(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファン（２４）を有する冷却システムによって冷却されるエンジン（１２）を有し、エンジンにより駆動されるべく選択的にエンジンに連結するための車両用磁気すべりファンクラッチシステムであって、
エンジンにより駆動される駆動エレメント（２０２，４１６，６１６）と、駆動エレメントから空隙により離間された被駆動エレメント（２００，４１８、６１８）とを有する電磁すべりクラッチ（２６，４１５）と、
ファンを駆動すべく空隙を横切ってトルクを伝達するために、空隙を横切り駆動エレメント（２０２，４１６，６１６）と被駆動エレメント（２００，４１８、６１８）を連結する可変磁界と、
エンジンに関連する少なくとも一つの温度状態を検知する温度センサ（１００）と、を備え、
該駆動エレメント（２０２，４１６，６１６）は、該駆動エレメントにマウントされた電磁コイル（３００，３０２，３０４，３０６，３０８、３１０，４３８，６３８）を有して、可変磁界を発生する磁界発生手段を有し、
該被駆動エレメント（２００，４１８、６１８）は、コイルが無い金属材料の離間された磁極ピース（２６０，２６２，２６４，２６６，２６８，２７０，４２９，６２９）を該被駆動エレメント上に有し、該磁極ピースは該磁界発生手段によってのみ磁化されて、該駆動エレメント（２０２，４１６，６１８）と該被駆動エレメント（２００，４１８、６１８）との間で空隙を横切るトルク伝達をもたらし、
該磁界発生手段の電磁コイルと該コイルの無い磁極ピースとによってもたらされるトルク伝達を、ファンの自由回転を許容するか、クラッチのすべりを伴いエンジン速度より低いファン速度か、及び、該駆動エレメントと該被駆動エレメントとの間にすべりが無く両者が共に回転すべくロックされたときの最大ファン速度かに調節するように制御する電子式コントローラ（３０，７０）を、さらに備えることを特徴とする車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項２】
該電子式コントローラ（３０，７０）は、該磁極ピース（２６０，２６２，２６４，２６６，２６８，２７０，４２９，６２９）の位置に対する電磁コイル（３００，３０２，３０４，３０６，３０８、３１０，４３８，６３８）の位置に合わせて順に該電磁コイル（３００，３０２，３０４，３０６，３０８、３１０，４３８，６３８）を励磁するパルシング回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項３】
それぞれの電磁石の励磁コイル（３００，３０２，３０４，３０６，３０８、３１０，４３８，６３８）は、該電子式コントローラ（３０，７０）により同時に励磁されかつ消磁されることを特徴とする請求項２に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項４】
該電子式コントローラ（３０，７０）は、該駆動エレメント（２０２，４１６，６１６）の電磁コイル（３００，３０２，３０４，３０６，３０８、３１０，４３８，６３８）の励磁コイルに直流を供給することを特徴とする請求項２に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項５】
該駆動エレメント（２０２，４１６，６１６）にマウントされかつそれにより回転されて磁気クラッチを作動させる電力を発生させる部分を有する発電機（４３５、６０１）を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項６】
該発電機（４３５、６０１）は、弱電流の供給を受けて、交流を発生し、
電磁コイル（３００，３０２，３０４，３０６，３０８、３１０，４３８，６３８）のために交流を直流に変換する整流器（７１０，７１２、７１４，７１６，７１８、７２０）を備えることを特徴とする請求項５に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項７】
温度センサ（１００）はエンジン（１２）の冷却水温度を検知し、検知した冷却水温度の入力信号を電子式コントローラ（３０，７０）に提供し、かつ、
速度センサ（９０）は車両の速度を検知し、検知した車両速度の入力信号を電子式コントローラ（３０，７０）に提供することを特徴とする請求項１に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項８】
エアコンセンサ（４５）がエアコンの作動を検知し、エアコンの使用によるファントルクの調節を生じさせるべく電子式コントローラ（３０，７０）に信号を提供することを特徴とする請求項１に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【請求項９】
電磁すべりクラッチは、複数の半径方向に延在する電磁石と、磁束が延びる空隙を形成すべく該半径方向に延在する電磁石から半径方向に離間された複数の磁極ピースとを備える、電磁駆動エレメント及び磁化可能な被駆動エレメントを備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用磁気すべりファンクラッチシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、磁気すべりクラッチシステム、ならびにファンとファンを駆動するための磁気すべりファンクラッチとを有する内燃機関の温度制御システムにおけるその使用に関する。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、多数の異なる用途に使用でき、詳細には、クラッチが完全に係合解除されること、すなわち自由回転が望まれるか、１００％の動力を伝達するように完全に係合されるか、あるいは動力の大きさを変えて伝達するために調節またはすべりにより連結される用途にすべりクラッチが使用されることが望まれる磁気すべりクラッチシステムに向けられる。トルクの伝達は、クラッチに対する電力を制御することにより調節される。このようなクラッチの１つの用途が「車両エアコン用磁気クラッチ方法および装置」という名称で１９９８年８月７日に提出された同時係属出願の暫定特許出願番号第６０/０９５,７５０号に開示されている。本発明は、内燃機関と同じように電動モータを冷却するために用いられるファンを使用することができるファンクラッチのような磁気すべりクラッチの他の用途に関連づけて記述されよう。
【０００３】
液冷内燃機関を有する合衆国における典型的な大型トラックにおいて、ファンクラッチは、２つのクラッチ面が完全に係合解除されるか、あるいは２つのクラッチ面が完全に係合され、これらの面の間にすべりが全くなく、クラッチ面の接触面を介して動力を伝達する。通常、クラッチ面は、空気または電磁アクチュエータによって係合または係合解除される。クラッチが大型トラックにおいて係合される場合、かなりの動力がファンを駆動するために用いられる。ファンが直径３２インチのファンの場合、ファンを駆動するために用いられる動力は、２００〜６００馬力の範囲のエンジンを搭載した大型トラックに関して４０〜８０馬力程度である。他方、ファンが完全に切り離されている場合、ファンはエンジンのクランクシャフトからの駆動力から遮断されている。ファンは、自由回転してエンジンの冷却に寄与しない。オン／オフが電磁および空気作動であるこれら特定な種類のファンクラッチにおいて、エンジンが冷えているか、または適切に冷却されている場合、例えば車両の高速走行によりラジエータを通って空気が急速に押し込まれる場合、ファンは遮断される。
【０００４】
ファンクラッチ用制御システムは、エンジンまたは冷却流体の温度を監視して温度を所定範囲内、例えば華氏１８１度〜１９０度に維持するようにさせるサーモスタットを有し、この制御システムは、車速が設定速度、例えば３０ｍｐｈに達した時にクラッチを遮断する速度測定センサを有する。３０ｍｐｈにおいて、ファンを作動させずにエンジンを冷却するためにラジエータを通る十分なラム圧空気流があると考えられる。
【０００５】
２１００ｒｐｍで走行中で大きな慣性運動、すなわち直径３２インチのファンを有する大型ファンを駆動するため、４０〜８０馬力を使用する大型トラックに関し、静止慣性の従動クラッチ面およびその装着されたファンを急に係合させて迅速にその完全な回転速度まで回転させる衝撃に持ちこたえるため、相当に強固なファンクラッチを作ることが必要である。従って、現在のファンクラッチは、このような衝撃負荷に持ちこたえるため、相当に大きく、強固に製造されている。
【０００６】
大型トラックなどで使用される典型的な従来のオン／オフ式ファンクラッチは、比較的重い金属機械部品を必要とし、加速してその慣性を克服するために相当な馬力を奪う。例えば、ファンが直径３２インチの場合、このファンを駆動するために使用される馬力は、２００から６００ｈｐの範囲のエンジンを搭載した大型トラックに対し、４０から８０ｈｐ程度であることがある。また、ファンクラッチの金属部品の機械加工も、このファンクラッチのコストを著しく増大させる。オン／オフ式ファンクラッチはまた、このファンクラッチが完全に切り離された軽いトルク負荷から、極めて強烈な最大トルク負荷まで、エンジン速度に関して２４００ｒｐｍであることが一般的であるその最大速度までファンを担持する部品を加速するように作動する場合、比較的急速、すなわち約１．２秒の間に加えられるトルク衝撃力に持ちこたえるため、比較的堅固でかつ金属で製造される必要がある。このように、静止した従動クラッチの基部およびそれに装着されるファンの急な慣性負荷の衝撃に持ちこたえるため、金属ファンクラッチを作ることが必要である。従って、現在のオン／オフ式ファンクラッチは、ファンブレードが高速回転するように加速され、高回転速度にて大きな遠心力負荷の影響下に置かれる場合、このような衝撃負荷および強烈な力に持ちこたえるため、非常に大きく、強固に作られている。金属プーリおよびファンを保有する部品は、望ましい表面と基準位置とベアリングシートとをもたらすため、少なからぬ機械加工を必要とする。このような機械加工は、このクラッチのコストを著しく増大させる。
【０００７】
オン／オフ式ファンクラッチは、磨滅する摩擦面を用いており、約２５００００マイルに亙ってファンクラッチを保証する保証要求を満たすため、一般的に１５００００マイルほどの後に交換される必要がある。もちろん、摩擦面の交換は、その取り外しおよび交換中の相当な量の休止時間を結果として生ずる。これと対比して、電磁ファンクラッチは、摩擦部品というよりはむしろ回転部品のみを使用しており、回転入力プーリ部のトルクをファンブレードを担持する従動回転部に伝達するために磁界のみを使用している。現在のオン／オフ式ファンクラッチに関し、６０馬力ほどがファンの負荷の開始により使用され、坂を登る大型トラックに関して顕著である大きな３２インチのファンを回すため、少なからぬ馬力、例えば６０ｈｐの衝撃負荷の下でファンを加速するために使用される。ファンクラッチが係合して６０ｈｐを奪う場合、エンジンは速度低下するはずであり、車両の走行状態を維持するため、運転者はしばしば変速ギヤを２段シフトダウンしなければならない。１．２秒などの短い衝撃時間に亙って６０ｈｐの完全な印加を回避するように制御されることができる比較的ゆるやかな係合の必要性があり、これによってダウンシフトに対する必要性を排除している。
【０００８】
これら現在のオン／オフ式ファンクラッチは、大型トラックなどに関して時間の少なくとも１２％が係合されると思われる。大型トラックは、オン／オフ式クラッチでファンの馬力の全領域を使用しているので、不完全な係合が冷却要求を満足させることから完全な係合に対する要求が比較的少ない場合、ファンを駆動するために４０から８０ｈｐも用いられることがあり得る。最大トルクよりも少なく最小限のトルクよりも大きな調節トルクを与えることができ、より少ない時間周期、すなわち時間の約１％のみ係合される電磁ファンクラッチに対する要求がある。さらに、磁気クラッチは、オン／オフ式ファンクラッチの大きな衝撃負荷を排除するため、トルク伝達を緩やかに増大するように調節されることができるはずである。
