JP5611348B2 - Ｈｖａｃ−送風機用の空芯コイル巻線 - Google Patents

Description

ＨＶＡＣ（暖房、換気及び空調"Ｈｅａｔｉｎｇ，Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ"、独語"Ｈｅｉｚｕｎｇ，Ｌｕｅｆｔｕｎｇ，Ｋｌｉｍａｔｅｃｈｎｉｋ"）システム（以下換気システムという）のファンホイールを電気式に駆動するために、通常、所望の送風出力に応じて機械式又は電気式に整流された電動モータが使用される。その際、電動モータの一部分、例えばステータは、幾つかのコイルを備えており、別の一部分、例えばロータは、幾つかの永久磁石を備えている。両方の部分は、相対回動可能に支承されており、コイル及び永久磁石は、同心的なリングギャップの異なる側に配置されている。コイルは、コアの周りに巻き付けられており、コアは、リング状の磁束素子と一体的に構成されており、磁束素子は、コイルの間の磁束をガイドする。このために実際に、中空円筒形の磁束素子は、例えば打ち抜き成形された金属薄板部分を重ねたのとして用いられる。磁束素子は、半径方向の溝を備えており、巻線は、コイルに隣接する溝を通走するので、巻線により包囲された空間は、磁束素子の、強磁性のコイルコアとして働く区分により占められる。コイルは、非強磁性材料、例えば銅線から製造されている。

ステータに対してロータが回動する際に、ロータの永久磁石に、ステータの強磁性の区分（コイルコア）と非強磁性の区分（コイル）とが交互に対向する。これにより回動中に永続的にロータとステータとの間の交番力が作用し、これによりステータに対するロータの加速若しくは制動が生じ、これは、ロータの等速回転を損なう。これにより生じる等速回転の変動の周波数は、ロータの回転数並びにステータの周に沿ったステータのコイルの数に関係している。その結果、記載のファンモータでは、運転中、低い帯域の雑音が発生し、雑音は、うなり音又は吹出し音として認識されることがある。この雑音は、自動車の換気システムを介して伝播し、乗員により不快なものとして感じられる。更に雑音は、別の振動と合わされ、その結果、例えば高調波、重畳された雑音及びうなり周波数も誘発されることがあり、これらは自動車の車室で聞こえ、雑音による高い負担を掛けることになる。

過去において励起の減衰又は電磁力の低減によりそのような雑音発生に対抗する試みが成された。しかしながらこれにより、ファンモータは、出力等級に比べて極めて大きな質量を有するものとなった。このことは製造時において取扱い、生産及び資源消費の見解から不都合である。

発明の開示
従って本発明の課題は、僅かな質量で良好な等速回転を実現して、僅かな騒音しか発生させないファンモータを提供することである。

この課題は、請求項１に記載のファンモータを備えたファン並びに請求項６に記載の自動車により解決される。従属請求項において、考えられる若しくは好適な態様が明らかである。

本発明の第１の思想によれば、自動車の車室−換気システム用のファンであって、ファンモータが設けられており、ファンモータは、半径方向に向けられた複数のコイルを有する第１の部分を備え、半径方向に向けられた複数の永久磁石を有する、第１の部分に対して回動可能に支承された第２の部分を備えており、第１の部分のコイルと第２の部分の永久磁石との間に同心的なリングギャップが形成されているものにおいて、コイルが、空芯コイルである。

空芯コイルの使用により、ファンモータの一部分の強磁性素子が、運転中に、ファンモータの別の一部分の磁界に対して周期的に進入し、再び退出することが回避される。従来慣用のファンモータの、このような相互作用により生じる等速運動の変動が生じず、そのような等速運動の変動に起因する雑音は全く生じない。更にコアレスの空芯コイルは、強磁性のコアの周りに巻かれるコイルよりも極めて僅かなヒステリシスを有している。

ファンのファンモータは、コイルの、リングギャップとは反対側で、コイルを磁気結合するための第１の磁束素子を備えている。第１の磁束素子は、隣接する、操作されるコイルの磁力線を形成し、そうして有効磁力を高め、ひいてはファンモータの作用効率を高める。

コイルの巻線は、半径方向で第１の磁束素子に接触してよい。全ての巻線の区分は相並んで位置する必要があり、磁束素子の制限された外周しか巻線との接触のために提供されないので、各コイルの最大巻線数が制限されるが、同時に各巻線は、巻線をファンモータの別の一部分の永久磁石から離すリングギャップに対して最小間隔で位置している。従ってこのような構成は、ファンモータの作用効率を更に高める。

