TWI619344B - 馬達、其轉向控制方法及具有該馬達的風扇 - Google Patents

馬達、其轉向控制方法及具有該馬達的風扇 Download PDF

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Abstract

本發明主要揭示一種馬達，用於解決習知風扇馬達設計複雜度高的問題，該馬達包含：一定子線圈，由一操控電壓供電產生磁力，用以驅使一轉子旋轉；一驅動單元，電性連接該定子線圈及一控向單元；及一壓控單元，電性連接該控向單元，依據該操控電壓、一門檻電壓及一準位電壓輸出一邏輯訊號至該控向單元，使該控向單元依據該邏輯訊號控制該轉子之轉向。另，揭示該馬達轉向控制方法及具有該馬達的風扇。藉此，可確實解決上述問題。

Description

馬達、其轉向控制方法及具有該馬達的風扇
本發明係關於一種馬達；特別是關於一種可依據運轉供電訊號控制轉向之馬達。
馬達(或稱電動機)可將電力轉為動力輸出，用以帶動一負載而形成各式電動裝置。以風扇(如：壁扇、吊扇、鼓風扇或軸流扇等)為例，習知風扇可利用該馬達將電能轉為旋轉動力，以便帶動扇葉旋轉而產生氣流。
習知風扇欲轉動時，可經由感磁元件(如：霍爾元件)感測該馬達之轉子磁極(如永久磁鐵之N、S極)之極性，以便利用驅動器(driver)輸出一驅動訊號至該馬達之定子磁極(如繞組線圈)，該定子磁極之電流方向不同可產生不同極性之磁力，以便驅使轉子沿不同方向轉動，以便用於快速正轉散熱或慢速反轉除塵等。
其中，習用風扇通常需額外接收一轉向訊號，利用三相馬達之定子無方向性之特性，依據該轉向訊號驅使轉子沿不同方向旋轉。惟，三相馬達的設計複雜度較高，且馬達架構及量產能力易受影響，導致風扇開發及生產成本高。
有鑑於此，有必要改善上述先前技術的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。
本發明係提供一種馬達，可利用馬達之運轉供電訊號的特徵控制轉向。
本發明另提供一種馬達轉向控制方法，可供馬達利用運轉供電訊號的特徵控制轉向。
本發明另提供一種風扇，可利用馬達之運轉供電訊號的特徵控制轉向。
本發明揭示一種馬達，可包含：一定子線圈，由一操控電壓供電產生磁力，用以驅使一轉子旋轉；一驅動單元，電性連接該定子線圈及一控向單元；及一壓控單元，電性連接該控向單元，依據該操控電壓、一門檻電壓及一準位電壓輸出一邏輯訊號至該控向單元，使該控向單元依據該邏輯訊號控制該轉子之轉向，其中該壓控單元依據該操控電壓產生一分壓電壓，判斷該分壓電壓是否大於該門檻電壓，若判斷為是，設定該邏輯訊號為一第一邏輯準位，使該定子線圈依據一第一電流方向驅使該轉子沿一第一轉向旋轉。
本發明另揭示一種風扇，可包含上述馬達，另包含數個扇葉結合於該轉子。
本發明另揭示一種馬達轉向控制方法，可應用於具轉向控制功能之馬達，該方法之步驟可包含：由一操控電壓經由一驅動單元供電至該馬達之一定子線圈，用以驅使該馬達之一轉子旋轉，依據該操控電壓、一門檻電壓及一準位電壓產生一邏輯訊號，用以控制該轉子之轉向，其中該馬達依據該操控電壓產生一分壓電壓，判斷該分壓電壓是否大於該門檻電壓，若判斷為是，設定該邏輯訊號為一第一邏輯準位，使該定子線圈依據一第一電流方向驅使該轉子沿一第一轉向旋轉。
所述定子線圈可具有數個磁極部，該轉子可具有數個磁極，該邏輯訊號可操縱該驅動單元流經該定子線圈的電流方向，使相互鄰近的 磁極部與磁極之極性相同或相異；所述操控電壓大於所述準位電壓。藉此，可依據該邏輯訊號之二邏輯準位操縱該定子線圈的二電流方向，使相互鄰近的定子線圈之磁極部與轉子之磁極之極性相同或相異，用以控制該轉子之二轉向，無需額外使用轉向訊號，即可利用供馬達運轉之供電訊號的特徵控制轉向。
所述馬達之壓控單元可依據該操控電壓產生一分壓電壓，判斷該分壓電壓是否大於該門檻電壓，若判斷為否，設定該邏輯訊號為一第二邏輯準位，使該定子線圈依據一第二電流方向驅使該轉子沿一第二轉向旋轉。藉此，可簡化該壓控單元產生該邏輯訊號的判斷邏輯，以降低設計複雜度。
