TWI649943B - Fan blade motor that suppresses vibration - Google Patents

Abstract

一種抑制振動之風扇葉片馬達，主要係由一轉子、一定子、一殼體、一支撐蓋體以及一風扇葉片所構成；該轉子具備依軸線旋轉而迴轉驅動，該軸線設置一短軸部、一長軸部與一工作部；該定子係環繞被設置在該轉子之同軸的周圍位置；該殼體係設有一與該短軸部連接的一滾動軸承；該支撐蓋體係具有與一轉軸之該長軸部連結的一支撐部，該支撐部的內周部具有一滾動軸承，及凸伸在該滾動軸承外端之該工作部；該風扇葉片係設置在該轉軸的該工作部，該風扇葉片施加到該滾動軸承之前後方向的推力構成一阻力分量與一應變分量，使得該工作部轉矩脈動達成最小負載進而抵銷該工作部的動態振動，達到顫動振動減少的效果。

Description

抑制振動之風扇葉片馬達

本發明係關於一種抑制振動之風扇葉片馬達，特別是指一種拉長該轉軸基本振動週期及增加該滾動軸承阻尼比之風扇葉片馬達。

馬達的振動問題是一個歷史悠久的問題。作為一種旋轉機械，馬達的振動問題是一直存在的並且還將一直存在下去。目前在國內外幾家規模較大的馬達製造公司，無一例外地都對馬達的振動問題非常重視，並且投入了頗多的人力與物力，這些公司都具有相當先進的聲振測試軟體與設備。而目前振動與噪音指標已經成為客戶選擇馬達的重要指標之一了，尤其是精密的微型馬達。

隨著科技的進步，許多零組件愈趨小型化，而多功能、輕巧、易操作的特性已經變成了科技時代的潮流。然而在這趨勢的引導下，許多解決問題的對策與方法在小型化機件的結構下變成不符合使用，例如說用以解決機件運轉所產生的振動與噪音問題，在大機件體中，常在機件殼體加裝硬樑或者是外包隔音材質及改變機件固定方式等來克服 問題，但因為小機件中外型尺寸受到限制而無法使用此方法來克服振動與噪音問題，也因找無對策而影響了許多開發的腳步甚至是放棄。所以，在小型化機件中，有效的解決振動與噪音的問題便成了一個很需要探討的課題。

本發明的動機，是來自於馬達應用於科技產品中因傳動所產生的振動與噪音問題。而為解決當前問題絕大多數都採用圖法練鋼的方法，就是增加機件的磨擦力來減低振動與噪音。而這不是根本的解決之策，所以本發明的重點就是如何在運轉機件中，針對馬達所產生的振動與噪音問題，做有效的抑制。

本發明將從馬達的動作原理及其本體可能產生的共振噪音點著手分析，研究過程中，將會利用AutoCad或SolidWork 3D繪圖軟體繪製馬達的機件組合結構圖再從馬達本體結構加以設計改變，以不大量改變外型尺寸為原則下，從馬達找出抑制振動的有效結構，並且將在結構中增加一些阻尼來抑制振動與噪音，並找出機件中最佳的阻尼材質，以提升馬達作功的效率。

