-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Lüfter in der Ausführung
eines Trommellüfters mit einem Lüftermotor, welcher
einen Stator und einen permanentmagnetischen Läufer aufweist,
und mit einer im Wesentlichen zylindrischen Lüftertrommel,
die zumindest einen ersten und einen zweiten, insbesondere jeweils
endseitig der Lüftertrommel angeordneten, Trommelkranz
mit dazwischen angeordneten Lamellen oder Schaufeln aufweist. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Trommellüfters.
Gegenstand der Anmeldung ist der Direktantrieb der Lüftertrommel,
die Gestaltung und konstruktive Anordnung der Motorkomponenten sowie die
Herstellung der Lüftereinheit.
-
Derartige
Trommellüfter gewinnen als dezentrale Klimageräte
zur Belüftung und Klimatisierung von Wohn- und Büroräumen
gegenüber zentralen, fest installierten Klimaanlagen zunehmend
an Bedeutung. Sie stellen kompakte Kleingeräte dar, die flexibel
einsetzbar, vergleichsweise preiswert und im Bedarfsfall ohne aufwendige
Reparaturen schnell und kostengünstig ersetzbar sind.
-
Trommellüfter
dienen dabei zum Transport insbesondere thermisch aufbereiteter
Luft in im Wesentlichen radialer Richtung, so dass sie auch als
Radiallüfter bezeichnet werden. Sie werden elektromotorisch
angetrieben, wobei die Lüftereinheit eine selbständige
Einheit darstellt, die mechanisch mit der rotierenden Komponente
des Elektromotors verbunden ist.
-
Für
eine bedarfsgerechte Anpassung der Lüfterleistung verfügen
Trommellüfter häufig über drehzahlveränderbare
Antriebe, mittels derer die Drehzahl des Motors und damit auch des
Lüfters stufenweise oder kontinuierlich einstellbar ist.
Es ist bekannt, Trommellüfter mit Asynchronmotoren oder EC-Motoren
anzutreiben. Bei Ausführungen mit einphasigem Asynchronmotor
mit Kondensatorhilfsstrang wird die Drehzahl des Trommellüfters
meist stufenweise über Wicklungsanzapfungen eingestellt. Für
eine kontinuierliche Drehzahleinstellung bei gleichzeitig höherer
Energieeffizienz, werden zunehmend EC-Motoren eingesetzt, die über
einen motorgetakteten Umrichter gespeist werden.
-
Der
Lüftermotor ist üblicherweise als Außenläufermotor
ausgebildet und innerhalb der Lüftertrommel derart montiert,
dass die Lüftertrommel mechanisch steif mit dem Außenläufer
verbunden ist. Die Lüftertrommel ist dabei im Wesentlichen
zylindrisch ausgeführt und weist Lamellen auf, an deren Enden
beidseits jeweils ein Trommelkranz vorgesehen ist, der die Lamellen
in einer Ringanordnung miteinander verbindet. Ein weiterer in axialer
Richtung etwa mittig angeordneter Trommelkranz dient dabei als mechanisches
Koppelelement, über welches die Lüftertrommel
mit dem Außenläufer verbunden ist. Der Trommellüfter
weist ferner einen Innenstator auf, der über eine feststehende
Welle oder einen Flansch mit dem Gehäuse des Lüfteraggregates
drehfest verbunden ist.
-
Für
ein angemessenes Wohlbefinden der im Raum befindlichen Personen
ist es von Bedeutung, dass das gesamte Lüfteraggregat bestehend
aus Lüftermotor und Lüftertrommel geräuscharm
arbeitet. Neben den Strömungsgeräuschen sind daher
insbesondere auch mechanisch und elektromagnetisch erregte Geräusche
zu minimieren. Bei den bekannten Ausführungen von Trommellüftern
bildet der stets vorhandene Läufer ein mechanisches Konstruktionselement,
welches erheblich zu den Produktionskosten des Trommellüfters
einerseits sowie zu der Masse der rotierenden Teile und zu der damit
einhergehende Geräuschemission andererseits erheblich beiträgt.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Trommellüfter mit
einem neuartigen Antriebskonzept bereitzustellen, der gegenüber
Trommellüftern nach dem Stand der Technik bei geringerem
Fertigungsaufwand in seiner Herstellung kostengünstiger
ist, eine höhere Energieeffizienz durch einen höheren Wirkungsgrad
und eine geringe Geräuschemission aufweist. Weiterhin ist
es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Trommellüfters bereitzustellen.