【０００９】
オン／オフ式ファンクラッチに関してさらに考慮すべき事項は、時間の１２％に亙って高速で回転するファンにより引き起こされる大きな騒音量のそれである。大型トラックからの騒音の５０％も、エンジンを冷却するためにほぼエンジン速度でこれが回転するように、空気を攪拌またはたたくファンから生じていると判断される。調節ファンクラッチを用いた騒音レベルの減少は、ファンおよびファンクラッチを用いた装置に対する新たな市場を開拓することができ、これが規制された騒音レベルを超えた場合には、この装置は夕方または夜間に使用することができない。
【００１０】
大きな慣性運動からのこのような負荷の問題に加え、現在のファンクラッチシステムに関する他の問題は、チャタリング、すなわち冷却温度を華氏１８０度と１９０度との間に維持するように試みるサーモスタットスイッチの目まぐるしい開閉のため、突然、繰り返して起こるクラッチファン表面のオン／オフ係合のそれである。典型的に、オン／オフ式サーモスタットは、回転または遮断の間にプラスマイナス２度（華氏２度）の許容誤差を伴う７度（華氏７度）の変動がある。何らかの不都合がある環境状態での作動において、この周期は、１時間当たり５０回ほど行ったり来たりする結果になり、これらが繰り返して機械的に係合および係合解除されている場合、それによってクラッチ面に磨滅をもたらす。
【００１１】
クラッチがトラックの圧縮空気システムから空気加圧システムによって作動される場合、別な問題が生ずる。この種類のクラッチは、クラッチアクチュエータシステムを作動するために圧縮空気を使用している。圧縮空気を清浄に保つことは困難である。トラックの圧縮空気がファンクラッチアクチュエータシステムを作動するのに直接使用されるには、一般に汚過ぎる。まず、空気は、この空気から塵埃を捕捉する油フィルタ内の油にこれを通してバブリングすることにより、清浄にされる必要がある。このフィルタ内の油が汚れている場合、これは汚染物質を通過させよう。さらに汚染された空気が下流の調圧器を汚す可能性があり、不充分な空気圧を結果としてもたらし、すなわち空気圧が７０ポンドより下に減少してクラッチを作動するために充分な力を供給できない。ファンが作動されない場合、温度はファンブレードにおいて華氏４５０度に達することがあり得る。プラスチックファンは発火してトラック全体を燃えあがらせる可能性がある。空気ファンクラッチシステムは、かさばる上に非常に高価である。
【００１２】
合衆国における大型トラックの現在のファンクラッチシステムに関し、運転者がトラックのエアコンシステムを作動させ、ファンクラッチは、たとえファンの最高速度がエンジンの充分な冷却に対して必要ではない可能性があるとしても、ファンを最大速度で回すために自動的に係合される。例えば、高い車両速度でラジエータを通過するラム圧空気流は、エアコンおよびトラックエンジン温度をファンなしで充分に低く保つための充分な力を持っている。エアコンのスイッチを入れた時にファンクラッチを係合することは、あらゆる時間にエアコンシステムおよびエンジンが冷たく保たれることを確実にするけれども、これはエネルギーを浪費する。
【００１３】
トラックにおける現在のファンクラッチシステムは、車両の鼻部すなわち前端を高く保つ、相当に高い場所に取り付けられたファンを有する。トラックの製造業者およびトラックの運転者は、トラックを空力的に流線形にすると共に道路に対する良好な視界をもたらすため、トラックの鼻部をより低くすることを望んでいる。一部のトラックにおいて、ラジエータは、トラクタの鼻部の外形を低くするため、これがサイドフローラジエータであるようにその側方に移し変えられる。一部のトラクタにおいては、その側方に大きなファンを配置するための充分な空間がなく、車両用フレームレールの間にこれを配置している。このため、ファンはこれをより低く下げて側方に取り付けることができない。
【００１４】
これら電磁式および空気式にクラッチを入れるファンは、相互に対して振動して急速に摩耗することをクラッチ板の係合面にもたらす固有振動数でクランクシャフトが振動するため、エンジンのクランクシャフトに直接には連結されない。このように、合衆国における大部分のトラックは、クランクシャフトからこのクランクシャフトの上方に設置されたファンクラッチまでのファンベルト伝動装置を有している。しかしながら、ファンベルト伝動装置は場所を取る上、ベルトは故障しがちである。また、ファンベルトシステムは、エンジン冷却システムに対するコストを増大させる。一部のトラック製造業者は、ラジエータおよびファンをクランクシャフトの位置よりもさらに下方となることを選択している可能性があるけれども、クランクシャフトの振動と、ファンクラッチおよびファンに対するファンベルト伝動装置のために必要な空間との理由から、彼らがそれを行うことは不可能である。
【００１５】
欧州および南アメリカの如き他の場所においては、ファンが遮断された時であっても、４００から６００ＲＰＭの速度で常時回転する粘性流体式ファンクラッチをしばしば使用している。つまり、粘性流体は摩擦および剪断によってファンを回転させる。粘性ファンクラッチが係合される場合、動力の７〜１０％が粘性流体の剪断で失われるため、入力される動力またはトルクを１００％作り出すか、または伝達することは決してできない。流体の粘性および摩擦のため、このファンクラッチが自由回転するように完全に係合解除されることは全くなく、これは、充分な大きさの動力を常時使用するために絶えず係合されているからである。もちろん、この動力は燃料消費を無駄にしており、燃料節約の観点からこれを比較的効率の悪いファンクラッチにしている。この特定のファンクラッチはまた、ファンアセンブリの前部に温度を測定するためのバイメタル式サーモスタットを使用しており、作動のためにラム圧空気を必要とするサーモスタット式スイッチによりプランジャが作動される。相対的にほとんどラム圧空気が存在しない低速走行建設車両などにおいては、このようなサーモスタットで制御されるファンクラッチは容易に使用できない。同様に、トラックで使用されるオン／オフ式ファンクラッチに関し、建設または農業装置に対してしばしば利用できない圧縮空気を使用するための要求があり、その結果、このような装置の製造業者に対して販売するのに全く適さないクラッチにしている。
【００１６】
現在、ラジエータの大きさを増大することなく７〜１０％の非効率粘性剪断を排除し、そして同じ冷却装置を使用してエンジンをより高温で作動させるために、ファンに動力を与えるべくこの増大した効率をもたらすことが望まれる。前記特許出願に開示された磁気ファンは、これが磁界を用いて１００％の動力を伝達し、粘性流体の粘性による７〜１０％の非効率を有していないので、このようなより高温のエンジンで使用されることができる。
【００１７】
このようなすべてのファンおよびファンクラッチシステムにおいて、熱の除去は、ベアリングおよびファンベルトに関して重要な問題である。ベアリングの故障およびファンベルトの破損は、整備または休止時間に対する少なからぬ原因である。ベアリングおよびファンベルトの温度をより低く保つことにより、ベルトおよびベアリングの寿命が著しく改善される。これらは、ベアリングまたはベルトの故障によってこれにもたらされることによる整備および全体的な休止時間に関連した重要な考慮すべき事項である。ファンクラッチに対するベアリングの交換は、トラックまたは装置の一部に対して重大な整備上の問題である。このように、オン／オフ式摩擦面クラッチに存在し、また粘性流体クラッチに存在する欠陥を克服する新規で改善された磁気クラッチに対する要求がある。
【００１８】
主として欧州における一部の車両は、クランクシャフトに取り付けられてファンに対し所定量の動力を伝達するために常に部分的に係合されるファンクラッチを有する。例えば、最高速度までファンを回すために少なくとも４０％の動力が、そして最高速度でファンを回すために９０％までの動力が必要とされる。このクラッチは、１００％の動力を決して伝達せず、このクラッチはファンが自由回転できるように完全に係合解除されることは決してない。また、この特定な種類のクラッチは、クランクシャフトの振動からファンクラッチの振動を減衰または遮断するように役立つある程度の長さの振動遮断装置を有する。この振動遮断装置が伝達される振動を許容するように摩耗し尽くす場合、クラッチはわずか数日で摩耗し尽くす。
【００１９】
このような常時係合ファンは、燃料を浪費する。ファンが最大で４０〜８０馬力を消費し、ファンがその入力の４０％より少ない動力を使用することが決してない場合、これは、少なくとも１６馬力が必要とされることなく消費されていることを意味する。上限において、８０馬力の４０％は３２馬力であり、必要とされない可能性があるけれども、これは常に消費されている。この不必要なエネルギーの消費は、このようなファンクラッチを有する車両に関して燃料の非効率を結果としてもたらす。
【００２０】
同様に、大部分の自動車において、ファンは車両のエンジンが作動中に絶えず作動している。このような連続的なファンの作動は、特にエンジンを冷却できるラム圧空気をもたらすように充分な速度でエンジンが動いている場合か、あるいはエンジンが冷えていてファンによる何らかのさらなる冷却の必要がない場合、燃料を浪費する。
【００２１】
クラッチ面を係合状態にもたらすための空気または電磁アクチュエータが比較的複雑で、相当な空間を占め、重くかつ高価であることは理解されよう。速度計センサのオン／オフ式スイッチと同じサーモスタット式オンおよびオフスイッチを用いた制御は、クラッチがそのトルク伝達を調節され得ないという事実のため、より多くの情報は、何らかのより複雑化した温度管理を可能にしないので、最も基本的な情報をもたらし、それによってエンジン温度の比例制御を達成する。また、ファン冷却システムのために用いられる馬力の量が、多量の燃料の経済的な節約が内燃機関のための改良されたファンクラッチおよび制御システムを有することにより達成されることができるという点において、極めて重要であることは理解されよう。
【００２２】
（発明の概要）
本発明によれば、新しい改良型の磁気すべりクラッチシステムおよび内燃機関に使用するための磁気すべりクラッチシステムがもたらされる。本発明は、単に磁界によるファンとエンジンとの間の連結によりエンジンによるファンの可変速駆動装置をもたらすために使用されるスリップクラッチに関連して説明されるだろう。その可変速駆動装置は、ラジエータからの対流熱伝達率の正確な比例制御をもたらす。
【００２３】
本発明の好ましい実施例によれば、そのクラッチは、エンジンが低温または空気流により適当に冷却されているとき、如何なる動力も使用しないように全く連結されない。また、そのクラッチは、冷却のためにその必要性が最大となる全連結を含み、冷却の必要性に応じた可変動力伝達のために調節される方法で連結される。磁気クラッチの駆動エレメントと磁気クラッチの被駆動エレメントとの間のトルク伝達が、クラッチに対し電力を制御することにより調節され、ファンのようなクラッチの被駆動部材のための正確な可変速度をもたらす。
【００２４】
駆動ファンに使用される従来技術の磁気クラッチまたは空気駆動クラッチに反して、係合または非係合状態とされるフェースプレートがないが、しかし、クラッチにおける駆動電磁部と被駆動電磁部との間に空間、すなわち、空隙がある。電力を変化させることにより予測可能な方法で、電磁ファンクラッチに対する電流が変化されて駆動クラッチエレメントと被駆動クラッチエレメントとの間のすべりを伴い円滑なトルク伝達を得ることができる。例えば、電力は、大変大きなすべり状態である低電流としての１ボルト程度から、駆動クラッチエレメントと被駆動クラッチエレメントとの間にすべりがない状態である全電力まで変化される。電気的に調節される円滑なトルク伝達が存する。
