如何从特性曲线判定风扇性能.docx
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如何从特性曲线判定风扇性能
如何从特性曲线判定风扇性能
A.何谓风扇特性曲线？
何谓客户系统阻抗？
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。
Figureofairchamber
B.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FANa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FANb虽然风量与静压都较FANa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、系统内元件排放位置调整等，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FANa与FANb可得知FANa之马达扭力与扇叶、外框设计特性较FANb佳。
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风扇使用注意事项
1.取用风扇，轻取外框两侧，不可拉扯导线。
2.取用风扇，不可碰触或挤压扇叶与外框。
3.风扇严禁掉落地面，或敲击外框任何面。
4.风扇电源需依照规格电压安装使用。
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HYPRO轴承科技
防止小型笔记型计算机的硅芯片过热。
风扇散热时，安安静静！
协禧电机首创世界第一与最小的Hypro风扇。
这个在台湾的创新设计与革新制造，采用寿命高出两倍于含油轴承风扇（SleeveBearingFans）的特殊合金轴承（HyproBearing）。
它不但价格低廉，并且其耐用性比价格偏高的滚珠轴承风扇（BallBearingFans）还好；在室温环境下，Hypro风扇的使用寿命超越滚珠轴承风扇，高达五万小时以上。
其中的Ｈypro轴承微型风扇系列，它们更是专为「轻、薄、短、小」之笔记型计算机的特殊散热需求环境设计而成，特殊的润滑效果，让它运转散热时，安安静静！
降低计算机、网络设备及其外围设备温度，提升运算速度，超越未来。
不久前，个人计算机的悲观主义者预言，高温效应将使计算机设计者于创作更快的计算机芯片时成为最大阻力。
Hypro风扇能成功地降低P-ⅢCPU，甚至于P-4CPU的温度，其且防止过热引起的损坏。
多项实验证明Hypro风扇之降温性能将可超越目前其它风扇。
其适用范围，不仅应用在P-ⅢCPU、P-4CPU冷却器及笔记型计算机上时，有优越的降温表现；更广泛应用在不断电系统、硬盘机~接盒、光盘机、服务器、交换式电源供应器及网络设备；甚至于医学用探针、手提仪器、电讯设备、环保器材…等。
Hypro风扇是您精心设计高科技产品的最佳守护神。
Hypro风扇是甚么？
HY：
流体力学波（Hydrodynamicwave）
PRO：
油护系统（Oilprotectionsystem），特点有：
1）藉减少轴承与轴套之间的磨擦表面积，当Hypro风扇运转时，轴承自体温度自然比其他轴承降低许多。
2）此独特之轴承结构能储存并且维持较多油量，形成一个循环油路的保护润滑系统，噪音自然降低。
3）轴承系以比青铜（Bronze）更硬的新合金复合材料（Alloy）制成，磨损率低，寿命增长。
这些特点使Hypro风扇能有更长的平均使用寿命，噪音低…等优越性能；最重要的是，在高温恶劣环境下运转，因为特殊的油护系统效应，所以比含油轴承（SleeveBearing），滚珠轴承（BallBearing）或甚至液静轴承（HydroBearing）更稳定、寿命更长！
Hyprofan的优越性能
请参考下列各类风扇轴承MTTF性能曲线比较图及优点比较图
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第三条导线设计
第三条导线输出信号
转速检测信号输出（IC板）-集极开路模式
FG----3A
FG----3B
FG---3C
警告信号输出（IC板）-集极开路模式
RD---2A
RD---2B
RD---2C
转速检测信号输出（晶体板）-集极开路模式
FG-6A
FG---6B
温控型（IC板）-转速检测信号输出
Version4（VS）
双转速型
Version7（TS）
脉波调变控制转速型
PWM-9A
风扇特性测试概述
风扇特性测试：
依据AMCA210-85"LaboratoryMethodsofTestingFansforRating"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。
风扇特性曲线
测试系统略图
TOP
风扇并联分析
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。
