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直流无刷风扇简介 直流无刷风扇 本篇对风冷散热器中使用的直流无刷风扇-DC Brushless Fan(下文如无特别说明，简称“风扇”)略加介绍。 衡量一款风扇的品质，最重要的两个方面为性能与寿命，其次便是工作噪音;此外，关系到能否正常使用，还必须注意风扇的规格与功率。 规格: 要为散热器选择合适的风扇，首先必需注意到的，就是风扇的尺寸规格。 风扇的尺寸规格有一套统一的标准，只要依照此套标准就可以保证与散热片或其它接 口、支架之间的正常安装。 边长为 25 - 92 cm 之间的直流无刷风扇, 其尺寸规格通常用一4位数字描述，例如: 2510、4028、6015、8025、1238等。4位数字的前两位25、40等代表风扇正方形底面 的边长，单位毫米;后两位10、28、30等代表风扇的厚度，单位同为毫米。 特别说明:92XX系列的风扇边长为92mm，但通常称作9cm;12XX或17XX系列的风扇 并非12mm或17mm边长，而是12cm或17cm;常用直流无刷风扇的边长最小为25mm， 而大于99mm的风扇通常舍去最低位，数值以cm为单位。右图为一款6015风扇的详细 规格。 相关元素: 与底面尺寸息息相关的数据为过风面积(风扇底面积减去外框与电机占据部分所占面积的结果)，进一步则影响到风扇的重要性能指标“风量”。拥有更大的底面尺寸，一般就可以获得更大的过风面积，在风速相当的情况下，将获得更大的风量;反过来考虑，就可以降低风速却不减少风量，采用“大口径”风扇也是目前风冷散热器发展的大趋势之一。 增加风扇的高 (厚) 度有利于增大风扇功率、加大扇叶面积，都可以增强风扇的性能;有些风扇也会利用增加的高度在外框上添加导流片或改变扇叶旋转面方向(即非轴流风扇)等，后文将较详细说明。 风速: 风速是风扇重要的性能指标之一，与最重要的两项性能指标之一风量关系密切。 风速即风扇出风口或进风口的空气流动速度，单位一般为m/s;仅是某一位置的速度数值，不能完全体现风扇的性能。风速在不同位置数值可能有较大差异，且平均值难以计算，一般不用来表示风扇的性能，仅在详细设计分析中才会使用。 相关元素: 风速的高低主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速。扇叶形状设计、面积、高度的影响较为复杂，将在后文说明;风扇转速越快，风速越快，则是显而易见的常识，无需赘述^_^。 风速的高低会影响到风量以及噪音的大小。同样的过风面积，风速越高，风量越大;气流之间、空气与扇叶、外框、散热片之间的摩擦都会产生噪音，同样的风扇、散热片设计，噪音必然会随着风速的提升而增大。 风量: 风量是风扇最重要的两项性能指标之一。 风量即单位时间内通过风扇出风口(或进风口)截面的空气体积，单位一般为cfm，即立方英尺每分-cubic feet per minute，或cmm。风量是风扇性能的整体衡量指标，不受到尺寸、结构、方式的限制，也不限于直流无刷风扇，可适用于任何空气导流设备。 相关元素: 风量,平均风速 x 过风面积。可见，风扇风量的大小基本取决于风速的高低与过风面积的大小。过风面积相同，风速越高，风量越大;风速相同，过风面积越大，风量越大。 风冷散热器是依靠空气吹过散热片，利用热交换带走散热片上堆积热量的。因此，其它条件不变的情况下，可以说实际风量对风冷散热效果起着决定性的作用。 风压: 风压是风扇最重要的两项性能指标之一。 风压即风扇能够令出风口与入风口间产生的压强差，单位一般为mm(cm) water column (h2o)，即毫米(厘米)水柱(类似于衡量大气压的毫米汞柱，但由于压强差较小，一般以水柱为单位)。风压是衡量风扇“强劲”程度的重要指标，如果将风量比作一把武器的挥击力量，那么风压就是这把武器的锋利程度。风压越大，风扇送风能力越强。 风量和风压是两个相对的概念。一般来说，在厂商节约成本的考量下，要设计风扇的风量大，就要牺牲一些风压。如果风扇可以带动大量的空气流动，但风压小，风就吹不到散热器的底部(这就是为什么一些风扇转速很高，风量很大，但就是散热效果不好的原因)，相反地，风压大则往往意味着风量就小，没有足够的冷空气与散热片进行热交换，也会造成散热效果不好。 相关元素: 风压主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速，前三者的影响较为复杂，于转速的关系则简单直接——转速越快，风压越大。 风压直接影响到风扇的送风距离。风扇出口到散热片底部看来只几厘米，但考虑到复杂、密集的散热鳍片的影响，要令气流有效地覆盖散热片整体并非想象中那么简单。散热片设计过程中虽然会尽量避免产生过大的风阻，但为了保证充足的散热面积，对风压提出一定要求也是在所难免。 风压既然是风扇最重要的两项性能指标之一，选择风扇时自然要特别注意。 一般铝质鳍片的散热片要求风扇的风压足够大，而铜质鳍片的散热片则要求风扇的风量足够大;鳍片较密的散热片相比鳍片较疏的散热片，需要更大风压的风扇，否则空气在鳍片间流动不畅，散热效果会大打折扣。所以说不同的散热器，厂商会根据需要配合适当风量、风压的风扇，而并不是单一追求大风量或者高风压的风扇。 风扇所声明的风量与风压均为理想状态下的最大值，即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量(最大风量)，以及风扇向密闭气室内吹风，直至风量为零状态下气室与外界气压的差值(最大静压)。它们并非两个孤立的性能指标，而是互相制约着，之间的关系就是流体力学中典型的流速与压强间的关系——风量随着压强差(具体而言即散热片风阻)的增大而减小，两者互相制约的程度则取决于扇叶形状与整体结构设计。风量、风压的正规测量需要借助风洞进行，下图为测量风洞原理图: 通过调节风嘴(Nozzle)与辅助风扇(Auxiliary Blower)，控制风量，记录风量(Air Flow)与压强差(Air Pressure)的对应数值，最终除了记录最大风量与最大静压(即标称的风压)外，一般还要绘制压强-流量图(即通常所称的风扇特性曲线图、PQ图， 如右图示)，全面表现一款风扇在各种压强差(具体而言即散热片风阻)下的工作表现。 