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技術 冷却ファンモジュール

出願人 ジョンソンエレクトリックインターナショナルアクチェンゲゼルシャフト
発明者 クウォククエンツェロンユジャンドンチウヤンチャンルイフェンチン
出願日 2016年1月5日 (4年11ヶ月経過) 出願番号 2016-000639
公開日 2016年7月11日 (4年5ヶ月経過) 公開番号 2016-127802
状態 特許登録済
技術分野 電動機、発電機の外枠 直流電動機の制御
主要キーワード 半シェル 電圧降下抵抗 高電圧閾値 低電圧閾値 可変速式 誤差補償回路 各出力ケーブル 高速分岐
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図面 (10)

課題

低速動作モードの効率を向上させた冷却ファンモジュールを提供する。

解決手段

熱交換器等のための冷却ファンモジュールは、モータと、前記モータによって駆動されるファンと、前記モータと電源との間に接続される速度制御部とを有する。前記速度制御部は、前記モータを高速モード及び低速モードで動作させるように構成される。前記速度制御部は、並列に接続される高速分岐部及び低速分岐部を含む。前記低速分岐部は、一定のデューティ比平均電圧下げて、前記モータの低速動作を行うように構成されるパルス幅変調回路を含む。従来の電圧降下抵抗を無くすことによって、前記速度制御部は、消費電力を下げることにより、低速動作モードのモジュールの効率を上げる。

概要

背景

[0003]
冷却ファンモジュールは、電気モータによって駆動されるファンを備える。冷却ファンモジュールは、例えば、車両に用いられて、従来の車両のエンジンラジエータ又は電気自動車バッテリを冷却する。

[0004]
従来の2速式冷却ファンモジュールのモータ駆動回路は、並列に接続される高速分岐部及び低速分岐部を有する。高速分岐部をオンにすると、モータ高速で動作する。低速分岐部をオンにして、高速分岐部をオフにすると、モータは低速で動作する。一般に、電力は、高速分岐部を介して、モータの入力端子(例えば、正極)に直接接続され、低速分岐部は、電圧降下抵抗を介して、低下電圧で電力をモータの端子に出力する。この場合、モータが低速で動作している場合、電圧降下抵抗は大量の熱を発生し、このため、大きな損失が生じる。

[0005]
業者には知られているように、パルス幅変調(PWM)回路デューティ比は調整可能であり、PWM回路のデューティ比を調整することによって、出力電圧平均値を変更することができる。従来の高速分岐部及び低速分岐部の代わりに、デューティ比が調整可能なPWM回路を用いる、改良された可変速式冷却ファンモジュールが提供されている。

[0006]
車両のラジエータ冷却システムでは、PWM回路は、制御端子を介して、車両のエンジン制御装置(ECU)に接続され、デューティ比は、ECUからの指示に応じて、リアルタイムで変化し、これにより、出力電圧が調整され、モータは、各種電圧が供給されて、低速範囲内のそれぞれ異なる速度で動作する。例えば、デューティ比が100%の場合、PWM回路は、従来の高速分岐部に相当し、モータは高速で動作する。また、デューティ比が100%未満の場合、モータは、より低速で動作する。

[0007]
上記のPWM回路の損失は、電圧降下抵抗を有する従来の回路の損失よりも小さい。しかしながら、PWM回路には、制御回路(例えば、デューティ比を調整するための回路)が追加されるので、総コストが大きく増加する。この他に、並列に接続される従来の高速分岐部及び低速分岐部の代わりに、PWM回路の電源分岐部が用いられ、PWM回路には、制御端子が追加されるが、これは、PWM回路を採用する冷却ファンモジュールのインタフェースが、従来のインタフェースと互換性がないことを意味する。自動車産業では、様々な供給元から様々な部品が供給されるので、インタフェースの非互換性は、PWM回路を採用する冷却ファンモジュールの販売や冷却ファンモジュールの用途に深刻な影響を及ぼす。

