DE102015108903A1

DE102015108903A1 - Gleichstrom-Gebläsemotor sowie Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul

Info

Publication number: DE102015108903A1
Application number: DE102015108903.3A
Authority: DE
Inventors: Falko Busch
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-12-08
Also published as: WO2016193472A1

Abstract

Ein Gleichstrom-Gebläsemotor (10) für ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul eines Kraftfahrzeugs ist beschrieben, mit einem Rotor (14) und einem Stator (12). Der Stator (12) weist wenigstens eine Statorwindung (16) auf, die im bestromten Zustand ein elektromagnetisches Statorfeld erzeugt, das mit dem Rotor (14) wechselwirkt, um diesen in eine Drehbewegung zu versetzen. Vorzugsweise ist eine stufenlose Leistungsregelung (18) mit zumindest einem Widerstand (20) vorgesehen, der einen veränderbaren Widerstandswert aufweist. Die Leistungsregelung (18) ist mit der wenigstens einen Statorwindung (16) elektrisch gekoppelt, um den Stromfluß durch die Statorwindung (16) zu verändern. Ferner ist ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul für ein Kraftfahrzeug beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Gebläsemotor für ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul sowie ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul für ein Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodule (kurz: HVAC-Module) bekannt, die einen Gebläsemotor und ein vom Gebläsemotor angetriebenes Lüfterrad aufweisen. Der Gebläsemotor kann derart betrieben werden, dass Luft angesaugt wird, die mit einem Wärmetauscher des HVAC-Moduls wechselwirkt, um abgekühlt zu werden. Ferner kann der Gebläsemotor derart betrieben werden, dass das Lüfterrad als Ventilator fungiert.
Für die verwendeten Gebläsemotoren sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, wobei typischerweise ein Rotor sowie ein Stator vorgesehen sind, die zusammenwirken.
Aus dem Stand der Technik sind Gebläsemotoren bekannt, bei denen der Stator Permanentmagnete aufweist und mit einem Rotormagnetfeld wechselwirkt, welches über eine am Rotor vorgesehene Rotorwicklung erzeugt wird. Die Gebläsemotoren weisen ferner einen Kommutator auf, der das durch Bestromung erzeugte Rotormagnetfeld entsprechend umpolt. Die Kommutatoren sind üblicherweise über Bürsten ausgebildet, weswegen auch von Bürstenmotoren die Rede ist.
Die Leistung der als Bürstenmotoren ausgebildeten Gebläsemotoren wird über das durch Bestromung erzeugte Rotormagnetfeld gesteuert, indem in Reihe geschaltete elektrische Widerstände zu- oder weggeschaltet werden, um die Spannungsversorgung der Rotorwicklungen und damit den durch die Rotorwicklungen fließenden Rotorstrom zu ändern. Hieraus ergibt sich eine stufenweise Leistungsregelung des Gebläsemotors. Aufgrund der Vorwiderstände treten jedoch hohe Leistungsverluste auf, die die Effizienz des Gebläsemotors entsprechend senken, da in der Ansteuerung des Rotors ein hoher Strom fließt. Die hohen Leistungsverluste treten vor allem dann auf, wenn der Gebläsemotor in einem unteren oder mittleren Leistungsbereich betrieben wird, bei dem mehrere Widerstände zugeschalten sind.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Gebläsemotoren bekannt, bei denen der Rotor Permanentmagnete aufweist, die das Rotormagnetfeld erzeugen, das mit einem Statormagnetfeld zusammenwirkt, welches über bestromte Statorwindungen gebildet wird. Die Statorwindungen werden über eine Steuerung derart angesteuert, dass ein rotierendes Statorfeld hervorgerufen wird, das einen Drehimpuls auf den Rotor mit seinem statischen Rotorfeld ausübt. Diese Gebläsemotoren werden auch als bürstenlose Motoren bezeichnet, da kein Kommutator vorgesehen ist.
Die Leistungssteuerung der bürstenlosen Gebläsemotoren erfolgt über eine sogenannte PWM-Steuerung (Pulsweitenmodulation), um das rotierende Statorfeld zu erzeugen. Hierbei wird der Gebläsemotor mit einer konstanten Spannung pulsartig angesteuert, über deren Pulsweite die Leistung eingestellt werden kann. Die PWM-Steuerung stellt eine effizienzoptimierte Steuerung dar, die jedoch aufwendig und teuer ist.
Bei einem HVAC-Modul soll die Leistung des Gebläsemotors ferner von der Temperatur abhängen, sodass eine zusätzliche Temperaturregelung vorgesehen sein muss. Die Leistung des Gebläsemotors wird dabei üblicherweise in Abhängigkeit der Temperatur eines Mediums gesteuert, welche von der Temperaturregelung erfasst wird. Bei dem Medium kann es sich um Luft oder ein Fluid handeln, beispielsweise ein Kühl- oder Heizmittel. Die Temperaturregelung ist mit der PWM-Steuerung oder der Leistungssteuerung gekoppelt, die die mehreren schaltbaren Widerstände aufweist, und übermittelt ein temperaturabhängiges Ansteuerungssignal. Aufgrund des Ansteuerungssignals wird die Pulsweite der PWM-Ansteuerung verändert oder es werden Widerstände zu- oder weggeschaltet.
