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公司新聞
2017-08
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直流散熱風扇的原理
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根據供電方式的不同,電機有直流電機和交流電機兩種類型。電電腦中使用的風扇電機為直流電機,供電電壓為+12V,轉速在1000~10000轉/分之間。

 

 直流電機是將直流電能轉換為機械能的旋轉機械。它由定子、轉子和換向器三個部分組成。

                                                                                 有刷直流電機的構造

 

 定子(即主磁極)被固定在風扇支架上,是電機的非旋轉部分。

 轉子中有兩組以上的線圈,由漆包線繞制而成,稱之為繞組。當繞組中有電流通過時產生磁場,該磁場與定子的磁場產生力的作用。由于定子是固定不動的,因此轉子在力的作用下轉動。

 換向器是直流電動機的一種特殊裝置,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,使轉動的電樞繞組得以同外電路聯接。當轉子轉過一定角度后,換向器將供電電壓接入另一對繞組,并在該繞組中繼續產生磁場??杉?,由于換向器的存在,使電樞線圈中受到的電磁轉矩保持不變,在這個電磁轉矩作用下使電樞得以旋轉。                         

                                                                              

 

 轉子利用軸承與外殼之間實現動配合。風扇的扇葉固定在轉子上,因此,當轉子旋轉時,扇葉將與轉子一起轉動起來。普通風扇一般采用滾珠軸承(如圖5),而高檔風扇為了提高運轉的穩定性和增加使用壽命,通常采用更為先進的 

。

滾珠軸承

 

二、有刷電機與無刷電機

 如前所述,直流電機是利用碳刷實現換向的。由于碳刷存在摩擦,使得電刷乃至電機的壽命減短。同時,電刷在高速運轉過程中會產生火花,還會對周圍的電子線路形成干擾。為此,人們發明了一種無需碳刷的直流電機,通常也稱作無刷電機(brushless motor)。

 無刷電機將繞組作為定子,而永久磁鐵作為轉子(如圖7),結構上與有刷電機正好相反。無刷電機采用電子線路切換繞組的通電順序,產生旋轉磁場,推動轉子做旋轉運動。

 

  無刷直流電機原理圖

 

 無刷電機由于沒有碳刷,無需維護壽命長,速度調節精度高。因此,無刷電機正在迅速取代傳統的有刷電機,帶變頻技術的家用電器(如變頻空調、變頻電冰箱等)就是使用了無刷電機,目前散熱風扇中幾乎全部使用無刷電機。

三、變頻電機工作原理

 圖8(a)是拆開的風扇電機的照片,風扇采用的是變頻電機,這從線圈所在的位置就可以辨認出來。圖8(b)是變頻電機控制電路板,控制芯片將集DSP功能與驅動器于一體,簡化了電路結構。通過對控制芯片編程,可改變電機轉速。

 

 

 直流電機的構造

 

 

 變頻電機具有直流電機特性、卻采用交流電機的結構。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,電機本體完全按照交流電機的原理去工作的。因此,變頻電機也叫“自控變頻同步電機”,電動機的轉速n取決于控制器的所設定的頻率f。

 圖9是三相星形接法的變頻電機控制電路,直流供電經MOS管組成的三相變流電路向電機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,產生一個磁場,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動了120°,轉子受到磁力的作用跟隨定子磁場作120°旋轉。將電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上,定子中便形成旋轉磁場,于是電機連續轉動。

 

圖1.15  無刷直流電機工作原理

 變頻電機的驅動電路由主回路和控制回路兩部分組成,現在已經將這兩部分集成到同一個芯片中,這樣只要使用一個器件便可實現變頻電機的全部控制功能,簡化了電路結構,常用的控制芯片有日本三洋公司的LB1964、美國MAXIM公司的MAX6625、和意法半導體公司的ST72141等。隨著工業界對節能和噪聲抑制的日益重視,許多工業產品都趨向采用無刷電機,對電機微控制器提出了更高要求。作為新一代電機控制DSP芯片,TI公司高性價比的TMS320C240 非常適合于完成這一任務。

