散热风扇知识概览文档格式.docx
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前两种方式必须是支持测速功能的风扇才能测出。
散热风扇的主要性能参数：
散热风扇的主要参数包括流量、压力、转速、功率等...
散热风扇的电气结构:
散热风扇有以下三部分组成：
1.控制部分:
由霍尔磁效应开关、晶体管和电阻等元件构成。
其功能是控制定子线圈绕组电流方向的变化。
2.电机绕组部分:
由矽钢片、漆包线和上下绝缘架组成。
其中矽钢片的功能是负责将磁极导出，以便于确定N、S的强弱，而绕组决定磁力线的方向性，包括N、S极和控制信号，不断改变绕组极性，推动磁框运转，达到做功目的。
3.固定磁场部分:
由胶磁提供固定磁场，以用于旋转时产生动力。
风量与风压：
风量与风压的测试方法有两种一是用风洞仪测试，另一种是用双箱法测。
但对于一般用户而言，没有这样的设备。
只能根据厂家提供的数据作为参考，最终要看降温效果。
*风量：
风量是指风扇通风面积平面速度之积。
通风面积是出口面积减去涡舌处的投影面积。
平面速度是气流通过整个平面的气体运动速度，单位是m3/s。
平面速度一定时,扇叶叶轮外径越大，通风面积越大，风量则越大。
平面速度由转子的转速和风压决定。
通风面积一定时，平面速度越大，风量越大。
风量越大，空气吸热量则越大，空气流动转移时能够带走更多的热量，扇热效果越明显
*风压：
为进行正常通风，需要克服风扇通风行程内的阻力，风扇必须产生克服送风阻力的压力，测量到的压力的变化值称为静压，即最大静压与大气压的差压。
它是气体对平行于物体表面作用的压力，静压是通过垂直于其表面的孔测量出来的。
把气体流动中所需要动能转化为压力形式称为动压。
为实现送风的目的，需要有静压和动压。
全压为静压与动压的代数和，全压是指由风扇所给定的的全压增加量，即风扇的出口和进口之间的全压之差。
在实际应用中，标称的最大风量值并不是实际扇热片得到的送风量，风量大，并不代表通风能力强。
因空气流动时，气流在其流动路径会遇上扇热稽片或元件的阻扰，其阻抗会限制空气自由流通。
即风量增大时，风压会减小。
因此必须有一个最佳操作工作点，即风扇性能曲线与风阻曲线的交点。
在工作点，风扇特性曲线之斜率为最小，而系统特性曲线之变化率为最低。
注意此时的风扇静态效率（风量×
风压÷
耗电）为最佳。
当然有时为了能减少系统阻抗，甚至选用尺寸较小的风扇，也可以获得相同的风量。
风扇的轴承系统：
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。
*使用含油轴承最大优点：
⑴耐外力撞击，因运输所造成之损坏较少。
⑵价格便宜，与滚珠轴承相比，价格差异很大。
为什么Ballbearing（滚珠轴承）寿命长？
滚珠轴承是运用金属珠运转，属于点接触，故起动运转很容易。
此外，滚珠轴承由滚动磨擦取代了滑动磨擦，磨擦系数小，并克服了磨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。
滚珠轴承配合弹簧使用，所以用弹簧顶撑着Ballbearing外金属环，而使整个扇叶转子的重量坐落在滚珠轴承上，而且由弹簧间接顶撑着，故可用于不同方向、角度之可携式产品，但仍要防止乱摔与掉落，免得滚珠轴承受损，从而产生噪音，缩短使用寿命。
*使用含油轴承的缺点：
⑴因转子重量全部负荷于轴芯，故会造成轴芯与轴承摩擦运转成畸形或不平坦，使得马达运转不顺，寿命减短。
⑵轴承内径容易被磨损成椭圆而产生机械噪音，故无法使用在携带式产品上，也就是常更换方向、角度之产品，如测试仪器、笔记本电脑等。
⑶因传统的轴承的两端，均设计有油圈、垫片，并沾上润滑油以防止运转时产生噪音，因此使得轴芯与轴承运转磨擦面积增加，一方面所产生之高温气体（未固化前）无法排除掉，而被轴承两端之间油圈、垫片搁下成固态氮化物，淤塞于轴芯与轴承两端之间的间隙，阻碍了整个马达顺畅运转，当然噪音也就因此而产生，使用寿命亦就缩短。
④为了延长轴芯与轴承表面的磨擦寿命，故轴芯与轴承之间隙，一定要设计的很小，且其精密度要很高，故对马达运转之启动效果就会比较差。