[0008]
したがって、改良された技術的解決手段が望まれる。

概要

低速動作モードの効率を向上させた冷却ファンモジュールを提供する。熱交換器等のための冷却ファンモジュールは、モータと、前記モータによって駆動されるファンと、前記モータと電源との間に接続される速度制御部とを有する。前記速度制御部は、前記モータを高速モード及び低速モードで動作させるように構成される。前記速度制御部は、並列に接続される高速分岐部及び低速分岐部を含む。前記低速分岐部は、一定のデューティ比で平均電圧下げて、前記モータの低速動作を行うように構成されるパルス幅変調回路を含む。従来の電圧降下抵抗を無くすことによって、前記速度制御部は、消費電力を下げることにより、低速動作モードのモジュールの効率を上げる。

目的

本発明は、その一態様において、冷却ファンモジュールを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

モータと、前記モータによって駆動されるファンと、前記モータと前記モータの電源との間に直列に接続される速度制御部とを備える冷却ファンモジュールであって、前記速度制御部は、並列に接続される高速分岐部及び低速分岐部を備え、前記低速分岐部は、直列に接続されるパルス幅変調回路を備え、前記パルス幅変調回路は、一定のデューティ比平均電圧下げて、前記モータの低速動作を行うように構成されることを特徴とする冷却ファンモジュール。

請求項2

前記低速分岐部は、更に、直列に接続される電圧変調回路を備え、前記電圧変調回路は、入力電圧が、予め設定された高電圧閾値よりも高いか、又は、予め設定された低電圧閾値よりも低い場合、前記パルス幅変調回路を介して前記低速分岐部を切断するように構成されることを特徴とする、請求項1に記載の冷却ファンモジュール。

請求項3

前記低速分岐部は、更に、電流保護回路を備え、前記電流保護回路は、電流測定抵抗と、直列に接続されるスイッチ回路とを備え、前記電流保護回路は、前記電流測定抵抗を流れる電流が、予め設定された電流閾値よりも大きい場合、前記パルス幅変調回路を介して、前記予め設定された電流閾値以内に電流を調整するように、前記スイッチ回路を制御するように構成されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の冷却ファンモジュール。

請求項4

前記スイッチ回路は、ゲート駆動部と、MOSトランジスタとを備え、前記パルス幅変調回路の出力信号は、前記ゲート駆動部の入力端子に入力され、前記ゲート駆動部の出力信号は、前記MOSトランジスタに入力されることを特徴とする、請求項3に記載の冷却ファンモジュール。

請求項5

前記低速分岐部は、更に、温度を測定するように構成されている温度検出回路を備えることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュール。

請求項6

前記速度制御部は、前記パルス幅変調回路を支持するプリント回路基板を備えることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の冷却ファンモジュール。

請求項7

前記速度制御部は、前記速度制御部の外側シェルを形成するように互いに嵌合されるシェル及びヒートシンクを備え、前記プリント回路基板は、前記外側シェルの内部に設置され、前記ヒートシンクから熱が放散されることを特徴とする、請求項6に記載の冷却ファンモジュール。

請求項8

前記ヒートシンクは、外方に延在して放熱量を増加させる数個指片を備えることを特徴とする、請求項7に記載の冷却ファンモジュール。

請求項9

前記プリント回路基板に、複数のインダクタ及び複数のコンデンサが設置され、前記インダクタ及び前記コンデンサは、前記プリント回路基板から、前記ヒートシンクに向かう方向に突出し、前記ヒートシンクは、前記インダクタ及び前記コンデンサを収容するための空洞を有することを特徴とする、請求項7に記載の冷却ファンモジュール。

請求項10

前記ヒートシンクは、前記空洞の奥部から外方に延在して放熱量を増加させる複数の指片を備えることを特徴とする、請求項9に記載の冷却ファンモジュール。

技術分野

0001

[0002]
本発明は、車両等の熱交換器のための冷却ファンモジュールに関し、特に、速度制御部を有する冷却ファンモジュールに関する。

背景技術

0002

[0003]
冷却ファンモジュールは、電気モータによって駆動されるファンを備える。冷却ファンモジュールは、例えば、車両に用いられて、従来の車両のエンジンラジエータ又は電気自動車バッテリを冷却する。