所述壓控單元可設有一分壓器、一開關元件及一限流元件，該分壓器電性連接於一第一電源端與一接地端之間，該開關元件電性連接該分壓器及該控向單元，該限流元件與該開關元件串接於一第二電源端與該接地端之間，該第一電源端用以接收該操控電壓，該第二電源端用以接收該準位電壓。藉此，該壓控單元以簡易的電路架構，即可將該操控電壓轉換為該邏輯訊號，作為後續控制不同轉向之依據。
所述控向單元及該壓控單元可電性連接一調壓單元，該調壓單元依據該操控電壓輸出該準位電壓至該控向單元及該壓控單元；所述控向單元為一特殊功能積體電路、一微控制器或一數位訊號處理器；所述控向單元可電性連接一感磁單元；所述定子線圈可具有數個磁極部，該定子線圈之任二相鄰磁極部之間可定義一中分線，該中分線所在位置之角度為n°，該感磁單元可位於(n±2)°的角度範圍；所述控向單元可電性連接一轉速輸出單元。藉由該感磁單元介於該定子線圈之相鄰磁極部之中間，可同時供應兩種不同轉向之極性判斷，經由該感磁單元的感測訊號得知磁極部位置後，可供該控向單元控制該定子線圈產生對該轉子之磁極相吸或相斥之 磁力，使該轉子2沿預定方向旋轉(如：正轉或反轉)，因此，可提高磁極感測的精準度，以降低轉向控制時的誤失率。
上揭馬達、其轉向控制方法及具有該馬達的風扇，可依據該操控電壓、門檻電壓及準位電壓產生該邏輯訊號，依據該邏輯訊號之二邏輯準位操縱該定子線圈的二電流方向，使相互鄰近的定子線圈之磁極部與該轉子之磁極之極性相同或相異，用以控制該轉子之二轉向，無需額外使用轉向訊號，即可利用供馬達運轉之供電訊號的特徵控制轉向，可降低設計複雜度、風扇開發及生產成本，可以達到「利用單一訊號(操控電壓)驅動馬達且控制馬達轉向」、「降低設計複雜度」及「降低成本」等功效，可應用於各式馬達控制電路，如：風扇馬達轉向控制電路等，可進一步降低馬達轉向控制複雜度及成本。
1‧‧‧定子線圈
1a,1b,1c,1d‧‧‧定子線圈之磁極部
2‧‧‧轉子
21‧‧‧磁性件
22‧‧‧扇葉
3‧‧‧驅動單元
31a,31b‧‧‧上橋元件
32a,32b‧‧‧下橋元件
4‧‧‧控向單元
5‧‧‧壓控單元
6‧‧‧調壓單元
7‧‧‧感磁單元
8‧‧‧轉速輸出單元
51‧‧‧分壓器
511,512‧‧‧電阻器
513‧‧‧分壓端
52‧‧‧開關元件
521‧‧‧基極端
522‧‧‧集極端
523‧‧‧射極端
53‧‧‧限流元件
C‧‧‧定子線圈之任二相鄰磁極部之間的中分線
D1‧‧‧第一電流方向
D2‧‧‧第二電流方向
E1‧‧‧第一電源端
E2‧‧‧第二電源端
G‧‧‧接地端
L‧‧‧邏輯訊號
P1,P2‧‧‧運轉訊號
V1‧‧‧操控電壓
V2‧‧‧準位電壓
第1圖：係本發明之馬達實施例的電路方塊圖。
第2圖：係本發明之馬達實施例應用於風扇之組合剖視圖。
第3圖：係本發明實施例之壓控單元的電路示意圖。
第4圖：係本發明實施例之感磁元件之裝設位置示意圖。
第5圖：係本發明之馬達轉向控制方法實施例之流程示意圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之方向性用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。
請參閱第1圖所示，其係本發明之馬達實施例的電路方塊圖。其中，該馬達可包含一定子線圈1、一轉子2、一驅動單元3、一控向單元4及一壓控單元5。該定子線圈1可由一操控電壓V1(如DC 12V)供電產生磁力，用以驅使一轉子2旋轉(如第2圖所示)；該驅動單元3可電性連接該定子線圈1及控向單元4；該壓控單元5可電性連接該控向單元4，依據該操控電壓V1、一門檻電壓及一準位電壓V2(如DC 5V)輸出一邏輯訊號L至該控向單元4，使該控向單元4依據該邏輯訊號操縱該驅動單元3流經該定子線圈1的電流方向，如：使相互鄰近的定子線圈1之磁極部與轉子2之磁極之極性相同或相異，用以控制該轉子2之轉向。其中，該馬達可作為電動裝置(如：風扇)之動力輸出來源，惟不以此為限。
