CN110622329B - 高性能悬臂风扇 - Google Patents

Abstract

一种悬臂风扇，包括叶片和叶片永久磁体。叶片在一个端部处夹持至基部，并具有自由振荡的远端端部，该远端端部具有叶片的任何部分的最大扫掠位移。叶片从夹持端部延伸到远端端部。叶片永久磁体在沿叶片长度的点处仅附接至叶片并且能够随叶片自由移动。风扇包括仅附接至基部的固定永久磁体。叶片永久磁体和固定磁体的相应位置和相对定向导致叶片永久磁体和固定磁体之间的排斥磁力。风扇配置成当叶片的偏转使叶片永久磁体更靠近固定磁体时，排斥力增加。

Description

高性能悬臂风扇

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月27日提交的申请序列号62/439,452和2017年2月24日提交的申请序列号62/463,330的美国临时专利申请的优先权和权益。前述两个申请是通过引用整体并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及一种用于热管理的风扇技术以及通用风扇应用。

背景技术

用于空气热传递的旋转风扇在热管理中提供最普遍的主动冷却解决方案。电子产品中功率密度的增加给旋转风扇技术带来了持续的压力以改善流动和压力性能，同时也提高寿命和可靠性。事实证明，在风扇寿命方面实现重大扩展已成为最困难的行业挑战，并且进展甚微。诸如HBLED灯和电信等新兴产品需要风扇寿命长达20年，但旋转风扇中使用的轴承通常提供不超过7年的L10寿命，这意味着这些风扇中有10％在7年后失效。

由于悬臂风扇通过弯曲振荡叶片而使空气移动，因此它们不需要轴承，因此可提供超过20年寿命的潜力。如果弯曲应力小于材料的疲劳极限，则由黑色金属制成的振荡悬臂叶片可以实现所谓的“无限寿命”。不幸的是，设计具有无限寿命的悬臂叶片需要牺牲压力和流动性能，从而导致悬臂风扇仅提供类似尺寸的旋转风扇的流动和压力性能的一小部分。相反，对于悬臂风扇来说，实现商业上相关的流动和压力性能需要牺牲寿命和可靠性。事实上，对于传统的悬臂风扇来说，实现与旋转风扇相当的性能和尺寸，会导致风扇在几天或几小时内发生故障。这种不良的性能与寿命之间的权衡是由即使是最好的材料的内在材料特性所强加的。下面更详细地解释这些物理材料限制。

悬臂风扇必须以其质量-弹簧机械共振频率操作，在此称为f₀。否则，当驱动频率远离f₀变化时，悬臂风扇功耗将显著增加。在传统的悬臂风扇中，最充分确定f₀的质量和弹簧是振荡叶片的专有性质并且包括叶片的有效振荡质量和叶片的弯曲弹簧刚度K。为了提供商业上相关的性能，悬臂风扇必须提供相关的压力和流动性能，同时不大于提供相同压力和流动性能的旋转风扇。因此，与传统的悬臂风扇叶片长度相比，有竞争力的悬臂风扇必须使用非常短的叶片。然而，这些短叶片必须提供大行程以提供有竞争力的空气流动速率，并且这显著增加了叶片的弯曲应力，这是由于对于固定叶片行程的弯曲应力与叶片长度成反比地增加。此外，为了提供所需的压力和流动性能，这些短叶片必须以与旋转风扇的叶片通过频率相当的频率运行。例如，具有6个叶片仅以3,000RPM运行的旋转风扇将具有300Hz的叶片通过频率。与每转有6叶片通过的旋转风扇相比，悬臂叶片的缺点是每个循环只有2叶片通过。因此，具有与旋转风扇总叶片面积相当的叶片面积的单个悬臂叶片将需要以150Hz运行以提供类似的流动速率。

