TW200522478A - Fan motor - Google Patents

Description

200522478 (υ 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種風扇馬達，係供使用在除濕機、 殺蟲裝置或類似者內，以達成低電流、低噪音及長壽命的 效果。 【先前技術】 在相關的技藝中曾提出使用於除濕機或類似裝置內的 電風扇（參閱例如專利文獻1至3及8 )。此等相關技藝 中並未將以電池驅動的電動馬達列入考慮，且也未能達成 低電流、低噪音及長壽命的效果。 相對於此的，曾有人提出一種控制技術，其係有關於 藉由偵測風扇馬達之效能而限制電流消耗量，並控制（減 低）風扇馬達的轉速，或者是依據其效能之量間斷性地驅 動風扇馬達，以達到風扇馬達的低功率消耗，一種由使用 壓電元件或類似者的單葉片所構成的技術（參閱例如專利 文獻5 )。 但是，在以單葉片構成的情形下，其必須要有升壓電 路，因此風扇馬達會變得昂貴。 此外，其已知有一種供時鐘用之低電流消耗量型式馬 達的單相步進馬達（參閱例如專利文獻6、9 )，但是其 扭力是非常的小，因此此種馬達不易應用在風扇馬達上。 雖然在專利文獻7中曾提出以步進馬達做爲驅動源的 風扇馬達，但是由於葉輪的慣性力矩較大之故，因此在以 -4 - 200522478 (2) 低電流驅動該馬達時，該馬達將無法啓動，且會變成失相 (Out Of Phase )，故不易於達成低電流驅動。 另外，專利文獻2、3中揭露一種構造，其中馬達軸 上設有一風扇谷置部位，而風扇則由馬達軸與風扇容置部 位間的摩擦力加以驅動，但是此種構造爲了在此裝置傾斜 的情形下’在馬達轉動中將風扇加以停止，必須要在馬達 軸與風扇之間設置徑向方向上的間隙，因此可能會有馬達 軸之風扇重心偏移的情形，造成平衡性的劣化、振動或噪 音。 專利文獻 1 : JP-UM-A-2-100631 專利文獻 2 : JP-A-3 - 1 546 1 3 專利文獻 3 : J P - A · 1 1 - 1 9 7 4 3 8 專利文獻 4 : J P - A - U - 5 6 2 2 專利文獻 5 : J P - T - 2 0 0 0 - 5 1 3 0 7 0 專利文獻6 : J P U 1- ] 1 3 9 0 專利文獻 7 : J P - A - 1 0 - 3 6 6 3 4 專利文獻 8 : J P - A - 5 - I 5 3 8 9 2 專利文獻 9 : J P - A - 8 - 2 5 5 8 5 9 鑑於前述的狀況，在相關技藝中是使用具有用來增加 轉子電阻値之碳刷的D C馬達做爲風扇馬達，以提供數 ηι A的無負載電流，然而，由於馬達係連續驅動一段長時 間，因此會產生碳刷磨耗的現象，故其壽命會造成問題。 因此，可以想像得到使用沒有碳刷接觸或類似者之無刷馬 達來延長其壽命，但是在無刷馬達的情形中，其霍爾元件 -5 - 200522478 (3) 即需至少數mA的電流，因此若包括其他驅動電路或馬達 的供電在內，其會需要數十mA的電流消耗量，故其不易 於以例如電池來長時間連續驅動馬達。 此外，可以想像得到，使用不設有霍爾元件之無感測 器馬達，但是由於必須要偵測線圈的反向電流，故啓動特 性必須要高，因此之故其將不易於有低電流消耗量之構造 ，而馬達將變成昂貴。此外，其或可使用無需使用霍爾元 件之步進馬達來達成低電流驅動。然而由於啓動扭力較小 ，在要驅動具有較大慣性力矩之物體，例如葉輪，來轉動 時，該步進馬達將無法啓動，而會失相，因此其係不易於 以低電流來驅動步進馬達。 【發明內容】 本發明係針則述的問題而開發的，其目的在於提供 一種風扇馬達，能夠以低電流、低噪音和長壽命來帶動葉 輪的轉動。 