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1、无刷直流电机原理图 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。 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。 变频电机工
2、作原理 图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。 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
3、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。 附件 7.jpg (39.97 KB) 2008-6-27 23:41 TOP 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
4、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。 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
5、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真实的电机转速。 图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 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
6、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 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 风扇转速调节方法 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
7、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。 下图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。 和上图所示的无刷电机控制电路进行一个简单的比较便可发现两者电路结构的明显区别。 在有刷电机电路中电机主回路中与功率晶体管 VT 串联VT 的作用相当于一个可变电阻芯片 7 脚输出的信号通过基极电阻 Rb 与其基极相连对 VT 的导通程度进行控制电机转速
8、随 VT 的导通程 度的变化而变化。VT 截止时电机停转VT 饱和导通时电机全速Full Speed旋转。图中 T1 为热敏电阻接入控制芯片的第一个控制端 VT1实现转速-温度自动控制 由于有刷电机的转速受到荷载大小的影响采用这种电机的风扇在使用过程中容易因为灰尘和润 滑不良等因素造成转速下降甚至停转对 CPU 等昂贵部件的安全构成威胁。在电脑故障中因为风 扇转速下降导致的电脑死机、蓝屏和重启动等故障经常发生其中也有因风扇停转而导致芯片烧毁 的案例。 变频电机则很少出现这些问题因为其转速只与所设定的频率有关而与载荷和供电电压无关 无需转速反馈控制即可实现恒定转速因此风扇运转的稳定性和可靠性大大
9、增强。 读到此处细心的读者也许要问 金星 12 型风扇配件中用来调速的旋钮是一个电位器如图 14 难道这款风扇采用了技术落后的有刷电机而不是变频电机吗因为有刷电机通常通过调节串联电阻 来调节供电电压以实现转速调整调节电阻阻值实际上就是调节供电电压。 图为 venus12 型风扇调速器 其实不然与有刷电机控制电路输出模拟信号不同变频电机的转速控制完全基于 DSP数字信号处 理控制过程。电位器本身实现的直流电压调节它从 DSP 芯片的模拟信号输入端接入其参数经 过 AD 转换后控制芯片的输出仍为数字信号。简言之有刷电机的控制过程从输入到输出是完 全模拟的而变频电机的控制电路输入模拟信号如温度、电压
10、或 PWM 信号而输出数字信号。 一些高档风扇可根据被散热设备的温度变化自动调节转速其过程是利用温度传感器热敏电 阻等测量被散热设备的温度并将其数值反馈给风扇控制电路控制电路根据所设定的温度-转速 特性曲线如图 15调节风扇转速。风扇的这种自适应功能既能有效地保护被散热设备又能在温 度较低时减少耗电和噪音。一些厂商之所以给他们的产品冠以“智能风扇”的美名如曜越科技的 SMART CASE FAN II 风扇正是因为具有这种功能。 TOP 直流风扇的监控与保护 尽管变频电机有很高的可靠性但它仍然是机械器件在长时间使用时其速度可能会下降甚至停转 所以最好对风扇的运行状态进行实时监测便于及时发现问题
11、。 目前对风扇自身的监控方式有报警传感器和速度传感器两种类型利用报警传感器可在风扇速度低 于某个门限值时给出报警信号而速度信号输出则可实现风扇速度的实时监控。 从风扇电路输出的报警信号有“高电平”和“低电平”两种状态两种电平所代表的意义一般按照正 逻辑体制高电平表示“故障”“低电平”表示“正常”。 从风扇电路输出的转速信号通常为脉冲形式每个波头表示风扇转过一圈这样的信号可直接通过数 据总线提供给主机进行显示。某些风扇输出的转速信号并不是风扇的真实转速而是转速的倍数譬如 每转一圈产生 2 个、4 个或 6 个脉冲必须经过处理才能形成反映风扇的真实转速信号。如欲辨别风扇 转速是真实转速还是某个倍数
12、可使用转速表测量实际转速然后与显示的数据进行比较。 风扇的测速信号一般从三引线插头输出三根引线中黄色和黑色分别为12V 电源和接地另外一种 颜色的线则是转速信号输出线。应该注意的是某些三引线风扇的第三根引线并不是测速信号输出线 而是转速控制信号线通过它向风扇电机输入调速控制信号。 直流风扇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 100010000 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。 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
13、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。 液态轴承的结构 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 TOP 如图所示: