JP4575453B2 - 自動車の冷却送風機用の直流モータを段階的に制御するための装置 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載された、自動車の冷却送風機用の少なくとも１つの第１の直流モータを段階的に制御するための装置に関する。

ＥＰ１０１７１５８Ａ２から、自動車の冷却送風機用の直流モータのスタートフェーズを制御するための装置が公知になっている。ここでは、該直流モータの回転数は、リレーごとに直列に接続可能な３つの抵抗を介して４段で変化するように構成されている。この装置はさらに、直流モータを制御するために温度に依存するスイッチを有する。

またＥＰ０４４５０１５Ａ１から、複数のブラシ対での接続によって、冷却送風機用の直流モータの異なる回転数段を実現することが公知であり、ＥＰ５１８５３８Ａ２では、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって制御することにより、連続的な回転数調整が実現される。

発明の利点
上記の従来技術に対して、自動車の冷却送風機用の少なくとも１つの直流モータを段階的に制御するための本発明による装置は、第１の電流制限素子と、第２の電流制限素子と、第１のスイッチング手段と、第２のスイッチング手段と、第３のスイッチング手段とを有し、このような装置の利点は、冷却送風機の冷却パワーを２つの電流制限素子および３つのスイッチング手段だけで、少なくとも４つの０と異なる段で変化できるという利点を有する。このことに関して特に有利には、第１の電流制限素子および第２の電流制限素子を選択的に、そのつど個別に、または直列接続で、または並列接続で動作させることができる。こうするためには、第１の電流制限素子および第２の電流制限素子の接続を前記３つのスイッチング手段によって、次のように行う。すなわち、第１の電流制限素子が第１のスイッチング手段によって給電電圧に接続可能であり、第２のスイッチング手段によって直流モータの第１のコンタクトに接続可能であり、第２の電流制限素子が第３のスイッチング手段によって該給電電圧に接続可能であり、第２のスイッチング手段によって該直流モータの第１のコンタクトに接続可能であり、該第１の電流制限素子および第２の電流制限素子は第１のスイッチング手段および第３のスイッチング手段によって該給電電圧に並列接続可能であり、第２のスイッチング手段によって該直流モータの第１のコンタクトに並列接続可能であり、該第１の電流制限素子および第２の電流制限素子は第１のスイッチング手段および第２のスイッチング手段によって該給電電圧および該直流モータの第１のコンタクトに直列接続可能であるように行う。このような構成によって本発明による装置は、次のような公知の装置に対して低コストの択一的手段を提供する。すなわち、３つのスイッチング手段および２つの電流制限素子によって最大で２つの０ではない段しか実現できない装置、または上記のＥＰ１０１７１５８Ａ２のように、３つのスイッチング手段および３つの電流制限素子によって最大で３つの０でない段しか実現できない装置に対して、低コストの択一的手段を提供する。ＥＰ５１８５３８Ａ２から公知のようなＰＷＭ制御に対しても、本発明による装置で、高コストのＰＷＭ制御回路が省略されることにより、コスト削減を実現できる。

有利な構成では第１の電流制限素子および第２の電流制限素子は、第１の抵抗値Ｒ_１を有する第１の抵抗ないしは第２の抵抗値Ｒ_２を有する第２の抵抗である。両抵抗値Ｒ_１およびＲ_２はここでは、計算された第１の商
Ｑ_１＝Ｒ_１／（Ｒ_１＋Ｒ_２）
が約５０％〜１００％の領域にあるように選択される。このことにより、とりわけ自動車の通常運転で所望の冷却パワー領域ないしは回転数領域の均質な段階的変化が実現される。ここでは、第１の商Q₁が値６２％をとる場合に、均質な段階的変化が実現される。さらに、Ｒ_１およびＲ_２を可能な限り大きく選択すると、本発明による装置の投入電流が格段に低減される。