Als nachteilig hat sich herausgestellt, dass die Leistungsregelung eines Gebläsemotors eine geringe Effizienz hat oder komplex und teuer ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gebläsemotor sowie ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul bereitzustellen, der bzw. das einen einfachen Aufbau sowie eine einfache, effiziente und kostengünstige Leistungsregelung hat.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Gleichstrom-Gebläsemotor für ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul eines Kraftfahrzeuges gelöst, mit einem Rotor und einem Stator, der wenigstens eine Statorwindung aufweist, die im bestromten Zustand ein elektromagnetisches Statorfeld erzeugt, das mit dem Rotor wechselwirkt, um diesen in eine Drehbewegung zu versetzen, wobei eine vorzugsweise stufenlose Leistungsregelung mit zumindest einem Widerstand vorgesehen ist, der einen veränderbaren Widerstandswert aufweist, wobei die Leistungsregelung mit der wenigstens einen Statorwindung elektrisch gekoppelt ist, um den Stromfluss durch die Statorwindung zu verändern.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten Gebläsemotor bereitzustellen, der eine in der Steuerung integrierte Leistungsregelung aufweist, die die an der wenigstens einen Statorwindung anliegende Spannung regelt. Die Effizienz des Gebläsemotors ist hoch, da keine Widerstände vorgesehen sind, die der Rotorwicklung zugeschaltet werden. Hierdurch kann die Leistungsregelung stufenlos ausgebildet sein. Die Leistung des Gebläsemotors kann über den veränderbaren Widerstand geregelt werden, weshalb auf eine teure PWM-Steuerung verzichtet werden kann, deren Effizienz dennoch erreichbar ist, da das erzeugte Statorfeld verändert wird.
Ein Aspekt sieht vor, dass eine Änderung des Widerstandswerts die Stromstärke des durch die wenigstens eine Statorwindung fließenden Stroms und damit die Stärke des elektromagnetischen Statorfelds verändert. Da das elektromagnetische Statorfeld durch Bestromung der Statorwindung erzeugt wird, hängt dieses direkt von der Stromstärke ab. Die Leistung des Gleichstrom-Gebläsemotors kann somit über den Widerstand geregelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt besteht die Leistungsregelung ausschließlich aus dem wenigstens einen Widerstand. Hierdurch ist eine besonders einfach aufgebaute Leistungsregelung gebildet, die keine weitere Elektronik benötigt. Die wenigstens eine Statorwindung des Stators kann direkt mit einer Spannungsquelle gekoppelt werden, wobei lediglich der veränderbare Widerstand zwischen der Spannungsquelle und der Statorwindung vorgesehen sein kann. Die Steuerung kann dann in ihrer einfachsten Form ein Schalter sein, der die Spannung schaltet.
Die wenigstens eine Statorwindung kann vorzugsweise vom elektrischen System des Kraftfahrzeugs mit einer Spannung versorgt werden.
Insbesondere ist der Widerstand ein temperaturabhängiger Widerstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit einer Temperatur ändert. Die Leistungsregelung entspricht somit einer automatischen Temperaturregelung, die in der Steuerung integriert ist. Die Leistung des Gleichstrom-Gebläsemotors, welche zur Verfügung steht, hängt unmittelbar von einer Temperatur ab, die vom Widerstand erfasst wird. Der veränderbare Widerstand kann demnach ein Temperaturfühler sein. Der temperaturabhängige Widerstand weist allgemein eine signifikante Veränderung seines Widerstandswerts auf, wenn sich die Temperatur ändert, beispielsweise wenigstens eine Widerstandswertveränderung von ca. 5 % bei 10 °C Temperaturveränderung.
Gemäß einem Aspekt ist der temperaturabhängige Widerstand in einem von einem Medium umströmten Bereich oder an einem von einem Medium durchströmten Abschnitt angeordnet, sodass der Gleichstrom-Gebläsemotor seine Leistung in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums selbst regelt. Als Medium kommt unter anderem ein Fluid in einem Kreislauf des HVAC-Moduls infrage. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Kühlmittel in einem Kühlkreislauf handeln, insbesondere Luft, eine Kühlflüssigkeit, Öl, ein Kältemittel oder Wasser. Alternativ kann der Kreislauf auch zum Aufwärmen bzw. Heizen verwendet werden, sodass das Fluid ein Heizmittel ist. Ferner kann das Medium angesaugte Luft aus dem Fahrzeuginnenraum oder in den Fahrzeuginnenraum abgegebene Luft sein. Hierbei kann der temperaturabhängige Widerstand direkt im Luftstrom der entsprechenden Luft angeordnet sein, sodass die Leistung des Gleichstrom-Gebläsemotors in Abhängigkeit der Lufttemperatur geregelt wird.
