風扇是目前電腦中最常用的一種強制冷卻裝置。風扇由電機、軸承、葉片和殼體幾個部分構成。電機是風扇的動力**，風扇的轉速高低、勁頭大小都取決於電機的效能。
普通風扇一般只幾元錢乙隻，而一些高檔風扇卻賣幾百元乙隻。**上的巨大差異，並不因為軸承型別和扇葉形狀、氣流方向等方面，而主要因為風扇電機效能上的差異，一台好的風扇關鍵是有一台好的電機。例如，tt出品的金星12型風扇轉速可在2000～5500rpm之間進行無級變速。
序列號為a1745的散熱風扇，連同散熱片及調速器一起售價高達480元人民幣（如圖1）。
圖1 金星12型風扇套件
高檔風扇的控制功能很強（如圖2），電機的結構也較為複雜。由於風扇電機的技術含量越來越高，如果對其細節不甚了解，就難以正確地安裝和使用。因此，本文重點對風扇中所使用的電機進行剖析。
圖2 金星12型風扇的外觀
一、直流電機的基本工作原理
根據供電方式的不同，電機有直流電機和交流電機兩種型別。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，如圖3。
圖3 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。由於定子是固定不動的，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後，換向器將供電電壓接入另一對繞組，並在該繞組中繼續產生磁場。
可見，由於換向器的存在，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，如圖4。
圖7 無刷直流電機原理圖
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。普通風扇一般採用滾珠軸承（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，通常採用更為先進的液態軸承（如圖6）。
圖5 滾珠軸承
圖6 液態軸承的結構
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。由於碳刷存在摩擦，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。無刷電機採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。
圖7 無刷直流電機原理圖
無刷電機由於沒有碳刷，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**，風扇採用的是變頻電機，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，控制晶元將集dsp功能與驅動器於一體，簡化了電路結構。通過對控制晶元程式設計，可改變電機轉速。
圖8 直流電機的構造
變頻電機具有直流電機特性、卻採用交流電機的結構。也就是說，雖然外部接入的是直流電，卻採用直流-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取決於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，產生乙個磁場，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，於是電機連續轉動。
圖9 無刷直流電機工作原理
變頻電機的驅動電路由主迴路和控制迴路兩部分組成，現在已經將這兩部分整合到同乙個晶元中，這樣只要使用乙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，常用的控制晶元有日本三洋公司的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雜訊抑制的日益重視，許多任務業產品都趨向採用無刷電機，對電機微控制器提出了更高要求。作為新一代電機控制dsp晶元，ti公司高價效比的tms320c240 非常適合於完成這一任務。
四、變頻電機的電路組成
為了對風扇電機的執行狀況進行監控，需要從風扇電機向主機板輸出速度訊號，實現風扇運**況的監控。監控電路用來顯示風扇轉速，並可實現報警和電腦的自動停機，以防止因風扇停轉而燒毀cpu或其它器件的情況出現。現在變頻電機普遍採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，必須曏集成功率器件輸入反映轉子位置的訊號，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感測器兩種手段進行位置和轉速檢測。
霍爾器件是一種基於霍爾效應的磁感測器，霍爾效應是美國科學家愛德文·霍爾於2023年發現的。目前，使用霍爾效應的磁感測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**表面垂直的磁場b，在薄片的橫向兩側會出現乙個電壓（圖中的vh稱為霍爾電壓）。
圖10 霍爾效應
變頻電機利用霍爾器件測量轉子的相對位置，所獲得的訊號輸入到控制晶元中，驅動電機旋轉。同時，還可將該訊號通過主機板輸出，作為測速訊號使用，可謂一箭雙鵰。由於換向脈衝為方波訊號，在主機板上經過簡單處理便可輸送給主機板進行顯示和控制。
由於電機的相數一般在2個以上，換向訊號的頻率為電機的轉速的若干倍，因此，如果利用換向脈衝作為測速訊號，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內部整合了霍爾電壓發生器、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。
圖11 用cs2018霍爾開關鎖定電路直接驅動電機
有些風扇採用光電感測器來檢測風扇的速度，具體做法是：在電動機轉子上設定乙個遮光板，這樣電機每轉過一圈，遮光板就會將發光二極體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衝訊號，如圖12所示。
圖12 光電感測器原理
從上面的介紹可以看出，利用霍爾感測器和光電感測器所得到的測速訊號是有區別的。利用光電感測器測速，速度訊號的頻率與電機轉速相同，而利用霍爾器件輸出的換向訊號作為測速訊號時，兩者相差若干倍：如果是兩相電機，換向訊號的頻率為轉速的2倍，三相電機中換向訊號的頻率則是轉速的3倍。
在這裡，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。採用有刷電機的普通風扇可以通過調壓方式改變轉速，而採用變頻電機的風扇，只能通過調頻方式進行調速。
