KR20180037993A - 축류 팬 - Google Patents

Abstract

전기 모터(3), 임펠러(4) 및 임펠러(4)의 허브(5)를 포함하는 축류 팬이 서술되는데, 상기 허브는 회전 축선(R)을 중심으로 회전하도록 전기 모터의 샤프트(14)의 자유 단부에 연결된 바닥벽(9)을 갖고 있으며, 허브(5)는 컵 형상이며 모터를 적어도 부분적으로 수용하기 위한 외측 환형벽(10)을 갖고 있으며, 허브(5)의 바닥벽(9)은 중앙부(11), 회전 축선을 중심으로 반경 방향으로 그리고 각도를 이루어 배치된 복수의 블레이드(16)에 의해 한정되는 중간부(13)에 상기 중앙부(11)에 연결되는 외측 환형부(12)를 갖고 있으며,
블레이드(16)들은 탄소성 블레이드이며 임펠러(4)가 회전 축선(R)과 평행한 축방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있고, 임펠러(4)가 회전 축선에 수직인 반경 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있고, 임펠러 자체의 평균 표면이 놓이는 평면에 법선 방향의 이동으로 임펠러(4)가 굽혀지는 것을 방지할 수 있으며,
다른 한편으로, 블레이드(16)는 임펠러-샤프트-로터에 의해 형성된 조립체의 공진 주파수의 감쇠를 가능하게 하도록 회전 축선 주위로 비틀림 굽힘 이동을 허용한다.

Description

축류 팬

본 발명은 축류 팬에 관한 것이며, 특히 자동차에 적용하기 위한 축류 팬에 관한 것이다.

본 명세서에서 참조하는 종래 기술의 팬은 축류 팬 및 상기 축류 팬을 구동하는 전기 모터를 포함하고 있으며, 일반적으로 "전기 축류 팬(axial electric fan)"으로 지칭된다.

전기 모터는 실질적으로 원통형의 케이싱, 케이싱 내에 수용된 스테이터 유닛 및 로터 유닛, 임펠러를 회전시키기 위해 로터 유닛을 임펠러에 결합하도록 설계된 커플링 수단을 갖는다.

상기 커플링 수단은 통상적으로 로터 유닛에 의해 회전되는, 케이싱으로부터 돌출된 샤프트에 의해 형성된다.

본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니지만, 이 설명에서, 단순화를 위해 전술한 커플링 수단은 전기 모터의 케이싱으로부터 돌출하고 로터 유닛과 함께 회전되는 샤프트를 포함한다는 사실이 항상 참조될 것이다.

임펠러는 모터의 샤프트와 동축인 연결 허브 및 허브로부터 반경 방향으로 연장되는 복수의 블레이드를 갖는다.

일반적으로, 임펠러의 허브는 컵 형상, 즉 모터의 샤프트에 연결하기 위해 샤프트가 돌출하는 모터의 벽을 향하는 바닥벽 및 블레이드가 연장하는 실질적으로 원통형의 측벽을 갖고 있다.

"전기 축류 팬" 유닛의 축방향 크기를 제한하기 위해, 모터는 허브 내부에 적어도 부분적으로 수용되며, 바닥벽에서 시작해서 모터를 향해 연장하는 허브 자체의 측벽에 의해 둘러싸인다.

또한 "전기 축류 팬" 유닛의 크기를 가급적 많이 줄이려는 목적으로, 축방향 크기(두께)가 비교적 제한적인 "브러시리스(brushless)" 유형의 전기 모터가 사용된다.

또한, 설계 단계에서 허브의 바닥벽과 상기 허브의 바닥벽을 향하는 전기 모터의 전방벽 사이의 거리는 가급적 많이 제한된다.

마지막으로, 모터 케이싱과 임펠러의 허브 사이, 즉 케이싱과 허브의 측벽 사이에 관형 갭이 형성되어 임펠러가 자유롭게 회전할 수 있게 한다.

