JP4104747B2 - 小型ファンユニット及びブラシレス小型直流モータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファンホイールと、該ファンホイールを駆動するブラシレス直流モータとを有する小型ファンユニットに関し、このファンユニットはとりわけプリント基板に直接配置するためのものである。特に本発明は、小型モータに関する。
【0002】
【従来の技術】
この種のファンユニットは例えば、ドイツ実用新案登録第29501695.7号明細書から公知である。ここでは駆動モータが、リングディスク状の永久磁石ロータを有するディスクアーマチュア型モータとして構成されている。ロータはステータに対して軸方向にずらされており、このステータに平行に配置されている。これにより、永久磁石ロータと同心ステータリングコイルとの間に平坦な空隙が形成される。ステータは円形リング状の強磁性薄板ディスクを、ロータ磁石に対する磁気帰還(回路)要素として有する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術では、磁気補助トルクをロータ磁石と関連して形成するための強磁性補助構成が必要である。
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の小型ファンにおいて、特に簡単で小型かつ安価に構成することである。特に本発明は、小型ファンにも用いることのできる小型モータを特に簡単で小型かつ安価に構成することに関する。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明により、直流モータは、無帰還(rueckschlussfrei,即ち磁気帰還回路要素を有しない)永久磁石ロータを備えた、単相単巻線で歯合極式(ないし咬み合い組立て型の極)のモータ(Klauenpolmotor)として構成されており、ロータの起動位置に作用する少なくとも1つの位置決め磁石が設けられているように構成して解決される。
なお、各請求項に付記した図面参照符号は、本発明を図示の態様に限定することを意図しない。
【0005】
【発明の実施の形態】
従って本発明によれば、ロータ磁石の磁気的帰還回路(磁気帰還回路要素ないしヨーク鉄片)が意識的に省略される。このことにより確かに作用効率はやや低下するが、しかしこの効率は有利な適用に対してはいずれにしろ十分である。モータの起動に関しては、少なくとも1つの、有利には直径上に対向配置された2つの位置決め磁石により常にロータの起動位置が得られる。このような永久磁石は非常に安価である。主磁界と位置決め磁石の磁界との交互作用は本発明では磁気帰還回路要素がないことによって可能である。
【0006】
さらにモータの動作状態に関しては、非常に簡単で安価な制御を使用することができる。このためにステータは、回転軸に対して同心のリングコイルと、軸方向に対向した2つの歯合磁極片(交互に咬み合い型に組立てた形式のもの)とを有し、歯合磁極片はそれぞれ例えば2つ(ないし2以上)の歯合極を備えている。歯合極はそれぞれ所属の歯合磁極片の中央部(ディスク状部)の外周端から発して軸方向に曲折して延在しており、従って交互に咬み合って組立てた場合歯合極はリングコイルの半径方向(外周)近傍に並置される。各歯合磁極片は相互に周方向に次のようにずらされている。すなわち、2つの磁極片の歯合極が周方向でそれぞれ交番するようにずらされている。このことによって歯合極は周方向に隣接するN極とS極を形成する。ここで有利には、それ自体公知にように、リングコイルを二本巻きで巻回し、作動巻線とセンサ巻線(回転数検出用巻線ないしタコジェネレータ巻線)を有するようにする。センサ巻線にはロータ磁石によってロータ位置に依存する信号が誘導される。この信号に基づいて、制御回路により作動巻線は単パルスで制御される。すなわち交互に、オン・オフ制御される。従って交番磁界は意識的に形成されない。なお、交番磁界形成ためにはフルブリッジ制御が必要となろう。制御回路はこのことによって非常に安価になり、そのコストはホールICと同じくらいである。
【0007】
本発明の歯合極式モータは同出力の円盤形電機子モータと比較して小型であり、とりわけ小さな外径として構成することができる。
【0008】