0003

[0004]
従来の2速式冷却ファンモジュールのモータ駆動回路は、並列に接続される高速分岐部及び低速分岐部を有する。高速分岐部をオンにすると、モータ高速で動作する。低速分岐部をオンにして、高速分岐部をオフにすると、モータは低速で動作する。一般に、電力は、高速分岐部を介して、モータの入力端子(例えば、正極)に直接接続され、低速分岐部は、電圧降下抵抗を介して、低下電圧で電力をモータの端子に出力する。この場合、モータが低速で動作している場合、電圧降下抵抗は大量の熱を発生し、このため、大きな損失が生じる。

0004

[0005]
業者には知られているように、パルス幅変調(PWM)回路デューティ比は調整可能であり、PWM回路のデューティ比を調整することによって、出力電圧平均値を変更することができる。従来の高速分岐部及び低速分岐部の代わりに、デューティ比が調整可能なPWM回路を用いる、改良された可変速式冷却ファンモジュールが提供されている。

0005

[0006]
車両のラジエータ冷却システムでは、PWM回路は、制御端子を介して、車両のエンジン制御装置(ECU)に接続され、デューティ比は、ECUからの指示に応じて、リアルタイムで変化し、これにより、出力電圧が調整され、モータは、各種電圧が供給されて、低速範囲内のそれぞれ異なる速度で動作する。例えば、デューティ比が100%の場合、PWM回路は、従来の高速分岐部に相当し、モータは高速で動作する。また、デューティ比が100%未満の場合、モータは、より低速で動作する。

0006

[0007]
上記のPWM回路の損失は、電圧降下抵抗を有する従来の回路の損失よりも小さい。しかしながら、PWM回路には、制御回路(例えば、デューティ比を調整するための回路)が追加されるので、総コストが大きく増加する。この他に、並列に接続される従来の高速分岐部及び低速分岐部の代わりに、PWM回路の電源分岐部が用いられ、PWM回路には、制御端子が追加されるが、これは、PWM回路を採用する冷却ファンモジュールのインタフェースが、従来のインタフェースと互換性がないことを意味する。自動車産業では、様々な供給元から様々な部品が供給されるので、インタフェースの非互換性は、PWM回路を採用する冷却ファンモジュールの販売や冷却ファンモジュールの用途に深刻な影響を及ぼす。

0007

[0008]
したがって、改良された技術的解決手段が望まれる。

発明が解決しようとする課題

0008

[0009]
したがって、低速動作モードの効率を向上させた冷却ファンモジュールが望まれる。

課題を解決するための手段

0009

[0010]
したがって、本発明は、その一態様において、冷却ファンモジュールを提供するものである。この冷却ファンモジュールは、モータと、前記モータによって駆動されるファンと、前記モータと前記モータの電源との間に直列に接続される速度制御部とを備え、前記速度制御部は、並列に接続される高速分岐部及び低速分岐部を備え、前記低速分岐部は、直列に接続されるパルス幅変調回路を備え、前記パルス幅変調回路は、一定のデューティ比で平均電圧下げて、前記モータの低速動作を行うように構成される。

0010

[0011]
前記低速分岐部は、更に、直列に接続される電圧変調回路を備え、前記電圧変調回路は、入力電圧が、予め設定された高電圧閾値よりも高いか、又は、予め設定された低電圧閾値よりも低い場合、前記パルス幅変調回路を介して前記低速分岐部を切断するように構成されることが好ましい。

0011

[0012]
前記低速分岐部は、更に、電流保護回路を備え、前記電流保護回路は、電流測定抵抗と、直列に接続されるスイッチ回路とを備え、前記電流保護回路は、前記電流測定抵抗を流れる電流が、予め設定された電流閾値よりも大きい場合、前記パルス幅変調回路を介して、前記予め設定された電流閾値以内に電流を調整するように、前記スイッチ回路を制御するように構成されることが好ましい。

0012

[0013]
前記スイッチ回路は、ゲート駆動部と、MOSトランジスタとを備え、前記パルス幅変調回路の出力信号は、前記ゲート駆動部の入力端子に入力され、前記ゲート駆動部の出力信号は、前記MOSトランジスタに入力されることが好ましい。

