CN108266396A - 一种多风扇集合风扇 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多风扇集合风扇，由2个及2个以上微型风扇组合成一个整体的多风扇集合风扇，风扇扇叶处于同一平面也可以错层排列成集合风扇，采用空心杯电机，各电机的内阻各不相同，不同内阻的电机能够进行串联、并联、单个或相互混合的组合方式进行任意编组，根据需要对不同阻值编组档的电机连接的触点编程为多组可编程触点阵列，通过步进电机驱动滑动触体与触点阵列的接触和断开，实现不同电机编组档的切换，以实现不同风量大小的输出或稳定风量大小的输出。

Description

一种多风扇集合风扇

技术领域

本发明涉及一种高能效比微型风扇，尤其是一种具有多个微型风扇组合在一起的高能效比多风扇集合风扇。

背景技术

对于一些采用电池驱动的需要排风或散热的设备，尤其是一些需要采用电池驱动的小型便携式设备来说，一个合适的高效节能的风扇对电池的续航时间有非常积极的意义，尤其是对于需要根据不同的情况调整风速风量大小的设备，有一个合适的高效节能的风扇对电池的续航尤其重要。

比如便携式空气净化装置的风扇，由于体积小，电池容量低，尤其更需要高效节能的风扇来延长电池的续航时间，市面上一般的便携式空气净化装置的电池续航时间只有3-5小时左右，采用大一点容量的电池的设备最多也就是8小时左右，因为这些现有的便携式空气净化装置都是采用的能效比并不高的无刷静音散热风扇。

本申请人在先申请了申请号为201621115904的《一种带传感器的风扇呼吸阀》、申请号为2016108706229的《一种便携式空气净化装置的节能送风方法》，申请号为2016210978903的《一种间歇式送风的头部后置式空气净化呼吸装置》等专利，旨在采用高能效比的空心杯电机设计小型散热或排气风扇，比目前所有的无刷静音风扇的能效比都要高，其风扇的风速风量大小的调节都是采用的改变输入电机的电压或电流来进行调节的。

但是，即便是通过PWM调压方式调节占空比来调节电压的大小从而调节电机的转速，但稳压模块也会有一定的耗散功率的损耗，对于大电流的设备来说，这样的损耗影响不大，但对于本身低电压低电流的便携式设备来说，这样的损耗会占用相当的比例，比如上述的在先申请专利所述的采用一节5号电池的只有几十毫安电流的空心杯风扇呼吸阀，根据使用场景和状态不同，这样的功耗损失会有10%以上甚至50%的损失。

发明内容

针对上述可能的耗散功率的能耗损失，本发明寄希望于通过其他方法进一步地提高设备的能效比，对于电流相对较大的产品，采用稳压模块通过调节占空比来稳压输出，肯定是能效比很好的方法，但对于相对较低的负载电流，比如100mA以下的小电流，有时候直接采用限流电阻可能会更简单更合适，因此可以对风扇电机采用多个多级不同阻值的限流电阻进行多级限流输出，通过多级不同的限流电阻来控制电机的不同转速，也是简单可行的方案。

既然可以通过多个多级不同的限流电阻来调节电机的转速和整个负载的功率，既然电阻总是有功耗的，何不直接就采用多个不同内阻的电机作为相应的限流电阻，这样就可以将限流电阻所消耗的功耗充分利用起来，这样就可以进一步地提高设备整体的能效比，实为一举两得。

据此理念，本发明提出了采用多个小型风扇组合在一起的更高效更节能的多风扇集合风扇，通过多个风扇的电机进行相互的限流和运行，以达到更充分地利用风扇的更加高效的能效比之目的。

如图1所示为本发明的一个示例1，采用2个风扇组合而成的圆形两集合风扇的风扇固定底座02的平面图，可以安装2个风扇A1、A2，可以安装传感器在传感器安装孔20中。

如图2所示为本发明的一个示例2，采用3个风扇组合而成的心形三集合风扇的风扇固定底座03的平面图，可以安装3个风扇B1、B2、B3，还可以安装传感器31在安装孔30处。