为了达到这些更高的频率，悬臂叶片f₀必须增加至远远超过传统的悬臂风扇，并且为了提高性能，必须在不降低叶片的偏转幅度或行程的情况下实现这些更高的频率。f₀的这种增加需要悬臂叶片的刚度必须增加，这对于传统的悬臂风扇来说是通过增加叶片材料的厚度或减小叶片长度来实现的。但是对于给定的叶片偏转而言，应力随着材料厚度和叶片长度的倒数而增加，并且对于具有最佳材料性能的钢材而言，达到所需f₀的足够大刚度将导致超过材料的疲劳极限的弯曲应力。因此，在以适当的风扇尺寸提供商业相关的空气性能所需的叶片行程幅度和f₀值时，悬臂叶片将在仅运行数小时后由于裂缝传播而失效。

黑色材料可以提供“无限寿命”，这是由于其具有疲劳极限(也就是耐久极限)。但即使是具有最佳物理性能组合的钢材也会在匹配具有所需风扇尺寸的旋转风扇的空气性能所需的应力水平下失效。鉴于这些要求超出了任何已知材料的极限，传统的悬臂风扇未能实现其在所需空气性能和风扇尺寸下延长风扇寿命的承诺。因此，该行业需要在不损失空气性能的情况下显著延长风扇寿命，但仍未得到满足。

附图说明

并入说明书中并形成说明书一部分的附图示出了各种公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1提供了本发明的实施例，示出了具有磁性弹簧的悬臂风扇；

图2示出了图1的永久磁体的磁极性；

图3对图1的悬臂风扇增加了线圈，从而提供了音圈移动磁体马达；

图4提供了图3的实施例的剖视图；

图5是图3实施例的剖视图，示出了叶片偏转期间叶片永久磁体的磁通线；

图6示出了具有弯曲部段和刚性部段的叶片；

图7示出了图6的叶片的偏转；

图8示出了本发明的双叶片实施例，用于使风扇组件的横向振荡最小化；

图9提供了本发明的一个实施例，其中马达磁体和磁性弹簧磁体分开设置；

图10提供了图9的实施例的另一视图；

图11示出了另一磁性弹簧实施例，其中多个磁性弹簧沿叶片的长度分布；

图12示出了本发明的使用许多可能的磁体定向中的一个的磁性弹簧实施例；

图13示出了本发明的使用许多可能的磁体定向中的一个的另一磁性弹簧实施例；

图14示出了用机械铰链代替叶片弯曲部段；

图15提供了图15的实施例的另一视图，示出了叶片的偏转；

图16示出了用螺旋弹簧代替叶片弯曲部段；

图17示出了可变磁阻马达可用于驱动具有磁性弹簧的悬臂风扇的许多方式中的一种；

图18示出了可用于本发明的磁性弹簧的许多不同磁体形状中的一种，其中磁体具有圆柱形状；

图19示出了可用于本发明的大批量制造的许多悬臂风扇结构中的一种，其中结构部件被冲压和成形；

图20提供了图19的实施例的剖视图。

具体实施方式

为了满足当前未满足的延长风扇寿命的市场需求，本发明提供了一种新式悬臂风扇系统，该系统能够实现在小风扇形状要素下实现商业相关的空气流动速率和空气压力所需的更高操作频率和叶片行程，同时将峰值叶片弯曲应力降低到低于材料的疲劳极限，从而使悬臂风扇的寿命和可靠性远远超过使用润滑轴承的现有旋转风扇。

磁性弹簧

传统的悬臂风扇以悬臂叶片的质量-弹簧共振频率下操作以避免与以其他频率进行操作相关的过度功耗。如前所述，确定共振频率f0的弹簧刚度K是叶片的固有特性。对于黑色金属而言，当叶片的峰值弯曲应力低于材料的疲劳极限时，提供所谓的“无限寿命”，但要在所需风扇尺寸下达到商业相关的空气性能需要更高的f₀值，因此需要更高的叶片刚度K。但是，这些更高的K

值会导致超过材料的疲劳极限的峰值弯曲应力，从而导致叶片寿命仅为数小时或更短。由于这种商业可行性屏障是由叶片的固有材料特性强加的，因此传统的悬臂风扇不能实现工业所寻求的显著的风扇寿命延长。

