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马达风扇常识及选型

点击次数:  更新时间:2016-8-3 21:18:52  【打印此页】  【关闭

    
电子产品设计工程师往往注重电路的设计与改良,而对器件散热却没有引起足够的重视。事实上,电子产品的使用会由于散热系统的不足而减少使用寿命或者增加维修成本。因此散热对电子产品显得尤为重要。采用风机散热是一种很常规也很重要的散热处理方案,本文主要介绍风机的一些常识以及如何选用风机散热。
关于风机轴承
2.1风机轴承概述
    风机的轴承类型与风机的使用寿命以及能承受的环境温度有着非常直接的关系,因此选择风机,一定要注意轴承的类型,现将常规轴承的特点介绍如下:
2.2含油轴承(Sleeve Bearing)使用寿命:30000小时传统的直流无碳刷风扇马达设计时,是扇叶转子 ( 简称转子 ) 藉其轴芯穿越含油轴承,简称 SLEEVE 轴承,枢接固定在马达定子之中心位置,使转子与定子之间保持一个适当之间隙,当然轴芯与轴承间亦务必有间隙之存在,才不会将轴芯死锁而无法运转;而马达之定子结构部分 ( 简称定子 ) ,在电源输入之后,就会在转子与定子间产生感应磁力线,藉驱动回路之控制使风扇马达运转。故传统之风扇马达架构,只有一个扇叶转子及一个马达定子和一个驱动回路,而借着轴芯与轴承之枢接,随着磁场感应而运转。Sleeve轴承优点及缺点:价格便宜,运转时产生的Noise 大,可能出现不转现象,内径易磨损,寿命短,激活效果差。
2.3滚珠轴承(Ball Bearing) 使用寿命:50000~100000小时
    滚珠轴承是运用圆金属珠运转,属于点的接触,故激活运转很容易。再加上滚珠轴承配合弹簧使用,故在弹簧顶撑着 BALL Bearing 之外金属环,而使整个扇叶转子的重量坐落在滚珠轴承上,且由弹簧间接顶撑着,故可使用于不同之方向、角度之可携式产品,但仍要防止掉落,以免滚珠轴承受损,而造成噪音产生与使用寿命的减损。优点及缺点:激活运转容易,寿命较长,结构脆弱,无法承受外力撞击,运转时,金属珠滚动产生的噪音大,价格高(与Sleeve相比)来源及数量不易掌控,使用弹簧定位,组装不易。
2.4磁浮轴承(MagLev Bearing)使用寿命:50000~100000小时
    MagLev Bearing 为SUNON独创,Maglev Fan的结构包涵三要素:磁浮片,磁铁,硅钢片。轴承舆轴心的关系是风扇运转时,扇业转子轴心借空气之摩擦,没有和轴承接触,则轴承不易被磨损成不规则椭圆之形状。在磁浮线的牵引下,360度垂直往下吸引扇业转子使其自成定点,定轨运转使用特殊的防尘罩设计,可强制润滑油循环,并防止灰尘进入马达核心,避免舆润滑油混合成油泥所造成运转之阻碍。运转时,轴承温度低,轴承材质经过特殊处理。更耐冲击及高温。磁浮马达特殊车及技术使风扇在长时间运转下,达到运转稳定,噪音变化小,低噪音,寿命长之效果。寿命可比拟滚珠培林轴承。MagLev Bearing优点:表面经过特殊加工处理,强化其表面硬度,耐磨更能承受高温舆摩擦,导入磁浮设计,其转子悬空,通过磁浮力将扇叶360度吸附,形成定点定轨运转,减小晃动,省却华司 油圈等零件,使其产生的氮化物于固化前排出,避免阻塞。耐磨,耐撞击,耐高温,噪音小。  
关于风量
3.1 风量单位
    风量单位常常采用英制单位,一般常见单位为CFM,1CFM≈0.472立方分米/秒,常用风量单位列举如下

CFS:Cubic Feet Per Second,    立方英呎/秒(ft3/s)

CFM:Cubic Feet Per Minute,    立方英呎/分(ft3/min)

CMS:Cubic Meter Per Second,   立方公尺/秒(m3/s)

CMM:Cubic Meter Per Minute,   立方公尺/分(m3/min)

CMH:Cubic Meter Peter Hour,   立方公尺/时(m3/h)

L/s:Liter Per Second,         公升/秒(L/s)

L/min:Liter Per Second,       公升/分(L/min)

3.2风量换算表 


关于噪音   
4.1噪音如何测量



  SUNON风扇的噪音是在背景噪音低于15 dBA无回响室中所测量。待测风扇在自由空气中运转,距入风口一米处置一噪音计。

   音压级(Sound Pressure Level)依背景因素而定,与音能级(Sound Power Level)由下列公式表示之:SPL = 20㏒ P/Pref   及  SWL = 10㏒ W/Wref

其中,

   P = 音压

   Pref = 基准音压

   W = 音源的噪音能量

   Wref = 音源的噪音能量

   风扇的噪音值通常以音压级(SPL)之倍频带绘出。分贝(dBA)的改变所形成的效应,如下列征兆所示:

   3 dBA 几乎没有感觉

   5 dBA 感觉出来

   10 dBA 感觉两倍大声响

噪音程度:

