JP2012500615A - 電動機モジュール、電動機を動作させる方法、および電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は電動機と該電動機を駆動制御する電動機制御装置とを有する電動機モジュール、とりわけ電動機を冷却する冷却ファンおよび／または自動車の空調装置を駆動するための電動機モジュールに関する。本発明によれば、電動機制御装置は電動機および／または冷却ファンの特性曲線（１，２，３，４）に従って調整可能であり、電動機は出力および／または回転数が調節可能である。

Description

本発明は、特に電動機を冷却する冷却ファンを駆動するための電動機モジュール、および／または、電動機と電動機を駆動制御する電動機制御装置とを備えた自動車の空調装置に関する。本発明はさらに電動機を動作させる方法と電動機制御装置をも含む。

先行技術
冒頭に述べた形式の電動機モジュールは公知である。そのような電動機モジュールは自動車の冷却ファンを駆動するためによく使われている。なお、この冷却ファンは電動機冷却器および／または空調装置に属している。

冷却ファンの出力調節には、電動機を制御する電動機制御装置が、とりわけデューティ比制御器が使用される。デューティ比制御器は、例えば内燃機関の閉ループないし開ループ制御装置の目標値に従って、冷却ファンの電動機が所定のデューティ比で動作するように制御される。

それにより、電動機を出力範囲全域においてほぼ任意に駆動することができる。電動機は公差を有しているが、この公差は考慮するのが難しいため、例えば電動機冷却器や空調装置などの装置を設計する際に問題となる。公差は例えば電動機の入力、出力および／または効率を損なう可能性がある。この公差を例えば精密な製造および／または公差範囲外にあるモータを取り除くことによって狭めるとすると、比較的高いコストがかかる。したがって、コスト上の理由から、普通は電動機の電気的な入力、出力および／または効率に関して比較的大きな公差を受け入れられている。このことは装置を設計する際に考慮されなければならない。つまり、最も出力の小さな電動機によって必要最小限の出力を、例えば空気出力を、達成しなければならない。この場合、最も出力の大きな電動機は過剰な出力を、例えば過剰空気量を出力するが、それでも使用することはできる。したがって、発生する出力を設計するには最も出力の小さな電動機が決定的である。しかし、要求は許された公差範囲内のすべての電動機によって満たされなければならない。そのために、電動機の消耗部品、例えば炭素ブラシは最も出力の大きな電動機に合わせて設計されなければならない。なぜならば、最も大きな摩耗作用はこの電動機の全負荷時に生じるからである。最も出力の大きな電動機に合わせて設計が行われるので、ほとんどの用途にとって寸法過大である。

発明の概要
それに対して、請求項１に記載された特徴を備えた電動機モジュールは、電動機に比較的大きな公差が存在していても、装置の設計の際に電動機の寸法が過大になるのを避けることができるという利点を有している。それゆえに、低コストの部品を用いることができる。本発明によればこれは、電動機制御装置が電動機および／または冷却ファンの特性曲線に従って調整可能であり、電動機の出力および／または回転数が調整できることで達成される。電動機の特性曲線は例えば電動機の製造および／または取付けの後に決定される。電動機制御装置は、電動機の出力および／または回転数の調節を達成するために、この特性曲線に従って調整される。上記の公差範囲は最も出力および／または回転数の小さな電動機から摩耗作用が最大となる最も出力および／または回転数の大きな電動機まで広がっている。したがって、出力および／または回転数に対する要求が満たされ、しかも摩耗作用が最小化されるように、最も出力の大きな電動機の出力および／または回転数を調節するのが有利である。それゆえ設計される装置向けに、許容される最小の出力および／または回転数のときでも要求された空気出力ないし要求された出力を供給できる電動機を使用すると有利である。その一方で、出力および／または回転数がより大きな電動機は、電動機の特性曲線に基づいて出力および／または回転数が電動機制御装置によって調節される、とりわけ制限される。つまり、設計される装置向けの電動機は特性値だけに基づいて、すなわち最小の出力および／または最小の回転数のみに基づいて選択されなければならない。高出力および／または高回転数が可能な電動機の寿命の短縮はそれほど考慮しなくてもよい。というのも、これらの電動機はより低い出力および／または回転数に制限されるからである。このようにして装置の寿命を延ばすか、または電動機をより簡単、したがってより低コストの構造とすることができる。冷却ファンにおいて電動機を使用する場合、要求される空気量は基本的に電動機の回転数に依存する。したがって、要求よりも高い回転数は不必要に大きな吐出し量をもたらし、電動機の寿命を短くしてしまう。冷却ファンの場合、所望の空気量だけが設定されている場合が多い。その場合、好ましくは回転数の制限が行われる。出力および／または回転数を調節するために、電動機の特性曲線ではなく、冷却ファンの特性曲線を使用することもできる。この場合には、装置の公差、つまり特に冷却ファンの公差も考慮するようにしてよい。例えば、特性曲線が回転数に対する空気吐出し量を表すようにし、冷却ファンの出力ないし回転数が要求される吐出し量に合わせて調節されるようにしてよい。このコンテキストでは、出力および／または回転数の調節は電動機の最大出力および／または最大回転数の調節として理解される。また、最大出力および／または最大回転数の制限も可能である。