-
Diese
Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
1 und 17 gelöst.
-
Es
wird ein Trommellüfter mit einem Lüftermotor vorgeschlagen,
der einen Stator und einen permanentmagnetischen Läufer
aufweist, und mit einer im Wesentlichen zylindrischen Lüftertrommel,
die zumindest einen ersten und einen zweiten, insbesondere jeweils
endseitig der Lüftertrommel angeordneten, Trommelkranz
mit dazwischen angeordneten Lamellen oder Schaufeln aufweist, wobei
die Lüftertrommel Permanentmagnete trägt und den
Läufer des Lüftermotors bildet.
-
Grundidee
der Erfindung ist es, den Lüftermotor funktional in die
Lüftereinheit derart zu integrieren, dass ein mechatronisches
System vorliegt, wobei die Lüftertrommel dabei direkt angetrieben
wird. Durch einen derartigen Direktantrieb der Lüftertrommel
entsteht eine mechanisch steife und kompakte Gebläseeinheit.
Die Motorfunktion wird durch ein Statormodul und ein Magnetmodul
realisiert, welche in einfacher Form kompakt und kostengünstig
gefertigt und leicht montiert werden kann. Der aktive Teil eines
konventionellen Läufers, d. h. die Anordnung der für
die Bildung des Drehmoments verantwortlichen Permanentmagnete, stellt
dabei einen konstruktiven Bestandteil der Lüftertrommel
dar. Die Permanentmagnete sind erfindungsgemäß derart
an der Lüftertrommel angeordnet oder in derselben integriert,
dass die Lüftertrommel selbst den Läufer des Trommellüfters
bildet, welcher in derartiger Bestückung das Magnetmodul
bildet. Auf diese Weise wird ein zusätzliches Bauteil,
nämlich ein separater Läufer eingespart. Die Kosten
für die Herstellung des Läufers können
damit vermieden werden. Darüber hinaus wird durch das Weglassen
des konventionellen permanentmagnetischen Läufers die rotierende
Masse des Lüfteraggregats reduziert, so dass eine geringere
Geräuschemission erreicht wird. Der kompakte Aufbau des
Trommellüfters führt daher zu einem leisen und
schwingungssteifen Betrieb.
-
Für
den elektromotorischen Antrieb des Trommellüfters werden
erfindungsgemäß Drehfeld-Motorkonzepte verwendet,
wobei der Stator das Drehfeld- Wicklungssystem trägt. Er
ist dabei vorzugsweise Bestandteil der Gehäusekonstruktion,
insbesondere drehfest mit dieser verbunden. Die Permanentmagnete
können von Seltenerdmagneten gebildet sein.
-
Die
Lüftertrommel weist Lamellen oder Schaufeln auf, deren
Längsachsen sich parallel zur Läuferachse erstrecken,
wobei als Längsachse die Erstreckung der Lamellen oder
Schaufeln in Richtung der Rotationssymmetrieachse der zylindrischen Läufertrommel
zu verstehen ist. Im Falle der Lamellen ist deren Rücken
um einen Winkel gegenüber der Tangente gekippt. Weiterhin
können die Lamellen auch gegenüber der Läuferachse
in axialer Richtung von einem axialen Ende zum anderen Ende um einen geringen
Winkel verdreht angeordnet sein. Der Winkel, um welchen die Lamellenrücken
der Lamellen gegenüber der Tangente an den zylinderförmigen Querschnitt
der Lüftertrommel gekippt ist, kann unveränderbar
sein oder manuell oder elektromechanisch eingestellt werden. Der
von der rotierenden Lüftertrommel erzeugte Luftstrom kann
dadurch in seiner Menge zusätzlich eingestellt werden.
