CN2357435Y - 单组线圈的小型直流无刷马达 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种小型直流无刷马达,具有单组线圈、轴向绕线和径向气隙的特点,包括一轴向单组线圈的定子,一具有永久磁铁的转子及一控制电路,轴向单组线圈的两端接点连接控制电路。控制电路包括检测转子磁铁磁极相位的感应元件、与感应元件输出连接的放大元件及与放大元件输出连接并使所述线圈内电流方向交互改变的马达驱动电路组成。单组线圈内电流方向的交互变化形成交变的旋转磁场,以驱动永久磁铁的转子转动。容易绕线、马达轴向厚度小、成本低,效率高。

Description

单组线圈的小型直流无刷马达

本实用新型涉及一种小型直流无刷马达，更确切地说是涉及一种单组线圈、轴向绕线及径向气隙的小型直流无刷马达。

图1中示出一种传统的单相双组线圈马达的驱动电路，主要包括一个霍尔元件1和一个集成电路形式的马达驱动器9，马达驱动器9接收霍尔元件1输出的信号并向马达8提供驱动电流。单相双组线圈直流无刷马达通常用作风扇马达(以下简称马达)。这种马达8通常采用的直流马达定子设有可产生旋转磁场的径向线圈，而其转子则由一永久磁铁构成，霍尔元件1通过检测永久磁铁所产生的磁场来决定马达的旋转相位。

马达驱动器9设有一放大器2、一驱动脉冲发生电路3及一向马达8输出驱动电流的第一、第二驱动电路4、5。放大器2将来自霍尔元件1的电流放大并输出，驱动脉冲发生电路3对放大器2的输出信号进行整形并输出两个相位差为180°且负载为50％的驱动脉冲4a及5a(如图2中的b和c)。第一驱动脉冲4在外部端子6和接地端子间随着其输入接收的驱动脉冲4a而在导通与不导通之间切换，即第一驱动电路4通过切换操作吸收由电源线Vcc朝向地线向马达供应的驱动电流。第二驱动电路5的功能同第一驱动电路，即其外部端子7和接地端子间随着其输入接收的驱动脉冲5a而在导通与不导通之间切换。

第一驱动电路是由晶体管Q11及Q12连接成的达林顿电路，晶体管Q11、Q12的集电极连接外部端子6，Q11的基极接收驱动脉冲4a，Q12的基极连接Q11的发射极，而Q12的发射极则连接地线，第一驱动电路4中还包括有一齐纳二极管Z1，其阴极连接外部端子6，而其阳极则连接晶体管Q11的基极。第二驱动电路5由晶体管Q13及Q14连接成达林顿电路，晶体管Q13、Q14的集电极连接外部端子7，Q13的基极接收驱动脉冲5a，Q14的基极连接Q13的发射极，而Q14的发射极则连接地线，第二驱动电路5中还包括有一齐纳二极管Z2，其阴极连接外部端子7，而其阳极则连接晶体管Q13的基极。

下面结合图2中的信号波形来说明上述传统马达驱动器的操作。

为了决定马达转子的相位，霍尔元件1输出信号至放大器2，由放大器2放大，如图中的a所示，放大后的信号送至驱动脉冲发生电路3，驱动脉冲发生电路3对来自放大器2的信号整形(如通过逻辑电路整形)，修正其相位并产生两个驱动脉冲4a、5a，分别如图2中的b、c所示，两者相位差180°，且波形相反。

驱动脉冲4a供给第一驱动电路4中晶体管Q11的基极，驱动脉冲5a则供给第二驱动电路5中晶体管Q13的基极。在第一驱动电路4中，当驱动脉冲4a为高电位时(ON)，晶体管Q11、Q12导通，如图2中的d，驱动电流从电源Vcc流向单相马达8的一组线圈8a并流向外部端子6，而当驱动脉冲4a为低电位时(OFF)，晶体管Q11、Q12截止，切断了外部端子6与地线间的通路，如图2中的d，其结果中断了线圈8a中的驱动电流，由于驱动电流通路在此时消失，线圈8a中因反电势产生的电压加在齐纳二极管Z1上，当电压超过其击穿电压时，电流通过并在该处泄放能量。

第二驱动电路5的操作同第一驱动电路4，只是其输入信号5a与第一驱动电路4的输入信号4a相位差180°。在第二驱动电路5中，当驱动脉冲5a为高电位时(ON)，晶体管Q13、Q14导通，如图2中的e，驱动电流从电源Vcc流向单相马达8的另一组线圈8b并流向外部端子7，而当驱动脉冲5a为低电位时(OFF)，晶体管Q13、Q14截止，切断了外部端子7与地线间的通路，如图2中的e，其结果中断了线圈8b中的驱动电流，由于驱动电流通路在此时消失，线圈8b中因反电势产生的电压加在齐纳二极管Z2上，当电压超过其击穿电压时，电流通过并在该处泄放能量。