四、變頻電機的電路組成

 為了對風扇電機的運行狀況進行監控,需要從風扇電機向主板輸出速度信號,實現風扇運行情況的監控。監控電路用來顯示風扇轉速,并可實現報警和電電腦的自動?;?,以防止因風扇停轉而燒毀CPU或其它器件的情況出現。現在變頻電機普遍采用集成功率器件來實現這一功能,使控制線路大為簡化。

 為了實現精確控制效果,必須向集成功率器件輸入反映轉子位置的信號,因此變頻電機必須具有電機位置反饋機制。目前通常使用霍爾元件或和光電傳感器兩種手段進行位置和轉速檢測。

 霍爾器件是一種基于霍爾效應的磁傳感器,霍爾效應是美國科學家愛德文·霍爾于1879年發現的。目前,使用霍爾效應的磁傳感器產品已得到廣泛的應用。

 圖10為霍爾效應原理圖。在一塊通電的半導體薄片上,加上和片子表面垂直的磁場B,在薄片的橫向兩側會出現一個電壓(圖中的Vh稱為霍爾電壓)。

 

   霍爾效應

 

 變頻電機利用霍爾器件測量轉子的相對位置,所獲得的信號輸入到控制芯片中,驅動電機旋轉。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,在主板上經過簡單處理便可輸送給主板進行顯示和控制。由于電機的相數一般在2個以上,換向信號的頻率為電機的轉速的若干倍,因此,如果利用換向脈沖作為測速信號,必須經過除法運算才能得到真實的電機轉速。

 

 圖11為霍爾鎖定型開關電路CS2018構成的無刷電機控制電路,CS2018內部集成了霍爾電壓發生器、差分放大器、史密特觸發器和集電極開路的輸出級等,它可直接驅動小功率的電機繞組。

 

  用CS2018霍爾開關鎖定電路直接驅動電機

 

 有些風扇采用光電傳感器來檢測風扇的速度,具體做法是:

在電動機轉子上設置一個遮光板,這樣電機每轉過一圈,遮光板就會將發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,這樣便可得到反映電機轉速的脈沖信號,如圖12所示。

 

  光電傳感器原理

 

 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別的。利用光電傳感器測速,速度信號的頻率與電機轉速相同,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,換向信號的頻率為轉速的2倍,三相電機中換向信號的頻率則是轉速的3倍。在這里,BIOS中顯示的速度是不是真實的風扇轉速,在使用中務必請大家注意!

五、轉速調節方法

 直流電機調速方式有兩種:調壓調速和調頻調速。采用有刷電機的普通風扇可以通過調壓方式改變轉速,而采用變頻電機的風扇,只能通過調頻方式進行調速。

 對于有刷電機來說,改變供電電壓,則是改變轉子繞組中電流從而改變磁場強度和轉矩,電機的轉速隨著轉矩的增加而升高,隨著轉矩的減小而降低。這種電機在負載阻力增大時,電機的轉速會隨之下降。要想在荷載變化時維持轉速不變,必須采用閉環控制,通過速度負反饋來實現,因此控制電路比較復雜。

 圖13是一個實用的有刷電機控制方案,它是利用MIC501專用芯片為核心結合一些外圍元件實現的。和圖10所示的無刷電機控制電路進行一個簡單的比較,便可發現兩者電路結構的明顯區別。

 

  調壓調速電路

 

 在有刷電機電路中,電機主回路中與功率晶體管VT串聯,VT的作用相當于一個可變電阻,芯片7腳輸出的信號通過基極電阻Rb與其基極相連,對VT的導通程度進行控制,電機轉速隨VT的導通程度的變化而變化。VT截止時,電機停轉;VT飽和導通時,電機全速(Full Speed)旋轉。圖中T1為熱敏電阻,接入控制芯片的第一個控制端VT1,實現轉速-溫度自動控制;從第二

個控制輸入端接入一個由可變電阻組成的偏置電路,可實現轉速的手動控制。

 

 由于有刷電機的轉速受到荷載大小的影響,采用這種電機的風扇在使用過程中容易因為灰塵和潤滑不良等因素造成轉速下降甚至停轉,對CPU等昂貴部件的安全構成威脅。在電腦故障中,因為風扇轉速下降導致的電腦死機、藍屏和重啟動等故障經常發生,其中也有因風扇停轉而導致芯片燒毀的案例。

