CN1677810A - 电动鼓风机和使用该电动鼓风机的汽车增压器 - Google Patents

Abstract

一种尺寸紧凑、高效率、高速的电动鼓风机，有很高的对离心力的抵抗力。所述电动鼓风机包括：转子，所述转子具有多沟槽转子绕组，沿着所述绕组通过集电环由电源刷施加激励电流；定子，所述定子具有：检测装置，用于检测转子磁极的位置；和定子绕组，所述定子绕组以磁极集中的方式绕制；壳体，所述壳体用于容纳定子，并形成风的主通路；离心扇，所述离心扇连接到转子的旋转轴上，其中响应转子磁极位置的检测信号，半导体开关进行控制，因此控制转子绕组或定子绕组上的电流。半导体开关根据有关转子磁极位置的检测信号控制转子绕组或定子绕组上的电流。

Description

电动鼓风机和使用该电动鼓风机的汽车增压器

交叉引用的相关申请

本申请要求在日本专利局提交的以下专利申请的利益：申请号为JP2004-129004、申请日期为2004年3月30日的日本专利申请；申请号为JP2004-162542、申请日期为2004年4月30日的日本专利申请；申请号为JP2004-261632、申请日期为2004年8月13日的日本专利申请，这些专利申请的公开内容在这里通过引用被合并。

技术领域

本发明涉及高速旋转的电动鼓风机，该电动鼓风机结构紧凑，重量轻。

背景技术

过去普通电动机被作为高速旋转电动鼓风机得到广泛应用。这种类型电动机的电刷使用寿命短，电刷磨损相当严重，尤其是当高速旋转超过50000RPM、200V高电压驱动或者高负荷运转达到2Kw时磨损相当严重。因此，半导体控制的同步电动机如三相无电刷直流电动机近来已经被利用。半导体控制的同步电动机使用寿命相对较长。然而，因为永久磁铁被用于转子，在高速运转时，其易于被向心力损坏。

同时，专利号为2823817的日本专利提出一种永久磁铁嵌入式电动机，在该电动机里，磁铁被埋到电枢铁芯中以加强转子。然而，所获得的强度仍然不足。

传统上，使用三相逆变器(inverter)，所述逆变器使用霍尔集成电路用于检测旋转位置，使用分布式集成电路用作驱动控制电路。定子铁芯的内圆周上形成多个沟槽，用于分布电线，该定子铁芯的结构不允许冷空气轻易地通过转子和定子之间的间隙。因此，定子的温度很容易升高，这是影响效率的主要因素之一。另外，需要用于驱动控制电路的整流电压平流电容器，其占据不必要的大面积，价格也提高了。

当用于高速旋转时，由于这种同步电动机结构中转子使用了永久磁铁，导致其对于离心力的抵抗力不足。而且，因为无电刷直流电动机的驱动控制电路复杂，需要很大的空间来安置，这不符合当前对于紧凑、经济型产品的需求趋势。

另外，因为在定子和转子之间的间隙里几乎没有通道供冷空气流动，电动机效率和送风效率下降。如果减少电力开关元件的数量，启动扭矩下降，电动机不能迅速启动，或者启动反常。

在开始操作时，汽车增压器的效率下降尤其严重，因为增压器使用发动机的背压(backpressure)。

发明内容

因此，提出现在的总体发明构思以解决上述缺点和/或问题，本发明的一个方面是提供一种紧凑、高效率、高速的电动鼓风机，所述鼓风机的转子具有提高的对离心力的抵抗力，并且所述鼓风机具有改善的冷却效果。还旨在提供一种用于汽车的电力增压器，所述电力增压器使用上面的电动鼓风机。

本发明的另一个发明构思是提供一种半导体控制的电动鼓风机，其不但减少了对控制电路所需空间的需要，降低了价格，而且提供改善的操作启动特征。

本发明的上述方面和/或其它特征能够通过提供一种电动鼓风机实现，所述电动鼓风机包括：转子，所述转子具有多沟槽转子绕组，沿着所述绕组通过集电环由电源刷施加激励电流；定子，所述定子具有检测装置，用于检测转子磁极的位置；和定子绕组，所述定子绕组以磁极集中(pole-focused)的方式绕制；壳体，所述壳体用于容纳定子，并形成风的主通路；和离心扇，所述离心扇连接到转子的旋转轴上，其中，半导体开关响应转子磁极位置的检测信号进行调整，从而控制转子绕组或定子绕组的电流。