【００２５】
図示される好ましい電磁ファンクラッチは、実在するファンクラッチと比べて簡単であり、その回転部品は、より小さな慣性モーメントを有し、より軽く、かつ、より長寿命である。また、そのクラッチを係合または非係合とするために空気の供給が必要とされない。常に４０％の係合である従来のクランクシャフト取付けシステムと異なり、本発明の磁気クラッチは、必要とされないときおよびエネルギーを消費しないとき、ファンはフリーホイールのように完全に連結が解かれている。加えて、クラッチの連結量が、低電力入力から全電力入力までを通じて発生するすべり量による可変速度をもたらすべく円滑に変化される。全電力時、すべりはなく、駆動部と被駆動部とは、同一の回転速度で回転しながら固定される。
【００２６】
本発明によれば、駆動エレメント、すなわち、軽くて強いプラスチックで作られるプーリエレメントと、被駆動エレメント、すなわち、係合可能な摩擦面を有する従来のオン/オフクラッチに使用される重い鋼すなわち金属に反して、軽くて強いプラスチックで作られたファンカバーとの間の磁界式連結によって形成される新しい改良型の磁気クラッチがもたらされる。プラスチック部品の使用は、摩擦式オン/オフクラッチ用の約１.２秒という比較的急な衝撃トルク伝達パルスに対して、６秒間というような制御期間にわたって、零トルクから全トルク伝達までの調節された比較的ゆっくりとしたトルク伝達である故に、部分的に実現される。従来のファンクラッチにおける速い加速度、高い慣性、トルク負荷が、実質的かつ金属の材料を要求するのに対して、そのゆっくりと調節される加速度およびトルク伝達によって、小さな軽量プラスチック部品の使用が可能となる。
【００２７】
本発明の重要な形態によれば、駆動用プーリ部および被駆動ファン部は、好ましくは、中実部品構造と対照をなすリブ付またはハニカム付構造のプラスチックを使用することにより軽く作られる。ハニカム構造は、強さおよびそのプラスチックからその周囲の空気への熱の移動ための大きな表面積をもたらす。好ましくは、成形されたプラスチックカバーおよび/またはプーリは、また、空気を攪拌し、その部分およびそれに関連するベアリングからの熱を移動させることを助けるためにそれらの外面にリブを備えている。
【００２８】
好ましくは、プーリカバー、クラッチマウントブラケット、および、被駆動部であるファンブレードカバーは、そのオン/オフファンクラッチの切削金属部品に比べて機械加工量を低減させるべく特定の大きさおよび寸法に合わせて成形されている。これが、磁気ファンクラッチの部品価格を低減させる。また、好ましいプラスチック材料は、良好な強度、および、熱移動特性を有するものである。約３０〜３５重量％ガラスが含有されたナイロン材料は、要求される強度および熱移動性を備え、特定の寸法に成形でき、トラックなどで遭遇される高い温度に耐えるいくつかのエンジニアリングプラスチック材料のひとつである。
【００２９】
この発明における磁気クラッチは、エアコンのコンプレッサのような車両における他のエレメントを駆動させるために、ファンの代わりの他の装置にトルクを伝達するために使用されてもよい。さらに、ファンクラッチは、ファン冷却付のエアコンなどのような非車両のものにおいて使用されてもよい。
【００３０】
本発明は、比較的軽量であるプラスチック部品で作られ、良好な放熱性を備えるように構成される新しい改良型のファンクラッチをもたらす。従来のオン/オフクラッチが互いに内側で係合する摩擦係合可能な面を有し、代表的なオン/オフクラッチとしての２５００００マイル保証の要求を満たすために約１５００００マイルで交換する必要があるのと異なり、本発明は、そのような摩擦面を有しておらず、空隙により互いに離隔した磁極ピースおよび永久磁石のような回転面を有するにすぎない。空隙を横切る磁界が、摩耗する摩擦面なしにファンブレードを有する外側の被駆動エレメントを駆動させる。摩擦材料が使用されないことによる信頼性がかなり高まることとなる。さらに、上述したように、その負荷が取り除かれた状態から最大トルクまで６秒間にわたり調節される比較的緩やかな係合と、そのクラッチが全負荷で作動した場合、オン／オフクラッチの１２％の場合から電磁ファンクラッチの１％の場合への減少とにより、今日のファンクラッチにおける二つの主な障害となるベアリングおよびベルトの寿命が高められることとなる。その緩やかな係合は、比較的低トルクで初期に係合され、６秒間にわたって徐々に磁界を最大磁界まで強めるクラッチを備えることによって達成される。
【００３１】
ファンにおける上位の回転トルク負荷のとき、粘性せん断損失が７％から１０％である欧州で使用される粘性ファンクラッチと異なり、本発明は、そのような粘性せん断損失がない。欧州およびその他の場所において、高い温度のエンジンの余分な熱を分配するためにラジエターのサイズを大きくすることなくエンジンをより高温で運転するという要望が高まっている。もし、粘性流体クラッチにおけるすべりにより失われるその７％〜１０％が排除されるならば、その同一のクラッチでもっと大きな冷却が得られる。また、粘性せん断により失われる動力が、燃料を浪費することは理解されるだろう。さらに、その粘性ファン駆動は、使用される粘性流体の摩擦およびせん断作用のために少なくとも４００RPMで常に、ファンを回転させる。もし、エアコンが使用されるならば、その粘性駆動における摩擦およびせん断作用が、６００RPM程度でファンを回転させる。４００から６００RPMでファンを回転させるためのこの動力の使用は、燃料の浪費である。それに反して、本発明のファンは、わずかな摩擦のベアリングおよび閉じ込めた空気でファンブレードを７０RPMまでで回転させるために生じるシール抵抗を除いて基本的に取り除かれている。
【００３２】
本発明は、磁気クラッチのための制御回路に５０ヘルツの信号を供給する、現在、エンジンとともに使用されるECMコントローラのようなコントローラ４００からの信号を使用することが可能である。その磁気クラッチは、摩擦面を有する従来のオン/オフクラッチのように圧縮空気を必要としない。従って、通常、いずれの圧縮空気源も欠いているゆっくり移動する機種において容易に使用される。粘性ファンクラッチは、一般に、弁を開けるためにバイメタル板のプランジャをうまく動作させる速い速度のラム気流がない、ゆっくり移動する建設機種や農業用トラクタなどには使用されない。
【００３３】
ファンの発生する騒音は、非常に本質的である。実際に、全体のトラックの騒音のうち５０％程度が、速い速度で回転しているとき空気をたたくファンから生じると考えられている。もちろん、そのファンが回転している速度が大きくなればなるほど、燃料効率を低減させるより大きな馬力が使用され、ファンの速度がより速くなればなるほど、発生する騒音がより大きくなる。摩擦面を使用するオン/オフクラッチ装置のように高いエンジン速度で連続的にファンを駆動するよりも、エンジンは高速運転で、電磁ファンクラッチが、磁界のすべり駆動であるために比較的低速でファンブレードを回転させるほうがよい。すなわち、磁力量がファンを駆動させるために使用される実際の馬力の量を制御し、ファンの速度が、要求されない限り直接的にエンジン速度に結びつかない。欧州のようないくつかの国では、重要な騒音規定が、大都市圏において午後６時以降運転される動力付装置の使用を制限する。これは、建設機械と同様にできる限りトラックに対して適用する。磁気ファンクラッチからの少ない騒音がこれらの騒音規定に合致することを助けるだろう。
【００３４】
本発明は、また、コンプレッサが大きな騒音を発生しつつ長期間運転する非常に煩いコンプレッサルームを備える大きなビルの中のファンおよびエアコンシステムによって発生される騒音を低減する点でかなり重要である。
【００３５】
本発明におけるベルトの寿命は、ベアリングの寿命と同様に倍化され得るので、本発明は、また、ベルトが破損した結果、かなりの休止時間を含む高い保全コストとなるオイルポンプ装置のような遠隔作動に非常に役立つ。ベアリングの破損は、また、そのような遠隔の領域において他の重大な故障の破損となる。
【００３６】
また、本発明は、エンジンの温度が早く上がるようにエンジンの中に排気ガスを戻すウエイストゲートのあるデイーゼルエンジンできわめて有用である。本発明によれば、これが検出され、ファンクラッチがエンジンの温度を均一に維持しそのウエイストゲートを開きながら熱の増加を早めるために調節される。
【００３７】
本発明の重要な形態によれば、全体の温度管理システムおよびエンジンの冷却をよりよくぴったりと調節制御できるコンピュータ管理冷却システムがある。さらに詳細には、増大された数の入力検出用エレメントを有する車両ためのコンピュータ管理冷却システムが備えられている。入力検出用エレメントは、装置の数多くの部品の状態または条件、および温度を検出し、ファンに出力信号を供給し、ファンクラッチに電流を供給するコンピュータに入力する。電圧は、すばやく増加するように調節され、それによって、ファンへのトルク伝達量を調節し、環境状態に応じたファンの正確な可変速度をもたらす。このコンピュータ管理冷却システムは、従来のトラックのオン/オフ直接システムと異なり、オン/オフファンクラッチを有する普通使用される従来の冷却システムのように水温および速度状態だけでなく、全体の熱的な条件に反応するファンへの動力伝達をもたらす。
【００３８】
本発明の好ましい実施例によれば、全体の温度管理のコントロールシステムは、エアコンに接続され入力信号をそのコントローラに供給するセンサを含み、もし、測定される他のパラメータがエンジンおよびエアコンが適切に冷却されていることを表すならば、ファンクラッチの係合を要求しない（また、部分的に係合されることを要求するにすぎない）アルゴリズムに従い動作する。
【００３９】
加えて、本発明は、通常の冷却温度の熱センサおよび速度センサのほかに、例えば、エアコンセンサ、ターボチャージャのウエイストゲートが作動しているとき、検出するウエイストゲートセンサを有することによって、よりぴったりとした、または、より近づいた温度調節制御をもたらす。そのウエイストゲートはターボチャージャから再燃焼されるべき排気ガスを戻すために連結されており、さもなくば、トラックの始動の際のように、トラックのエンジンから重い白煙が排出される。
【００４０】
温度調節は、サーモスタットのオン／オフスイッチよりもむしろ、冷却温度を計測するのに温度により変化する抵抗センサを使用して、きわめて精密に調整ないしは測定され得る。抵抗のわずかな変化が電気信号をコントローラに送り、従来の技術の電磁または空気ファンクラッチための、通常の華氏７.５度プラスまたはマイナス華氏２度の公差に対して本発明のためのより微細な温度冷却範囲とすることができる。他の環境の検出状態が検知され得、それからの信号がコンピュータに送られ、ファンクラッチに対する電流または電力の変化を生じさせる。結果として、要求される速度にファンの作動を維持するのに必要とされる馬力だけが冷却のために使用される。マイクロプロセッサは、ほとんど即座に必要とされるファン冷却の量を迅速に計算するので、電気的な調節および磁界が調節されたクラッチを介してのトルク伝達が迅速かつ連続的になされる。
【００４１】
