Lagerarten von Ventilatoren – Abwiegen der Vor- und Nachteile

10. April 2018 verfasst von Ryan Smoot

Lagerarten von Ventilatoren – Abwiegen der Vor- und Nachteile

Für viele elektronische Systeme sind Ventilatoren eine wichtige Komponente, denn sie halten das System innerhalb der empfohlenen Temperaturen. So wird sichergestellt, dass die Elektronik optimal funktioniert und ihre volle Lebensdauer behält. Es wurden Versuche unternommen, alternative Techniken der thermischen Verwaltung zu finden. Doch keine hat sich als so effizient und kosteneffektiv wie der Ventilator erwiesen.

Der Ventilator arbeitet mit einem Rotor, der sich auf einem Lager dreht und Luft verdrängt. Der zuverlässige Betrieb des Lagers ist der Schlüssel zur Ventilatorkonstruktion, da der Lüfter sich Tausende Male pro Minute drehen kann und eine Lebensdauer von vielen Jahren haben muss. Dieser Prozess belastet das Lager enorm. Daher ist es wichtig, dass es dieser Aufgabe gewachsen ist.

Es gibt zwei Lagerkonstruktionen, die weit verbreitet sind: das Gleitlager und das Kugellager. Und jedes hat seine Vor- und Nachteile.

Ventilatoren mit Gleitlagern

Gleitlagerventilatorkonstruktionen sind kostengünstig, robust und einfach, was zu ihrer weitverbreiteten Verwendung in vielen Anwendungen geführt hat. Die robuste Konstruktion stellt sicher, dass sie in vielen rauen Umgebungen arbeiten können, und dank ihrer Einfachheit sind sie für Fehlfunktionen weniger anfällig. Ein weiterer Vorteil von Gleitlagerventilatorkonstruktionen besteht darin, dass sie während des Betriebs weniger Geräusche verursachen und daher in ruhigen Umgebungen wie Büros weitgehend genutzt werden können.

Die zentrale Welle eines Gleitlagerventilators ist in einer hülsenartigen Struktur eingeschlossen. Öl sorgt für die Schmierung, um die Drehung zu erleichtern. Die Hülse bietet Schutz für die Welle und gewährleistet, dass der Rotor in der richtigen Position gehalten wird und der Spalt zwischen Rotor und Stator erhalten bleibt.

Zeichnung eines Gleitlagers und seiner beschrifteten Komponenten
Zeichnung eines Gleitlagers

Es kann ein Balanceakt sein, die richtige Spaltgröße zwischen der Welle und der Hülse zu erhalten. Zu wenig Platz führt zu einer Erhöhung der Reibung, wodurch der Ventilator schwerer startet und mehr Strom verbraucht. Wenn die Lücke zu groß ist, kann der Rotor wackeln. Der zweite Nachteil der Hülsenkonstruktion besteht darin, dass die Hülse das einzige physikalische Medium ist, das den Rotor an Ort und Stelle hält. Und mit der Zeit erodiert die Welle die Lagerbohrung. Dieses Phänomen ist schlimmer, wenn sich der Rotor immer in der gleichen Richtung dreht. Denn dies führt schließlich dazu, dass die Bohrung eine ovale Form annimmt, was zu einem lärmintensiveren Betrieb und einer verkürzten Betriebslebensdauer führt. Wenn der Ventilator bewegt oder neu ausgerichtet wird, erodiert das Lager an verschiedenen Stellen und wird uneben, wodurch sich Wackeln und Lärm noch verschlimmern. Außerdem erfordert die hülsenartige Konstruktion Ölringe und Mylar-Unterlegscheiben, um zu verhindern, dass Schmiermittel austritt. Hierdurch wird mehr Reibung an der Welle verursacht und das Entweichen von Gasen verhindert. Eingeschlossenes Gas erstarrt zu Nitridpartikeln, die die Bewegung behindern und die Lebensdauer des Ventilators verkürzen können.

Gleitlagerventilatoren sind in vielen Ausführungen zu finden, insbesondere in solchen, die bei normalen Temperaturen und in statischen Geräten arbeiten. Anwendungen, wie etwa Computer- und Bürogeräte, HVAC-Geräte und Industriegehäuse, verwenden häufig Gleitlagerventilatorkonstruktionen.

Ventilatoren mit Kugellagern

Kugellagerventilatorkonstruktionen sollen einige der Nachteile beseitigen, die bei Gleitlagerventilatoren auftreten. Im Allgemeinen sind sie weniger anfällig für Verschleiß und können in jeder Ausrichtung und bei höheren Temperaturen arbeiten. Kugellagerventilatoren sind jedoch komplexer und teurer als Gleitlagerkonstruktionen und außerdem weniger robust. Infolgedessen können Stöße die Gesamtleistung eines Kugellagerventilators stark beeinflussen. Sie neigen auch dazu, bei der Verwendung mehr Lärm zu erzeugen. Dadurch sind die Bereiche möglicherweise eingeschränkt, in denen sie eingesetzt werden können.

Kugellagerventilatorkonstruktionen verwenden einen Ring von Kugeln rund um die Welle, um ungleichmäßige Abnutzung und Wackelprobleme des Rotors zu lösen. Die meisten Ventilatorkonstruktionen verfügen über zwei Lager, eines vor dem anderen. Diese Lager sind normalerweise durch Federn getrennt. Die Lager bieten im Vergleich zu Hülsenkonstruktionen eine geringere Reibung, und die Federn können bei jeder Neigung des Ventilators, die durch das Rotorgewicht verursacht werden kann, behilflich sein. Wenn die Federn ganz um die Welle herum angeordnet sind, kann das Gerät ohne Verschleiß oder Reibung in jedem Winkel betrieben werden, was eine zuverlässigere Konstruktion ermöglicht.

