Ventilatoren sind ein wichtiger Bestandteil vieler elektronischer Systeme. Sie halten das System im empfohlenen Temperaturbereich und stellen sicher, dass die Elektronik optimal und die volle Lebensdauer lang funktioniert. Versuche alternative Arten von Wärmemanagement zu finden, haben bisher keine Lösung ergeben, die so (kosten)effizient ist wie ein Ventilator.
Ein Ventilator besteht aus einem Rotor, der sich um ein Lager dreht und dabei Luft verdrängt. Ein verlässliches Lager ist dabei eines der wichtigsten Bauteile eines Ventilators, denn der Ventilator muss sich eventuell tausende Male pro Minute drehen und sollte eine Lebenszeit von mehreren Jahren erreichen. Das Lager wird dabei extremer Belastung ausgesetzt. Es ist daher sehr wichtig, dass es dieser standhalten kann.
Zwei Arten von Lagern werden am häufigsten eingesetzt, Gleitlager und Kugellarger, wobei jedes seine Vor- und Nachteile hat.
Ventilatoren mit Gleitlager
Ventilatoren mit Gleitlager sind kostengünstig, stabil und einfach und daher in vielen Anwendungen weit verbreitet. Das stabile Design stellt sicher, dass sie auch in schwieriger Umgebung funktionsfähig sind. Dank ihres einfachen Baus sind Fehlfunktionen unwahrscheinlicher. Von Vorteil ist auch, dass Ventilatoren mit Gleitlager geräuscharm sind und so oft in leisem Arbeitsumfeld wie etwa Büros eingesetzt werden können.
Die zentrale Welle eines Ventilators mit Gleitlager ist von einer hülsenähnlichen Struktur umschlossen und zur Rotationserleichterung mit Öl als Schmierstoff behandelt. Diese Hülse schützt die Welle und stellt sicher, dass der Rotor in der richtigen Position verbleibt. So wird ein Abstand zwischen Rotor und Stator erhalten.
Abbildung 1: Darstellung eines Gleitlagers
Den richtigen Abstand zwischen Welle und Hülse einzustellen, kann eine Herausforderung darstellen. Zu wenig Abstand bewirkt Reibung, sodass der Ventilator schwerer in Bewegung zu setzen ist und mehr Strom verbraucht. Ist der Abstand allerdings zu groß, wackelt der Rotor. Ein weiterer Nachteil von Gleitlagern ist, dass der Rotor allein durch die Hülse befestigt ist und so der Lagerzylinder mit der Zeit durch die Welle abgenutzt wird. Dieses Phänomen tritt verstärkt auf, wenn sich der Rotor immer in dieselbe Richtung dreht. Der Zylinder wird dadurch irgendwann oval und resultiert in lauterem Betrieb und verkürzter Lebenszeit des Ventilators. Wenn der Ventilator verschoben oder verstellt wird, nutzt sich das Lager ungleichmäßig ab – der Ventilator wird instabil und erzeugt noch mehr Lärm. Zusätzlich werden für Gleitlager Ölringe und Unterlegscheiben aus Mylar benötigt, die das Auslaufen des Schmierstoffes verhindern. Allerdings führen diese zu erhöhter Reibung an der Welle und verhindern das Gas entweichen kann. So angestautes Gas erstarrt zu Nitriden, die Bewegung behindern und die Lebensdauer des Ventilators verkürzen.
Ventilatoren mit Gleitlager sind in vielen Ausführungen erhältlich und besonders vertreten unter Ventilatoren für Normaltemperaturen oder statisches Equipment. Ventilatoren mit Gleitlager werden oft eingesetzt für Anwendungen wie etwa Computer, Büroequipment, klimatechnische Anlagen und Industrieschränke.
Ventilatoren mit Kugellager
Kugellager lösen einige der Schwächen von Ventilatoren mit Gleitlager. Im Allgemeinen treten weniger Verschleißerscheinungen auf und sie können in verschiedenen Einstellungen und bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Allerdings sind Ventilatoren mit Kugellager komplexer, teurer und weniger stabil als solche mit Gleitlager. Daher beeinflussen etwa Stöße die allgemeine Leistungskraft eines Ventilators mit Kugellager stärker. Sie erzeugen außerdem tendenziell bei Betrieb mehr Lärm, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt.
