小型直流风扇工作原理.doc

FAN的基本概念;
Q:4010, 8025,12025 分别是风扇的机种命称，它们是如何命名的.
A:风扇通常是按外型其尺寸来命名的。
4010：L=40MM；W=40MM；H=10MM。
12025：L=120MM；W=120MM；H=25MM。

Q：风扇机种按机构是如何划分的？
A：通常以风扇轴心结构分为
one ball one sleeve; 一个培林加一个铜轴===》价格一般，寿命长
two ball; 两个培林 ===》价格较贵，寿命更长
sleeve ； 铜轴 ===》价格便宜，寿命短

Q：风扇通常外接的PIN 线有哪几种？
A：通常按线接分为2PIN,3PIN,4PIN
2PIN VCC+GND
3PIN VCC+GND+FG / VCC+GND+RD
4PIN VCC+GND+FG+PWM / VCC+GND+RD+PWM

Q: 风扇中的FG,RD,PWM,CT，SS，分别指的是什么？
A：FG Frenquency generator(转速侦测信号);
RD Rotate detection(转动侦测信号);
PWM Pulse width module(脉宽调制信号)
CT Autoshutdown atuorestart(锁定自启动）；
SS Soft Swich (软切换)

Q:DC FAN 通常有哪几种工作电压，分别用在什么类的END Customers?
A: 5V ----NB
12V ------DT or VGA etc
24V -------OA or Severs sys
18V -------electromagnetic oven
48V --------- other industrial application

Q:风扇应用中经常听到的死点（定点）是指什么？
A：是指FAN在通电中，通过外力使FAN扇叶停转在某一点，而在将外力撤离后，扇叶无法继续转动，
而在这一点通常称为风扇的死点。

Q：风扇在客户承认测试或生产过程中通常会有哪些测试？
A：生产过程：低压启动，锁机测试，烧机测试，异音测试，电流波形测试。
测试承认：ON/OFF，高低温老化测试，锁机测试

1 直流风扇的基本结构及其工作原理(以9141/277为例)
1.1 直流基本结构概况
(1)直流风扇机械结构由以下几个主要部分组成﹕
A外框﹕塑料压制而成,一般为正方形,圆形.
B叶片﹕固定在风扇外转子上﹐外转子为塑料永磁磁环﹔
C磁条：采用塑料磁盘﹐经充磁机充磁后形成带有磁体的磁条.
D定子﹕直流风扇的固定不旋转部分.一般为四个大齿构成四极﹐四极上绕有两组线圈.
E转子﹕叶片和磁条一起构成直流风扇的旋转部分.
直流风扇电气结构由以下几个主要部分组成:
A定子﹕产生旋转的电磁场.
B转子﹕以相同于--转子产生的旋转电磁场速度运转部分.
C 9141:HALL电压发生器, HALL电压放大器, Schmitt trigger,驱动放大器等—实现对马达的控制.
1.2马达工作原理
HALL IC 对磁场强弱及极性变化作出判断,输出控制信号以控制马达风扇的运转﹒(1):当9141最接近永磁转子的S极，在强磁场作用下，霍尔组件产生霍尔电压,经过一系列的信号处理,最终9141 PIN3输出低电位，PIN3 导通(9141 PIN2输出高电位)，通过红色线圈L1的电流I1在定子4极，分别产生相对的磁极:P1→S; P2→N; P3→S; P4→N;与转子(磁条)4极,发生磁力作用,推动转子逆时针转动。(2):当转子S极离开9141，9141 PIN3, PIN2的DRIVER具有ΔT时间段共同截至, PIN3, PIN2输出高电位，避免红色线圈L1、黄色L2同时工作。依赖转子的惯性，转子N极移到9141处，霍尔组件产生霍尔电压，经过一系列的信号处理,最终9141 PIN2输出低电位， (9141 PIN3输出高电位)，通过黄色线圈L2的电流I2在定子4极，分别产生相对的磁极:P1→N; P2→S; P3→N; P4→S;与转子(磁条)4极,发生磁力作用,推动转子逆时针转动。由于9141根据感应的磁场强弱及极性变化,不断切换9141 PIN2, PIN3的DRIVER交替轮流导通,最终实现马达的直流无刷电子交换控制,使马达转子不停地旋转.