上图即一张典型的风扇特性曲线图。图中实线(FPC)为风扇特性曲线，需由风洞测量。虚线(SRC)为系统阻抗曲线，同样需由风洞测量。FPC与SRC的交界点即为系统与风扇搭配使用的操作点OP，Qb与Pb则分别是使用中可达到的风量与压强差。以风冷散热器中的应用而言，要求风量越大越好，选择风扇时自然以Qb为重点参考指标。可见，选择风扇时仅以最大风量(Qa)与最大静压(Pa)来选择并不是最适切的。但考虑到一般用户不可能获得详细、确切的风扇特性曲线与散热片(系统)阻抗曲线，如此粗略判断也是不得已而为之。 转速: 转速是风扇各项性能指标的根本决定因素之一。 转速即风扇扇叶在单位时间内旋转的周数，单位一般为rpm，即rounds per minute-转每分。转速是风扇最容易测量的参数，高转速是各种“暴力”风扇力量的源泉，也是大噪音的根源。 一些厂商特意设计出可调节风扇转速的散热器，分手动和自动两种。手动的主要是让用户可以在冬天使用低转速获得低噪音，夏天时使用高转速获得好的散热效果。自动类调温散热器一般带有一个温控感应器，能够根据当前的工作温度(如散热片的温度)自动控制风扇的转速，温度高则提高转速，温度低则降低转速，以达到一个动态的平衡，从而让风噪与散热效果保持一个最佳的结合点。 相关元素: 转速基本上取决于风扇采用的电机性能。 只要确定了风扇的物理规格、结构，各种性能就全部由转速决定。转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、功率，甚至使用寿命。转速越高，风扇性能越强，即风速越快，风量越大，风压越大;同时，转速高，摩擦、振动就多、噪音就大，轴承等损耗设备的寿命就短;转速提高，电机消耗功率增大也是必然结果。 风扇产品就算不标明风量、风压，也都会标明额定转速;一些对各种风扇比较熟悉的玩家更是可以根据一款风扇的尺寸规格、扇叶形状以及转速判断出它的性能。对几种常见尺寸规格的普通轴流风扇略加说明: 1.边长6cm，转速约3500rpm可获得尚可的风量及可接受的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果;进一步提高转速至约5000rpm，可获得不错的风量与风压，但噪音急剧增加;转速超过6000rpm便可列入“暴力”扇之列。 2.边长7cm，转速约2500rpm可获得尚可的风量及较低的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果;进一步提高转速至约4000rpm，可获得较大的风量与风压，但噪音急剧增加;转速超过5500rpm便可列入“暴力”扇之列，效果略强于6cm“暴力”扇。 3.边长8cm，转速约2000rpm即可获得不错的风量及很低的噪音，即便低于此转速也可保证尚可的风量，充分体现了大口径风扇的优势;进一步提高转速至约3000rpm，可获得相当不错的风量与风压，噪音仍然较低;转速超过5000rpm便可列入“暴力”扇之列，噪音急剧增加，挑战人耳的忍耐极限。 4.边长12cm，转速约1200rpm即可获得不错的风量及很低的噪音，低于此转速虽然风量尚可，但风压较弱，所幸多用于液冷散热排等风道式散热片，用于计算机开关电源散热则对空气流动设计提出了一定要求;进一步提高转速至约1500rpm，即可获得较大的风量，噪音仍可接受;转速超过2000rpm，便可获得颇大的风量，风压尚可，碍于扇叶较大等不利条件，噪音会急剧增加。 9cm(边长92mm)轴流风扇扇叶尺寸与过风面积较8cm增加不多，但可在同等的风量下较8cm风扇噪音更低，受到了小范围的青睐，不过并不常见。 另一种较常见散热风扇——出风口边长8cm的涡轮风扇: 转速约1500rpm即可获得不错的风量及较低的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果;进一步提高转速至约2500rpm，可获得不错的风量，且风压较大，噪音勉强可接受;转速超过3500rpm便可列入“暴力”扇之列，由于特殊的设计结构，噪音已可与8cm轴流“暴力”扇比肩，挑战人耳的忍耐极限。 寿命: 寿命即风扇可以无故障使用的时间，单位一般为千小时。 相关元素: 只要没有意外损坏，风扇的寿命便主要取决于轴承寿命、定子绕组线圈寿命、电子元件寿命三者。轴承寿命根据不同的设计类型与工作强度，在1000,300000小时之间。定子绕组线圈寿命在正常环境中使用一般可达几十万，甚至几百万小时以上;环境恶劣，如高温、低温、温差大、湿度大等，则可能大幅缩短。电子元件寿命较定子绕组线圈寿命更长，但易受环境温度影响，尤其高温可大幅度缩短电子元件寿命。根据众所周知的挡水板(或瓶颈)原理，风扇的寿命决定于三者中最短的轴承寿命。风扇的使用寿命还会受到工作负荷的影响:转速越高的风扇，其轴承磨损也就越快，定子绕组线圈与电子元件发热也就越多，寿命必然缩短。这正是在并没有静音需求的服务器电源领域广泛采用温控风扇的原因——合理减轻风扇工作负荷，延长使用寿命。 除了风扇本身设计、选材的基本决定因素，正如上文所述，使用环境也会对风扇寿命造成重要影响。高温会加快含油轴承中润滑液的挥发，令器件膨胀增加摩擦，令线圈电阻增大，陷入发热增加温度升高的恶性循环，加快电子元件老化。剧烈的温度变化会令器件发生形变，令线圈剧烈收缩而崩断，令半导体元件工作点漂移。灰尘会令扇叶质量分布改变，增加摩擦，增大风阻，影响自身散热，阻碍散热片与空气进行热交换，产生静电放电损坏元件与设备。恶劣的使用环境可能令风扇的效果大打折扣，且寿命大减。 为散热器或其它设备搭配风扇时，可参考预期使用时间(年数、天数等)与工作强度(每日工作时间)选择足够“长寿”的产品。下例粗略估算一下:正常环境下，一款寿命为10000小时的风扇，作为计算机散热系统的组成部分，每天随计算机工作10小时，可无故障使用1000天，即接近3年时间，基本可以满足需要。如果开机后持续运行(服务器等使用环境)，则可无故 障使用约417天，不足14个月，显然不是理想的选择，而应根据服务器预期使用时间，选择寿命更长的产品，比如大于40000小时的。此外，应根据环境条件适当“打折”。