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DC无刷风扇介绍

2025-08-08 15:00:53

  风扇的导流作用令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片表面,加快散热片与空气之间的热对流,即强制对流散热。因此﹐对风扇各种相关知识的了解也是了解风冷散热器的一個重要步骤。

  衡量一款风扇的品质,最重要的两个方面为性能与寿命,其次便是越来越受到关注的工作噪音;此外,关系到能否正常使用,还必须注意风扇的规格与功率。

  轴承作为风扇寿命的瓶颈因素,同时也对风扇的工作噪音、制造成本有着重要的影响,倍受用户关注,风扇设计、制造者们也在其上投注了大量的技术与人力,对各种轴承技术略加了解也是正确选择风扇的前提条件之一。目前市场上很多品牌都有自己独特的轴承设计,各种设计都在寿命、噪音、成本等方面有其独到的优势。下面,就为各位简要介绍一下几种常见或颇具特色的轴承技术。

  传统的轴承技术,轴芯嵌套在轴套之内转动,利用润滑油充填轴芯与轴套间的空隙,减少摩擦与振动。使用初期,润滑油均匀填充轴芯与轴套间的空隙,令转动平滑稳定,因而工作噪音很低,轴承磨损少。但随使用时间增长、灰尘吸附增多,润滑油会因摩擦发热而挥发,油量逐渐减少,轴承的摩擦与振动增加。由此导致轴承噪音增大,磨损加剧,寿命缩短,因此不适合高转速的“暴力型”风扇,也无法达到“长寿”的目标。通常产品寿命为5000~8000小时。

  滚珠轴承不再仅依靠润滑剂填充轴芯与轴套间的空隙,而是将空间略加扩大,在其中置入数个金属滚珠。当轴芯与轴套相对运动时,滚珠也随之滚动,并不与二者发生滑动摩擦,降低转动阻力,减少能量损耗。当然,为了填补空间兼而起润滑作用,滚珠轴承也需要使用润滑剂,但工作空间相对含油轴承密封较好,且摩擦更小,寿命很长。

  轴芯、滚珠、轴套间空隙较大,容易发生振动,还具有工作噪音大的不足之处。通常产品寿命可达50000~100000小时。我司Notebook主要是用這種結構的風扇.以twoball為主.

  单滚珠轴承则是为了弥补双滚珠轴承成本高、噪音大等不足之处的折衷产物,采用其它形式轴承与一道滚珠轴承配合,对轴芯进行支撑。与滚珠轴承配合的轴承可选范围很大,从传统的含油轴承到磁悬浮轴承,目前都有产品可见,而使用較多的仍然是含油轴承与单道滚珠的组合。此种组合中,含油轴承只起小部分的支撑作用,磨损较单独工作中大幅减少;同时,还可减少双滚珠轴承产生的震动,降低工作噪音。

  系著名散热器及风扇设计制造厂家AVC-奇鋐科技的专利产品,是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。

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  轴芯采用金属粉末冶金技术,表面具有大量毛细孔,可吸附润滑油,保证轴承的高润滑度。

  系著名散热器设计制造厂家CoolerMaster-至尊的专利产品,也是在传统含油轴承基础之上改进而成。

  来福轴承在轴芯表面增加了反向螺旋型的导油槽,旋转过程中令润滑油反向回流,减少损耗,并在底部设置储油槽,增加储油量,避免含油流失。改进后寿命较含油轴承有大幅提升,但成本仅小量增加,是延长风扇寿命的经济型解决方案。

  系知名散热器及风扇设计制造厂家ADDA的专利产品,同是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。

  Hypro与液压轴承可谓殊途同归,两种设计各自采用了一些独到的改进措施,但精髓同为循环油路系统,各方面的表现也基本相当。

  台湾著名风扇、电机设计制造企业SUNON-建准集团则是第一个完全以磁悬浮命名风扇产品或轴承的。

  SUNON的Maglev(MagneticLevitation,磁悬浮)电机在传统直流无刷电机的电路版与定子之间增加了一层“磁悬浮板”,利用转子磁环磁场对磁悬浮板的吸附作用,将磁环固定在稳定的圆形轨道之上,将轴芯压紧在顶芯盖之内,几乎不与轴套发生摩擦,从根本上减少轴承磨损的“机会”。

  采用陶瓷材料粉末精密加工而成的轴芯,得益于精密陶瓷材料高强度、高硬度、耐高温的特点,大幅延长轴承使用寿命。精密陶瓷轴承在各种小型电机中得到广泛应用,典型代表有直流风扇、小型水泵、光存储设备主轴电机等。

