直流風(fēng)扇電機(jī)的基本工作原理

1、直流風(fēng)扇電機(jī)的基本工作原理根據(jù)供電方式的不同，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)兩種類型。電腦中使用的風(fēng)扇電機(jī)為直流電機(jī)，供電電壓為12V，轉(zhuǎn)速在100010000轉(zhuǎn)分之間。直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。它由定子、轉(zhuǎn)子和換向器三個部分組成，如圖3。定子（即主磁極）被固定在風(fēng)扇支架上，是電機(jī)的非旋轉(zhuǎn)部分。轉(zhuǎn)子中有兩組以上的線圈，由漆包線繞制而成，稱之為繞組。當(dāng)繞組中有電流通過時產(chǎn)生磁場，該磁場與定子的磁場產(chǎn)生力的作用。由于定子是固定不動的，因此轉(zhuǎn)子在力的作用下轉(zhuǎn)動。換向器是直流電動機(jī)的一種特殊裝置，由許多換向片組成，每兩個相鄰的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動的

2、電樞繞組得以同外電路聯(lián)接。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度后，換向器將供電電壓接入另一對繞組，并在該繞組中繼續(xù)產(chǎn)生磁場?？梢?，由于換向器的存在，使電樞線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下使電樞得以旋轉(zhuǎn)，如圖4。液態(tài)軸承的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子利用軸承與外殼之間實(shí)現(xiàn)動配合。風(fēng)扇的扇葉固定在轉(zhuǎn)子上，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，扇葉將與轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動起來。普通風(fēng)扇一般采用滾珠軸承（如圖5），而高檔風(fēng)扇為了提高運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和增加使用壽命，通常采用更為先進(jìn)的液態(tài)軸承（如圖6）。圖5   滾珠軸承圖6   液態(tài)軸承的結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)原理圖直流電機(jī)是利用碳刷實(shí)現(xiàn)換向的。由于碳刷存在摩擦，使得

3、電刷乃至電機(jī)的壽命減短。同時，電刷在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生火花，還會對周圍的電子線路形成干擾。為此，人們發(fā)明了一種無需碳刷的直流電機(jī)，通常也稱作無刷電機(jī)（brushless motor）。無刷電機(jī)將繞組作為定子，而永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子（如圖7），結(jié)構(gòu)上與有刷電機(jī)正好相反。無刷電機(jī)采用電子線路切換繞組的通電順序，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，推動轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。   無刷電機(jī)由于沒有碳刷，無需維護(hù)壽命長，速度調(diào)節(jié)精度高。因此，無刷電機(jī)正在迅速取代傳統(tǒng)的有刷電機(jī)，帶變頻技術(shù)的家用電器（如變頻空調(diào)、變頻電冰箱等）就是使用了無刷電機(jī)，目前散熱風(fēng)扇中幾乎全部使用無刷電機(jī)。變頻電機(jī)工作原理圖（a）是拆開的風(fēng)

4、扇電機(jī)的照片，風(fēng)扇采用的是變頻電機(jī)，這從線圈所在的位置就可以辨認(rèn)出來。圖（b）是變頻電機(jī)控制電路板，控制芯片將集DSP功能與驅(qū)動器于一體，簡化了電路結(jié)構(gòu)。通過對控制芯片編程，可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的構(gòu)造 變頻電機(jī)具有直流電機(jī)特性、卻采用交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)。也就是說，雖然外部接入的是直流電，卻采用直流-交流變壓變頻器控制技術(shù)，電機(jī)本體完全按照交流電機(jī)的原理去工作的。因此，變頻電機(jī)也叫“自控變頻同步電機(jī)”，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n取決于控制器的所設(shè)定的頻率f。圖是三相星形接法的變頻電機(jī)控制電路，直流供電經(jīng)MOS管組成的三相變流電路向電機(jī)的三個繞組分時供電。每一時刻，三對繞組中僅有一對繞組中有電流通過，產(chǎn)生一個磁場

5、，接著停止向這對繞組供電，而給相鄰的另一對繞組供電，這樣定子中的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動了120°，轉(zhuǎn)子受到磁力的作用跟隨定子磁場作120°旋轉(zhuǎn)。將電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，定子中便形成旋轉(zhuǎn)磁場，于是電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動。變頻電機(jī)的電路組成為了對風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，需要從風(fēng)扇電機(jī)向主板輸出速度信號，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇運(yùn)行情況的監(jiān)控。監(jiān)控電路用來顯示風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并可實(shí)現(xiàn)報警和電腦的自動停機(jī)，以防止因風(fēng)扇停轉(zhuǎn)而燒毀CPU或其它器件的情況出現(xiàn)。現(xiàn)在變頻電機(jī)普遍采用集成功率器件來實(shí)現(xiàn)這一功能，使控制線路大為簡化。為了實(shí)現(xiàn)精確控制效果，必須向集成功率器件