如前例中寿命10000小时的风扇如果在灰尘较大的环境使用，就应改折损为6000小时左右。故实际应选择寿命为15000小时以上的产品。 噪音: 噪音即风扇工作过程中产生的“非乐音”声响。目前较为通行的测量标准为计权声级测量，通常采用A声级计权，常用单位:分贝(A)或dBA。 噪音的强度主要有声强与声压两种衡量方式，声强(声功率)是测量物体单位时间内发出的声音总能量，声压是测量人耳收到的噪音压强值，通常采用对数形式表示，是一种“相对级别”，故将测量仪器称为声级计。原理公式如下: 声强级数:SIL,log(I/I0)(Bel/贝尔),10 x log(I/ I0)(dB/分贝); 其中I为测量声强，I0,10^(-12) W/m^2为最小可闻声强。 声压级数:L,log(p^2/p0^2)(Bel/贝尔),10 x log(p^2/p0^2)(dB/分贝); 其中p为测量声压，p0为最小可闻声压，单位:N/m^2。 由上式可见，0dB是人耳听力的阈值。120-130dB是一般人能承受的最大声音。一般人能够分辨的最小声音变化是3dB的声压或1.5dB的声强。3dB的声强增量相当于测得的声强加倍。而5dB的声强增量才使人听到的声音响度加倍。6dB增量相当于测得的声压加倍，而10dB的声压增量才使人听到声音响度加倍。 一些典型环境噪音声级(声压)如下: 安静的图书馆或耳语时约为30dB; 一般家庭约为40dB; 正常谈线dB; 商用卡车或火车约为90dB; 喷气式飞机或起飞的火箭约为120dB; 虽然喷气式飞机的dB值看来只是安静的图书馆的4倍，但由于采用了对数表示法，实际差距远不止于此。根据上文公式略加计算可知，两者测量声压的比值为p1/p2,10^(120/20)/10^(30/20),10^6/10^1.5,10^4.5?31622.78，即喷气式飞机的噪音对人耳造成的声压是安静图书馆中的31622.78倍～ 目前风扇厂家的风扇噪音测试多为声压测量，下文如无特别说明，所提到声级均为声压测量结果。工业标准测试是在背景噪音低于15dBA的静音室中，将风扇固定于减震支架之上，以声级计在风扇进风侧轴向距离1m的位置进行测量，或完全记录下工作噪音，进而进行详细分析。 相关元素: 风冷散热器的工作噪音主要有三个来源:轴承的摩擦与振动、扇叶的振动、风噪。 1.轴承的摩擦与振动:不但产生噪音，而且影响性能，缩短器件寿命，降低能源利用效率，是产品设计中尽量解决的关键技术问题。 2.扇叶的振动:一般采用塑料制作的风扇扇叶具有一定的韧性，可以承受一定程度的物理形变，同样也会在推动空气过程中因受力发生振动，但幅度一般较小。另一种较为严重的振动则是由于扇叶质量分布不均，质心与旋转轴心存在偏心距所致。当扇叶面积(质量)或偏心距较大的情况下，可能会带动风扇甚至散热器整体发生振动，进而波及整个机箱。如果发生此类 现象，则应怀疑风扇品质与工作状态。 3.风噪:流动的空气之间互相冲扰，与周围物体发生摩擦，叶片对气流的分离作用，周期性送风的脉动力等，都会产生噪音。空气流速越快，湍流越多，往往风噪也越大，而且会随着风速的提高呈加速度增大。普通的轴流风扇会在扇叶与外框间的空隙处产生反激气流，产生较大风噪的同时，更会对风量造成不利影响，也正因此出现了折缘、侧进风等改良设计。 噪音的主要影响就体现在使用者的身心健康与安全之上，而与噪音相伴的振动则可能导致芯片磨损、接口松动、盘片划伤等危及使用的现象。 选择风扇时，应当关注风扇的工作噪音，要求自然是越小越好。但厂家在产品参数中所提供的噪音数据，往往与实际使用中的效果存在一定差距，不可直接以之为准，这主要是由于工业标准测试方法与实际使用环境存在差别所致。 1.首先，日常生活中的背景噪音远高于静音室中15dBA的背景噪音。 2.其次，静音室内壁材料具有吸音、隔音的效果，于进风侧测量无法反映出风扇送出气流产生的声压，而 实际使用中用户无法回避。 3.再者，风扇单独工作与安装到散热片上的工作噪音差别巨大。散热器的噪音大部分来自气流高速通过散热鳍片时产生的风噪与摩擦音，而风扇本身的工作噪音只占较小的一部分。多数散热器所标注的噪音也仅是所配风扇单独工作噪音。 根据经验: 标称噪音低于27dBA的风扇，均可归入静音之列;标称噪音27,33dBA的风扇，勉强可算“安静”，但无法忽视其存在;标称噪音33,40dBA的风扇，单独工作已经令人感到嘈吵，配合散热片后更甚;标称噪音在40dBA之上的风扇，一般为强劲的“暴力”扇，本身工作噪音已不容小觑，搭配散热片后长期使用绝对是对人耳忍耐限度的挑战。 功率: 功率是风扇重要的性能指标之一，变相体现了风扇的性能。 功率即风扇单位时间内所消耗的能量(电能)，单位为W-瓦。功率从另外一个角度体现了风扇的性能。通常不直接标明功率，而是标注额定工作电压与最大电流，将两个数值相乘即得最大功率。正如关心“廉颇老矣”时，会询问“尚能饭否”，能“吃”的风扇往往也有更强劲的性能。 相关元素: 风扇的输入功率可划分为有用功率与无用功率两部分。有用功率即最终驱动扇叶转动的功率，称作输入轴功;无用功率则包括元件电阻损耗、机械摩擦损耗及振动损耗等。有用功率与消耗总功率的比值即风扇的能量转换效率，自然是越高越好^_^。 除风扇能量转换效率外，还有一类重要的风扇效率，即输入轴功转换为流体(空气)动能的效率。常用的有3种考察方式: 全压效率,输出全压流功/输入轴功x 100,; 静压效率,输出静压流功/输入轴功x 100,; 水力效率,实际全扬程/理想全扬程 x 100,; 3种风扇效率分别与最大风量、最大静压及实际工作点密切相关，是检验风扇设计改进成果的重要指标。 以输出全压流功率为例，设风扇出风口各点风速均等，则有如下公式: 输出全压流功率,1/2 x m/t x V^2,1/2 x (S x V x ρ) x V^2,1/2 x Q x ρ x V^2,1/2 x S xρ x V^3,1/2 x ρ x Q^3/S^2; 其中:m/t为单位时间内带动空气的质量，V为风速，S为出风口面积，ρ为空气密度，Q为风量。 如果考虑到出风口各点的不同风速，则要以V为变量，S为微元，根据1/2 x S x ρ x V^3公式在出风口平面上计算曲面积分， 分析较为复杂，此处不进行详细讨论。只要根据上述公式对风扇功率与风速、风量的数量级关系有所了解，就达到了目的。 