KR102528102B1 - 고성능 캔틸레버 팬 - Google Patents

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Abstract

블레이드 및 블레이드 영구 자석을 포함하는 캔틸레버 팬. 블레이드는 베이스의 일 단부에서 클램핑되고, 블레이드의 임의의 부분의 최대 스위핑 변위를 갖는 말단부와 함께 자유롭게 진동하는 말단부를 갖는다. 블레이드는 클램핑된 단부로부터 말단부까지 연장된다. 블레이드 영구 자석은 블레이드의 길이를 따라서 있는 지점에서 블레이드에만 부착되고 블레이드와 함께 자유롭게 움직인다. 팬은 베이스에만 부착된 고정 영구 자석을 포함한다. 블레이드 영구 자석과 고정 자석의 각각의 위치 및 상대적인 배향은 블레이드 영구 자석과 고정 자석 사이의 반발 자기력을 발생시킨다. 팬은 블레이드의 편향이 블레이드 영구 자석을 고정 자석에 더 가깝게 하면서 상기 반발력이 증가하도록 구성된다.

Description

고성능 캔틸레버 팬
(관련 특허 출원에 대한 상호 참조)
본 출원은 다음의 미국 가출원 출원: 2016년 12월 27일 출원된 출원 번호 제62/439,452 및 2017년 2월 24일 출원된 출원 번호 제62/463,330의 우선권 및 그의 효익을 주장한다. 상기의 2개의 출원은 본 명세서에서 그 전체가 참조에 의해 통합된다.
(기술분야)
본원은 일반적으로 열 관리 및 범용 팬 애플리케이션을 위한 공기 팬 기술에 관한 것이다.
공기 열 전달에 사용되는 회전 팬은 열 관리에서 가장 보편적인 능동 냉각 솔루션을 제공한다. 전자 제품의 전력 밀도가 높아짐에 따라 회전 팬 기술에 대한 지속적인 압박이 가해져서 유동 및 압력 성능을 향상시키면서 수명과 신뢰성을 향상시킨다. 팬 수명을 현저하게 연장시키는 것은 업계에서 가장 어려운 과제이며 거의 진전이 없었음이 입증되었다. HBLED 램프 및 텔레콤과 같은 신제품은 최대 20 년의 팬 수명을 필요로하지만, 회전 팬에 사용되는 베어링은 일반적으로 7년 이상 L10 수명을 제공하지 않고, 이는 7년 후 이들 팬 중 10%가 고장이 난다는 것을 의미한다.
캔틸레버 팬은 굽힘(bending) 진동 블레이드를 통해 공기를 이동시키기 때문에, 그것들은 베어링을 필요로하지 않고, 따라서 20년 이상의 수명을 제공할 수 있다. 굽힘 응력(bending stress)이 재료의 피로 한도보다 작으면 철 금속으로 만든 진동 캔틸레버 블레이드에 대해 소위 "무한 수명"이 달성될 수 있다. 안타깝게도 무한 수명의 캔틸레버 블레이드를 설계하려면 압력과 흐름 성능을 희생해야 하고, 비슷한 크기의 회전 팬의 흐름 및 압력 성능의 일부만을 제공하는 캔틸레버 팬을 가져온다. 반대로 캔틸레버 팬이 상업적으로 적절한 흐름 및 압력 성능을 달성하려면 수명과 신뢰성을 희생해야 한다. 실제로 일반적인 캔틸레버 팬이 회전 팬과 비교가능한 성능과 크기를 달성하려면, 며칠 또는 때로는 몇 시간 만에 팬이 고장 나게 된다. 이러한 열화한 성능 대 수명의 상충은 최상의 가용 재료조차도 본질적인 재료 특성에 의해 부과된다. 이러한 물리적 재료 제한 사항은 하기에서 더 상술된다.
캔틸레버 팬은 필요에 따라 본 명세서에서 f o 로 지칭되는 자신들의 질량 스프링 기계 공진 주파수에서 작동된다. 그렇지 않으면 캔틸레버 팬의 소비 전력은 구동 주파수가 f o 에서 멀어질수록 현저하게 증가한다. 종래의 캔틸레버 팬에서, f o 를 완전히 결정하는 질량 및 스프링은 진동 블레이드의 배타적 특성이며, 블레이드의 유효 진동 질량 및 블레이드의 굽힘 스프링 강성 K를 포함한다. 상업적으로 적절한 성능을 제공하기 위해, 캔틸레버 팬은 동일한 압력 및 흐름 성능을 제공하는 회전 팬보다 크지 않으면서 적절한 압력 및 흐름 성능을 제공해야 한다. 결과적으로, 경쟁력 있는 캔틸레버 팬은 기존의 캔틸레버 팬 블레이드 길이에 비해 매우 짧은 블레이드를 사용해야 한다. 그럼에도 불구하고 이러한 짧은 블레이드는 경쟁력 있는 공기 흐름 속도를 제공하기 위해 큰 스트로크를 제공해야 하며, 고정 블레이드 스트로크의 굽힘 응력이 블레이드 길이와 반비례로 증가하기 때문에, 이는 블레이드의 굽힘 응력을 현저하게 증가시킨다. 또한, 필요한 압력과 흐름 성능을 제공하기 위해, 이러한 짧은 블레이드는 회전하는 팬의 블레이드 통과 주파수와 비교 가능한 주파수에서 작동해야 한다. 예를 들어, 6개의 블레이드가 단지 3,000 RPM으로 작동하는 회전 팬은 300Hz의 블레이드 통과 주파수를 가진다. 회전 당 6개의 블레이드 패스를 갖는 회전 팬과 비교하여, 캔틸레버 블레이드는 사이클 당 단지 2개의 블레이드 패스를 갖는 단점을 갖는다. 결과적으로, 전체 회전 팬 블레이드 면적에 비교 가능한 블레이드 면적을 갖는 단일 캔틸레버 블레이드는 유사한 흐름 속도를 제공하기 위해 150Hz에서 작동할 필요가 있다.