所述转子具有：转子铁芯，所述铁芯具有多个沟槽；以及绕着转子铁芯以重叠形式缠绕的电线，从而转子铁芯上的绕组受激励形成磁铁。

所述定子具有磁极，第一磁极末端部分和转子之间的距离小于第二磁极。所述定子还具有两个定子磁极(stator pole)和信号相位定子绕组。转子绕组单独被激励一段预定的时间，然后定子绕组被控制。

所述定子包括四个磁极和两对定子绕组，因此相邻磁极能够具有相同的极性，两个半导体开关控制定子绕组。

所述定子具有三个或六个定子磁极，三个半导体开关控制三相定子绕组。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于汽车的电力增压器，所述电力增压器使用上面所述电动鼓风机。

因此，电动鼓风机转子在其转子绕组里有直流电流流动，并通过集电环和电源和接收电刷。转子结构坚硬，以抵抗由于高速旋转带来的离心力，同时，转子铁芯具有多个相同形状的沟槽，结果电线能够在其上以重叠样式缠绕。因为提供了良好的转子平衡，对抗离心力的强度提高，因此能够提供更快速的旋转和高容量(capacity)的产品。

使用本发明，转子绕组结构使得激励电流由集电环流入。因此，能够提供具有抵抗离心力的高强度的坚固的旋转体，并能够提供易于修正不平衡，并能够快速运转的电动鼓风机。

而且，定子具有改善的空气流通和冷却效果，绕组处的半导体的直径能够减小，铜重量也能够减小。结果，效率提高了。另外，因为检测装置被安装以检测转子电极的位置，半导体开关根据由检测装置输出的位置检测信号控制定子绕组或者转子绕组上的电流流动，在普通电动机中经常出现的电刷的磨损不会出现。同时，提供了使用寿命长的电动鼓风机而不必增加电动机的容量(capacity)。

根据本发明的一个方面，转子铁芯具有相同间距的沟槽，电线在其上以重叠样式缠绕。因此，转子在旋转运动中具有良好的平衡，即使出现了不平衡，这种不平衡也能够被减小。另外，绕组自身的张力也帮助提高对离心力的抵抗力。

另外，转子的结构使得转子绕组单独被激励的安置位置和定子绕组被激励的磁引力的中心位置互不相同。结果，半导体开关的数量可被最小化，可提供更经济的价格。

而且，在启动过程中能够产生移动磁场。因此，甚至当起动过程中摩擦负荷增加时，也能够在短时间里达到正常的旋转速度。

而且，因为三个半导体开关控制三相定子绕组，在启动过程中能够产生旋转磁场，结构紧凑的控制电路能够在短时间里达到正常旋转速度。

而且，当应用于汽车用增压器时，所述电动鼓风机能够增加发动机启动期间的效率，也提高了汽车的加速特征。

附图说明

通过参考附图描述本发明的几个实施例，本发明的上述方面和特征将更加显而易见。在附图中：

图1是本发明第一个实施例的纵向截面图；

图2是第一个实施例的侧视图；

图3A和3B示出了根据本发明的第一个实施例的一个例子的转子绕组的展开图；

图4是用于说明根据本发明的第一个实施例的转子和定子磁极结构的示意图；

图5A，5B和5C是用于说明根据本发明的第一个实施例的电动鼓风机旋转原理的示意图；

图6是根据本发明的第二个实施例的转子和定子的平面图；

图7A，7B，7C和7D用于说明根据本发明的第二个实施例的旋转原理的示意图；

图8是根据本发明的第三个实施例的转子和定子的平面图；和

图9A，9B和9C是用于说明根据本发明的第三个实施例的旋转原理的示意图。

具体实施方式

将参考附图，更加详细地描述本发明的几个实施例。

在下面的描述里，甚至在不同的图里，相同的附图标出记用于表示相同的元件。在说明书中定义的内容如具体的结构和元件只是用于帮助对本发明的综合理解。因此，显而易见，本发明能够在没有那些定义的内容的条件下也能够实施。而且，众所周知的功能或结构没有进行详细描述，以免它们在不必需的细节上使本发明变得模糊不清。

现在描述第一个实施例。图1是本发明第一个实施例的纵向截面图；图2是第一个实施例的侧视图；图3A和3B示出了了根据本发明的第一个实施例的一个例子的转子绕组的展开图；图4是根据本发明的第一个实施例的转子和定子的磁极结构的示意图。

