LED灯具热设计之风扇篇课件

启蓝内部资料LED灯具热设计之风扇篇●风扇分类与结构●风扇的基本组成与功能●风扇选型计算与热设计●风扇可靠性验证2022/12/211风扇分类与结构●原理：风扇的工作原理是按能量转化来实现的，即：电能→电磁能→机械能→动能。其电路原理一般分为多种形式，采用的电路不同，风扇的性能就会有差异。●通常按照气流分为三类轴流式：气流出口方向与轴心方向相同。离心式：利用离心力作用将气流沿着叶片向外甩出。混流式：拥有以上两种气流方式。●按照驱动分类AC风扇与DC风扇AC风扇与DC风扇的区别。前者电源为交流，电源电压会正负交变，不像DC风扇电源电压固定，必须依赖电路控制，使两组线圈轮流工作才能产生不同磁场。AC风扇因电源频率固定，所以硅钢片产生的磁极变化速度，由电源频率决定，频率愈高磁场切换速度愈快，理论上转速会愈快，就像直流风扇极数愈多转速愈快的原理一样。不过，频率也不能太快，太快将造成激活困难。DC风扇稳定性高些，目前电脑散热全用DC风扇。2022/12/212风扇分类与结构●按照轴承类型分含油轴承，一般是铁环套在铜芯上，中间封存油脂。此类风扇前期噪音比较小，成本低，但寿命短，一般在20000小时以内。到了使用后期由于油脂的消耗，噪音也会慢慢增大，转速也在降低。单滚珠轴承，使用最普遍，两个铁环中间有一些钢球或者钢柱，并辅以一些油脂来减小摩擦。它使用寿命长，发热量小，噪音值会很稳定，而且成本中等。双滚珠轴承，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。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。缺点是制造成本高，并且在同样的转速水平下噪音最大。合金轴承，该轴承带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯，在风扇运转时含油将形成反向回游，而避免含油流失，提升了轴承寿命。这种设计使得风扇的噪音明显降低，还能延长使用寿命，只是价格偏高。酷冷至尊的中高端产品都是使用的这种轴承。2022/12/213风扇分类与结构●按照轴承类型分来福轴承(RifleBearing)技术的代表厂商是CoolerMaster，目前CoolerMaster已经将旗下的大部分传统含油轴承风扇升级到来福轴承。作为传统含油轴承的改进，来福轴承采用耐磨材料制成高含油中空轴承，减小了轴承与轴芯之间摩擦力，来福轴承还带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯，在风扇运转时含油将形成反向回游，从而避免含油流失，因此提升了轴承寿命。来福轴承风扇通过采用以上结构及零件，使得含油及保油能力大幅提升，并降低了噪音。汽化轴承(VAPOBearing)是由Sunon将磁悬浮技术改进而来的，就是把含油轴承的轴套硬度加强，并且采用特殊的材料，其内层表面特殊加工，这样就克服了含油轴承不耐高温的缺点，再和磁悬浮技术配合，就大大延长了使用寿命。外磁式（T.M.D）风扇的特点是将电机移到边框周围，中心只以很小的轴承支撑。优点：增大了过风面积和极大地缩小了盲区。据称这种设计可增加30%的风量和静压，并且由于T.M.D技术还将专利扇叶和导流外环结合为一体，能够使气流更集中且减少湍流的产生，从而提高了散热效率并降低5%的噪音。一般而言配备滚珠会更合适一些，摩擦力小，使用寿命也更长。使用空间局限性强，使用数量也较少。2022/12/215风扇分类与结构●按照轴承类型分流体动态轴承(HyproBearing)其名称来源于HY(Hydrodynamicwave，流体力学波)PRO(Oilprotectionsystem，油护系统)，系知名散热器及风扇设计制造厂家ADDA的专利产品，也是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。流体动态轴承与液压轴承可谓殊途同归，两种设计各自采用了一些独到的改进措施，但精髓同为循环油路系统，各方面的表现也基本相当。通常产品寿命可达50000小时以上。2022/12/216风扇分类与结构●目前散热风扇市场主要品牌德系：EMB日系：NMB、SANYO、

NIDEC、ORIX台系：AVC、

ENERMAX、coolermaster、SUNON、BI-SONIC、DELTA、ADDA、SINWAN、COMMONWEALTH、KAKU、PROFANTEC、FULLTECH、SUNTRONIX等国产：永业昌、泉风、九龙据悉德系的最贵，约国产同类产品的8-10倍日系约国产同类产品的4-6倍台系约国产同类产品的1-3倍