이러한 더 높은 주파수에 도달하기 위해, 캔틸레버 블레이드 f o 는 종래의 캔틸레버 팬의 그것보다 훨씬 증가해야 하고, 성능을 증가시키기 위해, 블레이드의 편향 진폭 또는 스트로크를 감소시키지 않으면서 이들 고주파수가 달성되어야만 한다. 이러한 f o 의 증가는 캔틸레버 블레이드의 강성이 증가해야한다는 것을 요구하는데, 이는 종래의 캔틸레버 팬에 대해 블레이드 재료의 두께를 증가시키거나 블레이드 길이를 감소시킴으로써 달성된다. 그러나 주어진 블레이드 편향에 대해, 재료의 두께와 블레이드 길이의 역수에 따라 응력이 증가하고 가능한 가장 우수한 재료 특성을 갖는 스틸에 대해, 요구되는 f o 에 도달할 만큼 충분히 큰 강성은 재료의 피로 한도를 초과하는 굽힘 응력을 가져온다. 따라서 적절한 팬 크기에서 상업적으로 적절한 공기 성능을 제공하는 데 필요한 블레이드 스트로크 진폭 및 f o 값에서 캔틸레버 블레이드는 단 몇 시간의 작동 후에 균열 전파로 인해 고장날 것이다.
철 재료는 피로 한도(일명 내구 한도)를 발생시키기 때문에 "무한한 수명"을 제공할 수 있다. 그러나 최적의 물리적 특성의 조합을 가진 스틸조차도 필요한 팬 크기에서의 회전 팬의 공기 성능을 충족시키기 위해 필요한 응력 수준에서 실패한다. 이러한 요구 사항이 알려진 재료의 한계를 넘어서는 것을 감안할 때, 종래 캔틸레버 팬은 요구되는 공기 성능 및 팬 크기에서 팬 수명 연장에 대한 약속을 지키지 못했다. 결과적으로 공기 성능의 손실 없이 현저히 늘어난 팬 수명에 대한 업계의 요구는 충족되지 않았다.
블레이드 및 블레이드 영구 자석을 포함하는 캔틸레버 팬. 블레이드는 베이스의 일 단부에서 클램핑되고, 블레이드의 임의의 부분의 최대 스위핑 변위를 갖는 말단부와 함께 자유롭게 진동하는 말단부를 갖는다. 블레이드는 클램핑된 단부로부터 말단부까지 연장된다. 블레이드 영구 자석은 블레이드의 길이를 따라서 있는 지점에서 블레이드에만 부착되고 블레이드와 함께 자유롭게 움직인다. 팬은 베이스에만 부착된 고정 영구 자석을 포함한다. 블레이드 영구 자석과 고정 자석의 각각의 위치 및 상대적인 배향은 블레이드 영구 자석과 고정 자석 사이의 반발 자기력을 발생시킨다. 팬은 블레이드의 편향이 블레이드 영구 자석을 고정 자석에 더 가깝게 하면서 상기 반발력이 증가하도록 구성된다.
본원에 통합되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 다양한 개시된 실시 예를 도시하고 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1은 자기 스프링을 갖는 캔틸레버 팬을 도시한 본 발명의 실시 예를 제공한다.
도 2는 도 1의 영구 자석의 자기 극성을 도시한다.
도 3은 도 1의 캔틸레버 팬에 코일을 부가하여 보이스 코일 이동 자석 모터를 제공한다.
도 4는 도 3의 실시 예의 단면도를 제공한다.
도 5는 블레이드의 편향 동안 블레이드의 영구 자석의 자속 선을 나타내는 도 3의 실시 예의 단면도이다.
도 6은 만곡부 및 강체부를 갖는 블레이드를 도시한다.
도 7은 도 6의 블레이드의 편향을 도시한다.
도 8은 팬 조립체의 횡 방향 진동을 최소화하기 위한 본 발명의 2 블레이드 실시 예를 도시한다.
도 9는 모터 자석 및 자기 스프링 자석이 개별적으로 위치되는 본 발명의 실시 예를 제공한다.
도 10은 도 9의 실시 예의 또 다른 도면을 제공한다.
도 11은 다수의 자기 스프링이 블레이드의 길이를 따라 분포되어있는 또 다른 자기 스프링 실시 예를 도시한다.
도 12는 다수의 가능한 자석 배향 중 하나를 사용하는 본 발명의 자기 스프링 실시 예를 도시한다.
도 13은 다수의 가능한 자석 배향 중 하나를 사용하는 본 발명의 다른 자기 스프링 실시 예를 도시한다.
도 14는 블레이드의 만곡부를 기계적 힌지로 대체한 것을 도시한다.
도 15는 블레이드의 편향을 보여주는 도 15의 실시 예의 다른 도면을 제공한다.
도 16은 블레이드의 만곡부를 코일 스프링으로 대체한 것을 도시한다.
도 17은 가변 릴럭턴스 모터가 자기 스프링을 갖는 캔틸레버 팬을 구동하는데 사용될 수 있는 다수의 방법중 하나를 도시한다.
도 18은 자석이 원통형인 본 발명의 자기 스프링에 사용될 수 있는 다수의 상이한 자석 형상 중 하나를 도시한다.
도 19는 본 발명의 대량 생산을 위해 사용될 수 있는 다수의 캔틸레버 팬 아키텍처 중 하나를 도시하고, 여기서 구조적 컴포넌트는 스탬핑되어 형성된다.
도 20은 도 19의 실시 예의 단면도를 제공한다.
본 발명은 연장된 팬 수명에 대한 현재의 충족되지 않은 시장 요구를 충족시키기 위해, 소형 팬 폼 팩터에서 상업적으로 적절한 공기 흐름 속도 및 공기 압력을 달성하는데 필요한 더 높은 동작 주파수 및 블레이드 스트로크를 가능하게 하며, 동시에 피크 블레이드 굽힘 응력을 재료의 피로 한도 아래로 감소시킴으로써 윤활 베어링을 사용하는 현재 회전 팬보다 훨씬 캔틸레버 팬 수명과 신뢰성을 개선시키는 새로운 캔틸레버 팬 시스템을 제공한다.
마그네틱 스프링스
종래의 캔틸레버 팬은 다른 주파수에서의 작동과 관련된 과도한 전력 소비를 방지하기 위해 캔틸레버 블레이드의 질량 스프링 공진 주파수에서 작동한다. 상술한 바와 같이, 공진 주파수 f o 를 결정하는 스프링 강성 K는 블레이드의 고유 특성이다. 철 금속의 경우, 블레이드의 최대 굽힘 응력이 재료의 피로한 한도 아래에 있을 때 소위 "무한 수명"이 제공되지만, 필요한 팬 크기에서 상업적으로 적절한 공기 성능을 얻으려면 훨씬 높은 f o 값이 필요하므로 훨씬 더 높은 블레이드 강성 K가 필요하다. 그러나 이러한 높은 K 값은 재료의 피로한 한도를 초과하는 피크 굽힘 응력을 가져와 몇 시간 또는 그 이하의 블레이드 수명을 초래한다. 이러한 상업적 생존 장벽(viability barrier)은 블레이드의 고유한 재료 특성에 의해 부과되기 때문에, 종래의 캔틸레버 팬은 업계에서 요구하는 현저한 팬 수명 연장을 달성할 수 없었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 더 높은 f o 범위에 도달하는데 요구되는 큰 필요 스프링 강성 K를 제공하는 블레이드에 의존하지 않는다. 대신에, 본 발명은 영구 자석을 사용하여 요구되는 f o 범위에 도달하는데 필요한 큰 스프링 K를 제공한다. 이전에 논의된 바와 같이, 종래의 캔틸레버 팬은 블레이드의 스프링 K에만 의존하며, 이 경우 K 및 굽힘 응력이 본질적으로 결합되어 블레이드의 강성 K가 증가하면 블레이드의 응력이 수용할 수 없을 정도로 증가하도록 한다. 본 발명의 자석은 블레이드의 굽힘 응력으로부터 분리된 스프링 K를 제공한다. 이러한 K 및 블레이드 응력의 결합 해제는 블레이드 굽힘 응력을 피로 한도 이하로 유지하는 더 얇은 블레이드 재료의 사용을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 본 발명은 상업적으로 적절한 공기 성능 및 팬 크기를 갖는 캔틸레버 팬에 무한 블레이드 수명을 제공함으로써, 업계가 추구하는 20 년 또는 그 이상의 팬 수명을 제공한다.
도 1은 자기 스프링을 갖는 캔틸레버 팬을 갖는 본 발명의 실시 예를 도시한다. 도 1의 캔틸레버 팬은 베이스(2), 캔틸레버 블레이드(4)(이하 "블레이드"라고 칭함), 블레이드 클램프 블록(6), 베이스(2)와 클램프 블록(6) 사이에서 블레이드(4)의 일 단부를 강건하게 클램핑하는 기능을 하는 클램프 블록 나사(8), 베이스(2)에 강건하게 부착되는 고정 자석(10A 및 10B), 및 블레이드(4)에 부착되는 블레이드 자석(12)을 포함한다. 도 1의 실시 예에서, 베이스(2)는 바람직하게는 플라스틱, 알루미늄 또는 비자성 스틸과 같은 비자성 재료로 제조된다. 자석(10, 12)은 장방형일 필요는 없지만, 도 18 내지 도 20에 도시된 바와 같이 원통형일 수 있거나, 또는 주어진 애플리케이션에 적합한 임의의 다른 기하학적 형태일 수 있다. 도 2는 자석(10A)과 블레이드 자석(12) 사이 및 자석(10B)과 블레이드 자석(12) 사이에 자기 반발력을 발생시키도록 배열된 도 1의 고정 자석(10A, 10B)과 블레이드 자석(12)의 자기 극성을 도시한다. 블레이드가 자신의 중심 위치에 있을 때, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 자석(10A 및 12) 사이 및 자석(10B 및 12) 사이의 두 개의 자기 반발력은 동일한 크기를 가져서 이들 두 개의 반대 방향의 힘이 상쇄되어 블레이드 상에서 제로 자기력을 가져오도록 할 것이다. 블레이드가 중심 위치로부터 자석(10A)을 향하여 움직이는 경우, 자석(10A 및 12) 사이의 반발력은 자석(10B 및 12) 사이의 반발력보다 커지고 블레이드 상의 순 자기력은 기계적 스프링의 복원력과 같이 오른쪽으로 향하게 된다. 블레이드가 중심 위치로부터 자석(10B)을 향하여 움직이는 경우, 자석(10B 및 12) 사이의 반발력은 자석(10A 및 12) 사이의 반발력보다 커지고 블레이드 상의 순 자기력은 기계적 스프링의 복원력과 같이 좌측으로 지향된다.
도 1 및 도 2에 도시된 방식으로 배열된 자석은 블레이드 변위에 대해 비선형일 수 있는 복원력을 제공하여 블레이드에 대한 복원력이 1보다 큰 파워로 상승된 변위에 비례하여 증가하도록 한다. 자기 스프링 비선형성은 당업자에게 공지된 바와 같이 자석의 상대적인 배향을 변경함으로써 원하는 경우 감소될 수 있다. 도 1은 자석들(10A 및 12) 및 자석들(10B 및 12)을 포함하는 한 쌍의 자기 스프링들을 도시하지만, 본 발명은 또한 단일 자기 스프링으로 작동하여 팬의 f o 를 증가시킬 수 있다. 예를 들어 도 1의 자석(10A 및 12)만을 포함하는 단일 자기 스프링에 있어서, 블레이드의 정상 평형 또는 휴지 위치는 자석(10A)으로부터 멀어지는 방향으로 자기 반발력이 블레이드 스프링 복원력과 동일한 새로운 위치로 시프트될 것이다. 이러한 방식으로 블레이드 스프링이 새로운 휴지 위치로 편향되고 복합 기계적 및 자기 스프링 강성은 블레이드만이 제공할 수 있는 것보다 높은 f o 를 가져올 것이다. 그러나 이 접근 방식은 블레이드에 대한 변위 프리로드로 인해 동일한 진동 블레이드 변위에 2개의 자기 스프링을 사용하는 것과 비교할 때 더 높은 블레이드 굽힘 응력을 발생시킨다.
