ЭЛЕКТРОВЕНТИЛЯТОР ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ELECTRIC FAN FOR THE CLIMATE SYSTEM OF A VEHICLE

Область техники
Изобретение относится к электрооборудованию, в частности к электровентилятору с бесщеточным двигателем постоянного тока, предназначенному для климатической системы транспортного средства, например автомобиля.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известны бесщеточные двигатели постоянного тока, содержащие узел статора и подвижный узел ротора, установленные на валу привода. В корпусе узла ротора установлено множество магнитных плиток, расположенных вдоль окружности на внутренней поверхности указанного корпуса. Узел статора содержит корпус с установленным на наружной поверхности магнитопроводом, размещенным внутри подвижного узла ротора. Бесщёточные двигатели могут быть использованы в конструкции электровентилятора для климатической системы транспортного средства.
Из уровня техники известна конструкция бесщеточного двигателя (см. CN 212086045 U, МПК H02K 29/00, H02K 5/16, H02K 1/27, публ. 04.12.2020), в котором корпус узла статора выполнен из пластмассы или пластмассовых сплавов и содержит осевое отверстие, в котором установлена ось, неподвижно закрепленная в корпусе узла ротора. В осевом отверстии корпуса узла статора имеется смазка, позволяющая уменьшить трение между осью и указанным корпусом в процессе вращения узла ротора. Чтобы указанная смазки не вытекала в корпус узла ротора, в кольцевой канавке корпуса узла статора установлен кольцевой уплотнитель, прилегающий к корпусу узла ротора. К недостаткам указанной конструкции можно отнести недостаточную её надежность при длительной эксплуатации, поскольку трение оси с корпусом узла ротора и указанным кольцевым уплотнителем приведет к износу этих деталей и, как следствие, появятся повышенный шум и вибрации, и выходу из строя.
Из уровня техники известна конструкция бесщеточного двигателя с узлом статора и внешним узлом ротора (см. DE 102006059135 A1, публ. 2008.06.26, МПК H02K1/27, H02K 15/02). Магниты узла ротора закреплены с зазором относительно друг друга на наружном металлическом ярме и залиты пластмассой для их фиксации, образуя, таким образом, корпус узла ротора, состоящий из наружного металлического ярма и пластмассовых участков корпуса, в частности, донного и верхнего участков. Узел статора снабжен магнитопроводом, расположенным на наружной поверхности корпуса узла статора. Через осевое отверстие корпуса узла статора проходит вал привода, установленный на двух подшипниках, один из которых запрессован в указанный корпус, а второй подшипник запрессован в осевое отверстие магнитопровода. При этом на наружное кольцо второго подшипника опирается цилиндрическая пружина для предварительного натяжения второго подшипника.
Известный двигатель может выполнять свою функцию в электровентиляторе климатической установки транспортного средства. Однако, многодетальность двигателя и повышенная точность изготовления узла ротора с предварительным натяжением подшипника, усложняет изготовление и сборку двигателя. Кроме того, наличие пружины с опорой на подшипник может быть причиной шума в процессе длительной эксплуатации при низких температурах, так как скользящая посадка подшипника по внешнему кольцу при загустевании смазки в подшипнике и тепловой усадке может привести к несанкционированному вращению пружины относительно внешнего кольца подшипника, что снижает надежность конструкции.
Из уровня техники известна конструкция бесщеточного двигателя с узлом статора и внешним узлом ротора, принятая в качестве ближайшего аналога (см. DE 102009023080 A1, публ. 2010.12.02., МПК H02K 1/18, H02K 5/16). Узел статора содержит корпус с фланцем, выполненные в виде единой детали литьем под давлением из пластмассы. Магнитопровод узла статора неподвижно установлен на наружной поверхности указанного корпуса, при этом их неподвижность обеспечивается выступающими на корпусе ребрами, расположенными в выемках магнитопровода. Узел ротора содержит корпус, на внутренней поверхности которого зафиксирован магнит, охватывающий с наружной стороны магнитопровода статора. Вал привода двигателя установлен через два подшипника в осевом отверстии корпуса статора и одним из своих концевых участков неподвижно соединен через ступицу с узлом ротора, при этом указанные подшипники предварительно нагружены одной или несколькими пружинами.
