CN100499323C - 无感无刷直流马达及采用该马达的风扇 - Google Patents

Abstract

一种用于风扇的无感无刷直流马达，其包括一定子、转子及用于驱动控制该马达的驱动控制电路，该定子包括一定子铁心及设置于该定子铁心上的定子线圈，该定子线圈与该驱动控制电路电性连接，该转子包括一永久磁铁，该定子于该定子铁心上进一步设一感应线圈，该感应线圈与该驱动控制电路电性连接。该马达中感应线圈可输出正向与负向交替的感应信号，可完全替代现有霍尔感应器而与现有驱动控制电路配合使用。

Description

无感无刷直流马达及采用该马达的风扇

【技术领域】

本发明涉及无刷直流马达，尤指一种无位置传感器的无感无刷直流马达及采用该马达的风扇。

【背景技术】

图1为一普通无刷直流风扇的剖视图。该无刷直流风扇主要包括一定子1及转子2。定子1大致包括多数叠置在一起的硅钢片10、圈绕在硅钢片10上的定子线圈12及一设有马达驱动控制电路的电路板14。该转子2包括一扇轮20及设于扇轮20内部的环形磁条22。该电路板14上安装有一位置侦测元件15，用于在转子2旋转时侦测转子2的位置，通常该位置侦测元件15为一霍尔感应器(Hall Sensor)。

请一起参阅图1及2，硅钢片10具有四个极臂11，该定子线圈12圈绕于这些极臂11上，并引出二个接线端OUT1及OUT2。该二个接线端OUT1、OUT2电性连接于电路板14的电路中，以对定子线圈12供电，使定子线圈12产生磁场，该定子线圈12产生的磁场与永久磁铁22的磁场磁性吸引及排斥作用从而推动转子2旋转。该霍尔感应器15的位置正对磁条22的位置。

该磁条22沿圆周方向被磁化成多数交替的N、S极。对于定子线圈12而言，旋转中的转子2的磁场方向呈交替性变换。为利用磁性吸引与排斥力持续推动转子2旋转，定子线圈12产生的磁场也应跟随转子2的磁场变换作交替性变化。为使电子线圈12产生该交替性变换的磁场，流过定子线圈12的电流方向即应该作交替性变换，此一过程称为马达的换向。

请继续一起参阅图3，该霍尔感应器15及该驱动控制电路完成该换向的任务。该霍尔感应器15首先感应转子2在旋转方向上的位置，当侦测到磁条22的N极或S极到来时，该霍尔感应器15向驱动控制电路发出信号，使该驱动控制电路变换定子线圈12的电流方向。

请参阅图4，霍尔感应器15通过感应转子2的位置，输出信号为一正弦波电压控制信号，具有交替的正向及负向电压输出。在正向电压信号的激励下，该驱动控制电路可输出一流过电子线圈12的一种方向的电流，在负向电压信号的激励下，该驱动控制电路可输出流过电子线圈12的另一种相反方向的电流。因此，在该霍尔感应器15的电压控制信号的控制下，该驱动控制电路可实现马达的换向。

虽然使用霍尔感应器15能够实现马达的换向，但霍尔感应器15在某些方面对马达的发展也造成限制。为能准确感应转子2的位置，霍尔感应器15需精确安装及定位在电路板14上，但为顺应电子产品日益轻薄短小的趋势，马达不得不制作得越来越小，在狭小的马达内部空间寻找适当位置安装及定位该霍尔感应器15亦变得越来越困难。

另外，特别对于风扇而言，电路板14设置于风扇的气流通道上，其不可避免地会对风扇的风量及风压造成负面影响。为寻求理想的风量与风压，该电路板14最好能避免设置在风扇内部。然而由于该霍尔感应器15一定要设置于与转子2对应的位置，使得该电路板14一定要安装在风扇内部。

而且，该霍尔感应器15有一定的工作温度范围，一般不能超过150摄氏度，因此采用这种霍尔感应器15的马达无法在许多高温场合使用。

鉴于以上霍尔感应器的限制，业界也开发有不采用霍尔感应器的无刷马达(无感无刷直流马达)。最有代表性的一种是利用定子线圈的反电动势(Back Electromotive Force，BEMF)信号来控制驱动控制电路，从而实现电流的换向。如通过使用Micro Liner公司开发的芯片ML4410及ML4411，为无感无刷直流马达驱动提供控制器，对马达驱动电路进行操作。另外，在美国专利第4928043号中，使用一种锁相环锁相跟踪反电动势，来完成对转子的位置侦测。

然而以上种种方式皆需要重新设计新的马达驱动控制电路，无疑将增加马达的电路设计成本。

有鉴于此，业者一直期望能开发出一种低成本的无感无刷直流马达。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：现有的无感无刷直流马达利用芯片或利用锁相环锁相跟踪反电动势，均使无感无刷直流马达需要重新设计驱动控制电路，相对使得马达设计成本居高不下。

