CN107231062A - 冷却风扇及应用该冷却风扇的风冷冰箱 - Google Patents

冷却风扇及应用该冷却风扇的风冷冰箱 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种冷却风扇以及应用该冷却风扇的风冷冰箱。该冷却风扇包括同步电机(10)和叶轮(80)。同步电机(10)包括定子(30)和可相对定子(30)旋转的永磁转子(80)，所述永磁转子(80)包括转轴(81)和套设于转轴的永磁体转子主体，所述定子(30)包括定子磁芯(31)及缠绕于定子磁芯上由一交流电源供电的定子绕组(51)，所述电机每次通电时，所述转子主体具有预定的起动方向并在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是所述永磁转子的极对数。所述叶轮(100)连接至所述转轴(81)以受所述转轴(81)驱动而旋转。本发明提供的冷却风扇具有结构紧凑的优点，并且降低了成本。

Description

冷却风扇及应用该冷却风扇的风冷冰箱
技术领域
本发明涉及一种冷却风扇，以及应用该冷却风扇的风冷冰箱。
背景技术
冷却风扇作为现有的各种电器的重要元件之一，其结构、体积大小影响着整个电器的结构及性能，而如何兼顾成本及电机的性能则成为了冷却风扇的主要课题。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明一方面提供一种冷却风扇，包括：同步电机，包括定子和可相对定子旋转的永磁转子，所述永磁转子包括转轴和套设于转轴的永磁体转子主体，所述定子包括定子磁芯及缠绕于定子磁芯上由一交流电源供电的定子定子绕组，所述电机每次通电时，所述转子主体具有固定的起动方向并在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是所述永磁转子的极对数；以及叶轮，所述叶轮连接至所述转轴以与所述转轴始终保持同步旋转。
作为本发明的一种改进方案，所述转子主体与所述叶轮中，其中之一与所述转轴之间为刚性连接以进行同步转动，其中之另一与所述转轴之间为软性连接以进行相对转动并且还连接有延时同步装置以逐步实现同步转动。
作为本发明的一种改进方案，所述延时同步装置包括固定座和缓冲机构，所述固定座固定到所述转轴，所述缓冲机构一端连接到所述固定座，另一端连接到所述转子主体与所述叶轮中与所述转轴滑动连接的一者。
作为本发明的一种改进方案，所述叶轮具有一安装部以安装到所述转轴，所述安装部与所述转轴之间为滑动配合；所述冷却风扇还包括延时同步装置，所述延时同步装置包括固定座和缓冲机构，所述固定座固定到所述转轴，所述缓冲机构的两端分别连接到所述固定座和所述安装部，用于延时地同步所述固定座和所述安装部的转速。
作为本发明的一种改进方案，所述缓冲机构为套设到所述转轴的内外径都可变的弹性件。
作为本发明的一种改进方案，所述弹性件为螺旋弹簧。
作为本发明的一种改进方案，所述延时同步装置还包括保护套筒，所述保护套筒环绕在所述弹性件外周。
作为本发明的一种改进方案，所述保护套筒的一端与所述安装部固定，另一端活动套设到所述固定座。
作为本发明的一种改进方案，所述定子磁芯具有方形轭部、分别从所述方形轭部相对的两个内壁上分别向内伸出的两个凸极，所述凸极具有用于安装所述定子绕组的绕线部、从所述绕线部径向内端向周向两侧伸出的弯曲的极靴；所述永磁转子收容于所述极靴围成的腔体内。
作为本发明的一种改进方案，每个所述凸极的径向外端与所述方形轭部的内壁设有凹凸卡扣结构用于连接所述凸极与所述方形轭部。
作为本发明的一种改进方案，所述永磁转子的每个所述永磁极的外侧表面为弧面，使所述永磁极与所述极靴之间形成厚度非均匀的气隙，所述气隙关于定子凸极的中心线对称。