本発明の他の形態によれば、好ましい磁気スリップクラッチは、半径方向に配置された一組の電磁石と、機械的なクラッチ面に直接係合することなく、空隙により分離された周りの一組の強磁性体磁極ピース部とを備えている。電磁石と磁極ピースとの間の磁界は、電磁石を通過する電流が増加するとき、強まる。１ボルト電位により与えられるような低電流時、駆動エレメントが被駆動エレメントよりも大変遅く回転する状態で相当なすべりが存する。約６ボルトにより与えられるような中間の電流時においては、被駆動エレメントは、クラッチの駆動エレメントとクラッチの被駆動エレメントとの間の相当なすべりを伴いながら、駆動エレメントの速度の約１/２の速度で回転する。電磁石を通過する電流において約１１ボルトまたは１２ボルト電位であるとき、十分な磁束密度をもたらし、磁気的な全連結となる。磁気的な全連結により、磁極ピースおよび駆動磁石は、同一の速度ですべり無く回転する。従って、トルク伝達は、クラッチが離れているときの零％とクラッチが完全に係合されている１００％との間を調節されることが理解されるだろう。
【００４２】
好ましくは、スロットが、電磁石の中に誘導される渦電流を低減させるために強磁性体材料に形成されている。同様に、完全に係合された、１００％トルク伝達未満のときのすべりに起因した渦電流を低減するために、磁極ピース内にスロットを備えることが好ましい。
【００４３】
本発明は、従来技術であるファンフェイスクラッチの係合クラッチ面のような駆動部の被駆動部に対する擦りまたは機械的な振動がないように、電磁クラッチの駆動部、すなわち、駆動エレメントが被駆動エレメントから空隙により離間されているので、クランクシャフトにファンクラッチを直接的に取り付けることが可能である。エンジンのクランクシャフトに直接的に取付けられ、ファンに少なくとも４０％の動力を常に供給している現用の他の電磁クラッチと異なり、本発明は、車載のコントローラの制御下で、動力の必要性がないときに使用される馬力がないように、完全に切り離されるファンを有し得る。
【００４４】
（好適実施例の説明）
図面、特に図１について説明すれば、車両１０の概略がブロック図によって示されており、車両１３（図５）に搭載されたエンジン１２を有している。車両１３が、トラックやターボチャージャを備えた自動車の場合、エンジン１２は、外側の吸入口３４より空気を取り入れるためにターボチャージャ１４に接続されるとともに、排気ガスをターボチャージャまたは周囲のいずれかに送るために排気１６に接続される。エンジンは、冷却回路２２内においてエンジンに接続された冷却水のためのラジエータ２０を有する冷却システム１８を含んでいる。ラジエータ２０に連関されたファン２４は、磁気クラッチ２６によりエンジン１２の出力軸２８に連結されている。出力軸は、例えば、クランクシャフトまたは、図５に示すような駆動ベルトシステム２９等の他の装置である。コントローラまたはコントローラ回路３０は、磁気クラッチ２６に接続され、種々の状態におけるファンの相対速度及びエンジン１２に対するファンの負荷の量とともにファンの駆動、停止を制御する。
【００４５】
平常運転状態において、吸入空気は、吸気３４に流入し、ターボチャージャ１４に送られて、圧縮され、加圧空気通路３６によりインタークーラ３８に送出される。インタークーラ３８は、トラクタまたは車室の最前部に配置され、空気流または空気流通路４１によって示された外部供給源からの冷却空気を受ける。冷却空気は、インタークーラ３８において加圧空気の温度を低下させ、エンジン１２のマニホールドに結合された加圧通路４０によるより高い有効ヘッド圧を許容する。ターボチャージャからの加圧空気からの熱は、インタークーラに流通する空気流４１に伝達される。エンジンは、エアコンユニット４４に含まれるエアコン用コンプレッサを駆動する動力取り出し装置を有しており、エアコンユニット４４は液相ライン４６内の液相の冷媒をインタークーラ３８のすぐ後ろ側に配置されるコンデンサ５０に供給する。エアコンユニットまたはそのコンデンサに設けたセンサ４５は、エアコン信号をエアコンの状態を示すためにコントローラ３０に延びるデータバス７２にライン４７を介して供給することが出来る。コンデンサ５０のガスから伝達された熱によって、ガスが液化され、液体通路５２に供給され、エバポレータ（図示せず）を通って、通路５４を介してエアコン用コンプレッサに環流される。エバポレータは、熱を空気流４１に伝達するために空気流がその外側を流れるように配置される。冷却された空気または液体は、車両の車室に供給されて、運転者やすべての乗員を快適にするために車室内を冷却する。冷却空気流４１は、コンデンサ５０を通り、シャッタ６０を通りラジエータ２０に送出され、ラジエータ内の冷却水を冷却して、エンジンの冷却を維持する。
【００４６】
エンジン１２が効率的に冷却される冷却率と、インタークーラ３８及びエアコン用コンデンサ５０が冷却される冷却率は、空気流を生成するためのファン２４の回転速度によってある程度制御される。車両１０が道路を高速で走行している場合、インタークーラ３８、エアコン用コンデンサ５０，シャッタ６０及びラジエータ２０を通って流れるラム空気流４１によりエンジンは充分に冷却される。
この状況では、通常、ファンを運転状態に保持することは不要である。
【００４７】
磁気クラッチの動作及びファンの動作は、コントロール回路３０により種々の運転状態又はパラメータに応じて精密に制御することが出来る。コントロール回路３０は、データバス７２及びアドレスバス７４を有するマイクロプロセッサ７０を有しており、このマイクロプロセッサは、格納されたプログラム及びリードオンリメモリ７６を動作させる。リードオンリメモリ７６は、プログラム内容を記憶するために、例えば、ＥＡＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ等の不揮発性またはバックアップ記憶装置若しくはバッテリによってバックアップされたＣＭＯＳ  ＲＡＭ等の他のタイプとすることも出来る。プログラムは、マイクロプロセッサにより実行され、一時的な値や可変値は、データバス７２及びアドレスバス７４に接続されたランダムアクセスメモリに格納される。さらに、回路３０に電源が供給されていないときにも設定点、限界及び他のデータをコントローラ３０に保持するために不揮発記憶するために、別途ＥＥＲＯＭを設けることも出来る。マイクロプロセッサは、データバス７２及びアドレスバス７４に接続されたデジタル／アナログ変換器８０を介してデータコマンドを送出し、デジタル／アナログ変換器は磁気クラッチ２６に電流を供給するためのクラッチ出力駆動回路８２にアナログ出力を供給する。この電流は、マイクロプロセッサ７０の制御下で調節され、エンジン１２の出力軸から磁気クラッチ２６を介してファン２４への駆動伝達及びスリップの度合いを決定する。
【００４８】
磁気クラッチ２６に供給される電気エネルギまたは電流の量は、車両の速度を示す可変信号をパルス整形回路９２に供給し、パルス整形回路がデータライン７２を介してマイクロプロセッサ７０に所定の割合のパルスを供給することによって、スピードメータ９０が示す車両の走行速度により部分的に制御される。それらのパルスは、マイクロプロセッサにより計時され、すべての瞬間の車両の速度が決定される。車両が高速で走行している場合、マイクロプロセッサは、単にＤ／Ａ変換器８０へのすべてのデータチャンネルにゼロを発生して、クラッチ出力回路８２から磁気クラッチ２６への電流供給をなくして、磁気クラッチを自由回転させる。車両が走行しておらず、エンジンが暖かい場合、マイクロプロセッサが、磁気クラッチ出力を発生して、ライン８３に充分な電力を供給し、磁気クラッチをロックアップさせて、磁気クラッチが出力軸２８から最大量の機械的エネルギを取り出し、インタークーラ３８，コンデンサ５０及びラジエータ２０を通って充分な空気流を供給して、車両のエンジンの冷却を保持する。電動モータ内において、電磁石における磁界が切り替えられまたは回転して磁極ピースを回転させる。電磁石は機械的に回転されるが、磁界は、磁気クラッチ２６によって電気的には回転されない。
【００４９】
マイクロプロセッサ７０は、冷却水温を測定するためにエンジン１２の最上部に取り付けられたエンジン温度センサ１００からのエンジン温度を示す入力を受ける。エンジン温度センサ１００は、例えば、ＲＴＤまたは抵抗型センサであり、エンジンの温度に応じてアナログ出力を供給する。アナログ出力信号は、ライン１０２から温度アナログ／デジタル変換器１０４に供給され、変換器によりデジタル温度信号がデジタル温度バス１０６からデータバス７２に供給され、マイクロプロセッサ７０に転送される。エンジンの温度が非常に高い場合、マイクロプロセッサが、クラッチ出力駆動回路８２に磁気クラッチ２４のロックアップを指令し、エンジンの出力により駆動される最大速度でファンが駆動される。この結果、エンジンを使用した最大馬力よってファンが駆動され、冷却を最大とする。
【００５０】
温度が中間の範囲であり、スピードメータ９０が車両が中速域で走行していることを示した場合、信号がライン９３を介してデータバス７２に送られ、コントローラ３０に送られて、調節された信号により最大電流よりも小さくしかも最小電流よりは大きい電流を磁気クラッチに供給していくらかのスリップを許容するが、完全に自由回転状態ではない状態とする。従って、減少された量の空気流が使用され、ファンの回転に使用されるエンジンからの馬力が減少する。
【００５１】
電磁ファンクラッチ２６の動作及びファンの出力は、ターボチャージャ１４及びインタークーラ３８の状態に応じて行われる。ターボチャージャ１４は、ターボチャージャに接続された排気ガス通路１１０内の排気ガスによって駆動される。電気的なウエイストゲート制御ライン１１５に接続されたウエイストゲート１１２が開閉位置に駆動される。ウエイストゲートが閉じている場合、排気の一部は、吸入空気に環流され、部分的に燃焼した排気は清浄な空気とともに圧縮される。これは、温度出力センサ１００からの信号によって示されるように、一般にエンジンが非常に低温の場合に発生する。センサ１２０は、インタークーラ３８に設けられ、インタークーラ温度等の状態信号をライン１２１を介してデータバス７２及びコントローラに送出する。望むなら、センサをウエイストゲートに設けることも出来る。これは、エンジンが低温なために部分的にのみ燃焼したガスからの汚染物質が排気から環境に排出されることを防止するために行われる。清浄な空気と部分的に燃焼した排気の混合物は、インタークーラ３８を通ってエンジンに流入し、部分的に燃焼した炭化水素は、より完全に燃焼される。エンジンが特定の設定温度に到達すると、マイクロプロセッサは、ライン１１４を介して排気のターボチャージャの入り口３４への環流を防止するためにウエイストゲート１１２を閉じるように指令する。
【００５２】
マイクロプロセッサ７０は、入力信号に応じてシャッタ６０の位置を制御する。マイクロプロセッサ７０は、デジタルシャッタ指令信号をデータバス７２を介してシャッタ制御デジタル／アナログ変換器１８２に送出する。変換器１８２は、シャッタ制御信号を出力回路１８３に出力し、出力回路は制御電圧をライン１８４に送出してシャッタ６０をこれに応じてステップ的に開閉する。シャッタ６０は、低温の天候状態では通常閉塞されているか、若しくは部分的に閉塞され、運転者を快適にするために車室内に供給されるべき熱の無駄を防止する。
【００５３】
