電加熱裝置和電動車輛的製作方法
2023-05-09 23:02:41
電加熱裝置和電動車輛的製作方法
【專利摘要】[課題]提供一種適用於加熱電動車輛並具有新穎結構的電加熱裝置。[解決方案]電加熱裝置（100）配備有電動馬達，該電動馬達具有：定子（10），其包括沿定子（10）的圓周方向配置以產生旋轉磁場的多個定子線圈（11）；盤狀的轉子（20），其包括與定子線圈（11）對應布置的多個單匝線圈（22）和支撐單匝線圈（22）的軟磁金屬板（21）。電加熱裝置（100）還配備有風機，該風機固定到軟磁金屬板（21）的與單匝線圈（22）所在側相反的一側並且包括葉輪，該葉輪具有多個葉片（33）且該葉輪與轉子（20）一體地轉動。
【專利說明】電加熱裝置和電動車輛
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電加熱裝置和電動車輛，更具體地，涉及適合作為電動車輛用的加熱裝置的電加熱裝置和設置有該加熱裝置的電動車輛。
【背景技術】
[0002]傳統地，用於車輛的加熱裝置通常利用發動機排熱。然而，預期未來迅速普及使用的電動車輛(EV)不能使用發動機排熱。因此，期望使用電池電源作為能源並且具有良好性能的電加熱裝置。
[0003]電動車輛使用的電加熱裝置大略分為使用熱泵系統的加熱裝置和使用陶瓷加熱器的加熱裝置。作為陶瓷加熱器，已知使用空氣加熱系統的陶瓷加熱器和使用水加熱系統的陶瓷加熱器。例如，在專利文獻I至專利文獻3中公開了用於電動車輛的、使用熱泵系統的加熱裝置。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開平第9-118126號公報
[0007]專利文獻2:日本特開平第11-105537號公報
[0008]專利文獻3:日本特開第2000-033916號公報
[0009]專利文獻4:日本特開第2010-154737號公報
[0010]專利文獻5:日本特許第4337961號
【發明內容】
[0011]傳統的使用熱泵系統或陶瓷加熱器的電加熱裝置具有以下待克服的缺點。
[0012]第一個缺點是，由於單獨地設置加熱元件(熱源)和風機，裝置構造複雜化。第二個缺點是，熱源的溫度上限為大約350°C的相對較低溫度，這通常可能導致熱源大。第三個缺點是，由於熱源典型地涉及配線和配管，不容易將熱源安裝到車輛以及從車輛上移除熱源，這使得裝置的維護困難。
[0013]考慮到上述情況，本發明意在提供一種電加熱裝置，該電加熱裝置適合作為電動車輛用的加熱裝置並且具有熱源和風機一體化形成的簡單構造和新穎結構。
[0014]為了實現上述目標，本發明進一步意在提供一種電加熱裝置，該電加熱裝置由於熱源溫度的上限相對高而便於減小熱源的尺寸，並且由於熱源不涉及配線和配管而便於熱源的安裝和移除，由此便於裝置的維護。
[0015]本發明還意在提供具有上述電加熱裝置的電動車輛。
[0016]本發明的上述目標通過如下的電加熱裝置來完成，該電加熱裝置包括:電動馬達和風機，所述電動馬達包括:盤狀的定子，所述盤狀的定子包括多個定子線圈，該多個定子線圈沿圓周方向配置以產生旋轉磁場；以及盤狀的轉子，所述盤狀的轉子包括多個單匝線圈和軟磁金屬板，該多個單匝線圈與所述多個定子線圈分別對應地布置，所述軟磁金屬板布置在所述單匝線圈的與所述定子所在側相反的一側並且支撐所述單匝線圈，所述盤狀的轉子能夠通過所述旋轉磁場被轉動地驅動；所述風機固定到所述軟磁金屬板的與所述單匝線圈所在側相反的一側並且包括葉輪，所述葉輪具有多個葉片且所述葉輪與所述轉子一體地轉動。
[0017]本發明的電動車輛包括本發明的上述電加熱裝置。