本發明之目的即在於提供一種風扇葉片馬達的降低振動噪音，同時增加風扇葉片馬達的使用壽命之結構。

本發明之次一目的係在於提供一種抑制結構產生的結構噪音或氣流產生的氣動噪音，更進一步為解決結構 振動使接觸物體面的空氣隨之振動，所引起壓力變化而產生的噪音。

可達成上述發明目的之抑制振動之風扇葉片馬達，包括有：一轉子，係具備依軸線旋轉而迴轉驅動，該軸線設置一轉軸，該轉軸包含一往一第一方向延伸的該短軸部、一往一第二方向延伸的一長軸部與一工作部，該長軸部的長度為該工作部的二至三倍；一定子，係環繞被設置在前述轉子之同軸的周圍位置；一殼體，係設有一與該短軸部連接的一滾動軸承，該殼體包括朝向該第一方向延伸設置的一側壁以及一與軸線相垂直的一垂直壁，且該垂直壁於軸線位置固設該滾動軸承；一支撐蓋體，係具有與該轉軸之該長軸部連結的一支撐部，該支撐部朝第二方向延伸呈外凸狀形成在該支撐蓋體的外周之一外壁，該支撐部的內周部具有一滾動軸承，及凸伸形成在該滾動軸承的外端之該轉軸的該工作部，該支撐部藉以拉長該轉軸基本振動週期及增加該滾動軸承阻尼比，藉以降該支撐蓋體所受推力；一風扇葉片，係設置在該轉軸的該工作部，該風扇葉片施加到該滾動軸承之前後方向的推力構成一阻力 分量與一應變分量，使得該工作部轉矩脈動達成最小負載進而抵銷該工作部的動態振動，達到顫動振動減少的效果。

1‧‧‧轉子

11‧‧‧轉軸

111‧‧‧短軸部

112‧‧‧長軸部

113‧‧‧工作部

2‧‧‧定子

3‧‧‧殼體

31‧‧‧側壁

32‧‧‧垂直壁

33‧‧‧滾動軸承

4‧‧‧支撐蓋體

41‧‧‧外壁

42‧‧‧支撐部

43‧‧‧滾動軸承

5‧‧‧容置空間

6‧‧‧風扇葉片

61‧‧‧中心孔

62‧‧‧內表面

63‧‧‧小角度

71‧‧‧阻力分量

72‧‧‧應變分量

圖1為本發明抑制振動之風扇葉片馬達之剖面示意圖；圖2為該轉子之側面示意圖；圖3為該殼體之剖面示意圖；圖4為該支撐蓋體之剖面示意圖；圖5為該風扇葉片之剖面示意圖；圖6為該風扇葉片其中心孔的內表面對應於該轉軸的該工作部，也呈現一小角度的傾斜之剖面放大示意圖；圖7為該轉軸在受風扇葉片的推力後產生朝向結合該滾動軸承方向的阻力分量之示意圖；圖8為該轉軸在受風扇葉片的推力後產生朝向結合該滾動軸承方向的第一方向其應變分量之示意圖；以及圖9為該轉軸在受風扇葉片的推力後產生朝向結合該滾動軸承方向的第二方向其應變分量之示意圖。

請參閱圖1，本發明所提供之抑制振動之風扇葉片馬達，主要包括有：一轉子1、一定子2、一殼體3、一支撐蓋體4以及一風扇葉片6所構成。

如圖2所示，該轉子1係具備依軸線旋轉而迴轉驅動，該軸線設置一轉軸11，該轉軸11包含一往一第一方向延伸的該短軸部111、一往一第二方向延伸的一長軸部112與一工作部113，該長軸部112的長度為該工作部113的二至三倍；該轉軸11的該轉子1對應於該定子2之一內表面的形狀，該定子2於呈第二方向的該轉軸11之該工作部113長度較短，使該轉軸11在受風扇葉片6的推力後產生朝向結合該滾動軸承43方向的一阻力分量71與一應變分量72，如此一來該支撐部42自然達到避振減噪的效果；該定子2係環繞被設置在前述轉子1之同軸的周圍位置；請參閱圖3，該殼體3係設有一與該短軸部111連接的一滾動軸承33，該殼體3包括朝向該第一方向延伸設置的一側壁31以及一與軸線相垂直的一垂直壁32，且該垂直壁32於軸線位置固設該滾動軸承33；又如圖4所示，該支撐蓋體4係具有與該轉軸11之該長軸部112連結的該支撐部42，該支撐部42朝第二方向延伸呈外凸狀形成在該支撐蓋體4的外周之一外壁41，該支撐部42的內周部具有圓筒狀的一滾動軸承43，及凸伸形成在該滾動軸承43的外端之該轉軸11的該工作部113，該支撐部42藉以拉長該轉軸11基本振動週期及增加該滾動軸承43阻尼比，藉以降該支撐蓋體4所受推力，該轉軸11 的該長軸部112較長，其該工作部113較短，當該轉子1在旋轉後產生朝向該滾動軸承43方向的分配力矩(distributed moment)，如此能穩定該轉子1旋轉振態(whirling mode)，同時此一設計由於該轉子1與該轉軸11是由該支撐部42及該滾動軸承43共同顫振抑制(flutter suppression)，以限制該轉子1於非水平方向的自由振動(free vibration)行為。

