使用更少的电力来冷却电子设备

每个电子设备在运行时都会产生热量。必须消除这种不需要的热量，因为温度升高通常会降低设备的性能和使用寿命。主动冷却是将设备温度保持在允许的工作范围内的一种方法。在主动冷却中，系统风扇用于在发热组件周围产生气流，有效地去除设备中的热量。然而，风扇会产生噪音并消耗额外的电力——这是电池供电的物联网设备的一个重要因素。本文探讨了冷却电子设备的各种方法，并介绍了电换向 (EC) 风扇技术的概念。

图 1：EC 电机的示意结构

电子设备的冷却方法

电子设备可以通过多种技术进行冷却。这些方法包括：

自然对流冷却利用温差导致的流体密度差引起的运动。流体受热时会膨胀并变得不那么稠密。较轻的流体上升，引起流体运动，称为自然对流。自然对流可用于使控制柜内的空气循环并保持冷却。

强制空气对流冷却使用风扇将空气吹过容纳电子元件的外壳，从而促进自然对流。典型的强制对流系统包括带有过滤器的风扇，除了增加热传递量之外，还可以增加流体的速度和流量。

热交换器将热量从电子外壳传递到流体中。来自该流体的热量被传递到热交换器内的第二流体。原始流体（液体或气体）被冷却并返回指定位置，重新启动风扇或泵用于保持流体运动。

空调使用制冷剂和空气输送系统来冷却空气。典型的空调通过在封闭组件周围和通过它们循环空气来传递热量。然后空气被冷却、除湿并返回到外壳。冷却发生在空调内，并使用蒸汽压缩制冷循环排出热量。

热电冷却器或珀耳帖冷却器在外壳内部和外部都有风扇，并使用热电装置代替典型的基于流体的制冷系统。热电单元本质上是放置在两个陶瓷板之间的半导体阵列。当向半导体阵列施加直流电时，热量从一个板转移到另一个板，形成冷侧和暖侧。

涡流冷却器：涡流冷却器通过连续供应的过滤压缩空气产生极冷的空气流。冷空气首先被注入外壳，取代热空气，然后被推过涡流冷却器。当环境温度超过外壳温度时，也可以使用涡流冷却器。

图2：涡流冷却器

什么是EC风扇？

电子换向 (EC) 风扇具有以交流电 (AC) 运行的电机。这些电机与直流 (DC) 电机非常相似。EC 电机是“电子换向”的；它利用内置电子电路来控制电机旋转的速度和方向。与依靠机械电刷进行换向的传统直流风扇相比，可实现更高的能源效率和更安静的运行。EC 电机和风扇可以直接连接到交流电源，而不是单独的直流电源。此功能使它们易于改造，并提供更好的控制和更高的效率。

直流和交流电机的基础知识

所有电动机都将电能转化为机械能，但它们的转换方式不同。用于转换能量的技术取决于提供给电机的功率，这反过来又影响磁场的形成和调节方式。

交流感应电机：交流感应电机适用于所有类型的机器。这种简单而坚固的电机通常以恒定速度运行，当机械负载施加到电机轴上时，速度会略有变化。交流电机的设计使其能够在特定的速度范围内实现最佳运行，因为它们运行的线路频率是固定的。这使他们能够在性能曲线上的指定点实现最高效率。然而，当它们在此范围之外运行时，它们的效率会明显下降。工程师可以使用变频驱动器 (VFD) 来提高或降低交流电源的频率，但它们往往体积庞大且昂贵。

直流电机： 直流电机依靠直流电源运行并产生机械扭矩。直流电机具有较高的启动扭矩，可以轻松吸收突然增加的负载。它们广泛用于可调速驱动器和位置控制应用。在需要宽速度范围控制的情况下，直流电机是首选，因为它们比交流电机更简单且更便宜。低于基本速度的速度可以通过电枢电压控制来控制，而更高的速度可以通过磁场磁通控制来实现。

AC/EC 风扇如何工作？

EC 电机装有将交流电转换为直流电的电子设备。这些电子设备还通过调节电机功率来执行换向并控制速度。板载电子设备通过每个绕组在正确的方向和精确的时间提供适量的电流。这一动作在定子内产生磁极，与转子的永磁体相互作用。每个磁铁的位置是使用霍尔效应传感器确定的。通过将适当的磁体按顺序吸引到定子中的磁极，同时以相反极性对剩余定子绕组充电，可以实现吸引力和排斥力的组合。这些吸引力和排斥力结合起来实现旋转并产生最佳扭矩。

为什么 AC/EC 风扇比 AC 风扇更节能？

EC 风扇提供与 AC 风扇相同的风量输出，但耗电量更少，比标准 AC 技术消耗的能源少 70%。标准交流风扇的设计使它们能够在性能曲线上的预定点运行，这与它们的峰值效率一致。该工作点两侧的效率都会大幅下降。另一方面，EC 风扇具有几乎平坦的效率曲线，在整个速度范围内变化相对较小。这使得 EC 风扇能够调整到所需的冷却水平，从而减少因风扇运行速度过快而造成的能源浪费。