从上面公式可以看到:出风面积固定后，功率与风速(风量)的3次方同步增长;相同风量的风扇，过风面积越大，功率越小。因此，功率主要取决于风量与尺寸规格。功率会随着风量(风速)的增大急剧增加，增大口径则有利于控制功率。 选择风扇时，除了通过功率判断性能外，还要注意较大功率风扇对供电方式的特殊要求，以免无法正常使用。 一般而言，额定电压12V的直流风扇(计算机中使用的散热风扇大多属于此类)，普通产品最大电流不超过0.5A，各种主板都可负担;而大于此数值的，则由于主板设计原因，可能在部分主板上无法正常使用，建议采用外接电源;最大电流超过1A的，一般主板都无法正常驱动，多直接采用大4pin接口供电。各种“暴力”风扇的功率都不可小觑，选购时应注意供电方式，适当搭配转接线cm“暴力”风扇，最大电流都在0.5A以上，8cm“暴力”扇最大电流则超过0.8A，1A以上也属“正常”。 额定电压 风扇的额定电压是风扇正常工作时的电压，单位为V(伏特)，一般有5V、12V、24V等，此外风扇的启动电压指的是风扇由静止到转动时所需的最低电压。启动电压越小，使用范围越广。 工作电流. .工作电流.是风扇工作时通过的电流,单位为A(安培)。 起动电压 (流): 风扇能够开始运转的最低电压 (流)。 锁死电流: 电压调整至标准工作电压值，通电，当风扇运转时用手指按住转动的风扇叶片,将其按至完全停止。此时所测量的电流值，即是风扇的锁死电流。其判定标准爲:显示的锁死电流在标准要求范围内，爲锁死电流正常;显示的锁死电流不在标准要求范围内,既爲锁死电流不良。 也此顺便说一下有关风扇的另一个名词: 死角: A:工作电压测死角:将电压调整至标准电压值后通电，当风扇正常运转时，用手指按风扇叶片(注意:不可用过大的力将叶片完全按紧,只须触摸转动的风扇叶片)，再放开手指，观察其是否仍能正常运转。其判定标准为:放开手指后,仍能正常运转,此为无死角，正常。放开手指后，不能正常运转，此爲死角不良。 B.起动电压测死角:将电压调整到其起动电压值后通电，当风扇正常运转时，用手指按风扇叶片至其停止，再放开手指，观察其是否仍能正常运转。 死角分真死与假死。当重新开启电源后不能继续运转为真死，多定义为 Critical 或至少为主缺。 小结: 风量: 尺寸相同时，转速越大，风量越大， 同时噪声变大;转速相同时，转速越大，风量越大。 风压:转速越快，风压越大。 大致了解了风扇有关的各项参数，下面就简单介绍一下直流无刷风扇的构造与几个重要组成部分的原理及现行技术。 上图为典型轴流直流无刷风扇的分解图，各部分分别为: 1.转子部分，包括扇叶、轴心、转子磁环、磁环外框; 2.定子部分，包括支撑弹簧、轴承、扣环、电机部分(4); 3.外框，起支撑、导流作用; 4.电机部分，包括电路版、硅钢片(即定子磁体，上附绕组线圈)、硅钢片上、下盖; 各部件按照功能，及对风扇性能、寿命的影响，可大致分为电机、轴承、扇叶与外框四部分。 电机: 作为风扇将电能转为动能的关键部件，平稳、可靠的电机是优质风扇必须具备的根本条件。 无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品。由于具有噪音低、运行平稳、无换向器(即电刷，也正是其名称中“无刷”的由来)、速度监测方便等特点，在各种直流环境中被广泛采用，已经基本替代了早先的串励换向直流电机，在风冷散热器及其它计算机配件中更是成为了标准选材。 无刷直流电动机由电动机主体和驱动电路组成: 电动机主体即定子与转子。电动机定子绕组多为四相对称分布，即互成90?夹角，不同于三相异步电动机互成120?夹角的星形分布方式。转子上粘有已充磁的永磁体，一般为磁性橡胶条或橡胶环。 驱动电路主要是由数字控制芯片、转子位置传感器和功率驱动元件构成。数字控制芯片采用DSP(数字辅助处理器)，常见IC如TMS320等。转子位置传感器一般采用霍尔元件，根据转子磁体磁场方向的变化确定转子位置。功率驱动元件包括PWM控制电路与功率管，功率管通常采用MOSFET，在PWM驱动信号的控制下驱动定子绕组线圈工作。 无刷直流电动机的工作过程大致如下: 数字控制芯片根据转子位置传感器的信号，按照控制信号(正转或反转等)计算出需要的磁场方向，控制功率驱动元件驱动定子绕组，所产生的电磁场与转子磁体发生相吸或相斥作用，带动转子起转。转子转动过程中，数字控制芯片随时根据转子位置传感器的信号，计算出令转子继续转动需要的磁场方向，控制功率驱动元件驱动定子绕组，改变电磁场方向，带动转子继续转动。整个连续的工作过程中，始终保持电磁场处于令转子向前转动的位置，并与转子磁体间保持最佳的作用角度。 由于直流无刷电动机这种由DSP控制的“智能”工作方式，较传统的串励换向直流电机具有明显的优势——能量转换效率高、转速稳定、不易出现死角等。在此之上，一些厂家还利用这种控制方式，将控制电路中的转速调节功能进行扩展，从而轻易实现了手动、温控调速等功能，免除了外接调速器的繁琐与额外的能量损耗。著名散热器制造商Cooler Master目前的风扇产品就大多采用这种仅引出调速变阻器，不增加其它额外零件的方式。 轴承: 轴承作为风扇寿命的瓶颈因素，同时也对风扇的工作噪音、制造成本有着重要的影响，倍受用户关注，风扇设计、制造者们也在其上投注了大量的技术与人力，对各种轴承技术略加了解也是正确选择风扇的前提条件之一。目前市场上很多品牌都有自己独特的轴承设计，各种设计都在寿命、噪音、成本等方面有其独到的优势。本节，就为各位简要介绍一下几种常见，或颇具特色的轴承技术。 在机械工程上，轴承的类形非常多，但在散热器产品上使用的轴承形式按照其基本工作原理分类也就那么三种:使用滑动摩擦的套筒轴承(Sleeve Bearing) 和使用滚动磨擦的滚珠轴承(Ball Bearing) 以及两种轴承形式混合这三种。近些年来各大散热器厂商在轴承方面推出的新技术，诸如磁浮轴承等都是对上面这些基本的轴承形式加以改进而成，基本工作原理还是没有变化。 