BERROTH, Hansjoerg (Birkwaldstrasse 13, VS-Obereschach, 78052, DE)
ANTES-FLORES, Stefan (Stockwald 6, Unterkirnach, 78089, DE)
WINTER, Björn (Weidenbächlestrasse 6, St. Georgen, 78112, DE)
BERROTH, Hansjoerg (Birkwaldstrasse 13, VS-Obereschach, 78052, DE)
ANTES-FLORES, Stefan (Stockwald 6, Unterkirnach, 78089, DE)
| Patentansprüche 1. Sensorlüfter (18), welcher aufweist: Einen kollektorlosen Antriebsmotor (40, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 66, 68) mit einem Stator (50, 52, 54, 56, 58, 60, 66, 68) und einem permanentmagnetischen Rotor (40); ein mit diesem Rotor (40) in Antriebsverbindung stehendes Lüfterrad (20); einen Lufteinlass (78), durch welchen die Luft im Betrieb in den Sensorlüfter (18) einströmt und an welchem mindestens ein Sensorelement (80) zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft der durch den Sensorlüfter (18) transportierten Luft montierbar ist; ein im Bereich des Lufteinlasses (78) vorgesehenes Luftführungsglied (74), welches im Betrieb die vom Lufteinlass (78) kommende Luft zum Lüfterrad (20) leitet und welches mindestens in einem magnetisch wirksamen Rückschlussbereich (72) des Antriebsmotors aus einem ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist und dort als magnetischer Rückschluss für den Stator dient; Statorpolschuhe (50, 52, 54, 58, 60), welche jeweils durch einen magnetisch wirksamen Luftspalt (50B, 52B, 64B, 56B, 58B, 60B) vom Rotor (40) getrennt sind; Statorpolkerne (66), welche sich jeweils von einem Statorpolschuh (50, 52, 54, 56, 58, 60) zum magnetisch wirksamen Rückschlussbereich (72) des Luftführungsgliedes (74) erstrecken; und Statorwicklungen (68), welche auf den Statorpol kernen (66) angeordnet und durch radiale Durchlässe (81) in Umfangsrichtung voneinander getrennt sind, durch welche Durchlässe (81 ) im Betrieb die vom Lüfterrad (20) geförderte Luft strömen kann. 2. Sensorlüfter nach Anspruch 1 , bei welchem das Lüfterrad (20) mindestens einen Bereich (24, 36) aufweist, der aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist, welcher Bereich (24, 36) im 2K-Verfahren mit dem Rotormagneten (40) verbunden ist, der als ein Teil aus einem thermoplastischen Kunststoff mit eingelagerten ferromagnetischen Partikeln (90) ausgebildet ist. 3. Sensorlüfter nach Anspruch 2, bei welchem die ferromagnetischen Partikel (90) mindestens teilweise aus Neodym bestehen. 4. Sensorlüfter nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem der Rotormagnet (40) nach Art eines Halbach-Array (Fig. 5) magnetisiert ist. 5. Sensorlüfter nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem der Rotormagnet (40) als Teil eines Innenrotors ausgebildet ist, dessen Außenumfang (61) eine der Begrenzungen des magnetisch wirksamen Luftspalts (50B, 52B, 54B, 56B, 58B, 60B) bildet. 6. Sensorlüfter nach Anspruch 5, bei welchem der Rotormagnet (40) auf seiner vom magnetisch wirksamen Luftspalt (50B, 52B, 54B, 56B, 58B, 60B) abgewandten Seite (92) mit einem magnetischen Rückschluss (88) versehen und in radialer Richtung magnetisiert ist (Fig. 2). 7. Sensorlüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Basisteil (34) aus einem nichtmetallischen Werkstoff vorgesehen ist, an welchem ein Lager (30) zur drehbaren Lagerung des Lüfterrades (20) vorgesehen ist. 8. Sensorlüfter nach Anspruch 7, bei welchem die Statorpolschuhe (50, 52, 54, 56, 58, 60) auf dem Basisteil (34) befestigt sind. 9. Sensorlüfter nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem die Statorpolkerne (66) auf dem Basisteil (34) befestigt sind. 10. Sensorlüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Lüfterrad (20) als Radial-Lüfterrad ausgebildet ist. |
Die Erfindung betrifft einen Sensorlüfter mit einem Sensor zur Erfassung einer Eigenschaft eines den Sensorlüfter im Betrieb durchströmenden Gases, insbesondere Luft.