ファンのファンモータは、更に、永久磁石の、リングギャップとは反対側で、永久磁石を磁気結合するための第２の磁束素子を備えている。第２の磁束素子は、第１の磁束素子と同様に、磁力線をガイドして、最終的にファンモータの作用効率を高める働きをする。

ファンのファンモータの第１の部分は、ステータであり、第２の部分は、ステータを包囲するロータであってよい。そのようなファンモータは、アウタロータとして知られている。アウタロータの回転質量を最大にするために、ロータにおいて、永久磁石が半径方向外側に取り付けられている。ステータに取り付けられたコイルは、ファンモータの取付け要素に対して不動であり、取付け要素は、ファンモータの電気接続部を備えているので、機械式の整流子は省略することができる。

ファンは、ファンモータの他に、ロータと結合されたファンホイールを備えてよい。ファンホイールは、半径流又は軸流のファンホイールであってよい。１態様では、ファンホイールは、半軸流タイプであり、空気を軸方向に吸入するための吸入ブレードと、吸入された空気を半径方向に流出させるための流出ブレードとを備えている。変向要素が、吸入された空気を流出ブレードにガイドし、同時に軸方向で空気の流れ範囲を制限する。変向要素は、放射対称に凹んで形成してよい。アウタロータを有するファンモータは、変向要素の、ファンのブレードとは反対の凹んだ側に配置してよく、これにより、提供される構成スペースの特に良好な利用が実現される。このようにして特に軸方向に短く構成されるコンパクトなファンが実現される。

ファンのファンモータは、更に、第１の磁束素子を固定するための巻線ボディを備えている。巻線ボディは、更に、ファンモータのコイルの巻線を支持することができるので、個別に取扱い可能なステータ構成群が得られ、これは安価に製造可能である。

巻線ボディは、軸方向に配置された２つの部分を備えてよい。両部分は、例えば軸方向に接合したあとで、第１の磁束素子を軸方向及び半径方向に支持するように形成されている。接合したあとで、コイルの巻線は、巻線ボディに取り付けることができる。巻線ボディの両部分は、同一であってよいので、大量生産において更に生産コストを削減することができる。

巻線ボディの各部分は、複数のコイルのうちの１つのコイルの巻線を固定するための突出部を備えてよい。軸方向に互いに反対側に位置する突出部は、１つのコイルの複数の巻線を支持するために用いられる。巻線により、巻線ボディの両部分は相互に結合され、第１の磁束素子は、移動不能に所定の位置で保持される。

更に、ファンのファンモータは、非通電状態のコイルの励起に基づいてセンサを用いずに回転数制御を行うための、コイルと結合された制御回路を備えている。

第２の思想によれば、自動車が、上述の構成を有するファンを備えた車室−換気システムを有している。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面に基づいて詳説する。

自動車の換気システムの概略図である。 図１のファンモータの軸方向投影図である。 図２の半径方向投影図である。 図１のファンモータの側方断面図である。

特記していない限り、軸方向及び半径方向と云う記載は、ファンモータの回転軸に関するものである。全図において、同一若しくは同等の構成要素には、同一の符号を付している。

図１は、車室−換気システム１００を概略的に示す図である。自動車１１０は、吸入経路１２０とファン１３０と分配経路１４０とを備えている。ファン１３０は、ファンホイール１５０とファンモータ１６０とを備えている。図１には、車室−換気システム１００の選択的に設けられる構成要素、例えばフィルタ、フラップ、弁、熱交換器、コンデンサ等の本発明との関連性において重要ではない構成要素は、図示していない。ファンモータ１６０は、ファンホイール１５０を回動させるので、空気は、自動車１１０の外側から吸入経路１２０を通ってファンホイール１５０に吸い込まれ、次いで、分配経路１４０を通って自動車１１０の車室に搬送される。多くの場合、吸入経路１２０と分配経路１４０は、一体化された１つの経路内に形成されている。

図２は、空芯コイルを備えた図１のファンモータ１６０の細部２００を軸方向にみて示す図である。コイル２１０は、突出部２２０の周りに巻き付けられていて、３本の巻線を備えており、巻線の軸方向区分は、相互に平行にファンモータ１６０の回転軸を中心とする周に沿って位置している。看取される各巻線の端部は、巻線が任意の構成で相互に又は別の巻線と又は制御回路４１０の電気接続部と接続可能であることを示すために、接続していない状態で図示している。コイル２１０の、ファンモータ１６０の回転軸寄りの側で、同心的な第１の磁束素子２３０が延在しており、第１の磁束素子２３０の一区分を図示している。第１の磁束素子２３０は、全体として中空円筒形の形状を有している。第１の磁束素子２３０は、例えば任意の形状をしたステータボディ（巻き芯）であってよい。ステータボディは、例えば中空円筒形で中実の構成要素、金属薄板から成る積層体又は螺旋形に巻かれたフラットワイヤを含んでよい。第１の磁束素子の構成要素又は区分は、更なる雑音の発生を回避するために、例えば接着、溶接、リベット止め、クランプ又はねじ止めにより相互に結合してよい。コイル２１０の中央で、突出部２２０は、第１の磁束素子２３０を覆っている。第１の磁束素子２３０の外周に沿って、コイル２１０の巻線の間に、コアが存在せず、コイル２１０の内側空間は、空気で満たされている（「空芯コイル」）。

リングギャップ２４０により、コイル２１０から離れて、永久磁石２５０が半径方向に延在している。コイル２１０に対する永久磁石２５０のサイズ比は、正しい縮尺で図示していない。ファンモータ１６０のコイル２１０の数は、永久磁石２５０の数と異なってよく、例えばコイル２１０は１２個で、永久磁石２５０は１１個又は１３個であってよい。永久磁石２５０は、磁気的に半径方向に向けられており、その際、Ｎ極は、図示のように内向き又は外向きに位置してよい。リングギャップ２４０とは反対側で、永久磁石２５０は、第２の磁束素子２６０に接触しており、磁束素子２６０の一区分が図示されている。第２の磁束素子２６０は、全体的に中空円筒形の形状を有している。第２の磁束素子２６０は、第１の磁束素子２３０のように、複数の構成要素又は中実の材料から成っていて、例えば転造若しくは深絞り加工するか、又は管から切削加工する（削り取る）ことができる。

図示のコイル２１０の両側に設けられた別のコイル２１０並びに図示の永久磁石２５０の両側に設けられた別の永久磁石２５０は、図示していない。隣接する構成要素は、相互に接触してよく、隣接する永久磁石は、相互に反対の磁力の向きを有してよい。

図３は、図１に示すファンモータ１６０の図２に示す２つのコイル２１０の別の細部３００を半径方向にみて示す図である。図２に示す永久磁石２５０及び第２の磁束素子２６０は、図３には示していない。コイル２１０は、それぞれ反対側に位置する突出部２２０の周りに巻かれている。各コイル２１０は、３本の巻線を備えており、その際、隣接するコイル２１０は、直接に相互に接している。コイル２１０の巻線の軸方向の区分は、第１の磁束素子２３０の外側表面に沿って相互に平行に配置されている。各コイル２１０の内側の空間は、それぞれ最も内側の巻線により包囲され、この空間は、空気で満たされており、別の態様では、別の磁気的に中性の材料、例えばポリエステル又はエポキシドのような合成樹脂を用いてもよい。

図４は、図１に示すファン１３０の側方断面図である。ファン１３０は、ファンホイール１５０と、ファンモータ１６０と、制御回路４１０を収容する固定フランジ４７０とを備えている。制御回路４１０は、ファンモータ１６０の所定の回転数を実現する目的で、運転中にコイル２１０を規定の順序で励起化（通電）若しくは非励起化（非通電）するために設計されている。ファンモータ１６０の実際−回転数は、非励起化されたコイル２１０の傍を通過する永久磁石によりコイル２１０内に誘導される誘導電圧を検出することにより測定することができる。ファンモータ１６０の停止状態ではそのような電圧が誘導されないので、ファンモータ１６０の始動段階では、先ず実際−回転数の検出が省かれ、ファンモータ１６０が十分に高い回転速度に達して、回転数調整を行うまでは、コイル２１０の励起化が所定の順序で行われる。

ファンホイール１５０は、空気を軸方向に吸入するための吸入ブレード４２０と、吸入された空気を半径方向に流出するための流出ブレード４３０と、吸入された空気を流出ブレード４３０に向けて変向するための変向要素４４０とを備えている。

