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1、風扇的性能與應用,Steven Lin 林適之,簡介與基本結構,基本結構 外框(frame) 馬達(hub)(無刷直流) 扇葉(impeller) 引出線/連接器,簡介：風扇是一種產生風量的裝置,它是使用馬達來驅動葉片的轉動,增加流體經過扇葉的速度,經由強制對流達成移熱之效果.,Ball Bearing風扇爆炸圖,1、扣簧 2,5、軸承(ball) 3、外框 4、定子(PCB，矽鋼片+繞線，引出線) 6、彈簧 7、馬達殼+磁條 8、扇葉,常見軸風扇尺寸-Delta AFB,25x25x10mm 30x30x10mm 35x35x10mm 40x40x15mm 45x45x10mm 50x50x
2、15mm 50x50x20mm 60x60x13mm 60x60x15mm 60x60x20mm 60x60x25.4mm 60x60x38mm 70x70x13mm 70x70x15mm 70x70x20mm 70x70x25.4mm 70x70x38mm 80x80x15mm 80x80x20mm 80x80x25.4mm 92x92x15mm 92x92x20mm 92x92x25.4mm 92x92x38mm 120x120x25.4mm 120x120x38mm 172x150x25.4mm 172x25.4,風扇的分類-DC,Axial Fan 軸流扇 - air flows ax
3、ially.,Centrifugal Fan (Blower) 離心扇(鼓風扇) - air flows radially.,Cross Fan 橫流扇 - air flows across the axis.,輸出與控制,輸出 PQ-curve Noise/Heat Vibration 控制 FG/RD PWM/Thermistor,外框、扇葉流体特性,風扇性能曲線 PQ-curve 風量(CFM, M3/min) 風壓(mmH2O, inH2O) 噪音(dBa) 風切聲： 空氣與扇葉(外框)摩擦產生 氣流擾動產生的噪音,轂部(Hub)電氣特性 直流無刷馬達,電氣特性 電流、訊號輸出(RD,
4、FG)、絕緣、反向保護、溫升 轉速控制 運轉電壓：12V全速運轉；7V低速運轉 溫控(thermistor)： 轉速自動隨環溫變化 PWM(pulse-wide modulation)：增加一組輸入電壓以控制轉速 噪音：電磁切換噪音、摩擦異音,定子組立-4極(2極),單面印刷PCB,電晶体,矽鋼片,驅動IC,徑向繞線,絕緣線架,矽鋼片,小邊,大邊,Bearing systemLife vs Cost,Two Ball Bearing 50000/70000hrs/NT16 One Ball One Sleeve 40000hrs/NT10 One Sleeve 30000hrs/NT3 Flu
5、id dynamic (NB-fan) 40000hrs Life is onder 401565%RH continue operation Cost estimate by 830 ball and sleeve bearing MTTF & Accelerated Life Testing at 75 0/72/300/600/1000hrs 90%confidence,一般two ball結構,FGS軸承結構,皕瑞-one ball/one sleeve結構,PWM or Thermistor,From AVC website,PWM and Thermistor,From AVC w
6、ebsite,決定成本的重要因素,軸承:30% 830(8), 520(11.5), 620(?), sleeve(3) 830: 8外徑; 3軸心徑 電子零件:30%-額定電壓/電流 Driver IC/Hall element(510/2.5) 電晶体、二極体、電阻、電容(0.80.1) 引出線&連接器(13) 其它 軸心、矽鋼片、漆包線、葉片、外框,風洞示意圖,Test point of PQ-curve,Pmax,Q=0,P=0,Qmax,P1+1/2V12= P2+1/2V22,System Impedance and Operating Point,High Impedance,Q