該風扇葉片6如圖1與圖5所示，係設置在該轉軸11的該工作部113，該風扇葉片6施加到該滾動軸承43之前後方向的推力構成一阻力分量71(drag component)與一應變分量72(component of strain)(如圖7至圖9所示)，使得該工作部113轉矩脈動達成最小負載(minimum load)進而抵銷該工作部113的動態振動(dynomic vilbration)，達到顫動振動(fluttering vibration)減少的效果。

對於該風扇葉片6運轉之振動與噪音預估方式的建立，本發明採用了結構模擬分析軟體一MSC Patran and Nastran及聲場模擬分析軟體一LMS Sysnoise。首先於MSC Patran and Nastran中建立該殼體3與該支撐蓋體4實體模型，且運用實際量測時之邊界條件來分析該殼體3與該支撐蓋體4之模態以及該風扇葉片6運轉之振動值，再與實際振動值比對以評估模擬之正確性。再來將實際量得該殼體3、該支撐蓋體4以及該風扇葉片6處之音壓值匯入LMS Sysnoise進行模擬該風扇葉片6運轉時之聲場，再和實際量測之聲場做 比對，來判斷此模擬是否正確。更進一步，將利用MSC Patran & Nastran所模擬該風扇葉片6受推力之振動值匯入LMS Sysnoise中，係用來模擬該風扇葉片6運轉時結構顫動振動(fluttering vibration)出之該殼體3或該支撐蓋體4之結構噪音。

上述殼體3與該支撐蓋體4內部設有一容置空間5，以供結合上述定子2，該殼體3與該支撐蓋體4設有二滾動軸承33,43，以供上述轉子1藉由二滾動軸承33,43可旋轉地結合該殼體3與該支撐蓋體4，其中該殼體3與該支撐蓋體4可為各種能夠供該定子2及該轉子1結合的中空殼體設計，本發明不加以限制。本實施例中，該殼體3及該支撐蓋體4各設有一滾動軸承33以及一滾動軸承43，二滾動軸承33,43彼此之間具有一間距，以供該轉子1進行組裝。

上述定子2結合於上述殼體3與該支撐蓋體4之一容置空間5內，該定子2可利用如緊配合、鎖固或卡扣等方式固定於該殼體3與該支撐蓋體4之該容置空間5內，本發明不加以限制。

上述轉子1包含一轉軸11及一永久磁鐵，該轉軸11可旋轉地結合於上述殼體3與該支撐蓋體4之二滾動軸承33,43，且該轉軸11的至少一端可穿伸出該殼體3或該支撐蓋體4之外部。舉例而言，該轉軸11可以一端穿伸出該支撐蓋體4之外部，或者，該轉軸11亦可以相對二端均穿 伸出該殼體3與該支撐蓋體4之外部，本發明不加以限制。該永久磁鐵可結合於該轉軸11上，該永久磁鐵固定於該轉軸11之方式可為鎖固、卡固、黏合、緊配合或焊接等，且該永久磁鐵與上述定子2之間具有一氣隙，使該定子2通電後可透過該氣隙產生交變磁場，以驅動該轉子1旋轉作動。

其次，本發明的該支撐蓋體4係為與配置在該滾動軸承43內之該轉子1之連結；其特徵為：具備與該轉子1連結在同軸上之該支撐部42，及該支撐部42呈外凸狀形成在該支撐裝置的外周面之該外壁41，及朝軸方向延伸設置形成該支撐部42的內周部的具有該滾動軸承43，及形成在該滾動軸承43的內端部之該轉軸11的該長軸部112，及沿著軸方向設置在該滾動軸承43的外周面之該轉軸11的該工作部113。