Im Falle der Schaufeln sind diese in radialer Richtung nach außen
gewölbt ausgebildet.
-
Erfindungsgemäß können
die Permanentmagnete auf oder in der Lüftertrommel angeordnet sein,
wobei sie entweder auf der Oberfläche der Lüftertrommel
angeordnet, insbesondere aufgeklebt oder durch geeignete Strukturen
auf der Lüftertrommel, wie beispielsweise Ausnehmungen
oder Rasthaken, haltend eingefasst sein können, oder in
die Lüftertrommel integriert, insbesondere mit ihr vergossen
oder verspritzt sein können. In letzterem Fall können
die Permanentmagnete zumindest teilweise in der Lüftertrommel
einliegen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Lüftertrommel durch einen Spritzvorgang hergestellt,
bei dem die Permanentmagnete umspritzt oder an die Lüftertrommel
angespritzt werden. Die Lüftertrommel kann dabei aus rostfreiem
Stahl oder Kunststoff gefertigt sein.
-
Die
Permanentmagnete sind vorzugsweise dünn gegenüber
ihrer Länge und Breite ausgebildet und umfänglich
unter Bildung einer Magnetspur auf oder in die Lüftertrommel
derart aufgebracht oder integriert, dass ihre Nord-Südpole
radial ausgerichtet sind. Im Falle einer Aufbringung auf den Innenumfang
der Lüftertrommel ist der Stator innerhalb der Lüftertrommel
angeordnet. Er bildet somit einen Innenstator mit außenumfänglich
umlaufendem Lüftertrommelläufer.
-
Im
Falle einer Aufbringung der Magnetspur auf den Außenumfang
der Lüftertrommel ist der Stator außerhalb der
Lüftertrommel angeordnet. Er bildet somit einen Außenstator
mit innerhalb desselben rotierendem Lüftertrommelläufer.
Durch die Verwendung von Permanentmagneten und die kompakte Realisierung
der Statormodule ist die Energieeffizienz vergleichsweise hoch.
-
Die
Permanentmagnete können zumindest auf oder in einigen Lamellen
oder Schaufeln oder auf oder in zumindest einer der Trommelkränze
aufgebracht bzw. integriert sein. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete
am axialen Ende der zylindrischen Lüftertrommel oder im
Bereich deren axialer Mitte umfänglich angeordnet.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Stator auch
derart ausgebildet sein, dass er sich nur über einen Teil
der axialen Länge der Lüftertrommel erstreckt.
Damit ist gewährleistet, dass ein hohes Lufttransportsvolumen
erreicht wird, da derjenige Teil der axialen Länge der
Lüftertrommel, in den sich der Stator nicht erstreckt,
quasi einen Hohlzylinder bildet, wodurch die von den rotierenden
Lamellen oder Schaufeln verdrängte Luft ungehindert nachfließen
kann. Dabei kann der Stator vorzugsweise stirnseitig oder in etwa
mittig der axialen Länge der Lüftertrommel angeordnet
sein,
-
Der
Stator kann segmentiert ausgeführt sein, d. h. aus mehreren
baugleichen Segmentabschnitten zusammengesetzt sein, wodurch die
Fertigung insbesondere bei großen Trommellüftern
vereinfacht wird. Durch die segmentierte Bauweise ist es auch möglich,
dass sich der Stator nur über einen Teil des Lüftertrommelumfangs
erstreckt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Stator als
Doppelspulenstator in der Art eines Linearmotors ausgebildet, wie
er aus der
deutschen Patentanmeldung
10 2006 022 773.5 bekannt ist. Derartige Motorkonzepte
sind "eisenlose" Konzepte und weisen daher ein geringeres Aktivteilgewicht
auf. Sie verfügen über eine höhere Drehmomentdichte, so
dass sie für die Aufbringung gleicher Antriebskraft verglichen
mit konventionellen Motorsystemen eine geringere Stromaufnahme benötigen,
und daher auch einen höheren Wirkungsgrad besitzen als
bisher eingesetzte Asynchronkonzepte. Vorzugsweise ist der Doppelspulenstator
eisenlos ausgeführt, um Rastmomente infolge von elektromagnetischen
Randeffekten zu vermeiden. Dadurch wird die elektromechanisch bedingte
Geräuschemission des Trommellüfters erheblich
reduziert. Der Doppelspulenstator ist derart ausgebildet, dass er
die Permanentmagnete, die in dieser Ausführungsvariante
vergleichsweise dick gegenüber ihrer Länge und
Breite ausgeführt sind, umgreift. Ferner können
die Permanentmagnete derart angeordnet sein, dass ihre Nord-Südpole
jeweils entgegengesetzt tangential zueinander gerichtet sind, d.
