CN1848633B

CN1848633B - 步进电动机和具有步进电动机的风扇

Info

Publication number: CN1848633B
Application number: CN2006100718826A
Authority: CN
Inventors: 后藤龙树; 笠原贵
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: CN1848633A; US7605501B2; US20060220475A1; JP4796779B2; JP2006280101A

Abstract

一步进电动机包括：包括线圈的定子，卷绕该线圈以致形成一中空的空间；包括磁铁的转子，该磁铁设置在线圈的中空的空间内，通过改变定子的磁极可转动地驱动转子；以及磁铁件，该磁铁件设置在线圈的附近，以致磁铁的极性方向和线圈的卷绕轴线的方向在激励线圈或不激励线圈时在磁铁的稳定位置中相互交叉。

Description

步进电动机和具有步进电动机的风扇

技术领域

本发明涉及能够减小电流、降低噪音和延长使用寿命的用于干燥器、驱除昆虫装置或类似设备的步进电动机和在其中装有该步进电动机的风扇。

发明背景

传统上，已提出了用于干燥器等的电风扇(例如是专利文献1-3以及8)。但是，这些传统技术没有考虑用电池驱动电动机，从而也没有将目标用于实现减小电流、降低噪音和延长使用寿命。

按照上述问题，为了降低风扇电动机的功率消耗，提出了一技术，该技术检测风扇电动机的效果和按照所检测到的效果的数量控制(降低)风扇电动机的转速或间断地驱动风扇电动机，从而限制电流消耗(例如，见专利文献4)，还提出了一技术，其中风扇电动机包括使用压电元件的单个叶片等(例如见专利文献5)。

但是，在其中由单个叶片制造的风扇电动机的技术中，需要升压器电路，这造成成本较高。

关于低电流消耗类型的电动机，已知用于钟的单相步进电动机(例如，见专利文献6和9)。但是，这些步进电动机的转矩很小，难以将它们用于风扇电动机。

并且，在专利文献7中，提出了用步进电动机作为驱动源的风扇电动机。但是，在这风扇电动机中，由于当用低电流驱动该风扇电动机时叶轮的转动惯量较大，不能起动该风扇电动机，而引起失调。因此，难以用低电流驱动该风扇电动机。

此外，在上述专利文献2和3中，揭示了一些结构，其中在电动机轴内提供了一风扇接纳部分，风扇由风扇接纳部分和风扇之间的摩擦驱动。使用该结构在倾斜风扇装置时甚至在电动机转动期间也会停止风扇的转动。换句话说，电动机轴和风扇在它们之间、在径向有间隙；因此，风扇的重心可能从电动机轴偏离，这能够恶化风扇的平衡，或产生振动和噪声。

按照上述情况，传统上，作为风扇电动机，使用有电刷的直流电动机，其中转子的电阻值设定提较大，从而产生若干毫安的无载电流。但是，由于长时间连续驱动直流电动机，直流电动机的使用寿命成为一问题。为了解决这问题，还可以使用例如不接触电刷的无电刷电动机，从而能够延长电动机的使用寿命。但是，在无电刷电动机中，仅仅它的霍尔元件就要求若干毫安的电流，这样，当包括用于其它驱动电路和电动机的传导所需的电流时，必需消耗的电流为几十毫安。因此，例如，难以用电池长时期连续驱动无电刷电动机。

已知不包括霍尔元件的无传感器电动机。但是，在这电动机中，必需检测线圈反电动势电流，这样电动机的起动特性必须较高。因此，难以减少功率消耗，以致电动机变得较贵。当使用不要求霍尔元件的步进电动机时，还可以用减小的电流驱动它。但是，在这情况下，由于电动机的起动转矩较小，当驱动和转动具有较大转动惯量的叶轮等时，该电动机不能被起动，而可能失调。即，使用该电动机难以用低电流驱动叶轮。

专利文献1：JP-UM-H02-100631出版物

专利文献2：JP-H03-154613出版物

专利文献3：JP-H11-197438出版物

专利文献4：JP-H10-5622出版物

专利文献5：JP-2000-513070出版物

专利文献6：JP-S61-11390出版物

专利文献7：JP-H10-136634出版物

专利文献8：JP-H5-153892出版物

专利文献9：JP-H8-255859出版物

发明内容

本发明用于解决在现有技术中发现的上述许多问题。因此，本发明的一目的是提供能够用减小的电流驱动和转动叶轮的步进电动机，并降低噪声和延长使用寿命，以及提供其中装有该步进电动机的风扇。

为了实现上述目的，本发明具有下列结构。

(1)步进电动机，该步进电动机包括：

包括一线圈的定子，该线圈被卷绕成为形成中空的空间；

包括设置在该线圈中的中空的空间内的磁铁的转子，其中通过改变定子的磁极可转动地驱动转子；以及

设置在线圈附近的磁铁件，以致磁铁的极性方向和线圈的卷绕轴线的方向在线圈被激励或不被激励时在磁铁的稳定位置中相互交叉。

(2)按照(1)的步进电机，其中磁铁件为圆柱形，并设置在由线圈卷绕轴线和与该线圈卷绕轴线和转子转轴直角交叉的一直线形成的一区域内，该区域不包括在卷绕轴线和该相交直线上存在的区域。

(3)按照(1)的步进电动机，其中定子包括相互形状相同的和沿着线圈卷绕轴线的方向被连接在一起的两线圈绕线架。

(4)按照(1)的步进电动机还包括驱动电路，该电路包括用于控制对线圈施加电流的CMOS(互补金属氧化物半导体)晶体管。

(5)如(4)中所述的步进电动机，其中驱动电路是对用于钟的IC(集成电路)的等效物。

(6)按照(4)的步进电动机，其中驱动电路被构造成使在电动机起动时输出的它的脉冲频率被设置成比在电动机稳定时期输出的脉冲频率较低。

(7)一风扇，该风扇包括：

按照上述(1)的步进电动机；

设置在转子转轴的一侧上的叶轮；以及

连接结构，该结构用于将叶轮连接于转子转轴，以便可相对于转子转轴旋转，

其中，在开始驱动电动机时连接结构允许转子转轴相对于叶轮空转，从而吸收叶轮的惯性力，随着转子转轴的转速增加，叶轮跟随着转子转轴转动。

(8)按照(7)的风扇，其中连接结构是一螺旋弹簧，叶轮连接于该弹簧的一端，转子转轴固定于该弹簧的另一端，围绕转子转轴卷绕该螺旋弹簧。

(9)按照(7)的风扇，其中连接结构包括连接于叶轮侧的第一连接部分和连接于转子转轴侧的第二连接部分以及一球，该球设置在由第一和第二连接部分形成的空间内，并能够在转子转动时产生的离心力的作用下运动。

如以上所述，按照本发明，能够用小电流驱动和转动叶轮，并有较低的噪声和较长的使用寿命。

附图简述

图1是按照本发明的一实施例的步进电动机和风扇的分解立体图。

图2是图1所示的风扇装置的侧剖视图，示出了它的组装状态。

图3是图1所示的风扇装置的局剖断开的平面视图。

图4A是用于将叶轮和输出轴连接在一起的连接结构的立体图，以及图4B是连接结构的另一例子的剖视图。

图5是按照本发明的一实施例的驱动电路的方块图。

图6A和6B是由图5所示的驱动电路所产生的和施加于步进电机的驱动电压的波形图。

图7A至7D是按照本发明的实施例的步进电动机的转动操作的说明性视图。

1：壳体，2：电路板，3、3b：线圈绕线架，4：罩壳，5：叶轮，6：螺钉，7：输出轴，8a：径向轴承，8b：推力轴承，10：凸榫销，12：转子磁铁，20：保持件，21：螺旋弹簧，15a、15b：接线柱，15c：凸起部分，35：驱动电路，36：振荡电路，37：控制部分，38：CMOSFET，39：电池，41：球。

具体实施方式

现在，以下将参照附图叙述本发明的较佳实施例。

顺便说一下，以下所述的实施例是关于实现本发明的一例子，本发明还能够对以下所述实施例进行变化或修改而不脱离本发明的范围和原理。

图1是按照本发明的实施例的步进电动机和风扇装置的分解立体图，图2是图1所示的风扇装置的侧剖视图、示出了其中装配风扇装置的状态，图3是图1所示的风扇装置的局部断开的平面视图，以及图4A是用于将叶轮和输出轴连接在一起的连接结构的立体图。