作为本发明的一种改进方案，所述两个凸极的极靴之间存在磁阻较大的磁桥或槽口；所述气隙在所述磁桥或槽口处具有最大的厚度，沿远离所述磁桥或槽口的方向气隙的厚度逐渐减小。
作为本发明的一种改进方案，所述冷却风扇还包括驱动电路，所述定子绕组与一外部交流电源串联于第一、第二节点之间，所述驱动电路包括可控双向交流开关、与所述双向交流开关并联于所述第一、第二节点之间的交流-直流转换电路、位置传感器及开关控制电路，所述交流-直流转换电路在所述可控双向交流开关导通时由于所述第一、第二节点被短路而无电流流过；所述开关控制电路被配置为依据所述位置传感器检测的转子磁极位置信息和所述外部交流电源的极性信息，控制所述可控双向交流开关以预定方式在正半波或负半波导通与截止状态之间切换，使所述定子绕组在电机启动阶段仅沿着预定的启动方向拖动所述转子转动。
作为本发明的一种改进方案，还包括绝缘架，位于所述定子磁芯与所述定子绕组之间，所述绝缘架由分别安装到所述定子磁芯的两个轴向端面的上绝缘架和下绝缘架构成；所述上绝缘架和下绝缘架均为一体成型件，分别覆盖所述两个凸极的两个轴向端面。
作为本发明的一种改进方案，所述上绝缘架与下绝缘架中，每一者均包括：极靴绝缘部，用于绝缘所述凸极的极靴，包括用于覆盖到所述极靴的轴向端面的近似于环状的面板、以及从所述近似于环状的面板外周延伸出来的用于覆盖所述极靴外周表面的侧壁；两个绕线绝缘部，分别连接到所述极靴绝缘部的两端；每个所述绕线绝缘部包括用于覆盖到所述凸极的绕线部的轴向表面的面板、从所述面板两侧延伸出来的用于覆盖所述绕线部外周表面的侧壁。
作为本发明的一种改进方案，所述定子还包括外壳，所述外壳内壁具有环形闭合的台阶用于支撑所述方形轭部的轴向端面、具有若干凸块用于抵顶所述方形轭部的外侧表面。
本发明还提供一种风冷冰箱，其包括冷却风扇收容腔，用于安装本发明第一方面提供的冷却风扇。
本发明提供冷却风扇具有结构紧凑的优点，并且降低了成本。
通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明实施例的冷却风扇的结构示意图。
图2为本发明实施例的冷却风扇的剖视示意图。
图3和图4为图1所示的冷却风扇的叶轮结构示意图。
图5为图1所示的冷却风扇的电机的爆炸示意图。
图6为图5所示电机的绝缘架结构示意图。
图7是图5所示电机移除了外壳、绝缘架和定子绕组后的平面示意图；
图8为图5所示电机的永磁转子的结构示意图。
图9为本发明实施例的冷却风扇的驱动电路示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提供一种冷却风扇200，包括同步电机10以及受同步电机10驱动的叶轮100。本发明的冷却风扇200尤其适用于风冷冰箱内冷凝管的冷却，其中，冷却风扇200可安装于风冷冰箱的收容腔如冷冻室内，叶轮100产生的气流直接吹向冷冻室内的冷凝管。
同步电机10可安装于电机外壳内，电机外壳由电机顶盖13以及电机底盖17组成。顶盖13、底盖17分别设置有轴承座14、18，轴承座14、18分别安装有轴承15、19用于支撑转轴81，使转轴81能够相对于电机外壳转动。
叶轮100与转轴81滑动配合，并且，叶轮100与转轴81之间还连接有延时同步装置110，从而在叶轮100与转轴81之间形成软性连接。具体地，叶轮100包括主体部104以及连接到主体部104的若干叶片102；主体部104直接安装到转轴81，并且还连接到延时同步装置110，延时同步装置110安装到转轴81。