  Foxconn-富士康采用纳米技术,将精密陶瓷轴承的品质进一步提高。轴承核心全面采用纳米级的氧化锆粉,晶体颗粒由过去的60um下降到了0.3um。和以往精密陶瓷轴承材料相比,纳米级氧化锆粉拥有更高强度、硬度,耐高温能力也可达传统材料的数倍。同时,富士康为其采用纳米陶瓷轴承(NANOCeramicBearing)产品的内部,注入了昂贵的,具有极低挥发性,及优秀润滑能力的纳米级粒子润滑剂,进一步减少摩擦,延长寿命。采用纳米陶瓷轴承的风扇产品通常寿命甚至超过双滚珠轴承风扇,达到80000~100000小时。

  扇叶的性能受到众多参数的影响,如层叠高度、叶片曲率、叶片倾角、叶片间距、叶片厚度、叶片数目、叶片冲角、叶端间隙、叶片宽度、主轴直徑等等,且各参数间互相制约,关系复杂。不断的调整各项参数,寻找最适合目标工作要求的组合,便是进行扇叶设计的研究人员所从事的工作。只能將几個较为关注的参数略加介绍:

  倾角越大,叶片上下表面间压力差越大,相同转速下风压越大;但上表面压力过大,可能产生回流现象,反而降低风扇性能。因此,叶片倾角也应在一定限度内提升。

  叶片间的距离过小,会导致气流扰动,增加叶片表面的摩擦,降低风扇效率;叶片间的距离过大,则会导致压力损失增大,风压不足。

  各种规格风扇叶片的截面曲线、倾角等基本相若,每片叶片宽度往往取决于扇叶的高度。为了保证叶片间距不致过大,影响风压,径高比较小(即相对较薄)的风扇多采用增加叶片数目的方法弥补。不论叶片数目是多是少,轴流风扇的叶片数目却往往是3、7、11等奇数,这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶,又没有调整好平衡,很容易使系统发生共振,倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳,将会使叶片或心轴发生断裂,因此多设计为关于轴心不对称的奇数片扇叶设计。这一原则普遍应用于包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。

  如何调整扇叶与外框之间所存在的间隙是风扇设计中的一大难题。间隙过小会令此间气流与叶片、外框发生摩擦,增大噪音;增大间隙则会由于反激气流等影响而降低风扇效率——间隙增大1%,则全压功率下降约2%。

  由于电机与轴承的存在,轴流风扇主轴所在的中心部分难免一定无气流通过的盲区,主轴直徑便决定着此盲区的大小。主轴直徑的大小则主要取决于风扇电机的功率——大功率的电机需要更大的定子绕组线圈,必然占用更多的空间,在无法纵向扩展(增加高度)的情况下,便只好横向扩展(增大面积)。

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  风扇的扇叶截面曲线多源于同一基础,所能进行的各种调整也都被限制在了一定范围之内,但还是有一些厂家作出了较大的改进,提出了很有特色的设计。

  外框是风扇尺寸规格的最终体现者,还决定着具体的安装方式与难易程度。风扇外框上一处独具匠心的设计,就可能在不违背通行标准的同时,給用户的安装、使用过程带来方便与体贴。

  风扇的外框除了作为装配的基础、安装的支架外,还对通过风扇的空气起着不可忽视的导流作用。外框可以对扇叶所带动的气流进行“约束”,控制其流出方向,抑制反激与散射,令其集中于所希望的送风方向。此外,还可以通过一些特殊设计,达到增大风压等特殊效果。

  如上文所述,扇叶与外框的间隙对风扇的效能与噪音有着重要的影响。AVC便在现有扇叶设计的基础之上进行了改进,并将之命名为“龙手翼”。

  叶片的末端略微向上折起,减弱边缘部分的风速,进而减小反激气流与摩擦,性能较传统设计有所提高的同时,工作噪音进一步下降。典型的以退为进战术!