0013

[0014]
前記低速分岐部は、更に、温度を測定するように構成されている温度検出回路を備えることが好ましい。

0014

[0015]
前記速度制御部は、前記パルス幅変調回路を支持するプリント回路基板を備えることが好ましい。

0015

[0016]
前記速度制御部は、前記速度制御部の外側シェルを形成するように互いに嵌合されるシェル及びヒートシンクを備え、前記プリント回路基板は、前記外側シェルの内部に設置され、前記ヒートシンクから熱が放散されることが好ましい。

0016

[0017]
前記ヒートシンクは、外方に延在して放熱量を増加させる数個指片を備えることが好ましい。

0017

[0018]
前記プリント回路基板に、複数のインダクタ及び複数のコンデンサが設置され、前記インダクタ及び前記コンデンサは、前記プリント回路基板から、前記ヒートシンクに向かう方向に突出し、前記ヒートシンクは、前記インダクタ及び前記コンデンサを収容するための空洞を有することが好ましい。

0018

[0019]
前記ヒートシンクは、前記空洞の奥部から外方に延在して放熱量を増加させる複数の指片を備えることが好ましい。

0019

[0020]
本発明の各実施形態による冷却ファンモジュールでは、低速動作を行うための従来の電圧降下抵抗の代わりに、デューティ比が一定のPWM回路を用いることによって、モジュールの効率を著しく向上させる。

図面の簡単な説明

0020

本発明の好ましい実施形態による冷却ファンモジュールを示す図である。
図1の冷却ファンモジュールへの速度制御部の組み付けを示す図である。
図2の速度制御部を示す図である。
速度制御部の部分分解図である。
シェル及びヒートシンクを取り外した状態の速度制御部の部分分解図である。
速度制御部のブロック回路図である。
図6に示すパルス幅変調回路及びスイッチ回路の概略回路図である。
図6に示す電圧変調回路及び温度検出回路の概略回路図である。
図6に示す電流保護回路の概略回路図である。

実施例

0021

[0021]
ここで、添付図面の図を参照して、単なる例示として本発明の好ましい実施形態を説明する。図において、複数の図に現れる同一の構造体、要素又は部品は、一般に、それらが現れる全ての図において同じ符号で表記される。図内に示される構成部品及び構造部の寸法は、一般に、便宜のため及び提示の明確さのために選択されたものであり、必ずしも縮尺通りではない。

0022

[0031]
図1は、本発明による冷却ファンモジュール100を示し、冷却ファンモジュール100は、ファンシュラウド21と、ファンシュラウド21に設置されるモータ27と、モータ27の軸に設置されるファン29と、ファンシュラウド21に設置される速度制御部30とを含む。ファンシュラウド21は、大きな通気口と、通気口の中心に向かって延びている数個のスポーク23と、各スポーク23の端部に固定されるハブ25とを有する。モータ27は、ハブ25に設置される。モータ27及びファン29は、通気口に配置される。

0023

[0032]
図2を参照すると、ファンシュラウド21は、速度制御部30が設置される切欠き部すなわち凹部22を有する。回路接続については、速度制御部30は、電源とモータ27との間に直列に接続され、モータに印加される出力電圧を変化させることによって、モータの速度を変化させるように構成される。

0024

[0033]
図3及び図4を参照すると、速度制御部30は、互いにスナップ嵌合されるシェル31及びヒートシンク36と、シェル31の内部に設置されるプリント回路基板41とを含む。シェル31及びヒートシンク36は、ボルト33で互いに結合されて全シェルを形成する半シェル構造であることが好ましい。プリント回路基板41に、インダクタ42及びコンデンサ43などの部品を含むPWM回路が形成される。インダクタ42及びコンデンサ43などの熱を発生する部品は、プリント回路基板41のヒートシンク36に対向する側に配置される。ヒートシンク36は、発熱部品を収容するための空洞37を有し、これらの部品からより良く放熱する。ヒートシンク36の本体の表面から、放熱指片38が突出して、ヒートシンク36の放熱面積を大きくする。空洞37の壁39も、ヒートシンクの本体の表面から突出することが好ましい。