如上所述，马达驱动器9产生两个驱动脉冲4a及5a，其相位差180°，且交替提供驱动电流给马达8的两组线圈8a及8b，使马达转子转动。

马达驱动器9仅使外部端子6或7至地线间导通，这种直流马达的结构几乎仅是单相双组线圈，此外，在此种驱动器中，马达的两组线圈被交替驱动，所产生的马达扭矩与其大小相比显得很低，因而效率也低。另外，由于马达线圈中产生的反电动势是经由齐纳二极管释放的，从而在马达线圈中因电流停滞而产生高温，同时驱动电流切换时会产生噪音，将影响马达周围其它电子设备的正常工作。

台湾第338586号专利案中所公开的一种“单一线圈驱动风扇马达之装置”，如图3所示，在直流电源的输入端串连一极性保护二极管D1与一电容器C1，并于二极管D1后的电源线路上并连一集成驱动电路，可交替输出正负驱动信号，该集成驱动电路的两个输出端与一线圈组L1串连，该两输出端至电源正极还各串接一匹配用二极管D2、D3。

该专利技术虽然解决了传统单相直流马达驱动电路的缺陷，但因其定子的线圈采用传统的径向绕线方式，如图4、图5中所示，因此轴向厚度无法减小以符合小型主轴马达的需求。此外，图4及图5中所示的四极及二极径向绕线的定子结构，其定子100的磁极是由中心轴孔101延伸出极臂102，极臂102的个数即为马达的极数，线圈在绕线时十分费时，需将线圈分别卷绕在各极臂上，且不能间断，要不停顿地一次完成绕线工作，磁场分布也不易均匀。因此，工业界极需发展一种微小型直流马达，具有最小的轴向厚度且易于绕线，能不间断地一次完成绕线工作并且不受马达多极数的影响。

本实用新型的目的是设计一种单组线圈的小型直流无刷马达，是一种单组线圈、轴向绕线、径向气隙的小型直流无刷马达，使马达的绕线能无间断地一次卷绕完成，以提高线圈绕线的效率，减小马达的轴向厚度，降低马达的制作成本并提高马达的功效。

本实用新型的目的是这样实现的：单组线圈的小型直流无刷马达，包括定子、具有N及S极的永久磁铁转子及控制电路，所述的定子包括定子座、线圈座、卷绕在线圈座上的线圈、位于定子座上、下方的上磁极片及下磁极片，转子中心位置处的心轴固定在定子座的中心轴孔中旋转，控制电路与线圈连接，所述的控制电路由检测转子磁铁磁极相位的感应元件、与感应元件输出连接的放大元件及与放大元件输出连接并使所述线圈内电流方向交互改变的马达驱动电路组成，转子的永久磁铁与上、下磁极片间留有径向气隙，其特征在于：所述的线圈是轴向卷绕的单组线圈并有两个线圈接点，轴向卷绕的单组线圈的两端接点连接所述的控制电路。

所述控制电路中的马达驱动电路包括一个与所述单组线圈的一接点连接的第一晶体管驱动电路和一与所述单组线圈的另一接点连接、且与第一晶体管驱动电路交互导通的第二晶体管驱动电路。

所述的单组线圈由第一、第二两根漆包线同时轴向卷绕于线圈座上，第一根漆包线的第二端与第二根漆包线的第一端连接，第一根漆包线的第一端及第二根漆包线的第二端分别构成单组线圈的两端接点。

所述的第一、第二两根漆包线有不同的外皮色彩。

由控制电路控制轴向单组线圈的电流导通方向以形成交变的旋转磁场，因而驱动永久磁铁的转子转动。由马达的霍乐元件感应转子磁极的N、S极性，而输出脉冲信号。当霍尔元件输出高电位时触发控制电路中的第一组晶体管导通(ON)并使第二组晶体管截止(OFF)，线圈的第一接点为正电位、第二接点为负电位，线圈内的电流是从第一接点流向第二接点。反之，当霍尔元件输出低电位时，触发控制电路中的第二组晶体管导通(ON)并使第一组晶体管截止(OFF)，线圈的第二接点为正电位、第一接点为负电位，线圈内的电流是从第二接点流向第一接点。如此周而复始地交互动作，便可在线圈内形成正、反导通的电流，线圈产生交变磁场，以驱动马达的转子转动。

