CN100426637C - 直流无刷马达 - Google Patents

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Abstract

一种直流无刷马达，其主要包括一定子绕组、一转子及一驱动电路，该转子是环设于该定子绕组四周的，该转子内侧设有两磁极；该定子绕组在其四周间隔突设有四个绕线端，该驱动电路主要包括一驱动控制元件及四个三极管，该驱动控制元件设有四个输出端口，这些输出端口是一一对应与四个三极管的基极相连的，其中第一三极管的发射极与第三三极管的集电极相连，第二三极管的发射极与第四三极管的集电极相连，该定子绕组的两个绕线端的线圈与另外两个绕线端的线圈是呈并联的电路连接，该并联电路的一端连接至第一三极管的发射极与第三三极管的集电极之间，该并联电路的另一端则连接至第二三极管的发射极与第四三极管的集电极之间。

Description

直流无刷马达
【技术领域】
本发明是关于一种直流无刷马达，特别是关于一种主要应用于电脑冷却风扇的直流无刷马达。
【背景技术】
随着电子技术的不断发展，处理器产生的热量随着处理速度的提高不断增加，处理器的散热问题也变得日益突出。为了排放更多的热量，应用于处理器散热的冷却风扇要求转速更高、风量更大，所以对其采用的直流无刷马达的转速及转矩也提出更高的要求。常用的直流无刷马达根据其使用的驱动电路可分为两相单向驱动与单相双向驱动两种。
图5及图6所示是采用两相单向驱动的直流无刷马达。该直流无刷马达主要包括一定子绕组110、一转子140及一驱动电路150。该转子140内侧环设有一永久磁铁142，该永久磁铁142上设有两磁极，其可对应与定子绕组110通电产生的交变磁场相作用，以产生一转矩驱动转子140运动。该定子绕组110向其四周间隔突设有四个绕线端(114、115、116、117)。线圈是先同向绕制绕线端114和绕线端116(即当电流流过绕制在绕线端114和绕线端116的线圈时，绕线端114和绕线端116产生的外侧磁场极性相同)，引出一接线端122后再同向绕制绕线端117和绕线端115，其中绕线端117和绕线端115产生的外侧磁场极性与绕线端114和绕线端116产生的外侧磁场极性相反。其中该线圈的两端还设有接线端124及接线端126。
驱动电路150主要包括一驱动控制元件152，该驱动控制元件152设有两个输出控制端Out1及Out2及几个输入控制端(图未示)，这两个输出控制端Out1及Out2分别连接至三极管Q1及三极管Q2的基极，该驱动控制元件152可以根据输入信号使输出控制端Out1及Out2交替输出高电位，从而实现三极管Q1及三极管Q2的通断控制。接线端122连接在Vcc上，而接线端124及126则分别与三极管Q1及三极管Q2的集电极相连。这种驱动电路150在第一工作周期时，输出控制端Out1处于高电位，三极管Q1导通，电流依次流过绕线端116及绕线端114的线圈后从三极管Q1流出。而在第二工作周期时，输出控制端Out2处于高电位，三极管Q2导通，电流依次流过绕制绕线端117及绕线端115的线圈后从三极管Q2流出。从而使绕线端116和绕线端114及绕线端117和绕线端115的线圈交替通电产生一交变磁场以实现转子140的连续运转。这种驱动电路150的设计方式使马达在某一时刻只有绕线端114和绕线端116或绕线端117和绕线端115处于通电工作状态，而定子绕组110通电产生的旋转力矩M与通电线圈的匝数与电流强度的乘积NI成正比，由于该马达在某一时刻只有一半线圈在通电工作，所以这种驱动方式不能充分利用马达内的所有线圈，所提供的力矩较小。另外马达设计由于受Vcc大小、冷却风扇体积及绕线端绕线空间大小的限制，NI亦不能无限增大，所以使用上述绕线驱动方式难以满足高转速冷却风扇的需要。
图7及图8所示是采用单相双向驱动的直流无刷马达。该直流无刷马达也主要包括一定子绕组110、一转子140及一驱动电路160。该直流无刷马达的线圈是先后依次绕制绕线端114、绕线端115、绕线端116及绕线端117，其中绕线端114与绕线端116为一组，其极性相同；而绕线端115与绕线端117为另一组，其极性与绕线端114及绕线端116相反。该线圈的两端设有接线端132及接线端134。
