-
Die
Erfindung betrifft einen Minilüfter.
Solche Lüfter
werden auch als Klein- oder Kleinstlüfter bezeichnet.
-
Zur
Luftmessung, z.B. für
Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen, werden Sensorlüfter verwendet. Diese haben
z.B. einen Außendurchmesser
von 30 mm, d.h. es handelt sich nach dem technischen Sprachgebrauch
um Minilüfter.
-
Derartige
Minilüfter
dienen auch zur Kühlung von
Prozessoren in Computern, zur Gerätekühlung bei kleinen Geräten, etc.,
und ihre Abmessungen sind sehr klein. Z.B. haben
- • die Lüfter der
ebm-papst-Serie 250 Abmessungen von 8 × 25 × 25 mm,
- • die
der ebm-papst-Serie 400F Abmessungen von 10 × 40 × 40 mm,
- • die
der ebm-papst-Serie 400 von 20 × 40 × 40 mm,
- • und
die Lüfter
der ebm-papst-Serie 600 von 25 × 60 × 60 mm.
-
Die
Leistungsaufnahme solcher Lüfter
liegt bei der Serie 250 bei 0,4 ... 0,6 W, bei der Serie 400F bei
0,7 bis 0,9 W, und bei der Serie 400 und 600 bei 0,9 ... 3,4 W.
Das Gewicht beträgt
z.B. bei der Serie 250 etwa 5 g, bei der Serie 400/400F zwischen
17 und 27 g, und bei der Serie 600 etwa 85 g.
-
Bei
Lüftern
dieser Miniaturgröße, die
sehr preiswert sein müssen,
ist es wichtig, deren Montage äußerst einfach
zu machen, damit bei ihrer Herstellung ein hoher Automatisierungsgrad
möglich
wird und man eine gleichmäßige Qualität und Geräuscharmut
solcher Lüfter
erhält.
-
Bei
solchen extrem kleinen Lüftern
kommt erschwerend hinzu, dass ihre Bauteile, durchaus vergleichbar
mit denen eines mechanischen Uhrwerks, sehr zierlich und deshalb
wenig robust sind. Die Rotorwelle hat z.B. oft nur die Dicke einer
Stricknadel und kann deshalb bei sorglosem Umgang leicht verbogen
werden, wodurch der Lüfter
unbrauchbar wird. Dasselbe gilt für Polbleche.
-
Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Minilüfter bereit
zu stellen.
-
Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Gegenstand des
Anspruchs 1. Dadurch, dass ein Teil des Spulenkörpers als Träger ausgebildet
ist, auf dem elektrische Elemente des Motors angeordnet werden können, z.B.
Bauelemente, Anschlusselemente oder dergleichen, erhält man eine
sehr einfache und kompakte Bauweise, wie sie gerade für Minilüfter von
größter Bedeutung
ist. Auch ergibt sich der Vorteil einer schwingungsarmen Konstruktion
und folglich eines geräuscharmen
Laufs bei einem solchen Minilüfter.
-
Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung
der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es
zeigt:
-
1 eine
teilweise im Schnitt dargestellte raumbildliche Darstellung eines
Minilüfters
nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, in sehr stark vergrößerter Darstellungsweise,
-
2 eine
raumbildliche Darstellung des Lüfters
der 1, bei der dieser nicht geschnitten dargestellt
ist,
-
3 eine
Darstellung eines Kontaktstifts, mit welchem der Minilüfter auf
eine Leiterplatte aufgesteckt werden kann, wobei dieser Kontaktstift
sowohl eine elektrische wie eine zusätzliche mechanische Verbindung
des Lüfters
mit der Leiterplatte herstellt,
-
4 einen
Schnitt, gesehen längs
der Linie IV-IV der 3,
-
5 eine
Explosionsdarstellung der wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Minilüfters,
-
6 eine
raumbildliche Darstellung eines Polblechs,
-
7 einen
Schnitt, gesehen längs
der Linie VII-VII der 6,
-
8 einen
Schnitt durch einen Klauenpolstator, welcher Polbleche gemäß 6 verwendet,
-
9 eine
raumbildliche Darstellung von oben auf den in 8 im
Schnitt dargestellten Innenstator,
-
10 eine
raumbildliche Draufsicht von unten auf den Innenstator der 9,
-
11 eine
schematische Darstellung eines Bestückungsverfahrens, welches im
Rahmen der Erfindung bevorzugt verwendet werden kann,
-
12 eine
raumbildliche Darstellung einer ersten Variante,
-
13 eine
Draufsicht von oben auf den Lüfter
der 12, und
-
14 eine
raumbildliche Darstellung einer zweiten Variante.
