电脑风扇的结构和调速原理祥解

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（brushless motor）。

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A B-、A C-、B C-、B A-、C A-、C B-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监控。监控电路用来显示风扇转速，并可实现报警和电脑的自动停机，以防止因风扇停转而烧毁CPU或其它器件的情况出现。现在变频电机普遍采用集成功率器件来实现这一功能，使控制线路大为简化。

为了实现精确控制效果，必须向集成功率器件输入反映转子位置的信号，因此变频电机必须具有电机位置反馈机制。目前通常使用霍尔元件或和光电传感器两种手段进行位置和转速检测。

霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器，霍尔效应是美国科学家爱德文·霍尔于1879年发现的。目前，使用霍尔效应的磁传感器产品已得到广泛的应用。图10为霍尔效应原理图。在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压（图中的Vh称为霍尔电压）。

图10 霍尔效应

变频电机利用霍尔器件测量转子的相对位置，所获得的信号输入到控制芯片中，驱动电机旋转。同时，还可将该信号通过主板输出，作为测速信号使用，可谓一箭双雕。由于换向脉冲为方波信号，在主板上经过简单处理便可输送给主板进行显示和控制。由于电机的相数一般在2个以上，换向信号的频率为电机的转速的若干倍，因此，如果利用换向脉冲作为测速信号，必须经过除法运算才能得