h. deren Magnetisierung tangential verläuft, so dass in
Umfangssrichtung abwechselnd jeweils die Nordpole zweier benachbarter
Permanentmagnete und die Südpole zweier benachbarter Permanentmagnete
zueinander hinweisen.
-
Weitere
Ausprägungen und Merkmale der Erfindung können
den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsvarianten
entnommen werden. Es zeigen:
-
1a:
Trommellüfter in Radialanordnung mit Vollstator und Außenläufer
-
1b: Querschnitt des Trommellüfters nach 1a
-
1c:
Trommellüfter in Radialanordnung mit Schaufeln
-
2:
Trommellüfter in Radialanordnung mit ca. 90° Segmentstator
und Außenläufer
-
3a:
Trommellüfter in Radialanordnung mit zwei um 90° versetzten
Statorsegmente und Innenläufer
-
3b:
Trommellüfter in Radialanordnung mit 90° Segmentstator
und Innenläufer
-
4a:
Trommellüfter in Tangentialanordnung mit stirnseitigem
Doppelspulenstator
-
4b: Querschnitt des Trommellüfters nach 4a
-
5:
Trommellüfter in Tangentialanordnung mit Doppelspulenstator
in axialer Mitte der Lüftertrommel
-
6: Magnetisierung der Permanentmagnete
bei Tangentialanordnung
-
7a: Tangentialanordnung nach 5 mit
rundem Querschnitt der Permanentmagnete
-
7b: Tangentialanordnung nach 5 mit
rechteckigem Querschnitt der Permanentmagnete
-
1a und 1b zeigen eine erste Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Trommellüfters 1 in
Außenläuferbauweise. Der Stator 2 ist
als Innenstator ausgebildet, um welchen außenumfänglich die
Lüftertrommel 3 rotiert. Bei dieser Grundausführung überdeckt
der Stator 2 den gesamten Innenumfang der Lüftertrommel 3.
Diese weist an ihren axialen Enden jeweils einen ringförmigen
Trommelkranz 4 auf, an denen die zur Rotationsachse parallel
angeordneten Lamellen 5 einstückig angeformt sind,
so dass sie sich zwischen den Trommelkränzen 4 erstrecken.
Zur Verstärkung der Steifigkeit der Lüftertrommel 3 können
weitere Trommelkränze vorgesehen werden. Trommelkränze 4 und
Lamellen 5 bilden in ihrer Gestalt einen Käfig.
Die Lamellen 5 weisen einen von der Lüftertrommel 3 abgewandten
Lamellenrücken 6 auf, der in einer Ebene 7a liegt,
die verglichen zu einer Tangentialebene 7b an die zylindrische Lüftertrommel 3 um
einen Winkel α von ca. 30° gekippt ist. Dies ist
in 1b dargestellt, zeigend einen Querschnitt
des Trommellüfters 1 nach 1a.