Solche Sensorlüfter sind sehr klein und haben etwa die Abmessungen eines
überdimensionierten Fingerhuts. Sie dienen z. B. zur Erfassung der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Radioaktivität der Luft oder sonstiger Gase, und sie haben ein Lüfterrad, und einen Elektromotor zum Antrieb dieses Lüfterrads.
Da es sich um Massenartikel handelt, ist es wichtig, dass solche Lüfter preiswert hergestellt werden können, wobei trotzdem eine genaue Erfassung der zu messenden Variablen gewährleistet sein muss.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Sensorlüfter bereit zu stellen.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 . Dadurch, dass hier der magnetische Rückschluss für den Stator des Elektromotors gleichzeitig als Luftführungsglied für das Lüfterrad ausgebildet ist, ergibt sich eine kompakte Bauweise, wobei der Sensor so angeordnet werden kann, dass keine unerwünschte thermische Beeinflussung des Sensors durch den Elektromotor eintritt und man folglich eine sehr genaue Messung erhält, die z. B. in einer Klimaanlage eine sehr konstante Temperaturregelung auch unter extremen Umweltbedingungen ermöglicht, wie sie z. B. einerseits in der Wüste Sahara, andererseits im Winter in Sibirien oder Lappland auftreten können.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt, gesehen längs der Linie l-l der Fig. 2; er zeigt die Basisplatte 34 eines Sensorlüfters, auf der ein Radial-Lüfterrad 20 drehbar gelagert ist; an der Unterseite des Lüfterrads 20 ist ein Rotormagnet 40 im 2K-Verfahren befestigt,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Basisplatte 34, gesehen in Richtung des Pfeiles II der Fig.
1 , in einem gegenüber Fig. 1 noch stärker vergrößerten Maßstab,
Fig. 3 einen Längsschnitt analog Fig. 1 , bei dem auch der Stator mit den
Statorwicklungen sowie ein Luftführungsglied und ein Sensor dargestellt sind,
Fig. 4 eine raumbildliche Darstellung analog Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des ringförmigen Rotormagneten mit einer
Magnetisierung in Form eines Halbach-Array, bei der auf dem Außenumfang ein starkes Magnetfeld und auf dem Innenumfang nur ein sehr schwaches
Magnetfeld vorhanden ist,
Fig. 6 eine beispielhafte Darstellung der Schaltung der Statorspulen in Form einer
Dreieckschaltung, und
Fig. 7 eine beispielhafte Darstellung einer anderen Art der Schaltung der Statorspulen, wobei zwei Statorspulen zum Starten des Motors dienen und vier Spulen zusammen die Motorwicklung zum Antrieb des Rotors bilden.
Fig. 1 zeigt eine Baugruppe eines Sensorlüfters 18, nämlich dessen Radial-Lüfterrad 20. Dieses hat Lüfterflügel 22, die an einem kegelförmigen Luftleitkörper 24 befestigt sind und von diesem, bezogen auf Fig. 1 und 3, nach oben ragen. Der Luftleitkörper 24 hat oben einen Fortsatz 26, in welchem eine Welle 28 durch Spritzguss befestigt ist. Das Lüfterrad 20 saugt Luft in Richtung von Pfeilen 21 also in axialer Richtung an und transportiert sie in Richtung von Pfeilen 23 nach außen.
Das Lüfterrad 20 ist bevorzugt aus einem Polyamid mit Glasfaserverstärkung durch
Spritzguss hergestellt. Seine Welle 28 ist gelagert in einem Lager 30, das hier beispielhaft als Gleitlager dargestellt ist und das in dem Vorsprung 32 einer Basisplatte 34 (aus Kunststoff) befestigt ist.