如图3所示为本发明的一个示例3，采用4个风扇组合而成的方形四集合风扇的风扇固定底座04的平面图，可以安装4个风扇C1、C2、C3、C4。

本发明所述集合风扇可以是2个及2个以上风扇进行组合而成，根据具体情况，优选设计安装2-7个的组合是比较合适，设计为3个、4个进行组合的集合风扇应该是更优选的解决方案。

以图2所示为例，如果采用3个712空心杯风扇进行组装成心形三集合风扇，3个空心杯风扇电机B1、B2、B3的内阻分别是R1、R2、R3，采用稳压电源为U1输出电压的进行供电，则通过将3个电机进行串联、并联或单独供电的方式，可以排列出多种不同的大小功率的电机编组档组合方式，从而产生多级别的风量输出等级，将3个电机进行串联和并联都各有4种不同的功率，单独独立使用也有3种，以功率排列为U1²/R1、U1²/R2、U1²/R3、U1²/（R1+R2）、U1²/（R1+R3）、U1²/（R2+R3）、U1²/R1+U1²/R2、U1²/R1+U1²/R3、U1²/R2+U1²/R3等，因此可以至少输出11种以上不同大小的风量，这么多不同级别的风量输出，基本可以接近于无级变速的调速模式了。

这种恒压的调速模式，当然，实际运行场景下，一般是不需要这么多级别进行调速的，优选为两两并联或串联，或单独使用就完全可以满足多数设备的使用需求了，很多产品实际上只有3档，完全可以根据需要任意选择上述3档不同的功率即可。

当然也可以采用图1所示的2个风扇的两集合风扇输出3档不同的风量。

对于这样的集合风扇的多级风量控制，根据实际使用场景的设计需要，可以采用机械式控制或者芯片控制模块控制，或两者相结合的控制方法。

例如将集合风扇03的传感器安装孔30内安装5级风压触控开关传感器31，如果将所述三集合风扇03用于面戴式呼吸装置，则根据呼吸状况可以输出5档不同的风量，如图4所示为风压触控开关传感器31控制电机编组的模拟电路示意图，风压触控开关传感器具有5个静触点311、312、313、314、315，其中静触点314/315为隔离双静触点，静触点311、312、313分别连接电机B1、B2、B3，双静触点314、315分别并联B1、B2和B2、B3，当触控开关31受气流变化时，动触点310依次接触5组静触点，可以形成5级风量输出。

当然，传感器还可以采用其他传感器，比如压力传感器等，本发明所述集合风扇根据设计需要，都可以设计传感器安装孔或安装位，用于安装传感器。

本发明为一种比较特殊的多风扇集合风扇，其主要特征在于，这样的集合风扇是由多个微型风扇组合在一起的高能效比多风扇集合风扇，这里所述的多个微型风扇是指2个及2个以上微型风扇组合成一个整体的集合风扇，为了更加优化能效比，本发明所述集合风扇最好是采用高能效比的微型空心杯电机设计生产空心杯电机集合风扇，各空心杯电机的内阻可以采用相同的空心杯电机，如果需要编组不同阻值的电机编组档，优选采用阻值各不相同的电机进行编组。

附图说明

图1为采用2个风扇组合的圆形两集合风扇的风扇固定底座示意图。

图2为采用3个风扇组合的圆形三集合风扇的风扇固定底座示意图。

图3为采用4个风扇组合的圆形四集合风扇的风扇固定底座示意图。

图4为触控开关传感器控制电机编组档的模拟电路示意图。

图5为实施例错层四集合风扇底座示意图。

图6为错层四集合风扇底座安装下层风扇示意图。

图7为错层四集合风扇底座安装上层风扇底座示意图。

图8为上层风扇底座示意图。

图9为呼吸阀面盖示意图。

图10为风扇呼吸阀的风扇底座主体部分示意图。

图11为集合风扇控制系统的控制模块的部分电路板示意图。

图12为风扇呼吸阀底座50背面示意图。

图13为滑动触体处于第Ⅰ列触点阵列位置的模拟电路板电路图。

图14为滑动触体处于第Ⅱ列触点阵列位置的模拟电路板电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例予以说明本发明所述集合风扇的多种结构布局和运行控制方式。

