整合型高壓無刷軸流風扇馬達的製作方法

2023-05-15 23:01:41

專利名稱：整合型高壓無刷軸流風扇馬達的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無刷軸流風扇馬達，特別是涉及一種整合型高壓無刷軸流風扇馬 達。
背景技術：
一般用於散熱風扇的交流馬達可直接配合一交流電源(例如ACllOV或AC220V的 市電電源)進行驅動，以藉由馬達的轉動而連動設於其轉軸上的扇輪單元來產生氣流輸出 以進行散熱，但是，由於此種市電交流電源的頻率皆在50 60Hz左右，因此，該交流馬達的 轉速就受到限制(50Hz通常是2800rpm以下)，要再提升的空間相當有限，進而無法輕易借 由提高馬達轉速來進一步增加產生的氣流量。有鑑於此，為了突破交流電源的頻率限制，相關業者已陸續開發出利用單相直流 無刷馬達配合霍爾IC的單相啟動方式來取代現有的交流馬達，其做法通常是先對一交流 電源進行降壓、整流及濾波，以產生一適當的直流電壓(通常為DC48V)，再配合控制IC來驅 動該單相直流無刷馬達轉動。但是，單相直流無刷馬達由於驅動線圈電流無法持續平穩流動的先天限制，造成 輸出扭力不連貫，轉矩性能低落，噪音振動也隨的增加。另外，由於馬達的功率=電壓X電流，因此在同樣的馬達輸出功率條件下，一個較 低的電壓值就是代表對應的電流值必須相對升高，進而必須使用具有耐高電流特性的電路 元件，或是設計額外的高電流保護電路來防止高電流對電路元件或馬達造成破壞。但是，此 類耐高電流的電路元件不但較難取得，其價格也較為昂貴，因此會提高電路的製造成本，且 額外的高電流保護電路同樣也會增加整體電路的體積與製造成本。再者，由於該單相直流無刷馬達是在相對高電流的狀況下運轉，其運轉時的溫度 上升程度相較於低電流的操作方式要高，若在實際使用時無法對該馬達進行有效散熱，則 相當容易產生馬達過熱的情形。

發明內容
本發明的目的是在提供一種高電壓、低電流的三相直流無刷軸流風扇馬達驅動方 式，以有效降低馬達運轉時的溫度上升程度，且不需使用耐高電流的電路元件以節省驅動 電路的製造成本的整合型高壓無刷軸流風扇馬達。本發明整合型高壓無刷軸流風扇馬達，是與一交流電源電連接，該無刷軸流風扇 馬達包含一基座、一定子單元、一轉子單元、一整流濾波單元、一電源供應單元及一控制單兀。該定子單元具有多個設置於該基座上的極臂，以及分別纏繞於相對應的極臂上的 第一線圈、第二線圈、第三線圈，所述極臂的數量為三的倍數，且該第一、二、三線圈是等距 間隔地平均分布纏繞於所述極臂上。該轉子單元是設置於該基座上，且受該第一、第二、第三線圈及對應的極臂所驅動而能旋轉。該整流濾波單元具有一與該交流電源電連接的整流器，以及一與該整流器電連接 的金屬化薄膜電容器，該整流器及金屬化薄膜電容器是分別對該交流電源進行整流及濾 波，以將該交流電源轉換為一直流電源。該電源供應單元是與該整流濾波單元的金屬化薄膜電容器電連接，以將該直流電 源轉換為一穩定的工作電壓並輸出。該控制單元具有一與該定子單元的第一線圈、第二線圈、第三線圈、該電源供應單 元，及該整流濾波單元的金屬化薄膜電容器電連接的主控晶片，以及三個分別與該主控晶 片電連接並偵測該轉子單元的相對轉動位置的霍爾元件，該主控晶片是利用該電源供應單 元的工作電壓來作為自身的工作電源，並將該直流電源輸送至該第一、第二及第三線圈使 其與對應的極臂產生激磁效應，且是與所述霍爾元件相配合地控制該第一、第二、第三線圈 的通電狀態，以對該轉子單元進行三相驅動。本發明的有益效果在於利用該整流單元直接將該交流電源轉換為一個直流電源， 以配合該控制單元來將該直流電源輸送至該三相直流無刷軸流風扇馬達，進而以高電壓、 低電流的方式來對該三相直流無刷軸流風扇馬達進行驅動，以避免耐高電流電路元件的使 用，並提升馬達整體的運轉效率，並使其轉速不受電源的頻率控制，進而大幅提升軸流風扇 的散熱效率。