本発明の有利な構成は従属請求項および以下の説明に記載されているが、以下に概説する。
【0009】
直流モータは、軸方向リングコイルと軸方向に対向した2つの歯合磁極片とを備えたステータを有し、
前記歯合磁極片はそれぞれ例えば2つの歯合極を有する。
リングコイルは二重巻きで巻回されており、作動巻線とセンサ巻線を有し、制御回路が設けられており、該制御回路は、ロータ位置に依存して誘導されるセンサ巻線の信号に依存して作動巻線を単パルスで制御する。
歯合極は、少なくとも2つの、有利にはそれぞれ4つか6つ、例えば5つのスリットにより分割されている。
歯合磁極片は、ヒステリシスの小さい材料である、例えば30から80%ニッケルを含む軟磁性ニッケル−鉄合金からなる。
歯合磁極片は、保磁力が4から10A/mの領域にある材料、特に最大約8A/mである材料からなる。
ロータは外部ロータとして構成されており、ほぼ中空円筒状の収容部分をリング状の永久磁石ロータマグネットに対して有している。
ロータマグネットは、可塑性成型可能および/または合成樹脂ボンドフェライトマグネットから形成される。
ロータはファンホイールと一体的に構成される。
ファンホイールは、実質的に半径方向に配置された羽根を備えた半径方向回転ホイールとして構成される。
ケーシングが、例えば軸方向の空気吸入口と、例えば半径方向の吹出し口とを有する。
位置決め磁石、ないしは有利には直径上に対向配置された2つの位置決め磁石の各々は、ケーシングのポケット状収容部に配置されている。
位置決め磁石は、ロータマグネットの軸長の中央に配置されている。
ステータとロータとの間に軸方向のロータ保持力を形成するため、軸方向オフセット(V)が形成されている。
ステータとロータとの間の軸方向オフセット(V)は磁気特性に依存して次のように選定されている、すなわち、ロータが軸方向加速度(a)により加速され、該加速度が重力加速度(g)の約4から約7倍、有利には約5倍の値に相当するように選定されている。
ステータとロータとの間の軸方向オフセット(V)は、ステータの軸長の約40から約60%のオーダー、有利には約50%である。
吸入口および/または吹出し口の空気流動領域には電気温度センサ、例えばNTCセンサが配置されている。
ステータを電気接続するための接続装置が設けられている。
この接続装置は接点セット(K)を有し、該接点セットは、複数の選択的に使用可能な、ないしは場合により折り曲げによって適用専用の接続位置にもたらすことのできる接点要素(K1〜K6/K2〜K5)を備えている。
ステータのリングコイルはコイル支持体を有し、該コイル支持体には接続ピンが保持されており、接続ピンとは、リングコイル巻線の心線ワイヤ端部が電気接続され、接続ピンは、接点セットの各1つの接点要素と接続されている。
【0010】
【実施例】
図面に示された同じ部材には同じ参照符号が付してあり、通常はそれぞれ一度だけ説明する。
図1および図11からそれぞれわかるように、本発明の小型ファンユニット1はファンホイール2と、これを駆動するブラシレス直流モータ4を有する。この直流モータ4は本発明により、無帰還永久磁石ロータ6を有する単相、単巻線歯合極式モータとして構成されている。ここで図3によれば有利には、直径上に対向した2つの位置決め磁石8が設けられており、この磁石は直流モータ4の静止状態でロータ6に作用して、ロータ6を常に起動待機位置(起動位置)にもたらす。小型ファンユニット1はケーシング10を有する。位置決め磁石8は、ケーシング10のそれぞれのポケット状収容部12に配置されている。これにより位置決め磁石は半径方向にロータ6の外側で、ロータ6により軸方向に覆われた領域にほぼ存在する。有利には各位置決め磁石8はロータ6の軸方向長の正確な中央に位置する。これによって軸方向振動励起および厄介なノイズが回避される。
【0011】
さらに図1および図5〜図8からわかるように、本発明の歯合極式モータ4は、軸方向のリングコイル16を備えたステータと、軸方向に対向する2つの歯合磁極片18を有する。図6と図8によれば、各歯合磁極片18は有利には直径上に対向する2つの歯合極20を有する。各歯合極は、リング状(ディスク)に成形された薄板部材22の外周部において略U字状に曲折して発して軸方向に延在しており、周方向に円弧状の輪郭を形成する。
【0012】