6、輸入反映轉(zhuǎn)子位置的信號，因此變頻電機(jī)必須具有電機(jī)位置反饋機(jī)制。目前通常使用霍爾元件或和光電傳感器兩種手段進(jìn)行位置和轉(zhuǎn)速檢測。霍爾器件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，霍爾效應(yīng)是美國科學(xué)家愛德文·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的。目前，使用霍爾效應(yīng)的磁傳感器產(chǎn)品已得到廣泛的應(yīng)用。圖為霍爾效應(yīng)原理圖。在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓（圖中的Vh稱為霍爾電壓）。變頻電機(jī)利用霍爾器件測量轉(zhuǎn)子的相對位置，所獲得的信號輸入到控制芯片中，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。同時，還可將該信號通過主板輸出，作為測速信號使用可謂一箭雙雕。由于換向脈沖為方波信號，在主板上經(jīng)過簡單處理便可

7、輸送給主板進(jìn)行顯示和控制。由于電機(jī)的相數(shù)一般在2個以上，換向信號的頻率為電機(jī)的轉(zhuǎn)速的若干倍，因此，如果利用換向脈沖作為測速信號，必須經(jīng)過除法運(yùn)算才能得到真實(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。 圖為霍爾鎖定型開關(guān)電路CS2018構(gòu)成的無刷電機(jī)控制電路，CS2018內(nèi)部集成了霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出級等，它可直接驅(qū)動小功率的電機(jī)繞組。圖   用CS2018霍爾開關(guān)鎖定電路直接驅(qū)動電機(jī)有些風(fēng)扇采用光電傳感器來檢測風(fēng)扇的速度，具體做法是：在電動機(jī)轉(zhuǎn)子上設(shè)置一個遮光板，這樣電機(jī)每轉(zhuǎn)過一圈，遮光板就會將發(fā)光二極管照射到光敏管上的光線阻斷一次，光敏管的集電極上電壓改變一次，這

8、樣便可得到反映電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號   從上面的介紹可以看出，利用霍爾傳感器和光電傳感器所得到的測速信號是有區(qū)別的。利用光電傳感器測速，速度信號的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，而利用霍爾器件輸出的換向信號作為測速信號時，兩者相差若干倍：如果是兩相電機(jī)，換向信號的頻率為轉(zhuǎn)速的2倍，三相電機(jī)中換向信號的頻率則是轉(zhuǎn)速的3倍。在這里，BIOS中顯示的速度是不是真實(shí)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在使用中務(wù)必請大家注意！風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法直流電機(jī)調(diào)速方式有兩種：調(diào)壓調(diào)速和調(diào)頻調(diào)速。采用有刷電機(jī)的普通風(fēng)扇可以通過調(diào)壓方式改變轉(zhuǎn)速，而采用變頻電機(jī)的風(fēng)扇，只能通過調(diào)頻方式進(jìn)行調(diào)速。對于有刷電機(jī)來說，改變供電電壓，則是改變轉(zhuǎn)

9、子繞組中電流從而改變磁場強(qiáng)度和轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而升高，隨著轉(zhuǎn)矩的減小而降低。這種電機(jī)在負(fù)載阻力增大時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會隨之下降。要想在荷載變化時維持轉(zhuǎn)速不變，必須采用閉環(huán)控制，通過速度負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)，因此控制電路比較復(fù)雜。下圖是一個實(shí)用的有刷電機(jī)控制方案，它是利用MIC501專用芯片為核心結(jié)合一些外圍元件實(shí)現(xiàn)的。和上圖所示的無刷電機(jī)控制電路進(jìn)行一個簡單的比較，便可發(fā)現(xiàn)兩者電路結(jié)構(gòu)的明顯區(qū)別。   在有刷電機(jī)電路中，電機(jī)主回路中與功率晶體管VT串聯(lián)，VT的作用相當(dāng)于一個可變電阻，芯片7腳輸出的信號通過基極電阻Rb與其基極相連，對VT的導(dǎo)通程度進(jìn)行控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨VT的

10、導(dǎo)通程度的變化而變化。VT截止時，電機(jī)停轉(zhuǎn)；VT飽和導(dǎo)通時，電機(jī)全速（Full Speed）旋轉(zhuǎn)。圖中T1為熱敏電阻，接入控制芯片的第一個控制端VT1，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速-溫度自動控制   由于有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速受到荷載大小的影響，采用這種電機(jī)的風(fēng)扇在使用過程中容易因為灰塵和潤滑不良等因素造成轉(zhuǎn)速下降甚至停轉(zhuǎn)，對CPU等昂貴部件的安全構(gòu)成威脅。在電腦故障中，因為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致的電腦死機(jī)、藍(lán)屏和重啟動等故障經(jīng)常發(fā)生，其中也有因風(fēng)扇停轉(zhuǎn)而導(dǎo)致芯片燒毀的案例。變頻電機(jī)則很少出現(xiàn)這些問題，因為其轉(zhuǎn)速只與所設(shè)定的頻率有關(guān)，而與載荷和供電電壓無關(guān)，無需轉(zhuǎn)速反饋控制，即可實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)速，因此風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)的

11、穩(wěn)定性和可靠性大大增強(qiáng)。讀到此處，細(xì)心的讀者也許要問，金星12型風(fēng)扇配件中用來調(diào)速的旋鈕是一個電位器（如圖14），難道這款風(fēng)扇采用了技術(shù)落后的有刷電機(jī)而不是變頻電機(jī)嗎？因為有刷電機(jī)通常通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻來調(diào)節(jié)供電電壓，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，調(diào)節(jié)電阻阻值實(shí)際上就是調(diào)節(jié)供電電壓。圖為   venus12型風(fēng)扇調(diào)速器其實(shí)不然，與有刷電機(jī)控制電路輸出模擬信號不同，變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制完全基于DSP（數(shù)字信號處理）控制過程。電位器本身實(shí)現(xiàn)的直流電壓調(diào)節(jié)，它從DSP芯片的模擬信號輸入端接入，其參數(shù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，控制芯片的輸出仍為數(shù)字信號。簡言之，有刷電機(jī)的控制過程，從輸入到輸出是完全模擬的，而

12、變頻電機(jī)的控制電路輸入模擬信號（如溫度、電壓或PWM信號），而輸出數(shù)字信號。一些高檔風(fēng)扇可根據(jù)被散熱設(shè)備的溫度變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，其過程是：利用溫度傳感器（熱敏電阻等）測量被散熱設(shè)備的溫度，并將其數(shù)值反饋給風(fēng)扇控制電路，控制電路根據(jù)所設(shè)定的溫度-轉(zhuǎn)速特性曲線（如圖15）調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇的這種自適應(yīng)功能既能有效地保護(hù)被散熱設(shè)備，又能在溫度較低時減少耗電和噪音。一些廠商之所以給他們的產(chǎn)品冠以“智能風(fēng)扇”的美名（如曜越科技的SMART CASE FAN II風(fēng)扇），正是因為具有這種功能。直流風(fēng)扇的監(jiān)控與保護(hù)盡管變頻電機(jī)有很高的可靠性，但它仍然是機(jī)械器件，在長時間使用時，其速度可能會下降甚至停轉(zhuǎn)，所以

13、最好對風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，便于及時發(fā)現(xiàn)問題。目前，對風(fēng)扇自身的監(jiān)控方式有報警傳感器和速度傳感器兩種類型，利用報警傳感器可在風(fēng)扇速度低于某個門限值時給出報警信號，而速度信號輸出則可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇速度的實(shí)時監(jiān)控。從風(fēng)扇電路輸出的報警信號有“高電平”和“低電平”兩種狀態(tài)，兩種電平所代表的意義一般按照正邏輯體制，高電平表示“故障”，“低電平”表示“正?！?。 從風(fēng)扇電路輸出的轉(zhuǎn)速信號通常為脈沖形式，每個波頭表示風(fēng)扇轉(zhuǎn)過一圈，這樣的信號可直接通過數(shù)據(jù)總線提供給主機(jī)進(jìn)行顯示。某些風(fēng)扇輸出的轉(zhuǎn)速信號并不是風(fēng)扇的真實(shí)轉(zhuǎn)速，而是轉(zhuǎn)速的倍數(shù)，譬如每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生2個、4個或6個脈沖，必須經(jīng)過處理才能形成反映風(fēng)扇的真實(shí)轉(zhuǎn)速信號。如欲辨別風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是