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Gleichstromkleinstventilator
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Die Erfindung betrifft einen Gleichstromkleinstventilator insbesondere
einen solchen zur Belüftung elektronischer oder elektrischer Apparate.
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Es sind zahlreiche Gleichstromkleinstventilatoren bekannt geworden,
welche im allgemeinen eine polygonale Kontur, meistens die eincrquadratsin axialer
Draufsicht auf die Rotorachse haben.
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n einem solchen standardisierten X aderförmigen Gehäuse sind ebenso
standardisierte,in quadratischer Distanz angeordnete Befestigungslöcher im Eckbereich
der Quadratkontur des Gehäuses vorgesehen und im allgemeinen sind diese Gebläse
als Axialgebläse ausgebildet, d.h. die Förderrichtung ist parallel zur Rotorachse
des zentral im Gehäusebereich angeordneten Antriebsmotors. Nicht nur die Quadratseitenlänge
des Gehäuses, sondern auch die axiale Länge des Quaders, also die Ventilatorgehäuselänge
in Förderungsrichtung, ist im allgemeinen standardisiert.
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Seit etwa 2 Jahrzehnten werden solche Ventilatoren, im allgemeinen
Elektroniklüfter genannt und als Axialgeblase ausgebildet, verwendet und zwar werden
sie meistens mit Wechselstrom betrieben. In letzter Zeit jedoch macht sich eine
verstärkte Erfordernis nach Gleichstrombetrieb dieser Ventilatoren bemerkbar. Wechselstromantriebe
für solche Ventilatoren wurden auch bei sehr kleinen Abmessungen schon bekannt,
wobei hier durch Erhöhung der Frequenz eine Leistungsverbesserung erzielt wurde.
Ebenso gibt es für sehr kleine Ventilatoren bereits Gleichstromantriebe. Diese bekannten
Lösungen haben jedoch den Nachteil einer relativ geringen Lebensdauer, weil sie
mit Bürstenmotoren angetrieben werden oder es ist eine externe und aufwendige Elektronik
nötig.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem sehr kleinen
Lüfter, insbesondere einem Axialventilator der eingangs genannten Art mit einer
Abmessung von unter 80 x 80 x 35 mm, eine wirtschaftlich vorteilhaft herstellbare
Gebläseeinheit für sehr große Lebensdauer, für kleinen Eigenverbrauch, für kompakte
Gesamtanordnung (d.h., daß die gesamte Antriebselektronik für den Ventilator auch
im Quaderbereich untergebracht sein muß), für hohen Gebläsewirkungsgrad, für eine
gute Förderkennlinie (Volumen pro Sekunde bei variablem Druck) und für einen mäßigen
Stromverbrauch (vorzugsweise annähernd konstant mit veränderlicher Drehzahl) zu
schaffen.
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Bei sehr kleinen Radialgebläsen ist die zu lösende Aufgabe entsprechend.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der
Ansprüche 2 oder 4 gelöst.
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Bei einer Lösung dieser Art machen sich die Vorteile zunehmend stärker
bemerkbar, je kleiner ein solches Gebläse, insbesondere ein Axialventilator, wird.
(Jedoch ist die Anordnung nicht auf Axialgebläse beschränkt, denn der gleiche Vorteil,
jedenfalls hinsichtlich der Kompaktheit des anzutreibenden Motors und der Integration
der Motorelektronik in den Halterungsflansch des Motors ist in gleicher Weise erfindungsgemäß
vorteilhaft anwendbar bei einem Radialgebläse sehr klein werdenden Durchmessers).
Insgesamt aber wirken die beiden Kombtnationsriierkmale von Motor und derartiger
Gehäusegestaltung bei sehr kleinem Ventilator, zum Beispiel unterhalb eines Quadratbereiches
von 70 x 70 mm und einer axialen Länge von 20 bis 30 mms überaus vorteilhaft zusammen,
und wirken sich stark aus.
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Denn ein derartiger Motor (mit 1 oder 2 Pulsen pro 360 ° el.) kann
eine sehr reduzierte Elektronik haben, welche im Motor, vor allem im Flansch, insbesondere
bei Serienproduktion wirtschaftlich vorteilhaft unterbringbar ist, so daß außerdem
gegenüber den bekannten Lösungen eine externe Elektronik nicht benötigt wird.