    0 ~ 20 dBA 很微弱

   20 ~ 40 dBA 微弱

   40 ~ 60 dBA 中度

   60 ~ 80 dBA 大声

   80 ~ 100 dBA 很大声

   100 ~ 140 dBA 震耳欲聋  
4.2 如何降低噪音
    下列准则提供风扇使用者最佳方法,以降低噪音至最小:
4.21系统阻抗(System Impedance)
    一个机壳的入风口与出风口之间范围占全部系统阻抗的60%至80%,另外气流愈大,噪音相对愈高。系统阻抗愈高,冷却所需的气流愈大,因此为了将噪音降至最小,系统阻抗必须减至最低程度。
4.22气流扰乱
    沿着气流路径所遇到的阻碍而造成的扰流会产生噪音。因此任何阻碍,特别在关键的入风口与出风口范围,必须避免,以降低噪音。
4.23风扇转速与尺寸
    由于高转速风扇比低转速风扇产生较大的噪音,因此应尽可能尝试及选用低转速风扇。而一个尺寸较大、转速较低的风扇,通常比小尺寸、高转速的风扇,在输送相同风量时安静。
4.24温度升高
    一个系统内,冷却所需的风量与允许的温升成反比。允许温升稍微提高,即可大量减少所需的风量。因此,如果对强加之允许温升的限制略微放松一些,所需风量将可降低,噪音亦可降低
4.25振动
    有些情形,整个系统的重量很轻,或系统必须按照某种规定方式运作时,特别建议采用柔软的隔绝器材,以避免风扇振动的传递。
4.26电压变动
    电压变动会影响噪音程度。加到风扇的电压愈高,因转速升高,振动就愈大,产生的噪音也愈大。
4.27设计的考虑
    构成风扇的每一零件设计,均会影响噪音程度。下列设计的考虑可达成降低噪音:绕线铁心的尺寸,扇叶与外框的设计及精确的制造与平衡。
5关于风扇特性            
5.1风扇特性测试:
    依据AMCA 210-85 "Laboratory Methods of Testing Fans for Rating" 测试规范。如略图所示将风扇放置于风洞口,风吹入风洞,经由流场内各量测点测试风量与静压,经由计算机汇整测得资料后绘出特性图与资料。

由此图可知,并联的风扇风量加大,但是静压不变;假如系统阻抗低时,可使用并联方式。

5.2如何从特性曲线判定风扇性能

1.实线FPC系风扇特性曲线;需由风洞量测

2.虚线SRC系客户系统阻抗;亦需由风洞量测,因客户之不同所以一般Fan仅秀出FPC。

3.FPC与SRC交界点即为客户使用操作点OP; Qb与Pb是可满足客户使用上所需求特性; 因此客户选择风扇时仅以Qa与Pa来选择并不是最适切的; 建议客户提供系统给我们为您免费测出SRC可较容易选择适用风扇 以及判定您的系统阻抗设计是否得宜。

5.3假设有A、B二风扇,应如何自特性曲线选择较适合风扇?



1.答案是FAN a为较适用风扇;因为特性曲线交叉于R1上之操作点OPa较操作点OPb特性佳Qa>Qb(风量),Pa>Pb(静压)。

2.此FAN b虽然风量与静压都较FAN a高,但客户使用上应以OPa 为最佳选择;非仅以风扇最大风量与最大静压作为选择依据。

3.而系统阻抗设计的好坏也是选择风扇的重点之一;图中R1系最佳系统阻抗设计,R2系系统阻抗较高,R3较低;要改善系统阻抗设计应自系统进出风口之大小调整、系统内组件排放位置调整等,再经由风洞之测试即可调整及验证出最佳的系统阻抗。

4.比较FAN a与FAN b可得知FAN a之马达扭力与扇叶、外框设计特性较FAN b佳
6风机的选型
6.1欲选择正确的通风组件,必须考虑下列目标:
最好的空气流动效率
最小的适合尺寸
最小的噪音
最小的耗电量
最大的可靠度与使用寿命
合理的总成本
以下三个选择正确散热扇或鼓风扇的重要步骤,可帮你达成上述几个目标。
步骤一:总冷却需求
首先必须了解三个关键因素以得到总冷却需求:
必须转换的热量 (即温差DT)
抵消转换热量的瓦特数 (W)
移除热量所需的风量 (CFM)
总冷却需求对于有效地运作系统甚为重要。有效率的系统运作必须提供理想的运作条件,使所有系统内的组件均能发挥最大的功能与最长的使用年限。
下列几个方式,可用来选择一般用的风扇马达:
1.算出设备内部产生的热量。
2.决定设备内部所能允许的温度上升范围。
3.从方程式计算所需的风量。
如果已知系统设备内部散热量与允许的总温度上升量,可得到冷却设备所需的风量。




以下为基本的热转换方程式:

   H = Cp × W × △ T
   其中
   H = 热转换量
   Cp = 空气比热
   △ T = 设备内上升的温度
   W = 流动空气重量
   我们已知 W = CFM × D其中 D = 空气密度经由代换后,我们得到 :再由转换因子 (conversion factors)与代入海平面空气的比热与密度,可得到以下的散热方程式:CFM = 3160 × 千瓦/△℉
  例如:设备内部消耗电功率为 500瓦,温差为摄氏10度:




静压换算表