参考图1，定子2被容纳在圆筒形壳体6a里。转子3被安置在定子2里，旋转轴9的两个相对的端部被可动地支撑在连接到壳体6a和6b中心部分的轴承8a和8b上，从而能够自由旋转。离心的鼓风机7被连接到旋转轴9的引导端，以便大体上沿着图1的箭头方向A在点A和B之间产生风的通路。具有正环和负环32a和32b的集电环32布置在转子3上。正刷33通过正刷座(plus brush holder)10与正集电环32a接触，而负刷34通过负刷座11与负集电环32b接触。

如图2所示，转子3具有带有多个沟槽的铁芯12、电线5、集电环32，集电环32包括正和负集电环32a和32b，转子3被连接到旋转轴9上。正钨(plus tungsten)伸出到正集电环32a外面，而负钨(minus tungsten)38伸出到负集电环32b外面。为了更清楚地理解，图3A和3B特别示出了线圈位置的一个实施例。然而，应当理解，在磁极中心的线圈数量可以被减少，以保证更宽的冷却通路，并减少热量损失。图3A示出形成的N和S极的宽度足够覆盖两个沟槽，图3B示出N和S极各自的宽度被集中从而仅仅覆盖一个沟槽。虚箭头表明电流方向。如图所示，通过根据需要改变绕组方向，N和S极的各个宽度能够自由变化。

如图4所示，定子2具有采用集中绕组的两磁极磁场结构，其中在定子2和圆筒形壳体6a之间，以及在定子2和转子之间，形成了足够的冷空气通道。各个磁极20和21具有窄磁极端20a和21a以及宽磁极端20b和21b。尽管没有详细示出，转子3处于被激励电流激励的激励状态(虽然在图3里没示出)，N和S极绕着转子3产生。

现在参考图5描述根据本发明的第一个实施例的电动鼓风机的旋转。

如图5A所示，半导体开关Tr1处于关闭状态，结果使得确定的电流通过集电环被提供到转子3。转子3的磁极相对于定子2的磁极分别以狭窄的间隙停止，并停止在N和S极被改变的位置。尽管未示出，转子3的位置能够通过众所周知的装置如霍尔集成电路、磁阻元件和使用高频信号的接近开关检测到。当检测到转子磁极达到如图5A所示位置时，半导体开关Tr1旋转到打开状态。

因此，磁极20被激励至N极，另一个磁极21被激励至S极。转子3产生顺时针的旋转力。随着转子3旋转到如图5B所示位置，半导体开关Tr1变成关闭状态。转子3由于惯性保持沿着顺时针方向旋转，随着转子3经过如图5C所示状态，半导体开关Tr1又被打开。以这种方式，转子3通过半导体开关tr1在每半周期中的控制而连续不断地旋转。

代替单相绕组，作为一个可以选择的例子，定子磁极20和12可以有不同相位的电线，所述电线被沿着不同方向用双桩(bi-piling)绕制，结果转子3通过轮流控制两相线圈的两个磁极而连续不断旋转。更具体而言，转子3能够通过简单的控制而连续不断地旋转，在所述控制中转子3的绕组被单独激励，从而把转子3的磁极放在稳定位置，两相线圈被交替地打开或关闭。本例子的优点是不需要采用检测转子磁极位置的装置。因为在转子3里没有使用永久磁铁，当较大的启动电流流过时，磁力不会减小。另外，能够以经济的价格提供软启动电路，并能够保证有效的启动操作。

现在将参考图6所示的转子和定子绕组以及用于解释旋转原理的图7A、7B、7C和7D描述本发明的第二个实施例。

如图6、图7A、7B、7C和7D所示，转子3具有由图3A和3B所示的重叠绕组的激励而形成的磁极N和S。电磁绕组的激励由通过集电环和与定子绕组平行连接的正负电刷的电流完成。电流方向在截面中由符号表示。然而，激励的方法并不局限于与转子绕组4的平行连接。因此，激励能够通过同时与开关Tr1或Tr2串联连接来执行。

定子2具有两对磁极22a和22b，23a和23b，以及分别以串联方式与半导体开关Tr1和Tr2连接的磁极集中(pole-focused)的绕组。绕组4被以这样一种方式缠绕(wrap)，使得当半导体开关Tr1处于打开状态时，定子磁极22a变成N极，而另一个定子磁极22b变成S极。绕组4也被以这样一种方式缠绕(wrap)，使得当半导体开关Tr2处于打开状态时，定子磁极23a变成N极，而另一个定子磁极23b变成S极。