舉例而言，如第1及2圖所示，該馬達可為適用於各式風扇(如壁扇、吊扇、鼓風扇或軸流扇等)之馬達，該馬達之定子線圈1可為單相、雙相或三相馬達之線圈，以單相馬達為例，該定子線圈1可具有數個磁極部(如矽鋼片形成的極靴)，用以通電產生磁力；該轉子2係可轉動地結合於該定子線圈1，該轉子2可設有一磁性件21(如永久磁鐵)，該磁性件21具有數個磁極(如N、S極)，並與該定子線圈1之磁極部相對間隔一氣隙，用以受該定子線圈1之磁力驅動而相吸或相斥，使該轉子2沿順時鐘或逆時鐘方向旋轉。另，該轉子2亦可設有數個扇葉22(如第2圖所示)，以便形成風扇，令該扇葉22轉動產生氣流，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。
請再參閱第1及2圖所示，該驅動單元3可為橋式驅動電路，如：全橋式或半橋式電路模組等，以全橋式電路為例，該驅動單元3可設有二上橋元件31a、31b及二下橋元件32a、32b，其中一上橋元件31a及其中一下橋元件32a可電性連接該定子線圈1之一端，另一上橋元件31b 及另一下橋元件32b可電性連接該定子線圈1之另一端，惟不以此為限。該驅動單元3可電性連接該操控電壓V1、該定子線圈1及控向單元4，用以輸出驅動訊號至該定子線圈1。在此實施例中，該驅動單元3可整合於該馬達內部之電路板，以便縮小整體之體積。
請再參閱第1及2圖所示，該控向單元4可為具有馬達運轉控制功能之裝置，如：特殊功能積體電路(ASIC)、微控制器(MCU)或數位訊號處理器(DSP)等，用以產生二運轉訊號P1、P2(如：PWM訊號等)控制馬達之轉子2的轉向或轉速等。在此實施例中，該控向單元4可整合於該馬達內部之電路板，惟不以此為限。
請參閱第1及3圖所示，該壓控單元5可設有一分壓器51、一開關元件52及一限流元件53，該分壓器51可電性連接於一第一電源端E1與一接地端G之間，如：由二電阻器511、512串接形成一分壓端513，用以產生一分壓電壓，該分壓電壓可由該二電阻器511、512之電阻值比例(如：15比1等)進行調整，該開關元件52可為BJT或MOS系列電晶體等電子開關，以NPN型BJT電晶體為例，該開關元件52之一基極端521可電性連接該分壓器51之分壓端513，該開關元件52之一集極端522可電性連接該控向單元4，該限流元件53與該開關元件52之集極端522、射極端523可串接於一第二電源端E2與該接地端G之間，該第一電源端E1可用以接收該操控電壓V1，該第二電源端E2可用以接收該準位電壓V2。藉此，該壓控單元5以簡易的電路架構，即可將該操控電壓V1轉換為該邏輯訊號L，作為後續控制不同轉向之依據。在此實施例中，該壓控單元5上述構件可整合成一積體電路及/或整合於該馬達內部之電路板，惟不以此為限。
藉此，該壓控單元5可依據該操控電壓V1產生該分壓電壓，判斷該分壓電壓是否大於該門檻電壓，如：NPN型BJT電晶體之導通電壓 (Vth)，若判斷為「是」，該壓控單元5可設定該邏輯訊號為一第一邏輯準位(如DC 0V)，作為一第一轉向訊號，如第1圖所示，令該控向單元4輸出其中一運轉訊號P1導通該驅動單元3之上橋元件31a及下橋元件32b，使該定子線圈1依據一第一電流方向D1驅使該轉子2沿一第一轉向旋轉，若判斷為「否」，該壓控單元5可設定該邏輯訊號為一第二邏輯準位(如DC 5V)，作為一第二轉向訊號，如：令該控向單元4輸出另一運轉訊號P2導通該驅動單元3之上橋元件31b及下橋元件32a，使該定子線圈1依據一第二電流方向D2驅使該轉子2沿一第二轉向旋轉，惟不以此為限。因此，可簡化該壓控單元5產生該邏輯訊號L的判斷邏輯，以降低設計複雜度。
請再參閱第1圖所示，本發明之馬達實施例還可包含一調壓單元(如電壓調節器等)6、一感磁單元(如霍爾元件等)7及一轉速輸出單元(如光學編碼計等)8，該調壓單元6可電性連接該控向單元4及該壓控單元5，依據該操控電壓V1輸出該準位電壓V2至該控向單元4及該壓控單元5；該感磁單元7、轉速輸出單元8可電性連接該控向單元4。在此實施例中，該調壓單元6、感磁單元7及轉速輸出單元8可整合於該馬達內部之電路板，惟不以此為限。
