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風扇的性能與應用StevenLin林適之簡介與基本結構基本結構•外框(frame)•馬達(hub)(無刷直流)•扇葉(impeller)•引出線/連接器簡介：風扇是一種產生風量的裝置,它是使用馬達來驅動葉片的轉動,增加流體經過扇葉的速度,經由強制對流達成移熱之效果.BallBearing風扇爆炸圖•1、扣簧•2,5、軸承(ball)•3、外框•4、定子(PCB，矽鋼片+繞線，引出線)•6、彈簧•7、馬達殼+磁條•8、扇葉常見軸風扇尺寸-DeltaAFB25x25x10mm30x30x10mm35x35x10mm40x40x15mm45x45x10mm50x50x15mm50x50x20mm60x60x13mm60x60x15mm60x60x20mm60x60x25.4mm60x60x38mm70x70x13mm70x70x15mm70x70x20mm70x70x25.4mm70x70x38mm80x80x15mm80x80x20mm80x80x25.4mm92x92x15mm92x92x20mm92x92x25.4mm92x92x38mm120x120x25.4mm120x120x38mm172x150x25.4mmφ172x25.4風扇的分類-DCAxialFan軸流扇-airflowsaxially.CentrifugalFan(Blower)離心扇(鼓風扇)-airflowsradially.CrossFan橫流扇-airflowsacrosstheaxis.輸出與控制•輸出–PQ-curve–Noise/Heat–Vibration•控制–FG/RD–PWM/Thermistor外框、扇葉→流体特性•風扇性能曲線PQ-curve–風量(CFM,M3/min)–風壓(mmH2O,inH2O)•噪音(dBa)風切聲：–空氣與扇葉(外框)摩擦產生–氣流擾動產生的噪音轂部(Hub)→電氣特性直流無刷馬達•電氣特性–電流、訊號輸出(RD,FG)、絕緣、反向保護、溫升•轉速控制–運轉電壓：12V→全速運轉；7V→低速運轉–溫控(thermistor)：轉速自動隨環溫變化–PWM((pulse-widemodulation)：增加一組輸入電壓以控制轉速•噪音：電磁切換噪音、摩擦異音定子組立-4極(2極)單面印刷PCB電晶体矽鋼片驅動IC徑向繞線絕緣線架矽鋼片小邊大邊Bearingsystem→LifevsCost•TwoBallBearing–50000/70000hrs/NT16•OneBallOneSleeve–40000hrs/NT10•OneSleeve–30000hrs/NT3•Fluiddynamic(NB-fan)–40000hrs•Lifeisonder40℃15~65%RHcontinueoperation•Costestimateby830ballandsleevebearing•MTTF&AcceleratedLifeTesting–at75℃0/72/300/600/1000hrs90%confidence一般twoball結構FGS軸承結構thrustwashersealoilflowcirculationmagneticforce止推墊圈油脂循環流動油封磁力軸套皕瑞-oneball/onesleeve結構PWMorThermistorFromAVCwebsitePWMandThermistorFromAVCwebsite決定成本的重要因素•軸承:30%↑–830(8),520(11.5),620(?),sleeve(3)•830:8→外徑;3→軸心徑•電子零件:30%↑-額定電壓/電流–DriverIC/Hallelement(5~10/2.5)–電晶体、二極体、電阻、電容(0.8~0.1)–引出線&連接器(1~3)•其它–軸心、矽鋼片、漆包線、葉片、外框…風洞示意圖TestpointofPQ-curvePmax,Q=0P=0,QmaxP1+1/2ρV12=P2+1/2ρV22SystemImpedanceandOperatingPointHighImpedanceQQPModerateImpedanceLowImpedanceHighImpedanceLowImpedanceHighPFanHighQFanP輸出比較-相同尺寸Q/Noise與rpm約成正比rpmdBadBa/rpmCFMCFM/rpm280026.50.00946423.380.00835330031.00.00939428.180.00854380034.50.00907933.200.00874430038.50.00895337.540.00873520044.00.00846245.450.00874DELTAAFB0712(7015)轉速愈高，風切聲佔噪音的比重愈高P與rpm的平方約成正比rpmrpm^2mmH2OmmH2O/rpm^2280078400002.272.89541E-073300108900003.122.86501E-073800144400004.122.85319E-074300184900005.332.88264E-075200270400007.792.88092E-07DELTAAFB0712(7015)輸出比較-不同尺寸•相同PQ，風扇尺寸愈大Noise愈小–AFB7025(3900rpm)(q,p,n)=(36.30,5.52,37.5)–AFB8025(3250rpm)(q,p,n)=(37.43,4.59,28.0)•相同厚度，邊(徑)長愈長則Q愈大–AFB7025(3000rpm)(p,q)=(3.15,20.13)–AFB8025(2700rpm)(p,q)=(3.28,31.43)•相同邊(徑)長，厚度愈厚則P愈大–AFB7015(2800rpm)(p,q)=(2.27,23.38)–AFB7025(3600rpm)(p,q)=(4.46,24.01)Delta8015AFBvsEFBAFBEFBDelta8015AFBvsEFB相同P或Q時，EFBAFBFansinParallelvs.FansinSerial*理想上P&Q會依風扇的數目成倍數成長。*實際上，並聯與理想較接近，較常使用，如1U。*串聯則因為流場與第二顆風扇形成阻抗，損失較多很少使用。*PSU-FAN與CPU-FAN也是一種串聯。均勻流場示意圖•PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場•實際應用時不會有足夠的空間去發展•一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大非均勻流場示意圖•PQ-curve是在風洞模擬理想狀態下量測，空氣在通過風扇前後為均勻流場•實際應用時不會有足夠的空間去發展•一般的葉片設計進風口的阻擋影響比出風口大Axialfan(6010)vsBlower(6911)PQ-curve0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.000.0005.00010.00015.00020.00025.000CFMmmH2OBlower6911Fan6010軸流扇vs鼓風扇•軸風扇-高風量低風壓–外觀(型式/尺寸)統一，主要在翼形剖面、角度與馬達效能上作變化•鼓風扇-高風壓低風量–外觀變化較多，翼形剖面較固定，以角度和參考空間許可修改流道與進出風口流場示意圖-BlowerBlower-流道與進出風口Blower葉片設計•內/外徑•進風後掠角度•尾端前傾角度•上下的開孔徑•翼形有效進風截面積與壓縮行程•截面積–進風口徑-殼徑–上下蓋板與葉片的間隙•使用軸流扇葉時上方口徑與下方間隙要較大•壓縮行程–葉徑-進風口徑–流道長度PIV-7020-進出風比較進風面出風面PIV-7020-不同電壓出風口10V11.5V10V11V12V進風通暢與出風整流•進風–維持進風截面積(足夠的空氣源)–保持流道的通暢(降低阻抗)•出風–風口與鰭片留適當空間讓流場發展均勻–鰭片方向與氣流方向的搭配–鰭片的整流效果-風扇安裝後轉速上升•風往阻抗低處流噪音•風壓/風量/尺寸的取捨–小量開口換較大的噪音降低•平衡與共振–減少振動傳導的機會–導流罩的喇叭口效應•異音–軸承系統的摩擦(毛邊)–電磁切換(突波與感應)7020-4300rpm-噪音頻譜圖操作注意要點•握持–以外框為優，避開葉片或引出線•輸入電壓不要超規•輸出穩定時間(5~10min)–馬達溫升•增加電磁鐵的阻抗•降低軸承的摩擦係數可靠度試驗-1OperatingVoltage•Thedistributionofstartingvoltage瞬間起動分佈•High-VoltageStepStress高電壓逐步應力UAclassA•Temperaturerisewithlockatambient常溫鎖住溫升•Temperaturerisewithrunningatambient常溫運轉溫升•Reveredapplyprotection逆向保護•Impedance絕緣阻抗•DielectricStrength絕緣耐壓•TemperatureV.S.MTTF溫度/壽命可靠度試驗-2temperature&humidity•Storagetestoflowtemperature低溫儲存•Storagetestofhightemperature高溫儲存•Lowtemperaturetest低溫運轉•Coldstart低溫起動•Hightemperatureandhumidity高溫高濕運轉•Temperaturecircling高低溫循環•High-TemperatureStepStress高溫逐步應力Mechanical•Drop包裝落下•Vibration單體振動•Shock單體衝擊