本発明の１つの実施形態では、特性曲線は電動機の製造および／または取付けの後にとりわけ完成品テストによって決定される。特性曲線の決定は適切な方法で、例えばテストベンチ上で行われる。完成品テストの際に特性曲線を求めると特に有利である。完成品テストは、多くの場合、機能の検査のためにいずれにせよ電動機の製造および／または取付けの後に行われるものである。

本発明の１つの実施形態では、電動機制御装置はデューティ比制御器であるか、デューティ比制御器を有する。デューティ比制御器は例えば電動機制御装置へのインタフェース、コンピュータを有する電子ユニット、および電動機をクロック駆動制御するトランジスタから成る。デューティ比制御器によって電動機の均一な出力が実現されなければならない。これはトランジスタのオン／オフ比を電動機の公差域の位置ないし特性曲線に適合させることによって行われるので、電動機の寸法過大が防止される。その際、電動機制御装置をデューティ比制御器としてよい。択一的には、電動機制御装置がデューティ比制御器を含む。

本発明の１つの実施形態では、特性曲線は出力特性曲線および／または回転数特性曲線である。基本的に、電動機の公差域の位置は任意の特性曲線に基づいて判断することができる。しかし、出力特性曲線および／または回転数特性曲線を使用すると有利である。出力特性曲線には、電動機の出力ないしトルクが別の値、例えば回転数に依存する形で記録されている。この出力特性曲線によれば、電動機が所望の出力を有するように電動機制御装置を調整するのは特に容易である。

本発明の１つの実施形態では、電動機制御装置の調整は電動機の通常運転の前に特に一回だけ行われる。したがって、電動機は通常運転の前に調節される。つまり、電動機制御装置を調整せずに検査および／または試験目的での運転を行うことができる。有利には、電動機制御装置の調整は設計される装置に組み込まれる直前または組み込まれた直後に行われる。また、この調整を一回だけ行う、つまり、例えば電動機の全寿命にわたる出力の起こり得る変化を考慮して調整を行うと特に有利である。組み込み後に調整を行えば、設計される装置のおそらく存在するであろう公差を考慮することができるという点で有利である。

本発明の１つの実施形態では、電動機制御装置はその特性曲線ないし出力および／または回転数が同じ構造の別の電動機の少なくとも１つの特性曲線ないし少なくとも１つの出力および／または回転数と実質的に一致するように調整されている。上記のように、電動機の製造時に、公差域を縮小するために費用集約的でない措置を講じた場合、たまに大きな公差域が生じる。それゆえ、電動機の特性曲線ないし出力および／または回転数は、電動機制御装置によって同じ構造の別の電動機の、つまり例えば同じシリーズの電動機の特性曲線ないし出力および／または回転数に合わせられている。このようにして、出力および／または回転数の公差域が広いにもかかわらず、実質的に同じ出力および／または回転数を保証する多数の電動機を形成することができる。

本発明の１つの実施形態では、出力および／または回転数は特に特性曲線に基づいて決まる比例係数によって決定することが可能である。電動機制御装置内に完全な特性曲線を保存しておかなくてもよいように、比例係数だけが決められている。例えば、所望の出力を達成するために用いる、電動機の最大出力のパーセンテージを指定しておくようにしてもよい。デューティ比制御器を使用する場合には、例えばトランジスタのオン時間を比例係数によって指定することができる。例えば、出力要求が最大のときには、出力および／または回転数が最小の電動機をトランジスタのオン時間の１００％で駆動し、出力および／または回転数が最大の電動機をオン時間のたった８７％で駆動するようにすることができる。有利には、比例係数は特性曲線から求められる。つまり、電動機の特性曲線が決定され、続いて特性曲線から比例係数が導出される。