※本公司不建议风扇采串联方式使用。
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风量单位
CFS：
CubicFeetPerSecond，立方英呎/秒（ft3/s）
CFM：
CubicFeetPerMinute，立方英呎/分（ft3/min）
CMS：
CubicMeterPerSecond，立方公尺/秒（m3/s）
CMM：
CubicMeterPerMinute，立方公尺/分（m3/min）
CMH：
CubicMeterPeterHour，立方公尺/时（m3/h）
L/s：
LiterPerSecond，公升/秒（L/s）
L/min：
LiterPerSecond，公升/分（L/min）
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风量换算表
CMS
CMM
L/s
L/min
CMH
CFS
CFM
1
60
1K
60k
3.6k
35.3
2.118k
0.0167
1
16.7
1k
60
0.588
35.35
1mili
0.06
1
60
3.6
0.0353
2.118
16.7μ
1mili
0.0167
1
0.06
588μ
0.0353
277μ
0.0167
0.277
16.7
1
9.81mili
0.588
0.0283
1.698
28.3
1.69k
101.9
1
60
0.47mili
0.0283
0.472
28.3
1.698
0.167
1
K=1000;mili=0.001;μ=10^-6=0.000001
基本概念
DC風扇運轉原理：
根據安培右手定則，導體通過電流，周圍會產生磁場，若將此導體置於另一固定磁場中，則將產生吸力或斥力，造成物體移動。
在直流風扇的扇葉內部，附著一事先充有磁性之橡膠磁鐵。
環繞著矽鋼片，軸心部份纏繞兩組線圈，並使用霍爾感應元件作為同步偵測裝置，控制一組電路，該電路使纏繞軸心的兩組線圈輪流工作。
矽鋼片產生不同磁極，此磁極與橡膠磁鐵產生吸斥力。
當吸斥力大於虱扇的靜摩擦力時，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，至於其運轉方向，可依佛萊明右手定則決定。
AC風扇運轉原理：
AC風扇與DC風扇的區別。
前者電源為交流，電源電壓會正負交變，不像DC風扇
電源電壓固定，必須依賴電路控制，使兩組線圈輪流工作才能產生不同磁場。
AC風扇因電源頻率固定，所以矽鋼片產生的磁極變化速度，由電源頻率決定，頻
率愈高磁場切換速度愈快，理論上轉速會愈快，就像直流風扇極數愈多轉速愈快的
原理一樣。
不過，頻率也不能太快，太快將造成啟動困難。
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靜壓單位
N：
Newton，1n=0.101097Kgf
Pa：
Pascal，Pa=N/m^2
mmAq：
Aq=Aqua（水柱）之簡稱;
mmAq又稱mmH2O;1mmAq=1Kg/m^2
atm：
大氣壓；一大氣壓等於在0℃乾燥狀態下760mmHg的壓力。
因水銀重量是水的13.5947倍，
所以一大氣壓又等於10332mmH2O的壓力
bar：
1bar=0.00001Pa=10-5Pa
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靜壓表
Pa
mmH2O
inH2O
mmHg
Kgf/cm^2
atm
bar
Lbf/in^2
1
0.10197
4.017mili
7.5mili
10.197μ
9.869μ
10μ
14.5mili
9.80665
9.80665
39.39mili
73.558mili
100μ
96.78μ
98.06μ
1.422mili
249
25.4
1
1.8683
2.54mili
2.46mili
2.49mili
36.1mili
133.228
13.5947
0.535
1
1.359mili
1.3158mili
1.3332mili
10.337mili
98.0665K
10K
393.7
990.1
1
0.9678
0.980665
14.2234
101.325K
10.332K
407.1
1023
1.03323
1
1.01325
14.696
100K
10.197K
401.8
1009.62
1.01972
0.986923
1
14.5038
6.895K
703.1
27.686
69.61
70.31mili
68.05mili
68.95mili
1
1in=25.4cm;1Lb=445g;K=1000;mili=0.001;μ=0.000001
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啟動電壓與死角問題
認識風扇啟動電壓：
有那些因素影響啟動電壓?