ASKONIC在轴承方面不断的试验、探索、研发和长期实践中不断推出可靠性更高，寿命更长，噪音更低的新型中空超级轴承等。
风扇的平衡/振动：
转子不平衡将使风扇产生振动,当风扇转子转动时由于转子的物理质心与转轴惯性中心不在同一轴上，便造成转子的不平衡。
转子的物理质心与轴承惯性中心的最近距离称为偏心距，当转子转动时由于离心力作用产生一作用力于转轴支架而形成振动，且振动经由基路径传递到机械各部分。
其离心力的公式为：
F=mrω2=Meω2
其中
F：
离心力
m：
不平衡质量
r：
不平衡质量产生处与转轴中心之距离
ω：
转子转速
M：
转子总重量
e：
转子偏心距
风扇的振动对不平衡质量应予以控制，并制定平衡等级标准，振动不仅降低风扇使用寿命，而且会加大风扇运转的噪声或异音。
负责任的厂商其扇热器产品在出厂前对振动均予以检
测，对超过平衡等级者使用微电脑均衡机予以校正。
噪音与异音:
噪音：
由于叶片周期性地承受着出口不均匀气流的脉动力作用，产生噪音；
另一方面，由于叶片本身及叶片上压力的不均匀分布，转动时对周围气体及零件的扰动也构成旋转噪声；
此外由于气体流经叶片撕产生瑞流附层面、旋涡及旋涡脱离，引起叶片上压力分布的脉动而产生涡流噪声。
同一系列的风扇，风量风压大者，噪声也较大，因此，要合理选择风扇形式，余量过大不仅浪费电能，而且增大噪声。
对同一型号的风扇，应尽量选用低转速运行的风扇；
对于不同型号风扇，应选择噪音较低的，而不应只考虑转速。
对于一些用户，只追求风量和风压当然要求转速越高越好，噪音值可放宽；
对于系统工作而言，我们一贯建议选用满足散热需求中的低噪音为宜，越低越好。
异音：
噪声听起来只有单纯的风声，噪声是一种声波，具有声波的一切特性。
而异音则不同，风扇运转时，除风声外，若还有其他声音发出（具有两种以上的声音发出），即可判断风扇出现了异音。
异音可能因轴承内有异物或变形，以及组装不当而出现碰撞，或电机绕组缠绕不均，造成松脱，都可能产生异音，这种风扇属于淘汰之列。
一般检测异音都用贴近耳听的办法，主观性因素较大，不容易识别，容易起争议，如果您使用的风扇数量较大，可借助频谱分析设备查看噪声频谱能量分布可识别异音。
启动与工作（电压/电流）：
*启动电压是指当突然通电，能够使风扇启动的最小电压。
*工作电压是指通电后稳定的能够使风扇正常运转的电压，即额定电压。
启动电压，一般DC风扇额定电压为12V，启动电压一般为7V以下，因系统提供电压可能会不稳定，若启动电压越低，与额定电压12V的间距就比较大，代表该DC风扇可操作的电压范围越广，可确保在电压不稳时能低压激活启动风扇。
启动电压值的大小可借助万用表等检测工具测出。
风扇工作电流低，不仅减小耗电，而且使风扇马达发热量减小，可增加风扇的使用寿命。
对于含油风扇而言，还可减慢润滑油的挥发，因此电流越低，风扇可靠性越高。
当输送的风量与风压不变的条件下，采用的风扇电流越低，轴功率则越小，而实际传递给气体的功率不变，风扇效率越高。
风扇的工作电流可用电流表观察出来。
直流风扇的转速控制
温控风扇的原理是：
依据风扇周围的热量的升高来提高风扇自身的转速，同时增加空气的流动（排风量）。
温控风扇使用一个电热调节器来感应温度，装在风扇毂上的感应器能检测经过风扇的温度。
在这种配置中必需正确安装风扇，当风扇安装完成时，电热调节器能通过特别的连接电线感应。
风扇运转是随着热量的情况而改变，以较慢的速度运转，风扇将会产生较少的噪音并且消耗较少的能量。
在大多数的设计要求中，在风扇提速运转数小时后空气温度通常比最大的设计温值更低。
通常的情况之下，低速运转的散热风扇能足够地完成它的工作。
但是在选择与安装时也应考虑：
首先，所选择的风扇一定要能够提供足够的排风量（转速），在高温度情况之下冷却设备内部的热空气；
当温度比较低和热气流比较少的时候是做相反的工作。
其次，在对感应器安装的位置选择时应注意，把感应器放在适当的位置，尽量使感应器能直接夹紧在需要冷却的表面。
在运转中，一个温控的风扇，如果电热调节器感觉温度较高时会以较快的速度运转；
而在温度较低时，会以较低的速度运转；
在这些较高和较低的中间，风扇速度将几乎不会因温度而改变。