风扇轴承目前的形式有:油封轴承(即含油轴承，Sleeve Bearing)、单滚珠轴承(1Ball+1Sleeve， 简称BS)、双滚珠轴承(2 Ball Bearing)、液压轴承(Hydraulic)、到磁悬浮轴承(Magnetic Bearing)、汽化轴承(VAPO Bearing)和流体保护系统轴承(Hypro Wave Bearing) ，来福轴承(Rifle)、磁芯轴承和纳米陶瓷轴承(NANO Ceramic Bearing) 含油轴承 含油轴承是使用滑动摩擦的套筒轴承，使用润滑油作为润滑剂和减阻剂，成 本低，初期噪音低，使用时间一长，由于油封的原因 (电脑散热器产品都不 可能使用高档油封，一般也就是普通的纸油封)，润滑油会逐渐挥发，且灰 尘也会进入轴承，从而引起风扇转速变慢，噪音增大等问题，严重的还会因 轴承磨损造成风扇偏心引发剧烈震动。平均寿命8000,15000小时。 滚珠轴承 滚珠轴承改变了轴承的摩擦方式，采用滚动磨擦，降低了轴承面之间的摩擦，有效提升了使用寿命。缺点是工艺更为复杂，导致成本提升,同时也带来更高的工作噪音。 ----- 单滚珠轴承 -------------------双滚珠轴承 ------------------------滚珠轴承 单滚珠轴承(1 Ball+1 Sleeve Bearing) 它吸收了含油轴承和滚珠轴承的优点，使用寿命提升到了40000小时，而成本上升极为有限。缺点是噪声有所增大，但仍小于双滚珠轴承。 双滚珠轴承(2 Ball Bearing) 属于比较高档的轴承，采用滚动摩擦的形式，摩擦力较小，且不存在漏油的问题。优点是寿命超长，大约在5小时;抗老化性能和封闭性好，适合转速较高的风扇。缺点是制造成本高，噪音大。 来福轴承(Rifle Bearing): 由CoolerMaster研发，因为轴芯上有挡油槽和反向螺旋槽，类似来福线而得名。 作为传统含油轴承的改进，来福轴承采用耐磨材料制成高含油中空轴承，减小了轴承与轴芯之间摩擦力，而它带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯，在风扇运转时含油将形成反向回游，从而避免含油流失，因此提升了轴承寿命。 从成本上比较，来福轴承与油封轴承相差不远，可以说是一个比较不错的经济型解决方案。 来福轴承 液压轴承 液压轴承 Hydraulic Bearing 液压轴承所进行的改进包括: 1.增加磁悬浮挡板，令轴芯在旋转过程中与轴套接触的机会更少; 2.轴承底部固定端密封，形成较大储油空间，可保存较多润滑油; 3.采用低热损耗的润滑油脂，轴承在高温状态下仍可保证油脂的润滑特性; 4.液压自动循环油路系统，通过特殊油路连接轴承与储油槽，令润滑油形成循环回路; 5.轴芯采用金属粉末冶金技术，表面具有大量毛细孔，可吸附润滑油，保证轴承的高润滑度。 通过多方面的改进，液压轴承可以在保持甚至低于含油轴承噪音水平的同时达到双滚珠轴承的转速、工作温度与寿命。通常产品寿命可达50000小时以上。 流体保护系统轴承 Hypro Bearing 其名称来源于HY(Hydrodynamic wave，流体力学波)PRO(Oil protection system，油护系统)，系知名散热器及风扇设计制造厂家ADDA的专利产品，也是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。流体保护系统轴承与液压轴承可谓殊途同归，两种设计各自采用了一些独到的改进措施，但精髓同为循环油路系统，各方面的表现也基本相当。通常产品寿命可达50000小时以上 Hypro fan 的優越性能 請參考下列各類風扇軸承MTTF性能曲線比較圖及優點比較圖 磁悬浮轴承 磁悬浮技术并非某种产品的独门绝技，各家的产品中都会有所涉及，例如前述之AVC液压轴承等。 磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 的马达有磁悬浮(Magnetic System，MS)设计，其磁感应线与磁浮线成垂直，故轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。因此，磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。这项技术并没有得到欧美国家的认可。 台湾著名风扇、电机设计制造企业SUNON-建准集团则是第一个完全以磁悬浮命名风扇产品或轴承的。 SUNON的Maglev(Magnetic Levitation，磁悬浮)电机在电机的 电路版与定子之间增加了一层“磁悬浮板”，利用转子磁环磁场对磁 悬浮板的吸附作用，将磁环固定在稳定的圆形轨道之上，将轴芯 压紧在顶芯盖之内，几乎不与轴套发生摩擦，从根本上减少轴承 磨损的机会。 “磁悬浮板”的作用只能减少轴承磨损的机会，但轴芯仍然需要某种 方式的支持才能安装于轴套之内。SUNON的第一代Maglev风扇 采用了与YEN SUN的AEROMAG系列类似的磁悬浮+滚珠轴承方 式，而第二代产品则采用了VAPO轴承。 汽化轴承 VAPO 汽化轴承是Sunon专利，由含油轴承改进而来，通过把含油轴承的轴套硬度加强，并且采用特殊的材料，其内层表面也是经过特殊加工的，这样就克服了含油轴承不耐高温的缺点，再和磁悬浮技术配合，就大大延长了使用寿命。 所进行的改进包括: 1.轴芯表面及轴套内表面采用经特殊加工处理的材料，加强轴承表面硬度，使其更加耐磨、耐高温。 2.导入磁浮设计，令转子运行于固定轨道之上，减少晃动、摩擦。 3.省去了垫圈，油封等零件，使润滑油挥发所产生的气体可顺利排出，避免在内部凝结造成淤塞，气化轴承也正因此而得名。 由上述特点可以看出:VAPO轴承是结合了磁悬浮设计，在含油轴承基础上略加强化与简化的产物，并非独立技术，仍应归入磁悬浮轴承之列。润滑油挥发后无法回流，油量仍然会随使用时间增加而减少，且受磁悬浮板制造工艺限制，在驱动大口径扇叶高速旋转时摩擦仍然较多，故而不适合采用在“暴力型”风扇之中。 各种采用磁悬浮轴承技术的风扇由于工艺相对复杂，价格通常较高。通常产品寿命可达50000小时以上。 纳米陶瓷轴承(NANO Ceramic Bearing, abbr. NCB) 由Foxconn(富士康)研发成功。轴承核心全面采用纳米级的氧化锆粉，晶体颗粒由 过去的60um下降到了0.3um。并在轴承内部注入昂贵的纳米级粒子润滑剂，由于其具 有极底的挥发性以及最佳的润滑特性，所带来的直接好处就是相同功率供给之下，采 用纳米级粒子润滑剂的风扇转速比传统轴承提升10%-15%，而噪音则有效降低5%。 它在本质上仍然是一种含油轴承，具有坚固、光滑、耐磨等特性。纳米陶瓷轴承 具有很强的耐高温能力，不易挥发，这大大延长了风扇的使用寿命，据测试，采用纳 米陶瓷轴承的风扇平均使用寿命都在12万小时以上。这项技术其实并非真正的纳米技 术，所使用的材料也并非真正的纳米级材料，只不过是采用了纳米这样的字眼来吸引 眼球罢了。 磁芯风扇 磁芯风扇的不同之处在于它在滚珠轴承的基础之上，增加了磁体部分，可以通过磁体将轴芯吸住，使风扇在转动过程中轴芯不会发生偏离，从而不会与含油轴承套产生摩擦。另外，为轴承预先施加了压力，所以可以让滚珠在正常工作状态下不跳跃、平稳转动。所以在两者的作用之下，轴承的摩擦、振动也就越小，自然风扇的寿命也就越长，发出的噪音也就越小。 外磁驱动风扇 台湾元山科技 (Y.S TECH)推出的T.M.D(Tip-Magnetic Driving，外磁驱动)风扇能比传统的散热风扇在散热效率上提高15%。这种风扇的特点在于扇叶与外环连成一起，成为整体，因此能有效地降低扇叶末端扰动气流产生的噪声;另外，这种风扇的马达不在轴心，而是分布在扇页四角。与传统设计相比，这种设计可以节省75%的马达占用区域，增加35%的空气对流和静态压力，同时可以将热源中心的热量通过气流带走。 由上文的介绍可以看出，轴承技术对风扇的性能、噪音、寿命起着重要的决定性作用，实际选购风扇时必须加以注意。通常可根据性能、噪音、寿命以及价格四方面要求综合考虑: 1.性能不高，噪音小，价格低，含油轴承是唯一的选择，但寿命较短，使用一段时间后噪音可能会逐渐增大，需做好维护或更换的心理准备。 2.性能强悍，寿命长，价格不高，滚珠轴承是不二之选，但需忍受其工作时产生的较大噪音。 3.性能与噪音都没有特殊要求，但希望寿命长，价格不高，来福、Hypro轴承等含油轴承的改进型均是值得考虑的选择。 4.性能好，噪音低，寿命长，如此便不能对价格提出进一步的要求了，只要资金充足，液压、精密陶瓷等特色轴承技术都可列入选择范围之内。 5.对静音与寿命要求极高，磁悬浮轴承是仅有的选择，只是性能不佳，价格过高。 扇叶 有了稳定的电机和优质的轴承作为基础，要想令风扇高效的工作，发挥出强劲的性能，优秀的扇叶与外框设计便成为了关键。 常见的风扇扇叶截面曲线，一般基于Joukowski(茹科夫斯基，俄国著名的空气动力学家，当代航空科学的开拓者，提出了茹科夫斯基函数，奠定了机翼空气动力计算的理论基础)机翼截面曲线设计，再按照设计需要，根据叶片根部及端部与旋转轴之夹角、根部及端部宽度等数据进行旋转堆叠，形成三维扇叶曲面，并进行曲线拟合，最终完成整个扇叶模型设计。 扇叶的性能受到众多参数的影响，如层叠高度、叶片曲率、叶片倾角、叶片间距、叶片厚度、叶片数目、叶片冲角、叶端间隙、叶片宽度、主轴直径等等，且各参数间互相制约，关系复杂。此处，仅将几个用户较为关注的参数略加介绍: 叶片曲率:在一定范围内，叶片曲率越大，相同转速下，气体动能也就越大，即风量与风压越大;同时，叶片所受的阻力也越大，要求电机的扭力更大。当弧高/弦长的比值超过0.1时，升力系数便不再呈线性增加，故“一定范围”即0.05弧高/弦长0.1。 叶片倾角:倾角越大，叶片上下表面间压力差越大，相同转速下风压越大;但上表面压力过大，可能产生回流现象，反而降低风扇性能。因此，叶片倾角也应在一定限度内提升。 叶片间距:叶片间的距离过小，会导致气流扰动，增加叶片表面的摩擦，降低风扇效率;叶片间的距离过大，则会导致压力损失增大，风压不足。 叶片数目:各种规格风扇叶片的截面曲线、倾角等基本相若，每片叶片宽度往往取决于扇叶的高度。为了保证叶片间距不致过大，影响风压，径高比较小(即相对较薄)的风扇多采用增加叶片数目的方法弥补。不论叶片数目是多是少，轴流风扇的叶片数目却往往是3、7、11等奇数，这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，又没有调整好平衡，很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂，因此多设计为关于轴心不对称的奇数片扇叶设计。这一原则普遍应用于包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。 叶片不是越多越好,而是根据所需求的风量风压来考量,叶片多风量高的同时,风扇噪音会增加。当转速已达极限，若要增加风量，唯有改变扇叶角度或增加叶片,扇叶数量与风量成正比关系。 主要是选择一合适的叶片数量,达到散热的目的～ 叶端间隙:如何调整扇叶与外框之间所存在的间隙是风扇设计中的一大难题。间隙过小会令此间气流与叶片、外框发生摩擦，增大噪音;增大间隙则会由于反激气流等影响耳降低风扇效率——间隙增大1,，则全压功率下降约2,。 叶片弧度:扇叶除了在截面上具有一定曲率外，在俯视平面内也并非沿着径向笔直延伸，而是向着旋转方向略有弯曲，呈一定弧度。如果叶片沿径向笔直延伸，风扇旋转所带动的气流在出风口一侧将呈散射状，送风距离短，且“力量”不集中;如现行产品版略带弧度，则可保证吹出气流集中在出风口正前方的柱状空间内，增加送风距离与风压。 主轴直径:由于电机与轴承的存在，轴流风扇主轴所在的中心部分难免一定无气流通过的盲区，主轴直径便决定着此盲区的大小。主轴直径的大小则主要取决于风扇电机的功率——大功率的电机需要更大的定子绕组线圈，必然占用更多的空间，在无法纵向扩展(增加高度)的情况下，便只好横向扩展(增大面积)。 叶片光滑度:这是一项非设计因素影响的指标，基本上取决于生产者的模具成形与后期处理工艺。在设计曲线之外，叶片上的不平整会在旋转中产生紊流，增加摩擦，降低风扇效率，折损风扇性能，增大工作噪音。因此，应对叶片表面的光滑度严格控制，如果所购产品处理不佳，则应考率采用手工打磨等后续手段弥补。 虽然风扇的扇叶截面曲线多源于同一基础，所能进行的各种调整也都被限制在了一定范围之内，但还是有一些厂家作出了较大的改进，提出了很有特色的设计。 由于对扇叶设计的改进大多涉及到外框设计的变化，我们将在稍后结合外框设计一齐介绍。 