参考图2至图4，叶轮100的主体部104中心为安装部106，安装部106设安装孔供转轴81插入，安装部106与转轴为滑配，即，转轴81刚开始转动时，因为叶轮100体积较大、重量较大，从而具有较大的转动惯性，此时允许叶轮100与转轴81之间存在转速差，从而降低转轴81的输出转矩要求。叶轮100与转轴81的转速同步，主要是通过具有缓冲功能的延时同步装置110实现。
延时同步装置110包括固定座112、内外径都可变的弹性件121。其中，固定座112固定套设到转轴81从而可随着转轴81转动，可以理解地，固定座112也可以通过类似花健等的连接方式活动连接至转轴，只要能保持两者同步旋转即可。本实施例中，弹性件121为螺旋弹簧，套设到转轴81，一端固定或者活动连接到固定座112并可与固定座同步旋转，另一端固定或者活动连接到叶轮的安装部106并可与叶轮的安装部106同步旋转。
当转轴81从静止状态开始转动时，固定座112与转轴81同步旋转，转轴81与叶轮100之间存在转速差，也就是固定座112的转速大于叶轮100的安装部106的转速，弹性件121的靠固定座112一端被旋紧从而内径缩小并最终与固定座112同步转动；弹性件121的靠叶轮100一端最终也会被旋紧从而内径缩小并最终与固定座112同步转动。因此，弹性件121作为一种缓冲机构，逐渐地将固定座112的转速同步到叶轮的安装部106，使叶轮100最终与转轴81同步转动。延时同步装置110所提供的缓冲功能降低了对电机10的输出转矩的要求，避免了电机10驱动叶轮100失败的情况。
当转轴81由转动状态变为停止的过程中，叶轮100因为具有较大的转动惯性在初期具有比转轴81更大的转速，此时，弹性件121的靠叶轮端被旋松，内径增大，并最终导致整个弹性件121被旋松、内径增大，该过程中，弹性件121也作为一种缓冲件，一方面抑制叶轮100的转速，另一方面使叶轮100与转轴81最终达到转速同步。
为了避免弹性件121内径增大超过极限，可以增设保护套筒108。保护套筒108环绕在弹性件121外周，用于限制弹性件121的最大外径，从而避免弹性件121被旋松的过程中超过极限而受损。本实施例中，固定座112自下而上包括盘体114、凸台116、毂部118；其中，盘体114的直径稍大于凸台116，且凸台的外壁与保护套筒108的内壁微紧配，而作为弹性件121的螺旋弹簧则套设在毂部118上。当然，弹性件121不局限于采用螺旋弹簧。可以理解地，能够缓冲地或延迟地同步固定座112与安装部106两者的转速的缓冲件都可用于代替弹性件121。
请参照图5和图6，电机10包括定子30以及可转动地安装到定子30的永磁转子80。定子30包括定子磁芯31、安装到定子磁芯31的绝缘线架55、通过绝缘线架55绕设在定子磁芯31上的定子绕组51。其中，定子磁芯31包括方形轭部33、从方形轭部33相对的两个内壁上分别向内伸出的一个凸极36，每个凸极36具有用于安装定子绕组51的绕线部38、从绕线部38径向内端向周向两侧伸出的弯曲的极靴41。本实施例中，凸极36的径向外端与方形轭部33的内壁设有凹凸卡扣结构39；具体地，该凹凸卡扣结构39包括设置在凸极36的径向外端的燕尾榫37以及设置在方形轭部33的内壁的与燕尾榫37相匹配的燕尾槽34。