本発明の１つの実施形態では、電動機にマークが付されており、このマークを介して特性曲線および／または比例係数が電動機に割り当てられている。つまり、電動機には簡単に読み出せるように所定の特性曲線および／または所定の比例係数が割り当てられている。この目的で電動機にはマークが付される。その際、特性曲線および／または比例係数をマークにコーディングするか、またはマークが識別子となって、この識別子を介して特性曲線および／または比例係数を割り当てることができるようにしてもよい。後者の場合、マークは例えばシリアルナンバーであり、特性曲線および／または比例係数は中央レジスタ内で、例えばデータベース内で、このシリアルナンバーに結び付けられている。しかし、有利には前者が使用される、つまり、特性曲線および／または比例係数が直接マークの中に含まれる。

本発明の１つの実施形態では、マークはバーコードである。バーコードは簡単に電動機に付けることができる。したがって、特性曲線および／または比例係数および／またはシリアルナンバーがコーディングされた一意の識別子および／またはデータセットを電動機に割り当てることが容易に可能である。

本発明の１つの実施形態では、電動機は必要とされるよりも大きな出力および／または回転数を有しており、電動機制御装置によって必要な出力および／または回転数へと調節される。例えば、すべての電動機が最小の出力および／または回転数で要求を満たすように、電動機の生産シリーズを選んでもよい。この場合、出力および／または回転数の公差のせいで、いくつかの電動機からの出力および／または回転数が過大となる。そこで、これらの電動機は必要とされる出力および／または回転数だけを提供するように電動機制御装置によって調節される。上で述べたように、このようにして例えば電動機の寿命が延びるか、または簡単な型式の、したがって安価な電動機を使用することが可能になる。

本発明はさらに、とりわけ前述の構成の電動機を動作させる方法にも関する。本方法では、以下のステップにおいて、電動機の出力および／または回転数を電動機制御装置によって、とりわけデューティ比制御器によって調節することができる。電動機および／または電動機によって駆動される装置の特性曲線を製造後に求めるステップ、特性曲線および／または特に特性曲線から求められる比例係数を電動機のマークを介して電動機に割り当てるステップ、マークを介して電動機に割り当てられた特性曲線および／または比例係数に従って電動機制御装置を調整するステップ、および電動機制御装置によって調節された出力および／または回転数で電動機を動作させるステップ。個々のステップについては、電動機モジュールに関して上で述べた構成を参照されたい。

本発明はさらに、とりわけ前述の構成の電動機を駆動制御するため、および／または上記方法を実行するための電動機制御装置、特にデューティ比制御器に関する。この電動機制御装置は電動機および／または電動機によって駆動される装置の特性曲線に従って調整可能であり、電動機の出力および／または回転数は調節可能である。この電動機制御装置は、とりわけ前記した電動機モジュールに割り当てられているものとしてよい。

以下に、本発明を図面に示されている実施例に基づいて詳しく説明する。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されない。

トルクに対する回転数をプロットしたグラフであり、設計される装置の特性曲線と電動機モジュールの電動機の特性曲線を公差域とともに示す。 図１のグラフにおいて電動機の特性曲線をずらすことにより公差域を低くしたものを示す。