[0018]在本發明的電加熱裝置(以下也可以簡稱為「加熱裝置」)中，構成熱源的轉子和用於產生氣流的風機一體化地布置，由此簡化了裝置的構造，其中通過來自熱源的熱量來加熱氣流。
[0019]在本發明的加熱裝置中，能夠設定構成熱源的轉子的溫度的相對高的上限，這便於在獲得高加熱能力的同時減小熱源的尺寸。
[0020]在本發明的加熱裝置中，轉動部分不需要配線和配管的連接，其中，構成熱源的轉子和用於產生氣流的風機一體化地成形。這便於轉動部分的安裝和移除，由此提供了一種便於諸如清潔、過濾器更換等維護工作的加熱裝置，其中，轉動部分為在加熱裝置的維護期間待檢查的主要部分。
[0021]在本發明的電動車輛對於車輛中的多個氣流出口中的各氣流出口設置有上述加熱裝置的情況下，例如，對於車輛的各部分能夠控制加熱溫度，不必需地設置氣管等，由此允許車輛的設備布局效率的提聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是示出根據本發明的一個實施方式的加熱裝置的局部截面的側視圖。
[0023]圖2是圖1中所示的加熱裝置的定子的主視圖。
[0024]圖3是圖1中所示的加熱裝置的轉子的後視圖。
[0025]圖4是圖1中所示的加熱裝置的截面圖。
[0026]圖5是圖1中所示的加熱裝置的殼體的主視圖。
[0027]圖6是示出本發明的一個示例的加熱裝置的特性的圖表，以及
[0028]圖7是示出本發明的一個示例的加熱裝置的電動馬達的特性的圖表。
【具體實施方式】
[0029]以下將參考附圖詳細地描述本發明的實施方式。圖1是根據本發明的一個實施方式的加熱裝置的局部截面的側視圖。應當注意的是，在以下描述中，圖1的左側假定為前側。加熱裝置100包括定子10、轉子20、多翼式風機(sirocco fan)(風機)30和殼體40,轉子20布置在定子10的前方且轉子20與定子10之間有空隙。例如在定子10和殼體40分別固定在電動車輛內的預定位置處的狀態下使用加熱裝置100。定子10和轉子20形成感應電動馬達(induction electric motor),感應電動馬達形成加熱裝置100的驅動單元。
[0030]多翼式風機30形成感應電動馬達的被驅動部分(driven part)並且能夠和轉子
20—起被殼體40轉動地支撐。轉子20以預定的間隙(例如,2mm?IOmm的空隙)面對定子10。
[0031]圖2是示出定子10的配置的主視圖。定子10包括線圈排(coil row)，線圈排包括沿圓周方向以等間隔配置的八個定子線圈11。線圈排由兩個線圈組形成，各線圈組包括串聯的四個定子線圈11。屬於一個線圈組的定子線圈11和屬於另一個線圈組的定子線圈11交替地配置。具有受控制的頻率和電壓的第一 AC電源(正弦電源)施加到一個線圈組，具有受控制的頻率、電壓且相位與第一 AC電源的相位偏移例如90度的第二 AC電源(餘弦電源)施加到另一個線圈組。各定子線圈11纏繞在覆蓋磁芯12的線圈管(bobbin)上，各磁芯12支撐在形成磁路的支撐板13上。支撐板13是由例如透磁合金(permalloy)製成的，定子線圈11是由例如銅線製成的。磁芯12是由例如鐵氧體製成的。
[0032]圖3是轉子20的後視圖。轉子20包括厚度大約為3mm至5mm的盤狀軟磁金屬板