変向要素４４０は、吸入ブレード４２０及び流出ブレード４３０と相対回動不能に結合されている。更に変向要素４４０は、永久磁石２５０及び第２の磁束素子２６０として構成された、ファンモータ１６０のロータ４９０を支持している。ファンモータ１６０のステータ４８０は、第１の部分４５０と第２の部分４６０とから構成された巻線ボディを備えており、巻線ボディは、第１の磁束素子２３０とコイル２１０とを支持している。巻線ボディの各部分４５０，４６０は、コイル２１０を固定するための突出部２２０を備えている。コイル２１０と永久磁石２５０との間に、リングギャップ２４０が延在している。固定フランジ４７０は、ファンモータ１６０のステータ４８０を収容している。

上側部分で、固定フランジ４７０は、ファン１３０を例えば換気流れ経路の壁の適切な凹所（開口）に支承するように構成されている。ファン１３０は、凹所から、完全なユニットとして軸方向に取出し可能である。

上述のファンモータ１６０は、比較的小さな回転トルクから中程度の回転トルクにおいて広い回転数範囲をカバーすることができるので、従って特にファン１３０に使用するのに好適である。質量及び雑音発生傾向が僅かであることにより、ファンモータ１６０は、とりわけ自動車１１０の車室−換気システム１００に使用可能である。

更に同等の駆動出力の慣用のファンモータと比べて、等速回転を安定させるためにファンモータ１６０の回転質量を増加するか、又は騒音を抑えるために、継続して構造に応じた出力性能以下でファンモータ１６０を運転する必要がないので、大幅な軽量化が得られる。記載のファンモータ１６０の検査サンプルでは、４００ｇの重量が実現され、これに対して同等の能力の従来慣用のファンモータは８８０ｇの重量を有している。

Claims (9)

1. 自動車（１１０）の車室−換気システム（１００）用のファン（１３０）であって、
   ファンモータ（１６０）が設けられており、
   該ファンモータ（１６０）は、磁気的に半径方向に向けられた空芯コイルである複数のコイル（２１０）を有する第１の部分（４８０）を備え、磁気的に半径方向に向けられた複数の永久磁石（２５０）を有する、第１の部分に対して回動可能に支承された第２の部分（４９０）を備えており、
   第１の部分のコイル（２１０）と第２の部分の永久磁石（２５０）との間に同心的なリングギャップ（２４０）が形成されており、
   ファンモータ（１６０）には、コイル（２１０）の、リングギャップ（２４０）とは反対側で、コイル（２１０）を磁気結合するための第１の磁束素子（２３０）が設けられており、永久磁石（２５０）の、リングギャップ（２４０）とは反対側で、永久磁石（２５０）を磁気結合するための第２の磁束素子（２６０）が設けられており、
   第１の部分は、ステータ（４８０）であり、第２の部分は、ステータ（４８０）を包囲するロータ（４９０）であり、ロータ（４９０）は、ファンホイール（１５０）と結合されており、ファンホイール（１５０）は、半軸流構造を有している、ことを特徴とする、自動車の車室−換気システム（１００）用のファン。
2. コイル（２１０）の巻線が、半径方向で第１の磁束素子（２３０）に隣接している、請求項１記載のファン。
3. 第１の磁束素子（２３０）を固定するための巻線ボディ（４５０，４６０）が設けられている、請求項１または２記載のファン。
4. 巻線ボディ（４５０，４６０）は、軸方向に配置された２つの部分（４５０，４６０）を備えている、請求項３記載のファン。
5. 巻線ボディの各部分（４５０，４６０）は、複数のコイル（２１０）のうちの１つのコイル（２１０）の巻線を固定するための突出部（２２０）を備えている、請求項３記載のファン。
6. 非通電状態のコイル（２１０）の励起に基づいてセンサを用いずに回転数制御を行うための、コイル（２１０）と結合された制御回路（４１０）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のファン。
7. 請求項６記載のファン（１３０）を備えた車室−換気システム（１００）を有する自動車。
8. ファンホイール（１５０）は、空気を軸方向に吸入するための吸入ブレード（４２０）と、吸入された空気を半径方向に流出させるための流出ブレード（４３０）とを備えている、請求項１から７までのいずれか１項記載のファン。
9. ファンホイール（１５０）は、吸入された空気を流出ブレード（４３０）に向けて変向するための変向要素（４４０）を備えている、請求項８記載のファン。

Images