図２，図３について説明すれば、磁気クラッチ２６が示されており、被駆動部２００と駆動部２０２を有している。駆動部２０２は、例えば、ファンプーリ２０４（図３）を有し、ファンベルト２０５（図５）が係合し若しくは、エンジンのクランクシャフトの出力２０６（図６）に直接結合される。取付軸２０８は、均一なテーパ部２１０及びキャップナット２１６が係合するねじ部２１４に終端する可変またはテーパ部２１２を有している。キャップナット２１６は、ねじ２１４に螺合され、ワッシャ２１８をスラスト軸受け２２０に当接した状態に保持する。スラスト軸受け２２０は、段部２２２に着座して、駆動部スリーブ２２６を保持する。駆動スリーブは、回転可能に固定軸２０８に取り付けられる。ボール２４０及び２４２を保持する一対の軸受けレース２３２及び２３４を備えたボールベアリング２３０は、駆動部材スリーブ２２６上に回転可能に駆動部材２００を取り付ける。被駆動部材は、外側壁２５２に終端するとともに複数の磁極ピースを有するカップ状部材２５０で構成され、磁極ピースは相互に同一であり、それぞれ２６０，２６２，２６４，２６６，２６８及び２７０で示される(図２）。例示的に磁極ピース２６０を取ると、この磁極ピースは、三つの渦流防止スロット２７４、２７６及び２７８を有する関節または接合面２７２が形成されている。面２７２は、以下の説明より明らかなように、駆動エレメント２０２上の各ソレノイド磁石によって空隙を規定する。磁極ピースは、磁極ピースをカップ状構造体２５０の外側リングまたは環状壁２８１に保持する一対の留め具２８０により固定される。一つの実施例において、磁極ピース及びカップ状構造体の両者は、金属材料で構成することが出来、磁極ピースは強磁性であり、カップ状構造体は、アルミニウムで構成する。非常に小さい慣性モーメントを持つ軽量な他の構造において、カップ状構造体は、プラスチックまたは軽量ポリマによって形成される。金属またはワイヤのリングが、プラスチック製のカップ状構造体に取り付けられすべての磁極ピース２６０−２７０間の完全な磁束通路を構成する。ファン２４は、カップ状構造体２５０の外側に取り付けられる（図５及び図６）。
【００５４】
駆動エレメントは、スリーブ２２６の中央ハブ部２０６とハブから延びる６つの電磁石、すなわち、ソレノイド３００，３０２，３０４，３０６，３０８及び３１０を有している。エンジンによって機械的な運動が発生されると、磁石３００乃至３１０はハブ部２０６を通る中心の回転軸線を中心に回転する。各磁石は、磁石３０４において例示するように、中心の強磁性部を有しており、強磁性材料は軟鉄コア３１２である（図３）。軟鉄コア３１２の周りにはクラッチ出力ドライバ８２からのライン８３上の電流によって励起されるコイル３１４が巻回されている。本実施例において、４０アンペアまでの比較大きな最大電流が各ソレノイドを流れて、面３２０に非常に大きな磁束密度を与える。例えば、ソレノイド３０４の面３２０は、磁極ピース２６０の面２７２における曲率に一致するように湾曲しており、その間に狭い空隙を形成する。面３２０は、複数の渦流防止スロット３２２，３２４，３２６を形成している。
【００５５】
クラッチの動作中に、機械的なエネルギは、エンジンから駆動エレメント２０２に中心のクランクシャフト出力２０６またはファンベルトプーリシステム２９を介して連続的に供給される。ソレノイド磁石のコイルに電流が流れていない場合、被駆動エレメント２００は、静止し、若しくはファン２４に衝突してファンを回転させるラム空気の移動による力によってラジエータ中の空気流により自由回転している。
【００５６】
しかしながら、従来のシステム中において（上述のよう）エンジンが加熱された時に、熱応動スイッチが冷却水の温度を感知するために用いられると、スイッチは、通常の限界が図４に示すように華氏１９０度及び華氏１８３度であるのに対して、１８１度から１９２．５度までの１１．５度の範囲の不感帯を経験することがある。その不感帯は、本発明における比較的不正確な制御を生じさせ、従って、ＲＴＤ温度センサは、例示されたＲＴＤセンサ１００によって置換される。
【００５７】
センサ１００は、温度信号をマイクロプロセッサ７０に供給し、マイクロプロセッサは、温度信号並びにスピードメータ信号及びエアコン負荷に応答して電磁石のソレノイドに電流を流すように指令して、磁極ピース２６０−２７０を電磁石３００−３１０に整列するように吸引する傾向を持つ磁界を発生する。電流の量は、マイクロプロセッサによって決定されるシステムの熱要求に応じて変化する。電流の量は、電流ゼロから例えば４０アンペアの最大電流までスムーズに変化することが出来るので、出力軸２８とファン２４の機械的結合度は、非結合状態から完全または緊密なロックアップ結合まで変化する。しかしながら、被駆動エレメント及び駆動エレメントはそれぞれ摩擦係合ではなく、実際上通常のクラッチ動作の観点から低摩擦ベアリングによる接続のみであり、実質的に摩耗する可動部材は存在しない。さらに、エンジンの機械的負荷の度合いは、実質的にエンジンからの馬力消費がない無負荷状態からファンの大きさによって変化する完全ロックアップ状態での４０または８０馬力までスムーズに変化する。
【００５８】
望むなら、手動切り替えスイッチ３２２（図７）を用いてコントローラ３０を無効としてクラッチを完全な動作状態として、ファンによる冷却を最大とすることが出来る。トラック運転手は、ファンによる最大の冷却を確実に行うことを望むことが出来、彼はコントローラによって作動される電気回路にライン３２４によって接続された切り替えスイッチ３２２を投入することが出来る。
【００５９】
駆動エレメント２０２及び被駆動エレメント２００の間に直接的な機械係合がないため、クランクシャフト２０６の振動は空隙３２１によって被駆動エレメントから分離された駆動エレメントによって伝達されない。すなわち、電磁石はクランクシャフトとともに振動するが、空隙３２１によって磁極ピース２６０−２７０は電磁石から分離されて摩耗を生じる若しくは物理的な接触を生じない。従って、クランクシャフトの振動は電磁石と磁極ピース間に摩耗若しくは他の相対変位を生じることはなく、他方上述の従来技術によるクラッチにおいては係合されたクラッチ面にそうした摩耗が生じる。
【００６０】
非常に小さいかまたは電流がない電力によっては、磁極ピースは、磁気的に吸引されて回転する磁石に追随することはなく、ファンを回転するために馬力は消費されない。電磁石に最大電流が流れると、磁界は各磁極ピースを対応する電磁石に整列状態に保持するのに充分な強さとなる。電磁石と磁極ピース間の磁界が中間値となると、磁極ピースは、電磁石に較べて非常に低速で回転し、スリップのない状態に較べて少ない馬力を使用する。駆動エレメントによる被駆動エレメント２００の駆動は、コントローラ３０によって調節された磁界のみによって行われる。
【００６１】
いくつかを上記において説明したコントローラ３０、磁気クラッチ及び種々の運転状態及びパラメータのセンサは、エンジン冷却ファンのより良くしかもより燃料効率のよい制御を可能とする。本発明は、固定の内燃機関に使用できるばかりではなく、トラック、自動車等の車両にも用いることが出来る。
【００６２】
本発明のもう一つの実施例を図８乃至１４を参照して説明する。図８乃至１４には、トラックやブルドーザ、バックホー、農業用トラクタ等の重機等の車両または、冷却用の大型ファンを駆動するディーゼルエンジンまたは他のタイプのエンジン等の内燃機関を有する固定の発電装置に用いる内燃機関４１２に用いる磁気ファンクラッチシステム４１５（図８）を示している。重機の分野において、現在のファンは、ウォーターポンプに直接連結され、連続的に駆動されており、ファンクラッチは設けられていない。合衆国におけるトラックに現在使用されているファンクラッチはクラッチの摩擦面の係合に圧縮空気を必要としているが、高負荷で、低速で移動する装置には、こうしたファンクラッチを作動させるための圧縮空気は利用できない。ヨーロッパや南アメリカにおいては、粘性流体ファンクラッチが使用され、クラッチの適正な動作のためにバイメタル式のサーモスタット装置を通って流れるラム空気に依存するバイメタルにより駆動されるプランジャを有するサーモスタット装置によって作動される。遅い運動において、高荷重装置にはこのようなラム空気圧が生じず、このような感温スイッチ装置を使用することが可能となる。
【００６３】
好適な発明によれば、磁気ファンクラッチ４１５が設けられ、この磁気ファンクラッチは、摩擦係合面を備えた従来のオン/オフクラッチに用いられる重い鋼ピースとは異なり、軽量で強固なプラスチックで成形された駆動またはプーリエレメント４１６（図１２及び１３）と軽量で強固なプラスチックで成形された被駆動すなわちファンカバー４１８（図８及び図９）とを結合する磁界が形成される。本発明の好適実施例によれば、比較的低速で漸進的にこれらのプラスチック製クラッチエレメント間のトルク伝達が（すなわち、「柔軟結合」）行われるが、これは、クラッチがＯＦＦまたはトルク無しから最大トルクに比較的長い時間、例えば６秒で移動することを意味している。これに対して、クラッチのオン／オフ摩擦面の急峻で衝撃的なトルク伝達パルスは一般的にゼロトルクから最大トルクまで約１，２秒で変化する。一般的なオン／オフシステムの高速なトルクのパルス伝達は、負荷に耐えるために金属部品を必要とし、大きなトルク負荷をベアリング及びファンベルトに負荷してそれらの寿命を大幅に短縮する。磁気クラッチはより漸進的なトルク伝達をするので、重い鋼材料ではなく軽量のプラスチック材料で形成することが出来る。
【００６４】
本発明の好適実施例によれば、従来技術の重い鋼製ブラケットではなく、加工され、成形されたプラスチック製の取付ブラケット４２４（図１２及び図１３）が、ファンをエンジン４１２に取り付けるために用いられる。磁気エレメント４２９を有する被駆動カバーエレメント４１８（図８）も加工され、成形されたプラスチックで形成される。同様に、図１２に示す駆動またはプーリ４１６は、成形プラスチックで形成され、電磁石４２８を有しており、電磁石は磁石エレメント４２９とともに作用して、ファンブレード４２０を結合させ、プーリ４１６が回転したときに回転するようにカバーする。これらのエレメントは、所定のサイズに成形され、ストッパや基準段部によって比較的精密な寸法となるので、従来のファンクラッチにおけるように鋼部品を所望のサイズ及び寸法に加工するための二次加工作業の多くを無くすることが出来る。好適な加工用プラスチック材料は、より大きな強度を得るためにガラスを充填したナイロンである。
【００６５】
本発明の他の重要な形態によれば、駆動プーリ４１６及び駆動ファンカバー４２０には、リブまたは冷却フィンが設けられ、それらは回転されて空気を攪拌し、熱を各支持部材からより低温のベアリング４３２及び４９３（図８及び図１３）に伝達して、ベアリングの寿命を改善する。空気攪拌リブ４５６（図１７）は、ファンブレードとして作用し、成形されたスリーブの空気を攪拌して、熱をスリーブ及びそのベアリング４３２（図１３）から伝達する。カバー４１８は、リブ４７８及び４８６（図２１及び図１０）を有し、空気を攪拌し、熱をカバー及びその支持ベアリング４９３（図８）から伝達する。
【００６６】
さらに、成形プラスチック製のプーリ４１６及びファンカバー４１８は、好ましくは、リブを有するハニカム構造に形成され、中実のピースに較べてより軽量なピースを提供し、プラスチックから大気へ熱を伝達するためのより大きな表面を与える。特に、カバー４２０は、ハニカム部とともに図２１に示されており、ハニカム部は一般に参照符号４３５で示される。プーリ４１６は、図１８に最も良く示されているように大きなハニカム部４３６を有している。従って、カバーとスリーブの双方は、軽量なハニカム部を有しており、大きな表面積によって熱を周囲の空気に放散し、回転部材上のフィンは熱を輻射によって伝達するとともに熱をラム空気に放散する。
【００６７】
図１３に示す本発明の実施例において、ファンクラッチは、部品が金属ではなく加工された成形プラスチックで形成され、磁気部分の数が増加していることを除き、図１乃至８に関して説明した実施例と同様である。図２２乃至２５に関して説明する第三の及び好適な実施例において、ファンクラッチシステムは、磁気ファンクラッチ４１５のための電力を発生する発電機６０１が設けられており、以下により詳細に説明するように、この発電機は熱を吸収し、ベアリングから空気を外向きに発散する。従って、クラッチ自体及び発電機６０１を含むファンクラッチシステムは、熱を放散してプラスチック材料の熱による劣化を防止するとともに、ファンベルト及びベアリングの寿命を改善している。
【００６８】