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Außerdem ist die Gehäusegestaltung bei einem so kleinen Ventilator
und vor allem im Bereich von einem Verhältnis des Durchmessers der zentralen Antriebseinheit
zum Laufraddurchmesser von etwa 1:2(größer als 0,5)an besonders vorteilhaft.
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Letzteres gilt für Axial-und Radialgebläse in gleicher Weise.
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In Anspruch 2 ist eine nebengeordnete Lösung beschrieben, wobei der
Strömungskanal Weningstens angenähert die Form einer Venturidüse aufweist.
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Auch hier kommt die erfindungsgemäße Lösung bei Gehäuseabmessungen
unterhalb von 70 mm x 70 mm x 30 mm besonders vorteilhaft zum Tragen.
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Desgleichen beansprucht Anspruch 4 eine nebengeordnete Lösung für
die vorliegende Aufgabe bei Radialgebläsen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Ventilators in axialer Draufsicht auf die Ausströmseite
in natürlicher Größe; Fig. 2 den Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 den
Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1 durch einen erfindungsgemäßen Ventilator mit
einem anderen Strömungskanalverlauf; Fig. 4 das Schaltbild des Antriebsmotors; Fig.
5 ein weiteres Schaltbild des Antriebsmotors; Fig. 6 ein Diagramm der Förderkennlinle
eines erfindungsgemäßen Ventilators und Fig. 7 ein variiertes AusFührungsbeispiel
zu Fig. 2, jedoch außerdem gemäß der Schnittlinie VII-VII der Fig. 1.
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Ein Ventilator 1 (Fig. 1 und 2) besteht aus einem Gehäuse 2, dessen
Stege 3 über einen Flansch 4 einen zentral angeordneten Motor 5 mit dem Gehäuse
2 verbinden. Die Stege 3 sind ausströmseitig angeordnet, womit eine Verringerung
der durch die Luftbewegung erzeugten Geräusche erreicht wird.
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Das Gebläse 2, die Stege 3 und der Flansch 4 sind vorzugsweise einstückig
hergestellt.
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Der Motor 5 ist ein Außenläufermotor, der weiter unten noch näher
beschrieben wird. Auf dem Außenmantel des Motors 5 ist ein Laufrad 6 befestigt (geklebt
oder aufgeschrumpft). Das Laufrad 6 hat vorzugsweise sieben Lüfterflügel 7, die
ungleichmäßig über dem Umfang verteilt sind, wodurch lästige Einzeltöne gedämpft
werden.
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Zwischen den Lüfterflügeln 7 und der Innenwand 8 des Gehäuses 2 wird
ein im wesentlichen zylindrischer Strömungskanal gebildet, wobei der äußere Durchmesser
des Laufrades 6 (äußerer Lüfterflügeldurchmesser) nur geringfügig kleiner sein sollte
als der Durchmesser der Innenwand 8 des Gehäuses 2 zur Optimierung der Luftströmung
(Fig. 2). Sehr gute Ergebnisse werden hier erreicht, wenn man das Gehäuse 2 und
das Laufrad 6, einschließlich seiner Lüfterflügel 7, aus glasfaserverstärktem Kunststoff
im Spritzgußverfahren fertigt.
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Die Förderleistung des Ventilators wird noch erhöht, wenn wenigstens
ausströmseitig der Strömungskanal in Konturenecken 9 des Gehäuses 2 derart erweitert
wird, daß die Erweiterungen 10 wesentlich über den Durchmesser des Laufrades 6,
7 hinausgehen. Diese Eckenerweiterung kommt bezüglich Leistungserhöhung besonders
bei Lüftern dieser Art (Grundfläche 62 mm x 62 mm , axiale Länge 25 mm) zum Tragen.
In den Konturecken 9 sind außerdem einström-und/oder ausströmseitig Befestigungslöcher
11 vorgesehen.
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Zur Lagerung des Rotors des Motors 5, der mit einer Drehzahl von etwa
5000 1/min läuft, werden Kugellager 12 verwendet.
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Die billigeren Gleitlager, die bei größeren Lüftern eingesetzt werden,
sind hier vor allem wegen der hohen Drehzahlen nicht geeignet.
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Die Kugellager 12 sind in einemYlagerrohr 18 eingesetzt. Das Lagerrohr
18 ist auf seinem Außendurchmesser im Bereich des Statorblechpakets abgesetzt, d.h.
im Durchmesser einer kleiner, um über dem möglichst nahe an ;dri Rotorwelle 19 liegenden
Nutengrund im Stator trotzdem einen ausreichenden Eisenquerschnitt für den magnetischen
Kreis dort zu gewinnen.
