风扇转速

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

1

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。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

2

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）。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

3

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（brushlessmotor）。

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。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

4

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AB-、AC-、BC-、BA-、CA-、CB-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

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

5

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10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10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

到真实的电机转速。

图11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。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

6

图11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12所示。

图12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比较，

便可发现两者电路结构的明显区别。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

7

图13调压调速电路

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（FullSpeed）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；从第二个控制输

入端接入一个由可变电阻组成的偏置电路，可实现转速的手动控制。

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。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

8

图14venus12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A／D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

CASEFANII风扇），正是因为具有这种功能。

图15温度－转速曲线

六、风扇的监控与保护

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索-百度文库

9

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。

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，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。

七、高档风扇的接线

普通风扇只有一个电源插头，使用起来很简单。高档风扇有很多插头，必须弄

清楚它们的功能并进行正确的设置和连接后，那些高级功能才能得以利用。

1、测温信号线的连接。温度信号一般采用热敏电阻作为温度传感器进行温度

采样。以Tt金星12型风扇为例，其温度变化导致热敏电阻的阻值变化，因此输

入信号是没有极性的。只要将热敏电阻置于CPU和散热片之间，然后拔去风扇

上的黄色信号线的跳线，将风扇的黄色信号线插头，测温信号线的连接就完成了，

如图16。

图16传感器的连接方法

2、调速器信号线的连接。手动调速器实际上是一个可变电阻，阻值调至最小

（或用跳线短接）时风扇的转速最低，阻值最大时（或拔去跳线）风扇全速运转。

Tt金星12型风扇随机附件中有两个调速器，可根据情况选用其中之一。既可安

装在主机箱前面板的3.5"软驱的位置，也可安装在主机箱背后的插槽位置。最后

将插头连接到风扇的红线插座上即可。