동작시, 도 1의 블레이드(4)는 교번 힘(alternating force) F(t)가 블레이드(4)에 인가될 때 자신의 기본 캔틸레버 모드 형상으로 바람직하게는 블레이드의 질량 스프링 공진의 공진 주파수(fo) 또는 그 근방의 주파수에서 진동하고, 여기서 f o 를 판정하는 유효 스프링 강성 Ke은 블레이드의 기계적 스프링 강성 Kmech과 자기 스프링 강성 Kmag의 합(즉 Ke = Kmech + Kmag)이다. 블레이드의 스프링 강성 Kmech의 값은 피크 블레이드 굽힘 응력이 블레이드 재료의 피로 한도 이하가 되도록 선택되고 Kmag의 값은 타겟 공기 흐름 및 압력 성능을 제공하기에 충분히 높은 f o 에서 작동할 수 있는 Ke 값을 제공하도록 선택된다. 자기 스프링의 사용으로 인해, 본 발명은 주어진 애플리케이션의 공기 성능 요건을 충족시키기 위해 필요하다면 Ke를 Kmech보다 수 배 높은 값으로 증가되도록 할 수 있다. 요약하면, 본 발명은 블레이드 재료의 피로 한도를 초과하지 않으면서 Kmech 단독으로는 제공할 수 없는 Ke의 상업적으로 적절한 값을 달성할 수 있게하여 허용할 수 없는 정도로 짧은 블레이드 수명을 가져온다.
본 발명의 새로운 스프링 특성은 다음과 같은 고유한 이점을 제공하도록 이용될 수 있다:
(1) 블레이드의 피로 한도를 초과하지 않고 공기 흐름 성능 최대화
고정된 블레이드 변위 x에 대해, Kmech가 증가하면서 블레이드 응력이 증가하고 Kmech의 값이 식별될 수 있는데, 여기에서 Kmech -limit라고 하고 x에서의 블레이드의 피로 한도에 대응한다. 공기 흐름과 압력은 f o 와 함께 증가하기 때문에, 그것들은 Ke와 함께 증가한다. 결과적으로, 본 발명이 큰 Ke 값을 필요로하는 가장 높은 흐름 및 압력 성능을 달성하도록 설계될 때, 통상적으로 Kmag> Kmech이다. Kmech는 Kmech -limit을 초과해서는 안되지만 Kmag는 응력을 증가시키지 않고 증가될 수 있기 때문에 높은 Ke 값이 필요할 때 이러한 부등식이 발생한다.
(2) 응력 안전 계수 최대화
응력 안전 계수는 여기서 비율 σFL/σPB로 정의되고. 여기서 σFL은 피로 한도 응력이고 σPB는 블레이드의 피크 작동 변위 x에 대한 최대 굽힘 응력이다. 고정된 x에 대해, Kmech와 함께 굽힘 응력이 증가하므로 가장 높은 응력 안전 계수에 대해 Kmech는 가능한 작아야 하고 Kmag는 Ke의 원하는 값을 얻기 위해 조정된다. Ke의 주어진 목표 값에 대해, 자기 스프링의 추가는 Ke의 절대 값에 관계없이 블레이드 단독에 비해 항상 더 높은 블레이드 응력 안전 계수를 가능하게 한다.
도 2에 도시된 극성으로 배열된 스프링 자석은 전형적으로 비선형 스프링 동작을 나타내며, Kmag가 또한 지배적인 스프링 강성인 그러한 경우에, 유효 스프링 강성 Ke는 비선형일 것이고, 이는 f o 를 블레이드의 진동 변위 진폭과 함께 증가시키도록 할 것이다. 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 전자 구동 회로는 구동 주파수를 변화하는 f o 값으로 잠금하는 공진 잠금 제어를 제공할 수 있고, 이 경우 구동력의 증가는 블레이드 변위 증가 및 더 높은 f o 모두를 가져올 것이다. 블레이드 변위에 대한 f o 의존성은 블레이드 변위 감소 및 동작 주파수 감소 모두로 인한 낮은 공기 흐름 속도에서 더 낮은 소음의 이점을 제공한다.
블레이드(4) 상의 블레이드 자석(12)의 위치 및 도 1 및 도 2의 고정 자석(10A, 10B)의 대응 위치는 일반적으로 블레이드(4)의 길이를 따라서 있는 임의의 지점에 있을 수 있다. 일반적으로 블레이드 자석은 블레이드의 더 높은 진동 모드의 여기(excitation)를 최소화하기 위해 소위 "진동의 중심(center of oscillation)"에 배치될 수 있다.
블레이드 응력 감소
다음의 예는 본 발명의 자기 스프링이 상업적으로 적절한 공기 성능 및 팬 크기에 필요한 더 높은 f o 범위를 가능하게 하면서 블레이드 응력을 현저하고 놀라울 정도로 감소시키는 방법을 예시하기 위해 제공된다.