-
1 zeigt
einen Minilüfter 10,
der in der Praxis gewöhnlich
einen Durchmesser von 30 bis 35 mm haben kann, aber aus Gründen der
Anschaulichkeit extrem stark vergrößert dargestellt ist. Er hat
ein Außengehäuse 12 aus
einem isolierenden Kunststoff, und dieses Gehäuse hat oben eine Lufteintrittsöffnung 14 und
seitlich Luftaustrittsöffnungen 16,
von denen in 1 nur die hintere sichtbar ist.
-
Ausgehend
von der Lufteintrittsöffnung 14 erweitert
sich das Gehäuse 12 über einen
ringförmigen
Abschnitt 18 zu einem zylindrischen Abschnitt 20.
-
Auf
dem ringförmigen
Abschnitt 18 liegt eine Leiterplatte 22 auf, und
auf dieser ist ein Dichtring 24 aus Moosgummi in der dargestellten
Weise befestigt.
-
Die
Leiterplatte 22 ist im wesentlichen rund und hat in ihrer
Mitte einen Quersteg 26, von dem in 1 nur die
hintere Hälfte
sichtbar ist und auf dem ein NTC-Widerstand 28 angeordnet
ist, der als Temperatursensor für
Luft dient, welche in Richtung von Pfeilen 30, 32 von
oben durch die Öffnung 14 einströmt und durch
die seitliche Öffnung 16 abströmt.
-
Der
NTC-Widerstand 28 (in SMD-Bauweise) ist durch Leiterbahnen 34 mit
Kontaktstiften 36, 38 verbunden, die im zylindrischen
Teil 20 des Außengehäuses 12 in
der dargestellten Weise isoliert angeordnet sind. Diese Metallstifte 36, 38 haben
unten jeweils einen Kontaktierungsfuß 36' bzw. 38', von denen jeder zwei federnde
Elemente 40, 42 hat, die in 4 dargestellt
sind. Die Kontaktierungsfüße 36' bzw. 38' werden gemäß 3 und 4 in
eine Öffnung 44 einer
Leiterplatte 46 gesteckt. Diese Öffnung 44 ist mit
einer Metallschicht 47 verbunden, die sich durch die Öffnung 44 erstreckt
und mit einer Leiterbahn 48 der Leiterplatte 46 verbunden
ist. Die Kontaktierungsfüße 36', 38' stellen also elektrische
Verbindungen von der Leiterplatte 46 zum Lüfter 10 bzw. dessen
Temperatursensor 28 her. Besonders bei sehr kleinen Lüftern ist
es üblich,
dass sich die Bauteile für
die elektronische Kommutierung nicht im Lüfter 10 selbst befinden,
sondern auf der zugehörigen Leiterplatte 46.
Jedoch ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, diese Bauteile im Lüfter 10 selbst anzuordnen.
-
Der
zylindrische Teil 20 des Außengehäuses 12 wird nach
unten abgeschlossen durch einen Träger 50, in dessen
Mitte eine Metallbuchse 52 angeordnet ist. Diese wird umgeben
von einem zylindrischen Abschnitt 54, der mit der Platine 50 einstückig ist
und der an seinem oberen Ende in eine Ringscheibe 56 übergeht,
welche zusammen mit den Teilen 50 und 54 einen
Spulenkörper
für eine
Statorwicklung 58 bildet. Die Platine 50 hat an
ihrem Außenrand
Einkerbungen 51, durch welche die Kontaktstifte 36 und 38 sowie
andere Kontaktstifte 53 ragen.
-
Innerhalb
der Buchse 52 befindet sich ein (nicht dargestelltes) Sinterlager
für die
Welle 60 des Außenrotors 62 eines
Motors 61. Der Rotor 62 hat ein Trageteil 64 aus
Kunststoff, das in seiner Mitte eine Nabe 66 hat, in welche
das obere Ende der Welle 60 eingespritzt ist, das zwecks
besserer Verankerung eine Rändelung 68 hat.
