TWI305075B - Electric blower and supercharger for automobiles using the same - Google Patents

Description

1305075 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一高速旋轉的電送風機，具小型且 重量輕的特色。 【先前技術】 過去，通用馬達被廣泛地使用在高速旋轉電送風機 上’這類型的馬達具有短壽命的刷狀物（brush)，特別是 在高速旋轉超過500 00RPM、200V高電壓驅動，或高容2 作達到2KW時，刷狀物會有明顯的損耗。所以，例如^ 相無刷直流馬達之類的半導體控制同步馬達在最近開始 出現。半導體控制同步馬達具有顯著的較長壽命，然而 因為使用永久磁鐵作為轉子（R〇t〇r)，在高速旋轉時容易 被離心力所損壞。 曰本專利號282381 7提出一永久磁鐵嵌入馬達，其 中磁鐵嵌入一盔f鐵心（armature i ron core)以強化 轉子’然而’所達到的強度仍然不夠。 傳、先上使用二相反轉電路（three_phase inverter

CirCU11) ’其中使用一霍爾積體電路（Hal 1 1C)來偵測旋 韓位¥ ， IV \ 为佈積體電路（distribution 1C)做為一 驅動控制電路。_ ^ —疋子（stator)鐵心在其内圓周具有複 數個給金屬绩八γ士 m — 高綠刀佈用之狹縫（slot)，其結構使得冷空氣 不容易通過在鏟^ 、 你轉千（rotor)與定子間的空間。所以，定子 的溫度容易上并，.丄 ^ 廷導至影響效率的主要原因之一。此 外，驅動控制雷％ @ %路品要電容器（condenser)用以平滑修正

5174-6981-PF 1305075 ) ' 電壓，运佔據不必要的很大的空間，而且價格也增加。 當應用於咼速旋轉時，這樣的同步馬達因其結構使 用永久磁鐵做為轉子所以對離心力的承受力不足，此 外，因無刷直流馬達之驅動控制電路較複雜，需要大空 .間來谷納，這並不符合目前趨勢小而經濟的產品要求。 • 此外，因為在定子和轉子間的空間幾乎沒有給冷空 氣通過的通道，馬達效率和吹風效率下降。如果電源開 關7L件（power switching elements)數量減少，啟動器 力矩減少，而馬達可能不能馬上啟動，甚至導至不正常。 π車的超充電器（supercharger)在啟動時，特別有 效能減低的問題，因超充電器使用引擎的背壓 (backpressure) ° ' 【發明内容】 本發明之目的在解決上述的問題，提供一小型、高 效率和高速電送風機，具有一轉子，對離心力具有增加 的抵抗力，並具有改善的冷卻效果。並以提供使用上述 電送風機的一汽車用電超充電器。 本發明之再一目的在提供一半導體控制電送風機， 不，、提供控制電路空間和價格的降低，而且提供改良之 啟動特性。 .為了達到本發明上述之目的，本發明提供一電送風 轉子’具有多狹缝轉子線圈（winding)，在 ”上有電源供應刷（p〇wer supply brush)經由集電環 (P ring)提供之激磁電流（excitation electric

5174-6981-PF 6 1305075 current) ·’ 一定子，具有一偵測裝置以偵測轉子的磁極 (magnetic pole)的位置’並形成風的主要通道，一離心 扇（centrifugal fan)配置於轉子的—旋轉軸上，其中， 因應於-極位置偵測信冑’ 一半導體開關調整而控制在 轉子線圈或定子線圈上的電流。 轉子包括：一轉子鐵心，具有複數個狹缝；以及一 金屬線，以重疊纏繞於轉子鐵心上’使得在轉子鐵心上 的線圈激磁而形成磁鐵。