  同样为了解决叶端间隙的问题,AVC对叶片设计进行了改进,Tt-曜越科技则在外框上下了工夫。

  略微缩小叶端间隙,并在外框上开出4道风槽,令外框不仅起到导流作用,更增加了进风途径,减少了反激气流。减少工作噪音的同时,令性能(风量)进一步提高。因此,Tt为它起名为“SilentBoost”。

  风扇只有三片扇叶并不出奇,最常见的电风扇便是如此,但在小型直流无刷风扇上采用这种设计并不多见。

  如前文所述,叶片数量过多、距离过近,会增加气流扰动与叶片表面摩擦,降低风扇效率,增大工作噪音。Tt便为一些不需太大风压的散热片搭配了这种8cm的“TripleBlade”三叶风扇。

  减少了叶片数量,为了增大叶片面积,倾角也随之减小,因此风压有一定幅度的减弱。虽然风压不足,但叶片间的距离较大,风扇效率提高,保证最大风量尚可的同时,降低工作噪音。

  前文已经提及,有的风扇在外框的出风口一侧增加了与扇叶形状相似,但弯曲反向相反的导流片,为气流再添一道“约束”。可令气流更加集中,缩小盲区,并进一步增强风压;但气流的冲扰与更多的摩擦,无疑会增大工作噪音。

  典型代表为Delta-台达的FFB系列轴流风扇。以著名的FFB8012EHE“暴力”扇为例:8038规格、滚珠轴承、5700rpm、额定电压12V、额定电流1.35A、最大风量2.270cmm、最大静压20.63mm水柱。它其实就是在8020规格的轴流风扇基础之上增加了9片高约18mm反向弯曲的导流片。

  更有甚者,不满足于反向弯曲的出风口导流片所增加的风压,采用了更加极端的多道叶片设计,其中主要以两道叶片风扇为主。两道叶片的倾角相反,弯曲方向相反,旋转方向相反,由两个电机分别驱动,在最大风量不变的情况下,可提供几乎翻倍的最大静压。

  与轴流风扇并驾齐驱的另一大类空气导流设备就是Blower了,译为中文即吹风机、送风机。日常生活中最为常见的就是那种维持大型充气玩具的,蜗牛壳一样的鼓风机。吹风机的工作方式与轴流风扇有较大的不同,反而与水泵较为相似。它的扇叶与旋转面垂直,呈环形排列,空气由轴向进入环形扇叶包围的空间,被扇叶旋转带动的离心效应横向甩出,通过直板状截面同样基于Joukowski机翼截面曲线设计的扇叶时受到推压,沿扇叶旋转方向的切线吹出,在扇叶外围形成一道旋涡状的散射气流,再受到蜗牛壳状外框的导流,从一侧的开口切向吹出。

  1.可根据使用需要,大范围的对叶片长度、叶片宽度、叶片数量、出风口形状等进行调整.

  3.叶片数量多,过风面上的总投影面积甚至大于过风面积,利用离心效应,较轴流 风扇可提供更大的风压;

  为适应一些特殊的安装要求——如圆形风道、圆形散热片等,不易使用“方方正正”的风扇,但又需要外框的导流作用,圆形外框风扇便应需而生。

  有些情况下,外框的导流作用已经不是必须,甚至有一定的负面影响,或对安装存在阻碍,它便被“抛弃”了。

  目前较常见于一些圆形放射状散热器,尤其是风扇内置型。典型代表为Zalman CNPS7000A,及Intel为盒装Prescott搭配的“太阳花”。

  外框不仅对空气有导流作用,出风侧一些“多余”部分还会扰流,对效能产生负面影响,主轴支架就是一例。Arctic Cooling针对此种状况,推出了扇叶倒悬的Fan Pro系列风扇。

  此系列风扇的电机不同于一般轴流风扇,安装于进风口一侧,主轴支架也相应的移至此侧,为送出气流扫清了道路。虽然如此,Fan Pro系列风扇的叶片形状、倾角方向、弯曲方向、旋转方向仍然与传统轴流风扇相同,同样存在送风盲区,而且价格较贵。

  主轴支架会扰流,电机与轴承同样会形成“盲区”,至少在近距离不利于气流覆盖整个散热片,即便不能消除,也应尽量缩小此盲区的面积。但以目前的技术,轴承对于旋转的扇叶仍是不可或缺的,YEN SUN便在电机上进行了改进。 YEN SUN的Tip Magnetic Driving (T.M.D.-_-b)FAN将风扇驱动电机置于外框内,而非传统的轴心,中心只保留轴承部分,增大过风面积,更令盲区大幅缩小。T.M.D.Fan的改进主要在于转子磁环与定子绕组的设计——增大转子磁环尺寸,套在整个扇叶外,定子则只有两个绕组线圈,与电路部分一起安装在外框的一角内。

  各种风扇扇叶与外框的特殊设计目的不外乎提升风扇某一或某几个方面的性能,但一种特殊设计往往无法兼顾各方面的表现,因此,用户可根据实际使用需要选择其中的某一种产品.

