LED燈具熱設(shè)計(jì)之風(fēng)扇篇課件

啟藍(lán)內(nèi)部資料LED燈具熱設(shè)計(jì)之風(fēng)扇篇●風(fēng)扇分類與結(jié)構(gòu)●風(fēng)扇的基本組成與功能●風(fēng)扇選型計(jì)算與熱設(shè)計(jì)●風(fēng)扇可靠性驗(yàn)證2022/12/211風(fēng)扇分類與結(jié)構(gòu)●原理：風(fēng)扇的工作原理是按能量轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即：電能→電磁能→機(jī)械能→動(dòng)能。其電路原理一般分為多種形式，采用的電路不同，風(fēng)扇的性能就會(huì)有差異。●通常按照氣流分為三類軸流式：氣流出口方向與軸心方向相同。離心式：利用離心力作用將氣流沿著葉片向外甩出?；炝魇剑簱碛幸陨蟽煞N氣流方式?！癜凑镇?qū)動(dòng)分類AC風(fēng)扇與DC風(fēng)扇AC風(fēng)扇與DC風(fēng)扇的區(qū)別。前者電源為交流，電源電壓會(huì)正負(fù)交變，不像DC風(fēng)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(chǎn)生不同磁場(chǎng)。AC風(fēng)扇因電源頻率固定，所以硅鋼片產(chǎn)生的磁極變化速度，由電源頻率決定，頻率愈高磁場(chǎng)切換速度愈快，理論上轉(zhuǎn)速會(huì)愈快，就像直流風(fēng)扇極數(shù)愈多轉(zhuǎn)速愈快的原理一樣。不過(guò)，頻率也不能太快，太快將造成激活困難。DC風(fēng)扇穩(wěn)定性高些，目前電腦散熱全用DC風(fēng)扇。2022/12/212風(fēng)扇分類與結(jié)構(gòu)●按照軸承類型分含油軸承，一般是鐵環(huán)套在銅芯上，中間封存油脂。此類風(fēng)扇前期噪音比較小，成本低，但壽命短，一般在20000小時(shí)以內(nèi)。到了使用后期由于油脂的消耗，噪音也會(huì)慢慢增大，轉(zhuǎn)速也在降低。單滾珠軸承，使用最普遍，兩個(gè)鐵環(huán)中間有一些鋼球或者鋼柱，并輔以一些油脂來(lái)減小摩擦。它使用壽命長(zhǎng)，發(fā)熱量小，噪音值會(huì)很穩(wěn)定，而且成本中等。雙滾珠軸承，屬于比較高檔的軸承，采用滾動(dòng)摩擦的形式，采用了兩個(gè)滾珠軸承，軸承中有數(shù)顆微小鋼珠圍繞軸心，當(dāng)扇頁(yè)或軸心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼珠即跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。雙滾珠軸承的優(yōu)點(diǎn)是壽命超長(zhǎng)，大約在50000-100000小時(shí)?？估匣阅芎茫m合轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)扇。缺點(diǎn)是制造成本高，并且在同樣的轉(zhuǎn)速水平下噪音最大。合金軸承，該軸承帶有反向螺旋槽及擋油槽的軸芯，在風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)含油將形成反向回游，而避免含油流失，提升了軸承壽命。這種設(shè)計(jì)使得風(fēng)扇的噪音明顯降低，還能延長(zhǎng)使用壽命，只是價(jià)格偏高。酷冷至尊的中高端產(chǎn)品都是使用的這種軸承。2022/12/213風(fēng)扇分類與結(jié)構(gòu)●按照軸承類型分來(lái)福軸承(RifleBearing)技術(shù)的代表廠商是CoolerMaster，目前CoolerMaster已經(jīng)將旗下的大部分傳統(tǒng)含油軸承風(fēng)扇升級(jí)到來(lái)福軸承。作為傳統(tǒng)含油軸承的改進(jìn)，來(lái)福軸承采用耐磨材料制成高含油中空軸承，減小了軸承與軸芯之間摩擦力，來(lái)福軸承還帶有反向螺旋槽及擋油槽的軸芯，在風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)含油將形成反向回游，從而避免含油流失，因此提升了軸承壽命。來(lái)福軸承風(fēng)扇通過(guò)采用以上結(jié)構(gòu)及零件，使得含油及保油能力大幅提升，并降低了噪音。汽化軸承(VAPOBearing)是由Sunon將磁懸浮技術(shù)改進(jìn)而來(lái)的，就是把含油軸承的軸套硬度加強(qiáng)，并且采用特殊的材料，其內(nèi)層表面特殊加工，這樣就克服了含油軸承不耐高溫的缺點(diǎn)，再和磁懸浮技術(shù)配合，就大大延長(zhǎng)了使用壽命。外磁式（T.M.D）風(fēng)扇的特點(diǎn)是將電機(jī)移到邊框周圍，中心只以很小的軸承支撐。優(yōu)點(diǎn)：增大了過(guò)風(fēng)面積和極大地縮小了盲區(qū)。據(jù)稱這種設(shè)計(jì)可增加30%的風(fēng)量和靜壓，并且由于T.M.D技術(shù)還將專利扇葉和導(dǎo)流外環(huán)結(jié)合為一體，能夠使氣流更集中且減少湍流的產(chǎn)生，從而提高了散熱效率并降低5%的噪音。一般而言配備滾珠會(huì)更合適一些，摩擦力小，使用壽命也更長(zhǎng)。使用空間局限性強(qiáng)，使用數(shù)量也較少。2022/12/215風(fēng)扇分類與結(jié)構(gòu)●按照軸承類型分流體動(dòng)態(tài)軸承(HyproBearing)其名稱來(lái)源于HY(Hydrodynamicwave，流體力學(xué)波)PRO(Oilprotectionsystem，油護(hù)系統(tǒng))，系知名散熱器及風(fēng)扇設(shè)計(jì)制造廠家ADDA的專利產(chǎn)品，也是在傳統(tǒng)含油軸承基礎(chǔ)之上進(jìn)行多項(xiàng)改進(jìn)而成。流體動(dòng)態(tài)軸承與液壓軸承可謂殊途同歸，兩種設(shè)計(jì)各自采用了一些獨(dú)到的改進(jìn)措施，但精髓同為循環(huán)油路系統(tǒng)，各方面的表現(xiàn)也基本相當(dāng)。通常產(chǎn)品壽命可達(dá)50000小時(shí)以上。2022/12/216風(fēng)扇分類與結(jié)構(gòu)●目前散熱風(fēng)扇市場(chǎng)主要品牌德系：EMB日系：NMB、SANYO、