为了解决该问题，本发明不依赖于叶片来提供达到更高f₀范围所需的大需求弹簧刚度K。相反，本发明使用永久磁体来提供达到所需f₀范围所需的大弹簧K。如前所述，传统的悬臂风扇仅依赖于叶片的弹簧K，在这种情况下，K和弯曲应力本质上是耦合的，使得增加叶片的刚度K将导致叶片应力的不可接受增加。本发明的磁体提供与叶片的弯曲应力解耦的弹簧K。K和叶片应力的这种解耦使得能够使用更薄的叶片材料，其将叶片弯曲应力保持在疲劳极限以下。以此方式，本发明提供了一种悬臂风扇，其具有商业上相关的空气性能和风扇尺寸，具有无限的叶片寿命，从而提供了工业所追求的20年或更长的风扇寿命。

图1示出了本发明的具有带磁性弹簧的悬臂风扇的实施例。图1的悬臂风扇包括基部2、悬臂叶片4(下文中称为“叶片”)、叶片夹持块6、用于将叶片4的一个端部刚性地夹持在基部2和夹持块6之间的夹持块螺钉8、刚性地附接到基部2的固定磁体10A和10B，以及附接至叶片4的叶片磁体12。在图1的实施例中，基部2优选地由非磁性材料制成，诸如塑料、铝或非磁性钢。磁体10和12不需要是矩形的，而是可以是圆柱形的，如图18-20所示，或者适合于给定应用的任何其他几何形状。图2示出了图1中的固定磁体10A和10B以及叶片磁体12的磁极性，这些磁极性设置成在磁体10A和叶片磁体12之间以及磁体10B和叶片磁体12之间产生排斥磁力。如图1和2所示，当叶片位于其中心位置时，磁体10A和12之间以及磁体10B和12之间的两个磁排斥力将具有相同的幅值，使得这两个相反方向的力抵消，从而在磁力叶片上产生零和力。如果叶片从中心位置朝磁体10A移动，则磁体10A和12之间的排斥力变得大于磁体10B和12之间的排斥力，并且叶片上的净磁力就像机械弹簧的恢复力一样指向右侧。如果叶片从中心位置朝磁体10B移动，则磁体10B和12之间的排斥力变得大于磁体10A和12之间的排斥力，并且叶片上的净磁力就像机械弹簧的恢复力一样指向左侧。

以图1和图2中所示的方式设置的磁体可以提供恢复力，该恢复力与叶片位移可以是非线性的，使得叶片上的恢复力随着位移以高于一的次幂成比例地增长。如本领域技术人员已知的，如果需要，通过改变磁体的相对定向可以减小磁性弹簧的非线性。虽然图1示出了包括磁体10A和12以及磁体10B和12的一对磁性弹簧，但是本发明也可以用单个磁性弹簧操作以增加风扇的f₀。利用单个磁性弹簧，例如仅包括图1中的磁体10A和12，叶片的正常平衡或固定位置将沿远离磁体10A的方向移位到磁性排斥力等于叶片弹簧恢复力的新位置。以这种方式，叶片弹簧被偏压到新的固定位置，并且复合机械和磁性弹簧刚度将导致比叶片单独提供更高的f₀。然而，对于相同的振荡叶片位移，与使用两个磁性弹簧相比，由于叶片上的位移预负载，使得该方法将导致更高的叶片弯曲应力。