定子具有磁性極，第一磁極端和轉子的距離小於第 二磁極。定子也具有二個定子極和一單相定子線圈。轉 子線圈在一預定時間被激磁，然後控制定子線圈。 定子具有四個極和二對定子線圈，所以相鄰極可以 具有相同極性，而二個半導體開關控制定子線圈。 定子具有三個或六個定子極 三相定子線圈。 三個半導體開關控制 马ί運到本發 電态’應用於汽車上，並使用上述之電送風機、 -電送風機的轉子具有—直流電流在轉子線圈上， :由集電環和電源供應和接收刷。轉子的強健結構可以 ::因南速旋轉所產生的離心力’同時，轉子鐵心具有 1個相同形狀的狹縫，金屬線可以重疊地纏繞在直 所以：為^完美:的轉子平衡，和改良的強健抗離心力， °以提供更两速旋轉和高容量的產品。 根據本發明，轉子線圈的結構使得激磁電流經由集 5174-6981 -pp 7 » 1305075 電環’所以可以提供具有強健抗離心力 體，和-可以容易地修正^平衡和快速操作的電送疋風轉主 更進一步，改良空氣流通和冷卻效果的定 圈的半導體直徑可以降低，且銅的重量可：： 提昇了效率。此外’因為具有债測裝置以谓測轉子： 位置’半導體開關根據從谓測裝置來的位 ，： 控制在定子線圈或轉子線圈上的電用D > , 仕通用馬遠卜登 有的刷磨損就不會發生。同時，不用增加馬達 可以提供長壽命的電送風機。 置就 為了達到本發明再一目的’本發明提供一 具有相同高度的狹缝，金屬線以重 " 上。因此，轉子在旋轉時具有非常好的平方衡式：繞於其 發生不平衡’這樣的不平衡也可以被降低 且即使 本身的張力也可以幫助抵抗離心力。_ 夕，線圈 另外’轉子的結構使得只有轉子㈣所配置的位置 被激磁，而轉子線圈激磁的磁吸引、 丁。*ί立晉,4皮 itf* 同。所以，半導體開關的數量 濟實惠的價格。 以化’而能提供經 =外’在啟動時可以產生移動磁場，所以，即使在 啟動時摩擦力增加，在报短的時 轉速度。 内也可以達到標準旋 定子線圈，在啟 路可以在短時間 此外，因三個半導體開關控制三相 動時可以產生旋轉磁場，而小型控制電 達到標準旋轉速度。

5174-6981-PF 8 1305075 此外’當應用在汽車的超充電器時 增加w擎啟動時的效率， ^風機 + 並改σ A車的加逮特柯 為讓本發明$ μ ° 乃之上逑和其他目的、特徵、和 顯易懂，下令枯I ^能 特舉數個較佳實施例，並配合 作詳細說明如下： 所附圖 【實施方式】 根據本發明之實施例將於下面說明並參考附圖 在下面的說明中，相同的圖示參考數字用於^ 的圖中相同的元件。在說明中所定義的物件，例如 構造物和元件’是帛來協助對本發明的充分了解，戶 报明顯地，本發明可以不以所定義的物件來達成，： 習知的功能或構造物就沒有再詳細說明，因為不必 說明會模糊了本發明的主題。 根據本發明的第一個實施例在此說明。第1圖 根據本發明的第一個實施例的電送風機之縱向剖面 第2圖顯示根據本發明的第一個實施例的轉子的 圖。第3A和3B圖顯示根據本發明的第一個實施例 例子的轉子線圈的發開圖。第4圖顯示根據本發明 一個實施例的轉子和定子的磁極的結構說明。 參考第1圖’ 一定子2容納於一圓柱外殼6a中 轉子3容納於定子2中，轉軸9的兩端可動地被附 设6 a和6 b的中間部份的抽承8 a和8 b支擇著，所 以自由地轉動。一離心送風機7附著於轉軸9的前 產生風的路徑於點A和點B之間，實際指示在第 更明 式， 〇 不同 詳細 ^ , 足， 要的 _。 匈面 的第 ， - 在外 以可 端， 1圖上 5174-6981-PF 9 1305075 的箭頭方向。配置於轉子3上的集電環32具有一正環 (Plus ring)與一負環（minus ring)32a 和 32b，一正刷 (Plus brush)33由一正刷支持器10接觸於正集電環 3 2a而一負刷（minus brush)34由一負刷支持器11接觸 於負集電環32b。 如第2圖所示，轉子3具有一鐵心12，由複數個狹 縫、線圈5、集電環32 ’包括正負集電環32&〇和〇43化 所=成，附於轉軸9上。一正鎢（plus tungsten)從正集 電裱32a出來，而一負鎢（minus tungsten)38從負 出來。第3A和3B特別說明一實施例中線圈的位置，以 ^月楚的了解。在磁極中心的線圈的數目如果減少可以