 變頻電機則很少出現這些問題,因為其轉速只與所設定的頻率有關,而與載荷和供電電壓無關,無需轉速反饋控制,即可實現恒定轉速,因此風扇運轉的穩定性和可靠性大大增強。

 讀到此處,細心的讀者也許要問,金星12型風扇配件中用來調速的旋鈕是一個電位器(如圖14),難道這款風扇采用了技術落后的有刷電機而不是變頻電機嗎?因為有刷電機通常通過調節串聯電阻來調節供電電壓,以實現轉速調整,調節電阻阻值實際上就是調節供電電壓。

 

  venus12型風扇調速器

 其實不然,與有刷電機控制電路輸出模擬信號不同,變頻電機的轉速控制完全基于DSP(數字信號處理)控制過程。電位器本身實現的直流電壓調節,它從DSP芯片的模擬信號輸入端接入,其參數經過A/D轉換后,控制芯片的輸出仍為數字信號。簡言之,有刷電機的控制過程,從輸入到輸出是完全模擬的,而變頻電機的控制電路輸入模擬信號(如溫度、電壓或PWM信號),而輸出數字信號。

 一些高檔風扇可根據被散熱設備的溫度變化自動調節轉速,其過程是:利用溫度傳感器(熱敏電阻等)測量被散熱設備的溫度,并將其數值反饋給風扇控制電路,控制電路根據所設定的溫度-轉速特性曲線(如圖15)調節風扇轉速。風扇的這種自適應功能既能有效地?;け簧⑷壬璞?,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品冠以“智能風扇”的美名(如曜越科技的SMART CASE FAN II風扇),正是因為具有這種功能。

 

 溫度-轉速曲線

 

六、風扇的監控與?;?/font>

 盡管變頻電機有很高的可靠性,但它仍然是機械器件,在長時間使用時,其速度可能會下降甚至停轉,所以最好對風扇的運行狀態進行實時監測,便于及時發現問題。

 目前,對風扇自身的監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現風扇速度的實時監控。

 從風扇電路輸出的報警信號有“高電平”和“低電平”兩種狀態,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“正常”。

 

 從風扇電路輸出的轉速信號通常為脈沖形式,每個波頭表示風扇轉過一圈,這樣的信號可直接通過數據總線提供給主機進行顯示。某些風扇輸出的轉速信號并不是風扇的真實轉速,而是轉速的倍數,譬如每轉一圈產生2個、4個或6個脈沖,必須經過處理才能形成反映風扇的真實轉速信號。如欲辨別風扇轉速是真實轉速還是某個倍數,可使用轉速表測量實際轉速,然后與顯示的數據進行比較。

 風扇的測速信號一般從三引線插頭輸出,三根引線中黃色和黑色分別為+12V電源和接地,另外一種顏色的線則是轉速信號輸出線。應該注意的是,某些三引線風扇的第三根引線并不是測速信號輸出線,而是轉速控制信號線,通過它向風扇電機輸入調速控制信號。

七、高檔風扇的接線

 普通風扇只有一個電源插頭,使用起來很簡單。高檔風扇有很多插頭,必須弄清楚它們的功能并進行正確的設置和連接后,那些高級功能才能得以利用。

 1、測溫信號線的連接。溫度信號一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器進行溫度采樣。以Tt金星12型風扇為例,其溫度變化導致熱敏電阻的阻值變化,因此輸入信號是沒有極性的。只要將熱敏電阻置于CPU和散熱片之間,然后拔去風扇上的黃色信號線的跳線,將風扇的黃色信號線插頭,測溫信號線的連接就完成了,如圖16。

 

傳感器的連接方法

 

 2、調速器信號線的連接。手動調速器實際上是一個可變電阻,阻值調至最?。ɑ蠐錳叨探櫻┦狽縞鵲淖僮畹?,阻值最大時(或拔去跳線)風扇全速運轉。Tt金星12型風扇隨機附件中有兩個調速器,可根據情況選用其中之一。既可安裝在主機箱前面板的3.5"軟驅的位置,也可安裝在主機箱背后的插槽位置。最后將插頭連接到風扇的紅線插座上即可。

 

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