本発明の別の側面は、第２の商
Ｑ_２＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／Ｒ_ｍ
を考慮することを特徴とする。これによって、冷却パワー領域ないしは回転数領域を可能な限り広範囲で変化できる。ここでは、Ｒ_ｍは直流モータのモータ抵抗値を定義する。こうするためには、Ｑ_２は１〜１０の領域にあると有利である。
択一的な構成では、本発明による装置を僅かな変更で、２つの直流モータを制御するためにも使用できる。このような２つの直流モータは、たとえば自動車の２重冷却送風機用の２つの直流モータである。こうするためには、第１の電流制限素子は抵抗であり、第２の電流制限素子は第２の直流モータである。このようにして、第１の直流モータおよび第２の直流モータを選択的に、そのつど個別に、または直列接続で、または並列接続で動作できるようになる。

ここでは前記の３つのスイッチング手段による接続は、第１の直流モータの第１のコンタクトが第１のスイッチング手段および第２のスイッチング手段によって前記抵抗を介して給電電圧に接続可能であり、該第１の直流モータの第１のコンタクトは第２のスイッチング手段および第３のスイッチング手段によって該第１の直流モータの第２のコンタクトに接続可能であり、第２の直流モータの第１のコンタクトは第１のスイッチング手段によって前記抵抗を介して該給電電圧に接続可能であり、該第２の直流モータの第２のコンタクトは第３のスイッチング手段によって該第１の直流モータの第２のコンタクトに接続可能であり、第１の直流モータおよび第２の直流モータは第２のスイッチング手段および第３のスイッチング手段によって、選択的に直列接続または並列接続に切り換えられるように行われる。

２重冷却送風機を段階的に制御するための本発明による装置の手間ないしはコストは、抵抗がほぼ０Ωの抵抗値を有する場合にさらに低減される。このことによってさらに、第１の直流モータおよび／または第２の直流モータの動作を最大トルクで実現できる。

本発明の別の利点は、少なくとも１つの直流モータに第４のスイッチング手段を並列接続することで得られる。というのもこのスイッチング手段は、本発明による装置のデアクティベート後に閉成して、直流モータが迅速に制動されるようにできるからである。

最後に有利なのは、少なくとも１つのスイッチング手段に対して熱保護エレメントを配属することである。これによって、過度に高い電流による送風機モータの損傷が回避されるからである。こうするためには、スイッチング手段に対してそれぞれ熱保護エレメントを、制御回路および／または負荷回路において前置接続することができる。

従属請求項に記載された特徴、図面および以下の説明に、本発明の別の利点が記載されている。

図面
本発明を以下で、図１〜４を参照にして例として説明する。ここでは、各図において同一の参照記号は、同じ機能を有する同じ構成要素を指す。

図面
図１ 本発明による装置の第１の実施例のブロック回路図である。

図２ 回転数特性曲線および冷却パワー特性曲線を、第１の実施例による本発明の装置の異なる段に依存して示すグラフである。

図３ 本発明による装置の第２の実施例のブロック回路図である。

図４ 本発明による装置のための制動回路（図４ａ）および保護回路（図４ｂ）のブロック回路図である。

実施例の説明
図１に、自動車の冷却送風機用の直流モータ１２を段階的に制御するための本発明の装置１０のブロック回路図が示されている。該装置１０は、第１の電流制限素子１４および第２の電流制限素子１６を有する。両素子１４および１６は、第１の抵抗値Ｒ_１ないしは第２の抵抗値Ｒ_２を有する抵抗１８および２０として設けられる。しかし、相応の抵抗値を有する別の電流制限素子１４および１６を使用することもできる。たとえば、別の直流モータのコイル、バリスタまたはダイオード等とすることができる。しかし以下の第１の実施例では、第１のオーム抵抗１８ないしは第２のオーム抵抗２０を前提とする。