现在将参考图7A、7B、7C和7D描述旋转原理。图7A表示处于特定位置的转子磁极。在启动时，磁极位置变化到另一个位置。当这种位置变化被仅仅一个已知的转子磁极位置检测装置如霍尔集成电路检测到时，对于启动而言，扭矩可能太高。现在，通过由图7A所示状态打开半导体开关Tr1，转子3能够顺时针旋转。如果转子3位于磁场超前90°的位置，如图7B所示，转子3反转，但是在任何情况下，Tr1和Tr2都变为打开状态。如果只有Tr2处于打开状态，定子磁极产生运动磁场，其具有沿着顺时针方向运动的峰值点。转子3被吸引到运动磁场，因此启动沿着顺时针方向的旋转，并到达由位置检测装置产生位置信号的位置处。

当转子3达到磁场超前90°的位置，如图7B所示，由于磁场位置检测信号，Tr1和Tr2同时打开，因此，产生了顺时针扭矩。当转子3移动到如图7B所示位置的大约超前45°的位置时，产生最大加速扭矩，当移动到如图7C所示位置的超前45°位置时，顺时针加速扭矩被施加到转子3上。当转子3经过如图7C所示位置的超前45°位置时，逆时针扭矩被施加，因此，Tr1和Tr2都变成打开状态。由于转子3的惯性和负荷，转子3由图7D所示位置旋转到图7A所示位置。当转子3通过如图7A所示位置时，Tr1和Tr2又都变成打开状态用于加速。通过在每半个周期中的加速和惯性运转，半导体开关的数量能够减少一半，能够以更便宜的价格和更加紧凑的空间提供控制电路。

现在参考示出转子和定子的绕组样式的图8和示出旋转原理的图9A、9B和9C描述本发明的第三个实施例。

如图所示，转子3形成确定方向的电流，如前所述，该电流由以重叠绕组样式绕制的转子绕组5的激励而产生。转子3也具有N和S磁极。三个磁极24、25和26布置在定子2上，单极性三相绕组分别被作用在(perform)各个磁极24、25和26上。各个磁极24、25和26与半导体开关Tr1、Tr2和Tr3连接。

现在参考图9A、9B和9C描述旋转原理。尽管当进行启动操作时，转子可以位于任何位置，在下面的描述里，假设转子位于图9A所示位置。

因此，在转子3位于如图9A所示位置时，打开Tr1引起定子电极24到N极，而使其它定子磁极25和26变成S极。因此，转子3产生顺时针扭矩，向着如图9B的平衡点加速。当转子3运动到如图9B的位置附近时，第一个半导体开关Tr1被打开，打开第二个半导体开关Tr2，因此，定子磁极25变成N极，而其它定子磁极24和26变成S极。结果，转子3继续产生顺时针扭矩，向着如图9C所示的平衡点加速。当转子3运动到如图9C的位置附近时，第二个半导体开关Tr1被打开，打开第三个半导体开关Tr3，因此，定子磁极26变成N极，而其它定子磁极24和25变成S极。因此，转子3继续向着如图9A所示的平衡点加速。

通过在三个以集中绕制图样绕制的定子磁极上设置三相单极性绕组，并依次激励各个绕组，提供用于旋转的磁场，从而能够使得定子磁极的磁场的峰值点沿着一个方向。因此，转子能够与启动时的旋转方向同步启动，能够提供高的启动扭矩。尽管出于图解目的，图8示意三个磁极，定子磁极的数量可以变化，同时能够提供如上所述的相同效果。例如，三对定子磁极，即六个磁极可以提供给定子2，同时为定子磁极提供双倍转子磁极。

当应用于用于汽车启动的增压器时，本发明的一个例子十分有效。常规增压器使用背压力，或者直流设备。采用直流设备，高达10000rpm的转速是可能的。采用根据本发明的一个实例的电动鼓风机，能够达到高达100,0000rpm的转速，并能够实现改进的增压器，其能够以紧凑尺寸实现提高的功率效率。另外，根据本发明的一个实施例的鼓风机不但鼓风功能的效率高，而且在其它应用上也具有高的效率。例如，鼓风机的绕组可以被用于冷却，利用紧凑的优点，鼓风机能够和减速(reduction)齿轮结合用于运输车辆，如汽车、摩托车、推车以及医疗用车，例如轮椅或担架。