NIDEC、ORIX臺(tái)系：AVC、

ENERMAX、coolermaster、SUNON、BI-SONIC、DELTA、ADDA、SINWAN、COMMONWEALTH、KAKU、PROFANTEC、FULLTECH、SUNTRONIX等國(guó)產(chǎn)：永業(yè)昌、泉風(fēng)、九龍據(jù)悉德系的最貴，約國(guó)產(chǎn)同類產(chǎn)品的8-10倍日系約國(guó)產(chǎn)同類產(chǎn)品的4-6倍臺(tái)系約國(guó)產(chǎn)同類產(chǎn)品的1-3倍

初步資料：ADDA風(fēng)扇屬于臺(tái)系風(fēng)扇中價(jià)格比較適中，性價(jià)比較高，尤其是在DC直流機(jī)方面。DC直流機(jī)比AC交流機(jī)做得更全、更細(xì)致，除了普通直流機(jī)機(jī)種，還可以做防水型散熱風(fēng)扇，價(jià)格又比臺(tái)達(dá)、百瑞、建準(zhǔn)的更合理。2022/12/217風(fēng)扇的基本組成與功能●風(fēng)扇的基本組成定子部分與轉(zhuǎn)子部分定子部分：電機(jī)、外框、軸承、扣環(huán)轉(zhuǎn)子部分：扇葉、軸心、磁環(huán)、磁環(huán)外框及油圈●主要部件的參數(shù)與功能扇葉：葉片傾角：傾角越大，葉片上下表面間壓力差越大，相同轉(zhuǎn)速下風(fēng)壓越大。葉片數(shù)目：風(fēng)扇的葉片數(shù)目多數(shù)是7、9、11等奇數(shù)，若采用偶數(shù)扇葉，很容易使系統(tǒng)發(fā)生共振，將會(huì)使葉片或軸心發(fā)生斷裂。葉片弧度：向著旋轉(zhuǎn)方向略有彎曲，呈一定弧度，可保證吹出氣流集中在出風(fēng)口正前方的柱狀空間內(nèi)，增加送風(fēng)距離與風(fēng)壓。主軸直徑：由于電機(jī)與軸承的存在，軸流風(fēng)扇主軸所在的中心部分難免存在無(wú)氣流通過(guò)的盲區(qū)，主軸直徑便決定著此盲區(qū)的大小。