Der Luftleitkörper 24 hat an seinem in Fig. 1 und 3 unteren Ende eine ringartige
Verbreiterung 36, an deren Unterseite 38 im 2K-Verfahren ein Magnetring 40 angespritzt ist. Dieser hat eine Polyamidmatrix, in der sich hartferromagnetische Partikel befinden, z. B. aus Neodym, und an der Grenzfläche 38 verschmilzt die Polyamidmatrix des
Magnetrings 40 mit dem Polyamid des Lüfterrads 20, was abgekürzt als 2K-Verfahren bezeichnet wird, weil dabei zwei Kunststoffe längs einer Grenzfläche 38 mit einander verschmolzen werden. Hierdurch entsteht eine ausgezeichnete Verbindung zwischen diesen beiden Kunststoffen.
Wie Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, sind in der Basisplatte 34 in gleichen Abständen (hier z.B. 60 °) sechs Ausnehmungen 46 vorgesehen, und es sind sechs Statorpolelemente 50, 52, 54, 56, 58, 60 vorgesehen, die ebenfalls Ausnehmungen haben, die mit 48 bezeichnet sind und mit den Ausnehmungen 46 fluchten, vgl. Fig. 1 . Die Statorpolelemente haben Polschuhe (Statorpolschuhe) 50A, 52A, ... 60A, die oft auch als„Hämmerchen"
bezeichnet werden und die jeweils durch einen magnetisch wirksamen Luftspalt 50B, 52B, ... 60B vom Außenumfang 61 (Fig. 2) des permanentmagnetischen Rotormagneten 40 getrennt sind. Diese Luftspalte können entweder - wie dargestellt - eine konstante Größe haben, z. B. 0,2 mm, oder sie können, z. B. zur Erzeugung eines Reluktanzmoments, variabel sein. Im letzteren Fall stellt sich eine Pollücke 62 des Rotormagneten 40 an die Stelle größten Luftspaltes. Fig. 2 zeigt schematisch eine solche Pollücke 62, die also im Allgemeinen keine mechanische Lücke ist, sondern nur ein dem Elektroingenieur geläufiges, gedankliches Konstrukt.
Wie Fig. 3 zeigt, ist jeder der Ausnehmungen 46, 48 ein Polkern (Statorpolkern) 66 zugeordnet, der z. B. eine Abmessung von 2 x 2 mm haben kann. Auf ihm ist eine
Statorwicklung befestigt, die mit 68 bezeichnet ist. Insgesamt hat man also beim
Ausführungsbeispiel einen Stator mit sechs Polkernen 66 und sechs Statorwicklungen 68. Die in Fig. 3 oberen Enden der Polkerne 66 sind in Ausnehmungen 70 des waagerechten Teils 72 eines Luftführungsglieds 74 befestigt, z. B. durch Nieten, Schweißen oder Kleben. Wenigstens der waagerechte Teil 72 dient als magnetischer Rückschluss des dargestellten kollektorlosen Antriebsmotors und ist deshalb aus einem ferromagnetischen bzw. weichferromagnetischen Werkstoff hergestellt, z. B. durch Tiefziehen. Das Teil 72 kann als magnetisch wirksamer Rückschlussbereich 72 bezeichnet werden.
Das in Fig. 3 und Fig. 4 obere Ende des Luftführungsgliedes 74 mündet in der Leiterplatte 75, die z.B. mittels Tragestützen 76 am Luftführungsglied 74 befestigt ist.
Wie Fig. 3 zeigt, hat die Leiterplatte 75 in ihrer Mitte eine Öffnung (Lufteinlass) 78, durch welche im Betrieb die Luft in Richtung der Pfeile 21 einströmt. In dieser Öffnung 78 ist ein Sensor bzw. Sensorelement 80 beliebiger Bauart befestigt, z.B. mittels seiner
Anschlussdrähte 82, die mit der Leiterplatte 75 verbunden sind, oder mittels eines speziellen, nicht dargestellten Trägerteils, das in die Öffnung 78 ragt und auf dem der Sensor 80 befestigt ist. Der Sensor 80 dient z.B. zur Erfassung mindestens einer
Eigenschaft der transportierten Lüft, z.B. der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Radioaktivität der Luft oder sonstiger Gase.
Wie Fig. 1 und 3 zeigen, sind an den äußeren Enden der Flügel 22 Aussparungen 84 vorgesehen, deren Form an die Form des Luftführungsglieds 74 angepasst ist.