风扇的温度改变较慢时，风扇的速度改变也较慢，不会突然改变风扇的速度和噪音。
反应时间的长短主要取决于它的感应器对热感应的灵敏度。
散热风扇知识
（2）
一般的散热风扇风量、风压曲线图如图1所示：
按惯例我们用横坐标表示风量，纵坐标表示风压和速度，次坐标表示电能及电流。
如图，风压与风量的关系可以用一个简单的抛物线图来表示：
P=krQ2（Q平方）
其中：
P=风压
Q=风量
r=空气密度
我们通常把风压/风量抛物线图称为阻力曲线图，如图B点所示：
当外框压力由0.14降到0.04英寸的时候，风量增加到92CFM。
此时，风扇的风压为0.07。
同样规格直流风扇在低转速下的气流变化（如图2所示），仍然用阻力曲线表示，当图中B点的风量为70CFM，实际消耗能量能量较少、产生的噪音较小。
图3简要描述了两个风扇气流的变化。
在某些情况下，若外框阻力减到最小值，那么规格较小的风扇，风量相对也小。
为了使封装尺寸达到较小，而使用密闭的封装方式，这样往往会导致气流不能顺利通过或者产生一些偏差。
但一些特殊的设计可以使气流很好地在风扇进出口之间的转换。
本页所显示关于风扇进出风的性能曲线，在相关的PDF格式的文档里面有详细的描述。
在产品性能中，噪音水平被标示为（NPEL,dBA），它是风扇以正常的速度运转所产生的声音大小的等级,是按照美国和国际标准的静音室测试所得到的数据。
如果转速和压力改变，声音大小也将产生变化，声音的大小很大程度上会受风扇的装置的影响。
外安装太接近风扇，尤其是在风扇的进气口那面，因为空气的非正常的流动，会对声音的大小会有很重要的影响。
对于风扇的送风量和声音高低的参数有实验室的测试标准。
测试标准由美国社会工程师、空气运动和控制协会出具。
这被称为ANSI/ASHRAE51或者ANSI/AMCA210。
ISO/DIS10302或者ANSIS12.11则是声音的测试标准。
通常声音大小就被级别而言，是指在一定空间点上的大小，即距风扇正前方1米的地方。
因为风扇四面八方散发出声音，不同的压力水平可能同时在另一个地方存在。
通常，美国和国际标准要求有对产品音量的描述。
风扇振动与噪音测试
1．风扇转子不平衡将造成风扇运转产生振动
当风扇转子转动时由于转子的物理质心与转轴惯性中心不在同一轴上，便造成转子的不平衡。
转子的物理质心与转轴惯性中心的最近距离称为偏心距。
转子不不衡造成偏心距，当转子转动时由于离心力的作用产生一作用力于转轴支架而形成振动，且振动经由基路径传递到机械各部份。
其离心力的公式为：
F=mrω2=Meω2
其中
F：
离心力
m：
不平衡质量
r：
不平衡质量与转轴中心之距离
ω：
转子转速
M：
转子总重量
e：
风扇的振动对不平衡质量应予以控制，并制订平衡等级标准，振动不仅降低风扇使用寿命，而且会加大风扇运转的噪声或异音。
负责任的厂商散热器产品在出厂前对振动均予以检测，对超过平衡等级者使用微电脑均衡机予以校正，也可通过图1所示的振动与噪音测试系统进行校正。
2．噪声
风扇工作时，由于叶片周期性地承受出口不均匀气流的脉动力作用，产生噪声；
此外由于气体流经叶片时产生湍流附层面、旋涡及旋涡脱离，引起叶片上压力分布的脉动而产生涡流噪声。
同一系列的风扇，风量风压大者，噪声也较大，因此，要合理选择风扇形式，余量过大不仅浪费电能，而且增大噪声。
对同一型号的风扇，应尽量选低转速运行的风扇；
对不同型号风扇，应选择噪声分贝值较低的，而不应只考虑转速。
噪声测量最简单的办法是放于静音箱内，用话筒连接分贝计测量其分贝值。
3．异音
噪声听起来只有单纯的风声，噪声是一种声波，具有声波的一切特性。
而异音则不同，风扇运转时，除风声外，若还有其它声音发出，即可判断风扇出现了异音。
异音可能因轴承内有异物或变形，以及组装不当而出现碰撞，或电机绕组缠绕不均，造成松脱，都可能产生异音，这种风扇必须属于淘汰之等级。
一般检测异音的方法都用贴近耳听的办法，主观性因素较大，不容易识别，容易起争议，如果你使用的风扇数量较大，建议采用频谱分析设备查看噪声频谱能量分布识别异音
直流散热风扇工作原理
定子：
是負責將磁极導方向，以利確定N、S之強弱．
COIL:
是決定磁力線之方向性，包含N、S极.