21和八個單阻線圈(one-turn coil) 22,單阻線圈22固定在軟磁金屬板21的表面並且沿圓周方向等間隔地配置。單匝線圈22與定子線圈11對應地布置。當在線圈排處產生旋轉磁場(rotating magnetic field)時,單阻線圈22產生循環電流。通過循環電流產生焦耳熱，單匝線圈22經由循環電流在旋轉磁場的作用下被可轉動地驅動。歸因於在定子線圈11處產生的旋轉磁場，軟磁金屬板21上產生渦電流。軟磁金屬板21的渦電流補充轉子20的轉矩的一部分，軟磁金屬板21用作加熱裝置的主熱源。螺栓孔23在內部接收被插入的支撐螺栓34 (圖4)，以將多翼式風機30和轉子20固定到一起。應當注意的是，雖然為了方便起見在本說明書中將轉子20上的線圈稱為單匝線圈，但是轉子20上的線圈的匝數不必需限定為一匝，可以為兩匝或多匝。軟磁金屬板21是由例如鐵板製成的，單匝線圈22由諸如鋁製成的。
[0033]圖4是示出各多翼式風機30、殼體40和轉子20的結構和這三者如何連接的整個加熱裝置100的截面圖。多翼式風機30包括臺座(base) 31、由臺座31支撐的框架32和具有沿圓周方向配置的多個葉片33的葉輪。多翼式風機30的臺座31經由軸承50和軸承支撐柱51被殼體40可轉動地支撐。轉子20的軟磁金屬板21 (圖2)經由螺栓34固定到多翼式風機30的框架32。
[0034]圖5是殼體40的主視圖。殼體40包括:主體部41，氣流52 (圖4)通過空氣入口43進入主體部41 ;以及氣流排出口 42，其從主體部41延伸並且排出氣流53。空氣入口 43設置有由多個葉片44形成的百葉窗(louver)。殼體40是由高保溫樹脂形成的，選擇這種材料增加了整個加熱裝置的熱效率。殼體40具有用於通過包圍整個多翼式風機30而保護多翼式風機30的保護功能和用於調整氣流的整流(straighten)功能。應當注意的是，具有整流功能的殼體就夠了，殼體可以不必需包圍整個多翼式風機或具有用於保護多翼式風機30的保護功能。
[0035]當上述實施方式的加熱裝置100運轉時，通過將具有受控制的頻率和電壓(電功率)的兩相交流電施加到線圈排的線圈組而產生旋轉磁場。通過該旋轉磁場，在轉子20的單匝線圈22產生循環電流，在軟磁金屬板21中產生渦電流。歸因於如此產生的循環電流、渦電流和旋轉磁場，旋轉驅動力從定子10被施加到轉子20。此外，歸因於循環電流和渦電流，在單匝線圈22和軟磁金屬板21產生焦耳熱。固定到轉子20的多翼式風機30與轉子20 一起轉動，由此使氣流通過殼體40的空氣入口 43進入並且通過氣流排出口 42排出氣流。這時，通過在轉子20的單匝線圈22和軟磁金屬板21處產生的焦耳熱來加熱進入殼體40的氣流52，氣流52變成暖的、待通過氣流排出口 42排出的氣流53。氣流53被導入電動車輛的內部用以例如加熱車輛的內部。
[0036]應當注意的是，在日本特開平10-98860號公報中公開了包括與上述定子10和轉子20相似的定子和轉子的AC能量轉換器(感應馬達)，該文獻通過引用合併於此。
[0037]圖6示出作為本發明的一個示例生產的樣品加熱裝置的測量出的特性。基於在預定頻率和預定轉速下從20°C的進氣溫度開始增加了多少度來測量加熱能力。此外，也測量此時轉子所達到的溫度。通過使用電池作為電源的逆變裝置來提供加熱裝置的電源。
[0038]在示例的樣品加熱裝置中，感應電動馬達的八個定子線圈11中每個線圈分別由數量為30匝的銅線製成，銅線纏繞在外徑Φ為15mm的鐵氧體磁芯12上。轉子20的軟磁金屬板21是由外徑為150mm和厚度為3.2mm的鐵板製成的,外徑為150mm和厚度為2mm的招盤載置在鐵板的表面上。鋁盤包括沿圓周方向以等間隔配置的八個矩形孔，軟磁金屬板21的表面部分埋設於矩形孔。利用這種結構，轉子20的後表面整體上是平坦的，設置八個單阻線圈22。定子10和轉子20之間的空隙為2.6mm。應當注意的是,能夠在例如約2mm至約IOmm的範圍內選擇空隙的尺寸。多翼式風機30的葉輪的外徑為120mm和軸向上的長度為53mm。葉片和框架是由厚度為Imm的鋁製成的。