本实施例是对图3所示的4个风扇组合的四集合风扇的另一种改型款，图3所示的四集合风扇的所有风扇都处于同一平面，属于同一平面排列的集合风扇，这样的结构无论是模具、安装都相对简单一些，但产品实物整体相对更宽一点，以每个风扇扇叶直径为22mm为例，该正方形四集合风扇的边长至少50mm。

本实施例也为四集合风扇，也是采用4个风扇进行组合，本实施例将采用4个610微型空心杯电机D1、D2、D3、D4，同样采用直径22mm，叶片宽度3mm的径流扇叶，设计一款用于空气净化的面戴式净化装置的风扇呼吸阀。

如图5所示，本四集合风扇将4个空心杯风扇设计安装在两个不同的平面上，为一种较特殊的不在同一平面的错层排列结构的错层集合风扇，采用这样的结构布局，可以降低呼吸阀整体边长的宽度，这样可以做到边长43mm左右，但高度会增加5mm左右，这样对模具、安装都相对更复杂一些，但会显得更秀气一些了。如果边长同样做到50mm宽，扇叶直径可以做到26mm，同样转速情况下风量会更大些，而且高度同样也只会增加5mm左右。

图5所示为本实施例错层四集合风扇底座50，具有下层风扇安装位411、414，所述下层安装位411具有出风口4119，所述下层安装位414具有出风口4149，具有上层风扇安装位422、423，各个安装位中心具有6mm直径电机安装孔4110、4220、4230、4140，其中安装孔4110、4140的中心轴处于集合风扇底座50的一条对角线上，两个安装位圆形外壁在对角线处相距0.5mm左右，安装孔4220、4230的中心轴处于集合风扇底座50的另一条对角线上，两安装位圆形外壁在对角线处相距0.5mm，两层风扇安装位的底部错位高度相差4.5mm，其中上层安装位底部厚度0.5mm，这样类似于“8”字型的错层安装位的对角线相交90度的结构设计可以将扇叶的直径进行最大化设计，在风扇外边长一定、设计风量一定的情况下，可以进一步增加风扇扇叶的直径和面积，进一步提高能效比，降低转速设计，并进一步降低噪声。

如图6所示，在错层四集合风扇底座50下层安装位411处安装610空心杯风扇D1，在安装位414处安装风扇D4，在上层安装位422处安装单独的610空心杯电机D20，在上层安装位423处安装610空心杯电机D30。

如图7所示，在所述风扇底座50上安装固定如图8所示上层风扇底座51，所述上层风扇底座51具有与下层风扇底座50的风扇安装位422对应的上层安装位4228，具有出风口4229，具有与风扇底座50的风扇安装位423对应的上层安装位4238，具有出风口4239。

安装固定上层底座51后，在空心杯电机D20、D30的轴上安装扇叶构成空心杯风扇D3、D4。

如图9所示为呼吸阀面盖52，如图10所示，安装如图9所示呼吸阀面盖52，即构成本实施例所述的错层四集合风扇呼吸阀的呼吸阀的错层四集合风扇的主体部分。所述错层四集合风扇主体部分具有4个出风口4119、4149、4229、4239，所述底座50、上层底座51及面盖52可以通过定位孔、定位柱进行定位连接固定，也可以通过其他方式连接，比如超声波焊接。

所述风扇呼吸阀的风扇主体部分也可以采用其他设计方案，本实施例只为说明，所述多风扇组合的集合风扇还可以采用不在同一平面的错层排列结构的错层设计方案，本实施例只为说明本发明所述的多风扇集合风扇的风扇主体部分的结构，关于风扇呼吸阀的其他部分，比如固定卡扣部分予以省略。