上述两个凸极36的极靴41围成一个近似于圆柱形的腔体，永磁转子80收容于该腔体内；此外，在该圆柱形的腔体内壁上沿电机轴向设有定位凹槽46，优选地，定位凹槽46设置在每个极靴41的中心位置，如此设计的电机通过配合不同旋向的弹性件121可实现转子双方向启动，当然，定位凹槽46也可以设置在极靴41偏离中心的位置，如此设计的电机转子朝一个方向的启动能力优于朝另一方向的启动能力。请同时参照图6，永磁转子80包括转轴81、固定套设到转轴81的转子主体。转子主体包括永磁体制成的永磁极85，可选地，转子主体包括固定套设到转轴81的转子磁芯以及安装到转子磁芯的永磁极85。每个永磁极85的外侧表面为弧面。优选地，永磁极85与极靴41之间形成厚度不均匀的气隙47。本实施例中，上述两个凸极36的极靴41之间存在磁阻较大的槽口43，该槽口43也可以用磁桥替换。气隙47在槽口/磁桥43处具有最大的厚度，沿远离槽口/磁桥43的方向气隙47的厚度逐渐减小。优选地，气隙47的厚度关于定子凸极36的中心线对称，从而形成对称非均匀气隙。非均匀气隙的设置可降低电机的齿槽转矩从而改善噪音。定位凹槽46的设置可以使得永磁转子80在静止时其磁极中心相对于定子极的中心偏移一个预定角度，避免转子80停在死点位置即转子磁极正对定子极的位置。
本实施例中，转轴81与转子主体之间为固定/刚性连接从而能够进行同步转动，转轴81与叶轮100之间为滑动/软连接从而允许相对转动，并且，转轴81与叶轮100之间还连接有延时同步装置110，用于逐渐同步转轴81与叶轮100的转速。作为一种替换方案，转轴81与叶轮100之间为固定连接/刚性连接，转轴81与转子主体之间为滑动连接/软性连接，并且转轴81与转子主体之间连接有延时同步装置110。
本实施例中，转子80中的永磁极85至少为一块永磁体形成，定子绕组51与一交流电源串联时转子80在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是所述转子的极对数。图6中定子和转子均具有两个磁极。可以理解的，在更多实施例中，定子和转子也可以具有更多磁极，例如四个、六个等。
本实施例中，定子磁芯31的方形轭部33为长方形，具有两条较长侧边以及两条较短侧边。上述两个凸极36分别连接到两条较短侧边，如此，凸极36的长度可以做得较长，从而能够安装更大的定子绕组51。可以理解地，定子磁芯31的轭部不限于方形，还可以是环形，U形等。
电机外壳的顶盖13和底盖17具有基本相同的结构。下文以底盖17为例去描述。底盖17整体上呈方形的盖子状，具有内腔21，内腔21的内壁具有环形闭合的台阶23从而使内腔21在底盖17的开口处具有更大的尺寸，在靠底盖17的底部处具有更小的尺寸。该环形的台阶23支撑定子磁芯31的方形轭部33的轴向端面。内腔21的靠底盖17的开口处的内壁27还设有若干凸块28，具体地，该若干凸块28设置在环形的台阶23的上方，在装配时，该若干凸块28抵顶到定子磁芯31的方形轭部33的外周表面，从而将定子磁芯31稳定地安装在顶盖13、底盖17组成的外壳内。
请参照图6和图7，本实施例中，绝缘线架55由上绝缘架56和下绝缘架57构成，上绝缘架56和下绝缘架57分别安装到定子磁芯31的两个轴向端面，用于覆盖两个凸极36的轴向表面以及相应的外周侧面。上绝缘架56和下绝缘架57的结构基本相同，下面以下绝缘架57为例进行描述。
下绝缘架57包括极靴绝缘部65、分别连接到极靴绝缘部65两端的绕线绝缘部61。极靴绝缘部65用于绝缘上述两个凸极36的极靴41，极靴绝缘部65包括用于覆盖到极靴41的轴向端面的近似于环状的面板65a、以及从面板65a外周延伸出来的用于覆盖极靴41外周表面的侧壁65b，侧壁65b的外侧表面在对应于磁桥43的位置具有凸棱69，此外，侧壁65b的内侧表面在对应于磁桥43的位置具有凹槽67，本实施例中，凹槽67就设置在凸棱69上。每个绕线绝缘部61用于对凸极36的绕线部38进行绝缘，绕线绝缘部61包括用于覆盖到凸极36的绕线部38的轴向表面的面板61a、从面板61a两侧延伸出来的用于覆盖绕线部38外周表面的侧壁61b。每个绕线绝缘部61具有两个隔板63用于限定定子绕组51的位置。每块隔板63均连接到面板61a及侧壁61b的端部。优选地，绝缘架57还具有若干加强片64，加强片64连接于隔板63与极靴绝缘部65之间，例如，连接于隔板63与面板65a之间，或者连接于隔板63与侧壁65b之间。下绝缘架57是一体成型件。