[0039]具有90度的相位差、1.5kHz的兩相交流電施加到樣品加熱裝置的定子10的線圈排。當調整電壓並且以使多翼式風機30的轉速為1500rpm的方式控制電功率消耗時獲得圖6中示出的特性。如圖6示出的，轉子溫度和排出氣流的溫度在運轉開始後大約240秒時幾乎飽和，此時的電功率消耗為446W。此時的發熱量被計算且被發現為大約400W。因此，用於產生氣流的電功率消耗大約為46W。對於20°C的進氣溫度，排出氣流的飽和溫度為33.7°C，證實獲得了充分的加熱能力。此外，轉子20此時的飽和溫度為171°C。
[0040]圖7示出上述示例的加熱裝置的電動馬達的特性的測量結果。特性是在定子10和轉子20之間的空隙(GAP)分別為2mm和IOmm的條件下所測量的。將具有400Hz的頻率的兩相交流電以及30V和50V的電源電壓施加到具有這些空隙的各電動馬達，測量從馬達啟動開始的電氣特性和產生的轉矩。多次啟動各電動馬達並且測量各次的特性。從圖7中示出的特性能夠理解的是，通過選擇空隙長度、施加的電壓和電源頻率能夠實現為多翼式風機提供所需空氣量的轉矩的選擇和控制。應當注意的是，優選地，通過控制施加的電壓和/或電源頻率來實現發熱量的控制。
[0041]從測量結果能夠看出，能夠通過控制頻率和/或電壓(電功率)來控制該示例的加熱裝置的加熱溫度和加熱空氣速度。例如，0.2kHz至5kHz範圍內的頻率的控制和50W至500W範圍內的電功率的控制是有效的。考慮到使用的材料和環境條件，轉子20所達到的溫度的上限為約500°C。
[0042]通常，作為車輛用的加熱電功率，小型汽車需要2400W，大型汽車需要3910W (機動車工程手冊(Jidosha-Kogaku Handbook))。在上述示例中使用的加熱裝置的情況下,通過設置大約5至10個加熱裝置而能夠獲得車輛用加熱裝置所需的加熱能力。在這種情況下，通過在各氣流排出口布置加熱裝置能夠消除設置氣管等的必要，例如，期望車輛的設備布局效率的提高。在這種情況下，能夠對車輛的內部的各部分進行溫度設定。例如，能夠獨立地為上身設置24°C?28 °C範圍內的優選加熱溫度和為下身設置28 °C?32 °C範圍內的優選加熱溫度。
[0043]在本發明的加熱裝置用作車輛用加熱裝置的情況下，可以在定子10和轉子20之間設置空隙，或者可以在定子10和轉子20之間布置絕緣材料。在後面這種情況下，例如，定子10可以埋設在車輛主體內部的、從車輛的內部看不到定子10的位置，轉子20可以布置在車輛內部的、轉子20面對定子10的位置。在這種情況下，可以預先布置多個定子，轉子可以被布置成僅面對在適當位置處布置的一些定子。這允許在車輛的生產的最後階段確定加熱裝置的數量和布局。
[0044]應當注意的是，在車輛設置有上述實施方式的一個加熱裝置的情況下，例如，上述示例的加熱裝置的馬達被設計為相應地具有大的容量。以這種方式，能夠提供與傳統的利用發動機排熱的加熱裝置的加熱能力相同水平的加熱能力。
[0045]在本發明的加熱裝置中，轉子達到的溫度優選地設定在約200°C?500°C的範圍內。將轉子達到的溫度設定得高允許減小轉子的尺寸，由此允許減小轉子的熱容。在這種情況下，能夠減少加熱裝置的升溫時間，由此允許高效率地加熱車輛。
[0046]作為上述實施方式的加熱裝置的感應電動馬達，可優選地使用專利文獻4和專利文獻5中公開的類型的電動馬達。然而，本發明的加熱裝置中使用的電動馬達不限於這些專利文獻中公開的感應電動馬達，可以是具有如下結構的任意電動馬達:構成熱源的轉子與風機一起轉動。