本实施例所述风扇呼吸阀为了减轻重量，只采用一节5号电池作为电源，只有1.5V左右,这在现有便携式净化装置的风扇中几乎是不可能的，本实施例采用一节5号电池，是因为一节5号电池25g左右，基本等于两节7号电池重量，而两节7号电池的容量也只有一节5号电池的三分之二，一节5号电池的价格与一节7号电池的价格一般都是完全一样的，要达到重量轻，高能效，高性价比，与现有成熟的采用3.7v充电电池或者2节5号或7号电池共3V电源相比，技术上有很大不同，因此本实施例采用更经济的一节5号电池，采用能效比更高的空心杯电机，加上采用多风扇集合风扇，并且优选尽可能多地采用机械式触控开关型的多组可编程触点阵列的控制方式，可以尽可能最大化地提高一节电池的续航能力。

本实施例将选用4个不同内阻的610空心杯电机予以说明，分别是D1=6Ω、D2=7Ω、D3=8Ω、D4=9Ω，本实施例将只采用串联和单个的运行方法，如果采用串联，各阻值分别为四个电机串联共有30Ω，三串联有24Ω、23Ω、22Ω、21Ω，两串联有17Ω、16Ω、15Ω、14Ω、13Ω，单个有9Ω、8Ω、7Ω、6Ω等14种阻值。

为简要说明，本实施例选用四串联D1+D2+D3+D4=30Ω、三串联D2+D3+D4=24Ω、D1+D2+D3=21Ω、两串联D3+D4=17Ω、D1+D2=13Ω、单独D4=9Ω、D1=6Ω等7个阻值的电机编组档位，分别表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ等7档编组档进行说明。

如图11所示为本实施例所述集合风扇控制系统的控制模块的部分电路板60的示意图，图12所示为所述风扇呼吸阀底座50背部示图，所述电路板60可以安装于如图12所示的呼吸阀底座50背部的中间空间部位500中，所述电路板60上可以安装步进电机61，电路板60上印刷有7组如图13所示电路板模拟图的印刷电路触点阵列的触点80，所述步进电机61的丝杆轴连接有滑动触体9，所述滑动触体9上具有5个滑动触点90。

如图13所示模拟电路板电路图，图中触点阵列Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ列对应的46个横向小长方形触点80表示印刷电路板上的印刷触点，纵向的滑动触体9上具有5个滑动触点90，当滑动触体9处于第Ⅰ列触点位置时，5个滑动触点90分别接通第Ⅰ列的5组触点，此时电机D1、D2、D3、D4为四个串联的四串联电机运行状态。

如图14所示，当滑动触体9被步进电机61推动到处于第Ⅱ列电机编组档触点的位置时，5个滑动触点90分别接通第Ⅱ列编组档的4对触点，此时电机D2、D3、D4为三个串联运行状态，以此类推，当滑动触体9滑动到处于第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ列编组档的触点位置时，分别导通相应的其他5档电机的运行方式。

本实施例只选用了7档予以说明，可以按这样的编程方法将上述14种阻值的排列方式全部编程出来，甚至并联的运行方式。

本实施例采用通过406微型步进电机61驱动滑动触体9在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ列编组档触点间移动，以实现上述电机的不同电机编组档组合方式的切换。

本实施例不同于上述恒压多级风量的运行模式，而是采用比较特殊的一节1.5V的5号电池作为电源，变压横风量的运行模式，当然也可以通过改变编组档随时提高和降低风量大小。随着使用，电压会不断降低，如果只采用一个电机，会出现开始安装新电池时电压高、电流强、风量大，到后来电压低、电流很小风量逐渐变小，前后风量相差几倍，这样的用户体验会很差，用户会在风量变小了就换电池，但其实电池还有电，从而形成不要的浪费。

如果采用模块稳压稳流输出，风量是可控了，但是耗散功率的损耗会比较大，为尽可能的减少不必要的耗散损耗，同时还要尽可能地保持输出风量大小的基本平稳，本实施例采用了本发明所述的多风扇集合风扇，通过将多个电机进行适当地组合，以尽量维持整个负载功率的基本稳定，达到尽量维持输出风量的基本稳定，从而更好地提升用户体验，并且可以几乎完全耗尽电池，不会造成浪费，可以在稳定输出风量的前提下，最大化地延长一节电池的续航时间。

