风扇电动机.pdf

本发明提供能以低电流、低噪声、长寿命地旋转驱动叶轮的风扇电动机。具备：包含绕有线圈3的定子和与该定子对向配置的磁铁7形成的转子、并通过对线圈3通电使定子的磁极变化而旋转驱动转子的单相步进电动机；利用转子的输出轴8旋转驱动的叶轮12；以及使叶轮12相对于输出轴8可相对旋转而连接的螺旋弹簧11，螺旋弹簧11在电动机起动时，一面使输出轴8相对于叶轮12空转，一面吸收叶轮12的惯性力，随着输出轴8的转速上升，使叶轮12跟随转轴旋转。

1.  一种风扇电动机，其特征在于，具备
具有绕有线圈的定子和与该定子对向配置的磁铁形成的转子、并通过对该线圈通电使所述定子的磁极变化而旋转驱动所述转子的步进电动机；
利用所述转子的转轴旋转驱动的叶轮；和
使所述叶轮相对于所述转轴可相对旋转而连接的连接装置，
所述连接装置在电动机起动时，一面使所述转轴相对于叶轮作空转，一面吸收该叶轮的惯性力，并随着所述转轴的转速上升，使叶轮跟随转轴旋转。

2.  如权利要求1所述的风扇电动机，其特征在于，
所述连接装置是一端连接于所述叶轮、另一端固定于所述转轴的绕该转轴卷绕的螺旋弹簧。    

3.  如权利要求1或2所述的风扇电动机，其特征在于，进一步具备
有控制对所述线圈通电用的CMOS晶体管的驱动电路。

4.  如权利要求3所述的风扇电动机，其特征在于，
所述驱动电路是与时钟用IC相同的电路。

5.  如权利要求3或4所述的风扇电动机，其特征在于，
所述驱动电路设定起动时输出的脉冲频率低于稳定时的脉冲频率。

6.  如权利要求3至5的任一项所述的风扇电动机，其特征在于，
在所述风扇电动机的外壳的一部分上设置太阳能电池，以该太阳能电池作为电源，驱动所述驱动电路。

风扇电动机
发明领域
本发明涉及用于除湿器、防虫器等中实现低电流、低噪声、长寿命的风扇电动机。
背景技术
以往提出了用于除湿器等中的电扇的方案(例如参照专利文献1～3，8)。这些以往的技术，不考虑用电池驱动电动机，不是实现低电流、低噪声、长寿命的技术。
与此不同的是，为了实现风扇电动机低电耗，提出了下列一些技术的方案，其中一项技术是检测由风扇电动机产生的效果，根据该效果的量来控制(降低)风扇电动机的转速，或作间歇驱动，来进行控制以抑制耗电(例如参照专利文献4)，另外一项是通过使用压电元件的单叶片而构成的技术(例如参照专利文献5)。
然而，在用上述单叶片构成的场合，由于需要升压电路，因此价格贵。
此外，作为低电耗型的电动机已知有时钟用的单相步进电动机(例如专利文献6、9)，但由于其转矩微小，因此难以用于风扇电动机中。
此外，专利文献7中虽提出以步进电动机作为驱动源的风扇电动机，但由于若用低电流驱动，则因叶轮的惯性矩大，不能起动而引起失步，故低电流驱动困难。
此外，上述专利文献2、3中虽揭示了在电动机轴上设置风扇座、并利用与风扇座之间的摩擦驱动风扇的构成，这种构成当装置倾斜时，即使电动机在旋转中，也使风扇停止，为了使电动机轴与风扇在径向上保持间隙，有时将风扇的重心偏离电动机轴，从而成为平衡变坏或振动、噪声的原因。
[专利文献1]实开平2-100631号公报
[专利文献2]特开平3-154613号公报
[专利文献3]特开平11-197438号公报
[专利文献4]特开平10-5622号公报
[专利文献5]特表2000-513070号公报
[专利文献6]特公昭61-11390号公报
[专利文献7]特开平10-136634号公报
[专利文献8]特开平5-153892号公报
[专利文献9]特开平8-255859号公报
根据以上事实，以往作为风扇电动机使用增大转子电阻值的有刷DC电动机，虽得到几mA的无负载电流，但由于长时间连续驱动，会发生电刷磨损，寿命成了问题。因此也考虑用没有电刷等触点的无刷电动机，以力图延长寿命，但无刷电动机仅霍尔元件至少也需要几mA的电流，再加上其他驱动电路和对电动机的通电，则要几十mA的消耗电流，难以例如用电池进行长时间连续驱动。
