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散热风扇技术文档

散热风扇

目录：

风扇散热使命-----------------------------------------------------------------------------------------3

风扇基础知识-----------------------------------------------------------------------------------------3

风扇结构介绍----------------------------------------------------------------------------------3

风扇组成---------------------------------------------------------------------------------4

风扇转子-----------------------------------------------------------------------------4

扇叶-----------------------------------------------------------------------------------4

铁壳-----------------------------------------------------------------------------------6

磁带-----------------------------------------------------------------------------------6

轴心-----------------------------------------------------------------------------------6

定子组合-----------------------------------------------------------------------------6

风扇的轴承系统--------------------------------------------------------------------------------7

散热风扇的分类及特点-----------------------------------------------------------------------8

轴流风扇----------------------------------------------------------------------------------8

滚珠轴承-----------------------------------------------------------------------------9

1、单滚珠轴承------------------------------------------------------------------9-

2、双滚珠轴承-------------------------------------------------------------------9

含油轴承-----------------------------------------------------------------------------10

液压来福轴承----------------------------------------------------------------------11

磁悬浮轴承-------------------------------------------------------------------------11

离心风扇------------------------------------------------------------------------------------12

混流风扇-----------------------------------------------------------------------------------12

贯流式风扇---------------------------------------------------------------------------------12

风扇尺寸风格-----------------------------------------------------------------------------------13

风扇电气参数-----------------------------------------------------------------------------------13

风扇基本原理-----------------------------------------------------------------------------------14

DC风扇原理-------------------------------------------------------------------------------14

AC风扇原理-------------------------------------------------------------------------------15

散热风扇性能-----------------------------------------------------------------------------------15

功率------------------------------------------------------------------------------------------16

启动电压-----------------------------------------------------------------------------------16

风量------------------------------------------------------------------------------------------16

风压------------------------------------------------------------------------------------------17

转速------------------------------------------------------------------------------------------19

噪音------------------------------------------------------------------------------------------20

风扇噪音来源-------------------------------------------------------------------------20

如何达成低噪音----------------------------------------------------------------------21

风扇FG信号-------------------------------------------------------------------------------21

风扇PWM信号----------------------------------------------------------------------------22

寿命-------------------------------------------------------------------------------------------23

风扇应用及选型--------------------------------------------------------------------------------------24

如何选择正确的风扇或鼓风扇----------------------------------------------------------------24

系统设计的重点（吹气式和抽气式）---------------------------------------------------31

干扰问题-------------------------------------------------------------------------------------------31

降低系统噪音的原则----------------------------------------------------------------------------32

风扇比较应用-----------------------------------------------------------------------------------32

不同尺寸的风扇特性去向比较----------------------------------------------------------33

风扇串并联应用----------------------------------------------------------------------------33

风扇尺寸规格选择注意事项-------------------------------------------------------------------34

风扇的应用---------------------------------------------------------------------------------------34

风扇常见失效-----------------------------------------------------------------------------------34

风扇使用注意事项-------------------------------------------------------------------------------35

风扇料号编码原则-------------------------------------------------------------------------------36

风扇散热使命

随着科技的不断进步，电子产品的功能愈强，个人电脑、视频监控、路由器、交换器等电子设备的普及，设备的功能的不断强大、电子元件的集成度愈发强大，电子元件所产生的热量和噪音，却让我们感到厌烦，因此电子元件的散热变的愈加重要。

风扇是利用强制热对流的方式散热，他凭借自身的导流作用,令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片,利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量,从而实现“强制对流”的散热方式。

风扇基础知识

风扇按照供电电压类型可分为直流无刷风扇和交流风扇两类，按照入风面和出风面方向上的差异，可以分为轴流风扇和离心风扇，按照轴承不同，也可分为滚珠轴承风扇和含油轴承风扇。

直流无刷风扇工作原理:

风扇转子上存在磁性橡胶磁铁，电路板上霍尔元件会感应其磁场，以此决定电路对矽钢片上绕线线圈的通断电，两个磁场间产生的吸斥力推动风扇转动，霍尔同步感应橡胶磁铁磁极后再切换通电线圈，从而使风扇可以持续运转。