得到較寬的冷料道，並減少熱能耗損。第3a N 、又見的足以覆蓋二個狹缝，第3β圖 和S磁極的寬戶：σ p签 ‘，肩不Ν 方向，如所覆盍—個狹缝。虛線箭頭指出電流的 白如所不，母個W S磁極的寬度 方向而可以自由的變化。 文^線圈的 綠如第4圖所示，定子2具有兩極磁場結構盘隼“々 "中足夠的冷空氣通道形成於定子2 殼6a之間盥定子2盥赭工+叫 卞Z和0枝形外 疋子2與轉子之間。磁極2〇和21且 極端2〇&和21a與寬磁極端2〇b和21b。雖詳乍石 於圖上’轉子3由激磁電流激磁，使顯示 於轉子3週圍。 磁麵產生 根據本發明之實施例的電送風機表 下。 "勹弟0圖栺述於

5174-6981-PF 1305075 如第5圖所示，帛導體開關Trl在切斷的狀離，所 以電流經由集電環提供至轉子3;轉子3的磁極分別停止 於相對於定子2的磁極报窄的距離處，也停在“口 s磁 極改變的位置。雖然未顯示於圖上，轉子3的磁極的位 置可以由習知的裝置偵測到，例如霍爾㈤⑴以，一種 抗磁兀件’與使用高頻信號的一近接開關 swtch)。當债測到轉子磁極達到如第5圖所示的位置， 半導體開關Trl即轉為開通的狀態。 因此磁極20激磁成N極，另一個磁極2 i激磁成s 極轉子3產生順時針的旋轉力量。當轉子3轉到如第 5B圖所不的位置時’半導體開關Tri變成切斷的狀態， 轉子一3因慣性而繼續順時針旋轉，當轉子3通過如第％ 圖所不的狀,4時’半導體開㈣Trl轉為開通的狀態，這 樣轉子3持續由半導體開_ 每半個循環的控制來旋 除了單相線圈外，另一個相早β〜 ^ 力 個例子疋疋子磁極2 0和12 可藉由I繞重覆累積（bipiHng)在不同方向而的到不 同相的電圈’使得轉子3可以藉由輪流控制兩相線圈的 磁極而持續旋轉。牲 β 。 寺別疋轉子3可以藉由一簡單的控制 持續旋轉，即轉子q 、 勺線圈被激磁使得轉子3的磁極置 於穩定的位詈，B 1

且兩相線圈輪流開通與切斷。這個例子 的好處是不需要传.用& M P 、片 、 裳置來债測轉子磁極的位置，因為 ’又有永久磁鐵配置於鐘工Q 1 U ' 、轉子3，磁性並不會因較大電流通過 而減少。此外，緩啟勤 動電路（soft start circuit)可以