소위 "평평한 모터 팬(flat motor fan)", 즉 제한된 축방향 두께 특성을 갖는 모터의 사용은, 최신 자동차의 엔진실에서 이용 가능한 공간이 점점 더 제한되기 때문에 전기 축류 팬 유닛의 유익한 요인이다.

이와 관련하여, 비록 "브러시리스" 전기 모터가 사용되더라도, 전기 축류 팬의 대부분의 공간은 전기 모터 자체에 의해 점유되므로, 모터의 대부분이 허브의 내부에 있는 경우에도 전기 팬 유닛의 축방향 치수를 수용하기 위하여 임펠러의 축방향 치수를 줄이는 것이 필요하다.

그러나, 임펠러의 축방향 치수(그 두께)는 특히 임펠러가 매우 큰 직경을 갖는 고출력의 경우, 특정 구조적 한계 이하로 감소될 수 없기 때문에, 전기 팬의 축방향 치수를 가급적 많이 제한하도록 시도하기 위하여, 허브의 바닥벽과 상기 허브 자체의 바닥벽을 향한 모터의 표면 사이의 거리를 가능한 한 감소시키는 것이 필요하다.

거리는 설계의 중요한 포인트가 되고 점차로 감소하는 경향이 있다는 것을 유의해야 한다.

샤프트는 기계적 안전성으로 팬에 결합할 수 있게 충분히 뻗도록 모터에서 돌출해야만 한다는 것을 또한 유의해야 한다.

이와 관련하여, 샤프트를 허브에 키잉하는 중앙 지점에서, 허브의 바닥벽은 상기 바닥벽과 함께 성형된 소결강 부싱(sintered steel bushing)을 구비한다. 이 기술은 또한 허브의 바닥벽과 상기 허브의 바닥벽을 향한 모터의 벽 사이의 거리를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

축방향 치수와 관련하여 앞서 언급한 단점 이외의 것은 이하에서 설명하게 될 것이며, 특히 전기 팬 유닛 및 로터와 임펠러는 진동 문제가 있다.

전기 모터(브러시리스, DC 등 임의의 유형의 모터)에 의해 구동되는 축류 팬의 임펠러는, 일반적으로 모터에 의해 임펠러에 전달되는 모터 회전 수의 통상적으로 배수이며 원하는 연속 토크에 중첩되는 주파수를 갖는 토크 리플(torque ripple)의 전달 문제를 가지고 있다는 것이 알려져 있다.

환언하면, 어떤 유형의 전기 모터도 일정한 토크를 발생시키지 못하고, 항상 일정한 성분에 겹쳐지는 가변적인 "유해(parasite)" 성분이 있다. 정확하게는, "유해" 성분은 위에서 언급한 토크 리플이다. 이러한 토크 리플은 일반적으로 모터의 회전 속도의 배수인 주파수를 갖는다. 이러한 주파수는 모터의 속도에 따라 변한다. 로터 및 임펠러 유닛이 상대 공진 주파수를 갖는다면, 이는 전술한 토크 리플이 정확하게 공진 주파수인 주파수를 갖는 모터의 소정의 속도가 있음을 의미한다.

그러므로 토크 리플은 그 주파수가 일반적으로 구동 샤프트를 구성하는 탄성/관성 시스템(소위 비틀림 스프링)의 공진을 일으킬 때 그 최대 손상을 발생시키고 모터의 로터와 임펠러의 관성 모멘트를 발생시킨다.

결론적으로, 소위 토크 리플은 원치 않으며 용인할 수 없는 음향 소음 영향을 발생시키는 임펠러 유닛, 샤프트, 모터 로터의 공진 주파수에서 증폭되는 진동 현상을 유발한다.

종래 기술에서 모터와 임펠러 사이에 다양한 모양 및 크기로 개재되는 고무로 제조된 전형적인 댐퍼가 공지되어 있다.