参考图6和图8，本实施例中，永磁转子80具有固定安装至转轴81的永磁转子磁芯83，永磁极85安装至永磁转子磁芯83的外表面。永磁转子磁芯83的外周表面设有若干轴向延伸的凸棱84，每个凸棱84位于每两个永磁体85的分界处。在本发明的替换实施例中，永磁极85也可以直接安装到转轴81上。
图9示出本发明的同步电机驱动电路的结构框图。在驱动电路70中，定子绕组51与交流电源72串联于两节点A、B之间。交流电源72较佳的可以是市电交流电源，电流电压例如可以是110伏、220伏、230伏等。同步电机10为单相电机，其输入功率设定为2W至5W，例如是3W；电流为0.08A至0.12A，例如是0.09A可控双向交流开关26与串联的定子定子绕组51和交流电源72并联于两节点A、B之间。可控双向交流开关26较佳的为三端双向晶闸管(TRIAC)，其两个阳极分别连接两节点A和B。可以理解，可控双向交流开关26也可例如由反向并联的两个硅控整流器实现，并设置对应的控制电路以按照预定方式控制这两个硅控整流器。交流-直流转换电路76与开关26并联于两节点A、B之间。交流-直流转换电路76将两节点A、B之间的交流电转换为低压直流电。位置传感器78可由交流-直流转换电路79输出的低压直流电供电，用于检测同步电机10的永磁转子80的磁极位置，并输出相应信号。在具体实施时，位置传感器78可以为霍尔效应传感器，其设置在定子30上或定子内靠近转子的位置；且位置传感器78相对定子极偏移一个角度，该角度可以与转子在静止时其磁极中心相对于定子极中心偏移的角度相同。
开关控制电路79与交流-直流转换电路76、位置传感器78和可控双向交流开关26连接，被配置为依据位置传感器78检测的永磁转子磁极位置信息和从交流-直流转换电路76获取的交流电源72的极性信息，控制可控双向交流开关26以预定方式在导通与截止状态之间切换，使定子绕组51在电机起动阶段仅沿着预定的起动方向拖动永磁转子80旋转。本发明中，当可控双向交流开关26导通时，两个节点A、B被短路，交流-直流转换电路76因无电流流过而不再耗电，因此能够较大幅度地提高电能利用效率。
本发明提供的冷却风扇结构紧凑，体积小，有效控制了成本，且其采用的电机速度恒定，运行稳定。此外，该种电机效率高，在相同输出功率的情况下，体积更小，重量更小。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (15)

1.一种冷却风扇，包括：
同步电机(10)，包括定子(30)和可相对定子(30)旋转的永磁转子(80)，所述永磁转子(80)包括转轴(81)和套设于转轴的永磁体转子主体，所述定子(30)包括定子磁芯(31)及缠绕于定子磁芯上由一交流电源供电的定子绕组(51)，所述电机每次通电时，所述转子主体具有预定的起动方向并在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是所述永磁转子的极对数；以及
叶轮(100)，所述叶轮(100)连接至所述转轴(81)以受所述转轴(81)驱动而旋转。
2.根据权利要求1所述的冷却风扇，其特征在于，所述转子主体与所述叶轮(100)中，其中之一与所述转轴(81)之间为刚性连接以进行同步转动，其中之另一与所述转轴(81)之间为软性连接以进行相对转动并且还连接有延时同步装置(110)以逐步实现同步转动。