짧은 블레이드 길이를 갖는 실제 캔틸레버 팬에서, 블레이드의 안정된 작동을 제공하기 위해 캔틸레버 블레이드에 질량을 추가해야 하고, 그에 의해 상업적으로 용인할 수 없는 소음 수준을 생성하고 블레이드 수명을 더 단축시킬 수 있는 증가된 응력을 도입하는 더 높은 블레이드 진동 모드를 제거한다. 필요한 진동 스트로크를 얻기 위해 블레이드에 적절한 구동력을 전달하기 위해 질량을 또한 모터 어셈블리의 일부로서 블레이드에 추가해야 한다. 이 추가적인 블레이드 질량은 물론 종래의 캔틸레버 팬에 대해 추가 질량이 없는 블레이드에 비해 타겟 f o 를 달성하기 위해 추가적인 블레이드 스프링 강성을 필요로하는 f o 를 감소시킨다. 예를 들어, 종래 캔틸레버 팬을 하이 베이 LED 램프에 장착하고 요구되는 공기 압력과 공기 흐름 속도를 제공할 수 있도록, 블레이드는 30mm보다 길지 않을 수 있고 32mm 피크-투-피크의 진동 블레이드 팁 변위로 100Hz에서 실행해야 한다. 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해, 플래퍼 밸브 스틸로 만든 30mm 길이의 블레이드는 위에서 설명한 추가된 블레이드 질량으로 필요한 100Hz 작동에 충분히 높은 스프링 K를 제공하기 위해 0.15mm 두께여야 한다. 이 동작 조건으로 인해 894MPa의 피크 블레이드 굽힘 응력을 가져오지만 일반적인 플래퍼 밸브 스틸의 피로 한도는 710MPa에 불과하다. 결과적으로, 블레이드는 106 사이클 미만에서 고장을 일으키며, 100Hz에서 2.8 시간 이내에 발생한다.
도 1과 유사한 캔틸레버 팬 설계를 테스트한 결과, 고정된 자석을 제거한 상태로 측정된 f o 에 의해 설치된 고정된 자석으로 측정된 f o 를 나눔으로써 계산된 바와 같이 f o 의 8배 증가가 입증되었다. 상술한 종래의 100Hz 캔틸레버 팬에 자기 스프링을 부가함으로써, 블레이드의 두께가 실질적으로 감소되어, 그에 의해 블레이드 응력을 감소시킬 수 있다. f o 의 8배 감소는 f o = 1/(2π)(K/m)1/2에 따라 블레이드의 기계적 스프링 강성 Kmech의 64배 감소에 해당한다. K가 64배 감소하는 것은 최대 굽힘 응력 4배 감소에 대응하여, 굽힘 응력이 894MPa에서 223.5MPa로 감소하고 710MPa/223.5Mpa = 3.2의 피로 한도 안전 계수가 제공된다.
요약하면, 캔틸레버 팬의 지배적인 스프링 강성을 제공하는 자기 스프링을 사용함으로써, 상업적으로 적절한 공기 성능이 전달될 수 있는 동시에, 캔틸레버 블레이드 두께가 자신의 피크 굽힘 응력이 블레이드 재료의 피로 한도 미만의 지점까지 감소되어, 무한한 블레이드 수명을 제공할 수 있다. 피로 한도 안전 계수가 3.2만큼 높은 이 설계 예는 수용 가능한 응력 안전 계수 및 무한한 블레이드 수명을 제공하면서 상업적으로 적절한 공기 성능을 갖는 매우 짧은 블레이드를 가지고 및/또는 100Hz보다 훨씬 높은 주파수에서 작동하는 본 발명의 능력을 예시한다. Ke> Kmech로 표시된 바와 같이 본 발명의 자기 스프링을 사용할 때, 목표 블레이드 변위에서 블레이드의 피로 한도 아래로 블레이드 굽힘 응력을 유지하는 블레이드 두께는 본 발명의 범위 내로 간주 된다.
블레이드 작동
도 1의 캔틸레버 팬 실시 예는 가변 릴럭턴스, 보이스 코일 이동 자석, 보이스 코일 이동 코일 및 전왜(electrostrictive) 재료를 포함하는 다수의 상이한 모터 유형으로 작동될 수 있다. 작용력은 블레이드의 길이를 따라서 있는 임의의 수의 지점("블레이드 구동"이라고 함)에 적용하거나 클램프에 적용할 수 있다("클램프 구동"이라고 함). 모터 유형에 관계없이, 본 발명의 공기 성능, 팬 크기 및 연장된 수명 이점을 제공하기 위해 자석 스프링이 사용될 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5는 도 1의 실시 예와 조합하여 사용되고, 각각의 고정 자석(10A 및 10B)과 동축으로 같은 위치에 위치되고(co-located) 베이스(2)에 고정되어 연결되는 코일(14A 및 14B)을 구비하는 보이스 코일 이동 자석형 모터를 도시한다. 동작시에, 코일(14)은 블레이드 자석(12)의 자기장과 상호 작용하는 주기적 전류 파형으로 에너지가 공급되어, 코일(14)과 블레이드 자석(12) 사이에 주기적인 로렌츠 힘이 가해지도록 하고 그에 의해 블레이드(4)가 주기적 전류의 주파수로 주기적인 로렌츠 힘에 응답하여 진동하도록 한다. 주기적 전류는 예를 들어 바이폴라 정현파 파형, 유니폴라 반정현파 파형 또는 특정 설계의 요구에 의해 결정되는 삼각형, 정사각형, 사다리꼴 또는 기타와 같은 임의의 수의 다른 주기적인 바이폴라 또는 유니폴라 전류 파형일 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 그리고 도 1 및 도 2와 연결하여 설명된 바와 같이, 블레이드(4)가 코일(14A)에 접근함에 따라, 블레이드 자석(12)과 고정 자석(10A) 사이의 복원 자기 스프링력은 증가하고 블레이드(4)의 기계적 복원력과 조합하여, 팬의 공진 주파수 f o 를 판정하는 유효 스프링 강성 Ke를 제공한다. 팬의 효율을 최대화하기 위해, 코일(14)에서 교류 전류의 주파수는 자신의 변위 진폭에 대응하는 캔틸레버 블레이드의 공진 주파수 f o 에 근접하거나 같아야 한다. 각각의 코일의 전기적 극성은 블레이드(4) 상에 가해지는 각각의 로렌츠 힘이 보강하여 부가되어, 블레이드에 자신들의 각각의 힘을 항상 동일한 방향으로 가하도록 선택된다.