発明の実施形態
図１には、トルクＭ（単位：Ｎｍ）に対する回転数ｎ（単位：１／ｍｉｎ）をプロットしたグラフが示されている。図示されているのは、設計される装置（図示せず）の特性曲線１である。その他に、一連の電動機の特性曲線２，３および４も図示されている。特性曲線２は一連の電動機のトルクＭに対する回転数ｎの変化の平均を表している。特性曲線３は目下の動作点において最も出力の大きな電動機を表しており、特性曲線４は最も出力の小さな電動機を表している。装置を設計する際には、基本的に、一連の電動機の最小出力（つまり特性曲線４で表されている変化）は装置が前提とする許容最小出力よりも大きいということに注意しなければならない。その一方で、特性曲線３によって表されている電動機、つまり所定の動作点において最も出力の大きな電動機は最も出力の小さな電動機よりも摩耗作用が高いことにも注意しなければならない。特性曲線１と特性曲線４の交点にある動作点５は電動機が最小出力で駆動される動作点である。それに対して、特性曲線１と特性曲線３の交点にある動作点６は出力の最も大きな電動機の動作点を表している。動作点６が動作点５よりも高い回転数ｎと高いトルクＭを有することは明らかである。これは出力の最も大きな電動機の方が摩耗が大きいからである。ただし、上で述べたように、装置は出力の最も小さな電動機で十分なように設計されている。それゆえ、動作点６の高い回転数ｎと高いトルクＭ、つまり動作点５に比べて余分な出力は過剰であり、そもそも設計される装置に必要とされておらず、上記した摩耗の増大、ひいては電動機の寿命の短縮につながる。したがって通常は、許容最小出力と電動機の寿命とに対する要求を満たすためには、高度な電動機設計を選択しなければならない。しかし、これには費用がかかる。場合によっては、高度な電動機設計は所要スペースの増大も含意する。このことも否定的に評価される事項である。上記の状況はグラフでは動作範囲特性曲線７および８に記録されている。これらの動作範囲特性曲線７および８が最大回転数ｎと最大トルクＭを、つまり、電動機の要求された寿命が達成される許容最大出力を与える。動作範囲特性曲線７は電動機の通常の設計を、動作範囲特性曲線８は電動機の高度な設計を表している。明らかに、最も出力の小さな電動機の動作点５は動作範囲特性曲線７の左手にあることが分かる。したがって、電動機の通常の構成は予想よりも早い破損を恐れることなく使用することができる。それに対して、最も出力の大きな電動機の動作点６は動作範囲特性曲線７の右手にあるので、電動機の破損の可能性が高い。この理由から、電動機の高度な構成は動作範囲特性曲線８とともに使用されなければならない。この場合、動作点５も動作点６も動作範囲特性曲線８の左手にある。これは上述のようにコストの増大の原因ともなり、場合によっては電動機の重量および／またはサイズの増大をもたらすこともありうる。

図２には、電動機の出力が調節可能な本発明による電動機モジュールを使用した場合の図１のグラフが示されている。電動機モジュールには、電動機を駆動制御する電動機制御装置が含まれている。電動機制御装置によって、電動機の特性曲線を調整し、電動機の出力を調節することができる。図１のグラフから分かるように、電動機モジュールの電動機制御装置は、最も出力の大きな電動機の出力を耐久稼働が可能なように調節するために使用される。それにより特性曲線３は、特性曲線１と電動機の出力の調節によって生じる特性曲線１１との交点にある新しい動作点１０が動作範囲特性曲線７の左手に位置するように、矢印９の方向にずらされる。新しい特性曲線１１は最も出力の小さな電動機の特性曲線４とほぼ重なり合う。それゆえ、電動機の通常の構成を使用した場合（動作範囲特性曲線７）、すべての電動機が、すなわち、最も出力の小さな電動機から最も出力の大きな電動機までが耐久性を達成する。これにより、電動機の高度な設計のためのコストも、重量およびサイズの増大も不要にすることが可能である。

電動機モジュールの調節の別の利点はモジュラーシステムを実現できることにある。目下のやり方（図１による）では、各プロジェクトにつき、電動機の固有の設計とその結果として電動機モジュールの固有の設計が行われるが、電動機の特性曲線を電動機制御装置によって調整すれば、１つのモジュラーシステムを電動機と電動機モジュールとのために使用することができる。例えば３つの電動機クラスから適切な選択が行われる。その際、いつくかの使用ケースでは、電動機または電動機モジュールの軽度の寸法超過は受け入れるようにしてもよい。なぜならば、この寸法超過は電動機制御装置の調整によって最適な動作状態に適応させることができるからである。こうすることで、開発、販売および製造における複雑さが明らかに低下する。例えば、モジュラーシステムから電動機も電動機モジュールも選択することができる。設計される装置の最終組立のときに、これらのコンポーネントはプロジェクトに固有の部品、例えば冷却ファンやシュラウドと組み合わされる。設計される装置は、電動機制御装置をパラメータセットによってプロジェクトと電動機とに固有の出力要求に合わせて調整してはじめて、使用ケースないし装置に合わせて調整される。例えば冷却ファンの空気吐出し量は回転数の調節によって調節することができる。これには、電動機の公差だけでなく、装置の公差も考慮することができるという利点がある。先行技術から公知のやり方では、装置の設計の際に各プロジェクトに固有の部品、例えばシュラウドや冷却ファンだけでなく、電動機および電動機制御装置も決定される。この場合、電動機と電動機制御装置は互いに機能的に調和された１つの単位を形成しており、開発側ですべての公差が考慮済みであるように設計されていなければならない。通常、このためには複数回の繰り返しが必要であり、コストがかかる。