扇葉平衡：扇葉的物理質(zhì)心與軸心不在同一軸上，扇葉在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)造成扇葉的不平衡，即震動(dòng)。扇框：扇框可以對(duì)扇葉所帶動(dòng)的氣流進(jìn)行“約束”，控制其流出方向，抑制反激與散射，令其集中于所希望的送風(fēng)方向。采用材料與結(jié)構(gòu)需具有一定的強(qiáng)度，可以在一定程度內(nèi)承受物理沖擊，保護(hù)扇葉、電機(jī)等較脆弱的組件。2022/12/218風(fēng)扇的基本組成與功能●風(fēng)扇主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)風(fēng)壓：風(fēng)扇能夠令出風(fēng)口與入風(fēng)口間產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，單位一般為mmwatercolumn，即毫米水柱（類似于衡量大氣壓的毫米汞柱，但由于壓強(qiáng)差較小，一般以水柱為單位）。風(fēng)壓主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉(zhuǎn)速，前三者的影響較為復(fù)雜，于轉(zhuǎn)速的關(guān)系則簡(jiǎn)單直接——轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)壓越大。風(fēng)壓與風(fēng)量之間關(guān)系：風(fēng)扇產(chǎn)品所說(shuō)明的風(fēng)量與風(fēng)壓均為理想狀態(tài)下的最大值，即風(fēng)扇入風(fēng)口與出風(fēng)口之間無(wú)壓強(qiáng)差狀態(tài)下的風(fēng)量（最大風(fēng)量），以及風(fēng)扇向密閉氣室內(nèi)吹風(fēng)，直至風(fēng)量為零狀態(tài)下氣室與外界氣壓的差值（最大靜壓）。它們并非兩個(gè)孤立的性能指標(biāo)，而是互相制約著，之間的關(guān)系就是流體力學(xué)中流速與壓強(qiáng)間的關(guān)系——風(fēng)量隨著壓強(qiáng)差的增大而減小，風(fēng)量、風(fēng)壓的測(cè)量需要借助風(fēng)洞儀進(jìn)行.就是風(fēng)扇的特性曲線噪音：它主要有三個(gè)來(lái)源：軸承的摩擦與振動(dòng)、扇葉的振動(dòng)、風(fēng)噪。通常一般嘈雜大街為90分貝，普通會(huì)話為60分貝，深夜、圖書館為30分貝，噪音控制好的風(fēng)扇應(yīng)在２７分貝以內(nèi)為宜，越低越好。噪音值的單位為dB（A），它通常可用噪音計(jì)測(cè)量得到。（風(fēng)噪：流動(dòng)的空氣之間互相沖擾，與周圍物體發(fā)生摩擦，葉片對(duì)氣流的分離作用，周期性送風(fēng)的脈動(dòng)力等，都會(huì)產(chǎn)生噪音?？諝饬魉僭娇欤牧髟蕉?，往往風(fēng)噪也越大，而且會(huì)隨著風(fēng)速的提高呈加速度增大。）

2022/12/2110風(fēng)扇選型計(jì)算●風(fēng)扇選型計(jì)算●當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過(guò)0.08W/cm2

，體積功率密度超過(guò)0.18W/cm3

時(shí)，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問(wèn)題，需采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。右下圖為溫升40℃時(shí)，各種方式的體積功率密度。

2022/12/2112風(fēng)扇選型計(jì)算●風(fēng)扇選型計(jì)算●系統(tǒng)的風(fēng)阻特性曲線，根據(jù)流體力學(xué)分析風(fēng)阻，風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系為：△P=pKQn(6)其中△P為風(fēng)壓，假設(shè)密度p為常數(shù)，則(6)式可以寫成下式：△P=KQn(7)其中K為風(fēng)阻系數(shù)，隨系統(tǒng)而定，N的值在流場(chǎng)中為層流(LaminarFlow)時(shí)，n=1；流場(chǎng)為紊流時(shí)，n=2；一般風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的流場(chǎng)都是紊流，所以得到：△P=KQ2(8)若畫成風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系圖，其曲線為拋物線，稱作風(fēng)阻曲線（如下圖所示），由于風(fēng)壓和風(fēng)量有這種拋物線形的關(guān)系，只要得到一組系統(tǒng)的風(fēng)壓風(fēng)量值，便可得到整條的系統(tǒng)風(fēng)阻曲線?！耢o壓損失的計(jì)算風(fēng)機(jī)向機(jī)箱內(nèi)吹風(fēng)或抽風(fēng)，氣流通過(guò)不同的狹窄風(fēng)道產(chǎn)生摩擦力和靜壓損失，使風(fēng)壓降低、風(fēng)速減小。靜壓損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失，一般地，可根據(jù)風(fēng)道的形狀做出估算。通常將靜壓損失數(shù)稱為速度頭。Pi=α(Vi/1277)2其中，Pi--靜壓損失（或速度頭），厘米水柱；α--為一系數(shù)，按空氣流經(jīng)不同的風(fēng)道估算，見(jiàn)下表；Vi--風(fēng)速，cm/s。風(fēng)速Vi由下式確定：Vi=Q/Ai其中，Q--風(fēng)量，cm3/s；Ai--風(fēng)道的截面積，cm2。