啟動電壓意即風扇最低運轉工作電壓，是比較風扇優劣的一項特性，通常淨摩擦系數較低的風扇，以及配台較低工作電壓的霍爾IC才能使風扇於較低電啟動。
影響風扇啟動電壓的因素，有：
1.繞線設計是否恰當。
2.矽鋼片磁滯損失大小。
3.霍爾lC的最低工作電壓。
4.電晶體放大倍數高低。
5.橡膠磁鐵的充磁強度。
6.扇葉的重量。
7.軸承的摩擦系數高低。
8.電晶體飽和電壓高低。
9.是否有反向保護二極體。
認識風扇死角：
那些因素造成風扇死角?
所謂風扇死角是指風扇置於某些角度情況下不能依規定電壓啟動。
測試方法就是將風扇各極依序調整置於霍爾IC之前，然後將電壓緩慢調高直到啟動，若各極在小於規定電壓值之前啟動，代表合格，若有高低差異，啟動電壓超出規定者，稱為死角。
影響風扇啟動電壓的因素，有：
1.橡膠磁鐵各極充磁不均。
2.HALLIC感應靈敏度太差。
3.橡膠磁鐵充磁磁場太弱。
風扇噪音測試
依據ＣＮＳ ８７５３測試規範。
如略圖所示將風扇放置於背景噪音低於１５分貝之無響室中，距離噪音計１公尺處，測風扇之吸風面處，經由電腦匯整測得資料後繪出資料與聲壓位準趨勢圖、倍頻帶均能聲壓位準圖等等。
風扇噪音測試略圖
聲壓位準趨勢圖
（SPLTrend）
由此表格顯示出，在一段時間內風扇所產生出之噪音穩定。
倍頻帶均能聲壓位準圖
（Octave-BandLeq）
由此表格顯示出，分布於各頻譜中的噪音值。
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噪音如何表示
人耳所聽取之音的強度，實際上會隨音的頻率而有所不同，例如在1000Hz時人耳特別敏感，故相同音壓的兩不同頻率，會免得1000Hz的頻率其音量較大。
所謂噪音與音樂的差別只是聽起來舒適與否，在音波而言並沒兩樣。
人耳所能聽取之音的強度水準（SIL）可以下式表示：
SIL=logI/Io（Bel）或lOlog（I/10*-12（W/m*2））Db
Io:
最小可聽取之音的強度（10*-12（W/m*2））
I:
音的強度（W/m*2）
另外，也可用音壓表示：
L=logp*2/po*2（Bel）或10logp/po（dB）
po:
最小可聽取之音壓（N/m*2）
p:
音壓（W/m*2）<>
產品壽命期望值MTTF及L10之計算
1.產品壽命期望值MTTF是指產品發生63.2%不良時之預期時間，或稱信賴度36.8%之時間。
產品壽命期望值L10是指產品發生10%不良時之預期時間，或稱信賴度90%之時間。
MTTF=t1+（t2-t1）*0.632
L10=t1+（t2-t1）*0.1
t1：
達不良率值最短時間
t2：
達不良率值最長時間
2.所請不良之定義並無一定之規範，譬如：
（1）可以用一批產品作測試，經2000，3000，5000，10000，18000小時後測試其轉速、消耗電流是否超出規格做為不良之定義。
（2）或以精密測量儀器測量軸心潤滑油料殘餘量剩多少為不良之定義。
3.測試之樣品數越多則數據越可靠，最少三個。
4.測試時間可以2000，3000，5000，10000，18000小時做為規範。
也就是說測試時間點i為1,2,….n，因測試點有五點，所以n=5，I=1,2,3,4,5共五點。
i
1
2
3
4
5
t（小時）
2000
3000
5000
10000
18000
5.假設現有一風扇產品，以軸心油料消耗至50%時即視為不良，因油料耗至50%時間相當長，故必需以外差法求其時間。
若油料損耗曲線趨近線性，油耗公式可寫為Y=Ax+b
Y:
經過i時間後油指殘餘量
X:
時間（單位：
小時）
a:
曲線斜率。
等於Σ（Xi-X）*（Yi-Y）/Σ（Xi-X）2
b:
常數（單位：
%）等於Y-[Σ（Xi-X）*（Yi-Y）/Σ（Xi-X）2]*X=Y-Ax
註：
計算時，若b>100%以100%計算
X：
=各測試時間點之平均值
=（2000+3000+5000+10000+18000）/5=7600小時
Y：
各測試時間點油脂殘餘量平均值，假設有三個樣品S1、S2、S3經過i時間其油脂殘餘量如下：
Xi（小時）
2000
3000
5000
10000
18000
S1（%）
99.9
99.8
99.6
99.1
98
S1（%）
99.5
99.2
97
93
87