外框: 风扇的外框是风扇所有部件的安身之地，保证各种部件稳固的安装其上是它最基本的功能。同时，它还应保证所采用材料与结构具有一定的强度，可以在一定程度内承受物理冲击，保护扇叶、电机等较脆弱的组件。 风扇的外框除了作为装配的基础、安装的支架外，还对通过风扇的空气起着不可忽视的导流作用。外框可以对扇叶所带动的气流进行“约束”，控制其流出方向，抑制反激与散射，令其集中于所希望的送风方向。此外，还可以通过一些特殊设计，达到增大风压等特殊效果。 扇叶外框特殊设计: 风扇的外框设计与扇叶设计密不可分，下面就介绍几种目前较常见的特殊扇叶与外框设计: 折缘风扇: AVC在现有扇叶设计的基础之上进行了改进，并将之命名为“龙手翼”。叶片的末端略微向上折起，减弱边缘部分的风速，进而减小反激气流与摩擦，性能较传统设计有所提高的同时，工作噪音进一步下降。典型的以退为进战术。 折缘风扇 ---------------------------------------------------------------------------侧进风风扇: 侧进风风扇: 同样为了解决叶端间隙的问题，AVC对叶片设计进行了改进，Tt-曜越科技则在外框上下了工夫。 略微缩小叶端间隙，并在外框上开出4道风槽，令外框不仅起到导流作用，更增加了进风途径，减少了反激气流。减少工作噪音的同时，令性能(风量)进一步提高。因此，Tt为它起名为“SilentBoost”。 三叶风扇: 风扇只有三片扇叶并不出奇，电风扇便是如此，但在小型直流无刷风扇上并不多见。 如前文所述，叶片数量过多、距离过近，会增加气流扰动与叶片表面摩擦，降低风扇效率，增大工作噪音。Tt 便为一些不需太大风压的散热片搭配了这种8cm 的“TripleBlade”三叶风扇。 减少了叶片数，为增大叶片面积，倾角也随之减小，因此风压有一定幅度的减弱。虽然风压不足，但叶片间的距离较大，风扇效率提高，保证最大风量尚可的同时，降低噪音。 三叶风扇 ------------------------------------------------------------------------------------ 外框导流片: 外框导流片: 前文已经提及，有的风扇在外框的出风口一侧增加了与扇叶形状相似，但弯曲反向相反的导流片，为气流再添一道“约束”。可令气流更加集中，缩小盲区，并进一步增强风压;但气流的冲扰与更多的摩擦，无疑会增大工作噪音。 典型代表为Delta-台达的FFB系列轴流风扇。以著名的FFB8012EHE“暴力”扇为例:8038规格、滚珠轴承、5700rpm、额定电压12V、额定电流1.35A、最大风量2.270cmm、最大静压20.63mm 水柱。它其实就是在8020规格的轴流风扇基础之上增加了9片高约18mm反向弯曲的导流片。 多道叶片风扇: 更有甚者，不满足于反向弯曲的出风口导流片所增加的风压，采用了更加极端的多道叶片设计，其中主要以两道叶片风扇为主。两道叶片的倾角相反，弯曲方向相反，旋转方向相反，由两个电机分别驱动，在最大风量不变的情况下，可提供几乎翻倍的最大静压。 典型代表为Delta-台达的GFB系列双道叶片轴流风扇。 CoolerMaster新近推出的“DualStorm”也属此类。 涡轮风扇: 与轴流 (Axial) 风扇并驾齐驱的另一大类空气导流设备就是Blower了，译为中文即吹风机、送风机。日常生活中最为常见的就是那种维持大型充气玩具的，蜗牛壳一样的鼓风机。 吹风机的工作方式与轴流风扇有较大的不同，反而与水泵较为相似。它的扇叶与旋转面垂直，呈环形排列，空气由轴向进入环形扇叶包围的空间，被扇叶旋转带动的离心效应横向甩出，通过直板状截面同样基于Joukowski 机翼截面曲线设计的扇叶时受到推压，沿扇叶旋转方向的切线吹出，在扇叶外围形成一道旋涡状的散射气流，再受到蜗牛壳状外框的导流，从一侧的开口切向吹出。 吹风机的优势在于: 1.可根据使用需要，大范围的对叶片长度、叶片宽度、叶片数量、出风口形状等进行调整; 2.离心式导流，送出气流平顺、集中，湍流少，无盲区; 3.叶片数量多，过风面上的总投影面积甚至大于过风面积，利用离心效应，较轴流风扇可提供更大的风压; CoolerMaster在传统的吹风机基础之上，根据风冷散热器的需要进行了修改——增大叶片长度，提升风量;简化导流罩，缩小体积，增大出风口面积——并推出了采用此种风扇的“龙卷风”系列散热器。Tt 也有类似产品推出 圆形外框风扇: 为适应一些特殊的安装要求——如圆形风道、圆形散热片等，不易使用“方方正正”的风扇，但又需要外框的导流作用，圆形外框风扇便应需而生。 圆形外框风扇 无框风扇: 无框风扇: 有些情况下，外框的导流作用已经不是必须，甚至有一定的负面影响，或对安装存在阻碍，它便被“抛弃”了^_^。 较常见于一些圆形放射状散热器，尤其是风扇内置型。典型代表为Zalman CNPS7000A，及Intel为盒装Prescott搭配的“太阳花”。 倒悬风扇: 外框不仅对空气有导流作用，出风侧一些“多余”部分还会扰流，对效能产生负面影 响，主轴支架就是一例。Arctic Cooling 针对此种状况，推出了扇叶倒悬的Fan Pro 系列风扇。 此风扇的电机不同于一般轴流风扇，它安装于进风口一侧，主轴支架也相应的移 至此侧，为送出气流扫清了道路。虽然如此，Fan Pro系列的叶片形状、倾角方向、 弯曲方向、旋转方向仍然与传统轴流扇相同，同样存在送风盲区，而且价格较贵。 外磁风扇: 主轴支架会扰流，电机与轴承同样会形成“盲区”，至少在近距离不利于气流覆盖整个散热片，即便不能消除，也应尽量缩小此盲区的面积。但以目前的技术，轴承对于旋转的扇叶仍是不可或缺的，YEN SUN便在电机上进行了改进。 YEN SUN的Tip Magnetic Driving (T.M.D.-_-b)FAN将风扇驱动电机置于外框内，而非传统的轴心，中心只保留轴承部分，增大过风面积，更令盲区大幅缩小。T.M.D.Fan的改进主要在于转子磁环与定子绕组的设计——增大转子磁环尺寸，套在整个扇叶外，定子则只有两个绕组线圈，与电路部分一起安装在外框的一角内。 按照YEN SUN提供的数据，外磁设计的风扇可较相同噪音的普通轴流风扇提高2.51%的最大风量与14.29%的最大静压。 