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Das Lagerrohr 18 wird an einem Ende mit dem Flansch 4, 24 durch Rollieren
fest verbunden. Diese Maßnahme erbringt eine weitere Platzersparnis.
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Pfeile 13 und 14 geben die Strömungsrichtung an.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3.
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Ein Ventilator 21 besteht aus einem Gehäuse 22, das Stege 23 aufweist,
die in einem mittig zur quadratischen Grundfläche des Gehäuses 22 vorgesehenen Flansch
24 übergehen (entsprechend Fig. 1) Das Gehäuse 22, die Stege 23 und der Flansch
24 bestehen aus einem Stück. Ein Motor 25 ist am Flansch 24 befestigt. Auf seinem
Außenmantel ist ein Laufrad 26 mit Lüfterflügeln 27 angebracht. Ein Strömungskanal
28 ist hier in Form einer Venturidüse ausgebildet, wobei ausströmseitig entsprechend
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 der Strömuhgskanal 28 in Konturenecken
29 des Gehäuses 22 hinein Erweiterungen 30 vorgesehen sind. In den Konturenecken
29 befinden sich Befestigungslöcher 31 einström-und ausströmseitig.(Abstand 50 mm
x 50 mm).
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Der Motor 5, 25 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor für ein-oder
zweipulsigen Betrieb mit einem sogenannten Reluktanzhilfsmoment, welches dadurch
zustande kommt, daß da-s elektrodynamische Moment von der Statorwicklung her nur
ein Wechselfeld aufweist und der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises
-im Statorbereich so über der Drehro-tationsstellung des Läuferrades verändert ist,
daß magnetische Energie gespeichert wird'solange das eiektrodynamische Moment pulsweise
antreibt und in den Pulslücken die gespeicherte magnetische Energie durch Zusammenwirken
des Rotorpermanentmagneten mit dem Statoreisen wieder frei wird unter Drehmomentbildung.
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Solche Motoren sind in der DE-AS 22 25 442 und in der DE-PS 23 46
380 (= CH-PS 597 715) und in der Zeitschrift "asr-divest" Heft 1-2/77 u. a. im einzelnen
beschrieben. Diese Motoren sind vorteilhafterweise Außenläufermotoren, in deren
Rotor ein Dauermaqnet t in Form eines Dauermagnetringes oder eines ringförmig gebogenen
Daejermacgnetbandes angeordnet ist. Bei dem Dau(?rmagneten kann es sich insbesondere
um einen kunststoffgebundenen Magneten oder einen sogenannten Gummimagneten handeln.
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Solche Magnete bestehen aus Mischungen von Hartferriten und elastischem
Material, insbesondere aus elastomergebundenem Barjumferrit. Solche Magnete beze-ichnet
man auch als Gummimagnete. Die Magnetisierung ist mit Vorteil über der Polteilung
trapezförmig oder annähernd trapezförmig bei relativ kleiner Polliicke. In gleicher
Weise kann man aber auch andere Dauermagnete verwenden, z. B. eingeklebte HaLbschaLen
oder andere.
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D ic Elektronik zur Regelung eines solchen Motors (beschrieben in
DE-OS 30 10 435.9) benötigt Weniger Bauteile als übliche Gleichstrommotoren dieser
Art. Daher ist es möglich, auch die Elektronik für die Kommutierunq des Motors innerhalb
der Außenmaße des Gehäuses 2, 22 des Ventilators 1, 21 unterzubringen, und zwar
innerhall) des 1 b Motors, vor allern im Bereich des Flansches 4. Die europäische
Patentanmeldung 82/111 882.5 (EU-OS 0 084 156) beschreibt eine hier sehr gut verwendbare
Knmmutierunqsschaltung mit Wenigen Elementen.
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Dazu ist prinzipiell auch die Kommut ierungcschal.tunq nach der US-PS
3 873 898 oder den DE-OS 2 263 242 und 2 460 419 vorteilhaft verwendbar. Auf diese
genannten Druckaclriften (DE-AS 22 25 442, DE-PS 23 46 380 und DE-OS 30 10 435)
wird oklr Vermeidung unnötiger L irlgen iusdrücklich Bezug genommen. Insbesondere
wird auf die Figuren 6 und 7 der DE-OS 30 10 435 verwiesen. Aus Platzmangel werden
die zur Block crs i ehe rung e Lngeset/ en rel t i v großen Kondensatoren 68 und
74 (Fig. 6 in der DE-OS 30 10 435 entfernt und statt dieser ein PTC-Widerst.and
78 in die Plusleitung 33 eingesetzt.