Известный двигатель может выполнять свою функцию в электровентиляторе климатической установки транспортного средства. Однако, имеет относительно сложную конструкцию, требующую точности изготовления статора для обеспечения надежного соединения магнитопровода с корпусом. Кроме того, из-за наличия отдельных пружинных компенсаторов, обеспечивающих преднатяг подшипников и компенсации теплового расширения, конструкция предполагает скользящую посадку хотя бы одного из колец подшипника, что при длительной эксплуатации может вызвать вибрации и шум, ведущие к снижению надежности конструкции.
Раскрытие изобретения
Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности электровентилятора, выраженной в снижении шума и вибраций.
Для достижения технического результата электровентилятор содержит крыльчатку, связанную с бесщеточным электрическим двигателем постоянного тока, включающим в себя узел статора и узел ротора, связанные с валом привода; узел ротора снабжен подвижным корпусом с установленным внутри магнитом; узел статора снабжен корпусом с установленным на наружной поверхности магнитопроводом, расположенным во внутреннем пространстве корпуса узла ротора, при этом указанный корпус узла статора выполнен из пластмассы и имеет осевое отверстие с установленным внутри через подшипники качения валом привода, неподвижно связанным с корпусом узла ротора и крыльчаткой, причем каждый из указанных подшипников качения запрессован внешним кольцом в корпус узла статора, а внутренним кольцом на вал привода, согласно изобретению, корпус узла ротора выполнен из пластмассы, а магнит имеет кольцевую форму и внедрен в тело корпуса узла ротора, при этом указанный магнит является закладной деталью в процессе изготовления указанного корпуса способом литья под давлением.
Корпус узла статора содержит фланец, выполненный из пластмассы и составляющий с указанным корпусом единое целое.
Вал привода может быть выполнен из пластмассы и составлять с корпусом узла ротора единое целое, при этом указанный вал привода имеет осевое отверстие в котором установлены элементы, расширяющие указанный вал привода в зонах посадки внутренних колец подшипников качения.
Корпус узла ротора может являться частью крыльчатки и составлять с ней единое целое.
В качестве пластмассы может быть использован поликарбонат, или армированный стеклом полиамид, или армированный тальком полиамид, или композитные материалы.
Магнит узла ротора может быть выполнен из спрессованной под давлением смеси магнитного порошка с пластмассой.
Магнитопровод узла статора может быть выполнен из спрессованной под давлением смеси железного порошка с пластмассой.
Совокупность признаков заявленного изобретения находится в причинно-следственной взаимосвязи с достигаемым техническим результатом и представлена в формуле изобретения.
Сущность технического решения поясняется фигурами.
Фиг. 1 - схематично изображен электровентилятор для климатической системы транспортного средства, общий вид.
Фиг. 2 - изображена взрыв-схема фиг. 1.
Фиг. 3 - схематично изображен электровентилятор, сечение вдоль вала привода.
Фиг. 4 - изображена взрыв-схема узла статора.
Фиг. 5 - изображен статор, вид со стороны фланца.
Фиг. 6 - схематично изображен узел ротора с крыльчаткой.
Фиг. 7 - схематично изображен узел ротора, образующий с крыльчаткой единое целое, сечение вдоль вала привода.
На вышеуказанных фигурах изображены:
1 - крыльчатка;
2 - узел ротора;
3 - узел статора;
4 - вал привода;
4а - периферийный участок вала 4 привода;
5 - корпус узла ротора 2;
5а - наружная поверхность корпуса 5;
6 - магнит;
6а - внутренняя поверхность магнита 6;
6b - наружная поверхность магнита 6;
7 - магнитопровод узла статора 3;
8 - корпус узла статора;
8а - наружная поверхность корпуса 8;
9 - провода;
10 - фланец;
11 - монтажные отверстия;
12 - монтажные отверстия;
13 - электронная плата;
14 - осевое отверстие корпуса 8;
15 - подшипник;
16 - подшипник;
17 - осевое отверстие вала 4 привода;
18 - элемент;
19 - элемент;
20 - защитный корпус;
21 - крепёжные элементы;
22 - отверстие.