Kugellagerventilatoren sind auch in Computeranwendungen und Rechenzentren mit hoher Dichte zu finden. Dort spielen Leistung, Temperatur und die mittlere Zeit zwischen Ausfällen eine wichtigere Rolle als der Lärm. Sie werden auch häufig in industriellen Anwendungen zum Kühlen von Elektroniksystemen oder als Gebläse bei industriellen Trocknungsanwendungen eingesetzt.

Zeichnung eines Kugellagers und seiner beschrifteten Komponenten
Zeichnung eines Kugellagers

omniCOOL™ Systemventilatorlager

Kugel- und Gleitlagerkonstruktionen sind nicht die einzigen verfügbaren Optionen. Es gibt ein drittes System, das von CUI eingeführt wurde. Es setzt eine magnetische Rotorabwuchtung ein, die auch als magnetische Struktur bezeichnet wird, und ein verbessertes Gleitlager, um die Nachteile anderer Ventilatorkonstruktionen auszugleichen. Diese dritte Lagerart wird als omniCOOL™ System bezeichnet.

Durch die magnetische Struktur des omniCOOL-Systems funktioniert der Rotor ähnlich wie ein Kreisel, der in jedem Winkel arbeiten kann, ohne umzukippen. Die magnetische Struktur ist an der Vorderseite des Rotors angeordnet und ihr Fluss verläuft parallel zur Richtung der Motorwelle. In dieser Position zieht die magnetische Struktur den Rotor gleichmäßig an, unabhängig vom Winkel des Rotors.

Zeichnung eines Ventilatormotors mit dem omniCOOL-System und seinen beschrifteten Komponenten
Zeichnung eines Ventilatormotors mit dem omniCOOL-System

Die Spitze der Welle wird durch eine Stützkappe an der Vorderseite der Lagerbohrung in Position gehalten und bildet den Drehpunkt des Rotors. Dieses Verfahren beseitigt das Gewicht des Rotors sowohl von der Welle als auch von der Lagerhülse. Das Magnetfeld zieht auch die Welle nach unten und senkt so ihren Schwerpunkt, was die Neigung und Taumelbewegung minimiert. Dadurch kann der Ventilator in jedem gewünschten Winkel verwendet werden und auch die Reibung wird minimiert.

Die magnetische Struktur kann sowohl bei herkömmlichen Gleit- und Kugellagern angewendet werden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, jedoch nur in einem gewissen Ausmaß. Für weitere Verbesserungen verwendet das omniCOOL-System ein fortschrittliches Lagerdesign, das für zusätzlichen Widerstand in den Bereichen verstärkt wurde, in denen Kontakt auftritt. Die gehärtete Lagerkonstruktion kann bei Temperaturen bis zu 90 °C betrieben werden.

Die Verringerung der Reibung bedeutet auch, dass weniger Schmiermittel benötigt wird. Daher entfallen Ölringe und Mylar-Unterlegscheiben in der Konstruktion, wodurch wiederum eine weitere Reibungsquelle beseitigt wird. Dies führt zu weniger Geräuschen und weniger Widerstand beim Start, während gleichzeitig die Anzahl der Teile verringert wird. Weniger Teile bedeutet, dass das onmiCOOL-System sich einfacher herstellen lässt und zuverlässiger ist als andere Konstruktionen.

Brückenschlag zwischen herkömmlichen Ventilatorkonstruktionen

Das omniCOOL-System verringert die Nachteile von Kugellager- und Gleitlagerventilatorkonstruktionen und führt zu einem robusten Ventilator, der leise und kosteneffizient ist und in jedem Winkel betrieben werden kann. Durch die Beseitigung der Nachteile der beiden anderen Arten von Ventilatorkonstruktionen kann das omniCOOL-System als Ersatz für beide Lüftertypen eingesetzt werden und die Vorteile beider Lüftertypen für jedes Design nutzen. Für Anwendungen, die die Gleitlagerkonstruktion bevorzugten, gibt es jetzt eine Alternative, die außerdem geräuscharm, robust und zuverlässig ist und gleichzeitig eine längere Lebensdauer und die Möglichkeit bietet, in jeder Ausrichtung verwendet zu werden. Anwendungen, die zuvor leistungsfähigere Kugellagerkonstruktionen erforderten, können jetzt die höhere Temperaturbeständigkeit und den geringeren Verschleiß beibehalten und gleichzeitig eine verbesserte Schlagfestigkeit und eine robustere Konstruktion erzielen. Anstatt zu einem Kompromiss gezwungen zu werden, haben Designer Zugang zu einer Ventilatorkonstruktion, die das Beste von beiden liefert.

Hilfreiche Ressourcen

Sehen Sie sich unser gesamtes Sortiment der Ventilatoren mit dem omniCOOL System an
Lesen Sie unsere technische Abhandlung zum omniCOOL-System

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Ryan Smoot

Ryan Smoot

Technischer Support-Ingenieur

Dank seiner umfangreichen Kenntnisse der CUI-Produkte bietet Ryan Smoot Kunden im Außendienst eine breite Palette von technischen und Anwendungs-Support-Fähigkeiten. Seine Verwaltung des robusten 3D-Modellkatalogs von CUI bietet Technikern außerdem eine unschätzbare Ressource zur Rationalisierung ihrer Produktdesigns. Wenn er nicht gerade die Kunden unterstützt, läuft Ryan gerne, genießt die freie Natur und verbringt gerne Zeit mit seiner Frau und seinem neuen Baby.

 
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