이와 관련하여, 특허공보 GB 1464559, US 4193740, EP 1375923을 참조한다.

전기 팬 유닛의 축방향 치수를 줄여야 할 필요성에 관한 전술한 설명을 참조하면, 자동차 분야에서 열교환기를 냉각하기 위해 전기 팬 유닛을 사용하는 것은 일련의 제한을 초래한다는 결론을 내릴 수 있는데, 이는 전술한 전형적인 댐핑 구조물을 사용하는 것이 앞에서 언급한 소음 문제를 해결하기 위해 실용적이지 않다는 것을 의미한다.

전술한 바와 같이, 전기 팬 유닛의 최소의 축방향 길이에 대한 시장에서의 요구는 임펠러를 모터에 결합시키기 위해 모터 샤프트의 단지 수 밀리미터만을 제공하며, 특히 허브의 바닥벽과 상기 허브의 바닥벽을 향하는 모터의 벽 사이의 감소된 거리는 전형적인 고무 댐퍼의 사용을 허용하지 않는다.

또한, 임펠러는 플라스틱 재료로 만들어지며, 임펠러 자체가 놓이는 평면에서 발생하는 굽힘과 축방향 및 반경 방향에서 상당한 강성을 요구하는 사양을 준수하고 진동 시험 및 자이로스코프 효과(gyroscopic effect)를 견디어야 한다.

이러한 목적을 위해, 전술한 임펠러는 강성을 증가시키는 경향이 있는 상당한 비율(전형적으로 35%)의 유리 섬유를 또한 포함한다.

허브의 바닥벽과 모터의 벽 사이의 거리를 감소시킨다는 사실과 고무 "댐퍼"의 가능한 사용은 임펠러의 강성을 전술한 축방향 힘 및 굽힘 힘으로 감소시킬 것이며, 임펠러의 작동 중에 모터 차량의 모터 격실에 존재하는 다른 부품에 대해 또는 임펠러 자체의 지지 구조물[슈라우드(shroud)]에 대해 임펠러가 미끄러지게 되는 임펠러의 이동을 초래할 것이다.

자이로스코프 효과가 매우 강하다는 것을 또한 유의해야 한다. 임펠러가 강성이 아닐 경우 위에서 언급한 모든 문제를 일으킬 수 있는 평면에서 임펠러는 토크 힘을 받는다.

환언하면, 임펠러는 굽힘을 위한 공간이 작고 모터 격실 및 브레이크에 있는 다른 부품과 접촉하는 경향이 있기 때문에, 임펠러가 놓이는 평면에 채택되는 그 위치에 대해 절대로 이동하거나 굽혀지지 않아야 한다.

또한, 환경적인 요건으로 인한 사양 및 제품의 신뢰성/수명은 매우 엄격하다. 예를 들어, 임펠러는 -40도 내지 +150도(주위 온도) 범위의 작동 온도에서 작동할 수 있어야 하며 휘발유, 오일, 물, 염수 및 기타 화학 성분과 같은 모든 외부 물질을 견뎌내야 한다.

또한 이러한 이유로, 고무는 댐핑 장치 또는 댐핑 구조물을 제조하는 데 사용하기에 절대적으로 부적합한 것이다.

이러한 맥락에서, 본 발명의 주요 목적은 전술한 단점들을 극복하는 것이다.

본 발명의 목적은 공진 주파수에 의해 도입되는 소음 문제가 없는 전기 축류 팬을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 축방향 및 반경방향의 이동 및 굽힘에 대항하여 동일한 강성을 유지할 수 있고, 전술한 리플 토크로 인한 응력에 대한 감쇠 효과를 발생시키는 팬 유닛을 제공하는 것이다.