为解决上述技术问题，本发明无感无刷直流马达包括一定子、转子及用于驱动控制该马达的驱动控制电路，该定子包括一定子铁心及设置于该定子铁心上的定子线圈及感应线圈，该定子线圈及感应线圈与该驱动控制电路电性连接，该转子包括一永久磁铁，当该永久磁铁旋转时，该感应线圈产生正向与负向交替的感应电压并将该感应电压输入该驱动控制电路中，以切换该定子线圈的电流方向。

本发明马达中，由于感应线圈产生的感应电压的信号，可完全代替传统霍尔元件的功能，而且不需要重新设计驱动控制电路，相较于利用反电动势侦测转子位置而言，本发明可明显降低需重新电路设计产生的成本。

【附图说明】

图1是一种现有风扇的剖面图。

图2是现有风扇马达的俯视图。

图3是现有风扇马达的驱动电路框图。

图4是现有霍尔传感器的输出信号与定子线圈电流对照波形图。

图5是本发明风扇马达的俯视图。

图6是图5的局部放大图。

图7是本发明感应线圈的输出信号与定子线圈电流对照波形图。

图8是本发明风扇的基本架构示意图。

图9是本发明另一实施例的风扇马达的局部示意图。

【具体实施方式】

本发明的设计出发点在于希望在不改变传统无刷直流马达电路设计的状况下，在马达结构中设计一种能够侦测转子位置的装置，利用该装置来代替传统马达中的霍尔感应器。为使该装置能配合传统无刷直流马达的驱动控制电路，该装置需能根据转子的运转适时地输出控制信号，从而使该驱动控制电路达到变换电流的功能。

下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步说明。

图5是具有本发明特征的无感无刷直流马达的部分元件的俯视图。该无感无刷直流马达(下称[马达])包括一具有四个极臂32的硅钢片组30，这些极臂32上圈绕有定子线圈34，该定子线圈34具有二个接线头OUT1、OUT2，该二个接线头OUT1、OUT2电性连接于一电路板(图未示)中，利用该电路板的电路供电，该定子线圈34可产生磁场。该定子线圈34外围设有一环形磁条40，沿周向被交替磁化成多个N极与S极。该定子线圈34通电产生的磁场与该磁条的磁场磁性作用，而促使该磁条40旋转。该磁条40用于与其它欲旋转的物体接合共同构成一马达转子，如风扇扇叶、磁盘或光盘的承载机构等。当磁条40被推动时，该风扇扇叶随之旋转从而产生气流，或者该磁盘、光盘的承载机构随之旋转进而带动磁盘或光盘转动。

为侦测转子的位置，该马达于其中一个极臂32上设置一感应线圈50，该感应线圈50具有二个接线头L1、L2，该二个接线头L1、L2与电路板的驱动控制电路连接，并输出控制信号来控制该驱动控制电路。

请一起参阅图6及图7，下面介绍该感应线圈50的工作原理。

图6是马达结构的局部放大图。该极臂32上圈绕有两种线圈，一种是用于通电产生磁场的定子线圈34，另一种是该感应线圈50。

图6显示当N极到来时的情形，该感应线圈50在该磁条40的磁场的作用下产生感应电动势：

e＝N*dΦ/dt

其中，N表示感应线圈50的圈数，dΦ/dt表示磁条40的穿过感应线圈50的磁通量变化率。

因此，当感应线圈50圈数越多，磁条40转速越快，所产生的感应电动势越大，反之越小。

该感应线圈50内的感应电流的方向如图中感应线圈50上的箭头所示。

当磁条40的S极到来时，该感应线圈50将产生一方向相反的感应电动势，线圈内的感应电流也相反从图中可看出，感应线圈50可根据磁条40的N极及S极的位置变化，输出交替变化的正向与负向电压，因此，现有驱动控制电路无需重新设计即可与该感应线圈50配合使用。

需要指出，在该感应线圈50输出的感应电动势波形中，如图7的圈A部分所示，出现的电压信号跳动现象是磁条40的磁力线与硅钢片组30的磁力线共同作用的结果。具体说明如下：N极到来时，N极磁力线与感应线圈50依照法拉第定律(Faraday’s Law)将产生e₁＝N*dΦ/dt，而当N极通过之后，在S极到达时，依照楞次定律(Lenz’s Law)感应线圈50将会产生一阻止磁通变化的电压，即e₂＝-N*dΦ/dt，所以在N极变换成S极或S极变换成N极时，感应线圈50的感应电压：

e＝e₁-e₂＝(N*dΦ/dt)-(-N*dΦ/dt)＝2N*dΦ/dt

从上式可知，N极变换成S极或S极变换成N极一瞬间，感应线圈50的感应电压将跳变为2倍。而此种现象只是一暂态，所以产生如图7的圈A部分的电压跳变情形。但在该马达中，该感应电动势信号主要是当作一种控制信号使用，只要其能够输出正向与负向电压交替的波形，即使出现该种电压信号跳动也不会对马达造成影响。