Следует понимать, что специалисты в данной области техники смогут предложить другие варианты осуществления изобретения и что некоторые его детали можно изменять в различных других аспектах, не выходя за рамки сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, фигуры и подробное описание электровентилятора для климатической системы транспортного средства носят иллюстративный, но не ограничительный характер.
Электровентилятор содержит крыльчатку 1, связанную с бесщеточным электрическим двигателем постоянного тока (далее - двигатель), включающим в себя, узел ротора 2 и узел статора 3, связанные с валом 4 привода (далее - вал) (см. фиг. 1 - 3).
Узел ротора 2 снабжен подвижным корпусом 5 с установленным внутри магнитом 6, выполненным кольцевой формы и многополюсным. Указанный корпус 5 имеет чашеобразную форму с внутренним пространством N.
Корпус 5 узла ротора 2 выполнен из пластмассы, при этом магнит 6 внедрен в тело указанного корпуса 5 таким образом, что внутренняя поверхность 6а магнита 6 является свободной и обращена в сторону установленного во внутреннем пространстве N корпуса 5 магнитопровода 7 с изолированными обмотками проводов 9 узла статора 3, а наружная поверхность 6b магнита 6 залита указанной пластмассой. Таким образом, наружная поверхность 5а корпуса 5 узла ротора 2 выполнена из указанной выше пластмассы и не содержит наружного металлического ярма, используемого в конструкции двигателя, описанного в DE 102006059135 A1.
Корпус 5 узла ротора 2 выполнен из пластмассы, обладающей высокими упругими и прочностными характеристики, и имеющей низкий допуск на усадку в процессе литья под давлением.
Для изготовления магнита 6 можно использовать магнитопласт, представляющий собой спрессованную под большим давлением смесь магнитного порошка с пластмассой, имеющий высокую точность изготовления и не требующий дальнейшей механической обработки.
Поскольку указанный магнит 6 имеет кольцевую форму, то его магнитное поле направлено к центру указанного кольца и замкнуто на его наружной поверхности. Описанные выше свойства магнита 6 позволяют использовать его в качестве закладной детали в процессе изготовления корпуса 5 узла ротора 2 способом литья под давлением. Указанный магнит 6 предварительно намагничивается и далее заливается пластмассой на термопластавтомате, что обеспечивает надежное неразъёмное соединение магнита 6 с корпусом 5 и исключает дополнительную операцию их сборки.
Узел статора 3 содержит корпус 8, на наружной поверхности 8а которого неподвижно установлен магнитопровод 7 с изолированными обмотками проводов 9.
Корпус 8 узла статора 3 содержит фланец 10 с монтажными отверстиями 11, 12 для соответствующего крепления электронной платы 13 управления двигателем и вывода проводов 9 магнитопровода 7 (см. фиг. 4, 5). Корпус 8 с фланцем 10 узла статора 3 выполнены из пластмассы, при этом указанный фланец 10 составляет с указанным корпусом 8 единое целое, т. е. единую деталь.
Корпус 8 узла статора 3 имеет осевое отверстие 14, в котором установлен через подшипники качения 15, 16 вал 4, неподвижно связанный с корпусом 5 узла ротора 2 и крыльчаткой 1. Каждый из указанных подшипников качения 15, 16 установлен в осевом отверстии 14, при этом запрессован своим внешним кольцом в корпус 8 узла статора 3, а внутренним кольцом - на вал 4. Один из свободных периферийных участков 4а вала 4 привода неподвижно установлен в осевых отверстиях корпуса 5 узла ротора 2 и крыльчатки 1.
В качестве подшипников качения 15, 16 могут быть использованы шариковые подшипники.