爲達成前述的目的，本發明的特徵在於具有以下的配 置。 (1) 一種風扇馬達，包含有： 一步進馬達’用以轉動一轉軸； ~葉輪，由該轉軸加以轉動；以及 一連接構件，可以相對於該轉軸轉動的方式來聯結該 葉輪， 其中該連接構件可在馬達啓動時，吸收該葉輪的慣性 -6 - 200522478 (4) 力矩，而以無負載的方式將該轉軸相對於該葉輪轉動，並 可隨著轉軸之迴轉數的增加，而使該葉輪隨著該轉軸轉動 〇 (2 )根據（1 )之風扇馬達，其中該連接構件係一螺 旋彈簧，具有一側末端連接至該葉輪上，而另一側末端則 固定至該轉軸上’該螺旋彈簧係圍繞著該轉軸。 (3) 根據（1)之風扇馬達，其中該步進馬達包含有 一定子，纏繞著一線圈，以及一轉子，具有一磁鐵，配置 成與該定子相對，因此該轉子可藉由供電給該線圈來改變 定子磁極而轉動之。 (4) 根據（3)之風扇馬達，進一步包含有一驅動電 路，其包含有一 CMOS電晶體，用以控制該線圈的供電。 (5 )根據（4 )之風扇馬達，其中該驅動電路係等效 於時鐘的1C。 (6 )根據（4 )之風扇馬達，其中該驅動電路在啓動 時輸出的脈波頻率係設定成低於穩定狀態下的脈波頻率。 (7)根據（4)之風扇馬達，進一步包含有一太陽能 電池，設置在此風扇馬達之外部的一部份上，其中該驅動 電路係以該太陽能電池做爲電源來加以驅動的。 【實施方式】 下面將配合所附圖式，針對本發明之較佳實施例來加 以說明。 下面所描述的實施例僅是用來實施本發明的範例，而 -Ί - 200522478 (5) 本發明亦可應用在針對下面所描述之實施例加以改良而不 脫離其精神範圍內者。 第1圖是根據本發明之一實施例的風扇馬達的分解圖 ’而第2圖則是第1圖之風扇馬達在組裝完成狀態下（除 了葉輪）的側視剖面圖。 如第1圖和第2圖中所示，根據此實施例之風扇馬達 ’葉輪1 2具有多個葉片部位，例如軸流風扇、s丨1 〇 c c 〇風 扇或類似者，係聯結至單相P Μ型步進馬達的轉軸8上。 根據此單相ΡΜ型步進馬達，轉子係藉由將轉子磁鐵 (永久磁鐵）7加以固定至轉軸8而構成的，該轉子磁鐵 具有圓柱狀的形狀，且係磁化成單磁極者（在其直徑處將 二磁極均等分割成二，並磁化成可提供互相對稱而相反的 磁極（S極和Ν極））。轉軸8係由一對在軸向上合倂的 軸承1 a、9 a以可轉動的方式加以支撐。軸承1 a係爲構成 此馬達外觀而呈箱盒形狀之殼體1的一部份，設置成在殼 體1的中心部位突出，以供以可轉動的方式在推力方向上 支撐轉軸8之一側末端部位。軸承9 a則是由在圓碟狀軸 承構件9的中心部位所形成的孔沿著徑向方向支撐轉軸8 的另一側末端部位。軸承構件9係藉由將突出部位9b壓 配於亦具有定位功能之結合孔6d上而固定至呈圓柱狀而 具底部（杯狀）的鈮部6的末端部位6 e上。 定子則是設有線圈3，其係設置成與轉子磁鐵7同心 而相對設置，並與轉子磁鐵7間相距給定的間隙，以及軛 部4、6，其等係做爲磁性構件，環繞著而固持住線圈3， -8 - 200522478 (6) 並具有fe極部位4 a、6 a，夾置在轉子磁鐵7和線圈3之 間。 軛部4、6包括有由薄板所構成而呈圓碟狀的第一軛 部4 ’以及形狀爲圓柱狀而其底部爲由第一軛部4加以封 閉住之開放末端部位6 f的第二軛部6。第一軛部4包含 有一開放部位4 b，係開放成與轉子之轉軸8的中心軸線 同心’以及第一磁極部位4 a，係呈圓弧狀，藉由將開放 部位4b的側緣部位的一部份抽拉至線圈3的側邊而直立 起的。此外，第二軛部6的底部部位包含有一開放部位 6b，係開放成與轉子之轉軸8的中心軸線呈同心狀，以及 第一磁極部位6 a，係呈圓弧狀，藉由將開放部位6 b的側 緣部位的一部份抽拉至線圈3的側邊而直立起的。 第一磁極部位4 a和第二磁極部位6 a係位在相對於轉 子之轉軸8呈互相相對的位置上。 