圖1是一系統方塊示意圖，說明本發明整合型高壓無刷軸流風扇馬達的優選實施 例與一交流電源間的配置情形；圖2是一立體圖，說明該優選實施例的結構；圖3是一結構示意圖，說明本發明的一定子單元的結構示意；及圖4是一電路圖，說明圖1中的細部電路結構。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明參閱圖1、2，並配合參閱圖3，本發明整合型高壓無刷軸流風扇馬達的優選實施 例，是與一交流電源100電連接，該無刷軸流風扇馬達包含一基座4、一定子單元5、一轉子 單元6、一整流濾波單元1、一電源供應單元2及一控制單元3。該定子單元5具有多個間隔設置於該基座4上的極臂51，以及分別依序纏繞於相 對應的極臂51上的第一線圈52、第二線圈53及第三線圈54，其中，所述極臂51的數量為 三的倍數，且該第一、二、三線圈52、53、54是等距間隔地平均分布纏繞於所述極臂51上。 在本實施例中，是採用具有九支極臂51的配置方式，也就是說，該第一線圈52會纏繞於第 一、四、七支極臂51上，該第二線圈53是纏繞於第二、五、八支極臂51上，而該第三線圈54 則是纏繞於三、六、九支極臂51上的三相纏繞方式。值得注意的是，本實施例只是以九支極 臂51的配置形式來舉例說明，但是也可以採用其它極臂51數量的配置方式(例如6支或 12支)，只要極臂51的數量為三或三的倍數以配合三相纏繞的實施就可以，在此並不加以 設限。
該轉子單元6具有一可樞轉地設置於該基座4上的轉軸61、一設置於該轉軸61上 的輪轂62，以及一固設於該輪轂62上，且是被該第一、第二、第三線圈52、53、54及對應的極 臂51所配合產生的激磁效應而驅動旋轉，進而連動該輪轂62及轉軸61 —並轉動的磁鐵環 63。回顧圖2、3，並配合參閱圖4，該整流濾波單元1是與該交流電源100電連接，並將 該交流電源100轉換為一直流電源。在本實施例中，該交流電源100為一個50Hz、AC220V 的市電交流電源，而該整流濾波單元1具有一與該交流電源100電連接的整流器11，以及一 與該整流器11電連接的金屬化薄膜電容器12，該整流器11及金屬化薄膜電容器12是分 別對該交流電源進行整流及濾波，以將該交流電源100轉換為一穩定的直流電源。在本實 施例中，該整流器11為一橋式整流器(BridgeRectifier)，以直接將該50Hz、AC220V的交 流電源100轉換為約DC310V的直流電源。而上述電壓換算的基礎為由於一般市電交流電 源100通常是呈正弦波形式，且所謂AC220V其所指的是平均電壓值(RMS value)，而其對應 的峰值(peak value)就是以平均電壓值乘以2的平方根(220x& )來計算，也就是約為 310V。至於橋式整流器的細部電路結構及工作原理，應為所屬技術領域中具有通常知識者 所熟悉的技術，在此就不加以贅述。該電源供應單元2是與該整流濾波單元1的金屬化薄膜電容器12電連接，以將 該直流電源轉換為一穩定且相對較低的工作電壓並輸出，在本實施例中，該電源供應單元2 為一切換式電源供應器(switching powersupply) 0藉此切換式的電源設計，相較於以往 線性式的電源設計，還可確保其所供予後級電路的工作電壓能夠更為穩定，而此類切換式 電源供應器應屬於電力電子(power electronics)領域中具有通常知識者所熟悉的電路結 構，在此就不對其細部電路組成及工作原理進行贅述。該控制單元3具有一與該定子單元5的第一線圈52、第二線圈53、第三線圈54、 該電源供應單元2，及該整流濾波單元1的金屬化薄膜電容器12電連接的主控晶片31， 以及三個分別與該主控晶片31電連接，並藉由該轉子單元6的磁鐵環63來偵測該轉 子單元6整體的相對轉動位置的霍爾元件32，該主控晶片31是具有內建脈波寬度調變 (Pulse-ffidthModulation, PWM)功能的馬達控制IC，且是利用該電源供應單元2的工作電 壓來作為自身的工作電源，並將該直流電源輸送至該第一、第二及第三線圈52、53、54使其 與對應的極臂51產生激磁效應，且是與所述霍爾元件32相配合地控制該第一、第二、第三 線圈52、53、54的通電狀態，以對該轉子單元6進行三相驅動，而該霍爾元件32就是現有的 利用霍爾效應而偵測磁場變動的霍爾效應偵測器(Hall-effect sensor)。另外要注意的是，該控制單元3還具有一與該主控晶片31電連接的可變電阻式熱 敏電阻迴路33及一轉向控制器34，該熱敏電阻迴路33是用於偵測環境周遭的溫度，以與該 主控晶片33相配合地依據環境周遭的溫度而控制該轉子單元6的轉速，而該轉向控制器34 則為一切換開關，可供使用者藉由切換其開關狀態來決定該轉子單元6的正轉或反轉。另 外，該控制單元3還可提供轉速偵測的功能，只需在圖4中所標示的A點上外接一轉速偵測 器(圖未示)就可以。