在操作中，当交替力F(t)施加到叶片4，优选地以叶片质量-弹簧共振的共振频率f₀处的频率或以叶片质量-弹簧共振的共振频率f₀附近的频率时，图1的叶片4以其基本悬臂模式振荡，其中，确定f₀的有效弹簧刚度Ke是叶片的机械弹簧刚度K_mech和磁性弹簧刚度K_mag之和(即K_e＝K_mech+K_mag)。叶片弹簧刚度K_mech的值选择为使得峰值叶片弯曲应力低于叶片材料的疲劳极限，并K_mag值选择为提供足够大的K_e值以使得能够以足够高的f₀操作以提供目标气体流动和压力性能。由于使用磁性弹簧，如果需要满足给定应用的空气性能要求，本发明使得K_e能够增加到为K_mech许多倍的值。总之，本发明允许实现商业上相关的K_e值，其不仅由K_mech单独提供，而不超过导致叶片材料的不可接受短叶片寿命的疲劳极限。

可以利用本发明的新弹簧特性来提供以下独特优点：

(1)在不超过叶片疲劳极限的情况下最大化气体流动性能

对于固定的叶片位移x，随着K_mech的增加，叶片应力增加并且可以识别K_mech的值，本文称为K_mech-limit，其对应于叶片在x处的疲劳极限。由于空气流动和压力随f₀增加，因此它们随K_e增加。因此，当设计本发明以获得需要大K_e值的最高流动和压力性能时，通常K_mag>K_mech。这种不等式导致当需要高K_e值时，由于K_mag可以在不增加压力的情况下增加，而K_mech不会超过K_mech-limit。

(2)最大化应力安全系数

应力安全系数在此定义为σ_FL/σ_PB比，其中σ_FL是疲劳极限应力，σ_PB是叶片峰值操作位移x的峰值弯曲应力。对于固定的x，弯曲应力随K_mech增加，因此对于最高的应力安全系数，K_mech应尽可能小，然后调整K_mag以达到所需的K_e值。对于给定的K_e目标值，无论K_e的绝对值如何，与单独叶片相比，添加磁性弹簧将始终能够实现更高的叶片应力安全系数。

以图2中所示的极性设置的弹簧磁体通常将表现出非线性弹簧行为，并且在K_mag也是主要弹簧刚度的这些情况下，有效弹簧刚度K_e是非线性的，这将导致f₀随着叶片振荡位移幅度的增加而增加。如本领域所公知的，电子驱动电路可以设置有共振锁定控制，该控制将驱动频率锁定到变化f₀值，在这种情况下，驱动力的增加将导致增加的叶片位移以及更高的f₀值。对于叶片位移的f₀依赖性提供由于减小的叶片位移以及降低的操作频率而在较低空气流动速率下更低噪音的优点。

图1和2中叶片4上的叶片磁体12的位置和固定磁体10A和10B的相应位置通常可以位于沿着叶片4的长度的任何点处。通常，可以将叶片磁体放置在所谓的“振荡中心”，以便最小化叶片更高振荡模式的激励。

叶片应力降低

下面的实施例用于说明本发明的磁性弹簧如何使叶片应力显著且惊人地降低，同时实现商业相关的空气性能和风扇尺寸所需的更高f₀范围。

在具有短叶片长度的实际悬臂风扇中，必须将质量添加到悬臂叶片以提供叶片的稳定操作，从而消除更高的叶片振荡模式，该更高的叶片振荡模式产生商业上不可接受的噪声水平并且还引入增加的应力，该增加的应力可以进一步缩短叶片的寿命。还必须将质量添加到叶片作为马达组件的一部分，以便向叶片提供足够的驱动力以实现所需的振荡行程。这种额外叶片质量当然将减小f₀，对于传统的悬臂风扇，该f₀需要额外叶片弹簧刚度以实现与没有增加质量的叶片相比的目标f₀。例如，为了使传统的悬臂风扇能够安装在高亮LED灯中并提供所需的空气压力和空气流动，叶片可以不超过30mm，并且必须以100Hz运行，其中振荡叶片尖端位移为峰值到峰值为32mm。为了满足这些要求，由挡板阀钢制成的30mm长的叶片必须厚0.15mm，以便为所需的100Hz操作提供足够高的弹簧K，并具有上述增加的叶片质量。这种运行条件将导致峰值叶片弯曲应力达到894MPa，但典型的挡板阀钢疲劳极限仅为710MPa。因此，叶片将在少于106个循环中失效，该失效在100Hz下将在少于2.8小时内发生。