至於線圈3，線軸]5係由樹脂製成而呈圓柱狀，其 二側末端處設有直徑較大突緣，其上捲繞著導線，而捲繞 起來之導線的軸心線係與轉子之轉軸8同心。 線軸1 5 —側末端的突緣1 5 a設有電極部位2，自其 上延伸出’以供供電而激勵線圈3，進而在第一和第二磁 極部位4 a和6 a上產生磁場的s極或N極。電極部位2包 含有一對電極銷]4 ’係自其上突出而電連接至線圈3的 各末端部位上。電極銷1 4係以焊接或類似方式電連接至 結合在桌一鞭邰4後側表面上的電路板5上，並係連接至 外側驅動電路上，以供經由連接器或類似者來控制線圈3 > 9 - 200522478 (7) 的供電。電路板5上形成有導線紋路，用以產生脈波電壓 波形，供應至線圈3上。 第一軛部4和第二軛部6係藉由套合或類似之方式， 機械性地結合成一種包覆著線圈3的狀態。此外，第一軛 部4係藉由將螺釘1 3螺合至螺紋孔4d內而固定至殻體上 ，而電路板5則位在其等之間。 第一和第二磁極部位4 a和6 a構成可因線圈3之供電 而激勵，並反轉磁極的極性而轉動轉子磁鐵7的磁極。在 第一和第二磁極部位4 a和6 a的內側周邊部位的一部份上 設有內凹溝槽（或凹口）4c、6c。這些內凹的溝槽4c、6c 會在第一和第二磁極部位4 a和6 a與轉子磁鐵7的外側周 邊部位之間形成不均勻的間隙，其可形成爲電磁穩定位置 及一個在轉子磁鐵7未激發時能夠讓轉子磁鐵7自我啓動 而轉動（參閱第6圖）的穩定位置（下文稱“未激發穩定 位置”）。 也就是說，在未激發穩定位置上，此一位置關係係爲 第一和第二磁極部位4a和6a之間在激勵時所產生的磁通 量的方向D 1 (參閱第6圖）和轉子磁鐵7的極性方向D2 相交而錯開的（不互相平行）（參閱第6A圖、第6C圖 和第6D圖），這是因爲自第一和第二磁極部位4a和6a 施加至轉子磁鐵7之鑲齒（C 〇 g g i n g )扭力之故。 在電磁穩定位置上時，轉子磁鐵7的磁極會受到來自 第一和第二磁極部位4a和6a的平衡的吸引力和排斥力的 作用，而此位置關係係爲轉子磁鐵7的極性自未激發穩定 -10 > 200522478 (8) 位置反轉少於180° (參閱第6B圖和第6D圖）。 如第2A圖和第2B圖中所示，轉軸8係以可滑動的 方式（無負載）插入設在某輪1 2轉動中心軸線處的軸孔 _ 1 2 a內，並由連接構件以可相對轉動的方式連接至轉軸8 上。 此連接構件爲一螺旋彈簧1 1，其一側末端係連接至 設在葉輪1 2之軸孔1 2 a附近的結合孔1 2 b內，而其另一 側末端則以壓配或類似方式固定至結合於轉軸8上之固持 · 件1 0的結合孔1 0 b內，且其係環繞著該轉軸8。螺旋彈 簧1 1的螺旋部位1 1 a係固定在葉輪1 2與固持件1 0之階 狀差距部位l〇a之間。 至於螺旋彈簧Π，其扭轉扭力係藉由將其線徑加以 縮減而設定成較弱，以減低其彈簧常數。在啓動馬達時， 作用在轉軸8上的啓動慣性力矩會因吸收葉輪1 2的慣性 力（力矩）而將轉軸8以無負載的方式相對於葉輪]2加 以轉動，其後由螺旋彈簧]1所吸收的力量將會在轉軸8 ^ 之迴轉數增加時釋放出來，而讓葉輪]2能隨著轉軸8轉 動。 至於該連接構件，即使是在輪葉的慣性力矩較大而造 成會使馬達不易啓動之大慣性力矩的情形中，如習用技藝 中葉輪是固定至轉軸上的構造，或者是在馬達在啓動時， 馬達會變成失相的情中，具有大慣性力矩的物體，例如葉 輪，亦可藉由使用具有較小啓動扭力之步進馬達來加以驅 動旋轉，因此啓動時不會有失相的情形，而馬達可以低電 -11- 200522478 Ο) 流、低噪音及長壽命的方式來加以驅動。 第3圖是方塊圖’顯示出根據本發明之實施例的驅動 電路’而第4圖則是由第3圖之驅動電路所產生之用來驅 動風扇馬達的電壓波形的圖形。 