第１の抵抗１８は、２つのスイッチ位置０（開放）および１（閉成）を有する第１のスイッチング手段２２によって給電電圧Ｖｃｃに接続可能であり、位置０と別の位置１との間で切り換え可能な第２のスイッチング手段２４によって直流モータ１２の第1のコンタクト２６に接続可能である。第２の抵抗２０は、第１のスイッチング手段２２のように２つのスイッチ位置０（開放）および１（閉成）を有する第３のスイッチング手段２８によって、接続点３０を介して給電電圧Ｖｃｃに接続することができ、第２のスイッチング手段２４によって直流モータ１２の第１のコンタクト２６に接続することができる。さらに、第１のスイッチング手段２２ないしは第３のスイッチング手段２８によって第１の抵抗１８および第２の抵抗２０を給電電圧Ｖｃｃに並列接続し、第２のスイッチング手段２４によって直流モータ１２の第１のコンタクト２６に接続することもできる。最後に、第１の抵抗１８および第２の抵抗２０を第１のスイッチング手段２２ないしは第２のスイッチング手段２４によって、給電電圧Ｖｃｃと直流モータ１２の第１のコンタクト２４とに直列接続することができる。

図１では、直流モータ１２の第２のコンタクト３２は電気的なグラウンドＧＮＤに接続されている。直流モータ１２はさらに、次のようなモータ抵抗値Ｒ_ｍを有する。すなわち、外部の抵抗回路なしで、該直流モータ１２において降下するモータ電圧Ｕ_ｍと短絡電流Ｉ_ｋとから、数式Ｒ_ｍ＝Ｕ_ｍ／Ｉ_ｋにしたがって得られるモータ抵抗値Ｒ_ｍを有する。

ここで表１によれば、抵抗値Ｒ_１ないしはＲ_２を有する両抵抗１８および２０と３つのスイッチング手段２２，２４および２８とによって、５つの０ではない冷却パワー段に調整できる。第１のスイッチング手段２２および第３のスイッチング手段２８が位置０にある場合、直流モータ１２は０と同等の遮断状態（オフ）をとる。この段では、第２のスイッチング手段２４のスイッチング状態は重要でないので、^＊によって示されている。

第１のスイッチング手段２２が位置１に切り換えられ、かつ第２のスイッチング手段および第３のスイッチング手段がそれぞれ位置０にある場合、小さい冷却パワーが得られる（小）。このスイッチ位置によって両抵抗１８および２０が直列接続され、抵抗値Ｒ_１＋Ｒ_２が得られ、これによって、このような直列回路において比較的大きい電圧降下が引き起こされる。第１の中間的な冷却パワー（中間１）は、第１のスイッチング手段２２の位置１と、第２のスイッチング手段２４の位置１と、第３のスイッチング手段２８の位置０とから得られる。この場合、直流モータ１２は第１の抵抗１８の抵抗値Ｒ_１のみをとる。それに対して、第１のスイッチング手段２２が位置０にセットされ、残り２つのスイッチング手段２４および２８がそれぞれ位置１にセットされる場合、第２の中間的な冷却パワー（中間２）が得られるとともに、抵抗値Ｒ_２が得られる。第３の中間的な冷却パワー（中間３）は、３つすべてのスイッチング手段２２，２４および２８がそれぞれ位置１にあり、両抵抗１８および２０が並列接続され、それと同時に抵抗値Ｒ_１｜｜Ｒ_２＝Ｒ_１・Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）が得られる場合に設定される。最後に、第２のスイッチング手段２４が位置０にあり、かつ第３のスイッチング手段２８が位置１にある場合、両抵抗１８および２０は抑圧され、直流モータ１２は最も高い回転数で回転する。このことによっても、高い冷却パワーが得られる。この場合、第１のスイッチング手段２２のスイッチ位置は冗長的であるため、^＊によって示されている。図２に、直流モータ１２の回転数ｒｐｍおよび該直流モータ１２によって駆動される冷却送風機のファンの特性曲線が、トルクＴに依存して示されている。該ファンは、ここでは図示されていない。表１を参照すると直流モータ１２の特性曲線は、高い冷却パワーを有する段３４、第３の中間的な冷却パワーを有する段３６、第２の中間的な冷却パワー３８を有する段、第１の中間的な冷却パワー４０を有する段および小さい冷却パワー４２を有する段に対して示されている。また図２には、直流モータ１２によって駆動されるファンの非線形の特性曲線４４も示されている。ここで重要なのは、特性曲線４４と特性曲線３４，３６，３８，４０および４２との交点である。たとえば高い冷却パワーでは、特性曲線３４および４４の交点によれば、直流モータ１２の回転数ｒｐｍが１００％で約２０％のトルクＴが発生し、小さい冷却パワーでは、特性曲線４２および４４の交点によれば、約６３％の回転数ｒｐｍで約８％のトルクＴが発生する。ここでの目的は、特性曲線の個々の交点間の段階的変化を、可能な限り均質にすることである。このことは、抵抗値Ｒ_１およびＲ_２から得られる第１の商
Ｑ_１＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／Ｒ_ｍ
が約５０％〜１００％の領域にある場合にこそ保証され、Ｑ_１≒６２％で最も均質な段階的変化が見いだされた。しかしこのことは、選択される抵抗値Ｒ_１およびＲ_２にも依存する。確かに、可能な限り高い抵抗値Ｒ_１＋Ｒ_２によって投入電流は格段に低減されるが、この抵抗値は直流モータ１２の回転数領域にも直接的な影響を及ぼす。この回転数領域は、モータ抵抗値Ｒ_ｍに依存する第２の商
Ｑ_２＝（Ｒ_１＋Ｒ_２）／Ｒ_ｍ
を考慮して、広い限界内で変化することができる。第２の商Ｑ_２は、１〜１０の領域内で選択しなければならない。