도 5는 블레이드 자석(12)의 자기장과 코일(14A) 사이의 기하학적 관계가 블레이드의 변위 방향으로 로렌츠 힘을 생성하기 위한 요건을 충족시키는 방법을 도시한다. 당업자라면, 예를 들어 코일 및/또는 블레이드 자석 주위에 높은 자기 투자율 재료를 사용하여 영구 자석의 전계 강도 및 코일이 교차할 때의 자기장 방향을 최대화하여, 인가된 전류에 대해 가장 크고 적절하게 지시된 로렌츠 힘을 생성함으로써 모터 효율을 개선하는 방법을 이해할 것이다. 그러나, 바람직하지 않게 자기 스프링 특성을 변경시키지 않도록 모터를 최적화할 때 주의를 기울여야 한다. 도 3에 도시된 모터 설계는 2개의 코일을 제공하지만, 본 발명은 단 하나의 코일로 작동할 수 있고, 이 경우 2개의 코일로 달성되는 동일한 블레이드 변위를 달성하기 위해 더 높은 전류가 필요할 것이다.
도 3 내지 도 5의 모터 설계에서, 자기 스프링 및 모터 코일은 동축으로 같은 위치에 배치된다. 또한 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 모터 컴포넌트 및 자기 스프링 컴포넌트는 또한 개별적으로 위치될 수 있다. 도 9에서, 블레이드 자석들(46A) 및 고정 자석들(44A 및 44B)로 구성된 제1 쌍과 블레이드 자석들(46B) 및 고정 자석들(48A 및 48B)로 이루어진 제2 쌍을 갖는 2쌍의 자기 스프링들이 있다. 모터 컴포넌트는 코일(52 및 54) 및 블레이드 자석(50)으로 구성된다. 모터는 코일(52 및 54) 내에 위치된 자석이 존재하지 않는 것을 제외하고는 도 3-5에 대해 기술된 것과 동일한 원리에 따라 작동하고, 결과적으로 자석(50)와 연관된 자석 스프링 력이 없다. 도 10은 도 9의 실시 예의 또 다른 사시도를 제공한다. 도 9의 자기 스프링(9)은 도 1 및 도 2에 대해 기술된 것과 동일한 원리에 따라 작동한다.
도 17은 본 발명과 조합하여 가변 릴럭턴스 모터를 사용하기 위한 하나의 가능한 접근 방식을 예시한다. 모터 섹션은 베이스(82)에 견고하게 부착된 고정자(64, 66), 각각의 고정자(64, 66) 주변에 감긴 코일(68 및 70), 블레이드(80)에 견고하게 부착된 전기자(armature)(72)로 구성된다. 자기 스프링은 고정 자석(76A 및 76B) 및 블레이드 자석(78)으로 구성된다. 동작시, 코일은 한 번에 단 하나의 코일이 에너지 공급됨에 따라 교대로 에너지가 공급된다. 예를 들어, 코일(68)이 전류로 에너지가 공급되면, 고정자(64)와 전기자(74) 사이의 자기장은 블레이드(80)를 고정자(64)쪽으로 끌어당기는 인력을 발생시킨다. 전기자(74)가 고정자(64)로부터 미리 정해진 거리에 도달하면, 코일(68)의 전류가 턴오프되고 코일(70)의 전류가 턴온되고, 고정자(66)와 전기자(72) 사이의 결과적인 자기장은 블레이드(80)를 고정자(66)쪽으로 끌어당기는 인력을 생성한다. 코일은 바람직하게는 자기 스프링(76A, 76B, 78)에 의해 생성된 f o 또는 그에 근접한 주파수에서 작동될 것이다.
자기 스프링 변형
자기 스프링의 강성 및 비선형성은 고정 자석 및 블레이드 자석의 크기 및/또는 상대 크기, 자석의 자화 정도, 자석의 수, 자석의 위치, 및 자석의 위치를 변화시킴으로써 또한 자석의 상대적 배향 및/또는 정렬을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 다음 예시는 일반적인 변형의 예를 제공한다.
소정의 애플리케이션에 적절하다면, 모터 또는 자기 스프링에 대해 요구되는 자석의 수는 스틸과 같은 높은 자기 투자율 재료와 조합되는 자석을 포함하는 자기 회로를 통해 필요한 원격 지점으로 자석의 자기장을 라우팅함으로써 감소될 수 있다. 자기 회로의 설계는 당 업계에 공지되어 있다.
도 1 및 2에서 기술된 자기 스프링은 반발 자기장이 영구 자석에 의해서만 제공되기 때문에 수동적이다. 본 발명의 자기 스프링은 또한 능동적일 수 있고 동일한 이점을 제공할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시 예에서, 모터 코일(14A 및 14B) 내의 주기적인 전류는 블레이드를 구동하는데 필요한 진동하는 로렌츠 힘을 생성하는 기능을 한다. 코일(14A 및 14B)은 또한 고정 자석(10A 및 10B)이 제거되고 코일(14A 및 14B)에 에너지를 공급하고 블레이드를 진동시키는 데에 사용되는 주기적인 전류 파형이 추가된 DC 컴포넌트를 가지는 경우 자기 스프링 력을 생성하는데 사용될 수 있다. DC 전류 컴포넌트와 연관된 자기장 극성은 코일(14A)과 블레이드 자석(12) 사이 및 코일(14B)과 블레이드 자석(12) 사이의 반발력을 생성하는데, 이것은 고정 자석(10A 및 10B)에 의해 생성된 동일한 자기 스프링 조건이다. 이 경우, 자기 스프링의 "수동" 자석 중 두 개가 코일의 "능동" DC 자기장으로 대체된다. 자기 스프링의 일부로서 코일을 사용할 때, 자기 스프링의 강성 및 그에 따른 동작 주파수 f o 는 DC 전류 진폭을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 고정 자석이 제 위치에 있을 때, 코일은 DC 전류를 코일에 도입하고 전류 진폭 및 DC 전류의 극성을 변화시킴으로써 고정 자석(10A, 10B)과 블레이드 자석(12) 사이의 자기 스프링 강성을 증가 또는 감소시키는데 여전히 사용될 수 있다. DC 전류의 극성에 따라, 그 자기장은 각각의 고정 자석의 자기장에 추가되거나 또는 그로부터 감산된다. 예를 들어, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 자기 스프링의 위치에 코일을 부가함으로써, 모터 코일이 자기 스프링 컴포넌트와 같은 위치에 위치하지 않을 때 동일한 접근 방식이 사용될 수 있다.