Je nachdem, an welcher Stelle der temperaturabhängige Widerstand angeordnet ist, ist sichergestellt, dass die Leistung des Gleichstrom-Gebläsemotors in Abhängigkeit der Temperatur des entsprechenden Mediums geregelt wird.
Insbesondere kann der temperaturabhängige Widerstand ein PTC- oder NTC-Widerstand sein. Diese Widerstände werden auch als Kaltleiter (PTC-Widerstand) oder als Heißleiter (NTC-Widerstand) bezeichnet, deren Widerstandswert mit steigender Temperatur zu- bzw. abnimmt. Die Auswahl des Typs hängt vom Einsatzgebiet des Gleichstrom-Gebläsemotors, der Anordnung des Widerstands sowie des Mediums ab, dessen Temperatur der Widerstand ausgesetzt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Widerstand ein manuell einstellbares Potentiometer sein. Hierdurch ist es möglich, dass die Leistungsregelung des Gleichstrom-Gebläsemotors manuell erfolgt.
Insbesondere weist der Rotor wenigstens einen Rotorpol mit einer elektrischen Rotorwindung auf, die bei Stromdurchfluss ein elektromagnetisches Rotorfeld erzeugt, das mit dem elektromagnetischen Statorfeld wechselwirkt. Der Gleichstrom-Gebläsemotor ist somit als Bürstenmotor ausgebildet. Hierdurch ist eine besonders kostengünstige Ausführungsform eines Gleichstrom-Gebläsemotors geschaffen.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Stator und der Rotor elektrisch parallel geschaltet sind, das heißt der Gleichstrom-Gebläsemotor ist ein Nebenschlussmotor. Die wenigstens eine Statorwindung sowie die wenigstens eine Rotorwindung liegen an derselben Spannungsquelle an, beispielsweise einer des elektrischen Fahrzeugsystems. Der Statorstrom, der durch die wenigstens eine Statorwindung fließt, wird demnach lediglich durch den ohmschen Widerstand der Statorwindung selbst begrenzt. Bei einem Nebenschlussmotor kann die Drehzahl eines mit dem Gleichstrom-Gebläsemotor gekoppelten Lüfterrads in einfacher Weise über die Leistungsregelung des elektromagnetischen Statorfelds direkt geregelt werden.
Alternativ kann der Gleichstrom-Gebläsemotor als fremderregter Elektromotor ausgebildet sein, bei dem die Statorwindung und die Rotorwindung an unterschiedlichen Spannungsquellen anliegen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (HVAC-Modul) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Lüfterrad und einem Gleichstrom-Gebläsemotor der zuvor genannten Art, der das Lüfterrad antreibt. Hierdurch ist eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, um ein HVAC-Modul auszubilden, bei dem die Leistungsregelung selbsttätig erfolgt. Eine teure und separat ausgebildete Leistungsregelung ist nicht nötig.
Insbesondere ist der wenigstens eine Widerstand ein temperaturabhängiger Widerstand, der im HVAC-Modul angeordnet ist. Der temperaturabhängige Widerstand reagiert somit auf eine Temperatur in einem Bereich oder einem Abschnitt des HVAC-Moduls, wobei die Leistung des Gleichstrom-Gebläsemotors und die Drehzahl des Lüfterrads entsprechend automatisch in Abhängigkeit dieser Temperatur geregelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Widerstand in einem von einem Medium umströmten Bereich oder an einem von einem Medium durchströmten Abschnitt des HVAC-Moduls angeordnet. Insbesondere kann es sich bei dem Medium um ein Fluid handeln, wie ein durch einen Klimatisierungskreislauf strömendes Kühlmittel. Als Kühlmittel kommen Luft, eine Kühlflüssigkeit, Öl, ein Kältemittel und/oder Wasser in Betracht. Der temperaturabhängige Widerstand kann somit die Leistung direkt aufgrund der Temperatur des Kühlmittels regeln, sofern der temperaturabhängige Widerstand beispielsweise an einem Rohr angeordnet ist, durch den das Kühlmittel strömt.
Ferner kann der temperaturabhängige Widerstand auch in einem Bereich des HVAC-Moduls angeordnet sein, indem er direkt vom Fluid umströmt ist, beispielsweise innerhalb eines Rohres des HVAC-Moduls, durch das das Fluid strömt.
Wenn der temperaturabhängige Widerstand die Leistung des HVAC-Moduls aufgrund der Lufttemperatur des Fahrzeuginnenraums regeln soll, dann lässt sich der Widerstand in einem Bereich des HVAC-Moduls anordnen, der luftumströmt ist. Hierbei kann es sich um die aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugte Luft oder die an den Fahrzeuginnenraum wieder abgegebene Luft handeln, die zuvor gekühlt oder erwärmt worden ist.