Корпус 8 с фланцем 10 узла статора 3 выполнены из пластмассы, обладающей высокими упругими и прочностными характеристики, и имеющей низкий допуск на усадку в процессе литья под давлением, например на термопластавтомате.
Преимущественным является, выполнение корпуса 5 узла ротора 2 и корпуса 8 с фланцем 10 узла статора 3 из одного материала, т.е. одного вида пластмассы, что исключает разность в линейном тепловом расширении и не требует дополнительно компенсационных пружин, которые могут являться причиной шумов.
Пластичность и упругость корпуса 8 узла статора 3 позволяют обеспечить оптимальные посадки с натягом в местах сопряжения указанного корпуса 8 с подшипниками качения 15, 16 внутри осевого отверстия 14 и магнитопроводом 7 на наружной поверхности 8а, а также предотвращает возможность возникновения недопустимых осевых усилий на подшипниках качения 15, 16 при тепловом расширении, когда возникают температурные перепады в процессе эксплуатации электровентилятора, что позволяет исключить из конструкции дополнительные упругие компенсаторы, предохраняющие подшипники качения 15, 16 от преждевременного износа, заклинивания и/или разрушения.
Следует отметить, что запрессовка одного из подшипников качения, в частности подшипника качения 15, в осевое отверстие 14 корпуса 8 в зоне W расположения магнитопровода 7, расширяет указанный корпус 8 в указанной зоне W, надежно закрепляя тем самым указанный магнитопровод 7 на наружной поверхности 8а корпуса 8. Такая конструкция обеспечивает надежное неподвижное соединение наружного кольца подшипника качения 15 и магнитопровода 7 с корпусом 8 узла статора 3.
Вышеуказанный магнитопровод 7 выполнен из железопласта, представляющего собой спрессованную под большим давлением смесь железного порошка с пластмассой. Указанный железопласт имеет функциональное сходство с набором изолированных шихтовых пластин для исключения паразитных токов Фуко в переменном магнитном поле и замыкания магнитных потоков при работе двигателя. Использование железопласта позволяет изготавливать из пластмассы корпус 8 статора 3.
Описанный выше корпус 5 узла ротора 2 может являться частью крыльчатки 1 и составлять с ней единое целое. Указанные корпус 5 и крыльчатка 1 могут быть выполнены в виде неразъемного узла из одного и того же вида пластмассы способом литья под давлением, при этом магнит 6, как было описано выше, является закладной деталью и внедрен в тело корпуса 5. Такая конструкция позволяет также снизить шумы и вибрации в процессе работы электровентилятора за счет уменьшения подвижных сочленений в конструкции (уменьшение количества отдельных деталей двигателя).
В одном из вариантов исполнения, указанный вал 4 может быть выполнен, например, из металла в виде отдельной детали.
В другом варианте исполнения, вал 4 выполнен из пластмассы и образует с корпусом 5 узла ротора 2 единое целое, т. е. неразъемный узел, при этом магнит 6, как было описано выше, внедрен в тело корпуса 5 узла ротора 2 (см. фигуру 6). Преимущественным является выполнение корпуса 5 и вала 4 из одного и того же вида пластмассы способом литья под давлением, при этом магнит 6 является закладной деталью.
В другом из вариантов исполнения, вал 4 выполнен из пластмассы и образует с корпусом 5 узла ротора 2 и крыльчаткой 1 единое целое т. е. неразъемный узел, при этом магнит 6, как было описано выше, внедрен в тело корпуса 5 узла ротора 2 (см. фигуру 7). Преимущественным является выполнение крыльчатки 1, корпуса 5 и вала 4 из одного и того же вида пластмассы способом литья под давлением, при этом магнит 6 является закладной деталью.
Описанные выше варианты выполнения узла ротора 2, крыльчатки 1 и вала 4 значительно упрощают изготовление и сборку узла ротора 2 и, соответственно, электровентилятора, ведут к снижению шуму и вибраций поскольку минимизировано количество сопрягаемых в процессе сборки деталей, в них практически исключены осевые усилия на подшипниках качения 15, 16, возникающие при температурных перепадах, что в целом повышает эксплуатационную надежность электровентилятора.