1.3HALL组件位置的设置
HALL传感器摆放位置不合理会造成换相不良﹐转速不稳定﹑效率低﹐易产生死点﹐大小波,噪音等缺点﹒若扇叶上之NS)极旋转至Hall Element, 但Hall IC并未感应到Brp(Bop)而转态时(如图), 此时磁带与线圈之四极磁场即因吸力而停止旋转, 形成所谓之死角。在此情况下应为Hall IC感应度不够, 磁带磁场过小, 或Hall IC位置不良所造成, 改善磁带部分由图三之磁带磁场分布图可知, 在Hall IC位置不变下, 将磁带之充磁值加大, 磁极转换区角度减小, 皆可有利感应, 在改善位置部分则由图三可知Hall IC应偏移至感应点Bop,Brp处才能感应, 故若有死角发生应为Hall IC位置偏于磁极转换区中心, 因此将Hall IC位置略往右达到Bop, Brp位置即可改善死角, 另外Hall IC与磁带距离愈近则感应到之磁场愈强, 所以将Hall IC更加靠近磁带, 则改善效果将更加显著, 在Hall IC感应度不够部分则可改用感应度更好之Hall IC即可。为了确保风扇能正常运转﹐建议IC的位置应超前换相点﹒

Brp
圖1
S
N
N
S
S
N
S
N

1.4 风扇的结构细节说明﹕
风扇主要由框架﹑扇叶(包括磁条)﹑PCB板(包括ATS277等),定子(线包STATOR和磁钢)四部分组成。

磁条
磁条由特殊材料充磁而成﹔磁条充磁可设定为四极﹐将磁条展开如下图一所示﹕一般将磁条首尾相连﹐形成一个磁环﹐放入扇叶内框。

外側

N

S
N
S
內側

(图一 磁条展开示意图)

磁条充磁一般分为内充(磁条内侧磁场强度最大)和外充(磁条外侧磁场强度最大)两种方式﹔6CM以上的风扇均采用内充方式﹐5CM或以下采用内充或外充两种方式。充磁强度一般根据风扇大小决定﹒
磁条影响风扇性能主要有以下几个方面﹕
(1)﹑磁条充磁强度不够﹕特别是应用在小风扇中﹐因IC距离磁条较远﹐IC感应到磁条的磁场较弱﹐反映在磁场强度磁特性曲线较平滑﹐则IC的切换时间较长﹐从而易产生感应不良﹑死点等问题﹒
(2)﹑磁条充磁不均匀或对称性较差﹐IC在N／S切换时间会有差异﹐同样会导致严重的大小波﹐转速不稳定等问题﹒

(图二 磁条磁强度曲线图)
感應點磁強度曲線
N N

S

S

HALL IC
PCB板装有HALL IC等部件﹐是风扇的主要构成部分之一。

PCB板
HALL IC

磁條

(图三 HALL IC站立焊接示意图)

磁條

PCB板

(图四 HALL IC平贴焊接示意图)

HALL IC的安装方式﹕
(1)﹑HALL IC站立式焊接﹐此焊接方式一般应用于不小于5cm的大风扇中﹐
IC直接感应到的是磁条的内侧面﹐而磁条的内侧面磁场强度是最强﹐较利于
Sensor 的感应﹔所以站立式焊接对IC与磁条的距离要求不太严格﹒出现故障
现象（感应不良﹐死点﹐波形不良﹐大小波等）也较少﹒
(2)﹑HALL IC平贴焊接﹐此焊接方式一般应用于小于5cm的风扇中﹐由于IC感应的是磁条下面的内侧磁场（如图五所示）﹐此处磁场密度相对较弱﹐故一般平贴式焊接出现感应不良的现象较多﹒

磁條切面
S N

HALL IC

(图五 HALL IC平贴安装感应)

线包（STATOR）和软磁材料
对于采用177﹐277／266的风扇﹐其线圈一般采用双线并绕的方式﹔线圈共引出三个抽头（其中一个抽头是由俩组线圈的首尾相连而成.如原理图所示）﹒
线包（STATOR）和软磁材料﹕
(1)﹑线包的匝数﹑特性阻抗直接影响风扇的推力﹐最终影响到转速的大小等﹒
(2)﹑软磁材料根据风扇的实际要求配置﹐一般为3~8片硅钢片,导磁率越
强﹐定子4极产生的磁场强度越强.

2 霍尔组件的应用（以9141/277为例讲述）

2.1 动作特性

正常情況下APX9141之輸出必為一High(Off), 一Low(On), High Level為Vcc之電壓, Low Level為輸出電晶體之飽和電壓, 假設Vout1為High, Vout2為Low, 有一外加正磁場進入IC時(圖1), 當此磁場之高斯值達到IC之正磁場感應值Bop時Vout1之輸出即轉Low, Vout2之輸出即轉High(圖3), 之後即使再加大正磁場或將磁場去除, Vout1仍然為Low,
N
Marking Surface
S
圖 1

磁条的充磁曲线
感應點磁強度曲線
N N

t

S

S

Vout

VOH

VOL

-B
+B

Bop
Brp

2.2 9141引脚描述

Name
P/I/O
Pin #
Description
Vcc
P
1
Positive Power Supply
DO
O
2
Output Pin
DOB
O
3
Output Pin
Vss
P
4
Ground

2.3 9141与 FS319,AH477基本区别﹕

9141采用双线圈绕制﹐工作时通过Schmitt trgger控制俩个晶体管导通关断来控制线圈通断(输出半波)﹐而319采用单线圈﹐启动电流较小﹐双向Ｈ型输出驱动,通过控制四个晶体管的通断来控制线圈中电流的方向(输出全波)﹒