도 11은 고정 스프링(28A, 28B) 및 블레이드(30)를 포함하는 4세트의 자기 스프링을 사용하는 본 발명의 실시 예를 도시하며, 자기 스프링은 블레이드(32)의 길이를 따라 분포된다. 이러한 접근 방식은 블레이드의 길이를 따라서 스프링 복원력을 분산시킨다.
도 1 내지 도 11에서, 자기 스프링을 형성하는 영구 자석은 모두 블레이드의 변위 방향으로 자기 극성을 갖는다. 도 12는 고정 자석(34) 및 블레이드 자석(36)이 블레이드의 변위 방향을 횡단하는 자기 극성을 갖는 본 발명에 사용될 수 있는 다수의 상이한 자석 스프링 배향 중 하나를 도시한다. 도 12에서, 고정 자석(34)의 극성은 블레이드 자석(36)의 극성과 반대인 극성을 갖는 자석(34) 사이에 자기장을 생성하여 자석(34 및 36) 사이에 반발력을 발생시킨다. 도 12의 실시 예는 블레이드의 각 측면 상의 고정 자석의 쌍을 보여준다. 그러나 각 쌍의 자석들 중 하나는 제거될 수 있고 자기 스프링 복원력은 여전히 제공될 수 있다. 그러나 도 12의 배향에서 단일한 고정식 자석만 사용하면 블레이드의 변위 방향을 횡단하는 복원력의 컴포넌트가 더 커져 원치 않는 더 높은 진동 모드의 여기를 가져올 수 있다.
도 13은 블레이드의 변위 방향을 횡단하는 자석 극성을 또한 갖는 다른 실시 예를 도시한다. 도 13에서, 고정 자석(40)은 고 투자율 재료(38)의 두 플레이트 사이에 끼워지며, 그에 의해 플레이트(38) 사이의 자기장은 블레이드 자석(42)에 반대되는 극성을 가져, 자석(40 및 42) 사이에 반발력이 발생한다.
도 18은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 다수의 자석 형상의 일 예를 제공한다. 도 18의 실시 예는 원통형 고정 자석(56A 및 56B), 원통형 블레이드 자석(58) 및 모터 코일(60 및 62)로 구성된다. 도 18의 실시 예는 도 3의 실시 예에 대해 기술된 것과 동일한 방식으로 동작한다.
인력 최소화
높은 피로 강도를 갖는 다수의 금속들은 또한 자성이다. 도 1에 도시된 바와 같이 일체형 블레이드가 자성 금속으로 제조될 때, 인력은 블레이드와 고정 자석(10) 사이에 존재할 것이고, 이러한 인력은 물론 주어진 블레이드 대 자석 거리가 감소하면서 증가한다. 이 인력과 자석(10, 12) 사이의 반발력의 중첩은 반발력을 감소시키며 결과적으로 자기 스프링 K를 낮추고 결과적인 f o 를 낮춘다. 도 6의 블레이드 설계는 이러한 원치않는 인력을 최소화하는 데 사용할 수 있다. 도 6은 만곡부(18) 및 구부러지지 않는 평면 패들 부분(20)을 포함하는 블레이드(16)를 갖는 본 발명의 다른 실시 예를 제공한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 블레이드(16)는 만곡부(18)로 인해 휘게 될 수 있고 패들 부분(20)은 주로 직선 또는 평면으로 유지된다. 이러한 방식으로, 만곡부(18)는 패들 부분(20)에 대해 힌지와 유사하게 작용한다. 이 블레이드 설계는 패들 부분(20)이 플라스틱과 같은 비자성 재료로 만들어짐으로써 블레이드와 고정 자석(10) 사이의 원치 않는 인력을 최소화하도록 한다.
진동 상쇄
도 8은 본 발명의 2개의 단일 블레이드 캔틸레버 팬 어셈블리의 베이스(22) 및 베이스(24)가 견고하게 연결되어 단일 베이스를 형성하는 실시 예를 제공한다. 블레이드(26, 28)의 변위 진동은 블레이드(26, 28)에 의해 베이스(22-24) 상에 가해지는 횡단 반작용력의 상쇄 정도를 초래하는 180°의 위상차를 가지며, 팬 어셈블리의 횡 방향 진동은 최소화된다.
블레이드 장착 변형
도 1 내지 도 13에서, 모든 블레이드는 이러한 블레이드가 굽힘 모드로 진동할 것을 요구하는 베이스에 클램핑된다. 본 발명의 다른 실시 예는 자기 스프링과 조합된 블레이드 장착의 변형을 포함한다.
도 14는 베이스(84), 장착 샤프트(88)를 갖는 블레이드(86), 나사(92)에 의해 베이스(84)에 견고하게 부착된 슬리브 베어링 또는 수동 자기 베어링(90)으로 구성되어, 장착 샤프트(88)가 베어링(90) 내에서 회전할 수 있게 하는 장착 샤프트(88)를 베어링(90)이 수용하도록 하는 자기 스프링과 조합하는 팬 블레이드를 장착하는 또 다른 예를 제공한다. 동작시, 블레이드(86)는 도 15에 도시된 바와 같이 샤프트(88)의 축 주위로 피봇팅함으로써 진동한다. 자기 스프링 및 모터는 도 3의 실시 예에 대해 기술된 바와 같이 정확하게 작동한다.