2022/12/2114風(fēng)扇選型計(jì)算●風(fēng)扇選型計(jì)算風(fēng)扇的選型時(shí)必須要考慮到沿程靜壓損失。

2022/12/2115風(fēng)扇選型計(jì)算●風(fēng)扇選型計(jì)算●系統(tǒng)的風(fēng)阻特性曲線，根據(jù)流體力學(xué)分析風(fēng)阻，風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系為：△P=pKQn(6)其中△P為風(fēng)壓，假設(shè)密度p為常數(shù)，則(6)式可以寫成下式：△P=KQn(7)其中K為風(fēng)阻系數(shù)，隨系統(tǒng)而定，N的值在流場(chǎng)中為層流(LaminarFlow)時(shí)，n=1；流場(chǎng)為紊流時(shí)，n=2；一般風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的流場(chǎng)都是紊流，所以得到：△P=KQ2(8)若畫成風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系圖，其曲線為拋物線，稱作風(fēng)阻曲線（如下圖所示），由于風(fēng)壓和風(fēng)量有這種拋物線形的關(guān)系，只要得到一組系統(tǒng)的風(fēng)壓風(fēng)量值，便可得到整條的系統(tǒng)風(fēng)阻曲線?！裣到y(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)氣流方式：散熱風(fēng)扇的使用有吹氣式和抽氣式兩種，其優(yōu)劣比較如下：

◆防塵的比較：使用吹氣式便利在入口裝設(shè)防塵綱阻絕灰塵進(jìn)入系統(tǒng)，又由于系統(tǒng)內(nèi)部處于較高氣壓下，系統(tǒng)所有缺口風(fēng)都會(huì)向外吹，同樣起到防塵作用。

◆散熱的比較：吹氣式風(fēng)扇將風(fēng)扇的熱量帶進(jìn)系統(tǒng)，抽氣式則將風(fēng)扇所有的熱量送到外界。

◆操作溫度的比較：吹氣式風(fēng)扇在較低溫度下操作，所以能有較長(zhǎng)的壽命，抽氣式風(fēng)扇的操作溫度高，壽命相對(duì)短。

2022/12/2116風(fēng)扇選型計(jì)算●系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)◆氣流比較：風(fēng)扇在氣流吸入部份是平均吸入，而吸出的氣流則較集中，使用吹氣式便利設(shè)計(jì)者選擇重點(diǎn)散熱區(qū)域加強(qiáng)吹氣。干擾問(wèn)題直流風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于電流的切換以及線圈電感的影響，將會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)性EMI，設(shè)計(jì)者必須注意到是否會(huì)與共同電源的線路發(fā)生干擾。如果風(fēng)扇在嚴(yán)重EMI的環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，就要考慮一些敏感零件受到幅射EMI干擾的可能性，另外，永久磁鐵與線圈可能會(huì)有少量磁場(chǎng)外溢，即所謂的UMF，如果剛好靠近一些敏感電路或是CRT，可能就會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾，提供良好的UMF遮蔽外殼是風(fēng)扇制造廠商的責(zé)任，但是從使用者的角度，替風(fēng)扇選取適當(dāng)?shù)奈恢檬菧p少干擾的有效做法。降低系統(tǒng)噪音的原則

◆減少風(fēng)阻，以免需要更大更快的風(fēng)扇來(lái)達(dá)成散熱目的。

◆減少流場(chǎng)干擾，以降低紊流產(chǎn)生的噪音

◆在相同的風(fēng)量需求之下，盡量選用尺寸大而轉(zhuǎn)速小的風(fēng)扇。

◆使用柔軟且富有彈性的材料為風(fēng)扇和系統(tǒng)做振動(dòng)隔離，避免振動(dòng)發(fā)出噪音。零件的排列重點(diǎn)為得到較佳的散熱效果，下列重點(diǎn)提供使用或設(shè)計(jì)者參考。