Das HVAC-Modul regelt seine Leistung in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums selbst, insbesondere die Strömungsmenge, die vom Lüfterrad angesaugt wird. Die Leistung des HVAC-Moduls umfasst die Leistung seines Gleichstrom-Gebläsemotors sowie die Drehzahl seines Lüfterrads. Es lassen sich verschiedene Kombinationen verwenden, beispielsweise ein kleiner Gleichstrom-Gebläsemotor mit einem großen Lüfterrad oder ein großer Gleichstrom-Gebläsemotor mit einem kleinen Lüfterrad. Dies hängt vom Einsatzgebiet des HVAC-Moduls ab. Sofern das HVAC-Modul über das Lüfterrad eine Luftmenge ansaugt, wird die angesaugte Strömungsmenge entsprechend temperaturabhängig geregelt.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der temperaturabhängige Widerstand in oder an einem Wärmetauscher des HVAC-Moduls angeordnet ist, der von einem im Fahrzeuginnenraum gelenkten Luftstrom umströmt oder durchströmt ist. Hierdurch kann die Leistung auf Basis einer Mischtemperatur geregelt werden (Lufttemperatur und der Temperatur des Kühlmittels). In Abhängigkeit der exakten Anordnung des temperaturabhängigen Widerstands ergeben sich dabei unterschiedliche Einflüsse der entsprechenden Temperaturen.
Ferner kann die Temperatur des Kühlmittels im Wärmetauscher an einer Stelle gemessen werden, nachdem das Kühlmittel die zu kühlende Luft bereits abgekühlt hat oder bevor das Kühlmittel die zu kühlende Luft abkühlt. Je nachdem an welcher exakten Stelle der temperaturabhängige Widerstand angeordnet ist, ergeben sich andere Anforderungen an den Widerstand hinsichtlich seiner Temperaturempfindlichkeit bzw. des Temperaturbereichs, den der Widerstand abdecken soll.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gebläsemotors,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmoduls (HVAC-Modul),
3 ein schematisches Ersatzschaltbild für den erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gebläsemotor,
4 ein Diagramm, in dem die Drehzahl über das Drehmoment von zwei Lüfterrädern sowie eines erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gebläsemotors bei verschiedenen Magnetflüssen gezeigt sind,
5 ein weiteres Diagramm, in dem die Drehzahl über das Drehmoment eines Lüfterrads sowie eines erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gebläsemotors bei verschiedenen Magnetflüssen gezeigt sind,
6 ein Diagramm, in dem der Energieverbrauch über den Widerstand der Leistungsregelung für einen erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gebläsemotor und einen Gebläsemotor aus dem Stand der Technik gezeigt sind, und
7 ein Diagramm, das die jährliche Betriebszeit eines Gebläsemotors über ein Jahr in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Gebläsemotors zeigt.
In 1 ist schematisch ein Gleichstrom-Gebläsemotor 10 gezeigt, der für ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (kurz: HVAC-Modul) eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. In der folgenden Beschreibung wird abkürzend Gebläsemotor verwendet.
Der Gebläsemotor 10 weist einen Stator 12 sowie einen Rotor 14 auf, der sich um eine Drehachse D drehen kann, wenn er entsprechend angetrieben wird.
In der gezeigten Ausführungsform weist der Stator 12 eine schematisch dargestellte Statorwindung 16 auf, die repräsentativ für mehrere Statorwindungen 16 steht, die der Stator 12 haben kann.
Die wenigstens eine Statorwindung 16 ist mit einer auf einer Platine sitzenden Leistungsregelung 18 elektrisch gekoppelt, die Teil einer Ansteuerung des Gebläsemotors 10 ist. Die Leistungsregelung 18 weist einen Widerstand 20 auf, der einen veränderbaren Widerstandswert hat.
Über die Leistungsregelung 18 wird ein Strom geregelt, der durch die wenigstens eine Statorwindung 16 des Stators 12 fließt, um ein elektromagnetisches Statorfeld zu erzeugen. Das elektromagnetische Statorfeld wechselwirkt mit einem elektromagnetischen Rotorfeld des Rotors 14, wodurch der Rotor 14 in Drehbewegung versetzt wird.
Das Rotorfeld kann über wenigstens eine hier nicht dargestellte Rotorwicklung erzeugt werden, wobei ein Kommutator vorgesehen ist, über den die Umpolung des Rotorfelds erfolgt. Der Gebläsemotor 10 kann somit als Bürstenmotor ausgebildet sein.
Die Leistungsregelung 18 stellt den durch die wenigstens eine Statorwindung 16 fließenden Strom stufenlos ein, sofern sich der Widerstandwert des veränderbaren Widerstands 20 stufenlos verändern kann.
Beispielsweise kann der veränderbare Widerstand 20 ein temperaturabhängiger Widerstand sein, insbesondere ein PTC- oder NTC-Widerstand, der sich stufenlos mit der Temperatur ändert.
Sofern der veränderbare Widerstand 20 als PTC- oder NTC-Widerstand ausgebildet ist, also als Kalt- bzw. Heißleiter, ergibt sich ein höherer bzw. niedrigerer Widerstandswert, wenn die Temperatur steigt, der der Widerstand 20 ausgesetzt ist.
