der Spule 41 ermöglicht es, daß die nächsten Pole an den Pol­ stücken 48, 49 vorbeigehen, bis das Hall-Element X 1 die Umkehr des Magnetfeldes feststellt und damit das Annähern der nächsten Segmente signalisiert. Die Spule 41 wird erneut erregt, und die Polstücke 48, 49 ziehen die nächsten zwei Segmen­ te an. Diese Folge wird stets wiederholt, wodurch der Ro­ tor 11 auf eine ausgeglichene Geschwindigkeit kommt, bei der die Motorleistung und die Belastung durch den Luftwider­ stand ausgeglichen sind.

Eine solche Betriebsweise ermöglicht die Verwendung einer einfachen Kommutatorschaltung. In der Fig. 3 ist gezeigt, wie das Hall-Element X 1, das einHall-Schalter sein kann, einen Transistor Q 1 steuert, dessen Kollektor-Emit­ ter-Kreis mit der Statorspule 41 in Reihe liegt. Sobald das Hall-Element X 1 einem Magnetfeld von bestimmter Richtung oder Polarität ausgesetzt wird, wird eine leitende Verbindung von der Leitung 51 gegen Masse unterbrochen. Ist diese Leitungsverbindung offen, führt ein Widerstand R 1 der Basis des Transistors Q 1 einen Strom zu, wodurch Q 1 in Leitungszustand versetzt wird und die Spule 41 Strom führt. Erfaßt das Hall-Element X 1 ein Magnet­ feld von entgegengesetzter Richtung oder Polarität oder stellt sie überhaupt kein Magnetfeld fest, wird eine lei­ tende Verbindung zwischen R 1 und Masse hergestellt, so daß die Basis von Q 1 abgeschaltet wird. Der Transistor Q 1 öffnet daraufhin, und die Spule 41 wird entregt, bis X 1 erneut ein Feld in der richtigen Richtung erfaßt. Ein Kon­ densator C 1 dämpft die Spannungsstöße, die beim plötzli­ chen Schalten der Spule 41 auftreten. Die Diode CR 1 verhin­ dert, daß Strom durch die Eingangsleitungen z. B. zu der elektronischen Schaltung, die gekühlt werden soll, zurück­ fließt. Gewöhnlich wird die Eingangsleistung für diese ein­ fache Schaltung von der Gleichspannung abgenommen, die in der zu kühlenden elektronischen Schaltung zur Verfügung steht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schaltungsbauteile auf einer gedruckten Karte befestigt, die dieselbe Gestalt wie die Kammer 40 hat. Die Karte wird dann so auf die Kammer gesetzt, daß die Bauteile in die Kammer hineinragen, so daß der Gleichstrom-Lüftermotor eine ganz kompakte Gestaltung und geringe axiale Ausdehnung hat, wie in Fig. 2 gezeigt.

Claims (8)

1. Bürstenloser Gleichstrom-Lüftermotor mit folgenden Teilen:
einem Rotor, der aus einer ringförmigen Anordnung mit permanentmagnetischen Ringabschnitten besteht, die gleichabständig am Ringumfang verteilt und radial magnetisiert sind, wobei sich innerhalb der ringförmi­ gen Anordnung Lüfterflügel befinden;
einem Stator, dessen magnetisch aktiver Teil aus ei­ nem am Rotor außen angebrachten Elektromagneten mit Magnetflußleitern besteht, wobei sich dieser magnetisch aktive Teil über weniger als 180° des Rotorumfangs er­ streckt;
einem Lagefühler für die Rotorposition,
dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Anordnung ein einstückiger Magnetring (14) ist, dem benachbart ein weiterer Permanentmagnet (50) gegenübersteht, der den Magnetring (14) im Still­ stand derart positioniert, daß bei Wiedererregung der Spule (41) des Elektromagneten (42) der Motor anläuft.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetflußleiter (46, 49) in zwei Polstücken (48, 49) enden, die nahe der Außenseite des Magnetrings (14) angebracht sind.

3. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (10) ein Gehäuse (34) aufweist, in welchem innerhalb des magnetisch aktiven Teils des Stators eine Kammer (40) am Umfang des Drehweges des Magnetrings (14) ausgebil­ det ist, und daß die Spule (41) und die Magnetflußlei­ ter (46-49) innerhalb der Kammer angeordnet sind.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Kammer (40) der Lagefühler (XI) für die Kommutierung mit einem nahe dem Magnetring (14) angeordneten Hall-Element sowie eine Schalteinrich­ tung untergebracht sind, welche die Spule (41) erregt, wenn ein Ringabschnitt einer gegebenen Polarität in der Nachbarschaft des Hall-Elementes ist.

5. Gleichstrommtor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Lüfterflügel (17) von Stellen nahe der Innenfläche des Magnetrings (14) zu einer mittle­ ren Nabe (19) erstrecken;
daß der Stator (10) einen Mittelteil (25) aufweist, an dem die Nabe (19), die Lüfterflügel (17) und die Teile des Rotors (11) einschließlich des Magnetrings (14) drehbar gelagert sind;
daß der Stator (10) Streben (13) enthält, die sich vom Mittelteil (25) des Stators (10) zu einem Gehäuse (34) erstrecken, welches die Lüfterflügel (17) umschließt und die Spule (41) nahe dem Magnetring (14) angrenzend an dessen Außenfläche hält.

6. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der die Spule (41) und die Magnetflußleiter (46-49) enthalten­ de magnetisch aktive Teil des Stators (10) über weniger als 90° des Rotorumfangs erstreckt.

7. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (14) aus einem schmalen Ring besteht, dessen Innen­ radius mindestens das Doppelte der radialen Dicke des Rings beträgt.

8. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (14) mindestens 6 permanentmagnetische Ringabschnitte hat.