Fig. 4 zeigt den Sensorlüfter 18 in raumbildlicher Darstellung. Der magnetische Fluss verläuft z.B. von einem Pol des Rotormagneten 40 durch ein Statorpolelement, z.B. das Element 50, ferner durch den zugehörigen Polkern 66 zum magnetischen Rückschluss 72, durch diesen z.B. zum Polkern des Statorpolelements 52, und durch dieses zurück zum Rotormagneten 40. Die Wicklungen 68 erzeugen dabei den Strombelag auf den
Polkernen 66.
Durch diese Bauweise wird es möglich, auch bei einem Innenläufermotor eine sehr kompakte Form zu erzeugen.
Da die ausströmende Luft 23 durch Durchlässe 81 , insbesondere radiale Durchlässe 81 , zwischen benachbarten Wicklungen 68 durchströmt, wie das Fig. 4 zeigt, vermeidet man eine Erwärmung des Sensors 80 durch die ausströmende Luft 23, d.h. der Messwert wird durch den Antriebsmotor des Lüfterrads 20 praktisch nicht beeinflusst.
Fig. 2 zeigt eine radiale Magnetisierung des Rotormagneten 40. In diesem Fall kann man mit Vorteil so vorgehen, dass man beim Spritzgussvorgang (molding) in die Gussform einen Ring 88 aus einem weichferromagnetischen Werkstoff auf der radialen Innenseite des Magnetrings 40 einlegt.
Der Magnetring 40 kann bereits in der Spritzgussform vormagnetisiert werden, um eine Ausrichtung der Magnetpartikel zu erreichen, die in Fig. 2 bei 90 schematisch angedeutet sind. Diese Ausrichtung wird dann nach dem Erstarren der Polyamidmatrix beibehalten, und ggf. ist eine weitere Magnetisierung im erkalteten Zustand möglich, um eine gewünschte Form der induzierten Spannung zu erhalten.
Alternativ kann gemäß Fig. 5 eine Halbach-Magnetisierung verwendet werden. Hierbei benötigt man keinen Rückschlussring 88 (Fig. 2), und man erhält auf der radialen
Außenseite 61 des Magnetrings 40 ein starkes Magnetfeld, weil sich dort die
magnetischen Feldlinien addieren, während man auf der radialen Innenseite 92 ein schwaches Magnetfeld erhält, weil sich dort die Feldlinien gegenseitig aufheben.
Durch die Magnetisierung, die teilweise bereits in der Spritzgussform erfolgt, erhält man Abschnitte 94, bei denen der Magnetfluss 96 hauptsächlich radial von außen nach innen verläuft, und man erhält Abschnitte 98, in denen der Magnetfluss 100 hauptsächlich radial von innen nach außen verläuft. Von den Abschnitten 98 verlaufen die Magnetflüsse 102, 104 etwa in Umfangsrichtung zu den Abschnitten 94. Die Magnetpartikel 90 (Fig. 2) werden durch die Magnetisierung innerhalb der Spritzgussform entsprechend mechanisch ausgerichtet, so dass sich auf der Außenseite des Magnetrings 40 ein entsprechendes Magnetfeld 106 ergibt, wie es in Fig. 5 schematisch angedeutet ist. Durch die Art der Magnetisierung kann die Form dieses Magnetfelds 106 in bekannter Weise beeinflusst werden.
Fig. 6 zeigt, wie die Spulen 68 geschaltet werden, um eine Dreieckschaltung für einen Dreiphasenmotor zu erhalten. Es sind jeweils zwei gegenüberliegende Spulen 68 in Reihe geschaltet. Da die Spulen durchweg mit 68 bezeichnet sind, wird zu ihrer Definition die Bezugszahl 50, 52, ... 60 des zugehörigen Polelements 50, 52, ... 60 verwendet, und diese Bezugszahl wird deshalb in Klammern geschrieben.
Fig. 7 zeigt die Schaltung der Spulen 68 für einen so genannten einphasigen Motor. Zwei der sechs Spulen, nämlich diejenigen mit den Polelementen 52 und 58, sind in Reihe geschaltet und dienen als Anlaufwicklungen. Von diesen kann ggf. eine entfallen, so dass der Motor in diesem Fall nur fünf Spulen 68 hat.