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In Fig. 4 ist eine solche Schaltung dargestellt. Darin ist ein Anpassungsnetzwerk
65 aus drei Widerständen vorgesehen, und zwar führt vom Ausgang 50 des Hall-ICs
55 ein Widerstand 66 zur Plusleitung 33, ein Widerstand 67 zur Basis eines pnp-Transisistors
69, welche Basis über einen Ableitwiderstand 70 mit der Plusleitung 33 verbunden
ist, an der auch der Emitter des Transistors 69 liegt. Der als rotorstellungsabhängiges
Sensormittel dienende Hall-IC 55 ist mit einem Anschluß an die Minusleitung 35 und
mit dem anderen Anschluß über einen Widerstand 48 an die Plusleitung 33 angeschlossen.
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Parallel zu ihm liegt eine Zenerdiode 49, die die Spannung am Hall-IC
55 regelt. Ferner führt vom Ausgang 50 ein Widerstand 73 zur Basis eines npn-Transistors
75, die auch über einen Ableitwiderstand 76 mit der Minusleitung 35 verbunden ist,
an der auch der Emitter dieses Transistors liegt. Der Kollektor des Transistors
69 ist mit dem Anschluß al des Wicklungsstranges W1 verbunden, der Kollektor des
Transistors 75 mit dem Anschluß a2 des Wicklungsstranges W2. Die Freilaufdioden
59 und 60 sind antiparallel zu den zugeordneten Transistoren 69 bzw. 75 geschaltet.
Zwischen den Anschlüssen al und a2 liegt der Koppel kondensator 47.
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Wenn beim Anlaufen z.B. dem Hall-IC 55 ein Nordpol gegenübersteht
wird sein Ausgangspotential niedrig, nimmt also etwa das Potential der Minusleitung
35 an. Es fließt deshalb ein Ladestrom über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors
69 und macht den Transistor 69 leitend, so daß ein Strom im Wicklungsstrang Wl fließt.
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Wird dieser Strom anschließend abgeschaltet, so wird die Energie aus
dem Wicklungsstrang W7 über die transformatorische Kopplung, den Koppelkondensator
47 und die Diode 60 rekuperiert.
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Anschließend wird dann der Transistor 75 leitend gesteuert.
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Wird der Rotor blockiert, so erhält der gerade leitende Transistor
69 oder 75 zwar noch einen Teil des relativ bohren Anlaufstromes, jedoch heizt dieser
den am Eingang liegenden PTC-Widerstand 78 sehr schnell auf, womit dessen Widerstand
entsprechend seiner charakteristischen Kennlinie stark ansteigt und somit den tatsächlichen
Strom im blqckierten Zustand auf 10 - 20 56 des "normalen" Kurzschlußstrmwertes
reduziert; damit wird auch der die Transistoren 69, 75 belastende Strom so klein,
daß sie thermisch nicht gefährdet sind.
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Die Schaltung nach Fig. 4 stellt eine wirtschaftlich vorteilhafte
Lösung für einen solchen Kleinstventilator dar, da insgesamt relativ wenige Bauelemente
noch raumintegrativ im Flansch das sehr kleinen Antriebsmotors untergebracht werden
können, obwohl auch die Forderungen: Blockierschutz und Falschpolsicherung (beides
mittels des am Eingang liegenden PTC-Widerstandes 78 der ebenfalls mit in diesem
Flansch untergebracht ist) erfUllt sind.
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Eine weitere Reduzierung der Bauteile wird mit einer Schaltung gemäß
Fig. 5 erreicht. Eine paralleldrähtige Wicklung (sogenannte "bifilare'tWicklung)
erlaubt die Verwendung kleinerer Kondensatoren , und die Anzahl der Kondensatoren
kann verringert werden. Durch den Einsatz des PTC-Widerstandes 78 und "bifilarer"
Wicklungen ( W2') können die in der DE-OS 30 10 435 (Fig. 6) verwendeten Kondensatoren
47, 68, 74 entfallen.