對於有刷電機來說，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公升高，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，必須採用閉環控制，通過速度負反饋來實現，因此控制電路比較複雜。
圖13是乙個實用的有刷電機控制方案，它是利用mic501專用晶元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乙個簡單的比較，便可發現兩者電路結構的明顯區別。
圖13 調壓調速電路
在有刷電機電路中，電機主迴路中與功率電晶體vt串聯，vt的作用相當於乙個可變電阻，晶元7腳輸出的訊號通過基極電阻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，接入控制晶元的第乙個控制端vt1，實現轉速-溫度自動控制；從第二個控制輸入端接入乙個由可變電阻組成的偏置電路，可實現轉速的手動控制。
由於有刷電機的轉速受到荷載大小的影響，採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宕機、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晶元燒毀的案例。
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，即可實現恆定轉速，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乙個電位器（如圖14），難道這款風扇採用了技術落後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。
圖14 venus12型風扇調速器
其實不然，與有刷電機控制電路輸出模擬訊號不同，變頻電機的轉速控制完全基於dsp（數字訊號處理）控制過程。電位器本身實現的直流電壓調節，它從dsp晶元的模擬訊號輸入端接入，其引數經過a／d轉換後，控制晶元的輸出仍為數碼訊號。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訊號（如溫度、電壓或pwm訊號），而輸出數碼訊號。
一些高檔風扇可根據被散熱裝置的溫度變化自動調節轉速，其過程是：利用溫度感測器（熱敏電阻等）測量被散熱裝置的溫度，並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保護被散熱裝置，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「智慧型風扇」的美名（如曜越科技的**art case fan ii風扇），正是因為具有這種功能。
圖15 溫度－轉速曲線
六、風扇的監控與保護
儘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，所以最好對風扇的執行狀態進行實時監測，便於及時發現問題。
目前，對風扇自身的監控方式有報警感測器和速度感測器兩種型別，利用報警感測器可在風扇速度低於某個門限值時給出報警訊號，而速度訊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訊號有「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訊號通常為脈衝形式，每個波頭表示風扇轉過一圈，這樣的訊號可直接通過資料匯流排提供給主機進行顯示。某些風扇輸出的轉速訊號並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個脈衝，必須經過處理才能形成反映風扇的真實轉速訊號。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，然後與顯示的資料進行比較。
風扇的測速訊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訊號輸出線。應該注意的是，某些三引線風扇的第三根引線並不是測速訊號輸出線，而是轉速控制訊號線，通過它向風扇電機輸入調速控制訊號。
七、高檔風扇的接線
普通風扇只有乙個電源插頭，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並進行正確的設定和連線後，那些高階功能才能得以利用。
1、測溫訊號線的連線。溫度訊號一般採用熱敏電阻作為溫度感測器進行溫度取樣。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，因此輸入訊號是沒有極性的。
只要將熱敏電阻置於cpu和散熱片之間，然後拔去風扇上的黃色訊號線的跳線，將風扇的黃色訊號線插頭，測溫訊號線的連線就完成了，如圖16。
圖16 感測器的連線方法
2、調速器訊號線的連線。手動調速器實際上是乙個可變電阻，阻值調至最小（或用跳線短接）時風扇的轉速最低，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"軟碟機的位置，也可安裝在主機箱背後的插槽位置。最後將插頭連線到風扇的紅線插座上即可。
電話的結構和工作原理
1 由話筒和聽筒 電源串聯組成.2話筒由金屬盒 碳粒 碳精 膜片構成.人對話筒說話時，聲波使膜片振動，膜片忽鬆忽緊地壓擠碳粒，使金屬盒的整體電阻忽大忽小，在電路裡就產生了強弱按聲音振動而變化的電流，使聲音轉化為變化的電流.3 聽筒由永磁鐵 螺線管 薄鐵片 膜片 構成.當電路中忽強忽弱的電流通過聽筒裡...
液壓檔輪的結構和原理
一 液壓檔輪的結構組成 推力檔輪訊號檔輪液壓缸儲能器石黑潤滑裝置 徑向活塞幫浦電機解壓閥流量控制閥壓力測驗點過濾器 二 工作原理描述 在可以調整的時間階段內，迴轉窯的液壓縱向機構推動迴轉窯在軸向的變動為 15mm。運動路徑可通過可調節臨近探頭決定 當在出口位置時，探頭開啟軸向柱塞幫浦，而在進口位置進...
CVT的主要結構和工作原理
該系統主要包括主動輪組 從動輪組 金屬帶和液壓幫浦等基本部件。金屬帶由兩束金屬環和幾百個金屬片構成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固定盤組成，與油缸靠近的一側輪可以在軸上滑動，另一側則固定。可動盤與固定盤都是錐面結構，它們的錐面形成v型槽來與v型金屬傳動帶嚙合。發動機輸出軸輸出的動力首先傳遞到cvt...