本实施例设置为将7种电机的组合方式分别对应7种不同的电压阈值，设置为当电压为新电池开机时，启用四个电机D1+D2+D3+D4全部串联的第Ⅰ档编组档，当电压低于1.4V时，步进电机拉动滑动触体9到第Ⅱ列编组档触点阵列的位置，启动三个电机D2+D3+D4串联的第Ⅱ档，以此类推，当电压低于1.3V时启动第Ⅲ档，当电压低于1.2V时启动第Ⅳ档，当电压低于1.1V时启动第Ⅴ档，当电压低于1.0V时启动第Ⅵ档，当电压低于0.9V时启动第Ⅶ档。

实际设计时可以设计更多档位，档位越多越平稳。对于多个电机的电阻值较大或相邻组合的阻值差较大时，可以采用增加一两个限流电阻作为临时断档辅助限流电阻，以增加一两个编组档组合的档位，以实现更平稳过渡。本发明并不排除通过控制模块的芯片对引脚的编程控制来控制各个电机的编组档，实际上通过对芯片I/O引脚的电平触发控制这样的不同编组档会更简单，但可能会相应增加一定的耗散功耗。

为了进一步地减少耗散损耗，本实施例将控制模块设置为，将模块的时钟频率尽可能调低，设置为每5分钟对电池电压采样一次，由于本实施例的使用场景下，时钟精度没有必要太高，完全没有必要像其他模块将采样频率设置在1秒钟N次，根据设置编组档档位的多少以及各档电压差值的不同，可以设置为1秒至10分钟或更长时间采样一次都是可行的，由于采用本发明所述集合风扇的方法后，能效比很高，有时候连续使用20分钟的电压变化差值都不会太大，甚至可以设置为20分钟采样一次。随时电压逐渐降低，电流也会越来越小，电压阈值差在低电压的差值要比高压位要相对大，如果采样时间太短，可能会出现跳档，因此本实施例可以选择5分钟左右。

本实施例设置为5分钟采样一次，当检测的电压值没有达到设定的电压阈值时，模块所有不需要的功能部分都进入休眠或断电状态，以尽量减少耗散损耗。

当检测的电压值达到设定的电压阈值时，驱动步进电机推动滑动触体9到相应的编组档触点阵列的档位位置。本发明这样采用步进电机驱动改变档位的能耗非常低，因为一个档位变化可能间隔几个小时甚至十几个小时以上，步进电机每次动作只有0.1秒左右，这种通过步进电机推动开关的方式几乎没有什么能耗损失，可以极大地降低系统的耗散功率的损耗。当然对于这样的半机械式开关式的切换方法，还可以采用电磁驱动开关进行多级组合编程，也可以进行自动编程切换。

本实施例将控制模块的工作步骤设计为，每次开机负载为断开状态，通过对电池电压采样，再驱动步进电机将滑动触体9推到相应档位，然后导通负载的开关开始运行程序。

本实施例仅为说明本发明所述集合风扇及部分控制方法，具体运行的设置需要根据实际产品的具体情况，选用不同大小、功率的电机以及编程组合方式的不同进行设置，更多方法不一而足。

综上，本发明关于集合风扇及其控制方法，其特征在于，本发明所述集合风扇为采用2个及以上的不同内阻的空心杯电机组合而成的空心杯集合风扇，所述集合风扇的不同内阻的空心杯电机能够进行串联、并联、单个或相互混合的组合方式进行任意编组，可以将不同阻值的空心杯电机编组成不同阻值的编组档，针对每一个不同阻值的编组档设置相对应的启动电压阈值，对不同阻值编组档的电机的电极两端的连接触点根据实际设计需要进行相应的编程，根据所编程的方案制作控制模块上的开关式多组可编程触点阵列，所述集合风扇也可以采用控制模块，如上述三集合风扇也可以无需控制模块，直接采用多触点开关进行控制，所述控制模块具有微型步进电机，通过步进电机驱动滑动触体与可编程触点阵列的接触和分开，实现不同电机编组档的切换。