-
Die
Permanentmagnete 8 sind in dieser Ausführungsvariante
des Trommellüfters 1 in Radialbauweise vergleichsweise
dünn gegenüber ihrer Breite in Umfangsrichtung
und ihrer Länge in axialer Richtung ausgebildet und in
Gestalt einer Magnetspur auf der Innenseite der Lüftertrommel 3 umfänglich
an ihrem axialen Anfang, insbesondere an ihrem vorderen Trommelkranz 4 angeordnet.
Folglich erstreckt sich der Stator 2 nur teilweise in die
Lüftertrommel 3 hinein entsprechend der Länge
der Permanentmagnete 8. Diese sind radial und entsprechend
der Grundpolpaarzahl p des Stators 2 in bekannter Weise
magnetisiert.
-
Eine
alternative Ausführungsform ist in 1c dargestellt,
umfassend mehrere in radialer Richtung nach außen gewölbte
Schaufeln 5a, die zwischen den beiden Trommelkränzen 4 angeordnet sind.
In diesem Fall ist der Stator 2 als Außenstator ausgeführt,
wobei die radial magnetisierten Permanentmagnete 8 auf
der radialen Innenseite des oberen Trommelkranzes 4 angeordnet
sind und über diese hervorstehen.
-
In
einer alternativen Ausführungsvariante ist der Stator 2 in
Segmentbauweise ausgeführt, wobei mehrere Segmente den
Stator 2 bilden können, der sich über
den gesamten Umfang der Lüftertrommel 3 erstreckt.
Gemäß 2 kann sich der Stator 2 auch nur über
einen Teil des Umfangs, hier des Innenumfangs, erstrecken.
-
In
einer weiteren Ausführungsvariante kann der Trommellüfter 1 einen
Außenstator 2 und eine innerhalb desselben rotierende
Lüftertrommel 3 gemäß den 3a und 3b aufweisen.
Die aus dünnen Permanentmagneten 8 gebildete Magnetspur
ist in diesem Fall am Außenumfang der Lüftertrommel 3 ringförmig
angeordnet, vgl. 3b. Die Permanentmagnete 8 können
dabei ebenfalls an einem axialen Ende der Lüftertrommel 3 oder
wie in den 3a und 3b dargestellt
in der axialen Mitte der Lüftertrommel 3 umfänglich
angeordnet sein. Hierzu ist ein entsprechender dritter Trommelkranz 4 vorgesehen, über
den die Lamellen 5 miteinander in Verbindung stehen.
-
Der
fest mit dem Trommellüftergehäuse verbundene Außenstator
kann ebenfalls als Vollstator oder Segmentstator ausgebildet sein,
wobei sich im Falle einer segmentierten Statorbauweise der Stator 2 auch
nur über einen Teil des Umfangs, insbesondere des Außenumfangs
erstrecken kann. Beispielhaft ist in 3a ein
Stator mit zwei um 90° versetzten Statorsegmenten, in 3b ein
Stator mit einer Umfangserstreckung von ca. 90° dargestellt.
Die Umfangslänge eines Statorsegments kann jedoch auch beliebig
anders gewählt werden.
-
Gemäß der
4a,
4b und
5 kann die Motorantriebseinheit
auch als Linearmotor gemäß der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2006 022 773.5 derart
ausgeführt sein, dass der Stator von einem Doppelspulenstator
9,
auch Doppelspulenaktor genannt, gebildet ist. Bei diesem Antriebsprinzip
sind die Permanentmagnete
8 derart angeordnet, dass ihre
Nord-Südpole jeweils entgegengesetzt tangential zueinander
gerichtet sind, d. h. deren Magnetisierung tangential verläuft,
so dass in Umfangsrichtung alternierend jeweils die Nordpole zweier
benachbarter Permanentmagnete
8 und die Südpole
zweier benachbarter Permanentmagnete
8 zueinander hinweisen.
Eine solche Anordnung der Permanentmagnete
8 mit tangentialer
Feldführung ist in
6 in von
der Mantelfläche der Lüftertrommel
3 abgewickelter Form
dargestellt.