下面结合实施例及附图进一步说明本实用新型的技术。

图1是传统的双组线圈单相直流马达的驱动电路图

图2是说明图1双组线圈单相直流马达驱动电路的同步工作信号波形

图3是传统径向绕线单相直流马达的驱动电路图

图4是传统径向绕线单相四极直流马达的线圈结构示意图

图5是传统径向绕线单相二极直流马达的线圈结构示意图

图6是传统轴向绕线双组线圈的直流马达结构示意图

图7是本实用新型轴向绕线单组线圈的直流马达结构示意图

图8是本实用新型轴向绕线单组线圈直流马达的驱动电路图

图9是本实用新型双条轴向绕线的单组线圈结构示意图

图10是本实用新型轴向绕线单组线圈小型直流无刷马达的另一驱动电路图

图1至图5有关对本实用新型在先技术的说明前已述及，不再叙述。

参见图6，图中示出轴向绕线双组线圈的直流马达结构，主要包括一定子座110、一转子120及一控制电路130。该定子座110具有一线圈座111供双组线圈沿轴向缠绕并引出三个接点，上极磁片112及下极磁片113分别设于线圈座111的上方及下方。转子120，由永久磁铁121设于转子120内部周缘处并与定子座11O的上极片112及下极片113形成径向气隙，以相互感应。转子120具有心轴122，固定在定子座110的中心轴孔114内旋转，使转子120可相对于定子座110转动。控制电路130设置在定子座下方以检测转子120永久磁铁121的相位，以控制线圈座111的线圈导通方向，使线圈座111的双组线圈交互导通。线圈座111上绕有双组轴向线圈L1及L2，且有三个接点，控制电路130与双组线圈L1及L2的三个接点连接，并根据所检测的转子120永久磁铁121的相位，使线圈L1及L2分别依顺时钟及逆时钟方向交互导通电流，使上极片112及下极片113产生交变的磁场以驱动转子120旋转。控制电路130可使用传统的单相直流马达双组线圈的控制电路，如图1中所示的驱动电路。

轴向绕线的定子线圈，可改进传统径向绕线费时费力的缺陷，因而可大幅度地降低定子线圈的绕线成本。再者，轴向绕线的线圈，因其绕线较径向绕线均匀，因而磁场分布也较均匀，可提高马达效率。虽然此轴向双组绕线的直流马达已改正了传统径向绕线马达的缺点，但仍不完美，这是因为马达的两组线圈上有三个接点连接驱动控制电路，因此其轴向绕线方式仍需在线圈卷绕1/2时引出一接点，然后再继续绕另1/2线圈，绕线工作仍要间断，不能不停顿地一次缠绕完成；马达的两组线圈是被间断并被交替驱动的，其有效线圈匝数将减半，所产生的马达扭矩较低；未被驱动的线圈会因电流中断而产生高温，同时驱动电流切换易产生反电动势及噪音，而降低了马达效率。

本实用新型就是将前述的轴向双组线圈的直流马达改为轴向单组线圈的直流马达，来克服所述的缺陷。

参见图7，图中示出本实用新型单组线圈、轴向绕线、径向气隙的小型直流无刷马达的结构。包括一定子座110、一转子120及一控制电路200，该定子座110具有一线圈座111，供单组线圈115沿轴向缠绕并引出二个接点a、b，上极片112及下极片113分别设于线圈座111的上方及下方。转子120，是由永久磁铁121设置在转子120内部周缘处并与定子座110的上极片112及下极片113间形成径向气隙，以相互感应。转子120具有心轴122并固定在定子座110的中心轴孔114内旋转，使转子120可相对于定子座110转动。控制电路200设置在定子座下方并与线圈115的两个接点a、b连接，以检测转子120永久磁铁121的相位，控制线圈座111上线圈115中电流的流动方向。控制电路200根据所检测的转子120永久磁铁121的相位，来控制线圈115内的电流按顺时钟或按逆时钟流动，使上极片112及下极片113产生交变的磁场，驱动转子120旋转。

参见图8，是针对本实用新型的马达线圈而设计的控制电路200。马达的霍尔元件203可感应转子120磁极的N、S极性，而输出脉冲信号。当霍尔元件203感应输出高电位时，可触发第一组晶体管221、222、223导通(ON)，同时晶体管224也导通(ON)，而第二组晶体管225、226、227截止(OFF)，线圈115的接点a为正电位，接点b为负电位，线圈115内的电流是从接点a流向接点b。反之，当霍尔元件203感应输出低电位时，可触发第二组晶体管225、226、227导通(ON)，而第一组晶体管221、222、223截止(OFF)，同时晶体管224也截止(OFF)，线圈115的接点a为负电位，接点b为正电位，线圈115内的电流是从接点b流向接点a。如此周而复始地交互动作，便可在线圈115内形成交互正反导通的电流，使线圈115产生交变磁场，以驱动马达转子转动。