Der Außenrotor 62 hat
etwa die Form einer auf dem Kopf stehenden Schale und hat an seiner
Peripherie einen Randabschnitt 70, der etwa parallel zur
Welle 60 verläuft.
-
Wie
dargestellt, ist in diesem Randabschnitt 70 ein Permanentmagnet 72 im
Zweikomponenten-Spritzverfahren direkt eingespritzt. Der Magnet 72 besteht
aus Hartferriten in einer Matrix aus Kunststoff, und deshalb kann
dieser Kunststoff mit seinen Hartferritteilchen 74, die
naturgemäß nur schematisch
dargestellt werden können,
z.B. als Ring in das Trägerteil 64 eingespritzt
werden, wobei sich die Grenzflächen,
welche durch strichpunktierte Linien 76 symbolisiert ist,
durch Anschmelzen der Kunststoffe innig verbinden.
-
Anschließend an
das Einspritzen des Magnetrings 72 wird dieser in einer
geeigneten Vorrichtung radial magnetisiert, wie das in 1 durch
die Buchstaben N (Nordpol) und S (Südpol) in der üblichen
Weise symbolisch dargestellt ist.
-
Einstückig mit
dem Trägerteil 64 sind
radial verlaufende Lüfterflügel 80 ausgebildet,
d.h. es handelt sich bevorzugt um einen Radiallüfter.
-
Von
großem
Vorteil bei der Erfindung ist, dass bei dieser Art der Herstellung
der Außenrotor 62 nach
dem Einspritzen der Kunststoffe bereits weitgehend ausgewuchtet
ist, so dass allenfalls noch kleinere Wuchtarbeiten notwendig werden.
Auch ergibt sich eine Einsparung bei der Montage, da gerade solche
extrem kleinen Teile schwierig zu handhaben und zu montieren sind,
und da deshalb bei der Montage leicht Fehler auftreten könnten. Durch
die Erfindung vermeidet man Ausschuss, da der Rotor 62 mit
seinem Rotormagnet bei der Montage als fertiges und geprüftes Teil
vorliegt, das nur noch im Lager montiert werden muss, was gewöhnlich durch
Einstecken der Welle 60 in das Lager geschieht.
-
Bei
dem Lüfter
gemäß 1 bildet
das freie Ende 82 der Welle 60 ein Axiallager
mit dem dortigen Abschnitt 83 des Trägers 50, das diesem
Ende 82 gegenüber
liegt. Dadurch wird das Ende 82 der Welle 60 nach
unten gegen den Abschnitt 83 gepresst, und dies geschieht
dadurch, dass der Magnetring 72 relativ zu den in 1 dargestellten
zylindrischen Abschnitten 84, 86 eines Klauenpolteils 88 in
axialer Richtung versetzt ist. Auf diese Weise wird der Magnetring 72 durch
eine axiale Kraft F nach unten gezogen.
-
Der
Abschnitt 83 wird dadurch gebildet, dass bei der Herstellung
Werkstoff des Trägers 50 durch Öffnungen 85 der
Buchse 52 in deren Inneres gelangt, vgl. 10.
-
Wie
die 5 bis 10 besonders deutlich zeigen,
hat der Lüfter 10 einen
Innenstator 90, der als Klauenpolkonstruktion ausgeführt ist.
-
Der
bereits beschriebene Spulenkörper
57 ist
mit einer Spule
58 bewickelt, die meist zwei separate Wicklungen
hat, die bifilar gewickelt sind, z. B. eine Antriebswicklung mit
zwei Anschlüssen
92,
94 und
eine Sensorwicklung mit zwei Anschlüssen
96,
98,
vgl.
5 und
9. Die Verwendung einer Sensorspule
und einer Antriebsspule ist in diesem Zusammenhang bekannt, vgl.
EP 1 104 950 A2 (EP226 =
EP-3046). Falls ein Hallsensor verwendet wird, ist z. B. auch ein
Betrieb mit zwei Antriebsspulen entsprechend der WO 00/35074 möglich (PCT221
= PCT-3044).
-
Die
Anschlüsse 92 bis 98 sind,
wie dargestellt zu seitlichen Kontakten geführt, die in die Platine 50 eingebettet
sind, bevorzugt im MID-Verfahren und die jeweils mit zugeordneten
Kontaktstiften 53 verbunden sind, welche sich durch die
Nuten 51 erstrecken und dadurch eine elektrische Verbindung mit
den dort vorgesehenen metallischen Beschichtungen 100 herstellen.