0025

[0034]
図4及び図5を参照すると、シェル31にコネクタ32が配置され、コネクタ32の内部に、4つの入力端子34、すなわち、34a,34b,34c,34dが設置され、これらは入力電圧を受けるためのものである。4つの入力端子34a〜34dの位置及び機能は、従来のコネクタと同じであることが好ましい。例えば、入力端子34aは外部電源の負極に接続され、入力端子34cは外部電源の正極に接続されて、モータを低速で動作させ、入力端子34dは外部電源の正極に接続されて、モータを高速で動作させ、入力端子34bは予備端子である。

0026

[0035]
プリント回路基板41は、4つの端子、すなわち、44a,44b,44c,44dを有する。端子44aは、外部電源の負極に接続される入力端子34aに接続され、端子44cは、外部電源の正極に接続される入力端子34cに接続され、端子44dは、外部電源の正極に接続される入力端子34dに接続される。中間の2つの端子44a及び44cは、入力端子であり、それぞれ、コネクタ32の端子34a及び34cに電気的に接続される。2つの端子44b及び44dは、出力端子であり、それぞれ、2つの出力ケーブル35a及び35bに接続される。本実施形態では、各出力ケーブル35は、シェル31から延出し、モータ27に接続される。

0027

[0036]
図6ブロック図を参照すると、回路接続については、速度制御部30は、電源とモータ27との間に直列に接続される。本実施形態では、入力端子34aは電源の負極に接続され、入力端子34c及び34dは電源の正極に接続される。スイッチK1を介して、入力端子34dをオンにすると、モータは高速で動作する。スイッチK2を介して入力端子34cをオンにして、スイッチK1を介して入力端子34dをオンにしない場合、モータは低速で動作する。更に、K1及びK2の両方をオンにした場合、電源は、やはり、スイッチK1を介してモータに電力を供給するので、モータは高速で動作する。入力端子34cとパルス幅変調回路55との間に、電圧変調回路56が直列に接続される。電圧が通常の閾値範囲内ではないこと、例えば、電圧が、予め設定された高電圧値よりも高いか、又は、予め設定された低電圧値よりも低いことを一旦検出すると、電圧変調回路56は、パルス幅変調回路55を制御して、モータを停止する。通常の閾値範囲が9V〜16Vであると仮定すると、電源の電圧が9V未満か又は16Vを超えると、パルス幅変調回路55は、モータを停止させる。

0028

[0037]
本実施形態では、モータの低速動作は、パルス幅変調の方法で行われる。入力端子34cは、パルス幅変調回路55に直列に接続され、次いで、モータ27に接続され、パルス幅変調回路55は、予め設定されたデューティ比で、モータに供給される電圧及び電流を下げ、これにより、モータの低速動作が行われる。電圧降下抵抗を直列に接続する従来の解決法と比較すると、本発明によるパルス幅変調回路55を直列に接続する解決法を用いることによって、より低損失且つより高効率にモータの低速動作が実現される。

0029

[0038]
図7は、本発明の一実施形態によるパルス幅変調回路55及びスイッチ回路57の概略回路図である。三角波発振器によって生成される連続三角波直流制御信号Vconと比較することによって、一定のデューティ比の電圧信号Vpwmが生成される。スイッチ回路57のゲート駆動部は、電圧信号VpwmをVgに変換して、high側のMOSトランジスタQ2を駆動するように構成され、入力端子34cからの電圧よりも低い電圧が、Q2を介してモータに供給される。