Der geänderte Widerstandswert hat eine Veränderung der an der Statorwindung 16 anliegenden Spannung und somit eine Veränderung der Stromstärke des durch die Statorwindung 16 fließenden Stroms zur Folge. Dies wirkt sich wiederum auf das erzeugte elektromagnetische Statorfeld aus, welches zum Antreiben des Rotors 14 genutzt wird. Eine Änderung des Statorfelds bewirkt demnach eine Änderung der Leistung des Gebläsemotors 10, wodurch eine stufenlose, automatische und temperaturabhängige Leistungsregelung geschaffen ist.
Alternativ kann der Widerstand 20 ein manuell einstellbares Potentiometer sein, sodass die Leistungsregelung 18 zwar stufenlos, jedoch manuell erfolgt.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Gebläsemotor 10 als Innenläufer ausgebildet, da der Stator 12 den Rotor 14 umgibt. Alternativ kann der Gebläsemotor 10 auch als Außenläufer ausgebildet sein, sodass der Rotor 14 den Stator 12 radial umgibt.
Generell kann der Gebläsemotor 10 bei einem Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul 22 für ein Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das im Folgenden als HVAC-Modul 22 bezeichnet wird. Ein solches HVAC-Modul 22 ist in 2 schematisch gezeigt.
Das HVAC-Modul 22 umfasst ein Lüfterrad 24, das mechanisch mit dem Gebläsemotor 10 gekoppelt ist und vom Gebläsemotor 10 angetrieben wird.
Ferner geht aus der 2 hervor, dass die Leistungsregelung 18 ausschließlich aus dem veränderbaren Widerstand 20 besteht, welcher in der gezeigten Ausführungsform an einem Wärmetauscher 26 des HVAC-Moduls 22 angeordnet ist. Demnach kann auf weitere Elektronikbauteile zur Ausbildung der Leistungsregelung 18 verzichtet werden, wodurch ein kostengünstiger und einfach aufgebauter Gebläsemotor 10 geschaffen ist.
Der veränderbare Widerstand 20 kann direkt an einer Außenseite eines Rohrs des Wärmetauschers 26 angeordnet sein, das von einem Medium durchströmt ist. Das Medium ist beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Heizmittel, sofern der Wärmetauscher 26 zum Heizen von Luft verwendet wird. Als Medium kommen insbesondere Luft, eine Kühl- oder Heizflüssigkeit, Öl, ein Kältemittel und/oder Wasser in Betracht.
Die Leistung des HVAC-Moduls 22 wird automatisch und selbsttätig temperaturabhängig geregelt, da der veränderbare Widerstand 20 bzw. die Leistungsregelung 18 die Temperatur am Wärmetauscher 26 erfasst. Ausgehend vom durch die Statorwindung 16 fließenden Strom regelt sich die Drehzahl des Lüfterrads 24 entsprechend automatisch und selbsttätig.
Der am Rohr des Wärmetauschers 26 angeordnete Widerstand 20 erfasst die Temperatur des durch das Rohr strömenden Fluids. Der veränderbare Widerstand 20 bzw. die Leistungsregelung 18 kann derart ausgebildet sein, dass der Widerstandswert bei einer erhöhten Temperatur des Fluids ansteigt, wodurch eine geringere Spannung an der Statorwindung 16 anliegt. Dies hat einen geringeren Statorstrom I_s in der Statorwindung 16 zur Folge, wodurch das erzeugte elektromagnetische Statorfeld schwächer ist und der Magnetfluss abnimmt. Der schwächere Magnetfluss ϕ beeinflusst die Leistung des Gebläsemotors 10, insbesondere die Drehzahl n. In Abhängigkeit der Kombination des Lüfterrads 24 und des Gebläsemotors 10 kann dies dazu führen, dass sich das am Rotor 14 angeordnete Lüfterrad 24 schneller dreht. Bei einem anderen Lüfterrad 24 kann die beschriebene Veränderung des Magnetflusses ϕ dazu führen, dass sich das Lüfterrad 24 langsamer dreht.
Ferner kann ein Widerstand 20 vorgesehen sein, dessen Widerstandswert bei einer erhöhten Temperatur des Fluids sinkt. Hierdurch würde eine größere Spannung an der Statorwindung 16 anliegen, wodurch ein größerer Statorstrom I_s fließt, der ein stärkeres Statorfeld und einen größeren Magnetfluss ϕ zur Folge hat. In Abhängigkeit des gewählten Lüfterrads 24 ergibt sich somit eine geringere oder höhere Drehzahl n.
Alternativ kann der veränderbare Widerstand 20 in einem luftumströmten Bereich des HVAC-Moduls 22 angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem HVAC-Modul 22 lediglich um ein Lüftungsmodul handeln, bei dem keine Wärmetauscherabschnitte vorgesehen sind. Hierbei wird die Leistung des HVAC-Moduls 22, also die Leistung des Gebläsemotors 10 und die Drehzahl des Lüfterrads 24, in Abhängigkeit der angesaugten Lufttemperatur bzw. der in den Fahrzeugraum abgegebenen Lufttemperatur geregelt. In dieser Ausführungsvariante ist das Medium die Luft, die aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt oder an den Fahrzeuginnenraum abgegeben wird.