3.根据权利要求2所述的冷却风扇，其特征在于，所述延时同步装置(110)包括固定座(112)和缓冲机构，所述固定座(112)固定连接到所述转轴(81)，所述缓冲机构一端连接到所述固定座，另一端连接到所述转子主体与所述叶轮(100)中与所述转轴软性连接者。
4.根据权利要求1所述的冷却风扇，其特征在于，所述叶轮(100)具有一安装部(106)以安装到所述转轴(81)，所述安装部(106)与所述转轴(81)之间为滑动配合；所述冷却风扇还包括延时同步装置(110)，所述延时同步装置(110)包括固定座(112)和缓冲机构，所述固定座(112)固定到所述转轴(81)，所述缓冲机构的两端分别连接到所述固定座(112)和所述安装部(106)，用于延时地同步所述固定座(112)和所述安装部(106)的转速。
5.根据权利要求4所述的冷却风扇，其特征在于，所述缓冲机构为套设到所述转轴(81)的内外径都可变的弹性件(121)。
6.根据权利要求5所述的冷却风扇，其特征在于，所述弹性件(121)为螺旋弹簧。
7.根据权利要求4所述的冷却风扇，其特征在于，所述延时同步装置(110)还包括保护套筒(108)，所述保护套筒环绕在所述弹性件(121)外周。
8.根据权利要求7所述的冷却风扇，其特征在于，所述保护套筒(108)的一端与所述安装部(106)固定，另一端活动套设到所述固定座(112)。
9.根据权利要求1所述的冷却风扇，其特征在于，所述定子磁芯(31)具有方形轭部(33)、分别从所述方形轭部(33)相对的两个内壁上分别向内伸出的两个凸极(36)，所述凸极(36)具有用于安装所述定子绕组(51)的绕线部(38)、从所述绕线部(38)径向内端向周向两侧伸出的弯曲的极靴(41)；所述永磁转子(80)收容于所述极靴(41)围成的腔体内。
10.根据权利要求9所述的冷却风扇，其特征在于，每个所述凸极(36)的径向外端与所述方形轭部(33)的内壁设有凹凸卡扣结构(39)用于连接所述凸极(36)与所述方形轭部(33)。
11.根据权利要求9所述的冷却风扇，其特征在于，所述永磁转子(80)的每个永磁极(85)的外侧表面为弧面，所述永磁极(85)与所述极靴(41)之间形成厚度非均匀的气隙(47)，所述气隙关于定子凸极(36)的中心线对称。
12.根据权利要求11所述的冷却风扇，其特征在于，所述两个凸极(36)的极靴(43)之间存在磁阻较大的磁桥或槽口(43)；所述气隙(47)在所述磁桥或槽口(43)处具有最大的厚度，沿远离所述磁桥或槽口(43)的方向所述气隙(47)的厚度逐渐减小。
13.根据权利要求11所述的冷却风扇，其特征在于，所述冷却风扇还包括驱动电路，所述定子绕组与一外部交流电源串联于第一、第二节点之间，所述驱动电路包括可控双向交流开关、与所述双向交流开关并联于所述第一、第二节点之间的交流-直流转换电路、位置传感器及开关控制电路，所述交流-直流转换电路在所述可控双向交流开关导通时由于所述第一、第二节点被短路而无电流流过；所述开关控制电路被配置为依据所述位置传感器检测的转子磁极位置信息和所述外部交流电源的极性信息，控制所述可控双向交流开关以预定方式在正半波或负半波导通与截止状态之间切换，使所述定子绕组在电机启动阶段仅沿着预定的启动方向拖动所述转子转动。
14.根据权利要求9所述的冷却风扇，其特征在于，所述定子(30)还包括外壳，所述外壳内壁具有环形闭合的台阶(23)用于支撑所述方形轭部(33)的轴向端面、具有若干凸块用于抵顶所述方形轭部(33)的外侧表面。
15.一种风冷冰箱，具有冷却风扇收容腔，其特征在于，所述冷却风扇收容腔内安装有如权利要求1至14中任意一项所述的冷却风扇。
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