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Statt der einfachen Transistoren 69 und 75 nach Fig. 4 werden hier
komplementäre Darlingtontransistoren 80, 81 verwendet, und zwar bevorzugt solche
Typen, welche die Ableitwiderstände 80', 81' und die Freilaufdioden 80", 81't bereits
enthalten Da die Darlingtontransistoren eine wesentlich größere Stromverstärkung
haben als einfache Transistoren, können sie auch mit RC-Gliedern höherer Impedanz
angesteuert werden.
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Als Hall-IC wird ein Typ mit integrierter Spannungsstabilisierung
(z.B. UGN 3016 "Sprague") eingesetzt, wodurch die Diode 49 (Fig. 4) entfällt.
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Das als Anpassungsglied dienende Widerstandsnetzwerk 82 ist hier im
Prinzip gleich aufgebaut wie das Netzwerk 65 der Fig. 4.
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Der Knotenpunkt 83 ist über einen Widerstand 85 mit der Plusleitung
33, über einen Widerstand 86 mit der Basis des Transistors 80, und über einen Widerstand
88 mit der Basis des Transistors 81 verbunden. Die Anordnung der Kondensatoren 16,
17 Zwischen den Basen der Transistoren 80, 81 und der Leitungen 33, 55 verbessert
das Schaltverhalten.
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Der Emitter des pnp-Transistors 80 ist auch hier mit der Plusleitung
33, sein Kollektor mit dem Anschluß al des Wicklungsstranges W1' verbunden, und
der Emitter des npn-Transistors 81 ist mit der Minusleitung 35 verbunden, während
sein Kollektor mit dem Anschluß a2 des Wicklungsstranges W2' verbunden ist.
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Fig. 6 zeigt die Förderkennlinie eines erfindungsgemäßen Lüfters von
62 x 62, 25 mm Außenabmessungen mit einer Drehzahl von 5000/6000 U/min für 12/13
V DC.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind hinsichtlich der Dimensionierung
des Lagerrohrs ähnliche Verhältnisse wie in Fig 2 vorgesehen, jedoch ist hier zusätzlich
außerdem einstückig an den Flansch 4 ein die Lager 12 aufnehmendes Lagertragrohr
99 ancgespritzt, welches für Dauerbetrieb in Verbindung in i t einem einpulsig oder
zweipulsig betriebenen kollektorlosen Gleichstrommotor überraschenderweise eine
ausreichende Genauigkeit und Temperatur festigkeit aufweist, wobei Gehäuse, Flansch,
Stege, Lagerrohr ein einziges Kunststoffteil bilden. Dabei weist das Lagerrohr 99
zweckmäßig noch angespritzte Ansätzc, 99A, 99B, 99C zum Anschlag von Lagern und
Stator auf.
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Anstelle des bereits genannten zweipulsigen kol lektorlosen DC-Motnrs
mit Reluktanzhilfsmoment, der vorteilhafterweise nach der DE-PS 23 46 380 ausgebildet
ist, welche Schrift hiermit in diese Anmeldung incorporiert wird, ist auch der Betrieb
mit einem zweipulsigen kollektorlosen DC-Motor ohne Reluktanzhilfsmoment, z. B.
noch der in diese Anmeldung hiermit incorporierten DE-OS 27 30 142 möglich. Auch
in Verbindung mit jenem Motor kann das zentrale Lage rohr aus Kunststoff sein und
einstückig mit Flansch, Stegen und Außengehäuse oespritzt sein. Besonders gut geht
es jedoch mit einem zweipulsigen Reluktanzhilfsmomentmotor, da dessen Wirkungsgrad
besonders hoch ist (insbesondere wenn qemäβ DE-PS 23 46 380 ausgebildet) und
dessen Erwärmung entsprechend klein ist, womit relativ hohe Stabilität des Lagerrohres
gewährleistet ist.
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Ersichtlich ist die Außenkontur des Ventilatorgehäuses keinen Ei;
Fluß auf cli e Stabilität des Lagertragrohrs und die Unterbringung der Kommulierungselektronik
innerhalb des Motors. Es zeigt auch Fig. 7 ein ringertiges (Gehäuse 2 , d. h. der
allcjemeinsten form von punktsymmetrischer Auβenkontur. Ein sogenannter einpulsiger
Motor ist in der DE-OS 22 60 069 beschrieben.
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