-
Die
Permanentmagnete 8 können umfänglich
oder gemäß 4a stirnseitig
an einem Trommelkranz 4 oder an beliebiger Stelle in axialer
Richtung vorzugsweise in etwa axialer Mitte der Lüftertrommel 3 außenumfänglich
auf einem Trommelkranz 4 oder den Lamellen 5 gemäß 5 an-
oder aufgebracht sein. Der Stator 9 weist in der Ausführungsvariante
nach 4a, 4b und 5 ein
U-förmiges Querschnittsprofil auf, so dass der Stator 9 die Permanentmagnete 8 derart
umgreift, dass sie zwischen den beiden Profilschenkeln liegen. Der
Stator 9 ist damit bei Anordnung der Permanentmagnete 8 stirnseitig
der Lüftertrommel 3 gemäß 5 ebenfalls
stirnseitig derselben angeordnet, so dass sich der radial äußere
Profilschenkel des Stators 9 am Außenumfang der
Lüftertrommel 3 in axialer Richtung derselben
erstreckt und der radial innere Profilschenkel am Innenumfang der
Lüftertrommel 3 in axialer Richtung derselben
erstreckt. Demgegenüber erstrecken sich die Profilschenkel
des Stators 9 bei der Ausführungsvariante nach 5 radial
zur Rotationsachse.
-
Der
Stator 9 weist mindestens zwei Wicklungsspulen auf, die
jeweils in einer solchen Länge und in einem solchen Abstand
in Umfangsrichtung betrachtet hintereinander angeordnet sind, dass
die Abstände zwischen benachbarten Permanentmagneten 8 jeweils überbrückt
werden können, wodurch aufgrund der mit den Wicklungsspulen
erzeugten magnetischen Felder jeweils in Zusammenwirkung mit den
Permanentmagneten 8 ausreichende Zug- und Druckkräfte
erzeugt werden. Die Wicklungsspulen werden dabei derart bestromt
und umgepolt, dass jeweils ein Permanentmagnet 8 in Rotationsrichtung in
eine Wicklungsspule hineingezogen wird und nach Überschreiten
des Totpunktes, d. h. wenn sich die von der Wicklungsspule erzeugten
Zug- und Druckkräfte auf den Permanentmagneten 8 gegeneinander aufheben,
das Magnetfeld in die andere Richtung weist, so dass der entsprechende
Permanentmagnet 8 wieder aus der Wicklungsspule in Rotationsrichtung
herausgedrückt wird.
-
Die
Wicklungsspulen des Stators 9 und die Permanentmagnete
können einen runden Querschnitt gemäß 7a oder einen rechteckigen Querschnitt
gemäß 7b aufweisen,
wobei der Stator 9 zur Lüftertrommel 3 bzw.
zu dem die Permanentmagnete 8 tragenden Trommelkranz 4 hin
geöffnet ist. In einer weiteren Ausführungsvariante
kann der Stator 9 als Segmentstator ausgebildet sein. Dieser
kann sich durch Zusammensetzen mehrerer Statorsegmente über
den gesamten Umfang oder nur über einen Teil des Umfangs
der Lüftertrommel 3 erstrecken.
-
Der
Doppelspulenstator 9 ist komplett eisenlos ausgeführt,
so dass Rastmomente infolge von magnetischen Randeffekten weitestgehend
vermieden werden. Er kann besonders kompakt dadurch ausgeführt
werden, dass die Anordnung der Doppelspulen mit einer Kunststoffumspritzung
versehen wird. Auch die auf der Lüftertrommel 3 angeordneten Permanentmagnete 8 können
als eine Einheit kompakt aus Kunststoff vergossen oder verspritzt
werden. Die Lüftertrommel 3 ist dabei aus einem
amagnetischen Material, insbesondere Metall oder Kunststoff gefertigt,
so dass die Anordnung bestehend aus Lüftertrommel 3 und
Permanentmagneten 8 in einem Arbeitsgang, beispielsweise
in einem Kunststoffspritzvorgang, hergestellt werden können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006022773 [0019, 0039]