-
Unten
am Träger 50 sind
zwei Widerhaken 102, 104 angeformt, vgl. die 5 und 10.
(In 1 sind diese Widerhaken nicht dargestellt.) Mit diesen
Widerhaken wird der Minilüfter
lösbar
an der Leiterplatte 46 (3) verrastet,
wobei die Kontaktstifte 36', 38', 53 die
elektrische Verbindung zu den Leiterbahnen 48 der Leiterplatte 46 herstellen.
Nach seiner Bewicklung mit der Spule 58 wird auf den Spulenkörper 57 von
oben das obere Polblech 88 aufgebracht. Dieses hat eine
zentrale Ausnehmung 106, mit der es auf die Buchse 52 aufgepresst
wird. Gemäß den 6 bis 8 hat
das obere Polblech 88, und genauso das mit ihm identische
untere Polblech 110, auf seiner Außenseite 112 eine
Beschichtung aus Kunststoff, welche
- a) die
Außenseite
der Klauenpole 84, 86 bedeckt, vgl. 9 und
- b) sich etwa in Form von Kreisringsegmenten 114, 116 in
Lücken
zwischen den benachbarten Klauenpolen 84, 86 erstreckt,
vgl. 6.
-
Jedes
dieser Kreisringsegmente 114, 116 ist mit einem
Vorsprung 118 bzw. 120 (7) versehen, der
dazu dient, dieses Kreisringsegment mit dem benachbarten Seitenteil 50 oder 56 des
Spulenkörpers 57 zu
verschweißen.
Dies geschieht bevorzugt durch Laserschweißen, wobei der betreffende
Vorsprung eine unlösbare
Verbindung mit der zugeordneten Seitenwand 50 oder 56 des
Spulenkörpers 57 bildet, wie
in 8 für
die Seitenwand (Träger) 50 dargestellt.
-
Das
untere Polblech 110 wird in der gleichen Weise mit seiner
zentralen Öffnung
auf die Buchse 52 aufgepresst und dann mit dem Träger 50 verschweißt.
-
Wie 9 und 10 besonders
gut zeigen, hat der Träger 50 hierfür zwei Ausnehmungen 122, 124,
durch welche die Klauenpole des Polblechs 110 durchgesteckt
werden. Die beiden Polbleche 88 und 110 sind gemäß 9 und 10 relativ
zueinander um 90° mechanisch
versetzt und greifen folglich interdigital ineinander. Jeder der
Klauenpole hat fünf
radial verlaufende Aussparungen 126, die in 6 dargestellt
sind, und der Kunststoff 112 ist in diesen Aussparungen 126 verankert
und füllt
sie aus. Dies verringert magnetostriktive Geräusche sowie Verwirbelungen
der Luft. Die Aussparungen 126 dienen primär dazu,
Wirbelstromverluste zu reduzieren.
-
11 zeigt
eine bevorzugte Methode zur Bestückung
des Trägers
(Platine) 50 bei solchen Minilüftern. Dabei wird der Umstand
ausgenutzt, dass dieser Träger 50 bereits
beim Spritzgießen
in jede gewünschte
Form gebracht werden kann.
-
Bei 11A) wird an bestimmten Stellen Klebstoff 130 auf
den Träger 50 gespendet,
welche – wie
dargestellt – eine
beliebige Form haben kann.
-
Bei 11B) werden auf diese Klebstoffpunkte 130 entsprechende
SMD-Bauteile 132 aufgebracht.
-
Bei 11C) lässt
man die Klebstoffpunkte 130 in einem entsprechenden Ofen
aushärten.
-
Bei 11D) wird das Bauteil mit leitenden Bahnen 134 beschichtet,
und bei 11E) werden diese Bahnen 134 mittels
UV-Licht ausgehärtet.
Damit ist dann der Träger 50 bestückt und
gebrauchsfertig.
-
Man
bezeichnet diese Herstellung auch als "moulded interconnected device."
-
Durch
dieses Herstellungsverfahren werden die für die Elektronik notwendigen
Verbindungen direkt auf den Spulenkörper 57 aufgebracht.