藉由上述設計，本發明整合型高壓無刷軸流風扇馬達，具有下列優點1.整體電路精簡且製造成本低本發明藉由該交流電源100提供電源，並在不降壓的情況下直接利用該整流濾波單元1將該交流電源100轉換為一個與其電壓峰值相當的直流電源，進而是以一個高電壓、 低電流的三相運轉方式，因此，在相同的輸出功率條件下，本發明的整體驅動電路不需使用 到耐高電流的電路元件就可製作，因此在電路元件的選擇彈性上相對較大，有助於降低整 體電路的製造成本。再者，使用此種高電壓、低電流的馬達驅動方式也可省去額外的高電流保護電路， 進而使整體電路的體積能夠更為精簡。2.運轉效率高相較於現有的單相直流無刷馬達只能達到35%的運轉效率，本發明利用三相驅動 架構的馬達可將運轉效率提升至約75%，耗電量也只有現有單相無刷直流馬達的一半，此 外，在馬達的操作電流相對較小的情況下，其在運轉時的溫度也相對較低，能有效降低馬達 的線圈因電流過高而損壞的機率，有助於延長馬達的使用壽命，並達到節能減碳的效果。3.馬達轉速可突破頻率的限制，大幅提高風量與靜壓相較於現有交流馬達的轉速受限於供電源的頻率，本發明的三相直流架構的馬達 可輕易達到4000RPM以上，以藉此提升軸流風扇所能夠產生的風量與靜壓，進而有助於提 升風扇整體的散熱效能。歸納上述，本發明整合型高壓無刷軸流風扇馬達，利用該整流濾波單元1直接將 該交流電源100整流成一直流電源，再配合該控制單元3進行高電壓、低電流的三相驅動， 進而不需使用到能夠耐高電流的電路元件，進而能夠有效降低整體電路製造成本，並具有 馬達的耗損率低、馬達運轉溫升低，以及運轉效率高等優點，並可成功突破電源頻率對於馬 達轉速的限制。
權利要求
一種整合型高壓無刷軸流風扇馬達，是與一交流電源電連接，其特徵在於所述無刷軸流風扇馬達包含一個基座；一個定子單元，具有多個設置於所述基座上的極臂，以及分別纏繞於相對應的極臂上的第一線圈、第二線圈、第三線圈，所述極臂的數量為三的倍數，且所述第一、二、三線圈是等距間隔地平均分布纏繞於所述極臂上；一個轉子單元，設置於所述基座上，且受所述第一、第二、第三線圈及相對應的極臂所驅動而能旋轉；一個整流濾波單元，具有一個與所述交流電源電連接的整流器，以及一個與所述整流器電連接的金屬化薄膜電容器，所述整流器及所述金屬化薄膜電容器是分別對所述交流電源進行整流及濾波，以使所述交流電源轉換為一直流電源；一個電源供應單元，是與所述整流濾波單元的金屬化薄膜電容器電連接，以使所述直流電源轉換為一穩定的工作電壓並輸出；及一個控制單元，具有一個與所述定子單元的第一線圈、第二線圈、第三線圈、所述電源供應單元及所述整流濾波單元的金屬化薄膜電容器電連接的主控晶片，以及三個分別與所述主控晶片電連接並偵測所述轉子單元的相對轉動位置的霍爾元件，所述主控晶片是利用所述電源供應單元的工作電壓來作為自身的工作電源，並將所述直流電源輸送至所述第一、第二及第三線圈使其與對應的極臂產生激磁效應，且是與所述霍爾元件相配合地控制所述第一、第二、第三線圈的通電狀態，以對所述轉子單元進行三相驅動。
2.根據權利要求1所述的整合型高壓無刷軸流風扇馬達，其特徵在於所述控制單元 還具有一個與所述主控晶片電連接的熱敏電阻迴路，以與所述轉子單元相配合地依據環境 周遭的溫度而控制所述轉子單元的轉速。
3.根據權利要求2所述的整合型高壓無刷軸流風扇馬達，其特徵在於所述控制單元 還具有一個與所述主控晶片電連接的轉向控制器，以與所述主控晶片相配合地控制所述轉 子單元的轉動方向。
全文摘要
一種整合型高壓無刷軸流風扇馬達，是與一個交流電源電連接，該無刷軸流風扇馬達包含一個基座、一個設置於該基座上並為三相纏繞的定子單元、一個設於該基座上並受該定子單元的驅動而旋轉的轉子單元、一個將該交流電源整流成直流電源的整流單元、一個與該整流單元電連接並產生一穩定的工作電壓的電源供應單元，及一個與該整流單元及電源供應單元電連接並用於控制該無刷軸流風扇馬達的控制單元，進而配合該控制單元以高電壓、低電流的方式來驅動該定子單元，進而提升馬達整體的運轉效率，並使其轉速不受電源的頻率限制，進而大幅提升軸流風扇的散熱效率。
文檔編號H02P6/16GK101931301SQ200910150209
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者吳麗珠 申請人:維弘科技股份有限公司