驱动电路160主要包括一驱动控制元件162，这个驱动控制元件162设有四个输出控制端Out1、Out2、Out3及Out4及几个输入端(图未示)，这四个输出控制端分别对应连接至三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3及三极管Q4的基极。这种驱动电路160在第一工作周期时，输出控制端Out1及Out4处于高电位，三极管Q1及三极管Q4导通，电流流经三极管Q1后依次流过绕线端114、绕线端115、绕线端116及绕线端117，最后从三极管Q4流出。而在第二工作周期时，输出控制端Out2及Out3处于高电位，三极管Q2及三极管Q3导通，电流流经三极管Q2后将反向依次流过绕线端117、绕线端116、绕线端115及绕线端114，最后经三极管Q3流出。这种驱动电路160虽然在同一工作时刻四个绕线端的线圈都处于通电工作状态，有效地利用了整个线圈，但驱动电路160中增加了一个三极管Uce的压降，且四个绕线端采用串联连接的方式也使线圈的阻抗为采用两相单向驱动方法时的一倍，在Vcc为定值时，定子绕组110的最大可输入电流将大大降低，所以也不能得到较大的输出转矩。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种效率高、输出转矩大的风扇用直流无刷马达。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：本发明直流无刷马达主要包括一定子绕组、一转子及一驱动电路，该转子是环设于该定子绕组四周的，该转子内侧设有至少一个磁极；该定子绕组在其四周间隔突设有2倍于磁极个数的绕线端用以绕设线圈，驱动电路包括一驱动控制元件及四个三极管，该驱动控制元件设有输出端口，上述的输出端口是与上述的四个三极管的基极相连的，其中第一三极管的发射极与第三三极管的集电极相连，第二三极管的发射极与第四三极管的集电极相连，该定子绕组的半数绕线端的线圈串联连接后与同样为串联连接的另外半数绕线端的线圈构成并联连接电路，该并联连接电路的一端连接至第一三极管的发射极与第三三极管的集电极之间，而该并联连接电路的另一端则连接至第二三极管的发射极与第四三极管的集电极之间，其中该驱动控制元件可以根据输入信号控制四个三极管的导通与截止，从而使第一工作周期内电流从第一方向流经每个绕线端的线圈，而在第二工作周期内电流从与第一方向相反的第二方向流经每个绕线端的线圈。
在本发明的其中一个实施例中，所设磁极的个数为2，而绕线端的个数为4。
本发明直流无刷马达与常用的双相单向驱动直流无刷马达相比较，本发明直流无刷马达的四个绕线端的线圈在任一时刻都处于通电工作状态，提高了线圈的利用率并相应提高了输出转矩。而与常用的单相双向驱动直流无刷马达相比较，本发明直流无刷马达的驱动电路将四绕线端采用并联的方式连接，其线圈阻抗仅为将四绕线端串联的1/4，将大大提高直流无刷马达的最大可输入电流，从而获得较大的输出转矩。另一方面，本发明直流无刷马达的驱动电路的电阻比上述两种直流无刷马达的驱动电路的电阻都小，而电流在电阻上所作的功不能转换成磁场能，只能转换成无效的热能，所以本发明直流无刷马达也具有较高的效率。
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
图1是本发明直流无刷马达第一实施方式的机械结构图。
图2是本发明直流无刷马达第一实施方式的驱动电路图。
图3是本发明直流无刷马达第二实施方式的机械结构图。
图4是本发明直流无刷马达第二实施方式的驱动电路图。
图5是常用的双相单向驱动直流无刷马达的机械结构图。
图6是常用的双相单向驱动直流无刷马达的驱动电路图。
图7是常用的单相双向驱动直流无刷马达的机械结构图。
图8是常用的单相双向驱动直流无刷马达的驱动电路图。
【具体实施方式】
请参阅图1至图2，本发明直流无刷马达主要是应用于电脑冷却风扇，其第一实施方式主要包括一定子绕组10、一转子40及一驱动电路50。