◆對(duì)溫度較敏感的零件應(yīng)該靠近入風(fēng)口，以保持較低的操作溫度。

◆將大型的熱源靠近出風(fēng)口，以免增加其它零組件的工作溫度。

2022/12/2117風(fēng)扇選型計(jì)算與熱設(shè)計(jì)●系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)◆減少風(fēng)道的障礙，以免降低了風(fēng)量，浪費(fèi)風(fēng)扇的功率，尤其在出口及入口是風(fēng)道最窄的位置，應(yīng)該預(yù)留足夠的風(fēng)道空間。

◆如果有區(qū)域性的高熱源，不妨多加一個(gè)小型風(fēng)扇作局部冷卻。

2022/12/2118風(fēng)扇選型計(jì)算●風(fēng)扇特性曲線操作點(diǎn)介紹性能曲線和風(fēng)阻曲線的交點(diǎn)稱作“操作點(diǎn)”，操作點(diǎn)的意義便是風(fēng)扇裝在系統(tǒng)上時(shí)所產(chǎn)生的風(fēng)壓風(fēng)量。操作點(diǎn)的風(fēng)量越大，自然有較優(yōu)的散熱效果，但是還需考慮噪音、空間、功率、成本等因素才能得到一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)。通常在斜率較平坦的這一段區(qū)域內(nèi)是風(fēng)扇的最佳使用區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，風(fēng)扇的實(shí)際壽命與理論使用壽命相近（溫度環(huán)境較好的情況下）。我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)燈具時(shí)，其系統(tǒng)阻抗是無(wú)法預(yù)知的，只能通過(guò)熱流體力學(xué)軟件如Flotherm、fluent、EFD等仿真軟件模擬分析或者通過(guò)風(fēng)洞測(cè)試儀測(cè)試出來(lái)。目前存在的關(guān)鍵問(wèn)題點(diǎn)：系統(tǒng)阻抗的確定

2022/12/2120風(fēng)扇可靠性驗(yàn)證●

鎖定保護(hù)驗(yàn)證主要效應(yīng)為風(fēng)扇不燒毀，結(jié)構(gòu)不失效；失效模式式為風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)變形等。

◆將風(fēng)扇在額定電壓下鎖定轉(zhuǎn)子，不讓其風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)檢驗(yàn)風(fēng)扇定子的安全設(shè)置性能好壞。安規(guī)鎖定時(shí)間為72小時(shí)，若72小時(shí)過(guò)后將鎖定取消，風(fēng)扇還能正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)電氣性能正常。●反向保護(hù)驗(yàn)證主要效應(yīng)為風(fēng)扇不燒毀，風(fēng)扇反向電動(dòng)式不回路；失效模式為風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，有反向電動(dòng)回路。

◆將風(fēng)扇正負(fù)極電源線與供電器電源正負(fù)極反接在額定電壓下測(cè)試72小時(shí)，風(fēng)扇不能有燒毀不轉(zhuǎn)，同時(shí)反向電流值為零mA。

◆正確反向保護(hù)方式為在風(fēng)扇電源正極端加二極體，其作用為：A)反向接線時(shí)電壓電流完全截止，不會(huì)造成風(fēng)扇燒毀。B)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)中定子線圈會(huì)因切換電極時(shí)產(chǎn)生反向電動(dòng)式，若沒(méi)有反向保護(hù)易造成該電動(dòng)式電壓引起設(shè)備（特別是精密性設(shè)備和儀器）不穩(wěn)定等異常。●抗?jié)穸闰?yàn)證主要效應(yīng)為零件焊接及抗氧化性；失效模式為電性短路/斷路，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)、時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。

◆因風(fēng)扇長(zhǎng)期在使用環(huán)境中面臨不同溫濕度，濕度大小將會(huì)影響電子零件的焊接效果，以最短有效的方法測(cè)試為將風(fēng)扇置于水中通電能正常運(yùn)轉(zhuǎn)12小時(shí)（這為破壞性實(shí)驗(yàn)）。

2022/12/2121風(fēng)扇可靠性驗(yàn)證●

材料防火等級(jí)驗(yàn)證B-3)被測(cè)物點(diǎn)燃滴下來(lái)的火焰分子掉落距被測(cè)物下端300mm處