如图1至3所示，在按照本发明的风扇装置中，将包括两个或多个叶片部分、例如一轴向叶片和一多叶片的叶轮5连接于单相PM型步进电动机的输出轴7。

在单向PM型步进电动机中，将被磁化为S和N极的一组圆柱形转子磁铁(永久磁铁)12固定于输出轴7，从而构成一转子(一转动部分)。由一对径向轴承8a可转动地支持输出轴7，该对径向轴承在其轴向与输出轴7结合。其中一个轴承8a被压入和从而固定于形成电动机的外形的有底的圆筒形(杯形)罩壳4，同时另一轴承被压入和从而固定于形成风扇装置的外形的壳体1的底板1a的中央部分，从而该两轴承8a在输出轴的径向支持输出轴7的两端部。推力轴承8b通过在壳体1的底板1a的中央部分内形成的一孔在推力方向支持输出轴的下端部分。

另方面，定子(固定部分)包括一对空心的线圈绕线架3，在每个绕线架上卷绕例如漆包铜线的线圈约2000次。沿着线圈卷绕轴线方向(或线圈绕线架纵向)L1将两线圈绕线架3a、3b连接在一起，在它们的连接部分上，支持转子磁铁12的输出轴7。转子磁铁12设置在以上所述的连接部分内的中空的空间内。即，转子磁铁12被设置成它的输出轴7垂直于线圈的卷绕轴线方向L1。

各线圈绕线架3a、3b分别包括一对接线柱15a、15b，该接线柱由树脂或类似物制造，并与线圈绕线架3a、3b成为一体，用于与线圈的起始端和终了端电连接在一起。接线柱15a、15b被插入设置在壳体1的底板上的印刷插件板内或形成在电路板2内的台阶孔2a内，然后通过焊接或类似方法对其电连接。当对线圈施加电流时，各线圈绕线架3a、3b被激磁，从而提供磁极，以致它们在转子磁铁12和它们自身之间产生洛伦兹力。围绕线圈绕线架3a、3b卷绕的诸线圈以围绕卷绕轴线方向L1的相互相反的方向被卷绕，当施加电流时，在相应的线圈绕线架3a、3b内产生不同的磁极。

在相应的线圈绕线架3a、3b内，提供与线圈绕线架3a、3b一体形成的凸起部分15c。当诸凸起部分15c被啮合在电路板2内形成的孔部分2b和形成在壳体1的底板内形成的孔部分1b时，能够使电路板2适当定位，同时它被保持在线圈绕线架3a、3b的诸凸起15c和壳体1的底板1a之间。顺便说一下，这些凸起部分15c可以较佳地设置在远离输出轴7的诸部分内，有较大的厚度和较高的强度。

在此，线圈绕线架3a、3b的数量不局限于一对(两个)，而是可以在卷绕轴线方向L1串联三个或多个线圈绕线架，或者可以交叉地连接四个线圈绕线架。

在电路板2上，装有驱动电路(以后将叙述)，从而能够形成施加于线圈的脉冲电压波。

在诸线圈绕线架3a、3b的任一个的附近，设置由磁性材料(不锈钢(SUS420)、铁、铁素体等)制造的圆柱形凸榫销10，以便，在激励线圈(电激励)时或不激励线圈(不电激励)时磁铁12的稳定位置中，磁铁12的极性方向(见图7A至7D所示的L3)能够与线圈卷绕轴线方向L1相交叉，这样从方向L1偏移。通过压入或类似方式将凸榫销10固定于罩壳4的内部，使凸榫销靠近线圈绕线架3a、3b设置。关于这结构的原因如下：即，由于转子磁铁12在它的两极上被磁化，同时线圈绕线架3a、3b被磁化为两部分，因此凸榫销10使线圈绕线架3a、3b的诸稳定位置相互转移，从而对转子磁铁12施加转矩，尤其使它的转动在一个方向。

凸榫销10可以较佳地设置在扇形区(但是，不包括存在于L1和L2上的区域)内，该扇形区在罩壳4内的线圈绕丝架3a、3b附近，并由线圈卷绕轴线L1和直线L2限定，直线L2与卷绕轴线方向L1、也与输出轴7直角相交。

当将凸榫销10稳定在该处转子磁铁12的磁极偏移线圈绕线架3a、3b的磁极的一位置处和设置在该处电动机起动时能够获得某种程度的转矩的一位置处时，能够减小电动机起动时所需的电流。

凸榫销10的形状取决于线圈绕线架3a、3b的激励强度和转子磁铁12的磁力。因此，凸榫销10的形状不局限于圆柱形，而是，例如，凸榫销10可以形成为盘形，这样可以设置在线圈绕线架3、3b的上方或下方或在叶轮5的下部内，或者它可以形成为方形或中空形状。

罩壳4在其中存放定子和转子，定子包括线圈绕线架3a、3b等，转子包括转子磁铁等，用螺钉6或类似物将罩壳4固定于壳体1的底板1a。

在对相应的线圈施加电流时，线圈绕线架3a、3b被激励，提供磁极，以及通过颠倒这些磁极，能够转动转子磁铁12。以及，能够利用凸榫销10建立一位置关系，其中当激励线圈绕线架3a、3b时防止线圈绕线架的磁通方向(线圈的卷绕轴方向L1)和转子磁铁12的磁极方向在相同的一直线上或相互平行，而是两个方向相互交叉；凸榫销10在激励线圈时和不激励线圈时能够形成转子磁铁12的各自的稳定位置，从而转子磁铁12在它自己的动力作用下能够开始它的转动(见图7A至7D)。

换句话说，在转子磁铁12的不激励稳定状态中，提供了一位置关系，其中转子磁铁12的磁性从凸榫销接收凸榫接合转矩，从而在诸线圈绕线架3a、3b被激励时在它们之间产生的磁通方向L1(见图7A至7D)和转子磁铁12的极性方向相互交叉，从而相互偏移(即防止它们相互平行)(见图7A至7C)。

在转子磁铁12的激励稳定位置中，提供了一位置关系，其中转子磁铁12的极性从线圈绕线架3a、3b接受吸力和排斥力，从而允许转子磁铁12很好平衡，以及转子磁铁12的极性从不激励稳定位置转动180°(见图7B和7D)。

如图4A所示，输出轴7可滑动地(空转)插入叶轮5的转动中心轴线上形成的轴向孔5a内，同时通过连接结构以叶轮5能够相对于输出轴7转动的方式将叶轮连接于输出轴7。

上述连接结构是围绕输出轴7卷绕的螺旋弹簧21。螺旋弹簧21的一端连接于叶轮5的轴向孔5a附近形成的安装孔5b内，同时另一端固定于保持件20中形成的安装孔20b内，通过压力插入或类似方法将保持件安装在输出轴7上。由叶轮5和保持件20中的台阶部分20a将螺旋弹簧21的螺旋部分21a保持在它们之间。

螺旋弹簧21被构造成使它的弹簧常数较小，它的钢丝直径被制得较细，从而它的扭转较弱。在起动电动机时，当输出轴7相对于叶轮5空转时，螺旋弹簧21吸收叶轮的惯性力(矩)，从而减小电动机起动时施加于输出轴7的惯性矩。然后，随着输出轴7的转速增加，释放螺旋弹簧21所吸收的力，从而使以叶轮5跟随输出轴7的方式相对于输出轴7转动叶轮5。

按照上述连接结构，甚至当叶轮的转动惯量较大、从而难于起动电动机时，或者甚至当叶轮具有较大转动惯量、如在其中叶轮固定地连接于输出轴的传统结构中那样在起动电动机使电动机失调时，利用具有较小起动转矩的步进电动机能够驱动和转动具有这样大的转动惯量的叶轮。所以，电动机能够被起动而不会失调，以及能够用较小电流驱动电动机，并具有较低噪音和较长的使用寿命。