前述的实施例和优点仅仅是示例性的，而不应解释为对本发明的限制。本技术教导能够容易地应用于其它类型的设备。而且，对本发明的实施例的描述旨在示例，而不是为了限制权力要求书的范围，许多替代、改进和变型对于本领域的技术人员是显而易见的。

Claims (13)

1.一种电动鼓风机，包括：

转子，所述转子具有多沟槽转子绕组，沿着所述绕组通过集电环由电源刷施加激励电流；

定子，所述定子具有：检测装置，用于检测转子磁极的位置；和定子绕组，所述定子绕组以磁极集中的方式绕制；

壳体，所述壳体容纳定子，并形成风的主通路；和

离心扇，所述离心扇连接到转子的旋转轴上，其中，半导体开关响应转子磁极位置的检测信号进行调整，从而控制转子绕组或定子绕组上的电流。

2.根据权利要求1所述的电动鼓风机，其特征在于：转子具有：转子铁芯，所述铁芯具有多个沟槽；和绕着转子铁芯以重叠样式缠绕的电线，从而转子铁芯上的绕组受激励形成磁铁。

3.根据权利要求1所述的电动鼓风机，其特征在于：定子具有磁极，第一磁极末端部分和转子之间的距离小于第二磁极；

定子还具有两个定子磁极和信号相位定子绕组，和

转子绕组单独被激励一段预定的时间，然后定子绕组被控制。

4.根据权利要求1所述的电动鼓风机，其特征在于：定子包括四个磁极和两对定子绕组，相邻磁极能够具有相同的极性，和

两个半导体开关控制定子绕组。

5.根据权利要求1所述的电动鼓风机，其特征在于：定子包括三个定子磁极，三个半导体开关控制三相定子绕组。

6.根据权利要求1中所述的电动鼓风机，其特征在于：定子包括六个定子磁极，三个半导体开关控制三相定子绕组。

7.一种包括电动鼓风机的用于汽车的电力增压器，所述电动鼓风机包括：

转子，所述转子具有多沟槽转子绕组，沿着所述绕组通过集电环由电源刷施加激励电流；

定子，所述定子具有：检测装置，用于检测转子磁极的位置；和定子绕组，所述定子绕组以磁极集中的方式绕制；

壳体，所述壳体用于容纳定子，并形成风的主通路；和

离心扇，所述离心扇连接到转子的旋转轴上，其中，半导体开关响应于转子磁极位置的检测信号进行调整，从而控制转子绕组或定子绕组上的电流。

8.根据权利要求7所述的电力增压器，其特征在于：转子具有：转子铁芯，所述铁芯具有多个沟槽；和绕着转子铁芯以重叠样式缠绕的电线，从而，转子铁芯上的绕组受激励形成磁铁。

9.一种电动鼓风机，包括：

转子，所述转子具有多沟槽转子绕组，沿着所述绕组通过集电环由电源刷施加激励电流；

定子，所述定子：具有检测装置，用于检测转子磁极的位置；和定子绕组，所述定子绕组以磁极集中的方式绕制；

壳体，所述壳体用于容纳定子，并形成风的主通路；和

离心扇，所述离心扇连接到转子的旋转轴上，其中，半导体开关响应转子磁极位置的检测信号进行调整，从而控制转子绕组或定子绕组上的电流；

其中：转子具有：转子铁芯，所述铁芯具有多个沟槽；和绕着转子铁芯以重叠样式缠绕的电线，从而转子铁芯上的绕组受激励形成磁铁。

10.根据权利要求9所述的电动鼓风机，其特征在于：定子具有磁极，第一磁极末端部分和转子之间的距离小于第二磁极；

定子还具有两个定子磁极和信号相位定子绕组，和

转子绕组单独被激励一段预定的时间，然后定子绕组被控制。。

11.根据权利要求9所述的电动鼓风机，其特征在于：定子包括四个磁极和两对定子绕组，从而相邻磁极能够具有相同的极性，和

两个半导体开关控制定子绕组。

12.根据权利要求9所述的电动鼓风机，其特征在于：定子包括三个定子磁极，三个半导体开关控制三相定子绕组。

13.根据权利要求9中所述的电动鼓风机，其特征在于：定子包括六个定子磁极，三个半导体开关控制三相定子绕组。

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