설명한 기술적 목표 및 명시한 목적들은 실질적으로 제1항에 따른 축류 팬에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 바람직하며, 비-제한적인 축류 팬의 실시예를 참조하여 설명하는 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 블레이드가 도시되지 않고, 전기 모터가 구비된 본 발명에 따른 축류 팬을 나타낸 개략적인 사시도.
도 2는 도 1의 축류 팬을 나타낸 개략적인 반경 방향 단면도.
도 3은 블레이드가 구비되어 있는 이전 도면들에 따른 축류 팬을 나타낸 정면도.
도 4는 변경 실시예에 따른, 일부분이 절단되고 더욱 명확하게 도시되어 있는 도 3의 축류 팬의 정면도.
도 5는 블레이드가 도시되지 않고, 도 4의 팬의 임펠러의 허브의 내부를 나타낸 개략적인 사시도.
도 6은 블레이드가 도시되지 않고, 도 1의 팬의 임펠러의 허브의 내부를 나타낸 개략적인 사시도.
도 6a는 도 6의 허브의 블레이드를 확대하여 도시한 개략적인 사시도.
도 7은 블레이드가 도시되지 않고, 도 6의 팬의 허브의 내부를 나타낸 개략적인 정면도.
도 8은 본 발명에 따른 팬의 허브의 블레이드에 의해 흡수된 에너지의 다이어그램.

첨부 도면, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 도면 부호 1은 전체적으로 본 발명에 따른 팬 유닛을 나타낸다.

팬 유닛(1)은 바람직하게는 라디에이터의 냉각으로 자동차에 적용하기 위한 것이다.

팬 유닛(1)은 회전 축선(R)을 갖는 축류 팬(2), 전기 모터(3), 및 회전 축선(R)을 중심으로 모터(3)에 의해 구동 및 회전되는 축류 임펠러(4)를 포함한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 팬(4)은 허브(5) 및 허브(5)로부터 연장되는 복수의 블레이드(6)를 구비한다.

특히 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실질적으로 공지된 유형의 바람직하게는 밀폐형이며, 본 발명을 이해하는 데 필요한 것으로만 설명되는 모터(3)는 외부 케이싱(7) 및 축선(R)과 동축이며 그곳에 임펠러(4)가 연결되는 샤프트(8)를 포함한다.

임펠러(4), 또는 축류 팬(2)은 전술한 허브(5)를 포함하는데, 허브는 컵 형상으로 성형되고 전기 모터(3)를 부분적으로 수용하기 위한 바닥벽(9) 및 환형 측벽(10)을 포함한다.

특히 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 허브(5)의 바닥벽(9)에는 중앙부(11), 환형 측벽(10)에 결합된 외측 환형부(12), 및 중앙부(11)와 외측 환형부(12) 사이에 연결을 위한 중간부(13)를 포함한다.

중앙부(11)는 허브(5) 및 결과적으로 팬(6)이 회전 축선(R)을 중심으로 회전할 수 있도록 전기 모터(3)의 가동부에 연결된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전기 모터(3)는 내부 로터에 연결되고 상대적인 자유 단부에서 임펠러(4)를 지지하도록 설계된 샤프트(14)를 구비한다.

더 구체적으로, 허브(5)의 바닥벽(9)의 중앙부(11)에는, 모터(3)의 샤프트 (14)에 허브(5)의 안정적이며 강력한 키잉(keying)을 가능하게 하는 소결강 부싱(15)이 있다.

상기 중간부(13)는 상기 외측 환형부(12)를 향하여 회전 축선(R)에 대해 반경 방향으로 연장되는 복수의 블레이드(16)를 포함한다.

블레이드(16)는 탄소성(elasto-plastic) 블레이드이고, 각각의 블레이드는 평평한 직사각형 형상이다.

보다 구체적으로, 도 6a에 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드(16)는 회전 축선(R)에 대해 반경 방향으로 연장하는 종방향 치수(L), 회전 축선(R)과 평행하게 연장하는 횡방향 치수(T) 및 두께(S)에 의해 한정된다.

각각의 블레이드(16)는 그 종방향 치수(L)보다 훨씬 작은 횡방향 치수 또는 두께(S)를 가져야만 한다.