図に示すように、電磁ファンクラッチシステム４１０は、本例においては約３０％乃至３５％ガラスが充填され、好適には約３５重量％のガラスが充填されたアメリカ合衆国内所在のＢＳＡＦ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なナイロンプラスチックで形成されたガラス取付ブラケット４２４によってエンジンに取り付けられる。ガラスを充填したナイロンは、非常に強く、ファンクラッチプーリ４１６及びカバー４１８もまた主に軽量の加工されたポリマ材料によって作られ、ハニカム部４３５及び４３６が形成されているので、ファンクラッチシステムを支持する。これは、従来の鋼製取付ブラケットを用いた、非常に重いものとは異なっている。図１４乃至図１８に最も良く示されているように、成形プラスチック製取付ブラケットは、一体で、平坦なプレート部４２４ａとハブの円筒面４２４に取り付けられたベアリング４３２を有している。図１３に示すブラケット４２４は、被駆動カバー４１８上の電磁石に電源を供給するためにスリップリングを用いた場合の電気配線のためにプレート４２４ａからハブ４２４ｂ内の中央ボア４２４ｅに電気的リードが挿入される側部ボア４２４ｄを含んでいる。
【００６９】
取付ブラケット４２４は、図１４、図１５及び図１６により詳細に示されており、プレート部４２４ａとハブ部４２４ｂの間に放射方向外向きの一連の突出リブ４２４ｇを有している。リブ４２４ｇは、ハブ部に強度を付与するが、同サイズの中実部に較べて全体重量を減少させる。好ましくは、取付プレートには、また平坦なプレート側４２４ｉをエンジンまたは車両の他の部分に取り付けるためのボルトを収容する一連の孔４２４ｈが設けられる。ハブの小径部の端部の成形段部４２４ｊは、ベアリング４３２の最も内側に当接するストッパとして作用する。ベアリング４３２の他方の外側には、成形された溝４２４ｋ内の挿入されたリテーナによって保持され（図１３）、取り付けハブ４２４ｃの外側の遠い側の端部４２４Ｌを包囲する。この溝４２４ｋ、段部ストッパ４２４ｊ及びボルト孔４２４ｈは、取り付けブラケット４２４が、金属ピースが対応する面及び部分を持つように加工されるべきサイズ及び寸法に成形されるので、加工することなしに成形のみで非常に精密に形成することができる。
【００７０】
図１１，図１２，図１３及び図１７に関して説明すれば、好適で、図示されたプーリ４１６は軽量で、高強度に形成されるとともに、放射ばかりではなくフィンにより空気の移動を生じることにより、輻射によっても熱を放散することが出来るように構成される。ベアリング４３２は、駆動部４１６内に取り付けられており、ベアリングによって発生された熱は、ベアリングの加熱および寿命の短縮を避けるために放散されなければならない。本発明において、プーリが軽量であり、ベアリングの負荷が小さく、しかもベアリングの温度を低く保つために熱が放散されるので、ベアリングの寿命は、非常に長くなる。熱が放散されない場合、ベアリングの寿命は、ベアリング４３２の寿命のために運転時間で３０，０００乃至４０，０００時間もしくは運行距離で１，０００，０００マイルの所望の目標値よりも大幅に短縮される。
【００７１】
図示のプーリ部は、溝を形成した周面４４２を持つ円筒状のリム４４０を有しており、溝を形成した周面は、ファンクラッチベルトに係合して駆動され駆動スリーブ４１６を、取付ブラケットハブ４２４ｃの中心を通る軸線を中心に回転させる。スリーブリム４４０は、プーリを強化し軽量化するとともにリム４４０における力を支持し、さらにベアリングからの熱を捕捉するハニカム部４３６により支持されている。ハニカム部４３６は、図１８に最も良く示されているように、離間したリブ４４６間に多数の略三角形状の空隙４４４を形成している。より小さな直径においては、内側のハニカム部および好適なリブ４４６は、通常三角形であり、内側円筒壁４４８と第二の中間円筒壁との間に外向きに延びている。
【００７２】
外側ハニカム部は、中間円筒壁４４９と外側円筒状リム４４０の外側の大径壁４４７の間に形成される。リブ４４６に規定されるハニカムの空隙４４４は、図１３に最も良く示されているように、内向きかつ横断方向で、外側の大径フランジ壁４５０に延びるリムの溝を形成した面４４２のほぼ全長に、リムの溝を形成した面の下側に延びている。外側の大径フランジ壁４５０は、図１２および図１３に最も良く示されているように、一体の深いＶ字状溝４５２を有しており、エンジンによって駆動されるＶ字状の駆動ベルトを収容する。
【００７３】
リブを設けた三角形間の空隙４４４に流入、流出する空気は、三角形の表面を冷却し、これによって熱を放散するための大きな冷却面が与えられる。ベルトによって外表面に負荷されるトルクおよび摩擦接合によっても内側ベアリング４３２による熱発生と同様に熱が発生する。ベルトの寿命は、プーリ４１６が軽量であるためトルク負荷が小さくなり、ベルトの温度がベルト材料の劣化を生じる非常に高い温度となることを防止されるので、ベルトの寿命が伸長される。
【００７４】
同様に、好適なプーリは、アメリカ合衆国所在のＢＳＡＦ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なガラスを３５％充填したナイロンで形成される。ナイロンは高い熱放散性を持ち、一般に使用される従来のオン/オフファンクラッチの加工された金属製プーリおよび駆動部とは異なり、加工されたプラスチックプーリは、大幅な加工なしに非常に精密な寸法で成形することが出来る。
【００７５】
スリーブ４１６が回転すると、空気がハニカム部４３６内で攪拌され、熱が放散されるとともに、図１７に示すように突出ハブ４６０上の内側の大きな端部４５６ａから外側リムフランジ４５０に隣接した非常に小さい端部４５６ｂにわたって延びる放射方向に延びるリブ４５６によって導出される。リブ４５６は、リブおよびフランジ４５０と一体に成形された中央の環状リングによって相互に連結されている。プーリ４１６の突出した中央ハブ４６０は、図１３に最も良く示されているように、大径リム部４４０と一体であり、放射方向に比較的厚い断面を有しており、一連の孔４６２の穿孔または螺孔の形成を可能としている。図１３に示すように、螺孔４６２は、以下により詳細に説明する、プーリの延長部４１６ａ（図８）を取り付けるためのネジ部品を収容する。プーリ延長部４１６ａは、プーリに固定され、プーリピースの一体に形成されたもののようにプーリの一部として作用する。図２３において、留め具６０５はプーリおよびプーリ延長部を連結し、同様の留め具が図１３の螺孔４６２に螺合されて、上記に説明したようにプーリ延長部４１６ａをプーリ４１６に固定する。
【００７６】
上記により、プーリ部が、ハニカム壁によって非常に軽量な構造に形成されて、大きな空隙および表面を形成して、高い強度を与えるばかりではなく、熱の放散も可能とし、ファンブレードとして作用する放射方向リブ４５６は、プーリがエンジンによって、例えば２４００ＲＰＭ間での高速回転しているときに空気を攪拌して熱の輻射によるプーリからの除去を生じさせる。
【００７７】
回転しているプーリ４１６は、一組の第１の磁石エレメントを有しており、この第１の磁石エレメントは、本例においては、電磁石４２８であり、磁界を生成して、リブを設けた環状カバーの形状であり、ファンブレード４２０が取り付けられまたは一体に成形された回転する被駆動カバー４１８に好適には鋼棒または部材４２９ａで構成する磁界エレメント４２９との駆動関係を形成する。好適な成形カバーは、軽量で、高い耐久性を有しながら低コストであり、好ましくは約３５重量％のガラスを充填したナイロンで形成される。比較のため、図示のファンブレードを除くファンは３ポンドを僅かに超える重量であり、カバーがアルミニウムの場合少なくとも５ポンドの重量が減少される。図示のカバーは、約９インチの外径、約４．１２５インチの幅を有し、九つのファンブレード４２０を有している。明らかに、これらのサイズと寸法は、変化する可能性がある。取付ブラケット４２４およびプーリ４１６に関して前述したように、カバーを精密に成形された部品として、大幅な加工を不要とすることが好ましい。好適な磁石エレメント４２９は、図８および図９に最も良く示されているように、長方形の鋼棒４２９ａの形状であり、カバーの成形工程で、所定の位置にモールドされ、棒が正確に位置決めされ、さもなくば別途留め具を使用することなくまたは正確に配置するための機械加工を必要とせずに、所定の位置に保持される。長方形の棒状の磁気エレメント４２９は、相互にカバーの円周方向に等間隔に離間している。
【００７８】
上記の特許出願において、６本の棒状鋼が示されており、以下に説明するこの好適な他の実施例において、好ましくは１２本の鋼棒４２９ａとプーリ駆動プーリ４１６上の１２の電磁石４２８が設けられている。
【００７９】
駆動カバー４１８は、図２１に最も良く示されているように、好ましくはネジ式の留め具４７４を所定の位置にモールドして、図８および図９に最も良く示すように、カバーの環状壁４７６にファンブレード４２０を固定する。留め具のヘッド４７４ａは、それらを正確に配置し、回転に対してその位置を保持して、ファンブレード４２０の取付時にネジ式留め具のみをネジ軸４７４に取り付ければよいものとするために、所定位置にモールドされることが好ましい。ファンブレードは、これらの図においては部分的に切り落として示されており、当然のことながら例えば３２インチ径のファンを形成する所望の長さまで延長することが出来る。
【００８０】
回転中にカバー４１８から熱を除去するため、図９および図１０に最も良く示されているように、カバーに、湾曲周面４８１を持つ外側カバーリム４８０と一体で、これを横断するリブを設けることが好ましい。リブは、カバーリムの外側周面４８０から半径方向外方に突出する。カバーリムは、図８および図９に最も良く示されているように、鋼棒４２９ａの一端が衝合する一側に垂下フランジ４８２を有している。
【００８１】
カバーの外側リム壁を強固で非常に薄い断面に保持して、プラスチックの量および重量を減少させ、プラスチックに保持される熱量を減少させるために、図１０に示すように、カバーリムの傾斜した外側側壁４８４には、壁４８４と一体でリブによって区画される空間４８８を形成するために外向きに突出した一連の強化用トルクラインリブ４８６が設けられている。リブ４８６のパターンは、逆方向に傾斜して延びて交差するトルクラインに沿って延びて、大きな遠心力を発生する高トルク負荷、高速度でカバーが重い鋼棒４２９ａを回転させているときに最も大きな応力受ける部分で所要の強度が得られるようになっている。その上端部において、トルクラインリブ４８６は、図１０に最もよく示されているように、外側周面リブ４７８に接続されている。それらの内端部において、トルクラインリブ４８６は、図８、図９、図１０および図２１に最もよく示されているように、留め具４７４を担持する環状フランジまたは周縁リング部４９０に接続されている。
【００８２】
熱を放散し、カバーを軽量化するために、図８、図９および図２１に最もよく示されているように、ハニカムに形成された中心ハブ４９２を設けることが望ましい。内側ハブ部は、図８に最もよく示されているように、ハブ部４９２に押し当てられたベアリング４９３を収容する。ベアリングは、外側ベアリングレース４９４を有している。ベアリングは、ハブ延長部４１６ａの溝４９５内に収容された環状リテーナリング４９５ｂによって所定位置に保持される。ベアリング４９３の内側は、カバー４１８の内側溝４９５ｃ（図８）に収容された環状リテーナリング４９５ａに衝合する。
【００８３】