図３に、自動車の冷却送風機用の少なくとも１つの第１の直流モータ１２を段階的に制御するための本発明の装置１０の第２の実施例のブロック回路図が示されている。ここでは、第１の電流制限素子１４は抵抗値Ｒを有する抵抗４６であり、第２の電流制限素子１６は第１のコンタクト５０および第２のコンタクト５２を有する第２の直流モータ４８である。第１の実施例と異なる点として、ここでは接続点３０はもはや給電電圧Ｖｃｃに接続されておらず、第１の直流モータ１２の第２のコンタクト３２に接続されている。この第２の実施例は、少数の素子の交換と、回路技術上の小規模の変更とで、第１の実施例による装置１０をたとえば自動車の２重冷却送風機にも使用できることを示している。

ここでは装置１０は、第１の直流モータ１２の第１のコンタクト２６が第１のスイッチング手段２２および第２のスイッチング手段２４によって抵抗４６を介して給電電圧Ｖｃｃに接続されるように構成されている。さらに、第１の直流モータ１２の第１のコンタクト２６は第２のスイッチング手段２４および第３のスイッチング手段２８によって、第１の直流モータ１２の第２のコンタクト３２に接続される。また、第２の直流モータ４８の第１のコンタクト５０は第１のスイッチング手段２２によって、抵抗４６を介して給電電圧Ｖｃｃに接続され、第２の直流モータ４８の第２のコンタクト５２は第３のスイッチング手段２８によって、第１の直流モータ１２の第２のコンタクト３２に接続される。最後に、第１の直流モータ１２および第２の直流モータ４８を第２のスイッチング手段２４および第３のスイッチング手段２８によって、選択的に直列接続または並列接続で動作することができる。

抵抗４６はたとえば、非常に小さい抵抗値Ｒを有し、分流器として電流測定のために使用される。また、Ｒはほぼ０Ωの値を有することができる。したがって、第１の素子１４はブリッジに相応する。