略U字状の底部をなす中央部たる薄板部材22の中央には、円筒状に形成したフランジ22aがあり、リングコイル16の中心孔にコイル支持体50を介して嵌装される。コイル支持体50はリングコイル16の両端及び中心孔を被うよう図5断面で見て略コの字型に形成されると共に、その中心孔には、薄板部材22の円筒状フランジを圧嵌させる小突条50aが適当数配設されている。さらに、図5、6を参照して、コイル支持体50の上端に設けた軸方向突起50bを薄板部材22に対応して設けた位置極めボア22bに嵌合して、角度位置決めを行う。
【0013】
この薄板部材22にはリングコイル16のそれぞれの端面が配置されている。これによって各歯合極20は半径方向にリングコイル16の外周近傍に並置され、軸方向のステータ全長をほぼ覆う。基本的に同じに構成された2つの歯合磁極片18は軸方向に対向してリングコイル16の両端面側に配置され、このとき周方向に相互に所定角度(ここでは90゜)ずらされる。これにより2つの歯合磁極片18の各歯合極20は周方向でそれぞれ交番して組合わされる。このことによって電流がリングコイル16を流れて励磁されると、周方向に交番するN/S極が、極めて簡単な構成にも拘わらず、形成される。
【0014】
リングコイル16は有利には二重巻きで巻回されており、これにより一方では作動巻線が形成され、他方ではセンサ巻線(回転数巻線)が形成される。これによりモータ制御のために非常に簡単で安価な制御回路を使用することができる(詳細には示さない)。この制御回路は、ロータ位置に依存して、すなわちセンサ巻線の誘導信号に依存して作動巻線を単パルスで制御する(オン/オフ制御)。
【0015】
図6と図8によれば、有利には歯合極20がそれぞれ少なくとも2つ、図示の場合は5つの、軸方向に延在するスリット24により分割される。言い替えれば、n≧2個のスリットが設けられている。この手段は極衝撃を低減し、渦電流損失を回避するために使用される。このことは、通常なら渦電流が誘導され得るような磁極面を分割することによって行われる。
【0016】
歯合磁極片18をヒステリシスの小さい材料から製作すると有利である。このことは、例えば、30から80%のニッケルを含んだ軟磁性ニッケル・鉄合金により達成される。とくに適するのは、“HYPERM50”として公知の材料である。この材料はとくにヒステリシス損失(鉄損失)が少ない。保磁力は4から10A/mの領域とすべきであり、とくに8A/mを越えるべきではない。
【0017】
さらに図1と図11から(図9も参照)それぞれ、ロータ6が基本的に外部ロータ形に構成されていることがわかる。ロータはほぼ中空円筒状の収容部分26をリング状の永久磁石ロータマグネット28に対して有する。このロータマグネット28は有利には最初から、帯状の可塑性(プラスチック)成形フェライト磁石、例えば合成樹脂重合フェライト磁石から形成することができ、半径方向の磁化と極数4を有する。
【0018】
図示の有利な実施例(図9と図10参照)では、ロータ6ないしロータマグネット28に対する収容部分26はファンホイール2と一体的に構成されている。すなわち有利にはプラスチックの形状部材として構成されている。ここでシャフト30はセンタに形成される。図1と図11によれば、このシャフト30は有利にはダブルスライドベアリング32の中を回転し、ロータ6の反対側のシャフト30の自由端部はスラストベアリング34に軸方向に関し支持されている。通常、シャフト30は軸方向のロックなしでスライドベアリング32の中を回転する。シャフト30がスライドベアリングからスラストベアリング34の反対方向に飛び出さないようにロータ6を保持することは、本発明では専ら磁気手段によって達成される。そのためにステータ14とロータ6との間に軸方向オフセットVが形成されている(図1と図11にそれぞれ示されている)。これにより、ロータマグネット28と歯合極20との相互作用で軸方向のロータ保持力Fが形成される。軸方向オフセットVはここでは磁気量に依存して次のように選定される。すなわち、ロータ6が軸方向加速度aにより加速され、この加速度が重力加速度gのほぼ4倍から7倍、有利には約5倍の値に相応するように選定される。従ってa≒5gが当てはまる。この手段によって、基本的に保護されていないロータ6が大きな軸方向衝撃の際(例えば自動車では頻繁に発生する)に軸方向にベアリングから外れるようなことが有効に阻止される。さらに本発明のこの手段によって、非常に小さな無視できるようなノイズしか形成されない。これとは反対に他の解決手段、例えば補助磁石はロータへの軸方向の振動励振により大きく顕著なノイズを形成することとなる。この実施例ではステータ14とロータ6との間の軸方向オフセットVは、ステータ14ないしロータマグネット28の軸長の約40から約60%のオーダーであり、有利には約50%である。