ベアリング４９３を設けた（図８および図９）カバー４１８の回転可能な中心ハブ部４９２は、リブ５００（図２１）によって規定されたハニカム部４３５を有しており、リブ５００は、ベアリング４９３を比較的低温に保持するためにベアリング４９３から熱を除去することが出来るように、ハブの回りに三角形状の空隙５０１を形成する。ハニカム部のリブおよび空隙は、同一システムの中実ハブに比べて、ハブ部により少ない重量を与え、熱を放散するためのより大きな表面を与える。ハブ部４９２は、リブ５００の外側端部に連結された外側円筒壁５０２とリブの内側端部に連結された内側円筒壁５０３を有している。内側円筒壁は、ベアリングシートを規定し、ベアリングの外側レースを収容するフランジ４０４を有している。図２５に示すプーリ延長部４１６ａは、プーリ４１６の延長部であり、プーリにプーリ延長部４１６ａの外側フランジ５１４（図２４）のボルト孔５１２に挿通された留め具により固定される。止２５に示すように、溝とともに成形され、プーリ延長部４１６ａのノーズコーン部５１５の所定位置にベアリングを保持するスプリットリング４９５ｂを収め部は、ハブ４６０（図１３）の螺孔４６２に螺合される。ハブ延長部は、図容する。ハブ延長部は、３０％乃至３５％の範囲でガラスを充填したナイロン等の加工されたポリマで形成され、所要の強度と熱放散性を有している。ノーズコーン部５１５で回転するベアリングは、熱を発生する。プーリ延長部は、クラッチからプーリへのアダプタとして機能する。
【００８４】
図示の電磁石４２８および５２８について説明すれば、１２個の電磁石が設けられ、それらは導線４２４のコイルが巻回された中心コアまたはポスト４２２、５２２および６２２（図８、図１９および図２９）を有しており、コイル４２４は、ポスト４２２を露出させるために図８においては取り外した状態で示されている。
【００８５】
図１９および図２１に示す本発明の好適実施例において、電磁石４２８および５２８の各コアまたはポスト５２２は、相互に衝合された一連の８個の平坦な金属ピースで構成されている。ポスト５２２は、図１９および図２０に示すリング５２０および５２０ａの放射方向に延びるスポーク状部であり、良好な磁気特性を得るために選択された鋼等の金属で形成されている。この一例は、１００８／１０１０鋼である。１００８／１０１０鋼は、比較的低価格であり、図１９および図２０に示す形状に型打ちすることが出来る平板として入手できるので、好ましい。８個の衝合された電磁石の中心の軟鉄性コア部５２２には、図８に示すように、導線コイル４２４が巻回される。比較的大量の電流が各金属製導体またはコイル５２４に流れて、図１９および図２０に最も良く示すように、ポスト部５２２も接続されたＴ字状端部５２８上の外側湾曲面５２６において大きな磁束密度を発生する。面５２６は、図８および図９Ａに示すように、鋼棒４２９ａの曲面４２９の曲がりに一致して湾曲される。
【００８６】
磁石棒４２９ａを相互接続して、鋼リング４２９ｂの各部とすることも出来る（図９Ａ）。鋼リングは、好ましくは、１００８／１０１０鋼のような磁化可能な鋼で形成される。鋼リング上の小さな鋼ピース部４２９ｃは、鋼棒４２９ａと一体である。磁石棒４２９ａは、一体のピースによって相互に離間している。棒４２９ａは、電磁石のコイル４２８の面５２６とともに空隙４２５を規定する内側面４２９ｄを有している。鋼リングは、約２インチの幅も持つワンピース構造に形成することも出来るが、０．０３インチの厚さの薄板のリングを多数打ち抜き、薄板を結合した磁石エレメント４２９のための磁性積層体から２インチの厚さの鋼棒４２９ａを形成する方が安価であることがわかった。
【００８７】
小さく、狭い空隙４２５は、外側面４２９ｄと電磁石のコイルの面５２６の間に形成される。磁界は、このギャップを通って流れて、カバー４１８を回転しているスリーブに接続またはクラッチ連結させる。ファンが３２インチ径までの大きなファンブレード持つことが出来る場合、磁気クラッチが、アメリカ合衆国のトラック市場のために、少なくとも１８０ニュートン・メータのトルクを発生することが好ましい。磁気クラッチの設計のための因子は、トルク曲線が非常に急峻に立ち上がり、１２００ＲＰＭでファンを駆動するために必要な約２０ｈｐのための所要トルクから、２４００ＲＰＭで駆動するために必要な６５ｈｐにおける所要トルクまで線形的というよりも指数的に変化することである。好適実施例において、各ポスト４２２には導線コイルが６００巻されており、１８０ニュートン・メートルを達成するための所望の磁束密度を発生する。好適な１００８／１０１０鋼は、低炭素鋼であり、良好な透磁性材料であり、この用途において容易に飽和に達することがない。恒久的な飽和を回避することが望ましい。コイルを巻回した磁極の幅は、この例の場合、約２．５インチである。１１アンペアでポストに２２ゲージの導線を６００回巻回することによって、１２個の電磁石５２８のそれぞれに約４０００アンペア巻を与えて、所望の１８０ニュートン・メートルのトルクを発生する。材料コストばかりではなく、エンジンに隣接しまたは取り付けられたラジエータまたは他の部品に大きさや配置を変更することなく磁気機能を既存のエンジンに容易に取り付けることができるように、磁気ファンクラッチの全幅が、現在の既存のオン/オフファンクラッチの幅よりも広くならないようにするという設計上の制約がある。磁界は、本例から大幅に変化する可能性がある。より小さなファンブレードをより大きなラジエータを用いるヨーロッパで一般的なより小さい径のファンを駆動するためには、約１２０ニュートン・メートルのみが必要である。ここに示す実施例において、ポストの重量は約０．８であり、従って全重量は１．６ポンドとなり、２４００ＲＰＭ程度のエンジン回転数で回転する。より高いトラックのエンジン回転数で回転したときに導線コイルがポストから脱落しないようにするために、導線コイルを１０インチの回転径内に保持することが好ましい。
【００８８】
本発明の図示の実施例において、コイルの金属製リング５２０および５２０ａは、図１９および図２０に示されており、これらは、図２０に示すコイルプレート５２０中に６個設けられ、コイルプレートは図８および図２５に示すハブ延長部４１６ａの外周面４９６ａに摺接する大きさの大径孔４３８を有している。図１９に示す金属リング５２０ａは、プーリ延長部４１６ａのフランジ４９９のフランジ４９９にコイルを巻回した金属プレートを固定する。ボルト孔５２０ｅを有するリング５２０ａは、リングをハブフランジ４９９に固定するボルトを収容する。ハブ延長部４１６ａにボルト止めされると、小径の内側面５２０ｂを持つプレート５２０ａは、ハブ延長部上の環状段部４９６ｄに隣接する。従って、リング５２０および５２０ａは図１９に示す平坦な金属製リング５２０のための開口５０２ｅおよび図２０に示す金属板５２０のための孔４２０ｆと整列される開口５１２を介してフランジ５１４に適当な留め具により取り付けられる。
【００８９】
本発明の第二の実施例について説明すれば、前記参照符号を付して説明したエレメントは、前に６を付して、先に説明した実施例とは参照符号を区別する。図２３乃至２５の第二の実施例は、電磁石の磁極ピース６２９と磁石エレメントとの間の空隙６２５を横切る磁界を発生する磁気エレメント６２９に対向する電磁石６２８を駆動するために使用する電力を発生する発電機６０１を含んでいる。
【００９０】
磁石エレメント６２９は、図８および図９に示した磁石エレメント４２９と同様の容量で形成される。いくつかの車両の製造業者は、例えば１０アンペアおよび１２ボルトの電力を電磁石クラッチの駆動に用いることを許したくないとしている。このため、発電機６０１が電力供給のために付加された。発電機６０１は、駆動プーリ６１６のリム部６４０の溝を形成した面６４２に係合するベルト６０４および６０４ａ（図２３）を介して車両のエンジンにより駆動される。成形されたプラスチック製プーリ６１６には、成形されたプラスチック製のプーリ延長部６９６が取り付けられる。成形されたプラスチック製の取付板６２４は、図１４，図１５および図１６に示す成形されたプラスチック製取付プレート４２４と同様であり、開口６２４ｈに挿通する留め具によってエンジンに取り付けられる。取付プレート６２４は、ベルト６０４および６０４ａによって駆動され得るプーリ駆動部材６１６を回転可能に取り付けるベアリング６３２を有する中央ハブまたはポスト６２４ａを有している。電磁石を持つプーリは、被駆動プーリ部６１６に留め具により固定されたプーリ延長部６９６に衝合する。プーリ延長部は、図１９に示すように１００８／１０１０鋼によって形成された一連の平坦なポストプレートを有している。例えば１００８／１０１０鋼等の強磁性材料の同様の一連の板は、図２３に示すように空隙６９２により分離された内側および外側コイル６８０および６９０のポストを形成するために使用される。
【００９１】
図２３の実施例において、発電機の内側電磁石６８０は、取付プレート６２４に固定される垂直部６９５ａと、内側リングと内側磁極ピース６８０を形成するために平坦な金属リングの回りに巻回された導線コイル７０３を支持する水平部６９５ｂを有する固定金属ブラケット６９５によって支持されている。外側電磁コイル６９０は、回転スリーブ６１６の内側に固定されるとともに、内側磁極ピース６８０を形成するために導線７０３を巻回された金属リングまたはプレート７０１を有している。弱電流が発電機の弱電流ライン７００を介して従来型のエンジンコントロールモジュール７０２から供給される。エンジンコントロールモジュール７０２は、ヨーロッパにおいて使用されるタイプの車両の油圧冷却ファンを通る液体継手を制御する。モジュール７０２は、３アンペアのパルス幅で調節された電流を発生することが出来る。パルス幅変調電流のデューティ比はクラッチの与えられる結合度を示している。パルス幅変調電流の特性は、エンジンコントロールモジュール７０２とエンジンを接続する複数のライン７０４を通って供給される信号によって検出される種々のエンジンの状態に応じて変化する。パルス幅変調電流は、発電機内に磁束密度可変の磁気を生成し、発電機が発生してファンクラッチのコイルに送出する電流を制御して冷却量をファンクラッチの０％から１００％まで制御する。
【００９２】
エンジンからの機械的なエネルギは、ベルト６０４および６０４ａを介してスリーブおよび外側磁極ピース６９０を回転させるため供給されて、交流電流を発生させる。発生される電流の量は、発電機の回転数と発電機内の磁気の磁束密度に応じて変化する。適当な整流装置が、回転スリーブに設けられ、ＡＣ電流をＤＣ電流に整流し、このＤＣ電流が電磁エレメント（４２８，６２８）のファンクラッチコイル（４２４，５２４）に導線を介して供給される。整流装置（図２７）は、６個のダイオード７１０，７１２，７１４，７１６，７１８および７２０で構成され、発電機によって励起されるように接続されたクラッチ制御回路７２２の一部を含んでいる。ダイオードは、また発電機からの三相交流電流を脈動する一方向電流または直流に変換する。
【００９３】
クラッチ制御回路７２２は、電流供給バス７３０を介してクラッチコイル４２４および５２４に電流を供給する。しかしながら、電流は、一方向ばかりではなく、与えられた電流入力に対して最大でかつスムーズなトルクを発生するようにタイミング制御される。そのために、ホール効果回路７５０に接続されたホール効果センサ７４９からの信号を受信する。ホール効果回路７５０は、ライン７５２を介してタイミング信号をクラッチコントロール回路７２２に供給する。ホール効果センサ７４９は、その近傍で回転する調節可能な１２個の等間隔に配置された歯を持つ強磁性ギアまたは歯付きホイール７５１を有している。各歯は、１５度の角度変化持っている。歯付きホイール７５１は、実質的に垂直なエッジを持つ歯を有しており、正確なタイミング信号を供給する。
【００９４】
図３０乃至図３２に示す本発明の実施例において、歯付きホイール７５１は、ファンブレード６２０および磁化可能な金属ポスト６２９を持つファンカバーエレメント６１８に取り付けられている。
【００９５】
ホール効果センサ７４９（図３０）は、電磁石６２８を持つプーリ６１６に設けられている。図３２に示すように、ギアリング７５１は交互の歯の間の空隙７５１ｂにより離間した突出歯７５１ａを有している。ここで、説明のみのために、放射方向内側面７５１ｃにおいて約０．４５インチの幅の１２個の歯が設けられており、歯間の空隙７５１ｂは、１５度の幅であり、約０．４５インチの幅である。明らかに、ギア歯の大きさ、形状および数は、全体の構造同様所望の通りに変更することが可能である。