도 4 및 도 5에 도시된 실시예에 따라, 블레이드(16)는 빈 공간(17)에 의해 각도를 두고 분리되어 있다.

도 3, 도 6 및 도 7에 도시된 실시 예에 따르면, 블레이드(16)는 허브(5)를 보호하기 위해 실질적으로 V 자형인 탭(18)에 의해 각도를 두고 분리되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 허브(5)의 바닥벽(9)과 모터(3)의 전방벽(19) 사이에는 거리(D)가 존재한다.

거리(D)는 전기 팬 유닛(1)의 구성에서 얻어질 수 있는 최소 거리이다.

각 블레이드(16)는 거리(D)와 실질적으로 동일한 상대적인 횡방향 치수(T)를 갖는다는 것을 유의해야 한다.

명백히, 횡방향 치수(T)는 모터(3)의 전방벽(19) 상에서 미끄러지지 않고 허브(5)의 회전을 가능하게 하도록 거리(D)보다 약간 작다.

전술한 것으로부터, 상기 블레이드(16)는 축선(R) 및 샤프트(14)에 평행한 횡방향 치수(T)로 그리고 샤프트(14)에 수직인 종방향 치수(L)로 연장하는 동시에, 임펠러(4)의 회전 방향에 평행한 방향을 따라 두께(S)로 연장한다.

환언하면, 각각의 블레이드(16)는 I-형상 빔을 포함하는데, I-형상 빔의 치수는 횡방향 치수(T)에 대해 두께(S)가 감소되어 있고 허브(5) 및 임펠러(4)의 회전 축선(R)에 대한 이들의 특별한 위치결정으로 종방향 하중에 대해 매우 저항성이 있고, 즉 그 횡방향(T)을 따라 종방향(L)을 따른 하중을 매우 잘 견디는 반면에, 넓은 측면에 수직인 두께(S)를 따른 하중에 대해 유연하다.

따라서, 복수의 블레이드(16)는 임펠러(4)가 회전 축선(R)에 평행한 축방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있고, 임펠러(4)가 회전 축선에 수직인 반경 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있으며, 임펠러(4) 자체의 평균 표면이 놓이는 평면에 법선 방향의 이동으로 임펠러(4)가 굽혀지는 것을 방지할 수 있다.

다른 한편으로, 상기 블레이드(16)는 공진 주파수의 감쇠를 가능하게 하는 방식으로 비틀림 굽힘(torsional bending) 이동을 허용한다.

블레이드의 수는 팬의 블레이드 수에 의존하며, 반경 방향 이동 및 종방향 이동을 무효화하는 최소 효과를 달성하는 데 적어도 충분해야만 하며, 비틀림 굽힘으로 공진 주파수의 감쇠를 적어도 가능하게 해야만 한다는 것을 유의해야 한다.

제공된 블레이드 수는 반경 방향 이동 및 종방향 이동을 제거하는 이러한 효과를 얻기에 충분한 것이며 굽힘으로 공진 주파수의 감쇠를 가능하게 한다.

이러한 이유로, 블레이드의 수는 달성하고자 하는 결과의 함수로서 변경될 수 있다. 특히, 블레이드 수는 이러한 효과를 보장하기에 충분해야 하며 굽힘 토크와 비틀림 토크 사이의 비율에 항상 의존할 것이다.

블레이드(16)는 임펠러(4)를 성형하는 단계 중에 만들어지며 따라서 임펠러(4) 자체를 제조하기 위해 사용된 것과 동일한 재료로 제조된다는 것을 또한 유의해야 한다.

따라서, 제조 공정은 다른 재료의 추가 또는 성형 이외의 절차의 추가를 필요하지 않으며, 추가적인 제조 비용이 없이(즉, 실질적으로 저감된 비용으로) 팬의 제조를 달성할 수 있게 한다.