如第3圖中所示’驅動電路2 5包含有二個做爲電源 的乾電池29、用來輸出時鐘信號的振盪電路26、用來將 輸出之時鐘信號加以分割及整形的控制部位2 7，以供輸 出驅動控制信號至由4個CMOS電晶體所構成之 CMOSFET 28的各閘極上，因之而可輸出一個具有定期反 轉之交替脈波波形，如第4圖中所示，至線圈3的端點之 間，因之而能以固定轉速來驅動單相步進馬達。此外，根 據此實施例，該驅動電壓的Ο N的時間是例如2 0 m s，而 馬達轉速則是4 8 0 rpm。 第4圖顯示出自啓動起，將脈波頻率設定爲定値的例 子。但是，如第5圖中所示，藉由將啓動時的脈波頻率設 定爲較穩定狀態中爲低（緩慢加速電壓波形），其可以加 設用來將步進馬達的迴轉數自啓動點逐漸地增加至穩定狀 態的緩慢加速功能，而連接構件之以低電流驅動具有大慣 性力矩之葉輪轉動的功用可進一步增進。 此實施例之單相步進馬達的線圈阻抗是數百歐姆，係 遠大於一般的步進馬達’此外’其亦有將數百歐姆之電阻 加以串連的方式，以使驅動電流變成數mA。 由於可以通用型時鐘用1C來做爲驅動電路2 5，因此 成本不昂貴，電流消耗量小，且可以使用類似於時鐘或類 _ 12 - 200522478 (10) 似者所用之乾電池來做長時間的驅動（例如說，可以做 4 〇天的連續驅動，因爲二個電池的電壓是3 V，電流消耗 量是2 m A，而乾電池的電量是2 0 0 0 m A )。 弟6 A圖至第6 E圖顯不出用來解釋此貫S也例中風扇 馬達轉動之作動的圖.式，並顯示出第一和第二磁極部位 4a和6a與轉子磁鐵7間的位置關係。 在第6A圖的未激發穩定位置（供電OFF )中，其位 置關係係爲第一和第二磁極部位4a和6a間所產生之磁通 量的方向D 1和轉子磁鐵3的極性方向係相交而互相錯開 的，因爲第一和第二磁極部位4a和6a在轉子磁鐵7的磁 極上施加一個非常小的鑲齒扭力。雖然最好能使此鑲齒扭 力儘可能地小，以減弱此磁場，但是此鑲齒扭力並非是零 値。 藉由供電給（ON )線圈3而將第一和第二磁極部位 4 a和6 a自前述之未激發穩定位置處加以激勵，第一和第 二磁極部位4 a和6 a與轉子磁鐵7的磁極中具有不同極性 者會相吸引，而具有相同極性者則互斥，因此轉子磁鐵7 會自第6A圖中的未激發穩定位置轉動至第6B圖中的電 磁穩定位置，在此轉子磁鐵7的極性係沿著順時鐘方向轉 動少於1 8 0度。 其後，在線圈3供電停止（0 F F )時，藉由前述鑲齒 力之作用，轉子磁鐵3會自第6 B圖中的電磁穩定位置稍 微再轉動，而轉至自第6 A圖之位置旋轉]§ 〇度處的未激 發穩疋位置。 -13 - 200522478 (11) 其次，藉由在第6 C圖所示的未激發穩定位置處輸出 與第6 B圖所示之線圈3之供電相反的脈波來激勵第一和 第二磁極部位4 a和6 a產生相反的極性，轉子磁鐵7中與 第一和第二磁極部位4 a和6 a極性不同的磁極會被吸引， 而具有相同極性的磁極則會被斥，而轉子磁鐵7則會轉動 至第6D圖中的電磁穩定位置處，在此轉子磁鐵7的極性 係自第6C圖中的未激發穩定位置沿順時鐘方向轉動少於 1 80 度。 其後，在線圈3供電停止（OFF)時，藉由前述鑲齒 力之作用，轉子磁鐵7會自第6D圖之電磁穩定位置稍微 再轉動至第6E圖的之位置（自第6C圖的位置旋轉1 80 度的位置，或是自第6 A圖的位置旋轉3 6 0度的位置）， 進而回到第6A圖的位置，因之而完成一圈迴轉。 第7圖係將太陽能電池安裝風扇馬達殼體外部上之例 子的外觀圖，其係做爲本實施例之改良的例子，太陽能電 池2 0係設置在殼體1之側面的一部份上，而驅動電路2 5 是以太陽能電池做爲電源（可以配合乾電池2 9使用）來 加以驅動的。此實施例的風扇馬達係以低電流加以驅動的 ，因此，在安裝尺寸爲例如約5 0 X 2 0 m m之太陽能電池時 ，在白天使用下可以無需乾電池。 