本発明による電動機モジュール、電動機を動作させる方法および電動機制御装置の利点は、低コストで電動機を設計できること、電動機モジュールないし電動機および／または電動機制御装置を様々な用途に使用できること、電動機制御装置と電動機のためのモジュラーシステムを実現できること、電動機および電動機制御装置の多様性を明らかに減らすことができること、販売および開発の複雑さを低下させることができること、出力の調節を実現するための付加的なセンサ系が不要であることである。

Claims (12)

1. 電動機と該電動機を駆動制御する電動機制御装置とを有する、とりわけ電動機を冷却する冷却ファンおよび／または自動車の空調装置を駆動するための電動機モジュールにおいて、前記電動機制御装置は前記電動機および／または冷却ファンの特性曲線（１，２，３，４）に従って調整可能であり、前記電動機は出力および／または回転数が調節可能である、ことを特徴とする電動機モジュール。
2. 前記特性曲線（１，２，３，４）は、前記電動機の製造および／または取付けの後の、とりわけ完成品テストによって求められるものである、請求項１記載の電動機モジュール。
3. 前記電動機制御装置はデューティ比制御器であるか、またはデューティ比制御器を有している、請求項１または２記載の電動機モジュール。
4. 前記特性曲線（１，２，３，４）は出力特性曲線および／または回転数特性曲線である、請求項１から３のいずれか１項記載の電動機モジュール。
5. 前記電動機制御装置の調整は前記電動機の通常運転の前にとりわけ１回だけ行われる、請求項１から４のいずれか１項記載の電動機モジュール。
6. 前記電動機制御装置は、前記特性曲線（１，２，３，４）ないし出力および／または回転数が同構造の別の電動機の少なくとも１つの特性曲線（１，２，３，４）ないし少なくとも１つの出力および／または回転数と実質的に一致するように調整されている、請求項１から５のいずれか１項記載の電動機モジュール。
7. 前記出力および／または回転数は、とりわけ前記特性曲線に基づいて求められる比例係数によって決定可能である、請求項１から６のいずれか１項記載の電動機モジュール。
8. 前記電動機にマークが付けられており、当該マークを介して前記特性曲線（１，２，３，４）および／または前記比例係数が前記電動機に割り当てられている、請求項１から７のいずれか１項記載の電動機モジュール。
9. 前記マークはバーコードである、請求項１から８のいずれか１項記載の電動機モジュール。
10. 前記電動機は、必要とされるよりも大きな出力および／または回転数を有しており、前記電動機制御装置によって必要な出力および／または回転数に調節されている、請求項１から９のいずれか１項記載の電動機モジュール。
11. 電動機を動作させる方法、とりわけ請求項１から１０のいずれか１項に記載の電動機を動作させる方法において、前記電動機の出力および／または回転数を電動機制御装置によって、とりわけデューティ比制御器によって、以下のステップで調節する、
    前記電動機および／または前記電動機によって駆動される装置の特性曲線（１，２，３，４）を製造後に求めるステップと、
    前記特性曲線（１，２，３，４）および／またはとりわけ前記特性曲線（１，２，３，４）から求められる比例係数を前記電動機のマークを介して前記電動機に割り当てるステップと、
    前記マークを介して前記電動機に割り当てられた前記特性曲線（１，２，３，４）および／または前記比例係数に従って前記電動機制御装置を調整するステップと、
    前記電動機を前記電動機制御装置によって調節された出力および／または回転数で動作させるステップを有することを特徴とする電動機を動作させる方法。
12. とりわけ請求項１から１０のいずれか１項記載の電動機を駆動制御するための、および／または請求項１１記載の方法を実行するための電動機制御装置、とりわけデューティ比制御器において、前記電動機制御装置は前記電動機および／または前記電動機によって駆動される装置の特性曲線（１，２，３，４）に従って調整可能であり、前記電動機は出力および／または回転数が調節可能であることを特徴とする電動機制御装置。

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