도 16은 베이스(94), 나사(102)로 베이스(94)에 견고하게 장착된 스프링 리테이너(100), 장착 샤프트(104)를 갖는 블레이드(96), 한 단부가 샤프트(104)에 견고하게 장착되고 다른 단부는 스프링 리테이너(100)에 견고하게 장착된 코일 스프링(98)으로 구성된 자기 스프링과 조합하여 팬 블레이드를 장착하는 또 다른 방식을 더 제공한다. 동작시, 스프링(98)은 진동할 때 블레이드가 샤프트(88)에 대해 피봇팅하도록 한다. 당 업계에 공지된 바와 같이 코일 스프링 이외의 다수의 상이한 스프링 설계가 스프링(98)을 대체하는데 사용될 수 있다. 도 16의 자기 스프링 및 모터는 도 3의 실시 예에 대해 기술된 것과 정확하게 동일하게 작동한다.
제작
도 1 내지 도 18에 도시된 아키텍처는 본 발명의 원리를 명확하게 예시하기 위한 것으로 대량 생산을 목적으로 하지는 않는다. 다수의 대량 생산 방법이 본 발명에 사용될 수 있고 당 업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 도 19 및 도 20은 빠른 사이클 시간의 생산주기를 달성하는데 사용될 수 있는 저비용 제조 공정인 스탬핑 및 성형 공정을 사용하여 만들어진 본 발명의 이중 블레이드 실시 예를 도시한다. 도 19의 실시 예는 스탬핑 성형된 베이스(106), 리벳(110)으로 베이스(106)에 견고하게 부착된 스탬핑 성형된 외부 코일 암(108), 리벳(110)으로 베이스(106)에 견고하게 부착된 스탬핑 성형된 내부 코일 암(112)으로 구성된다. 도 20은 스탬핑 성형된 서브컴포넌트의 추가 세부 사항을 도시하는 도 19의 실시 예의 단면도를 제공한다. 자기 스프링 및 모터는 도 3의 실시 예에서 기술된 것과 정확하게 동일하게 작동한다.
본 발명의 일부 실시 예에 대한 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 본원에 제공된 실시 예는 본 발명을 개시한 정확한 형태로 제한하거나 포괄하려는 의도가 아니며, 명시적으로 다수의 변경 및 변형이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 실시 예들은 본 발명의 원리 및 그 실제 적용을 가장 잘 설명하고, 그에 의해 당업자가 다양한 실시 예에서 그리고 의도된 특정 용도에 적합한 다양한 변형을 통해 본 발명을 가장 잘 활용할 수 있도록 선택 및 설명되었다. 실시 예들 및 개선점들은 예를 들어, 동적 안정성을 향상시키고 공기 성능을 최대화하기 위한 블레이드의 기하학적 형상 및 블레이드 재료, 축 방향 및 반경 방향 유동 캔틸레버 팬들, 개선된 성능 및 진동 상쇄를 위한 단일 팬 내의 2개 이상의 블레이드의 사용, 모터 유형 및 모터 토폴로지, 공진 잠금 제어 및 가변 공기 흐름 제어, 및 예를 들어 범용 전자기기 냉각, 자동차, 가전제품, 소비자 가전제품, 항공 전자공학 및 군용 애플리케이션을 포함하는, 본 발명을 위한 시장 및 애플리케이션을 포함한다. 그러한 실시 예 및 변형의 다수의 예가 본원에 참조에 의해 통합된 미국 특허 출원 제61/376,858호에서 볼 수 있다. 상기 설명은 많은 명세서를 포함하고 있지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안되며 오히려 본 발명의 다른 실시 예를 예시하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 캔틸레버 팬(cantilever fan)으로서,
    일 단부에서 베이스에 클램핑되고 자유롭게 진동하며, 블레이드의 임의의 부분의 최대 스위핑 변위를 갖는 말단부를 구비하는 블레이드, 및
    상기 캔틸레버 팬을 구동시키는 모터를 포함하고,
    상기 블레이드는 클램프된 상기 단부로부터 상기 말단부까지 연장되는 길이를 가지고,
    상기 블레이드의 길이를 따라서 있는 지점에서 상기 블레이드에만 부착된 블레이드 영구 자석으로서, 상기 영구 자석은 상기 블레이드와 함께 자유롭게 움직이는 상기 블레이드 영구 자석;
    상기 베이스에만 부착된 고정 영구 자석;
    을 포함하고,
    상기 블레이드 영구 자석 및 상기 고정 영구 자석의 각각의 위치 및 상대적인 배향은 상기 블레이드 영구 자석과 고정 자석 사이의 반발 자기력을 발생시키고, 상기 반발 자기력은 상기 블레이드의 편향이 상기 블레이드 영구 자석을 상기 고정 영구 자석에 더 근접시키면서 증가하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 블레이드 영구 자석 및 상기 고정 영구 자석은 자기 스프링을 형성하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 모터는 가변 릴럭턴스 타입인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 모터는 보이스 코일 이동 자석 타입인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 모터는 보이스 코일 이동 코일 타입인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 모터는 전왜 재료 타입인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 모터는 상기 블레이드에 주기적인 힘을 인가하여 상기 블레이드가 상기 주기적인 힘의 주파수에서 진동하도록 하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 블레이드의 바람직한 공진 주파수와 동일하거나 그에 근접하는 상기 주기적 힘의 상기 주파수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 모터는:
    상기 고정 영구 자석과 동축으로 같은 위치에 위치하는 전류 운반 코일을 더 포함하고,
    상기 코일 내의 주기적인 전류는 상기 블레이드 상에 주기적인 힘을 생성하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 만곡부를 포함하고, 상기 블레이드의 만곡부의 재료는 철 금속이고, 진동하는 동안의 상기 블레이드의 만곡부의 피크 굽힘 응력은 상기 철 금속의 피로 한도보다 작은 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 클램핑 단부로부터 상기 블레이드의 길이를 따라서 있는 중간 지점으로 연장하는 만곡부를 가지는 상기 블레이드;
    상기 중간 지점으로부터 상기 말단부 블레이드까지 연장하는 평면 부를 갖는 상기 블레이드;
    상기 평면 부에 부착되는 상기 블레이드 영구 자석;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
  12. 제11 항에 있어서,
    비자성 재료로 이루어진 상기 평면 부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 팬.
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