【0019】
図2,図9および図10からわかるように、ファンホイール2は有利には実質的に半径方向に配置された羽根36を有する半径方向回転ホイールとして構成されている。この羽根36は、ロータマグネット28に対する収容部分26の平坦な底部に一体成形されている。図1,図2,ないし図11,図12のケーシング10は軸方向に空気吸入口38と半径方向に吹出し口40を有する。吹出し口40の排出角はここでは可変である。排出角はファンのほぼ全周(ないし大半)にわたって延在することができる。これは図12に太い線により示されている。
【0020】
図1から図4の実施例の場合、吸入口38の空気流動領域には電気温度センサ42が配置されている。この温度センサは例えばNTC(負の抵抗温度係数)センサとして構成することができる。本発明の小型ファンユニット1の有利な適用では、温度センサ42は例えば自動車のエアコンディショナに対する制御回路の構成部材を形成する。
【0021】
本発明の有利な実施例では、小型ファンユニット1はステータ14の電気接続のため、ないしはステータのリングコイル、すなわち作動巻線とセンサ巻線の接続のため、並びに有利には温度センサ42の接続のために専用接続装置44を有する。接続装置44は片側に、複数の選択的に使用できる接点要素K1〜K6(図1から図4)ないしはK2〜K5(図11から図13)を有している。これら接点要素は、場合により折曲げることにより適用に応じ各専用の接続位置にもたらすことができる。図4によれば接点要素Kは、吸入口38に対向するフランジ側にピン端部46を有する。このピン端部はプリント配線板に直接ハンダ付することができる。これらのピン端部は有利には、少なくとも2つの異なる位置に曲げることができる。すなわち片方は図示の、フランジ側に軸平行に突出する配置構成であり、または90゜曲げられた(図1では右側へ)位置である。このようにして本発明の小型ファンユニットを選択的に、少なくとも2つの異なる配置構成で有利はプリント配線板に直接固定することができる。有利にはそのために付加的ホルダ48が設けられる。このホルダ48は、例えばプリント配線板の相応する開口部に挿入され、例えば係止することができる。
【0022】
接続装置44は他方では、有利には4つの接続ピンA2〜A5を有する。これら接続ピンは、ステータ14のリングコイル16のコイル支持体50に保持される。このコイル支持体は有利にはプラスチック形状部材として構成されている。とくに図7からわかるように、接続ピンA2〜A5には2つのリングコイル巻線の巻線ワイヤ端部52が有利にはラッピング、ハンダ付または溶接により接続されている。さらに接続ピンA2〜A5は接点セットKの接点要素K2〜K5のそれぞれ1つと、例えば差込み接続されている。接続ピンA2〜A5は相互に平行に、ロータ軸および接点セットKの接点要素に対して垂直に延在している。2つの外側接点要素K1とK6は、図1から図4の実施例では温度センサ42の接続ワイヤを直接接続するために用いる。
【0023】
本発明の小型ファンユニット1はとりわけ“プリント配線板ファン”として使用するのに適する。すなわちプリント配線板に直接配置し、これにより周辺の電気ないし電子構成部材を冷却するのに適する。択一的にまたは付加的に、小型ファンユニット1はエアコンディショナ制御部と関連して“センサ・ファン”として使用するために設けられる。
【0024】
実際の実現実施例では、本発明の小型ファンユニット1は次の仕様構成を有するがこれは単なる例であり、これにより本発明を制限するものではない。
【0025】
本発明は、図示された実施例および記載された実施例に制限されるものではなく、本発明の枠内で同じ作用を及すすべての実施例を包括するものである。さらに本発明はこれまで請求項1に定義された構成の組合わせに制限されるものではなく、開示されたすべての個別構成の所定の特徴の任意の他の組合わせによっても定義されるものである。このことは基本的に、請求項1の各々の個別特徴を実質的に省略すること、本願の他の箇所で開示された少なくとも1つの個別特徴により置換することのできることをも意味する。請求項1については単に、本発明に対する第1の実現試行であると理解されたい。