类似于图1的悬臂风扇设计的测试已经证明，如通过将具有安装的固定磁体的测量f0除以移除固定磁体的测量f₀计算出的，f₀增加至8倍。通过向上述传统的100Hz悬臂风扇添加磁性弹簧，可以大大减小叶片的厚度，从而减小叶片应力。根据f₀＝1/(2π)(K/m)^1/2，f₀减少至8分之一对应于叶片的机械弹簧刚度K_mech减少至64分之一。K减少至64分之一相当于峰值弯曲应力减少至4分之一，从而将弯曲应力从894MPa减小到223.5MPa，并提供710MPa/223.5Mpa＝3.2的疲劳极限安全系数。

总之，通过使用提供悬臂风扇的主要弹簧刚度的磁性弹簧，可以实现商业上相关的空气性能，同时悬臂叶片厚度可以减小到其峰值弯曲应力低于叶片材料的疲劳极限的点，从而提供无限的叶片寿命。具有高达3.2的疲劳极限安全系数的该设计实例说明了本发明在远高于100Hz的频率下操作和/或具有商业上相关的空气性能但同时仍提供可接受的应力安全系数和无限的叶片寿命的更短叶片的能力。当使用如K_e>K_mech所示的本发明的磁性弹簧时，在目标叶片位移处保持叶片弯曲应力低于叶片疲劳极限的任何叶片厚度都被认为是在本发明的范围内。

叶片致动

图1的悬臂风扇实施例可以用许多不同类型的马达致动，包括可变磁阻型、音圈移动磁体型、音圈移动线圈型以及电致伸缩材料型。可以将致动力沿着叶片的长度施加在任意数量的点处(称为“叶片驱动”)或者可以将致动力施加到夹具上(称为“夹具驱动”)。无论马达类型如何，磁性弹簧都可用于提供本发明的空气性能、风扇尺寸和延长的寿命优点。

图3，4和5示出了与图1的实施例组合使用的音圈移动磁体型马达，其包括线圈14A和14B，其与相应的固定磁体10A和10B同轴地共同定位并且刚性地连接到基部2。在操作中，线圈14通过周期性电流波形激励，该周期性电流波形与叶片磁体12的磁场相互作用，导致在线圈14和叶片磁体12之间施加周期性洛伦兹力，从而使叶片4响应于周期性洛伦兹力以周期性电流频率振荡。周期性电流可以是例如双极正弦波形、单极半正弦波形或任何数量的其他周期性双极或单极电流波形，诸如由特定设计需求确定的三角形、方形、梯形或其它形状。如图5所示并且如结合图1和2所解释的，当叶片4接近线圈14A时，叶片磁体12和固定磁体10A之间的恢复磁性弹簧力增加并且与叶片4的机械恢复力相组合，从而提供确定风扇的共振频率f₀的有效弹簧刚度K_e。为了使风扇效率最大化，线圈14中的交流电的频率应该接近或等于悬臂叶片的对应于其位移幅度的共振频率f₀。每个线圈的电极性选择为使得其施加在叶片4上的相应洛伦兹力将建设性地增加，从而总是沿相同方向将其相应力施加到叶片上。

图5示出了叶片磁体12和线圈14A的磁场之间的几何关系如何满足在叶片位移方向上产生洛伦兹力的要求。本领域技术人员将理解如何提高马达效率，例如通过在线圈和/或叶片磁体周围使用高磁导率材料以在其穿过线圈时最大化永久磁体的场强和场方向，从而产生针对施加电流的最大且适当指向的洛伦兹力。但是，在优化马达时必须小心，以免不期望地改变磁性弹簧特性。虽然图3中所示的电动机设计提供了两个线圈，但是本发明可以仅用一个线圈操作，在这种情况下，需要更高的电流来实现与用两个线圈实现的相同叶片位移。