Вал 4, выполненный из пластмассы, имеет осевое отверстие 17, в котором установлены элементы 18 и 19, расширяющие с наружной стороны указанный вал 4 в соответствующих зонах посадки подшипников качения 15 и 16. В конкретном примере исполнения, в качестве указанных элементов 18, 19 использованы винты, вворачиваемые в осевое отверстие 17 с противоположных торцевых сторон вала 4. В процессе установки элементов 18, 19 в осевое отверстие 17 происходит расширение вала 4 во внутренних кольцах подшипников качения 15, 16, что обеспечивает надежную посадку на валу 4 указанных внутренних колец подшипников качения 15, 16 без каких-либо дополнительный крепежных элементов.
Эксплуатационная надежность описанного выше электровентилятора выражена в снижении шума и вибраций за счет выполнения корпуса 5 узла ротора 2 из пластмассы с внедренным в его тело кольцевым магнитом 6, плотной посадки подшипников качения 15, 16 по наружному кольцу в корпус 8 узла статора 3, а по внутреннему кольцу на вал 4, при этом функцию гибкого компенсатора для обеспечения преднатяга осуществляет указанный упругий пластмассовый корпус 8 узла статора 3, а выполненный из того же материала пластмассовый вал 4 исключает воздействие теплового расширения на бесшумную работу электровентилятора.
Электронная плата 13, установленная на фланце 10 корпуса 8 узла статора 3, закрыта сверху защитным корпусом 20, препятствующим попаданию на неё твердых микрочастиц и влаги с поступающим в электровентилятор потоком воздуха. Защитный корпус 20 вместе с электронной платой 13 прикреплены с помощью крепежных элементов 21 к указанному фланцу 10 через монтажные отверстия 11. В качестве крепежных элементов 21 могут быть использованы винты или болты, или другие крепежные устройства, выполняющие аналогичную функцию с аналогичным результатом. К электронной плате 13 присоединены, например способом пайки, концы проводов 9 изолированных обмоток магнитопровода 7 узла статора 3.
С наружной стороны защитного корпуса 20 может быть выполнено отверстие 22 под крепление на кожухе (на фигурах не изображен) электровентилятора и предусмотрены отверстия для вывода проводов электровентилятора.
В процессе работы электровентилятора магнитопровод 7 с изолированными обмотками проводов 9 узла статора 3 неподвижно установлен во внутреннем пространстве N корпуса 5 узла ротора 2, при этом указанный магнитопровод 7 окружает магнит 6 с определенным рабочим зазором. Указанный корпус 5 с магнитом 6 вращаются вокруг магнитопровода 7 с изолированными обмотками проводов 9, при этом вал 4 вращается внутри корпуса 8 статора 3. Управление двигателем регулируется через электронную плату 13.
Под термином «пластмасса» следует понимать широкий спектр материалов, имеющих высокие упругие и прочностные характеристики, низкий допуск на усадку в процессе литья под давлением. К таким материалам можно отнести, например, поликарбонат или армированный стеклом полиамид, или армированный тальком полиамид, или композитные материалы.
Описанные выше узлы ротора 2 и статора 3 характеризуется повышенной надежностью, т.к. использованы подшипники качения вместо подшипников скольжения, не содержат каких-либо уплотняющих деталей и компенсаторов температурных расширений, которые при износе могут быть причиной повышенного шума, что влечет за собой их замену. Кроме того, описанные выше варианты выполнения узла ротора 2 с крыльчаткой 1 и/или валом 4 позволяют создать компактный, бесшумный, надежный в эксплуатации малодетальный электровентилятор, который легко обслуживать в процессе эксплуатации.
Вышеописанный электровентилятор, снабженный бесщеточным двигателем постоянного тока, может быть использован в климатической системе транспортного средства, например в автомобиле.