以下の表２では、第２の実施例による装置１０によって実現される、２重送風機の冷却パワーの段が挙げられている。これによれば、第１のスイッチング手段２２が位置０（開放）に切り換えられると、２重送風機は遮断状態（オフ）になる。他の２つのスイッチング手段２４および２８の位置は、この場合は冗長的であるので、^＊によって示されている。２重送風機は、第１のスイッチング手段２２が位置１（閉成）にされることで作動し、４つの０ではない段が、第２のスイッチング手段２４および第３のスイッチング手段２８の位置に依存して切り換えられる。

第１の中間的な冷却パワー（中間１）はたとえば、第２のスイッチング手段２４の位置０と第３のスイッチング手段２８の位置１とによって得られる。このことにより、第２の直流モータ４８のみが動作する。それに対して、第２のスイッチング手段２４を位置１にし、第３のスイッチング手段２８を位置０にすると、第１の直流モータ１２のみが回転し、これによって第２の中間的な冷却パワー（中間２）が得られる。第３の中間的な冷却パワー（中間３）は、第２のスイッチング手段２４および第３のスイッチング手段２８がそれぞれ位置０に切り換えられることによって得られる。というのも、両直流モータ１２および４８が直列接続で動作するからである。最後に、それぞれ第２のスイッチング手段２４および第３のスイッチング手段４８を位置１にすると、両直流モータ１２および４８は並列接続で動作し、高い冷却パワー（高）が引き起こされる。

図４ａに、第１の直流モータ１２のための制動回路５４のブロック回路図が示されている。ここでは、装置１０が遮断状態にされた直後に、スイッチング手段１２が静止位置０から位置１に閉成されることにより、別のスイッチング手段５６によって直流モータ１２の第１のコンタクト２６と第２のコンタクト３０とを短絡することができる。図３の第２の実施例における第１の直流モータ１２では基本的に、制動回路５６は必要ない。というのも、この機能は第２のスイッチング手段２４および第３のスイッチング手段２８によって引き継ぐことができるからである。第２のスイッチング手段２４が位置０にあり、かつ第３のスイッチング手段２８が位置１にある場合、第１の直流モータ１２は短絡される。また、図４ａを参照して説明したように、制動回路５４を第２の直流モータ４８にも使用することができる。

図４ｂには最後に、前記スイッチング手段のうち少なくとも１つ‐たとえば第１のスイッチング手段２２‐のための、過電流に対する保護回路５８が示されている。この過電流は、直流モータ１２および／または４８の損傷の原因になるおそれがある。スイッチング手段２２は、リレーコイル６２およびスイッチングコンタクト６４を有するリレー６０として構成され、リレーコイル６２は制御回路６６内に設けられ、スイッチングコンタクト６４は負荷回路６８内に設けられる。制御回路６６内には熱保護エレメント７０が配置されており、これは熱的な過負荷時に制御回路６６を遮断することにより、直流モータ１２および／または４８の損傷を阻止する。択一的に、熱保護エレメント７０を負荷回路６８内にも配置して、該負荷回路を直接遮断することができる。この構成はたとえば、リレーの他に択一的または付加的にスイッチング手段として、電界効果トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタを使用する場合に有利である。

最後に、ここに図示された実施例は、図１〜４に限定されず、かつ、装置１０と給電電圧Ｖｃｃまたは電気的なグラウンドＧＮＤとの直接的な接続にも限定されないことを述べておく。たとえば、電気的なグラウンドＧＮＤと第１の直流モータ１２の第２のコンタクト３２との間、ないしは給電電圧Ｖｃｃと第１のスイッチング手段２２との間に、電流測定のための分流器または別の電気的構成要素を配置することができる。

本発明による装置の第１の実施例のブロック回路図である。 回転数特性曲線および冷却パワー特性曲線を、第１の実施例による本発明の装置の異なる段に依存して示すグラフである。 本発明による装置の第２の実施例のブロック回路図である。 本発明による装置のための制動回路（図４ａ）および保護回路（図４ｂ）のブロック回路図である。

Claims (10)