各种风扇扇叶与外框的特殊设计目的不外乎提升风扇某一或某几个方面的性能，但一种特殊设计往往无法兼顾各方面的表现，因此，用户可根据实际使用需要选择其中的某一种产品: 1.对风扇没有特殊要求，只是希望能够在传统轴流风扇基础之上增强效能、降低噪音。AVC的“龙手翼”折缘风扇与Tt的“SilentBoost”侧进风风扇都是不错的选择，但分别仅针对6cm与8cm两种尺寸规格。 2.不需要很高的风压，希望提供较大风量的同时噪音更低，Tt的三叶风扇、YEN SUN的T.M.D.外磁风扇都可考虑，后者更增大了过风面积，减小了盲区，但可选尺寸规格同样受到限制。 3.所搭配散热片风阻较大，需要风扇风量不减的同时提供较大风压，又不希望或无法继续提高风扇转速，则不得不考虑带有外框导流片或采用多道叶片的风扇。若散热片中心部分还迫切需要气流“照料”，CoolerMaster的“龙卷风”系列涡轮风扇就是最合适的选择;但尺寸方面只有7cm与8cm两种，且“个头”较高。无论选择这三者中任何一种，都需要在使用中忍受大幅增加的噪音。 发展趋势: 无刷直流风扇的各种技术都已颇为成熟，各家设计与生产者目前只能在此基础之上进行改进与改良，如果没有重大的科学发现推动，短期内风扇的工作形式与性能表现都不会出现大的变革。 就当前而言，各方面的研发主要集中在三个方向: 1.改进流体力学设计——修改、调整甚至提出新的扇叶与外框设计，进而提升风扇效能是设计者们永远的诉求，也是最根本的改进方式; 2.延长使用寿命——改进轴承、电机设计，采用新型材料，引入各领域的成功技术，为了进一步延长风扇的使用寿命，设计与制造者们可谓绞尽脑汁，挖空心思; 3.降低工作噪音——根本性的解决措施在于减少摩擦与振动，提升效能，与前两者可谓殊途同归，但由于目前“静音”越发受到重视，一些厂家开始以此为中心重新订立研发计划、分配研发力度。 总而言之，目前风扇使用需求、设计与制造技术的发展趋势仍然是追求“更强、更静、更长寿”。 但作为风冷散热器的重要组成部分，拥有优质的风扇未必就能达到理想的散热效果，优秀的散热片设计与做工才是风冷散热 器性能的根本决定因素。 以下是关于风扇基本知识的介绍，有学习兴趣的请阅读～ 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1。 图1 有刷直流电机的构造 图2 无刷直流电机原理图 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，如上图2。 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3)，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。 图3 滚珠轴承 二、有刷电机与无刷电机 如前述，直流电机利用碳刷实现换向。由于碳刷存在摩擦，使得电刷 乃至电机寿命减短。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4)，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。 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5(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5(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5 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6 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?，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6 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7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7 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到线 为霍尔锁定型开关电路CS2018构成的无刷电机控制电路，CS2018内部集成了霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级等，它可直接驱动小功率的电机绕组。 图8 用CS2018霍尔开关锁定电路直接驱动电机 有些风扇采用光电传感器来检测风扇的速度，具体做法是:在电动机转子上设置一个遮光板，这样电机每转过一圈，遮光板就会将发光二极管照射到光敏管上的光线阻断一次，光敏管的集电极上电压改变一次，这样便可得到反映电机转速的脉冲信号，如图9 所示。 图9 光电传感器原理 从上面的介绍可以看出，利用霍尔传感器和光电传感器所得到的测速信号是有区别的。利用光电传感器测速，速度信号的频率与电机转速相同，而利用霍尔器件输出的换向信号作为测速信号时，两者相差若干倍:如果是两相电机，换向信号的频 率为转速的2倍，三相电机中换向信号的频率则是转速的3倍。在这里，BIOS中显示的速度是不是真实的风扇转速，在使用中务必请大家注意～ 五、转速调节方法 直流电机调速方式有两种:调压调速和调频调速。采用有刷电机的普通风扇可以通过调压方式改变转速，而采用变频电机的风扇，只能通过调频方式进行调速。 对于有刷电机来说，改变供电电压，则是改变转子绕组中电流从而改变磁场强度和转矩，电机的转速随着转矩的增加而升高，随着转矩的减小而降低。这种电机在负载阻力增大时，电机的转速会随之下降。要想在荷载变化时维持转速不变，必须采用闭环控制，通过速度负反馈来实现，因此控制电路比较复杂。 图13是一个实用的有刷电机控制方案，它是利用MIC501专用芯片为核心结合一些外围元件实现的。和图10所示的无刷电机控制电路进行一个简单的
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