此外，也有无霍尔元件的无传感器电动机，但为了检测线圈反电势电流，起动特性必须要高，结果难以实现低电耗，而价格贵。又，若使用不需要霍尔元件的步进电动机，虽也可能低电流驱动，但由于起动转矩小，如要旋转驱动叶轮那样的惯性矩大的装置，则不能起动而引起失步，故难以低电流驱动。
本发明鉴于上述问题而作，其目的在于提供能够以低电流、低噪声、长寿命旋转驱动叶轮的风扇电动机。
发明内容
为解决上述问题并达到目的，本发明的风扇电动机，具备：具有绕有线圈的定子和与该定子对向配置的磁铁形成的转子、并通过对该线圈通电使所述定子的磁极变化而旋转驱动所述转子的步进电动机；利用所述转子的转轴旋转驱动的叶轮；和使所述叶轮相对于所述转轴可相对旋转而连接的连接装置，所述连接装置在电动机起动时，一面使所述转轴相对于叶轮作空转，一面吸收该叶轮的惯性力，并随着所述转轴的转速上升，使叶轮跟随转轴旋转。
又，最好是所述连接装置是一端连接于所述叶轮、另一端固定于所述转轴的绕该转轴卷绕的螺旋弹簧。
又，最好是进一步具备有控制对所述线圈通电用的CMOS晶体管的驱动电路。
又，最好是所述驱动电路是与时钟用IC相同的电路。
又，最好是所述驱动电路设定起动时输出的脉冲频率低于稳定的脉冲频率。
又，最好是在所述风扇电动机的外壳的一部分上设置太阳能电池，以该太阳能电池作为电源，驱动所述驱动电路。
发明的效果
如上所述，根据本发明，则能以低电流、低噪声、长寿命地旋转驱动叶轮。
附图说明
图1为本发明实施形态的风扇电动机的分解立体图。
图2为组装图1的风扇电动机的状态下(叶轮除外)的侧面剖视图。
图3示出本发明实施形态的驱动电路的框图。
图4示出由图3的驱动电路生成的风扇电动机的驱动电压波形图。
图5示出由图3的驱动电路生成的风扇电动机的驱动电压波形图。
图6为说明本实施形态的风扇电动机的旋转动作的示意图。
图7示出作为本实施形态的变形例的在风扇电动机地外壳上装有太阳能电池的例子的立体图。
符号说明
1  外壳           1a 轴承          2  电极部
3  线圈           4  第1磁轭       4a 第1磁极部
5  电路基板       6  第2磁轭       6a 第2磁极部
7  转子磁铁       8  输出轴        9  轴承构件
9a 轴承           10 保持器        11 螺旋弹簧
12 叶轮           14 电极引脚      15 线圈架
20 太阳能电池     25 驱动电路      26 振荡电路
27 控制部         28 CMOSFET       29 电池
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的较佳的一实施形态。
又，以下说明的实施形态是作为本发明的实现装置的一例，本发明可适用于在不脱离其宗旨范围内将下述的实施形态进行修改或变形的形态。
图1为本发明实施形态的风扇电动机的分解立体图，图2为组装图1的风扇电动机的状态下(除开叶轮)的侧面剖视图。
如图1和图2所示，本实施形态的风扇电动机中，在单相PM型步进电动机的输出轴8上连接轴流风扇或多叶片风扇等的具有多个叶片的叶轮12。
单相PM型步进电动机中，被充磁为单极(沿直径一分为二，充磁形成互相对称地具有相反的磁极(S极和N极)的2个极)的圆筒形的转子磁铁7(永久磁铁)被固定于输出轴8上，构成转子。输出轴8由其轴向上装配的一对轴承1a、9a可转动自如地加以支承。轴承1a是形成电动机外形的箱形外壳1的一部份，突出设定于该外壳1的中央部分，在轴向支承输出轴8的一端。又，轴承9a由圆盘形的轴承构件9的中央部形成的孔在径向支承输出轴8的另一端。轴承构件9通过将突起部9b压入兼有定位功能的安装孔6d，固定于有底圆筒形(杯形)磁轭部6的端面6e。