請參閱圖1所示。該風扇葉片6馬達機構中，靜態的該轉軸11與動態的該風扇葉片6，在理想狀況下的運作是，該風扇葉片6受力矩作用後相對於該轉軸11做旋轉運動。理想情況下受力僅會落在其轉動平面上，但在實際的狀況上，由於製造上的需要，該轉軸11的該工作部113無法完全平行軸線的方向，而是呈現一小角度63(在模具成型中稱為拔模角度)的傾斜；同樣的成型原理在上亦然，該風扇葉片6其一中心孔61的該內表面62對應於該轉軸11的該工作部113，也呈現一小角度63的傾斜，兩構件都是如此具有 傾斜面，以致於兩者的配合，形成如套筒一般的狀態，如圖6所示。

因此，一旦該風扇葉片6受力旋轉，力量向量一定無法只是落在旋轉平面上，在垂直方向上一定存在該阻力分量71與該應變分量72，該阻力分量71與該應變分量72正是該轉軸11振動的主要原因，如圖7至圖9所示。

在已往的設計中，一方面為了避免該轉軸11在旋轉中脫離該滾動軸承43，另一方面為了抑制垂直方向不確定受力造成該滾動軸承43的振動現象，一般會再增加一限制的力量，如鎖上螺絲或限制卡勾的設計。但是鎖螺絲的方式會增加材料成本，製作卡勾的方式會有空間上的限制。而且限制該轉軸11的方法常會有間隙不易調整的問題存在，若調整不當造成限制力量與該轉軸11自身軸向力量間的不穩定狀況，依然有發生振動與噪音的可能。

為了抑制該轉軸11不平衡偏擺造成的於非水平方向的自由振動現象，解決轉動時產生的顫動振動減少問題，而提出本發明。

本發明主要是改變該轉軸11於該工作部113轉矩脈動達成最小負載進而抵銷該工作部113的動態振動，使該轉軸11的該工作部113的長度較短。而該風扇葉片6的該中心孔61具有與該轉軸11的該工作部113相對應的形狀。使上述圖7至圖9上示，該風扇葉片6在受力後產生施加到 該滾動軸承43之前後方向的推力構成該阻力分量71與該應變分量72，改為朝向內側，如此一來也能限制該風扇葉片6非水平方向的振動行為，達到避振減噪的效果。另外，本發明也同時排除了以往設計中，需要調整螺絲鎖合間隙或卡鉤間隙的問題，這在設計上方便了許多，可降低傳動構件的高度，並節省製造成本，使產品更具有競爭力。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

Claims (1)

1. 一種抑制振動之風扇葉片馬達，包括：一轉子，係具備依軸線旋轉而迴轉驅動，該軸線設置一轉軸，該轉軸包含一往一第一方向延伸的該短軸部、一往一第二方向延伸的一長軸部與一工作部，該長軸部的長度為該工作部的二至三倍；一定子，係環繞被設置在前述轉子之同軸的周圍位置，該轉軸的該轉對應於該定子之一內表面的形狀，該定子於呈第二方向的該轉軸之該工作部長度較短；一殼體，係設有一與該短軸部連接的一滾動軸承；一支撐蓋體，係具有與該轉軸之該長軸部連結的一支撐部，該支撐部朝第二方向延伸呈外凸狀形成在該支撐蓋體的外周之一外壁，該支撐部的內周部具有圓筒狀的一滾動軸承，及凸伸形成在該滾動軸承的外端之該轉軸的該工作部，該支撐部藉以拉長該轉軸基本振動週期及增加該滾動軸承阻尼比，藉以降該支撐蓋體所受推力，該轉軸的該長軸部較長，其該工作部較短，當該轉子在旋轉後產生朝向該滾動軸承方向的分配力矩，如此能穩定該轉子旋轉振態，由於該轉子與該轉軸是由該支撐部及該滾動軸承共同顫振抑制，以限制該轉子於非水平方向的自由振動行為；一風扇葉片，係設置在該轉軸的該工作部，該風扇葉片施加到該滾動軸承之前後方向的推力構成一阻力分量與一 應變分量，使得該工作部轉矩脈動達成最小負載進而抵銷該工作部的動態振動，達到顫動振動減少的效果。