0030

[0039]
更に、本発明の一実施形態による電圧変調回路56及び温度検出回路58を示す図8を参照する。電圧変調回路56の最終出力は、通常、回路56cによって供給される一定の電圧であり、また、パルス幅変調回路55に入力される直流制御信号Vconでもある。上方の不足電圧保護回路56aは、不足電圧状態を管理するように構成され、Vccは、入力端子34cからの電圧である。Vccが低すぎる場合、比較器U1Dは、高電圧を出力して、Q4をオンにし、パルス幅変調回路55に入力される直流信号遮断される。一方、Vccの電圧値が9Vよりも大きい場合、比較器は、Q4にゼロ電圧を供給して、Q4をオフにすることにより、信号Vconを一定のレベルに維持することができる。下方の過電圧保護回路56bは、過電圧状態を管理するように構成される。電圧Vccが高すぎる場合、比較器U1Cは、信号Vconを遮断する。一方、電圧Vccが16V未満に戻された後、比較器U1Cは、信号Vconを通常レベルに戻す。温度検出回路58は、入力端子34cとモータ27との間に直列に接続される。温度検出回路58は、プリント回路基板41の温度及び環境温度を検知するように構成される温度センサを含む。検出温度が予め設定された温度閾値よりも高い場合、電圧変調回路56は、動作を停止して低速分岐部を切断するように制御されることによって、温度保護機能を実現する。例えば、プリント回路基板の温度が摂氏130度よりも高い場合、温度センサは、動作を停止して低速分岐部を切断するように、電圧変調回路56を制御する。図8に示すように、温度検出回路58は分圧器であり、負の温度係数サーミスタを用いて、温度に関連する電圧を発生し、不足電圧保護回路56aに影響を及ぼす。温度が高すぎる場合、Vtempは低下し、比較器U1Dは、Vconをゼロにすることができ、これにより、モータは動作を停止する。

0031

[0040]
更に、図9を参照すると、入力端子34bとモータ27との間に、電流保護回路53が直列に接続される。電流保護回路53は、電流測定抵抗R1を含み、電流測定抵抗R1は、パルス幅変調回路55とモータ27との間に直列に接続され、モータの入力電流を測定するように構成される。電流測定抵抗R1によって検出された電流信号は、増幅回路53aによって増幅され、その後、誤差補償回路53cで、出力信号VIが所定の閾値Vthと比較されて、電流信号Vconでパルス幅変調回路55を補償する。このような負のフィードバック回路を用いて、VIとVthを周期的に比較することによって、過電流状態のモータの電流閾値を制限することができる。したがって、電流が閾値よりも大きい場合(例えば、ロータロックされた状況で)、モータを依然として駆動させることができ、モータの電流が閾値よりも小さいことを一旦検出すると、モータは、通常動作状態復帰することができる。

0032

[0041]
スイッチ回路57の入力端子は、電源の正極及びパルス幅変調回路55の出力端子に接続され、スイッチ回路57の出力端子は、電流保護回路53の入力端子に接続される。スイッチ回路57は、回路電圧が大きくなりすぎたり小さくなりすぎるのを防止したり、回路が電圧の復帰により損傷するのを防止するように構成される。

0033

[0042]
本出願の説明及び請求項において、動詞「備える(comprise)」、「含む(include)」、「含む(contain)」及び「有する(have)」、並びにその変形形態は、説明する要素又は特徴の存在を規定するために包括的な意味で使用され、追加の要素又は特徴の存在を排除するものではない。

0034

[0043]
明確にするために別個の実施形態に関連して説明されている本発明の特定の特徴は、1つの実施形態において組み合わせて提供してもよいものと理解される。逆に、簡潔にするために1つの実施形態に関連して説明されている本発明の種々の特徴を、個別に又はそれらを適当に組み合わせて提供してもよい。

0035

[0044]
上記の実施形態は単なる例示であり、請求項に定義する本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正が可能であることは、当業者にとって明らかである。

0036

21ファンシュラウド
22 凹部
23スポーク
25 ハブ
27モータ
29ファン
30速度制御部
31シェル
32コネクタ
33ボルト
34,34a,34b,34c,34d入力端子
35,35a,35b出力ケーブル
36ヒートシンク
37 空洞
38指片
39 壁
41プリント回路基板
42インダクタ
43コンデンサ
44a,44b,44c,44d端子
53電流保護回路
53a増幅回路
53c誤差補償回路
55パルス幅変調回路
56電圧変調回路
56a不足電圧保護回路
56b過電圧保護回路
56c 回路
57スイッチ回路
58温度検出回路
100冷却ファンモジュール
K1,K2 スイッチ
Q2,Q4MOSトランジスタ
R1電流測定抵抗
U1C,U1D比較器
Vcc電圧
Vcon直流制御信号
VI出力信号
Vpwm電圧信号
Vth 閾値

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