另一方面，定子具备：相对于该转子磁铁7具有规定间隙并与磁铁7以同心圆对向配置的线圈3；包围及保持所述线圈3并作为在转子磁铁7与线圈3之间具有磁极部4a、6a的磁性构件的磁轭部4、6。
上述磁轭部4、6具备：由薄板构成的圆盘形的第1磁轭4；利用该第1磁轭4封闭开口端部6f的有底圆筒形的第2磁轭6。第1磁轭4具有，形成与转子的输出轴8的中心轴同心圆开口的开口部4b；通过拉深成形从该开口部4b的侧缘部的一部分至线圈3侧直立设置的圆弧形的第1磁极部4a。而第2磁轭6的有底的底部上具有，形成与转子的输出轴8的中心轴同心圆开口的开口部6b；通过拉深成形从该开口部6b的侧缘部的一部分至线圈3侧直立设置的圆弧形的第2磁极部6a。
上述第1磁极部4a与第2磁极部6a相对于转子的输出轴8设置于对称的位置上。
线圈3绕线于两端具有扩径的凸缘15a、15b的圆筒形的树脂制线圈架上，使绕组轴线为转子的输出轴8。
又，线圈架15的一端的凸缘15b上延伸设置对线圈3通电励磁用的电极部2，在第1和第2磁极部4a、6a产生S极或N极的磁场。电极部2上突出一对与线圈3的各端部电连接的电极引脚14。电极引脚14用焊接等与安装于第1磁轭4的背面的电路基板5电连接，同时通过连接器等与控制对线圈3的通电的外部驱动电路等连接。电路基板5上形成布线图案，生成加到线圈3上的脉冲电压波形。
第1磁轭4和第2磁轭6在装入线圈3的状态下用铆接等机械方式结合。此外，外壳1与电路基板5一起用螺丝13拧入第1磁轭4的螺孔4d中加以固定。
第1和第2磁极部4a、6a通过对线圈3的通电而被励磁，形成磁极，通过反转这些磁极的磁性使转子磁铁7旋转。此外，在第1和第2磁极部4a、6a的内周部的一部分上形成凹形沟(或缺口)4c、6c。这些凹形沟4c、6c使第1和第2磁极部4a、6a与转子磁铁7的外周部之间的间隙不均匀，形成转子磁铁7的电磁稳定位置与非励磁的稳定位置，能够通过磁铁7的自起动而旋转(参照图6)。
也就是说，在上述非励磁稳定位置中，转子磁铁7的磁极从第1和第2磁极部4a、6a接受齿槽转矩，励磁时第1和第2磁极部4a、6a间发生的磁通的方向D1(参照图6)与转子磁铁7的极性方向D2成交叉并偏移的(非平行的)位置关系(参照图6(a)、图6(c)及图6(e))。
另外，在上述电磁的稳定位置中，转子磁铁7的磁极的磁极从第1和第2磁极部4a、6a接受吸引力和排斥力而达到平衡，转子磁铁7的极性成为从非励磁稳定位置反转不到180°的位置关系(参照图6(b)和6(d))。
如图2所示，输出轴8可滑动(空转)地插入设置于叶轮12的旋转中心轴上的轴孔12a，利用连接装置连接叶轮12，使其对输出轴8可相对地旋转。
上述连接装置是绕输出轴8卷绕的螺旋弹簧11，其一端与叶轮12的轴孔12a附近设置的装配孔12b连接，另一端固定于通过压入等与输出轴8连接的保持器10的装配孔10b。螺旋弹簧11的螺旋部分11a保持于叶轮12与保持器10的台阶部分10a之间。
为减小弹簧常数，螺旋弹簧11通过减小线径等，设定扭矩较弱，在电动机起动时，一面使输出轴8相对于叶轮12空转，一面吸收该叶轮12的惯性力(矩)，从而减小对输出轴8起作用的起动时的惯性矩，其后随着输出轴8的转速上升，螺旋弹簧11释放吸收的力，使叶轮12跟随输出轴8旋转。
采用上述的连接装置，那末即使是在如将叶轮固定连接于输出轴的以往的构成那样，叶轮的惯性矩大、电动机起动困难的情况，或者电动机起动时电动机失步那样的具有大惯性矩的场合，也由于可用起动转矩小的步进电动机旋转驱动如叶轮那样惯性矩大的装置，故能够不发生起动时的失步，能以低电流、低噪声、长寿命进行驱动。