在图3-5的马达设计中，磁性弹簧和马达线圈同轴共同定位。如图9和10所示，马达部件和磁性弹簧部件也可以分开定位。在图9中，有两对磁性弹簧，其中第一对由叶片磁体46A和固定磁体44A和44B组成，并且第二对由叶片磁体46B和固定磁体48A和48B组成。马达部件由线圈52和54以及叶片磁体50组成。马达根据与图3-5所述相同的原理操作，除了线圈52和54内没有磁体，因此没有与磁体50相关的磁体弹簧力。图10提供了图9的实施例的另一个透视图。图9的磁性弹簧根据与图1和2所述相同的原理操作。

图17示出了用于与本发明组合使用可变磁阻马达的一种可能方法。马达部段由于刚性附接到基部82的定子64和66、绕相应定子64和66缠绕的线圈68和70、以及刚性附接到叶片80的电枢72和74组成。磁性弹簧由固定磁体76A和76B以及叶片磁体78组成。在操作中，线圈被交替功能，每次只有一个线圈被激励。例如，当线圈68用电流激励时，定子64和电枢74之间的磁场产生将叶片80朝定子64拉动的吸引力。当电枢74到达距定子64的预定距离时，线圈68中的电流断开并且线圈70中的电流接通，并且定子66和电枢72之间产生的磁场产生将叶片80朝定子66拉动的吸引力。线圈优选地以由磁性弹簧76A，76B和78产生的f0或其附近的频率驱动。

磁性弹簧变型

通过改变固定磁体和叶片磁体的尺寸和/或相对尺寸、磁体的磁化程度、磁体的数量、磁体的位置以及还可以通过改变磁体的相对定向和/或对准可以改变磁性弹簧的刚度和非线性。以下示例提供了典型变型的说明。

如果适合于给定应用，可以通过将磁体磁场布线到经由磁回路需要的远程点来减少马达或磁性弹簧所需的磁体数量，所述磁回路包括与高磁导率材料(诸如钢)组合的磁体。磁回路的设计在本领域中是公知的。

图2中描述的磁性弹簧是无源的，因为排斥磁场仅由永久磁体提供。本发明的磁性弹簧也可以是有源的并且提供相同的优点。对于图3和4中所示的实施例，马达线圈14A和14B中的周期性电流用于产生驱动叶片所需的振荡洛伦兹力。线圈14A和14B也可以用于产生磁性弹簧力，在这种情况下，固定磁体10A和10B被移除并且用于激励线圈14A和14B并振荡叶片的周期性电流波形将具有添加的DC分量。与DC电流分量相关联的磁场极性在线圈14A和叶片磁体12之间以及线圈14B和叶片磁体12之间产生排斥力，这是由固定磁体10A和10B产生的相同磁性弹簧状态。在这种情况下，磁性弹簧的“无源”磁体中的两个被线圈的“有源”DC磁场代替。当使用线圈作为磁性弹簧的一部分时，可以通过改变DC电流幅度来控制磁性弹簧的刚度，并因此控制操作频率f0。当固定磁体如图3所示处于适当位置时，通过向线圈引入DC电流并通过改变DC电流的幅度和极性，线圈仍可用于增加或减小固定磁体10A和10B与叶片磁体12之间的磁性弹簧刚度。根据DC电流的极性，其磁场将增加至相应固定磁体的磁场或从相应固定磁体的磁场减小。如图9和10中所示，当马达线圈不与磁性弹簧部件共同定位时，可以使用相同的方法，通过将线圈添加到磁性弹簧的位置处。

图11示出了本发明的使用包括固定弹簧28A和28B以及叶片弹簧30的四组磁体弹簧的实施例，其中磁性弹簧沿着叶片32的长度分布。这种方法沿着叶片的长度分布弹簧恢复力。