In einer weiteren, alternativen Ausführungsform kann der temperaturabhängige Widerstand 20 in einem Rohr des HVAC-Moduls 22, insbesondere des Wärmetauschers 26, angeordnet sein, wodurch der Widerstand 20 von dem im Rohr strömenden Fluid umströmt ist, sodass Wärmeübertragungsverluste des Rohrs vermieden werden.
In 3 ist ein Ersatzschaltbild des Gebläsemotors 10 schematisch dargestellt, aus dem hervorgeht, dass der Gebläsemotor 10 als ein fremderregter Motor ausgebildet ist. Sofern die am Schaltkreis des Stators 12 angelegte Spannung U_s und die am Schaltkreis des Rotors 14 angelegte Spannung U_a der gleichen Spannungsquelle zugeordnet sind, handelt es sich um einen Nebenschlussmotor, bei dem der Stator 12 und der Rotor 14 elektrisch parallel geschaltet sind.
Am Stator 12 liegt die Spannung U_s an, wobei der durch die Statorwindungen 16 fließender Statorstrom I_s das elektromagnetische Statorfeld erzeugt. Hierbei entsteht ein Magnetfluss ϕ, der mit dem elektromagnetischen Rotorfeld wechselwirkt, um den Rotor 14 anzutreiben und eine Spannung U_ind im Schaltkreis des Rotors 14 induziert. Im Rotor 14 selbst fließt ein Rotorstrom I_a, der von der angelegten Spannung U_a und der induzierten Spannung U_ind abhängig ist. Der Stator 12 sowie der Rotor 14 haben jeweils interne Widerstände R_s, R_a, wobei der Stator 12 zudem den veränderbaren Widerstand 20 aufweist.
Die magnetische Flussdichte bzw. der magnetische Fluss ϕ ist linear proportional zum Statorstrom I_s, der durch die wenigstes eine Statorwindung 16 fließt, was generell bedeutet, dass der Magnetfluss ϕ mit sinkendem Statorstrom I_s abnimmt, wenn der Widerstandswert des Widerstands 20 steigt, da dann eine geringere Spannung an der Statorwindung 16 anliegt.
Die Drehzahl n des Rotors 14 ergibt sich aus der bekannten Formel:
wobei k₁ eine Konstante, k₂ eine Konstante und M das Drehmoment ist. Aus der Gleichung ergibt sich, dass es einen lastunabhängigen Term n₀ und einen lastabhängigen Term n₁ für die Drehzahl n gibt. Generell nimmt die Drehzahl n des Gebläsemotors mit zunehmenden Drehmoment M ab.
Ferner ist bekannt, dass das Drehmoment M des Rotors 14 wie folgt mit dem Rotorstrom I_a zusammenhängt. M = c·I_a·ϕ ⇔ I_a = M / c·ϕ
Hieraus ergibt sich, dass ein schwächerer magnetischer Fluss ϕ einen größeren Rotorstrom I_a zur Folge hat. Ein größerer Rotorstrom I_a hat eine geringere Effizienz des Gebläsemotors 10 zur Folge, da der Rotorstrom I_a generell um mehrere Größenordnungen größer ist als der Statorstrom I_s. Die elektrische Verlustleistung P_diss ist vom entsprechenden Strom quadratisch abhängig. Daher ist es aus Gründen der Effizienz wichtig, den Rotorstrom I_a möglichst gering zu halten.
In 4 ist ein Diagramm mit zwei unterschiedlichen Lüfterradkurven A, B für zwei Lüfterräder 24 sowie mehrere Motorkurven eines Gebläsemotors 10 bei verschiedenen Magnetflüssen ϕ gezeigt. Im Diagramm ist die Drehzahl n über das Drehmoment M aufgetragen. Die entsprechenden Kombinationen aus Lüfterrad 24 und Gebläsemotor 10 können bei einem HVAC-Modul 22 verwendet werden.
Bei den verschiedenen magnetischen Flüssen ϕ, die zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 des Gebläsemotors 10 wirken, handelt es sich um einen magnetischen Fluss ϕ₀, dessen Flussstärke ϕ_N ist, sowie weitere darauf normierte magnetische Flüsse ϕ₁ bis ϕ₄, deren jeweilige Flussstärke 90 %, 80 %, 70 % und 50 % der Stärke ϕ_N ist.
Die unterschiedlichen Flussstärken bzw. Flussdichten treten auf, wenn der temperaturabhängige Widerstand 20 seinen Widerstandswert aufgrund einer Temperaturänderung ändert, wodurch der durch die Statorwindung 16 fließende Statorstrom I_s und der dadurch erzeugte Magnetfluss sich ändert. Die unterschiedlichen magnetischen Flüsse ϕ_i repräsentieren somit die temperaturabhängige Leistungsregelung 18.
Aus den zuvor angegebenen Formeln geht hervor, dass die Drehzahl n des Rotors 14 aufgrund des lastunabhängigen Terms n₀ mit geringerem Magnetfluss ϕ steigt (Ordinatenabschnitte der magnetischen Flüsse ϕ_i), wohingegen die Drehzahl n aufgrund des lastabhängigen Terms n₁ sinkt, also unter Last.