图1所示为一定子绕组10及一转子40，该转子40内侧设有一环状的永久磁铁42，该永久磁铁42上相对设有两磁极，这两磁极可与定子绕组10通电产生的交变磁场相作用，产生一转矩以驱动该转子40旋转。该定子绕组10是用硅钢片制成的，其中央开设有一通孔12以供该定子绕组10套设固定至风扇底座(图未示)。该定子绕组10向外间隔突设有四个绕线端14、15、16、17。线圈是先同向绕制绕线端14和绕线端16(即当电流流过绕制在绕线端14和绕线端16上的线圈时，绕线端14和16产生的外侧磁场极性相同)，从而组成一对磁极。线圈引出一接线端22后再同向绕制绕线端17和绕线端15，从而组成另一对磁极。其中绕线端17和绕线端15产生的磁场极性与绕线端14和绕线端16产生的磁场极性是相反的。其中该线圈的两端还设有接线端24和接线端26。
图2所示为该直流无刷马达采用的驱动电路50，其主要包括一驱动控制元件52(如LB11961 IC或LB11962 IC等)。这个驱动控制元件52设有四个输出控制端Out1、Out2、Out3及Out4，其分别对应与三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3及三极管Q4的基极相连。该驱动控制元件52另外还设有多个输入端(图未示)，该驱动控制元件52可根据由输入端输入的控制信号(如霍尔元件位置感测信号或PWM控制信号)对输出控制端Out1、Out2、Out3及Out4的输出状态进行控制。其中三极管Q1的集电极是与电源Vcc相连的，其发射极则连接在三极管Q3的集电极上，三极管Q3的发射极接地。三极管Q2的集电极也与电源Vcc相连，其发射极则连接在三极管Q4的集电极上，三极管Q4的发射极接地。接线端22连接在三极管Q1的发射极与三极管Q3的集电极之间，而接线端24和接线端26短接后则连接在三极管Q2的发射极与三极管Q4的集电极之间。驱动电路50在第一工作周期时，输出控制端Out1及Out4处于高电位，输出控制端Out2及Out3处于低电位，三极管Q1及三极管Q4导通，三极管Q2及三极管Q3截止。驱动电流将经三极管Q1后正向流过由绕线端16和绕线端14及绕线端17和绕线端15构成的并联绕线组，最后从三极管Q4流出。而在第二工作周期时，输出控制端Out2及Out3处于高电位，Out1及Out4处于低电位，三极管Q2及三极管Q3导通，而三极管Q1及三极管Q4截止。驱动电流流经三极管Q2后将反向流过由绕线端16和绕线端14及绕线端17和绕线端15构成的并联绕线组，最后从Q3流出。交替换向流经定子绕组10的驱动电流产生一交变磁场，从而驱动转子40连续运转。
将本发明直流无刷马达应用于7015系列电脑冷却风扇(该风扇的规格为70×70×15mm)，经实验测得的实验数据如下表所示：
  7015风扇   两相单向驱动马达   单相双向驱动马达   本发明的马达
  转速   5700RPM   5200RPM   5700RPM
  电流   0.7A   0.42A   0.46A
  绕线空间   绕满   绕满   未绕满
从上述的数据比较可得知，7015风扇在采用两相单向驱动马达时，当线圈绕满绕线端之间的绕线空间时，其转速可达5700RPM，但其驱动电流高达0.7A。当7015风扇采用单相双向驱动马达时，即使线圈绕满绕线端之间的绕线空间，其最高转速也仅达到5200RPM。而采用本发明的直流无刷马达时，即使线圈尚未绕满绕线端之间的绕线空间，风扇转速已能达到5700RPM，其驱动电流也仅为0.46A，如果线圈绕满绕线端之间的绕线空间，风扇的转速还可以进一步提高。可见采用本发明直流无刷马达的风扇具有转速高，效率高的优点。
请一并参阅图3及图4，本发明直流无刷马达的另一实施方式主要包括一定子绕组10、一转子40及一驱动电路60。
该定子绕组10与上述的定子绕组10的不同之处在于本实施方式的线圈是先依次反向绕制绕线端14和绕线端15(即通电时绕线端14和15产生的外侧磁场极性相反)，抽出一接线端22后，再依次反向绕制绕线端16和绕线端17。从而使得相邻绕线端的极性相反，而相对绕线端的极性相同。该驱动电路60与上述的驱动电路50的不同之处在于驱动电路60中的绕线端15是和绕线端14串联后，再与绕线端16和绕线端17构成并联的电连接关系，其工作原理与上述的第一实施方式相同。
本发明不仅仅可应用于常用的2磁极/4定子槽的直流无刷马达中，也可同样类似地应用于其他磁极数∶定子槽数＝1∶2的直流无刷马达中。另外，上述的驱动控制元件52也可以只设有输出控制端Out1及Out2，而连接时只须将输出控制端Out1同时与三极管Q1及三极管Q4的基极相连，并将输出控制端Out2同时与三极管Q2及三极管Q3的基极相连也可以达到相同的控制效果。

Claims (11)

1.一种直流无刷马达，其主要包括一定子绕组、一转子及一驱动电路，该转子是环设于该定子绕组四周的，该转子内侧设有至少一个磁极；该定子绕组在其四周间隔突设有2倍于磁极个数的绕线端用以绕设线圈；该驱动电路包括一驱动控制元件及四个三极管，该驱动控制元件设有输出端口，上述的输出端口是与上述的四个三极管的基极相连的，其中第一三极管的发射极与第三三极管的集电极相连，第二三极管的发射极与第四三极管的集电极相连，其特征在于：该定子绕组的半数绕线端的线圈串联连接后与同样为串联连接的另外半数绕线端的线圈构成并联连接电路，该并联连接电路的一端连接至第一三极管的发射极与第三三极管的集电极之间，而该并联连接电路的另一端则连接至第二三极管的发射极与第四三极管的集电极之间，其中该驱动控制元件可以根据输入信号控制四个三极管的导通与截止，从而使第一工作周期内电流从第一方向流经每个绕线端的线圈，而在第二工作周期内电流从与第一方向相反的第二方向流经每个绕线端的线圈。
2.如权利要求1所述的直流无刷马达，其特征在于：上述每个绕线端的线圈是先同向间隔绕制于该定子绕组的半数绕线端，抽出一接线端后再同向间隔绕制于该定子绕组另外的半数绕线端，其中上述的半数绕线端的极性是与上述的另外的半数绕线端的极性相反的。
3.如权利要求2所述的直流无刷马达，其特征在于：上述接线端是连接至第一三极管的发射极与第三三极管的集电极之间，而同向间隔绕制于该定子绕组的半数绕线端上的线圈与上述接线端相对的一端设有另外一接线端，同向间隔绕制于该定子绕组另外的半数绕线端上的线圈与上述接线端相对的一端也设有另外一接线端，该两个另外一接线端是短接后连接至第二三极管的发射极与第四三极管的集电极之间的。
4.如权利要求1所述的直流无刷马达，其特征在于：上述每个绕线端的线圈是先依次绕制于该定子绕组的半数绕线端，抽出一接线端后再依次绕制于该定子绕组另外的半数绕线端，其中相邻绕线端的极性是相反的。
5.如权利要求4所述的直流无刷马达，其特征在于：上述接线端是连接至第一三极管的发射极与第三三极管的集电极之间，而依次绕制于该定子绕组的半数绕线端上的线圈与上述接线端相对的一端设有另外一接线端，依次绕制于该定子绕组另外的半数绕线端上的线圈与上述接线端相对的一端也设有另外一接线端，该两个另外一接线端是短接后连接至第二三极管的发射极与第四三极管的集电极之间的。
6.如权利要求1所述的直流无刷马达，其特征在于：上述磁极的个数为2，绕线端的个数为4。
7.如权利要求4所述的直流无刷马达，其特征在于：上述驱动控制元件设有四个输出端口，每个输出端口对应与一个三极管的基极相连，每一工作周期有两个输出端口为高电平，而另外二个输出端口为低电平。
8.如权利要求1所述的直流无刷马达，其特征在于：上述直流无刷马达主要是应用于电脑冷却风扇。
9.如权利要求1所述的直流无刷马达，其特征在于：上述第一三极管与第二三极管的集电极连接至电源，而第三三极管与第四三极管的发射极接地。
10.如权利要求1所述的直流无刷马达，其特征在于：上述驱动控制元件设有四个输出端口，该四个输出端口一一对应与上述四个三极管的基极相连。
11.如权利要求1所述的直流无刷马达，其特征在于：上述驱动控制元件设有两个输出端口，其中一个输出端口同时与第一三极管及第四三极管的基极相连，另一个输出端口同时与第二三极管及第三三极管的基极相连。
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