5174-6981-PF 11 1305075 - 以經濟的價格來提供，並可保証有效的啟動操作。 本發明的第二個實施例於下描述，參考第6圖所描 述之轉子和定子的線圈，和第7A、7B、7C和7D圖所說 明的旋轉原理。 如第6圖和第7A、7B、7C和7D圖所示，轉子3具 有由如第3A和3B圖所示的重疊線圈激磁成的磁極N和s 極’電磁線圈的激磁是由一電流流過集電環和正負刷平 行連接至定子線圈，電流的方向由記號所指出，而激磁 ί 的方法不限於平行連接至定子線圈4上，因此，激磁可 以由同時序列連接至開關Trl和Tr2來產生。 疋子2具有兩對磁極22a、22b和23a、23b，和一極 集中線圈序列分別連接至半導體開關Trl和Tr2 ;線圈4 . 纏繞的方式使得當半導體開關Trl在開通的狀態時，定 - 子極22a轉變成N極，而另一定子極22b轉變成§極； 線圈4纏繞的方式使得當半導體開關Tr2在開通的狀態 時，定子極23a轉變成1^極，而另一定子極2扑轉變成s 極。 參考第7A、7B、7C和7D圖說明旋轉的原理。啟動 時，極位置轉變為另一個位置’當位置的改變由轉子極 •位置伯測裝置，例如霍爾（Hari)IC，力矩可能對啟動而 '言太高，此時，藉由半導體開關Trl從如第7A圖所示的 '狀態轉為開通，轉子3可以順時針旋轉；如果轉子3的 位置超過第7B圖所示的磁場90度的話，轉子3反轉， 而Trl和Tr2皆轉為開通的狀態。如果只有Tr2在開通 5174-6981-PF 12 *1305075 、^ 疋子極產生移動磁場且右、 二，eak p〇int)。轉子3被移動二針方向移動的 日爾轉，達到由位置偵測農 ^及弓I，並開始順 置。 的位置信號的位 當轉子3超過如第7β圖所示 場位置铺測信號，Trl和Tr2皆同時 度時，因為磁 產生順時針力矩。最 ’"、開通的狀態，而 取大加速力矩產生於去絲 第7B圖所示的位置45度時，且日：+ 3超過如 轉子3超過如第7C圖所示45度。反：：加速力矩施於 轉子3通過超過如第7 守十力矩產生於當 W皆同時轉為門、1: / 度時，而W和 t轉為開通的狀態。轉子3 由鏟；圖的位置藉 和負載的慣性旋轉到如第7a圖所_ 轉子诵過坌7A门 Λ圖所不的位置，當 I過弟7Α圖的位置時，Trl和τΓ2比门士 ±± 的妝能w 4 白同時轉為開通 心加速。藉由每半個週期的加速 導體開關的數目可以诘+ 主 ；& + 目Τ以減；一 +，而控制電路可以以較便 宜的價袼且乂季乂便 根據本發明的第三實施例說明於下，並參考第8圖， 顯：轉子和定子的線圈型式，以及第H、9B#9C圖， 顯示旋轉原理。 如所不，轉子3具有因如上所述重疊纏繞型式的轉 子線圈5的激磁而產生之特定方向的電流；轉子3也具 有N和S極。磁極24、25、26配置於定子2上；一單極

(uni polar)二相線圈分別於磁極24、25、26上；磁極 24、25、26分別連接至半導體開關Tri、Tr2、Tr3上。 5174-6981-PF 13 1305075 多考弟9Α、9β和9C圖說明旋轉的原理。雖然轉子 在啟動時可能位於任何位置，在下面的說明中假設轉子 是在如第9Α圖所示的位置。 因此-轉子3在如第9Α圖所示的位置，將開 通會導致定子極24變成N極，而將其它定子極25、26