磁條：
是為提供一個固定之磁場，以利旋轉時之比較動力
假四极激磁
霍爾元件之感應位置：
由於磁力線之方向性為N->
S，故會有兩種极性產生．
若另一種极性產生，又pointi不對，則會產生另一種不對稱之假死點，故Pointnt必須在N,S磁极之中間或偏於某一邊．
S
N
Point
霍爾原件和磁條之關係
一、風扇原理：
1直流風扇基本結構概況:
:
（1）
直流風扇機械結構由以下幾個主要部分組成:
A外框:
塑料壓製而成,一般為正方形,圓形;
B葉片:
固定在風扇外轉子上,外轉子為膠永磁環;
C磁條:
采用膠磁片,經充磁機充磁后形成帶有磁體的磁條;
D定子:
直流風扇的固定不旋轉部份,一般為四個大齒構成四极,四极上有兩組線圈;
E轉子:
葉片和磁條及軸承一起構成直流風扇的旋轉部分;
（2）
直流風扇電氣結構由以下幾個主要部分組成:
A定子:
產生旋轉的電磁場.
B轉子:
以相同於轉子產生的旋轉電磁場速度運轉部分.
CHAIL:
HALL電壓放大器,Schmitttrigger,驅動放大器等---實現對馬達的控制.
二、HallIC在風扇中的應用
風扇設計注意事項:
1、確保IC與磁條距離≦1.0MM,使IC可靠感應磁條空間磁場;
2、確保IC超前中心軸線一微小角度,使IC超前感應;
3、硅鋼片3~8片,導磁能力越強越利於IC感應;
4、確保磁條充磁有一定峰值強度、陡度、對稱度,以利IC感應;
5、確保風扇結構合理,使IC有足夠散熱空間,不能接觸線包及硅鋼片;
6、確保PCB板上GND&
VCC有足夠大面積以利於散熱;
7、轉速提高須合理設計線包匝數,性阻抗,但電流不就過規格範圍值;
8、風扇機種須合理選擇IC料號；
9、合理選擇電容,避免產生,共振現象對IC造成損傷;
10、合理選擇風扇線路結構;
散热风扇IC与电流关系
用276/277IC風扇能夠做到的最大電流
SIP4塑膠封裝能夠承受的功耗Pd与溫度的關系曲線﹔溫度為t時能夠承受的功耗計算﹕Pd=660-4.4t（mW）
而276/277IC實際消耗功率計算﹕Pd=Vcc*Icc+Vsat*Isink=12*16+0.7*Isink=192+0.7*Isink,由此可以确定風扇電流与溫度關系表﹕
1.
風扇無電容時﹐風扇電流Ifan与貫入ICdriver電流Isink接近﹔
下述溫度為環境溫度加上電机溫升﹕
T=85℃,Pd=192+0.7*Isink≦286,Isink≦134mA;
T=80℃,Pd=192+0.7*Isink≦308,Isink≦165mA;
T=75℃,Pd=192+0.7*Isink≦330,Isink≦197mA;
T=70℃,Pd=192+0.7*Isink≦352,Isink≦228mA;
T=65℃,Pd=192+0.7*Isink≦374,Isink≦260mA;
T＜65℃,Isink≦260mA;
若考慮安規﹐當風扇堵轉時﹐線圈只有電阻無感抗﹐而276/277ICIlock≦500mA,故線圈電阻為R≧12/0.5=24Ω;
堵轉時﹐線圈連續通電﹐溫升持續上升﹐風扇否損坏与鎖定電流与持續時間有關﹔276/277IC能夠做到的風扇電流高為260mA左右﹔
2.