Kugellager bestehen aus einem Kugelring um die Welle und lösen so das Problem von ungleichmäßigem Verschleiß und Wackeln des Rotors. Die meisten Ventilatormotoren bestehen aus zwei hintereinander angelegten Lagern. Diese wiederum sind durch Federn getrennt. Die Lager erzeugen im Vergleich zu Gleitlagern weniger Reibung und die Federn korrigieren jegliche Schiefstellung, die eventuell durch das Gewicht des Rotors entsteht. Wenn die Federn komplett um die Welle angelegt sind, kann das Gerät bei jedem Winkel ohne Abnutzung oder Reibung in Betrieb sein. Das Design ist somit verlässlicher.
Ventilatoren mit Kugellager finden auch bei Hochleistungscomputern und in Datenzentren Verwendung, wo Leistung, Temperatur und MTBF wichtiger sind als Lärmminderung. Sie werden außerdem in Industrieanwendungen gebraucht, etwa bei der Kühlung elektronischer Systeme oder als Gebläse in industriellen Trocknern.
Abbildung 2: Darstellung eines Kugellagers
Ventilatorlager des omniCOOL™-Systems
Kugel- und Gleitlager sind nicht die einzigen Möglichkeiten. Ein von CUI Devices eingeführtes drittes System nutzt magnetischen Rotorausgleich, auch als magnetische Struktur bekannt, und ein verbessertes Gleitlager, um die in anderen Ventilatoren vorhandenen Schwächen zu vermeiden. Diese Lagerart wird omniCOOL™-System genannt.
Dank der magnetischen Struktur des omniCOOL-Systems funktioniert der Rotor ungefähr so wie ein Kreisel – er dreht sich unter jedem Winkel, ohne umzufallen. Diese magnetische Struktur ist in die Vorderseite des Rotors eingebaut, wo ihre magnetische Kraft in die der Motorwelle entgegengesetzte Richtung fließt. In dieser Position zieht die magnetische Struktur den Rotor gleichmäßig an, unabhängig davon, unter welchem Winkel der Rotor steht.
Abbildung 3: Darstellung des Ventilatormotors mit omniCOOL-System
Die Spitze der Welle wird durch eine unterstützende Abdeckung an der Vorderseite des Lagerzylinders in der richtigen Position gehalten und bildet den Drehpunkt des Rotors. Auf diese Art und Weise fällt das Gewicht des Rotors weder auf die Welle noch auf die Lagerhülse. Das magnetische Feld zieht außerdem die Welle nach unten. Durch die daraus resultierende Verlagerung des Schwerpunkts nach unten, werden Schieflagen und Wackeln minimiert. So kann der Ventilator unter jeglichen benötigten Winkeln eingesetzt und Reibung minimiert werden.
Die magnetische Struktur kann sowohl bei traditionellen Gleitlagern als auch bei Kugellagern eingesetzt werden und hilft bei beiden die oben beschriebenen Problematiken bis zu einem bestimmten Punkt aufzuheben. Das omniCOOL-System setzt als weitere Verbesserung außerdem ein fortschrittliches Lager ein, das für zusätzlichen Widerstand an Kontaktpunkten verstärkt wurde. Das gehärtete Lager ist bei Temperaturen von bis zu 90 °C betriebsfähig.
Die Reibungsminderung bedeutet auch, dass weniger Schmierstoff und weder Ölringe noch Unterlegscheiben aus Mylar benötigt werden. Somit wird eine weitere Reibungsquelle beseitigt. Dies wiederum führt zu Lärmreduzierung, weniger Widerstand bei Betriebsbeginn und geringerer Anzahl an Bauteilen. Da es aus weniger Einzelteilen besteht, ist das omniCOOL System einfacher herzustellen und verlässlicher als andere Designs.
Die Schwächen traditioneller Ventilatoren überwinden
Das omniCOOL-System minimiert die negativen Seiten sowohl des Kugellagers als auch des Gleitlagers. Das Resultat ist ein robuster Ventilator, der leise und kosteneffizient ist und in alle Winkel eingestellt werden kann. Da die Nachteile der anderen Konstruktionsarten negiert werden, kann das omniCOOL-System beide Arten von Ventilatoren ersetzen. Gleichzeitig bringt es bei jeglichem Design die Vorteile beider mit sich. Anwendungen, für die bisher ein Gleitlager angemessen war, stehen nun vor einer Alternative, die sowohl geräuscharm, stabil als auch verlässlich ist und gleichzeitig lange Lebenszeit und alle Einstellungen ermöglicht. Anwendungen, die wiederum höhere Performance dank Kugellager benötigten, können nun hohen Temperaturwiderstand mit weniger Verschleiß kombinieren. Zusätzlich sind sie widerständiger bei Stößen und solider gebaut. Statt Kompromisse eingehen zu müssen, haben Designer nun Zugang zu einem Ventilatorlager, das das Beste beider Welten liefert.