在图1-11中，形成磁性弹簧的永久磁体都具有沿着叶片的位移方向的磁极性。图12示出了可用于本发明的许多不同磁体弹簧定向中的一种，其中固定磁体34和叶片磁体36具有横向于叶片移动方向的磁极性。在图12中，固定磁体34的极性在磁体34之间产生磁场，这些磁体34的极性与叶片磁体36的极性相反，从而在磁体34和36之间产生排斥力。图12的实施例示出了位于叶片的每一侧上的一对固定磁体。然而，可以移除每对磁体中的一个并且仍然提供磁性弹簧恢复力。然而，在图12的定向上仅使用单个固定磁体将导致恢复力的横向于叶片的位移方向的较大分量，这可能导致激发不希望的较高振荡模式。

图13示出了另一实施例，其还具有横向于叶片的位移方向的磁极性。在图13中，固定磁体40夹在两块高磁导率材料板38之间，由此板38之间的磁场具有与叶片磁体42相反的极性，从而在磁体40和42之间产生排斥力。

图18提供了可以与本发明一起使用的许多磁体形状的一个示例。图18的实施例由圆柱形固定磁体56A和56B，圆柱形叶片磁体58和马达线圈60和62组成。图18的实施例以与图3的实施例所述相同的方式操作。

最小化吸引力

许多具有高疲劳强度的金属也是磁性的。当如图1所示的单件式叶片由磁性金属制成时，在叶片和固定磁体10之间将存在吸引力，并且当给定的叶片到磁体距离减少时，这种吸引力当然会增加。这种吸引力与磁体10和12之间的排斥力的叠加将导致减小的排斥力并因此导致较低的磁性弹簧K以及较低的所得f₀。图6的叶片设计可用于最小化这些不希望的吸引力。图6提供了本发明的另一个实施例，其具有叶片16，叶片16包括弯曲部段18以及不弯曲的平面桨叶部段20。如图7所示，叶片16能够由于部段18的弯曲而偏转，而桨叶部段20主要保持笔直或平面。以这种方式，弯曲部段18对于桨叶部段20而言作用类似于铰链。该叶片设计允许桨叶部段20由诸如塑料的非磁性材料制成，从而最小化叶片和固定磁体10之间的不希望的吸引力。

消除振荡

图8提供了一个实施例，其中本发明的两个单叶片悬臂风扇组件的基部22和基部24刚性连接，从而形成单个基部。叶片26和28的位移振荡相位相差180°，导致叶片26和28施加在基部22-24上的横向反作用力的在一定程度消除，其中风扇组件的横向振荡被最小化。

叶片安装变化

在图1-13中，所有叶片都被夹持到基部上，该基部需要这些叶片以弯曲模式振荡。本发明的其他实施例包括与磁性弹簧组合的叶片安装变化。

图14提供了安装与磁性弹簧组合的风扇叶片的其它方式的示例，该示例由基部84、具有安装轴88的叶片86、通过螺钉92刚性附接到基部84的套筒轴承或无源磁轴承90组成，由此轴承90接收安装轴88，从而允许安装轴88在轴承90内旋转。在操作中，叶片86通过绕轴88的轴线枢转而振荡，如图15所示。磁性弹簧和马达完全按照图3的实施例所述的那样工作。

图16提供了安装与磁性弹簧组合的风扇叶片的其它方式的另一示例，该示例由基部94、用螺钉102刚性地安装到基部94的弹簧保持器100、具有安装轴104的叶片96、一个端部刚性地安装至轴104且另一端部刚性地安装在弹簧保持器100上的螺旋弹簧98组成。在操作中，弹簧98允许叶片在振荡时绕轴88枢转。如本领域中已知的，可以使用除螺旋弹簧之外的许多不同的弹簧设计来代替弹簧98。图16的磁性弹簧和马达完全如图3的实施例所述那样工作。

制造

图1-18中所示的架构旨在清楚地说明本发明的原理，而不是用于大批量制造。许多大批量制造方法可用于本发明，并且在本领域中是公知的。例如，图19和20示出了使用冲压和成形工艺制造的本发明的双叶片实施例，这是一种低成本制造工艺，可用于实现快速循环时间的生产。图19的实施例由冲压成形基部106、用铆钉110刚性地附接到基部106的冲压成形外部线圈臂108、用铆钉110刚性地附接到基部106的冲压成形内部线圈臂112组成。图20提供了图19的实施例的截面图，以示出冲压成形子部件的进一步细节。磁性弹簧和马达完全如图3的实施例所述那样工作。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的一些实施例的前述描述。本文提供的实施例并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式，并且显然根据上述教导可以进行许多修改和变化。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够在各种实施例中以及适合于预期的特定用途的各种修改中最好地利用本发明。实施例和改进包括例如用于改善动态稳定性和最大化空气性能的叶片几何形状和叶片材料、轴向和径向流动悬臂风扇、在单个风扇中用于改善性能并消除振荡的两个或更多个叶片的使用、马达类型和马达拓扑、具有共振锁控制和可变空气流速控制的驱动电路以及本发明的市场和应用，包括例如通用电子冷却、汽车、家用电器、消费电子、航空电子和军事应用。在美国专利申请No.61/376,858中可以看到这些实施方案和修改的许多实例，该专利申请通过引用并入到本文中。尽管以上描述包含许多说明书，但这些说明书不应被解释为对本发明范围的限制，而是作为其替代实施例的示例。

Claims (12)

1.一种悬臂风扇，包括：

叶片，其在一个端部处夹持至基部并具有自由振荡的远端端部，其中，所述远端端部具有所述叶片的任何部分的最大扫掠位移；和

马达，其用于致动所述悬臂风扇，

其中，所述叶片的长度从夹持端部延伸到所述远端端部；以及

其特征在于叶片永久磁体，其在沿所述叶片长度方向的点处仅附接至所述叶片，其中所述叶片永久磁体随所述叶片自由移动；以及

固定永久磁体，其仅附接至所述基部；

其中，所述叶片永久磁体和所述固定永久磁体的相应位置和相对定向导致所述叶片永久磁体和所述固定永久磁体之间的排斥磁力，并且其中，所述排斥磁力随着所述叶片的偏转使所述叶片永久磁体更靠近所述固定永久磁体而增加。

2.根据权利要求1所述的悬臂风扇，其中所述叶片永久磁体和所述固定永久磁体形成磁性弹簧。

3.根据前述权利要求中任一项所述的悬臂风扇，其中所述马达是可变磁阻马达。

4.根据前述权利要求1-2中任一项所述的悬臂风扇，其中所述马达是音圈移动磁体型。

5.根据前述权利要求1-2中任一项所述的悬臂风扇，其中所述马达是音圈移动线圈型。

6.根据前述权利要求1-2中任一项所述的悬臂风扇，其中所述马达是电致伸缩材料型。

7.根据权利要求1所述的悬臂风扇，其中所述马达向所述叶片施加周期性力，从而使所述叶片以所述周期性力的频率振荡。

8.根据权利要求7所述的悬臂风扇，还包括：

所述周期性力的频率等于或接近悬臂叶片的质量-弹簧共振的共振频率。

9.根据权利要求7所述的悬臂风扇，其中，所述马达还包括：

载流线圈，其与所述固定永久磁体同轴地共同定位，其中，所述线圈内的周期性电流在所述叶片上产生周期性力。

10.根据权利要求1所述的悬臂风扇，还包括：

所述叶片包括弯曲部段，并且其中所述叶片的弯曲部段的材料是黑色金属，并且所述叶片的弯曲部段在振荡过程中的峰值弯曲应力小于所述黑色金属的疲劳极限。

11.根据权利要求1所述的悬臂风扇，还包括：

叶片具有弯曲部段，所述弯曲部段沿着所述叶片的长度从所述夹持端部延伸到中间点；

所述叶片具有从所述中间点延伸到远端端部叶片的平面部段；

所述叶片永久磁体附接到所述平面部段。

12.根据权利要求11所述的悬臂风扇，还包括：

所述平面部段由非磁性材料制成。