顺便说一下，可以使用图4B所示的球41代替螺旋螺弹21。

图4B所示的连接结构包括作为在它的输出轴7侧上的连接部分的保持件40。通过压入或类似方法将保持件40安装在输出轴7上，保持件包括形成在它的外周部分的至少一部分(在图4B中，相对于中轴线对称的两部分)内的诸扇形凹槽40a。该连接结构包括、作为在它的叶轮5侧上的连接部分、围绕叶轮5的转动中心形成的同中心形成的圆筒表面42b。在凹槽40a和圆筒表面42b之间的扇形空间内设置扇形球41。在此，凹槽40a的侧壁部分40b和圆筒表面42b之间的间隙t在扇形空间的中心处的最宽部分(叶轮5的中心轴线和球41的中心是在同一直线上的位置)基本上等于球41的直径d；随着间隙在施加离心力F的方向接近扇形空间的外侧时，该间隙变窄。

在电动机起动时，球41被松驰地装配进入扇形空间，输出轴7相对于叶轮5空转；随着输出轴7的转速增加，对球41施加离心力F，从而在扇形空间内将球41从它的中央朝它的外侧移动；因此由于楔形效果球41运动进入叶轮5的圆筒表面42b和凹槽40a的侧壁部分40b之间，所以叶轮5和保持件40相互接合。由于该作用，保持件40和叶轮5通过球41相互连接，从而跟随输出轴7转动。

现在，图5是按照本发明的一实施例的驱动电流的方块图，图6A和6B是图5所示的驱动电路所产生的驱动电压的和施加于步进电机的波形图。

如图5所示，驱动电路35使用、例如、作为它的动力源的两节干电池39。在驱动电路35中，从其中装有石英振荡器等的振荡电路36输出的时钟信号是被控制部分37分派的频率和被该控制部分形成的波形，驱动控制信号被输出到包括四个CMOS晶体管的CMOSFET38的诸相应的门，横越线圈的接线端施加如图6A和6B所示的具有交替的周期地颠倒的脉冲波形的驱动电压，从而以恒定的速度驱动和转动单相步进电动机。顺便说一下，在该实施例中，驱动电压的接通时间、例如、是约24毫米，同时步进电机的转速约700转/分。

虽然图6A示出了其中脉冲频率从电动机起动时间就设定为常数，但如图6B所示，当电动机起动时脉冲频率被设定为比在稳定时期较低(减速电压波形)时，能够附加一减速功能，该功能从起动时期到稳定时期逐渐增加电动机的转速，从而能够进一步方便用小电流转动具有较大转动惯量的叶轮的上述连接结构的作用。

按照该实施例的单相步进电动机的线圈电阻是几百欧姆，因此比普通电动机大得多，同时，将有几百欧姆电阻的一电阻器与该步进电机串联，在此情况下，驱动电流为几毫安。

由于能够使用关于钟的普通用途的IC作为上述驱动电路35，所以能够以低成本生产按照该实施例的步进电动机，并且它的消耗电流小，以及还能够类似于钟使用干电池长期驱动该步进电动机(例如两节干电池提供3伏，消耗电流为2毫安，以及电池的容量为2000毫安，所以能够连续驱动该步进电动机40天)。

现在，图7A至7D是按照该实施例的步进电动机的旋转工作的说明图，示出了线圈绕线架3a、3b和转子磁铁12之间的位置关系。

在图7A示出的转子磁铁12的不激励的稳定位置(电流供应被切断)中，提供了其中转子磁铁12的磁极接受来自凸榫销的凸榫接合转矩，从而线圈绕线架3a、3b之间产生的磁通的方向L1和转子磁铁12的极性方向L3相互交叉，因此相互偏移。

在上述未激励稳定位置中，当对线圈施加电流(ON)从而激励线圈绕线架3a、3b时，与线圈绕线架3a的磁极不同的转子磁铁3a、3b的磁极被吸引，同时磁极相同的转子磁铁12的磁极排斥线圈绕线架3a、3b，以致转子磁铁12平衡得很好。因此，转子磁铁12从图7A所示的不激励的稳定位置转动到图7B所示的电磁稳定的位置，其中转子磁铁12的极性逆时针方向转动了180°。