7、,Q,P,Moderate Impedance,Low Impedance,High Impedance,Low Impedance,High P Fan,High Q Fan,P,輸出比較-相同尺寸,Q/Noise與rpm約成正比,轉速愈高，風切聲佔噪音的比重愈高,P與rpm的平方約成正比,輸出比較-不同尺寸,相同PQ，風扇尺寸愈大Noise愈小 AFB 7025(3900rpm) (q,p,n)=(36.30,5.52,37.5) AFB 8025(3250rpm) (q,p,n)=(37.43,4.59 ,28.0) 相同厚度，邊(徑)長愈長則Q愈大 AFB 7025(3000rpm)
8、(p,q)=(3.15,20.13) AFB 8025(2700rpm) (p,q)=(3.28,31.43) 相同邊(徑)長，厚度愈厚則P愈大 AFB 7015(2800rpm) (p,q)=(2.27,23.38) AFB 7025(3600rpm) (p,q)=(4.46,24.01),Delta8015 AFB vs EFB,AFB,EFB,Delta8015 AFB vs EFB,相同P或Q時，EFBAFB,Fans in Parallel vs. Fans in Serial,*理想上P&Q會依風扇的數目成倍數成長。 *實際上，並聯與理想較接近，較常使用，如1U。 *串聯則因為流場
9、與第二顆風扇形成阻抗，損失較多很少使用。 *PSU-FAN與CPU-FAN也是一種串聯。,均勻流場示意圖,PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場 實際應用時不會有足夠的空間去發展 一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大,非均勻流場示意圖,PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場 實際應用時不會有足夠的空間去發展 一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大,Axial fan(6010) vs Blower(6911),軸流扇 vs 鼓風扇,軸風扇-高風量低風壓 外觀(型式/尺寸)統一，主要在翼形剖面、角度與馬達效能上作變化 鼓風
10、扇-高風壓低風量 外觀變化較多，翼形剖面較固定，以角度和參考空間許可修改流道與進出風口,流場示意圖-Blower,Blower-流道與進出風口,Blower葉片設計,內/外徑 進風後掠角度 尾端前傾角度 上下的開孔徑 翼形,有效進風截面積與壓縮行程,截面積 進風口徑-殼徑 上下蓋板與葉片的間隙 使用軸流扇葉時上方口徑與下方間隙要較大 壓縮行程 葉徑-進風口徑 流道長度,PIV-7020-進出風比較,進風面,出風面,PIV-7020-不同電壓出風口,10V,11.5V,10V,11V,12V,進風通暢與出風整流,進風 維持進風截面積(足夠的空氣源) 保持流道的通暢(降低阻抗) 出風 風口與鰭片留
11、適當空間讓流場發展均勻 鰭片方向與氣流方向的搭配 鰭片的整流效果-風扇安裝後轉速上升 風往阻抗低處流,噪音,風壓/風量/尺寸的取捨 小量開口換較大的噪音降低 平衡與共振 減少振動傳導的機會 導流罩的喇叭口效應 異音 軸承系統的摩擦(毛邊) 電磁切換(突波與感應),7020-4300rpm-噪音頻譜圖,操作注意要點,握持 以外框為優，避開葉片或引出線 輸入電壓不要超規 輸出穩定時間(510min) 馬達溫升 增加電磁鐵的阻抗 降低軸承的摩擦係數,可靠度試驗-1,Operating Voltage The distribution of starting voltage 瞬間起動分佈 High-V
12、oltage Step Stress 高電壓逐步應力 UA class A Temperature rise with lock at ambient 常溫鎖住溫升 Temperature rise with running at ambient 常溫運轉溫升 Revered apply protection 逆向保護 Impedance 絕緣阻抗 Dielectric Strength 絕緣耐壓 Temperature V.S. MTTF 溫度/壽命,可靠度試驗-2,temperature&humidity Storage test of low temperature 低溫儲存 Storage test of high temperature 高溫儲存 Low temperature test 低溫運轉 Cold start 低溫起動 High temperature and humidity 高溫高濕運轉 Temperature circling 高低溫循環 High-Temperature Step Stress 高溫逐步應力 Mechanical Drop 包裝落下 Vibration 單體振動 Shock 單體衝擊,