其中，如第4圖所示，以四極定子線圈為例，若第4圖上方之方向定義為二維直角座標系之0°，則該定子線圈1之四磁極部1a、1b、1c、1d可位於二維直角座標系之0°、90°、180°、270°等角度所在位置，該定子線圈1之任二相鄰磁極部(如1a與1b)之間可定義一中分線C，該中分線C可將該二相鄰磁極部(如1a與1b)的夾角等角分隔，若該中分線C所在位置於二維直角座標系的角度為n°，則該感磁單元7可位於(n±2)°的角度範圍。依此類推，其餘磁極之間的中分線C所在位置的角度n°亦可為135°、225°、315°(圖未繪示)，其係所屬技術領域中具有通常知識者可 以理解，惟不以此為限。
藉由該感磁單元7介於該定子線圈1之相鄰磁極部之中間位置，可同時供應兩種不同轉向之極性判斷，經由該感磁單元7的感測訊號得知磁極位置後，可供該控向單元4控制該定子線圈1產生對該轉子2之磁極相吸或相斥之磁力，使該轉子2沿預定方向旋轉(如：正轉或反轉)，因此，可提高磁極感測的精準度，以降低轉向控制時的誤失率。
請參閱第1及5圖所示，本發明之馬達轉向控制方法實施例可應用於具轉向控制功能之馬達，該方法之步驟可包含：由上述操控電壓V1供電至該馬達之定子線圈1，用以驅使該馬達之轉子2旋轉，依據該操控電壓V1、門檻電壓及準位電壓V2產生該邏輯訊號，依據該邏輯訊號之不同邏輯準位(如：該第一、第二邏輯準位)，操縱該定子線圈1的電流方向，使該定子線圈1與該轉子2相互鄰近的磁極之極性相同或相異，用以控制該轉子2之轉向，其實施態樣已說明如上，在此容不贅述。
請再參閱第1至4圖所示，本發明上述馬達、其轉向控制方法及含有該馬達之風扇實施例使用時，可利用供該定子線圈1產生磁力的操控電壓V1的電壓值，作為控制該轉子2之轉向的依據，例如：該風扇可用於電子裝置之散熱及除塵用途，當該風扇之馬達需用於散熱時，該操控電壓V1可為較高電壓(如DC 12V)，且該操控電壓V1可產生上述分壓電壓(如DC 12V*1/16=DC 0.75V)，該分壓電壓大於該門檻電壓(如DC 0.7V)，則該壓控單元5可設定該邏輯訊號為該第一邏輯準位(如DC 0V)，使該定子線圈1依據該第一電流方向D1驅使該轉子2沿該第一轉向旋轉(如：正轉)，以便由較高轉速旋轉而散熱。
另一方面，當該風扇之馬達需用於除塵時，可先逐步降低該轉子2沿該第一轉向旋轉之轉速，如：維持該定子線圈1之電流方向等方式進行電磁煞車，或者，暫時移除該操控電壓V1等。待沿該第一轉向旋 轉之轉速降為零後，即可令該轉子2沿該第二轉向開始旋轉，將該操控電壓V1設為較低電壓(如DC 8V)，且該操控電壓V1可產生上述分壓電壓(如DC 8V*1/16=DC 0.5V)，該分壓電壓小於該門檻電壓(如DC 0.7V)，則該壓控單元5可設定該邏輯訊號為該第二邏輯準位(如DC 5V)，使該定子線圈1依據該第二電流方向D2驅使該轉子2沿該第二轉向旋轉(如：反轉)，以便由較低轉速旋轉而除塵。其中，控制該轉子2反轉的操控電壓V1的電壓值亦可為較高電壓，而控制該轉子2正轉的操控電壓V1的電壓值亦可為較低電壓，在此並不設限。
藉此，本發明上述實施例可依據該操控電壓、門檻電壓及準位電壓產生該邏輯訊號，依據該邏輯訊號之二邏輯準位操縱該定子線圈的二電流方向，使該定子線圈之磁極部與該轉子相互鄰近的磁極之極性相同或相異，用以控制該轉子之二轉向，無需額外使用轉向訊號，利用供馬達運轉之供電訊號的特徵控制轉向，可降低設計複雜度、風扇開發及生產成本，可以達到「利用單一訊號(操控電壓)驅動馬達且控制馬達轉向」、「降低設計複雜度」及「降低成本」等功效，可應用於各式馬達控制電路，如：風扇馬達轉向控制電路等，可進一步降低馬達轉向控制複雜度及成本。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (15)