블레이드는, 작동하는 동안 히스테리시스 사이클(hysteresis cycles)로 탄성 효과와 소성 효과를 모두 갖고 있는 탄소성 플라스틱 구조물이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 블레이드(16)가 작동할 때, 블레이드는 에너지의 흡수에 상응하는 히스테리시스 사이클을 한정하며, 따라서 블레이드는 공진 주파수에 의해 야기되는 진동을 감쇠시키는 실제적 댐퍼를 구성한다.

Claims (11)

1. 전기 모터(3), 임펠러(4) 및 임펠러(4)의 허브(5)를 포함하는 축류 팬으로서, 상기 허브는 회전 축선(R)을 중심으로 회전하도록 전기 모터의 가동부에 연결된 중앙부(11)를 포함하며, 또한 상기 허브(5)가 중간부(13)에 의해 상기 중앙부(11)에 연결된 외측 환형부(12)를 포함하고 있는, 상기 축류 팬에 있어서,
   상기 중간부(13)는 회전 축선을 중심으로 반경 방향으로 그리고 각도를 이루어 배치된 복수의 블레이드(16)를 포함하고,
   블레이드(16)는 임펠러(4)가 회전 축선(R)과 평행한 축방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있고, 임펠러(4)가 회전 축선에 수직인 반경 방향으로 이동하는 것을 방지할 수 있고, 임펠러(4) 자체의 평균 표면이 놓이는 평면에 법선 방향의 이동으로 임펠러(4)가 굽혀지는 것을 방지할 수 있으며,
   다른 한편으로, 상기 블레이드(16)는 공진 주파수의 감쇠를 가능하게 하도록 회전 축선 주위로 비틀림 굽힘 이동을 허용하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
2. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드(16)들은 탄소성 블레이드인 것을 특징으로 하는 축류 팬.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   각각의 블레이드(16)는 회전 축선에 대해 반경 방향으로 연장하는 종방향 치수(L), 회전 축선과 평행하게 연장하는 횡방향 치수(T) 및 두께(S)에 의해서 한정되는 직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 축류 팬.
4. 제3항에 있어서,
   각각의 블레이드(16)는 종방향 치수(L)보다 훨씬 작은 횡방향 치수 또는 두께(S)를 가져야만 하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 블레이드(16)들은 빈 공간(17)에 의해 각도를 두고 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 허브(5)는 컵 형상이고, 모터(3)를 적어도 부분적으로 수용하기 위한 바닥벽(9) 및 측벽(10)을 갖고 있으며, 중앙부(11), 외측 환형부(12) 및 중간부(13)는 상기 바닥벽(9) 상에서 식별되며, 상기 외측 환형부(12)는 측벽(10)에 결합되고, 상기 중앙부(11)는 모터(14)의 샤프트와 연결하기 위해 바닥벽(9)과 함께 성형된 부싱(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   허브(5)의 바닥벽(9)과 모터(3)의 전방벽(19) 사이에 거리(D)가 있고, 각각의 블레이드(16)는 상기 거리(D)와 실질적으로 동일한 횡방향 치수(T)를 갖고 있으며, 그 차이는 모터의 전방벽 상에서 미끄러지지 않고 허브가 회전하는 것을 허용하기에 충분한 것을 특징으로 하는 축류 팬.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   블레이드(16)들은 허브(5)를 보호하기 위한 실질적으로 V-자형인 탭(18)에 의해 각도를 두고 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   블레이드(16)들의 개수는 축류 팬의 블레이드(6)의 개수에 의존하며, 반경 방향 이동 및 종방향 이동을 무효화하는 최소 효과를 달성하는 데 적어도 충분하고, 비틀림 굽힘으로 공진 주파수의 감쇠를 적어도 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    블레이드(16)들은 임펠러(4)와 동일한 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    블레이드(16)들은 임펠러(4)를 성형하는 공정 중에 얻어지는 것을 특징으로 하는 축류 팬.

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