Die vier Spulen mit den Polelementen 56, 54, 50 und 60 sind ebenfalls in Reihe geschaltet und dienen als Motorspulen. Diese sind symmetrisch am Umfang verteilt und erzeugen dadurch symmetrische Kräfte auf den Magnetring 40, so dass sich ein ruhiger Lauf des Sensorlüfters ergibt.
Die Ausführungsbeispiele gemäß Figur 1 bis Fig. 7 zeigen somit einen Sensorlüfter 18, welcher aufweist: Einen kollektorlosen Antriebsmotor 40, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 66, 68 mit einem Stator 50, 52, 54, 56, 58, 60, 66, 68 und einem permanentmagnetischen Rotor 40; ein mit diesem Rotor 40 in Antriebsverbindung stehendes Lüfterrad 20; einen
Lufteinlass 78, durch welchen die Luft im Betrieb in den Sensorlüfter 18 einströmt und an welchem mindestens ein Sensorelement 80 zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft der durch den Sensorlüfter 18 transportierten Luft montierbar ist; ein im Bereich des Lufteinlasses 78 vorgesehenes Luftführungsglied 74, welches im Betrieb die vom
Lufteinlass 78 kommende Luft zum Lüfterrad 20 leitet und welches mindestens in einem magnetisch wirksamen Rückschlussbereich 72 des Antriebsmotors aus einem
ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist und dort als magnetischer Rückschluss für den Stator dient; Statorpolschuhe 50, 52, 54, 58, 60, welche jeweils durch einen magnetisch wirksamen Luftspalt 50B, 52B, 64B, 56B, 58B, 60B vom Rotor 40 getrennt sind;
Statorpolkerne 66, welche sich jeweils von einem Statorpolschuh 50, 52, 54, 56, 58, 60 zum magnetisch wirksamen Rückschlussbereich 72 des Luftführungsgliedes 74 erstrecken; und Statorwicklungen 68, welche auf den Statorpolkernen 66 angeordnet und durch radiale Durchlässe 81 in Umfangsrichtung voneinander getrennt sind, durch welche Durchlässe 81 im Betrieb die vom Lüfterrad 20 geförderte Luft strömen kann.
Bevorzugt weist das Lüfterrad 20 mindestens einen Bereich 24, 36 auf, der aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist, welcher Bereich 24, 36 im 2K-Verfahren mit dem Rotormagneten 40 verbunden ist, der als ein Teil aus einem thermoplastischen Kunststoff mit eingelagerten ferromagnetischen Partikeln 90 ausgebildet ist, wobei die ferromagnetischen Partikel 90 bevorzugt mindestens teilweise aus Neodym bestehen.
Bevorzugt ist der Rotormagnet 40 nach Art eines Halbach-Array (Fig. 5) magnetisiert, und bevorzugt ist der Rotormagnet 40 als Teil eines Innenrotors ausgebildet, dessen Außenumfang 61 eine der Begrenzungen des magnetisch wirksamen Luftspalts 50B, 52B, 54B, 56B, 58B, 60B bildet. Bevorzugt ist der Rotormagnet 40 auf seiner vom magnetisch wirksamen Luftspalt 50B, 52B, 54B, 56B, 58B, 60B abgewandten Seite 92 mit einem magnetischen Rückschluss 88 versehen und in radialer Richtung magnetisiert (Fig. 2).
Bevorzugt ist ein Basisteil 34 aus einem nichtmetallischen Werkstoff vorgesehen, an welchem ein Lager 30 zur drehbaren Lagerung des Lüfterrades 20 vorgesehen ist, wobei bevorzugt die Statorpolschuhe 50, 52, 54, 56, 58, 60 auf dem Basisteil 34 befestigt sind, und wobei bevorzugt die Polkerne 66 auf dem Basisteil 34 befestigt sind.
Bevorzugt ist das Lüfterrad 20 als Radial-Lüfterrad ausgebildet.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Der Stator hat im Ausführungsbeispiel sechs Statorpole, er kann aber z.B. auch zwei, vier oder acht Pole haben.
Next Patent: HIGH-CURRENT PLUG CONNECTOR, IN PARTICULAR FOR E-MOBILITY CELL MODULES