風扇加有電容時﹐貫入ICdriver電流Isink較風扇電流Ifan大﹐考慮這一系數﹐風扇能夠做到的最大電流要較上述小﹔
結論﹕規格書上的Isink=400mA是指的IC表面溫度25℃時貫入ICdriver電流的RMS值（有效值）﹐并非任何情況下都能達到400mA﹔貫入ICdriver的電流与風扇電流并不相等﹔使用環境溫度越高﹐ICdriver能承受的電流越小﹔
散热风扇叶片
风扇的叶片为什么是单数,单双数扇叶各有什么好处?
双数叶就是对称的扇叶，在射出成型时,如以模流分析的软体来探讨,可知两边的扇叶,实际上是无法同时射出饱和的.基於此因素,要射出完成一个扇叶,就会产生一边的扇叶过於饱和.（即两边扇叶的重量,不一样）.所以用单数.叶片不是越多越好,而是根据所需求的风量风压来考量,叶片多风量高的同时,风扇噪音会增加当转速已达极限，若要增加风量，唯有改变扇叶角度或增加叶片,扇叶数量与风量成正比关系。
主要是选择一合适的叶片数量,达到散热的目的！
散热风扇简介
风扇的结构:
转子:
由磁铁、扇叶及轴组成;
定子:
有硅钢片、线圈及轴承组成;
控制电路:
由IC感应磁铁N．S．极经由电路控制其线圈导通而产生内部激磁使转子旋转.
类型:
轴流风扇、直流风扇
选择:
总体散热需求Q=CpmAT=DCpCFM△T
并联风扇和串联风扇:
并联风扇:
并联的双风扇风压不变,但是风量会上升.风量加大故散热效果增加,在设计中如果出现散热功率太小则可以考虑增加风扇来解决.
串联风扇:
串联风扇的结果是风压增加,但是风量不变.次方式是不能解决散热问题,一般是用在近风的阻力太大是采用,保证风量.
噪音等级为了获得低噪音必须注意以下几点:
系统阻抗:
空气流动阻力会引起空气的流动噪音产生.
气流的紊流:
由于流道的设计不良造成空气的紊流会有高频噪音出现,如果流道不改善很难有质的提高.
风扇的转速和尺寸:
风扇的转速越快散热效果越好,风扇的尺寸越大风量越大,散热效果越好.风扇的转速越高噪音越大,尺寸越大噪音越大.
温度的上升:
温度上升后温差降低,则散热效果降低.
振动:
振动会造成风扇的噪音上升,寿命降低以及转速降低.
电压波动:
电压波动会造成风扇转速变化,使工作不稳定并且会产生额外的噪音.
设计考虑:
设计上的其它一些要求同样也必须考虑进去,以保证散热效果.
风扇:
1、风扇入风的距离:
3~5mm的距离是必须的
3mm——风扇的效能为80%
4mm——风扇的效能为90%
5mm——风扇的效能为100%
2、不同的进风口和出风口会引起气流阻力的很大变化,当然出入口的开口越大越好.
3、不要在风扇的进风口附近放置阻隔物体（例如芯片和接口等）,否则会减少风扇的空气流量.
4、最好使用橡胶来固定风扇,而不是金属螺丝,这样可以避免振动.
5、风扇的空间设计.为了风扇的效率、噪音,必须保证扇叶和风扇外壳的距离为5~1Omm.风扇的扇叶必须靠近Tongue以获得比较好的效率.
怎样选择风扇
所有需要使用风扇散热的电机与电子产品的设计工程师，必须决定一个特定系统散热所需的风量，而所需的风量取决于了解系统的耗电量及是否能带走足够的热量，以预防系统过热的情形发生。
事实显示，系统的使用年限会由于冷却系统的不足而降低，所以设计工程师也应该明白，系统的销售量与价格，可能因为系统的使用年限不符使用者的预期而下降。
选择正确的通风组件，请考虑下列目标：
1、最好的空气流动效率
2、最小的适合尺寸
3、最小的噪音
4、最小的耗电量
5、最大的可靠度与使用寿命
6、合理的总成本
风机噪声及其控制技
风机噪声的频谱是复合谱，是叶片通过频率与宽带空气动力性噪声成分的迭加。
叶片通过频率由下式确定：
fn=Nbn/60赫式中：
B-----叶片数
N-----通风机的转数，转/分
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