图3示出本发明的实施形态的驱动电路框图，图4示出由图3的驱动电路生成的风扇电动机的驱动电压波形图。
图3例示的驱动电路25例如以2个干电池29作为电源，由控制部27对内装晶体振子等的振荡电路26输出的时钟信号进行分频及波形整形，将驱动控制信号输出到由4个CMOS晶体管组成的CMOSFET 28的各栅极，在线圈3的端子间施加图4所示的周期性反转的交变脉冲波形的驱动电压，以一定转速驱动单相步进电动机。本实施形态中，驱动电压的ON时间例如是20ms，电动机转速为480rpm。
图4示出从起动时起设定脉冲频率为一定的例子，如图5所示，通过将起动时的脉冲频率设定得比稳定时来得低(减速电压波形)，能够附加将步进电动机的转速从起动时到稳定时逐渐提高的减速功能，可更进一步提高用低电流旋转驱动惯性矩大的叶轮的上述连接装置的作用。
本实施形态的单相步进电动机的线圈电阻一般可达几百欧姆，比一般的步进电动机要大得多，也有的串联几百欧姆电阻，驱动电流为几毫安。
此外，由于可以使用通用的时钟用IC作为驱动电路25，因此，费用也低，消耗电流也小，可与时钟等同样地用干电池作长时间驱动(例如，以2个电池3V、2mA的耗电，干电池由于是2000mA的容量，故可作40天的连续驱动)。
图6为说明本实施形态的风扇电动机的旋转动作图，表示第1和第2磁极部4a、6a与转子磁铁7之间的位置关系。
图6(a)的非励磁稳定位置(通电OFF)中，转子磁铁7的磁极从第1和第2磁极部4a、6a接受微小的齿槽转矩，第1和第2的磁极部4a、6a间发生的磁通方向D1与转子磁铁7的极性方向D2成为交叉并偏移的位置关系。该齿槽转矩由于减弱磁场，因此尽可能小就可，但不为零。
通过从非励磁稳定位置对线圈3通电(ON)，对第1和第2磁极部4a、6a进行励磁，使第1和第2磁极部4a、6a与极性不同的转子磁铁7的磁极相吸，同时，极性相同的磁极相斥，达到平衡，转子磁铁7的极性从图5(a)的非励磁稳定位置顺时针旋转不到180°的图6(b)的电磁稳定位置。
其后当对线圈3的通电停止(OFF)时，就利用上述齿槽力的作用，从图6(b)的电磁稳定位置进一步稍作旋转，旋转到与图6(a)位置成180°反转的图6(c)的非励磁稳定位置。
接着，通过从图6(c)的非励磁稳定位置对线圈4输出与图6(b)通电时反转的脉冲，第1和第2磁极部1a、2a发生与图6(b)励磁时反转的极性，使第1和第2磁极部4a、6a与极性不同的转子磁铁7的磁极相吸，同时，极性相同的磁极相斥，达到平衡，转子磁铁7的极性从图6(c)的非励磁稳定位置向右旋转不到180°的图6(d)的电磁稳定位置。
其后当对线圈3停止通电(OFF)时，就利用上述齿槽力的作用，从图6(d)的电磁稳定位置进一步稍作旋转，旋转到图6(e)的非励磁稳定位置(从图6(c)位置旋转180°的位置，或从图6(a)的位置旋转360°的位置)，这样，返回到图6(a)的位置，结束1圈。以后通过重复同样的通电模式，转子磁铁7便作连续的旋转。图7示出作为本实施形态的变形例的将太阳能电池装在风扇电动机外壳上的例子的立体图。太阳能电池置于外壳1的侧面的一部分上，以太阳能电池20(也可与干电池一起用)作为电源，驱动上述驱动电路25。由于本实施形态的风扇电动机是低电流的，因此装上例如50×20mm左右大小的太阳能电池，这样白天使用时就不需要干电池。
工业上的实用性
本发明可作为驱动用电动机用于装了为使空气对流的电扇的空气清洁器、芳香剂喷雾器、除湿器、防虫器等中。
此外，上述实施形态中说明了单相PM型步进电动机的应用例，但不限于此，也可适用于2相以上的PM型步进电动机、PM型以外的用齿轮形铁心构成转子的VR型(变磁阻型)、或用齿轮形铁心与磁铁构成转子的HB型(混合型)的步进电动机。