交流风扇运转原理:

交流风扇线圈通电方向本身就在不停切换，所以不需要霍尔感应即可产生吸斥力，推动风扇运转。

风扇广泛应用在家电、IT、通讯、制冷、暖机、工业、办公等多个领域中，只要是需要增强或加快空气流通的环境都可能选用风扇来完成。

目前在风扇业界较有名的厂商有EBMpapst、施乐百、台达、NMB、Nidec、SanyoDenki、Rosenberg、Comairrotron、AVC、ADDA等。

风扇结构介绍

风扇组成

风扇由转子组合（rotorassembly）、定子组合（statorassembly）、轴承系统（bearingsystem）、弹簧（spring）、固定环（ring）以及其他一些辅助材料组成。

1.风扇转子

转子组合主要包括有扇叶（impeller）、铁壳（case）、磁带（magnet）、轴心（shaft）组成。

2.扇叶

轴流风扇扇叶一般为翼型（airfoil）叶，离心风扇情况有弧形叶、直板叶、翼型叶，按照扇叶角度又可分为前擎叶和后擎叶。

这里介绍几种扇叶参数对风扇性能的影响：

✧叶片倾角：

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。

✧叶片曲率：

在一定范围内，叶片曲率越大，相同转速下，气体动能也就越大，即风量与风压越大；同时，叶片所受的阻力也越大，要求电机的扭力更大。

左边猫头鹰NF-P12叶片曲率较小，右边安耐美火蝠叶片曲率较大。

✧叶片数目：

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。

左图的猫头鹰NF-S12扇叶为7片，右侧NF-P12扇叶为9片。

✧叶片光滑度：

这是一项非设计因素影响的指标，基本上取决于生产者的模具成形与后期处理工艺。

在设计曲线之外，叶片上的不平整会在旋转中产生紊流，增加摩擦，降低风扇效率，折损风扇性能，增大工作噪音。

从叶片光滑度来讲，左图酷冷至尊的UV扇是光滑扇叶的代表，右侧的NF-S12B表面有些许颗粒感。

✧叶片弧度：

扇叶除了在截面上具有一定曲率外，在俯视平面内也并非沿着径向笔直延伸，而是向着旋转方向略有弯曲，呈一定弧度。

如果叶片沿径向笔直延伸，风扇旋转所带动的气流在出风口一侧将呈散射状，送风距离短，且“力量”不集中；如现行产品版向着旋转方向略有弯曲，呈一定弧度，则可保证吹出气流集中在出风口正前方的柱状空间内，增加送风距离与风压。

左边EVERFLOW的风扇弧度较右边台达风扇弧度更大。

✧主轴直径：

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存在无气流通过的盲区，主轴直径便决定着此盲区的大小。

主轴直径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）。

NMB-B19额定功耗为2.64W，猫头鹰NF-P12额定功耗1.08W。

因此B19的电机直径大于P12。

•扇叶平衡：

扇叶的物理质心与轴心不在同一轴上，扇叶在运转时会造成扇叶的不平衡，即震动。

3.铁壳

风扇铁壳一般是转子磁场的载体，在直流风扇上使用的多为SECC冲压，在交流风扇上铁壳兼作驱动磁极使用，所以多为的多为磁性材料35H440。

4.磁带

直流风扇使用的磁带多为BQC14（TDK型号），交流风扇使用铁芯磁极，多使用矽钢片叠片，不使用橡胶磁带。

5.轴心

轴心一般选用SUS不锈钢材料车削加工，直流无刷风扇一般选用材质SUS420。

6.定子组合

定子即风扇上不转动的部分。

对直流无刷风扇而言，它包括有矽钢片、漆包线、电路板、固定框等；对交流风扇而言，它包括有矽钢片、绕线、固定框。

一般直接将绕线线圈叫做定子。

1）矽钢片

矽钢片一般是含硅量在0.8~4.8%的硅钢，低硅片含硅2.8％以下，它具有一定机械强度，主要用于制造电机，俗称电机硅钢片；高硅片含硅量为2.8％-4.8％，它具有磁性好，但较脆，主要用于制造变压器铁芯，俗称变压器硅钢片。