初步资料：ADDA风扇属于台系风扇中价格比较适中，性价比较高，尤其是在DC直流机方面。DC直流机比AC交流机做得更全、更细致，除了普通直流机机种，还可以做防水型散热风扇，价格又比台达、百瑞、建准的更合理。2022/12/217风扇的基本组成与功能●风扇的基本组成定子部分与转子部分定子部分：电机、外框、轴承、扣环转子部分：扇叶、轴心、磁环、磁环外框及油圈●主要部件的参数与功能扇叶：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。叶片数目：风扇的叶片数目多数是7、9、11等奇数，若采用偶数扇叶，很容易使系统发生共振，将会使叶片或轴心发生断裂。叶片弧度：向着旋转方向略有弯曲，呈一定弧度，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。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。

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。扇框：扇框可以对扇叶所带动的气流进行“约束”，控制其流出方向，抑制反激与散射，令其集中于所希望的送风方向。采用材料与结构需具有一定的强度，可以在一定程度内承受物理冲击，保护扇叶、电机等较脆弱的组件。2022/12/218风扇的基本组成与功能●风扇主要技术参数指标风压：风扇能够令出风口与入风口间产生的压强差，单位一般为mmwatercolumn，即毫米水柱（类似于衡量大气压的毫米汞柱，但由于压强差较小，一般以水柱为单位）。风压主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速，前三者的影响较为复杂，于转速的关系则简单直接——转速越快，风压越大。风压与风量之间关系：风扇产品所说明的风量与风压均为理想状态下的最大值，即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量（最大风量），以及风扇向密闭气室内吹风，直至风量为零状态下气室与外界气压的差值（最大静压）。它们并非两个孤立的性能指标，而是互相制约着，之间的关系就是流体力学中流速与压强间的关系——风量随着压强差的增大而减小，风量、风压的测量需要借助风洞仪进行.就是风扇的特性曲线噪音：它主要有三个来源：轴承的摩擦与振动、扇叶的振动、风噪。通常一般嘈杂大街为90分贝，普通会话为60分贝，深夜、图书馆为30分贝，噪音控制好的风扇应在２７分贝以内为宜，越低越好。噪音值的单位为dB（A），它通常可用噪音计测量得到。（风噪：流动的空气之间互相冲扰，与周围物体发生摩擦，叶片对气流的分离作用，周期性送风的脉动力等，都会产生噪音。空气流速越快，湍流越多，往往风噪也越大，而且会随着风速的提高呈加速度增大。）

2022/12/2110风扇选型计算●风扇选型计算●当电子设备的热流密度超过0.08W/cm2

，体积功率密度超过0.18W/cm3

时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需采用强迫风冷散热。右下图为温升40℃时，各种方式的体积功率密度。

2022/12/2112风扇选型计算●风扇选型计算●系统的风阻特性曲线，根据流体力学分析风阻，风压与风量的关系为：△P=pKQn(6)其中△P为风压，假设密度p为常数，则(6)式可以写成下式：△P=KQn(7)其中K为风阻系数，随系统而定，N的值在流场中为层流(LaminarFlow)时，n=1；流场为紊流时，n=2；一般风扇散热系统的流场都是紊流，所以得到：△P=KQ2(8)若画成风压与风量的关系图，其曲线为抛物线，称作风阻曲线（如下图所示），由于风压和风量有这种抛物线形的关系，只要得到一组系统的风压风量值，便可得到整条的系统风阻曲线。●静压损失的计算风机向机箱内吹风或抽风，气流通过不同的狭窄风道产生摩擦力和静压损失，使风压降低、风速减小。静压损失分为沿程压力损失和局部压力损失，一般地，可根据风道的形状做出估算。通常将静压损失数称为速度头。Pi=α(Vi/1277)2其中，Pi--静压损失（或速度头），厘米水柱；α--为一系数，按空气流经不同的风道估算，见下表；Vi--风速，cm/s。风速Vi由下式确定：Vi=Q/Ai其中，Q--风量，cm3/s；Ai--风道的截面积，cm2。

2022/12/2114风扇选型计算●风扇选型计算风扇的选型时必须要考虑到沿程静压损失。

2022/12/2115风扇选型计算●风扇选型计算●系统的风阻特性曲线，根据流体力学分析风阻，风压与风量的关系为：△P=pKQn(6)其中△P为风压，假设密度p为常数，则(6)式可以写成下式：△P=KQn(7)其中K为风阻系数，随系统而定，N的值在流场中为层流(LaminarFlow)时，n=1；流场为紊流时，n=2；一般风扇散热系统的流场都是紊流，所以得到：△P=KQ2(8)若画成风压与风量的关系图，其曲线为抛物线，称作风阻曲线（如下图所示），由于风压和风量有这种抛物线形的关系，只要得到一组系统的风压风量值，便可得到整条的系统风阻曲线。●系统设计的重点气流方式：散热风扇的使用有吹气式和抽气式两种，其优劣比较如下：