轉為S極所以轉子3產生順時針力矩並加速朝向如第 9B圖所示平衡點。當轉子3轉近如第9B圖所示的位置 犄，第一個半導體開關Trl開通，開通第二個半導體開 關Tr2,並因此定子極25轉變成N極，而其它定子極μ 和26轉變成8極。所以，轉子3繼續產生順時針力矩， 並加速朝向如第9C圖所示的平衡點。當轉子3轉近如第 9C圖所示的位置時，第二個半導體開關Tr2開通，開通 第三個半導體開關Tr3,並因此定子極26轉變成n極， 而其它定子極2“口 25轉變成s極。所以，轉子3繼續 加速朝向如第9A圖所示的平衡點。 、項 .藉由揭露在集中線圈型式的三定子極之三相單極線 圈，和輪流激磁每個線圈，產生旋轉的磁場使得定子極 的磁場的峰點（peak P〇int)在一個方向。因此，轉在 啟動時可以同步於旋轉的方向，並提供高啟動力矩 然第8圖顯示三個磁極以作說明，達到上述之效果 子極的數目可以不同，例如，可以提供三敎子 個磁極於定子2，而雙倍轉子極成4定子極。 當本發明的例子應用於汽車啟動的超充電器上特別 有效。直流設備，可以達釗7 η η η Λ 付引 建到lOOOOrpm的旋轉。根據本發

5174-6981-PF 14 1305075 明例子的電送風機，可以達到1〇〇,〇〇〇〇rpm的旋轉，而 可以達到改良之超充電器具有改良能源效率並且達到體 積小的要求。此外，根據本發明例子的電送風機的效率 不/、應用在送風機功能而且在其它的應用上，例如，送 風機的風扇(wing)可以用於冷卻，而且利用小型的優 勢达風機可以和減速齒輪（reduction gear) —起用於 運輸車輛’例如汽車、冑車、競赛用的微型單座汽車 (g〇一⑶忖）、醫療用車輛例如輪椅或擔架。 、：然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 \〈疋本發明M壬何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此本發明 ，保護車:圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示根據本發明的第—個實施例的電送風機 縱向剖面圖。 "圖不根據本發明的第一個實施例的轉子的側 面圖。 早：鈒？ 3β圖顯示根據本發明的第-個實施例之-例子的轉切®的發_。 早的：二：顯不根據本發明的第-個實施例的轉子和定 子的磁極的結構說明。 评卞牙疋 第 5 a、5 Β 和 5 Γ _ 的電送風機的旋轉眉不根據本發明的第-個實施例 卜 疋轉原理說明圖。 弟 6圖翔 …、乂據本發明的第二個實施例的轉子和定

5174-6981-PF 15 1305075 ~ 子的平面圖。

第 7A、7B、7C 和 圖顯示板摅土恭日日 施例的旋轉原理的說明圖 碼:本發明 第8圖顯示根據本發 ^ Ί 子的平面圖。 的第三個實施例 第9A、9B和9C:圖顯 的旋轉原理的說明圖。 【主要元件符號說明】 卜電送風機 2〜定子 3~轉子 不根據本發明的第 的第二個實 的轉子和定 三個實施例 4〜定子線圈 5〜轉子線圈 6a、6b〜圓柱殼 7〜離心扇 8a、8b〜軸承 9〜轉軸 1 0〜正刷支持器 11〜負刷支持器 1 2〜鐵心 20、21、24、25、26〜磁極 、2 3 b〜磁極 20a 、 20b 、 21a 、 21b 、 22a 、 22b 、 23a 3 2 a〜正環

5174-6981-PF 16 1305075

Tr3〜半導體開關 32b〜負環 3 3〜正刷 34〜負刷 3 7〜正鎮 3 8〜負鶴 Tr卜 Tr2

5174-6981-PF 17

Claims (1)