Hierbei kann sich insbesondere die Relation der Drehzahl zum magnetischen Fluss ϕ ändern, wie aus den Schnittpunkten der magnetischen Flüsse ϕ_i untereinander hervorgeht.
Aus dem Diagramm ist ferner ersichtlich, dass die erste Alternative (Kurve A) die bessere Kombination aus Lüfterrad 24 und Gebläsemotor 10 ist, sofern das HVAC-Modul 22 mit dieser Kombination üblicherweise in einem unteren oder mittleren Leistungsbereich betrieben wird. Dies liegt daran, dass diese Kombination mit sinkendem magnetischen Fluss ϕ eine höhere Drehzahl n aufweist, was einer höhere Leistung bzw. Geschwindigkeit des Gebläsemotors 10 entspricht. Ein geringerer magnetischer Fluss ϕ hat jedoch einen höheren Rotorstrom I_a zur Folge, was die Effizienz entsprechend verringert.
Die Kombination gemäß der zweiten Alternative (Kurve B) weist hingegen bei einem schwachen Magnetfluss ϕ eine geringere Drehzahl n auf, was einer geringen Geschwindigkeit des Gebläsemotors 10 entspricht. Daher eignet sich diese Kombination für ein HVAC-Modul 22, das üblicherweise in einem oberen Leistungsbereich betrieben wird, also bei großer Drehzahl, um die Effizienz des Gebläsemotors 10 nicht zu beeinträchtigen.
Über die Wahl des temperaturabhängigen Widerstands 20, insbesondere ob der Widerstand 20 als Heiß- oder Kaltleiter ausgebildet ist, kann ferner eingestellt werden, ob der magnetische Fluss ϕ mit steigender Temperatur des Mediums ab- bzw. zunimmt. Hierdurch kann ebenfalls darauf Einfluss genommen werden, ob die Drehzahl n des Gebläsemotors 10 mit steigender Temperatur ab- oder zunimmt. Insbesondere kommt es hierbei darauf an, auf welche Temperatur von welchem Medium die Leistungsregelung 18 die Leistung des Gebläsemotors 10 und des HVAC-Moduls 22 regelt.
In 5 ist ein Diagramm mit einer weiteren Lüfterradkurve C und Motorkurven eines Gebläsemotors 10 bei verschiedenen magnetischen Flüssen ϕ_i gezeigt. Die magnetischen Flüssen ϕ_i zeigen einen magnetischen Fluss ϕ₀ mit einer bestimmten Flussstärke, sowie weitere darauf normierte magnetische Flüsse ϕ₁ bis ϕ₇, deren Flussstärke jeweils 90 %, 80 %, 70 %, 60 %, 50 %, 40 % und 30 % der bestimmten Flussstärke beträgt.
Bei einem verhältnismäßig großen magnetischen Fluss (ϕ₀) weist der Gebläsemotor 10 die geringste Leerlauf-Drehzahl und die geringste Abhängigkeit der Drehzahl n vom Drehmoment M auf, wohingegen die Leerlauf-Drehzahl mit sich abschwächendem Magnetfeld bzw. abnehmendem magnetischen Fluss ϕ steigt. Ferner steigen die Drehzahl n und das Drehmoment M der Kombination aus Gebläsemotor 10 und Lüfterrad 24 für einen sich abschwächenden magnetischen Fluss ϕ an. Die Motorkurven lassen sich insbesondere aus der Gleichung zur Drehzahl n herleiten.
In 6 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem der Energieverbrauch gegenüber dem Widerstandswert R der Leistungsregelung für einen erfindungsgemäßen Gebläsemotor 10 (Kurve D) und einem Gebläsemotor aus dem Stand der Technik (Kurve E) gezeigt sind. Der Widerstandswert R ist umgekehrt und linear proportional zur Geschwindigkeit des Gebläsemotors, sodass ein geringer Widerstandswert R eine hohe Geschwindigkeit des entsprechenden Gebläsemotors bedeutet.
Die Widerstandswerte R bzw. die Geschwindigkeit des Gebläsemotors können in drei Leistungsbereiche L1 bis L3 unterteilt werden, einen unteren Leistungsbereich L1, einen mittleren Leistungsbereich L2 sowie einen oberen Leistungsbereich L3.
Der Vergleich der beiden Kurven D und E verdeutlicht, dass der erfindungsgemäße Gebläsemotor 10 einen deutlich geringeren Energieverbrauch gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Gebläsemotor aufweist, der als Bürstenmotor ausgebildet ist und einen Stator mit Permanentmagneten umfasst.
Die geringeren Energieverbräuche im unteren und mittleren Leistungsbereich L1 und L2 sind darauf zurückzuführen, dass im erfindungsgemäßen Gebläsemotor 10 deutlich geringere Energieverluste an den Widerständen auftreten. Im Stand der Technik werden Widerstände zum Rotor zugeschaltet, um die Leistung des Gebläsemotors über eine Veränderung des elektromagnetischen Rotorfelds zu steuern. Der Rotorstrom ist deutlich höher als der Statorstrom, weswegen entsprechend hohe Energieverluste an den Widerständen auftreten. Dies macht sich im unteren und mittleren Leistungsbereich L1 und L2 bemerkbar, da dort mehr Widerstände zugeschaltet sind.