风扇常用材质为35H440（日本牌号），冲压单片后采用叠片堆砌的方式，层与层之间绝缘。

2）漆包线

漆包线一般为铜线外部包一层绝缘膜，绝缘膜不同其耐温也不一样，多数风扇制造厂商选用（聚胺基甲酸脂漆包线（型号为UEW），它以Polyester-thane树脂为主体的油脂为绝缘皮膜烤漆於导体而成;其的最大特性为可直接焊锡且耐热等级为130℃（B级），如果耐温达不到要求，则可能选用聚脂漆包线（型号为PEW），它以Polyester树脂为主体油脂为绝缘皮膜烤漆於导体而成;其的耐热等级为155℃（F级）。

3）电路板

一般交流风扇没有电路板，直流无刷风扇用电路板控制风扇磁极切换，以达到驱动的目的。

风扇电路板裸板材质为FR-4，一般厚度分为0.8mm、1.0mm、1.2mm，又可分为单层板、双层板、四层板。

4）固定框

风扇的扇框一般起固定作用，因为定子固定在上面，同时固定风扇也是利用扇框上的安装孔。

风扇扇框另外一个作用就是导流，部分风扇设计时设计了导流叶，则导流后静压就更好，从而提高风扇的使用特性。

风扇的轴承系统

轴承是风扇寿命关键器件，其类型包括有滚珠和含油两种。

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。

使用含油轴承，风扇的噪音和成本都相对较低，但是对应扇叶朝下、高温环境或大尺寸风扇（轴流风扇12cm以上，离心风扇7cm以上）的应用，可靠性较低，此时选用滚珠轴承会较好。

下图是各类轴承对应的寿命、工艺、噪音、价格关系，实际的寿命数值不一定准确，使用含油轴承的优势在于噪音小、成本低，在耐温和安装方向上可能不及滚珠轴承设计的自由度大，因为在高温或者倒立使用的情况下，含油轴承的使用寿命可能会比较低。