1. 自動車の冷却送風機用の少なくとも１つの直流モータ（１２）を段階的に制御するための装置（１０）であって、
   第１の電流制限素子（１４）および第２の電流制限素子（１６）と、第１のスイッチング手段（２２）、第２のスイッチング手段（２４）および第３のスイッチング手段（２８）とを有する回路（１４，１６，２２，２４，２８）が、前記直流モータと給電電圧（Ｖｃｃ）との間に接続されており、
   前記第１のスイッチング手段（２２）と第２のスイッチング手段（２４）と第３のスイッチング手段（２８）とを使用して、前記回路（１４，１６，２２，２４，２８）が、
   ・前記第１の電流制限素子（１４）のみの回路、または
   ・前記第２の電流制限素子（１６）のみの回路、または
   ・前記第１の電流制限素子（１４）と前記第２の電流制限素子（１６）との直列回路、または
   ・前記第１の電流制限素子（１４）と前記第２の電流制限素子（１６）との並列回路、または
   ・前記直流モータと前記給電電圧（Ｖｃｃ）とを直接接続する回路
   のうちいずれか１つの回路を構成するようにされていることを特徴とする装置。
2. 前記第１の電流制限素子（１４）は第１の抵抗（１８）であり、
   前記第２の電流制限素子（１６）は第２の抵抗（２０）である、請求項１記載の装置。
3. 前記第１の抵抗（１８）は第１の抵抗値Ｒ _１ を有し、
   前記第２の抵抗（２０）は第２の抵抗値Ｒ _２ を有し、
   該第１の抵抗値Ｒ _１ と第２の抵抗値Ｒ _２ とから計算される第１の商
   Ｑ _１ ＝Ｒ _１ ／（Ｒ _１ ＋Ｒ _２ ）
   は、約５０％〜１００％の領域内にある、請求項２記載の装置。
4. 前記第１の商Ｑ _１ は、ほぼ値６２％を有する、請求項３記載の装置。
5. 前記少なくとも１つの直流モータ（１２）はモータ抵抗値Ｒ _ｍ を有し、
   前記第１の抵抗値Ｒ _１ と第２の抵抗値Ｒ _２ と該モータ抵抗値Ｒ _ｍ とから計算される第２の商
   Ｑ _２ ＝（Ｒ _１ ＋Ｒ _２ ）／Ｒ _ｍ
   は、約１〜１０の領域内にある、請求項２記載の装置。
6. 自動車の冷却送風機用の第１の直流モータ（１２）および第２の直流モータ（４８）を段階的に制御するための装置（１０）であって、
   第１の直流モータ（１２）と、第２の直流モータ（４８）と、少なくとも第１のスイッチング手段（２２）と、第２のスイッチング手段（２４）と、第３のスイッチング手段（２８）とを有する回路（１２，４８，２２，２４，２８）が、給電電圧（Ｖｃｃ）に接続されており、
   前記第１のスイッチング手段（２２）、前記第２のスイッチング手段（２４）および前記第３のスイッチング手段（２８）を使用して、前記回路（１２，４８，２２，２４，２８）が、
   ・前記第１の直流モータ（１２）のみの回路、または
   ・前記第２の直流モータ（４８）のみの回路、または
   ・前記第１の直流モータ（１２）と前記第２の直流モータ（４８）との直列回路、または
   ・前記第１の直流モータ（１２）と前記第２の直流モータ（４８）との並列回路
   を構成するようにされていることを特徴とする装置。
7. 前記抵抗（４６）の抵抗値はＲ≒０Ωである、請求項６記載の装置。
8. 少なくとも１つのスイッチング手段（２２，２４，２８）に、それぞれ熱保護エレメント（７０）が配属されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記スイッチング手段（２２，２４，２８）は、リレー（６０）および／またはＭＯＳＦＥＴおよび／またはＦＥＴおよび／またはバイポーラトランジスタとして構成される、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 前記少なくとも１つの直流モータ（１２，４８）に、第４のスイッチング手段（５６）が並列接続されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。

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