Erfindungsgemäß wird hingegen das Statorfeld aufgrund der selbsttätigen Leistungsregelung 18 verändert, die den veränderbaren Widerstand 20 umfasst, um die Leistung des Gebläsemotors 10 zu regulieren. Hierbei fließt der deutlich geringere Strom des Stators 12 durch den veränderbaren Widerstand 20, weshalb entsprechend geringere Energieverluste am Widerstand 20 auftreten, sofern der veränderbare Widerstand 20 einen hohen Widerstandswert aufweist.
Im oberen Leistungsbereich L3 hat der Gebläsemotor aus dem Stand der Technik jedoch Vorteile hinsichtlich des Energierverbrauchs, da kein Widerstand in diesem Bereich zugeschaltet werden muss, an dem Leistung verloren geht. Ferner muss keine zusätzliche Anregung des Statorfelds erfolgen, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist.
Der obere Leistungsbereich L3 wird jedoch über das Jahr gesehen selten genutzt, wie aus der 7 hervorgeht, in der die statistische Verteilung der verwendeten Geschwindigkeiten eines Gebläsemotors über ein Jahr dargestellt ist. Wie bereits erwähnt, besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des Gebläsemotors und dem Widerstandswert R der Leistungsregelung 18.
Der gestrichelt dargestellte Bereich im Diagramm der 7 kann insbesondere durch die Leistungsregelung 18 abgedeckt werden. Er umfasst die Leistungsbereiche L2 und L3, also insbesondere den Leistungsbereich L2, der am meisten verwendet wird (siehe 7) und bei dem viel Energie eingespart werden kann (siehe 6). Dadurch ist die Effizienz des erfindungsgemäßen Gebläsemotors 10 auf das gesamte Jahr gesehen entsprechend hoch.
Erfindungsgemäß ist somit ein Gebläsemotor 10 sowie ein HVAC-Modul 22 geschaffen, die auf das gesamte Jahr gesehen effizienzoptimiert sowie einfach und kostengünstig aufgebaut sind. Ferner können sie ihre Leistung selbst regeln, sodass auf eine separate Leistungsregelung verzichtet werden kann.

Claims

Gleichstrom-Gebläsemotor (10) für ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rotor (14) und einem Stator (12), der wenigstens eine Statorwindung (16) aufweist, die im bestromten Zustand ein elektromagnetisches Statorfeld erzeugt, das mit dem Rotor (14) wechselwirkt, um diesen in eine Drehbewegung zu versetzen, wobei eine vorzugsweise stufenlose Leistungsregelung (18) mit zumindest einem Widerstand (20) vorgesehen ist, der einen veränderbaren Widerstandswert aufweist, wobei die Leistungsregelung (18) mit der wenigstens einen Statorwindung (16) elektrisch gekoppelt ist, um den Stromfluß durch die Statorwindung (16) zu verändern.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Widerstandswerts die Stromstärke des durch die wenigstens eine Statorwindung (16) fließenden Stroms und damit die Stärke des elektromagnetischen Statorfelds verändert.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung (18) ausschließlich aus dem wenigstens einen Widerstand (20) besteht.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (20) ein temperaturabhängiger Widerstand ist, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit seiner Temperatur ändert.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand (20) in einem von einem Medium umströmten Bereich oder an einem von einem Medium durchströmten Abschnitt angeordnet ist, sodass der Gleichstrom-Gebläsemotor (10) seine Leistung in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums selbst regelt.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand (20) ein PTC- oder NTC-Widerstand ist.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (20) ein manuell einstellbares Potentiometer ist.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) wenigstens einen Pol mit einer elektrischen Rotorwindung aufweist, die bei Stromdurchfluss ein elektromagnetisches Rotorfeld erzeugt, das mit dem elektromagnetischen Statorfeld wechselwirkt.
Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) und der Rotor (14) elektrisch parallel geschaltet sind, sodass der Gleichstrom-Gebläsemotor (10) ein Nebenschlussmotor ist.
Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Lüfterrad (24) und einem Gleichstrom-Gebläsemotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der das Lüfterrad (24) antreibt.
Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Widerstand (20) ein temperaturabhängiger Widerstand ist, der im Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) angeordnet ist.
Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (20) in einem von einem Medium umströmten Bereich oder an einem von einem Medium durchströmten Abschnitt des Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmoduls (22) angeordnet ist, insbesondere wobei das Medium ein durch ein Klimatisierungskreislauf strömendes Kältemittel ist.
Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) seine Leistung in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums selbst regelt, insbesondere die Strömungsmenge, die vom Lüfterrad (24) angesaugt wird.
Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand (20) in oder an einem Wärmetauscher (26) des Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (22) angeordnet ist, der von einem im Fahrzeuginnenraum gelenkten Luftstrom umströmt oder durchströmt ist.