然后，既使切断对线圈的供电(OFF)，转子磁铁12保持不激励稳定的位置(图7C)，其中转子磁铁12的极性相对于图7A已颠倒、转动了180°。

其次，在图7C所示的不激励稳定位置中，当与图7B所示的供电状态中产生的脉冲颠倒的脉冲被输出、从而允许线圈绕线架3a、3b提供与图7B所示的激励状态中的极性颠倒的极性时，与线圈绕线架3a、3b的极性不同的转子磁铁12的磁极被这些线圈绕线架吸引，同时，与线圈绕线架3a、3b的极性相同的转子磁铁12的磁极排斥线圈绕线架，以致转子磁铁12平衡得很好。换句话说，转子磁铁12从图7C所示的不激励稳定位置转到图7D所示的电磁平衡位置，其中转子磁铁12的极性逆时针方向转动了180°，即转子磁铁12返回到图7A所示的位置，从而完成了一回转。从那时间之后，重复地执行类似的供电图形，从而连续转动转子磁铁12。

顺便说一下，作为上述实施例的修改，还可以使用其中在壳体1的外表面装太阳能电池和利用太阳能电池(可以与干电池39一起使用)作为电源驱动上述驱动电路35的一结构。由于按照该实施例的步进电动机能够用小电流被驱动，例如，如果使用50×20毫米尺寸的太阳能电池，在白天使用该步进电动机时，就不需要用干电池。

可以将本发明用于内部装有用于空气对流的电动机的空气清洁器、香水喷洒器、干燥器、驱虫装置等的驱动电动机。

在上述实施例中，已经叙述了用于单相PM型步进电动机的例子。但是，本发明不局限于此，它还可应用于两相或多相的PM型步进电动机、其中转子由齿轮形铁芯制造的VR型(可变磁阻型)步进电动机、以及其中转子由齿轮形铁芯和磁铁制造的HB型(混合型)步进电动机。

Claims

1.一步进电动机，该步进电动机包括：

包括至少两个线圈的一定子，该线圈被卷绕形成一中空的空间；以及

包括由两极构成的磁铁的一转子，该磁铁设置在线圈的中空的空间内，

通过改变定子的磁极可转动地驱动转子，

其特征在于，

所述线圈被以卷绕轴线为一个的形态卷绕，

配置有一磁铁件，该磁铁件设置在线圈的附近，以致该磁铁的一极性的一方向和线圈的所述卷绕轴线的一方向在激励线圈或不激励线圈时在该磁铁的一稳定位置中相互交叉，

其中，磁铁件为圆柱形，并被设置在由线圈卷绕轴线和与线圈的卷绕轴线和转子的一转轴直角相交的一直线所形成的一区域内，该区域不包括在卷绕轴线和相交直线上存在的诸区域。

2.按照权利要求1所述的步进电动机，其特征在于，定子包括形状相互相同的和沿着线圈的卷绕轴线的一方向连接在一起的两个线圈绕线架。

3.按照权利要求1所述的步进电动机，其特征在于，还包括一驱动电路，该电路包括用于控制对线圈供电的一CMOS晶体管。

4.按照权利要求3所述的步进电动机，其特征在于，驱动电路等同于用于一钟的一IC。

5.按照权利要求3所述的步进电动机，其特征在于，驱动电路被构造成使电动机起动时输出的它的一脉冲频率被设置成比电动机稳定时输出的脉冲频率较低。

6.一风扇，该风扇包括：

按照权利要求1所述的步进电动机；

设置在转子的一转轴的一侧上的一叶轮；以及

一连接结构，该结构用于将叶轮连接于转子转轴，以便可相对于转子转轴可转动，

其中连接结构在开始起动电动机时允许转子转轴相对于叶轮空转，从而吸收叶轮的惯性力，以及允许随着转子转轴的转速增加叶轮跟随着转子转轴转动。

7.按照权利要求6所述的风扇，其特征在于，连接结构是一螺旋弹簧，叶轮连接于螺旋弹簧的一端，转子转轴固定于螺旋弹簧的另一端，围绕转子转轴卷绕螺旋弹簧。

8.按照权利要求6所述的风扇，其特征在于，连接结构包括连接于叶轮侧的一第一连接部分和连接于转子转轴侧的一第二连接部分、以及设置在由第一和第二连接部分形成的空间内的一球，由于在转子转动时产生的一离心力该球能够运动。