电脑风扇地结构和调速原理祥解.doc

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电脑风扇地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、

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