本發明可應用在裝設有電風扇或類似者以供例如將空 氣加以旋循的空氣淸淨器、芳香劑噴灑器、除濕機、殺蟲 器或類似裝置上。 此外，雖然在此實施例中，其係針對單相P M型步進 -14 - 200522478 (12) 馬達的例子加以說明，但本發明並不僅限於此，而是可以 應用在兩相或多相之PM型步進馬達，以及由以齒輪形狀 之鐵心所構成之轉子或是由齒輪形狀鐵心和不同於Ρ Μ型 磁鐵所構成之轉子等組成的V R型（可變磁阻型）步進馬 達上。 【圖式簡單說明】 第1圖是根據本發明之一實施例的風扇馬達的分解圖 〇 第2Α圖顯示出第1圖中之風扇馬達組裝完成後之狀 態的側視剖面圖（除了葉輪），而第2 Β圖則顯示出連接 構件及相關部位間的分解圖。 第3圖是方塊圖，顯示出根據本發明的實施例的驅動 電路。 第4圖是由第3圖之驅動電路所產生之用來驅動風扇 馬達的電壓波形的圖形。 第5圖是由第3圖之驅動電路所產生之用來驅動風扇 馬達的電壓波形的圖形。 第6 Α圖至第6 Ε圖顯示出用來解釋此實施例中風扇 馬達轉動之作動的圖式。 第7圖是外觀圖，顯示出將太陽能電池安裝風扇馬達 殻體外部上之例子的外觀圖，其係做爲該實施例的改良例 -15- 200522478 (13) 【主要元件符號說明】 1 殼體 1 a 軸承 2 電極部位 3 線圈 4 第一軛部 4 a 第一磁極部位 4b 開放部位 4 c 內凹溝槽 4d 螺紋孔 5 電路板 6 第二軛部 6a 第二磁極部位 6b 開放部位 6 c 內凹溝槽 6d 結合孔 6 e 末端咅β位 6f 開放末端部位 7 轉子磁鐵 8 轉軸 9 軸承構件 9a 軸承 9b 突出部位 10 固持件

-16 - 200522478 (14) 10a 階狀差距部位 1 Ob 結合:fL 11 螺旋彈簧 11a 螺旋部位 12 葉輪 12a 軸孔 12b 結合孔 13 螺釘 1 4 電極銷 15 線軸 1 5 a 突緣 15b 突緣 20 太陽能電池 25 驅動電路 26 振盪電路 27 控制部位 2 8 CMOSFET 29 乾電池

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Claims (1)

1. 200522478 (1) 十、申請專利範圍 1 . 一種風扇馬達，包含有： 一步進馬達，用以轉動一轉軸； 一葉輪，由該轉軸加以轉動；以及 一連接構件，相對於該轉軸以可轉動的方式來聯結該 葉輪， 其中該連接構件可在馬達啓動時，吸收該葉輪的慣性 力矩’而以無負載的方式將該轉軸相對於該葉輪轉動，並 可隨著轉軸之迴轉數的增加，而使該葉輪隨著該轉軸轉動 〇 2 ·根據申請專利範圍第1項之風扇馬達，其中該連接 構件係一螺旋彈簧，具有一側末端連接至該葉輪上，而另 一側末端則固定至該轉軸上，該螺旋彈簧係圍繞著該轉軸 〇 3 ·根據申請專利範圍第1項之風扇馬達，其中該步進 馬達包含有一定子，纏繞著一線圈，以及一轉子，具有一 磁鐵，配置成與該定子相對，因此該轉子可藉由供電給該 線圈來改變定子磁極而轉動之。 4 .根據申請專利範圍第3項之風扇馬達，進一步包含 有一驅動電路，其包含有一 CMOS電晶體，用以控制該線 圈的供電。 5 .根據申請專利範圍第4項之風扇馬達，其中該驅動 電路係等效於時鐘的1C。 6.根據申請專利範圍第4項之風扇馬達，其中該驅動 200522478 (2) 電路在啓動時輸出的脈波頻率係設定成低於穩定狀態下的 脈波頻率。 7 .根據申請專利範圍第4項之風扇馬達，進一步包含 有一太陽能電池，設置在此風扇馬達之外部的一部份上， 其中該驅動電路係以該太陽能電池做爲電源來加以驅動的

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