本实用新型的轴向绕线单组线圈115可由单条漆包线轴向绕设于线圈座111上，也可以用二条漆包线同时卷绕而成，图9中所示的就是用双条漆包线同时卷绕而形成的一单组线圈115。同时将A、B两根漆包线绕于线圈111上后，将A线圈的第二端点A2与B线圈的第一端点B1相连接，A线圈的第一端点A1与B线圈的第二端点B2成为两个接点，两个接点连接控制电路200，即可形成一双条绕线的轴向单组线圈。由于该单组线圈115是由双条漆包线同时卷绕而成的，从而进一步缩短了绕线时间，而获得相同有效的线圈匝数。为了便于识别两漆包线A、B，以利于绕线及焊接工作，可采用两种不同色彩外皮的漆包线。

参见图10，本实用新型的马达定子线圈是单一线圈115，且引出两个接点a、b，以连接交互电路200’，该交互电路200’中的所有晶体管、电阻等电器元件都可集成设计在一个晶片内，实现马达小型化。

与前述轴向双组线圈的直流马达比较，本实用新型在相同的定子线圈座111的体积中，有效的线圈匝数为双组线圈的两倍，因而可在相同的体积空间中，大幅度地提高小型直流马达的效率，且绕线更容易，无需在绕线1/2时引出接点。再者，可消除双组线圈交互导通时的反电动势及噪音，增加马达的功效，并降低制造成本。

下面，在使用相同的扇叶、外框、线圈座等条件下列表比较轴向双组线圈的直流马达及轴向单组线圈的直流马达的功效：

	轴向双组线圈	轴向单组线圈
			有效线圈匝数	实际匝数的一半	与实际匝数相同
额定电压	5V直流	5V直流
			操作电压范围	4-5V直流	3-6V直流
起动电压	4V直流	3V直流
			参考转数	7500 RPM	7500 RPM
空气驱动量	2.4 CFM	2.5 CFM
			静压力	0.08 Inch-H2O	O.09 Inch-H2O
额定电流	0.09 AMP	O.04 AMP
			额定功率	0.45 W	0.2 W

由上表可知，本实用新型的轴向单组线圈的直流马达，与同体积大小的轴向双组线圈的马达相比，其有效线圈匝数加倍，起动电压、额定电流及额定功率均明显减小，故轴向单组线圈的整体效益、特性完全不同于轴向双组线圈的马达。本轴向单组绕线的小型直流无刷马达可简化传统马达的结构，降低马达的制造成本和减小体积，提高马达的效率。

Claims (4)

1.一种单组线圈的小型直流无刷马达，包括定子、具有N及S极的永久磁铁转子及控制电路，所述的定子包括定子座、线圈座、卷绕在线圈座上的线圈、位于定子座上、下方的上磁极片及下磁极片，转子中心位置处的心轴固定在定子座的中心轴孔中旋转，控制电路与线圈连接，所述的控制电路由检测转子磁铁磁极相位的感应元件、与感应元件输出连接的放大元件及与放大元件输出连接并使所述线圈内电流方向交互改变的马达驱动电路组成，转子的永久磁铁与上、下磁极片间留有径向气隙，其特征在于：所述的线圈是轴向卷绕的单组线圈并有两个线圈接点，轴向卷绕的单组线圈的两端接点连接所述的控制电路。

2.根据权利要求1所述的单组线圈的小型直流无刷马达，其特征在于：所述控制电路中的马达驱动电路包括一个与所述单组线圈的一接点连接的第一晶体管驱动电路和一与所述单组线圈的另一接点连接、且与第一晶体管驱动电路交互导通的第二晶体管驱动电路。

3.根据权利要求1所述的单组线圈的小型直流无刷马达，其特征在于：所述的单组线圈由第一、第二两根漆包线同时轴向卷绕于线圈座上，第一根漆包线的第二端与第二根漆包线的第一端连接，第一根漆包线的第一端及第二根漆包线的第二端分别构成单组线圈的两端接点。

4.根据权利要求3所述的单组线圈的小型直流无刷马达，其特征在于：所述的第一、第二两根漆包线有不同的外皮色彩。

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