【００９６】
クラッチ制御回路７２２は、抵抗７６２と定格２４ボルトのツェナーダイオード７６４で構成された第一の電圧調節ステージ７６０を含んでいる。２４ボルトに調節された信号は、ライン７６６から１２ボルトで１００ｍＡを発生するＬＭ７８Ｌ１２ＡＣＭである電圧調節器７６８に供給される。フィルタコンデンサ７７０および第二のフィルタコンデンサ７２２は、リップルを減少させる。１２ボルトの電位は、ＮＰＮトランジスタ７８２のコレクタに接続された抵抗７８６に供給される。トランジスタ７８２は、ホール効果信号を受けるためのリード７５２に接続された増幅器７９０によって駆動される。ホール効果信号は、増幅器７９０に増幅された矩形波をトランジスタ７８２にスイッチング信号として供給させる。スイッチング信号は、ついで、ホール効果回路からのタイミング信号に応じて電磁コイル（４２４，５２４）を通って流れる電流を制御するＮＰＮトランジスタ８００のベースに供給される。ダイオード７１０は、コイルを通る電流が急激に低下しまたは遮断された時に、トランジスタ８００の逆流による破壊を防止するための減衰電流通路を構成する。従って、システムは、ファンクラッチへの高精度の電力供給を行うために設定された発電機へのトルクの調節を可能とする与えられた電流レベルにおける効果的なトルク付与の多恵の正確なタイミングを与えるように動作する。ここで、図示の発電機は、１２枚の１００８／１０１０鋼の約０．０３０の厚さのプレートを積層し、約２４回導線を巻回して約５０ボルトおよび８アンペアを３２インチのファンを持つ大型トラックの磁気ファンクラッチに供給する。従って、発電機によって発生され整流されたＡＣ電力が、磁気コイルエレメントによってファンクラッチに負荷される。発電機は、クラッチを作動させるために必要とされるよりも大きい１６０ボルト、１３アンペアを発生する。この余剰の電力は、例えば、ライト等の車両の他の部分の電力として供給することが出来る。これは、発電機とクラッチの組み合わせの単なる例であり、デザインおよび電力は、ここで説明したものから大幅に変更することが出来る。
【００９７】
電磁石６２８の極６２６は、隣接する極のホール効果センサ７４９によって送出されるタイミング信号に応じた極間に遷移の一部でのみ励起される。さらに、磁極ピースは、図２９および２９ａに最も良く示されているように、コギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）を生じる可能性のある、不要なトルク反発を防止するための形状となっている。すべての駆動エレメントの磁極ピースは、同時に励起、消勢され、磁力は駆動エレメント６１６と被駆動エレメント間で引き合うので、駆動磁極ピース６２６が被駆動磁極ピース６２９よりも高速に移動すると、すなわちすべりが生じている状態では、吸引成分が、先行する磁極ピースと後続の磁極ピース並びに隣接するファンの被駆動エレメント６１８との間の反対方向に向けられたトルク成分である。
【００９８】
図２９及び図２９Ａに示されるように、被駆動極６２９の下側から駆動極６２６が出ると、吸引効果は後続の極をこれにつれて引く傾向となるが、駆動電磁極６２６が次の被駆動極６２９に近づくと、それが相互作用して、その極を逆向きのトルクによって駆動極に向かって引かれて、ファンを減速し、若しくはコギングを生じさせる。これは、チャタリング、コギング若しくは不要な振動さえも生じさせる可能性がある。従って、設ける必要があるものは、牽引極トルクを最大とするタイミングシステムと磁極ピースであり、それらが優勢的に牽引する一方、逆向きの牽引成分を最小にする。これは、面取り及び空隙を設けることによって磁気回路をブレークして先行部の磁極ピースの磁界強度を減少させて、締結を意味する駆動磁極ピース６２９が次の磁極ピース６２６に近接する以前における強力な相互作用を生じることを防止することによって行われる。
【００９９】
特に、磁界を三次元的に制御するために、ポスト６２２が、ヘッドピース６２６において終端し、ヘッドピースが、エッジ８０６及び８１０を規定する一対の角度タブ８０２および８０４を有している。エッジ８０６及び８１０は、コイル（図示せず）をポスト上に保持する。さらに、ポスト６２２及びエッジ６２６を形成する薄板は、開口８１２が形成されており、アルミニウム製のリベットを収容する。本実施例においては、リベット８１４はアルミニウム製であるが、実質的に非金属のいかなる材料も用いることができる。同様に、被駆動エレメントはポスト６２９を含んでおり、このポストは磁極ピース８２２で終端し、磁極ピース８２０とともに空隙を形成する。アルミニウム製のリベット８２６を受けるための孔８２４も含まれる。図２９及び図２９Ａに示すように、駆動エレメントが反時計回りに回転するときに、駆動ポストの前端８３０が被駆動ポスト６２９に近づくと、平均磁界強度は、孔８１４及び８２４及びその孔内に位置するアルミニウム製のリベットによって磁気回路のブレークすることによって比較的小さくなる。被駆動エレメント６１８も反時計回りに回転して、実質的に逆向きのトルクによって時計回りの被駆動エレメント６１８を減速させることを防止する。これとは逆に、ポストの後側エッジ８４２がポスト６２９の後端８５０の近くを通過する場合、エッジ８５２が６１８のリングに対して直角に延びて付加的な材料を与えるので、磁界が、局部的に強化されて、低磁気抵抗通路のポスト６２２に近づくと二つのエッジ間の後側エッジ間の牽引力を強化する。
【０１００】
本実施例において、略１０度の幅であるポストが示されている。図２８及び図２８Ａに示したトルク曲線は、０度と３０度間で測定されており、０度または３０度は、ポスト６２２とポスト６２９の中心線間の完全な配置の代表的なものである。複合グラフのトルクは、０度または３０度をちょっと過ぎてほとんど１５度まで本質的にネガティブであるように図示されているが、基準のフレームの単なる結果であり、実際にはファンユニットを時計方向に回転させる傾向の付与トルクを示している。本質的に、トルクは完全な整列すなわちロックアップ位置で０度であったため、７度と２２度間で方向を転換するために使用される場合のハウジング回路は、内側回転エレメントと外側回転エレメント間の配置における相違によりかなりのトルク成分を付与することができる時に、スイッチをオンにするだけである
この結果は図２８に示されており、正のトルクが約１０度の相対角度でピークとなる角度と、負のトルクが約８度でピークとなる角度の両方を示している。ホール効果センサによりコイル電流を７度でスイッチをオンにして２２度でスイッチをオフにするために、ギヤが配置されている。
【０１０１】
本実施例は、１４５ボルトの有効直流を発生する発電機を用いて、２０オームの負荷を付与するコイルで、システムを１５００ＲＰＭで運転することによりテストされた。コイルには、約６．５アンペア流れた。装置は、磁気クラッチを横切るいかなるすべりもなく、優れたトルク伝達で２０００ＲＰＭまでその電流で完全なロックアップで運転することができた。さらなるテストは、２３５０ＲＰＭまで行われ、クラッチにおいてすべりは生じなかった。コイルの特定量の周囲加熱が生じるけれども、ラム空気効果およびクラッチを介する良好な熱伝達の両者が、コイルが過熱してユニットに損傷を与えるのを防止することができることが理解されよう。
【０１０２】
なお、本発明の特定の実施例について図示して説明したが、当業者において生じる種々の変更および修正は可能であり、添付の特許請求の範囲において本発明の真の趣旨及び範囲内の全ての変更および修正を含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好ましい実施例の新規な特徴を具体化している磁気クラッチシステムのブロックダイアグラムである。
【図２】  図１に示された電磁ファンクラッチの分解斜視図である。
【図３】  ファンクラッチおよびクラッチに対するインプットシャフトを通る断面図である。
【図４】  内燃機関の冷却液温度に対する典型的な温度制御曲線を示す図である。
【図５】  磁気クラッチを使用するファンのためのファンベルト駆動装置を示す説明図である。
【図６】  内燃機関のクランクシャフトに直接に取付けられた、図２の電磁ファンクラッチを示す。
【図７】  磁気クラッチ制御システムのためのコントロールパネルの概略図である。
【図８】  本発明の第一実施例に従って構成された電磁ファンクラッチを通る断面図である。
【図９】  図８の電磁ファンクラッチにおいて使用するためのプラスチックカバーの透視図である。
【図９Ａ】  周辺部に離間して配置された磁性バーエレメントを有する鋼リングの平面図である。
【図１０】  図９で示されたプラスチックのファンカバーのリム部分の破断拡大図である。
【図１１】  本発明の好ましい実施例の新規な特徴を具体化している磁気クラッチシステムを有する、トラックのような、自動車の概略図である。
【図１２】  図９の電磁ファンクラッチのためのプラスチック成形プーリを備えた取付けプレートの側面図である。
【図１３】  図１２の取付けプレートおよびプラスチックプーリの断面図である。
【図１４】  ファンクラッチをエンジンに取付けるための取付プレートの斜視図である。
【図１５】  図１４の取付プレートの平面図である。
【図１６】  図１４の取付プレートを通る断面図である。
【図１７】  プーリエレメントの斜視図であり、第１の側面を示している。
【図１８】  図１７のプーリエレメントの斜視図であり、反対の側面を示している。
【図１９】  電磁コイル用のポストを形成するのに使用される金属プレートの平面図である。
【図２０】  Cコイル用のポストを形成するために図１９のプレートと共に用いられる第２のプレートの平面図である。
【図２１】  本発明の一実施例により構成される成形プラスチックカバーエレメントの正面図である。
【図２２】  取付プレートおよび発電機を有し、かつ、本発明の第２の実施例により構成された電磁ファンクラッチの正面図である。
【図２３】  図２２の取付プレートを伴うファンクラッチおよび発電機を示す断面図である。
【図２４】  図２３の磁気クラッチと共に使用するプーリ延長体の正面図である。
【図２５】  図２４の線１８−１８に沿うプーリ延長体の断面図である。
【図２６】  磁気クラッチおよび磁気クラッチを制御するための電気回路との組合せにおける車両エンジンの概略図である。
【図２７】  図２６に示されるクラッチ制御回路の概略図である。
【図２８】  押圧および引張トルク成分間の関係と駆動エレメントおよび被駆動ファンエレメントの相対的角度位置を示すグラフである。
【図２８Ａ】  押圧および引張トルク成分間の関係と駆動エレメントおよび被駆動ファンエレメントの相対的角度位置を示すグラフである。
【図２９】  駆動エレメントおよび被駆動のファンエレメントの部分の平面図であり、磁極ピース面の詳細を示している。
【図２９Ａ】  駆動エレメントおよび被駆動のファンエレメントの部分の平面図であり、磁極ピース面の詳細を示している。
【図３０】  ホール効果センサの反対に取付けられたギアリングを示す部分図である。
【図３１】  円形磁極ピースリングに対して取付けられたギアリングを示す図である。
【図３２】  ギアリングの正面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２８Ａ】
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【図２９】
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【図２９Ａ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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