电脑风扇的结构和调速原理祥解

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1、风扇是目前电脑中最常用的一种强制冷却设备。风扇由电机、轴承、叶片和壳体几个部分构成。电机是风扇的动力来源，风扇的转速高低、劲头大小都取决于电机的性能。普通风扇一般只几元钱一只，而一些高档风扇却卖几百元一只。价格上的巨大差异，并不因为轴承类型和扇叶形状、气流方向等方面，而主要因为风扇电机性能上的差异，一台好的风扇关键是有一台好的电机。例如，Tt出品的金星12型风扇转速可在2000～5500rpm之间进行无级变速。序列号为A1745的散热风扇，连同散热片及调速器一起售价高达480元人民币（如图1）。图1金星12型风扇套件　高档风扇的控制功能很强（如图2），电机的结构也较为复杂。由于风

2、扇电机的技术含量越来越高，如果对其细节不甚了解，就难以正确地安装和使用。因此，本文重点对风扇中所使用的电机进行剖析。图2金星12型风扇的外观一、直流电机的基本工作原理　根据供电方式的不同，电机有直流电机和交流电机两种类型。电脑中使用的风扇电机为直流电机，供电电压为＋12V，转速在1000～10000转／分之间。　直流电机是将直流电能转换为机械能的旋转机械。它由定子、转子和换向器三个部分组成，如图3。图3有刷直流电机的构造　定子（即主磁极）被固定在风扇支架上，是电机的非旋转部分。　转子中有两组以上的线圈，由漆包线绕制而成，称之为绕组。当绕组中有电流通过时产生磁场，该磁场与定子的磁场

3、产生力的作用。由于定子是固定不动的，因此转子在力的作用下转动。　换向器是直流电动机的一种特殊装置，由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。当转子转过一定角度后，换向器将供电电压接入另一对绕组，并在该绕组中继续产生磁场。可见，由于换向器的存在，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢得以旋转，如图4。图7无刷直流电机原理图　转子利用轴承与外壳之间实现动配合。风扇的扇叶固定在转子上，因此，当转子旋转时，扇叶将与转子一起转动起来。普通风扇一般采用滚珠轴承（如图5），而高档风扇为了提高运

4、转的稳定性和增加使用寿命，通常采用更为先进的液态轴承（如图6）。图5滚珠轴承图6液态轴承的结构二、有刷电机与无刷电机　如前所述，直流电机是利用碳刷实现换向的。由于碳刷存在摩擦，使得电刷乃至电机的寿命减短。同时，电刷在高速运转过程中会产生火花，还会对周围的电子线路形成干扰。为此，人们发明了一种无需碳刷的直流电机，通常也称作无刷电机（brushlessmotor）。　无刷电机将绕组作为定子，而永久磁铁作为转子（如图7），结构上与有刷电机正好相反。无刷电机采用电子线路切换绕组的通电顺序，产生旋转磁场，推动转子做旋转运动。图7无刷直流电机原理图　无刷电机由于没有碳刷，无需维护寿命长，速度

5、调节精度高。因此，无刷电机正在迅速取代传统的有刷电机，带变频技术的家用电器（如变频空调、变频电冰箱等）就是使用了无刷电机，目前散热风扇中几乎全部使用无刷电机。三、变频电机工作原理　图8（a）是拆开的风扇电机的照片，风扇采用的是变频电机，这从线圈所在的位置就可以辨认出来。图8（b）是变频电机控制电路板，控制芯片将集DSP功能与驱动器于一体，简化了电路结构。通过对控制芯片编程，可改变电机转速。图8直流电机的构造　变频电机具有直流电机特性、却采用交流电机的结构。也就是说，虽然外部接入的是直流电，却采用直流-交流变压变频器控制技术，电机本体完全按照交流电机的原理去工作的。因此，变频电机也

6、叫“自控变频同步电机”，电动机的转速n取决于控制器的所设定的频率f。　图9是三相星形接法的变频电机控制电路，直流供电经MOS管组成的三相变流电路向电机的三个绕组分时供电。每一时刻，三对绕组中仅有一对绕组中有电流通过，产生一个磁场，接着停止向这对绕组供电，而给相邻的另一对绕组供电，这样定子中的磁场轴线在空间转动了120°，转子受到磁力的作用跟随定子磁场作120°旋转。将电压依次加在AB-、AC-、BC-、BA-、CA-、CB-上，定子中便形成旋转磁场，于是电机连续转动。图9无刷直流电机工作原理　变频电机的驱动电路由主回路和控制回路两部分组成，现在已经将这两部分集成到同一个芯片中，这

7、样只要使用一个器件便可实现变频电机的全部控制功能，简化了电路结构，常用的控制芯片有日本三洋公司的LB1964、美国MAXIM公司的MAX6625、和意法半导体公司的ST72141等。随着工业界对节能和噪声抑制的日益重视，许多工业产品都趋向采用无刷电机，对电机微控制器提出了更高要求。作为新一代电机控制DSP芯片，TI公司高性价比的TMS320C240非常适合于完成这一任务。四、变频电机的电路组成　为了对风扇电机的运行状况进行监控，需要从风扇电机向主板输出速度信号，实现风扇运行情况的