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1、风冷散热器相关技术浅析之风 扇 篇,前 言,风扇具有导流、换气、散热等各种用途。本篇就对风冷散热器中使用的风扇类型为直流无刷风扇 DC Brushless Fan（下文如无特别说明，简称“风扇”）略加介绍。风冷散热器中使用的典型风扇外形是一个底面为正方形的扁柱体，四角留有安装所需的固定孔位，直流电机通过支架固定在外框上，扇叶与转子连接在一起，通过轴承安装在电机主体之上。一些“非典型”的风扇采用了较特殊的形状与设计，但整体结构与此并无太大差异。,安培右手定則:當電流通過導體時,導體周圍會產生磁場磁場原理:同極相斥;異極相吸直流風扇原理:在扇葉內部置入充有磁性橡膠磁環,形成永磁的外部磁場.通電矽鋼
2、片上兩組線圈,矽鋼片產生磁場,並使用霍爾感應元件同步偵測控制電路,使纏繞矽鋼片上兩組線圈輪流工作.矽鋼片產生不同磁極,此磁極與橡膠磁環產生吸斥力.當吸斥力大於風扇的靜摩擦力時，扇葉自然轉動。由於霍爾感應元件提供同步信號，扇葉因此得以持續運轉,风扇的原理,风扇的原理,N,S,N,S,N,N,S,S,N,S,N,S,N,N,S,S,N,S,N,S,T1,T3,T2,電路控制:周期性改變電流的方向,從而形成周期性的磁場的方向,膠磁(永磁體),一、风扇的类型,1、轴流扇类型（Axial Fan）2、鼓风机类型（Blower Fan）3、横流扇类型（Cross Fan）,二、风扇的轴承类型,1、含油轴承
3、（Sleeve Bearing）2、液压轴承（Hydraulic Bearing）3、滚珠轴承（Ball Bearing） a 双滚珠轴承 （Two Ball Bearing） b 单滚珠轴承 （ One Ball One SleeveBearing）4、陶瓷轴承（Ceramic Bearing）,1、含油轴承（Sleeve Bearing）,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，
4、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50008000小时。,2、液压轴承（Hydraulic Bearing）,液压轴承所进行的改进包括：1. 增加磁悬浮挡板，令轴芯在旋转过程中与轴套接触的机会更少；2. 轴承底部固定端密封，形成较大储油空间，可保存较多润滑油；3. 采用低热损耗的润滑油脂，轴承在高温状态下仍可保证油脂的润滑特 性；4. 液压自动循环油路系统，通过特殊油路连接轴承与储油槽， 令润滑油形成循环回路；5. 表面具有大量毛细孔，可吸附润滑油，保证轴承的高润滑度。 通过多方面的改进，液
5、压轴承可以在低于含油轴承噪音水平的同时达到滚珠轴承的转速、工作温度与寿命。通常产品寿命可达40000小时以上,3、滚珠轴承（Ball Bearing）,有一定物理知识的人都知道：压力与接触面粗糙程度相同的情况下，滚动摩擦力小于滑动摩擦力。轮子便是基于此理论而诞生的人类最伟大发明之一，滚珠轴承也是此理论实际应用的一大典范 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
6、摩擦更小，寿命很长 若仅以一道滚珠支撑，难以保证旋转轴的稳定，因而通常需要两道滚珠进行约束。但由于结构较为复杂，滚珠轴承的制造成本相对较高，为了控制产品成本，便产生了双滚珠与单滚珠两类滚珠轴承 双滚珠轴承应可算是滚珠轴承的典型代表，除具有阻力小、寿命长等特点外，因轴芯、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50000100000小时,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，而使用采多的仍然是含
7、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。采用此类单滚珠+含油的轴承，可兼顾寿命、成本与噪音。通常产品寿命根据与单滚珠搭配的轴承种类存在一定差距，一般在40000小时以上。,4、陶瓷轴承（Ceramic Bearing）,精密陶瓷轴承堪称从制造材质方面对轴承进行改进的杰作 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。,三、风扇的性能,1、转速
8、2、风压3、风量4、噪音,1、转速,转速是风扇各项性能指标的根本决定因素之一 转速即风扇扇叶在单位时间内旋转的周数，单位一般为rpm，即rounds per minute-转每分。转速是风扇最容易测量的参数，高转速是各种“暴力”风扇力量的源泉，也是大噪音的根源相关元素： 转速基本上取决于风扇采用的电机性能 只要确定了风扇的物理规格、结构，各种性能就全部由转速决定。转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、功率，甚至使用寿命。转速越高，风扇性能越强，即风速越快，风量越大，风压越大；同时，转速高，摩擦、振动就多、噪音就大，轴承等损耗设备的寿命就短；转速提高，电机消耗功率增大也是必然结果 风扇产品就算不
9、标明风量、风压，也都会标明额定转速；一些对各种风扇比较熟悉的玩家更是可以根据一款风扇的尺寸规格、扇叶形状以及转速判断出它的性能,2、风压,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，那幺风压就是这把武器的锋利程度 相关元素： 风压主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速，前三者的影响较为复杂，于转速的关系则简单直接 转速越快，风压越大,3、风量,风量即单位时间内通过风扇出风口（或进风口）
10、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 相关元素： 风量平均风速 x 过风面积 可见，风扇风量的大小基本取决于风速的高低与过风面积的大小。过风面积相同，风速越高，风量越大；风速相同，过风面积越大，风量越大。 风冷散热器是依靠空气吹过散热片，利用热交换带走散热片上堆积热量的。显然，采用同样的散热片结构与空气流动方式，单位时间内通过的空气越多，带走的热量也就越多。因
11、此，其它条件不变的情况下，可以说实际风量对风冷散热效果起着决定性的作用。,测量风洞原理图,通过调节风嘴（Nozzle）与辅助风扇（Auxiliary Blower），控制风量，记录风量（Air Flow）与压强差（Air Pressure）的对应数值，最终除了记录最大风量与最大静压（即标称的风压）,4、噪音,噪音是各种设备越来越受到关注的指标,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,四、风扇的组成,上图为典型轴流直流无刷风扇的分解图，各部分分别为：1.转子部分，包括扇叶、轴心、转子磁环、磁环外框；2.定子部分，包括支撑弹簧、轴承、扣环、电机部分（4）；3.外框，起支撑、导流作用；4.电机部分，包括电路版、硅钢片（即定子磁体，上附绕组线圈）、硅钢片上、下盖； 各部件按照功能，及对风扇性能、寿命的影响，可大致分为电机、轴承、扇叶与外框四部分。,