1. β〇5脱 〇9543號申請專利範圍修正本 修正日期:：96.10.23 十、申請專利範圍： 1. 一種電送風機，包括： 一轉子’具有一多狹縫轉子線圈，在其上有一激磁 電流，該激磁電流由一電源供應刷經一集電環所提供； —定子，具有一偵測裝置，用以偵測該轉子的磁極 位置’以及一極集中線圈型式之定子線圈； 外威，各納該定子並形成風的一主要通道；以及 一離心扇，配置於該轉子的一旋轉軸，其中，一半 導體開關因應於該轉子磁極位置偵測信號來調節並因此 控制在該轉子線圈或該定子線圈的電流； 其中該定子具有磁極使得在一第一磁端部分和該轉 子的一距離短於一第二磁極； 該疋子具有二定子極和單相定子線圈丨以及 該轉子線圈於—預定時間内被激磁，然後該定子線 圈被控制。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電送風機，立中， 該轉子包括： ％ Υ 一轉子鐵心，具有複數個狹縫；以及 -金屬線，以重疊型式纏繞在該轉子鐵心 在該轉子鐵心上的線圈激磁後形成-磁鐵。 于 3. 如申請專利範圍第 該定子包括： 貞所4之該電送風機，其中 四個磁極與二對定子線圈， 相同極性；以及 于相鄰磁極可以具有 5174-6981-PF1 18 1305075 二半導體開闕，控制該定子線圈。 〜女申明專利範圍第1項所述之該電送風機，其中 圈。 括一疋子極和三半導體開關控制三相定子線 該定ϋ4專利範圍第1項所述之該電送風機，其中 六定子極；以及 三半導體開關，控制三相定子線圈。 6.—種汽車的電子超充電器，I 括： a有—電送風機，包 一轉子，具有—多狹縫轉子線圈， 電流，兮ΊΛ· 雨、— 在/、上有一激磁 4激磁電〜由一電源供 -定子，具有-靖置，用、：”核所提供； 位置，以& ^ .、 从偵測該轉子的磁極 以及一極集中線圈型式之定子線圈； -外殼’容納該定子並形成風的―主要 、一離心扇，配置於該轉子的—旋 以 導體開關因應於該轉子磁極位置纟中’—半 控制在該II + # m β 1 、、5號來調節並因此 牡茨轉子線圈或該定子線圈的電流， D亥疋子具有磁極使得在一第— 一距離短於一第二磁極； 、部分和該轉子的 該定子具有二定子極和單相定子線圈·、 該轉子線圈於-預定時間内被，，以及 圈被控制。 '，然後該定子線 7.如申請專利範圍第6項所述 <該電子超充電器， 5174^698 UPFI 19 1305075 其中，該轉子包括： —轉子鐵心’具有複數個狹縫；以及 —金屬線，以重疊型式纏繞在該轉子鐵心上，使得 在該轉子鐵心上的線圈激磁後形成一磁鐵。 8·—種電送風機’包括： —轉子，具有一多狹缝轉子線圈，在其上有一激磁 電流，該激磁電流由一電源供應刷經一集電環所提供； —定子，其有一偵測裝置，用以偵測該轉子的磁極 位置’以及一極集中線圈型式之定子線圈； —外殼，容納該定子並形成風的—主要通道；以及 一離心扇，配置於該轉子的一旋轉轴，其中，一半 導體開關因應於該轉子磁極位置偵測信號來調節並因此 控制在該轉子線圈或該定子線圈的電流， 其中’ S亥轉子包括：一轉子鐵心，具有複數個狹縫； 以及一金屬線，以重疊型式纏繞在該轉子鐵心上，使得 在該轉子鐵心上的線圈激磁後形成一磁鐵； δ亥定子具有磁極使得在一第一磁端部分和該轉子的 一距離短於一第二磁極； 5玄定子具有二定子極和單相定子線圈；以及 。玄轉子線圈於一預定時間内被激磁，然後該定子線 圈被控制。 9.如申請專利範圍第8項所述之該電送風機，其中 該定子包括： 四個磁極與二對定子線圈，使得相鄰磁極具有相同 5174-6981-PF1 20 1305075 極性；以及 二半導體開關，控制該定子線圈。 1 0.如申請專利範圍第8項所述之該電送風機，其中 該定子包括三定子極和三半導體開關控制三相定子線 圈。 11.如申請專利範圍第8項所述之該電送風機，其中 該定子包括： 六定子極；以及 .三半導體開關，控制三相定子線圈。

   5174-6981-PF1 21