◆防尘的比较：使用吹气式便利在入口装设防尘纲阻绝灰尘进入系统，又由于系统内部处于较高气压下，系统所有缺口风都会向外吹，同样起到防尘作用。

◆散热的比较：吹气式风扇将风扇的热量带进系统，抽气式则将风扇所有的热量送到外界。

◆操作温度的比较：吹气式风扇在较低温度下操作，所以能有较长的寿命，抽气式风扇的操作温度高，寿命相对短。

2022/12/2116风扇选型计算●系统设计的重点◆气流比较：风扇在气流吸入部份是平均吸入，而吸出的气流则较集中，使用吹气式便利设计者选择重点散热区域加强吹气。干扰问题直流风扇在运转时由于电流的切换以及线圈电感的影响，将会产生传导性EMI，设计者必须注意到是否会与共同电源的线路发生干扰。如果风扇在严重EMI的环境下运转，就要考虑一些敏感零件受到幅射EMI干扰的可能性，另外，永久磁铁与线圈可能会有少量磁场外溢，即所谓的UMF，如果刚好靠近一些敏感电路或是CRT，可能就会对系统造成干扰，提供良好的UMF遮蔽外壳是风扇制造厂商的责任，但是从使用者的角度，替风扇选取适当的位置是减少干扰的有效做法。降低系统噪音的原则

◆减少风阻，以免需要更大更快的风扇来达成散热目的。

◆减少流场干扰，以降低紊流产生的噪音

◆在相同的风量需求之下，尽量选用尺寸大而转速小的风扇。

◆使用柔软且富有弹性的材料为风扇和系统做振动隔离，避免振动发出噪音。零件的排列重点为得到较佳的散热效果，下列重点提供使用或设计者参考。

◆对温度较敏感的零件应该靠近入风口，以保持较低的操作温度。

◆将大型的热源靠近出风口，以免增加其它零组件的工作温度。

2022/12/2117风扇选型计算与热设计●系统设计的重点◆减少风道的障碍，以免降低了风量，浪费风扇的功率，尤其在出口及入口是风道最窄的位置，应该预留足够的风道空间。

◆如果有区域性的高热源，不妨多加一个小型风扇作局部冷却。

2022/12/2118风扇选型计算●风扇特性曲线操作点介绍性能曲线和风阻曲线的交点称作“操作点”，操作点的意义便是风扇装在系统上时所产生的风压风量。操作点的风量越大，自然有较优的散热效果，但是还需考虑噪音、空间、功率、成本等因素才能得到一个最佳的设计。通常在斜率较平坦的这一段区域内是风扇的最佳使用区域，在此区域内，风扇的实际寿命与理论使用寿命相近（温度环境较好的情况下）。我们在设计一个灯具时，其系统阻抗是无法预知的，只能通过热流体力学软件如Flotherm、fluent、EFD等仿真软件模拟分析或者通过风洞测试仪测试出来。目前存在的关键问题点：系统阻抗的确定

2022/12/2120风扇可靠性验证●

锁定保护验证主要效应为风扇不烧毁，结构不失效；失效模式式为风扇不转，结构变形等。

◆将风扇在额定电压下锁定转子，不让其风扇运转来检验风扇定子的安全设置性能好坏。安规锁定时间为72小时，若72小时过后将锁定取消，风扇还能正常工作运转，同时电气性能正常。●反向保护验证主要效应为风扇不烧毁，风扇反向电动式不回路；失效模式为风扇不转，有反向电动回路。

◆将风扇正负极电源线与供电器电源正负极反接在额定电压下测试72小时，风扇不能有烧毁不转，同时反向电流值为零mA。

◆正确反向保护方式为在风扇电源正极端加二极体，其作用为：A)反向接线时电压电流完全截止，不会造成风扇烧毁。B)风扇运转中定子线圈会因切换电极时产生反向电动式，若没有反向保护易造成该电动式电压引起设备（特别是精密性设备和仪器）不稳定等异常。●抗湿度验证主要效应为零件焊接及抗氧化性；失效模式为电性短路/断路，风扇不转、时转时不转或转速不稳定。

◆因风扇长期在使用环境中面临不同温湿度，湿度大小将会影响电子零件的焊接效果，以最短有效的方法测试为将风扇置于水中通电能正常运转12小时（这为破坏性实验）。

2022/12/2121风扇可靠性验证●

材料防火等级验证B-3)被测物点燃滴下来的火焰分子掉落距被测物下端300mm处