（下图只做参考）

散热风扇的分类及特点

通常，根据散热风扇的进出气流流向，可将其分为以下几类：

一、轴流风扇

　　流风扇的叶片推动空气以与轴相同的方向流动（如上图）。

轴流风扇的叶片推动空气以与轴相同的方向流动。

轴轴流风扇的叶轮和螺旋桨有点类似，它在工作时，绝大部分气流的流向与轴平行，换句话说就是沿轴线方向。

轴流风扇当入口气流是0静压的自由空气时，其功耗最低，当运转时会随着气流反压力的上升功耗也会增加。

轴流风扇通常装在电气设备的机柜上，有时也整合在电机上，由于轴流风扇结构紧凑，可以节省很多空间，同时安装方便，因此得到广泛的应用。

其特点：

较高的流率，中等风压

以下介绍几种常见轴承

风扇的轴承系统一般建议最好选用滚珠轴承，因为扇热风扇的寿命通常取决于其轴承的可靠性，滚珠轴承系统已被证实具有高效率与低生热的特点。

滚珠轴承属滚动摩擦，由金属珠滚动，接触面小，摩擦系数小；而含油轴承为滑动摩擦，接触面大，长期使用后，油会挥发，轴承容易磨损，摩擦系数大，后期噪音较大，寿命短。

品质好的风扇除了通风量大、风压高以外，可靠性也是非常重要的，风扇使用的轴承形式在此显得非常重要。

高速风扇一律使用滚珠轴承（Ballbearing）而低速风扇则使用成本低廉的含油轴承（Sleevebearing）。

含油轴承风扇只用一个轴承；而滚珠轴承风扇都需要两个轴承，单滚珠轴承，是“1Ball+1Sleeve”，依然带有含油轴承的成分。

比单滚珠更高级的是双滚珠轴承，即TwoBalls。

含油轴承寿命一般为10000小时，单滚珠轴承为30000小时，双滚珠轴承为50000小时以上（环境温度均设定在25℃以下时）。

风扇使用的含油轴承由铜基粉末烧结而成，使用含油轴承需加润滑油以减少滑动摩数,润滑油由锂基润滑脂加特制机油调制而成。

随着长时间的运转，轴承内的机油会挥发而变干，摩擦系数增大，风扇运转受影响，可能出现异音，转速偏慢甚至不转现象。

而滚珠轴承由滚动摩擦取代了滑动摩擦，摩擦系数小并克服了摩擦系数容易变的缺点，因而运转稳定性强，寿命相对要长得多。

　　散热风扇的常见轴承有：

滚珠轴承，含油轴承，磁悬浮轴承。

滚珠轴承

滚珠轴承（BallBearing）改变了轴承的摩擦方式，采用滚动摩擦，两个铁环中间有一些钢球或者钢柱，并辅以一些油脂润滑。

这一方式更为有效的降低了轴承面之间的摩擦现象，有效提升了风扇轴承的使用寿命，也因此将散热器的发热量减小，使用寿命延长。

所带来的缺点就是工艺更为复杂，导致成本提升，同时也带来更高的工作噪音。

✧单滚珠轴承

单滚珠轴承（1Ball+1SleeveBearing）是对传统含油轴承的改进，采用滑动摩擦和滚动摩擦混合的形式，其实就是用一个滚珠轴承搭配一个含油轴承的方式来降低双滚珠轴承的成本，它的转子与定子之间用滚珠进行润滑，并配以润滑油。

它克服了含油轴承寿命短，运行不稳定的毛病，而成本上升极为有限。

单滚珠轴承吸收了含油轴承和双滚珠轴承的优点，将轴承的使用寿命提升到了40000小时，缺点是在加入滚珠之后，运行噪声有所增大，但仍小于双滚珠轴承。

✧双滚珠轴承

双滚珠轴承（2BallBearing）属于比较高档的轴承，采用滚动摩擦的形式，采用了两个滚珠轴承，轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇页或轴心转动时，钢珠即跟着转动。

因为都是球体，所以摩擦力较小，且不存在漏油的问题。

双滚珠轴承的优点是寿命超长，大约在50000-100000小时。

抗老化性能好，适合转速较高的风扇。

双滚珠轴承的缺点是制造成本高，并且在同样的转速水平下噪音最大。

双滚珠轴承和液压轴承的封闭性较好，尤其是双滚珠轴承。

双滚珠轴承被整个嵌在风扇中，转动部分没有与外界直接接触。

在密封的环境中，轴承的工作环境比较稳定。

因此5000转级别的大口径风扇几乎都使用双滚珠轴承。

不过液压轴承由于具备独特的还回式油路，所以润滑油泄露的可能性较小，根本不用过多担心。

含油轴承

含油轴承（SleeveBearing））是使用滑动摩擦的套筒轴承，使用润滑油作为润滑剂和减阻剂。

可以说是现在市场上最常见的一种轴承技术，由于成本低廉，制造简单，不少产品包括知名品牌都还在继续使用中。

含油轴承初期使用时运行噪音低，制造成本也低。

但这种轴承使用时间一长，由于油封的原因，润滑油会逐渐挥发，而且灰尘也会进入轴承，从而引起风扇转速变慢，噪音增大等问题，严重的还会因为轴承磨损造成风扇偏心引发剧烈震动。

出现这些现象，要么打开油封加油，要么就只有淘汰另购新风扇。

平均寿命只有8000～1500小时，与滚珠轴承相比有较大差距。

含油轴承又分为传统含油轴承、液体动压轴承和陶瓷轴承，之所以这样划分，主要是这几种轴承在设计及工艺上存在一定的差异，传统含油轴承是普通型套筒轴承，目前很多应用在PC上的风扇都采用这种轴承，液体动压轴承在原来传统工艺基础上在轴心和轴承上均增加油槽，让润滑油可以在内部循环自润，同时在结构上增加挡油圈、封闭油封及羊毛毡等延缓润滑油挥发。

轴承比较

项目

滚珠轴承

含油轴承

轴承