S1（%）
99.5
99.3
98
96
93
（1）S1樣品
X=7600，Y=（99.9+99.8+99.6+99.1+98）/5=99.28%
a=[（2000-7600）（99.9-99.28）+（3000-7600）（99.8-99.28）+（5000-7600）（99.6-99.28）+（10000-7600）（9931-99.28）+（18000-7600）（98-99.28）]/[（2000-7600）2+（3000-7600）2+（5000-7600）2+（10000-7600）2+（18000-7600）2]=[（-3472）+（-2392）+（-832）+（-432）+（-13312）]/[（31360000）+（21160000）+（6760000）+（108160000）]=-20440/167440000=-0.000122
b=Y-aX=99.28-（-0.000122*7600）=99.28+0.927=100.2（%），以100（%）計算
依據油耗公式Y=aX+b，得知S1風扇在潤滑油量（Y）剩50%之時間X;
X=（Y-b）/a=（50-100）/（-0.000122）=-50/（-0.000122）=409836小時
（2）S2樣品
X=7600，Y=（99.5+99.2+97+93+87）/5=95.14%
a=[（2000-7600）（99.5-95.14）+（3000-7600）（99.2-95.14）+（5000-7600）（97-95.14）+（10000-7600）（9.-95.14）+（18000-7600）（87-95.14）]/[（2000-7600）2+（3000-7600）2+（5000-7600）2+（10000-7600）2+（18000-7600）2]=[（-24420）+（-18680）+（-4840）+（-5140）+（-84660）]/[（31360000）+（21160000）+（6760000）+（108160000）]=-137740/167440000=-0.0008226
b=Y-aX=95.14-（-0.0008226*7600）=95.14+6.25=101.39（%），以100%計算
依據油耗公式Y=aX+b，得知S2風扇在潤滑油量（Y）剩50%之時間X：
X=（Y-b）/a=（50-100）/（-0.0008226）=-50/（-0.0008226）=60782小時
（3）S3樣品
X=7600，Y=（99.5+99.3+98+96+93）/5=97.16%
a=[（2000-7600）（99.5-97.16）+（3000-7600）（99.3-97.16）+（5000-7600）（98-97.16）+（10000-7600）（96-97.16）+（18000-7600）（93-97.16）]/[（2000-7600）2+（3000-7600）2+（5000-7600）2+（10000-7600）2+（18000-7600）2]=[（-13104）+（-9844）+（-2184）+（-2784）+（-43264）]/[（31360000）+（21160000）+（6760000）+（108160000）]=-71180/167440000=-0.0004251
b=Y-aX=0.90-（-0.0004251*7600）=97.14+3.23=100.37（%），以100%計算
依據油耗公式Y=aX+b，得知S3風扇在潤滑油量（Y）剩50%之時間X：
X=（Y-b）/a=（50-100）/（-0.0004251）=-50/（-0.0004251）=117619小時
6.由以上三樣品得知：
油料最先消耗50%的風扇為S2，時間為60782小時
最慢者為S1，時間409836小時
所以得知t1=60782小時，t2=409836小時
7.MTTF=t1+（t2-t1）*0.632=60782+（409836-60782）*0.632=60782+220602=281384小時
L10=t1+（t2-t1）*0.1=60782+（409836-60782）*0.1=60782+34905=95687小時
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