  1. 一種馬達，包含：一定子線圈，由一操控電壓供電產生磁力，用以驅使一轉子旋轉；一驅動單元，電性連接該定子線圈及一控向單元；及一壓控單元，電性連接該控向單元，依據該操控電壓、一門檻電壓及一準位電壓輸出一邏輯訊號至該控向單元，使該控向單元依據該邏輯訊號控制該轉子之轉向，其中該壓控單元依據該操控電壓產生一分壓電壓，判斷該分壓電壓是否大於該門檻電壓，若判斷為是，設定該邏輯訊號為一第一邏輯準位，使該定子線圈依據一第一電流方向驅使該轉子沿一第一轉向旋轉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該定子線圈具有數個磁極部，該轉子具有數個磁極，該邏輯訊號操縱該驅動單元流經該定子線圈的電流方向，使相互鄰近的磁極部與磁極之極性相同或相異。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該操控電壓大於該準位電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中，若判斷為否，設定該邏輯訊號為一第二邏輯準位，使該定子線圈依據一第二電流方向驅使該轉子沿一第二轉向旋轉。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該壓控單元設有一分壓器、一開關元件及一限流元件，該分壓器電性連接於一第一電源端與一接地端之間，該開關元件電性連接該分壓器及該控向單元，該限流元件與該開關元件串接於一第二電源端與該接地端之間，該第一電源端用以接收該操控電壓，該第二電源端用以接收該準位電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該控向單元及該壓控單元電性連接一調壓單元，該調壓單元依據該操控電壓輸出該準位電壓至該控向單元及該壓控單元。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該控向單元電性連接一感磁單元。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之馬達，其中該定子線圈具有數個磁極部，該定子線圈之任二相鄰磁極部之間定義一中分線，該中分線所在位置之角度為n°，該感磁單元位於(n±2)°的角度範圍。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該控向單元電性連接一轉速輸出單元。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該控向單元為一特殊功能積體電路。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該控向單元為一微控制器或一數位訊號處理器。
  12. 一種風扇，含有如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之馬達，另包含數個扇葉結合於該轉子。
  13. 一種馬達轉向控制方法，係應用於具轉向控制功能之馬達，該方法之步驟包含：由一操控電壓經由一驅動單元供電至該馬達之一定子線圈，用以驅使該馬達之一轉子旋轉，依據該操控電壓、一門檻電壓及一準位電壓產生一邏輯訊號，用以控制該轉子之轉向，其中該馬達依據該操控電壓產生一分壓電壓，判斷該分壓電壓是否大於該門檻電壓，若判斷為是，設定該邏輯訊號為一第一邏輯準位，使該定子線圈依據一第一電流方向驅使該轉子沿一第一轉向旋轉。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之馬達轉向控制方法，其中該定子線圈具有數個磁極部，該轉子具有數個磁極，該邏輯訊號操縱該驅動單元流經該定子線圈的電流方向，使相互鄰近的磁極部與磁極之極性相同或相異。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之馬達轉向控制方法，其中，若判斷為否，設定該邏輯訊號為一第二邏輯準位，使該定子線圈依據一第二電流方向驅使該轉子沿一第二轉向旋轉。
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