【発明の効果】
本発明の基本構成(請求項1)により、例えばプリント配線に直接配置することが可能な、超小型の、ファンホイールと駆動ブラシレスモータを有する小型ファンユニットにおいて、特に簡単な小型かつ安価な構成が達成される。
なお、各従属請求項の構成により、さらに本文に詳述したとおり、夫々付加的効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の小型ファンユニットの第1の実施例の軸方向断面図である。
【図2】図1の矢印方向IIから見た吸入口側の平面図である(やや縮小されている)
【図3】図1の矢印方向IIIから見たフランジ側の平面図である。
【図4】図1の矢印方向IVから見た側面図である。
【図5】ステータ−リングコイルの軸方向断面図である。
【図6】図5のステータ−リングコイルに対して正しい位置で取付けのために配属した歯合磁極片の相応の断面図である。
【図7】図5の矢印方向VIIから見たリングコイルの平面図である。
【図8】図6の矢印方向VIIIから見た歯合磁極片の平面図である。
【図9】ロータ−ファンホイールユニットの軸方向断面図である。
【図10】図9の矢印方向Xの平面図である。
【図11】本発明の小型ファンユニットの第2の実施例の図1に類似の断面図である。
【図12】図11の矢印方向XIIから見た縮小した平面図である。
【図13】図12の矢印方向XIIIから見た相応する縮小した側面図である。
Claims (24)
- ファンホイール(2)と、該ファンホイールを駆動するブラシレス直流モータ(4)とを有する、プリント配線板に直接配置する程度の小型ファンユニット(1)であって、
無帰還型の永久磁石外部ロータ(6)と、
永久磁石外部ロータ(6)に接続されたロータシャフト(30)と、
ロータシャフト(30)を軸方向に一方向支持するためのスラストベアリング(34)と、
単相リングコイル(16)を備えた内部ステータ(14)と、を備え
永久磁石外部ロータ(6)の起動位置に作用する少なくとも1つの位置決め磁石(8)が設けられており、
内部ステータ(14)と永久磁石外部ロータ(6)との間にロータシャフト(30)をスラストベアリング(34)の方へ引き寄せる軸方向のロータ保持力(F)を形成するため、軸方向オフセット(V)が形成されている、
ことを特徴とする小型ファンユニット。 - 内部ステータ(14)と永久磁石外部ロータ(6)との間の軸方向オフセット(V)の大きさは磁気特性に依存して次のように選定されている、すなわち、永久磁石外部ロータ(6)が軸方向加速度(a)により加速され、該加速度が重力加速度(g)の約4から約7倍の値に相当するように選定されている、請求項1記載の小型ファンユニット。
- 内部ステータ(14)は歯合極式ステータであって、
歯合極式ステータ(14)と永久磁石外部ロータ(6)との間の軸方向オフセット(V)は、歯合極式ステータ(14)の軸長の約40から約60%のオーダーである、請求項1または2記載の小型ファンユニット。 - 歯合極式ステータ(14)は、自身と同軸のリングコイル(16)を有し、
軸方向に対向した2つの歯合磁極片(18)はそれぞれ少なくとも2つの歯合極(20)を有している、請求項3記載の小型ファンユニット。 - リングコイル(16)は二重巻きで巻回されており、作動巻線とセンサ巻線を有し、
制御回路が設けられており、
該制御回路は、ロータ位置に依存して誘導されるセンサ巻線の信号に依存して作動巻線を単パルスで制御する、請求項4記載の小型ファンユニット。 - 小型ファンユニットの外側に設けた制御回路と接続するための接点要素(K1ないしK6)を有している、請求項5記載の小型ファンユニット。