[0047]在上述實施方式中所示的示例中，採用多翼式風機作為風機。採用多翼式風機便於減小加熱裝置的尺寸。然而，本發明的加熱裝置中使用的風機不必需地限定為多翼式風機，可以使用能夠固定到轉子並且能夠與轉子一起轉動的任意不同類型的風機，該轉子構成用於歸因於渦電流和/或循環電流而產生焦耳熱的熱源。此外，雖然已示出使用兩相交流電產生旋轉磁場的示例，但是也可以使用三相以上的多相交流電產生旋轉磁場。
[0048]如上所述，在本發明的加熱裝置中，構成熱源的轉子和用於產生攜帶來自熱源的熱量的氣流的風機被一體化布置，由此簡化了裝置構造。
[0049]此外，在本發明的加熱裝置中，轉動部分不需要配線和配管的連接，其中構成熱源的轉子和用於產生氣流的風機一體化形成。這有便於轉動部分的安裝和移除等，由此便於裝置的維護，其中，該轉動部分是電動車輛的加熱裝置的維護期間待檢查的主要部分。
[0050]已基於本發明的優選實施方式和示例描述了本發明。然而，本發明的電加熱裝置不限於具有上述實施方式和示例中公開的配置的電加熱裝置，對上述實施方式和示例中公開的配置做出各種變形和改變的加熱裝置也包括在本發明的範圍內。
【權利要求】
1.一種電加熱裝置，其包括: 電動馬達，所述電動馬達包括: 盤狀的定子，所述盤狀的定子包括多個定子線圈，該多個定子線圈沿圓周方向配置以產生旋轉磁場；以及 盤狀的轉子，所述盤狀的轉子包括多個單匝線圈和軟磁金屬板，該多個單匝線圈與所述多個定子線圈分別對應地布置，所述軟磁金屬板布置在所述單匝線圈的與所述定子所在側相反的一側並且支撐所述單匝線圈，所述盤狀的轉子能夠通過所述旋轉磁場被轉動地驅動；以及 風機，所述風機固定到所述軟磁金屬板的與所述單匝線圈所在側相反的一側並且包括葉輪，所述葉輪具有多個葉片且所述葉輪與所述轉子一體地轉動。
2.根據權利要求1所述的電加熱裝置，其特徵在於，所述風機為多翼式風機。
3.根據權利要求1或2所述的電加熱裝置，其特徵在於，通過兩相交流電產生所述旋轉磁場。
4.根據權利要求3所述的電加熱裝置，其特徵在於，所述多個定子線圈包括第一組的定子線圈和第二組的定子線圈，具有預定頻率和預定電壓的交流電壓施加到所述第一組的定子線圈，具有與施加到所述第一組的定子線圈的交流電壓的相位偏移90度的相位的交流電壓被施加到所述第二組的定子線圈，其中，所述第一組的定子線圈和所述第二組的定子線圈沿所述盤上的定子的圓周方向交替地配置。
5.根據權利要求4所述的電加熱裝置，其特徵在於，施加到所述第一組的定子線圈的交流電壓的頻率和施加到所述第二組的定子線圈的交流電壓的頻率能夠在0.2kHz至5kHz的範圍內調整。
6.根據權利要求4或5所述的電加熱裝置，其特徵在於，供給到所述第一組的定子線圈的交流電功率和供給到所述第二組的定子線圈的交流電功率能夠在50W至500W的範圍內調整。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的電加熱裝置，其特徵在於，所述定子和所述轉子彼此面對，所述定子和所述轉子之間具有2mm至IOmm範圍內的間隙。
8.一種包括權利要求1或2所述的電加熱裝置的電動車輛。
9.根據權利要求8所述的電動車輛，其特徵在於，在所述車輛的多個氣流出口中的各氣流出口均設置所述電加熱裝置。
10.根據權利要求9所述的電動車輛，其特徵在於，在各氣流出口均能夠調整所述電加熱裝置的加熱能力。
【文檔編號】B60H1/22GK103582579SQ201280025880
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年5月25日 優先權日:2011年5月27日
【發明者】片山博照, 大場光義, 內匠壽, 高橋純一 申請人:株式會社Tbk