本发明对所述集合风扇的控制方法有很多种，完全可以更加灵活地设计控制方法，上述实施例只是一种电压变化下的稳定风量的高能效控制方法，是将控制模块的工作步骤设计为，每次开机负载为断开状态，通过对电池电压先行采样，再驱动步进电机将滑动触体推拉到相应电机编组档的触点阵列档位，然后导通负载的电源开关开始运行程序，所述控制模块设置为一定时间段对电池电压采样一次，如果没有触发电压阈值，电压采样完成后关闭或休眠控制模块的非必须工作部分，如果采样电压触发电压阈值，控制系统驱动步进电机推动滑动触体连接到相应的电机编组档触点阵列，启动对应的编组档电机运行，然后再关闭或休眠控制模块的非必须工作部分。

本说明所有数据都可以缩小50%左右，可以放大200%左右，上述所有实施例所述的具体数据、使用材料、成型方式以及图形的比例，仅仅是为了方便描述，不应作为限定本发明专利权的限制。然而，本领域技术人员可能会意识到其中一个或多个具体细节描述可能会被省略，或者还可以采用其他的方法、组件、或材料，在实施例中一些实施方式并没有描述或者没有详细描述。此外，本文中记载的特征、实施或特点还可以在一个或者多个实例中以任意合适的方式组合，不应以此限制本发明之专利权。

Claims (10)

1.一种多风扇集合风扇，其特征在于：所述集合风扇是由多个微型风扇组合在一起的高能效比多风扇集合风扇，所述多个微型风扇是指2个及2个以上微型风扇组合成一个整体的集合风扇，所述集合风扇为采用微型空心杯电机的空心杯集合风扇。

2.根据权利要求1所述的多风扇集合风扇，其特征在于：所述集合风扇各空心杯电机的内阻各不相同。

3.根据权利要求1所述的多风扇集合风扇，其特征在于：所述风扇扇叶是不在同一平面的错层排列结构的错层集合风扇。

4.根据权利要求1所述的多风扇集合风扇，其特征在于：所述风扇扇叶为处于同一平面排列的集合风扇。

5.根据权利要求3或4所述的多风扇集合风扇，其特征在于：所述集合风扇具有传感器安装孔或安装位，安装有传感器。

6.一种集合风扇的节能控制方法，其特征在于：所述集合风扇为采用2个及以上的不同内阻的空心杯电机组合而成的空心杯集合风扇，所述集合风扇的不同内阻的空心杯电机能够进行串联、并联、单个或相互混合的组合方式进行任意编组。

7.根据权利要求6所述的集合风扇的节能控制方法，其特征在于：将不同阻值的空心杯电机编组成不同阻值的编组档，针对每一个不同阻值的编组档设置相对应的启动电压阈值。

8.根据权利要求7所述的集合风扇的节能控制方法，其特征在于：对不同阻值编组档的电机的电极两端的连接触点根据实际设计需要进行相应的编程，根据所编程的方案制作控制模块上的开关式多组可编程触点阵列。

9.根据权利要求8所述的集合风扇的节能控制方法，其特征在于：所述集合风扇具有控制模块，控制模块具有微型步进电机，通过步进电机驱动滑动触体与可编程触点阵列的接触和分开，实现不同电机编组档的切换。

10.根据权利要求6所述的集合风扇的节能控制方法，其特征在于：控制模块的工作步骤设计为，每次开机负载为断开状态，通过对电池电压先行采样，再驱动步进电机将滑动触体推拉到相应电机编组档的触点阵列档位，然后导通负载的电源开关开始运行程序，所述控制模块设置为一定时间段对电池电压采样一次，如果没有触发电压阈值，电压采样完成后关闭或休眠控制模块的非必须工作部分，如果采样电压触发电压阈值，控制系统驱动步进电机推动滑动触体连接到相应的电机编组档触点阵列，启动对应的编组档电机运行，然后再关闭或休眠控制模块的非必须工作部分。