- 歯合極(20)は、少なくとも2つのスリット(24)により分割されている、請求項1から6までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- 歯合磁極片(18)は、ヒステリシスの小さい材料である、30から80%ニッケルを含む軟磁性ニッケル−鉄合金からなる、請求項4から7までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- 歯合磁極片(18)は、保磁力が4から10A/mの領域にある材料からなる、請求項4から8までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- ロータ(6)は外部ロータとして構成されるとともに、ほぼ中空円筒状の収容部分(26)をリング状の永久磁石ロータマグネット(28)に対して有している、請求項1から9までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- ロータマグネット(28)は、可塑性成型可能および/または合成樹脂ボンドフェライトマグネットから形成される、請求項1から10までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- ロータ(6)はファンホイール(2)と一体的に構成されている、請求項1から11までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- ファンホイール(2)は、実質的に半径方向に配置された羽根(36)を備えた半径方向回転ホイールとして構成されている、請求項1から12までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- ケーシング(10)が、空気吸入口(38)と、吹出し口(40)とを有している、請求項1から13までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- 吸入口(38)および/または吹出し口(40)の空気流動領域には電気温度センサ(42)が配置されている、請求項14項記載の小型ファンユニット。
- ファンホイール(2)は、空気吸入口(38)と同軸に、かつ、空気吸入口(38)の近傍に配置され、空気吸入口(38)の面積よりも半径方向に突出している、請求項14または15記載の小型ファンユニット。
- ステータのリングコイル(16)を接続するための複数の接点要素(K1ないしK6)を含む接点セット(K)を有し、電気温度センサ(42)が接点セット(K)の要素K1とK6に固定されるとともに電気的に接続されている、請求項15記載の小型ファンユニット。
- ケーシング(10)を有し、位置決め磁石(8)の各々は、ケーシング(10)のポケット状収容部(12)に配置されている、請求項1から17までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- 位置決め磁石(8)は、ロータマグネット(28)の軸長の中央に配置されている、請求項18記載の小型ファンユニット。
- ステータを電気接続するための接続装置(44)が設けられている、請求項1から19までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- 接続装置(44)は接点セット(K)を有し、
該接点セット(K)は、複数の選択的に使用可能な接点要素(K1〜K6)を備え、
接点要素(K1〜K6)は場合により折曲げることにより適用に応じ各専用の接続位置にもたらすことができる、請求項20記載の小型ファンユニット。 - 歯合極式ステータ(14)のリングコイル(16)はコイル支持体(50)を有し、
該コイル支持体には接続ピン(A2〜A5)が保持されており、
接続ピン(A2〜A5)とはリングコイル巻線の心線ワイヤ端部(52)が電気接続され、
接続ピン(A2〜A5)は、接点セット(K)の各1つの接点要素(K2〜K5)と接続され、
接点セット(K)は歯合極式ステータ(14)を電気接続する接続装置(44)である、請求項20または21記載の小型ファンユニット。 - 前記ロータシャフト(30)は、ステータ側に備えたスライドベアリング(32)に挿通されるとともに、前記ロータシャフト(30)の自由端部は、スラストベアリング(34)の静止部分に対して、軸方向オフセット(V)により生み出されるロータ保持力(F)によって支持されている、請求項1から22までのいずれか1項記載の小型ファンユニット。
- 請求項1から23までのいずれか1項記載の小型ファンユニットを備えたプリント配線板。
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