Die so hergestellten Spritzgussteile sind sofort für die Weiterverarbeitung
vorbereitet. Löcher
oder Anpassungen müssen
nicht mehr nachträglich
eingearbeitet werden, sondern sind durch die Formen der Spritzgussherstellung
direkt in die Bestandteile integriert. Über den geringen Aufwand bei
der Herstellung, und die Qualitätsvorteile,
hinaus bietet dieses Verfahren durch den Verzicht auf bleihaltiges
Lot und Wegfall von Leiterplatten aus üblicherweise nicht recycelbaren
Werkstoffen auch positive ökologische
Aspekte, und die Zuverlässigkeit
wird bei niedrigen Kosten erhöht.
-
12 und 13 zeigen
eine Variante, bei der keine spezielle Leiterplatte erforderlich
ist. Vielmehr werden hier zwei Leiterbahnen 140, 142 im Heißprägeverfahren
in die Oberseite 144 des Lüftergehäuses 146 eingebracht.
Die Leiterbahn 140 wird mit ihrem linken Ende mit einem
Kontaktstift 148 verbunden, und mit ihrem rechten Ende
mit einem NTC-Widerstand 28'.
Ebenso wird die Leiterbahn 142 mit ihrem rechten Ende mit
einem Kontaktstift 150 verbunden, und mit ihrem linken
Ende mit dem NTC-Widerstand 28'.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass in den 12 und 13 Teile,
welche die gleiche Funktion haben wie in den vorhergehenden Figuren,
auch mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben
werden.
-
Um
die Lufteintrittsöffnung 14' herum ist bei den 12 und 13 ein
vorstehender Kragen 152 vorgesehen, welcher den NTC-Widerstand 28' gegen mechanische Beschädigungen
schützt.
Ein Steg 152, auf dem sich der NTC-Widerstand 28' und die Leiterbahnen 140, 142 befinden,
ist als Teil des Gehäuses 146 ausgebildet.
-
Die
Kontaktstifte 148, 150 erstrecken sich durch das
Gehäuse 146 und
ragen unten aus diesem heraus.
-
13 zeigt
den Lüfter
der 12 in der Draufsicht von oben. Durch den Wegfall
einer speziellen Leiterplatte für
den NTC-Widerstand 28' ergibt sich
eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung, wobei die volle
Funktionalität
erhalten bleibt.
-
14 zeigt
eine Variante. Bei dieser ist in einem zylindrischen Abschnitt 220 des
unteren Gehäuseteils 212 an
zwei einander gegenüber
liegenden Stellen 222, 224 je ein flexibler Dauermagnet 226 bzw. 228 angeordnet.
Diese Magnete haben die Form von flexiblen Kunststoffteilen, in
denen sich Hartferritpartikel befinden, und man bezeichnet sie auch
als "Gummimagnete".
-
Vor
der Herstellung des Gehäuseteils 212 werden
diese Magnete in eine Spritzgussform eingelegt und dort an den Stellen
festgehalten, die in 14 mit 228 bezeichnet
sind. Der betreffende Magnet kann bei diesem Vorgang auch in eine
gewünschte
Form gebogen werden, falls sich das bei der Herstellung als zweckmäßig erweist.
-
Anschließend werden
die Magnete mit dem Kunststoff des unteren Gehäuseteils umspritzt, so dass
sie in diesem Gehäuseteil
fest verankert sind und nicht herausfallen können.
-
Diese
Magnete 226, 228 dienen dazu, den Rotor 62 vor
dem Start in eine Stellung zu drehen, aus der er leicht starten
kann.
-
Durch
die Erfindung erhält
man also einen Minilüfter
mit einem sehr kompakten und robusten Innenstator 90. Dabei
muss der Leser berücksichtigen, dass
wenn z. B. der äußere Durchmesser
des Minilüfters 10 in 2 einen
Wert von 35 mm hat, der in 8 mit D
bezeichnete Durchmesser nur ca. 20 mm beträgt, d. h. dass es sich um äußerst kleine
Teile handelt, die
- a) zu niedrigen Kosten und
- b) mit großer
Präzision
hergestellt werden müssen.
-
Ferner
ist zu berücksichtigen,
dass manche Klauenpole aus magnetischen Gründen noch wesentlich kompliziertere
Formen haben können
als die in 6 dargestellte Form, was Herstellung
und Verarbeitung noch zusätzlich
erschweren kann.
-
Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.