  无刷直流风扇的各种技术都已颇为成熟,各家设计与生产者目前只能在此基础之上进行改进与改良,如果没有重大的科学发现推动,短期内风扇的工作形式与性能表现都不会出现大的变革。

  改进流体力学设计——修改、调整甚至提出新的扇叶与外框设计,进而提升风扇效能是设计者们永远的追求,也是最根本的改进方式;

  延长使用寿命——改进轴承、电机设计,采用新型材料,引入各领域的成功技术,为了进一步延长风扇的使用寿命,设计与制造者们可谓绞尽脑汁,挖空心思;

  降低工作噪音——根本性的解决措施在于减少摩擦与振动,提升效能,与前两者可谓殊途同归,但由于目前“静音”越发受到重视,一些厂家开始以此为中心重新订立研发计划、分配研发力度。

  总而言之,目前风扇使用需求、设计与制造技术的发展趋势仍然是追求“更强、更静、更长寿”。

  通電線圈在磁場中﹐線圈會受到磁場的作用力。為保証受力方向一致﹐采用石墨電刷 來改變線圈通電電流方向(機械換向)。

  Hall 感應到不同的 N S極變化﹐輸入到驅動IC的電平高低發生變化﹐驅動IC的輸出電平高低也發生變化﹐那么流過線圈的電流方向發生變化。達到了電子換向的目的。

  感溫風扇﹕因為熱敏電阻的阻值會隨著環境溫度的變而發生變化﹐這樣就可以控制輸入風扇線圈的電壓大小﹐來自動調整風扇的轉速。

  1.脉宽调制是一种调制或改变某个方波的简单方法。方波占空比基本形式是随输入信号变化的。占空比是指方波的高电平时间和低电平时间之比。

  2.PWM用两个运算放大器来产生锯齿波形,用一个电位器来产生直流基准电压,再用一个比较器来产生PWM输出信号。

  风量 即单位时间内通过风扇出风口(或进风口)截面的空气体积,单位一般为CFM,即立方英尺每分-cubic feet per minute,或CMM,即立方米每分- cubic metres per minute。风量是风扇性能的整体衡量指标,不受到尺寸、结构、方式的限制,也不限于直流无刷风扇,可适用于任何空气导流设备。

  风压 即风扇能够令出风口与入风口间产生的压强差,单位一般为mm(cm) water column,即毫米(厘米)水柱(类似于衡量大气压的毫米汞柱,但由于压强差较小,一般以水柱为单位)。风压是衡量风扇“强劲”程度的重要指标,如果将风量比作一把武器的挥击力量,那么风压就是这把武器的锋利程度。

  风扇产品所说明的风量与风压均为理想状态下的最大值,即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量(最大风量),以及风扇向密闭气室内吹风,直至风量为零状态下气室与外界气压的差值(最大静压)。它们并非两个孤立的性能指标,而是互相制约着,之间的关系就是流体力学中典型的流速与压强间的关系——风量随着压强差(具体而言即散热片风阻)的增大而减小,两者互相制约的程度则取决于扇叶形状与整体结构设计。风量、风压的正规测量需要借助风洞进行

  系統特性曲線是一個封閉﹑獨立的環境﹐它說明空氣在流過此一封閉﹑獨立的環境時所遇到的特別的障礙和內部的阻抗。系統阻抗在氣流中或氣流必須流過的風洞中是會改變的﹐流體阻抗是一個概略的比例值﹐即測定出流量的平方值﹐如同靜壓與風量圖是呈一拋物線一樣﹐這條曲線可以模擬在不同風量下測得相對的靜壓值而求得。

  1. 噪音即风扇工作过程中产生的“非乐音”声响。目前较为通行的测量标准为计权声级测量,通常采用A声级计权,常用单位分贝(A)或dBA。我司對風扇模組噪音如果沒有特殊要求,應小於36dB.

  2. 风扇厂家的风扇噪音测试多为声压测量,所提到声级均为声压测量结果。工业标准测试是在背景噪音低于15dBA的静音室中,将风扇固定于减震支架之上,以声级计在风扇进风侧轴向距离1m的位置进行测量.

  根椐ISO1940規範的動平衡等級(G6.3),制定各規格扇葉允許殘余動不平衡量。