该马达具体工作过程为：当N极到来时，感应线圈50输出正向电压，驱动控制电路输出一种方向的流过定子线圈34的驱动电流；当S极到来时，感应线圈50输出负向电压，驱动控制电路输出一相反方向的流过定子线圈34的驱动电流。这就是说，当磁条40在转动过程中，感应线圈50能够侦测到磁条40的N极及S极的位置，并能够根据该N极及S极的位置变化变换驱动电流的方向。

由上述介绍可知，该感应线圈50可完全取代现有的霍尔感应器，并且不需要对现有的驱动控制电路作重新设计。

请参阅图8，为一采用该马达的风扇结构示意图。该风扇包括一扇框60、一定位在扇框60中的定子70及一绕设在定子70周围的转子80。由于无需设置霍尔感应器等位置侦测元件，因此设有风扇驱动控制电路的电路板75可脱离于该定子70而设置于该扇框60外面。因此，本发明可完全消除电路板对风扇风量及风压的负面影响，而且风扇的高度也得以降低。甚至，为增加马达功能设计的弹性，该风扇驱动控制电路可整合于其它外部系统电路中，如应用于计算机散热时，可将该风扇驱动控制电路整合于计算机主机板中，从而可利用中央处理器来精确控制风扇的运行状态。

上述实施方式中，感应线圈50是圈绕在任何一极臂32上。也可将感应线圈50设在二相邻极臂32间所增设的臂部90上。如图9所示，仍可达到上述的功能及优点。

以上是以风扇为例来介绍本发明的马达，可以理解，该马达还可用于硬盘，光驱等资讯产品中。

Claims (14)

1.一种无感无刷直流马达，其包括一定子、转子及用于驱动控制该马达的驱动控制电路，该定子包括一定子铁心及设置于该定子铁心上的定子线圈，该定子线圈与该驱动控制电路电性连接，该转子包括一永久磁铁，其特征在于：该定子于该定子铁心上进一步设一感应线圈，该感应线圈与该驱动控制电路电性连接，并在所述永久磁铁旋转作用下产生正向与负向交替的感应电压，该感应电压输入所述驱动控制电路中，以切换所述定子线圈的电流方向，从而推动所述转子持续旋转。

2.如权利要求1所述的无感无刷直流马达，其特征在于：该定子铁心具有数个极臂，该定子线圈圈绕于所述极臂上，该感应线圈圈绕于其中任意一极臂上。

3.如权利要求1所述的无感无刷直流马达，其特征在于：该定子铁心具有数个用于圈绕定子线圈的极臂，该定子铁心进一步于两相邻极臂之间设置一另一臂部，该感应线圈圈绕于该另一臂部上。

4.如权利要求1至3其中任意一项所述的无感无刷直流马达，其特征在于：该驱动控制电路设置于一电路板上，该电路板位于该无感无刷直流马达外部。

5.如权利要求1至3其中任意一项所述的无感无刷直流马达，其特征在于：所述转子的永久磁铁为设置在所述定子外围的环形磁条，并沿周向交替分布多个N极与S极。

6.如权利要求1所述的无感无刷直流马达，其特征在于：所述定子铁心上仅设一个感应线圈。

7.一种风扇，包括一定子及一转子，该定子包括一当通电时产生电磁场的定子线圈，该定子线圈与一风扇驱动控制电路电性连接，该转子包括一用于产生永久磁场的永久磁铁及一携带该永久磁铁的扇轮，该电磁场与该永久磁场相互作用从而推动该转子的扇轮转动，其特征在于：该定子进一步包括一与所述风扇驱动控制电路电性连接的感应线圈，当该风扇运转时，该感应线圈在所述永久磁铁旋转作用下产生正向与负向交替的感应电压，该感应电压的正向与负向交替作为定子线圈电流的换向控制信号。

8.如权利要求7所述的风扇，其特征在于：该风扇驱动电路设置于一电路板上，该电路板与该定子在空间上分离设置。

9.如权利要求8所述的风扇，其特征在于：该风扇驱动电路整合于一风扇外部系统电路中。

10.如权利要求9所述的风扇，其特征在于：该外部系统电路是一计算机主机板电路。

11.如权利要求7至10其中任意一项所述的风扇，其特征在于：该定子铁心具有数个用于圈绕定子线圈的极臂，该感应线圈圈绕于其中任何一极臂上。

12.如权利要求7至10其中任意一项所述的风扇，其特征在于：该定子铁心具有数个用于圈绕定子线圈的极臂，该定子铁心进一步于两相邻极臂之间设置一另一臂部，该感应线圈圈绕于该另一臂部上。

13.如权利要求7至10其中任意一项所述的风扇，其特征在于：所述转子的永久磁铁为设置在所述定子外围的环形磁条，并沿周向交替分布多个N极与S极。

14.如权利要求7至10其中任意一项所述的风扇，其特征在于：所述定子铁心上仅设一个感应线圈。

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