风扇:承担冷却的任务

winniewei 提交于 周三, 05/06/2020
风扇:承担冷却的任务

作者:贸泽电子 Jeff Schnabel, CUI 和Simon Duggleby,

所有电子系统都会或多或少地产生热量,对于所有设计人员来说,热管理都是一项至关重要的任务。在许多情况下,他们通常选择使用风扇在最热的组件上保持冷却空气流,这样就可以提高组件和系统的可靠性。同时,将温度保持在一定范围内也是一些安全认证的要求。

过去多年来,人们曾经考虑并尝试了许多替代风扇的方法,但就效率和成本而言,风扇仍然使不可替代的一种冷却方式。风扇实质上是一个电机,其上附有一组叶片,用以尽可能高效地移动空气。风扇每分钟转数可达数千,并且可以运行多年,而每天转数达数百万,因此用于将叶片安装到电机上的轴承对于可靠性至关重要,而轴承的质量决定了风扇的质量。

市场上的轴承有多种类型,然而最常用的是套筒和滚珠型,每种方法都有自身相对的优点和缺点,本文将对此进行探讨。

套筒轴承

袖套轴承设计简单,坚固耐用且成本低廉,因此深受市场欢迎,并得到广泛应用。通过简单的设计,在预期寿命周期内发生故障的几率相对较小,坚固的设计可使它们成功用于非常具有挑战性的工作环境。由于风扇运行时会产生噪音,因此对于附近有工作人员的应用(例如办公室,医院或家中),风扇的噪音通常是一个需要考虑的问题。但是,与其他类型轴承比较,套筒轴承的噪音相对较低,使其非常适合这些环境。

在典型的套筒轴承设计中,风扇的中心轴被封闭在一个包含润滑油或其他润滑剂的金属套筒中,这样可以最大程度地减少磨损并使旋转更加容易。套筒不仅保护转轴,还确保其位置的完整性,并保持转子和定子之间最重要的间隙。

图1:套筒轴承的典型横截面。

图1:套筒轴承的典型横截面。

在转轴和套筒之间确定间隙是一种经典的工程折衷方案。如果空间太小,则摩擦会增大,消耗过多的功率,并会影响整个系统的效率。如果间隙过大,则转子(和风扇叶片)将出现摆动。

由于转子依靠套筒将其固定在适当位置,在风扇的使用寿命周期内需要有数十亿次的旋转,最终轴承的孔将会出现磨损。如果旋转方向始终相同(大多数风扇必须如此),磨损情况则会加剧。最终,圆柱形孔将变成椭圆形,从而缩短风扇的使用寿命,并增大了运行噪音。

移动或重新定向风扇会导致在多个地方发生磨损,这会导致轴承磨损不均匀,还会使风扇叶片发生摆动,并且噪音水平通常会增大到不可接受的程度。

一些套筒轴承是自润滑型,但这需要油环和聚酯薄膜垫圈(如图1所示)来保持润滑剂。但是,添加这些组件会增大摩擦,同时阻碍排出运行过程中积聚的气体。这些被困在其中的气体将形成氮化物颗粒,从而出现进一步的摩擦,并导致风扇过早失效。

基于套筒轴承的风扇已经被广泛使用,特别是在正常环境温度下运行的静态设备,这些风扇在计算机、办公设备以及工业机柜和HVAC设备中特别受欢迎。

滚珠轴承

滚珠轴承风扇是套筒轴承设计的一种替代产品,在某些情况下具有一定优势,并具备在高温下运行的能力。使用滚珠轴承风扇时,无需担心方向,使用寿命周期内的一般磨损明显小于套筒设计。

但是,滚珠轴承风扇坚固性稍差,而且更复杂,价格更昂贵。它们也更容易受到冲击,通常噪音较大,这会限制它们用于办公室或家庭设备。

顾名思义,滚珠轴承风扇将许多滚珠保持在围绕转轴的腔内,从而消除了套筒设计中出现的磨损(以及相关的摆动)问题。对于这种风扇来说,很常见的是有一对轴承被弹簧分开,并固定在适当的位置。

与套筒轴承设计相比,滚珠轴承风扇的摩擦相对较小。在转轴周围增加弹簧,可以在任何方向、任何角度进行无磨损操作,从而在部署时具有更大的灵活性,并提高了可靠性。

总体而言,滚珠风扇主要应用于性能是主要考虑因素,而运行噪音则无关紧要的场合,这些应用包括数据中心和其他一些与计算机相关的应用,以及一些家庭应用,如吹风机、固定风扇和吸尘器等。在工业应用中,滚珠轴承风扇可用于工业干燥机以及电子和电气系统的通用冷却。

图2:典型滚珠轴承风扇的横截面图。

 

图2:典型滚珠轴承风扇的横截面图。

套筒和滚珠轴承的替代方案

尽管滚珠和套筒轴承的设计仍然很受欢迎,但第三种名为omniCOOL™系统的全新选择方案应运而生,它使用全磁架构和增强的套筒轴承来克服两种经典方法的不足。使用基于磁性的结构,转子可以模仿旋转的陀螺(一种能够在任何角度下旋转而不会倾倒的装置)。磁通量可以在转子的前部进行设置,并遵循与电机转轴平行的路径,从而无论转子的角度如何,都确保均匀的磁引力。

图3:omniCOOL™系统在风扇应用中具有优势。

图3:omniCOOL™系统在风扇应用中具有优势。

该系统的转轴由轴承前端的支撑盖定位,该支撑盖限定了可围绕旋转的中心点,这样可以减轻转轴和轴承套桶中转子和风扇叶片的重量,从而可以在任何角度使用风扇。然后,磁通量将转轴拉下,减少了可能出现的任何倾斜或摆动,并降低了摩擦。

CUI omniCOOL系统的磁性技术可与传统的套筒和滚珠轴承风扇结合使用,尽管这可以解决上述技术中存在的问题,但是必须采用更高级的轴承设计才能完全消除这些问题。omniCOOL系统中的轴承设计在所有重要接触点上都有额外的硬化处理,这可以使风扇在经常遇到的高达90°C的高温下运行。

由于接触面减小,摩擦减轻,omniCOOL风扇不再需要传统设计中的那些润滑剂。因此,在设计中可省去油环和聚酯薄膜垫圈,从而带来多种好处,包括更简单,更容易组装,更小的摩擦力,更低的噪音,不会因气体被困而产生磨损,并最终极大地提高可靠性。

终极的风扇轴承技术?

CUI的omniCOOL系统解决了大多数传统套筒轴承和滚珠轴承风扇中出现的问题,实现了一种可以在任何方向操作的风扇,同时保持非常安静和较低成本。omniCOOL技术可以替代任何一种传统技术,并带来更高的性能,更大的灵活性和可靠性。

对于那些需要套筒轴承风扇的应用,omniCOOL技术能够保持低噪声运行,在实现坚固耐用且可靠风扇的同时,也增强了在任何角度运行的能力。此外,以前需要滚珠轴承风扇才能实现的高性能、长寿命和高温运行能力,现在通过omniCOOL技术可受益于更耐受冲击和更坚固的设计。

就风扇轴承技术而言,omniCOOL真正实现了两全其美。

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