散热风扇基础培训.pdf

Fan Basics Introduction Prepared by : thomas ma 2009/12 Chenghome electronics co., ltd. 风扇散热使命：风扇散热使命： 随着科技的不断进步， 电子产品的功能愈强，个 人电脑的普及，使得各项工作几乎都与电脑离不 开关系，同时电脑的功能的不断强大、电子元件 的集成度愈发强大，电子元件所产生的热量和噪 音，却让我们感到厌烦，因此电子元件的散热散热变 的愈加重要； 风扇是利用强制热对流的方式散热，他凭借自身 的导流作用,令空气以一定的速度、一定的方式通 过散热片,利用空气与散热片之间的热交换带走其 上堆积的热量,从而实现“强制对流”的散热方式。 Fan Basics Introduction 风 扇 的 应 用 ： 风 扇 的 应 用 ： Fan Basics Introduction 风扇基础知识培训目录：风扇基础知识培训目录： 第一部分： 风扇分类介绍； 风扇散热使命 第一部分： 风扇分类介绍； 风扇散热使命/风扇分类风扇分类 第二部分： 风扇结构介绍； 转子部分 第二部分： 风扇结构介绍； 转子部分/定子部分定子部分 第三部分： 风扇性能与测试 起压 第三部分： 风扇性能与测试 起压/转速转速/电流电流/FG/PWM 第四部分： 风扇使用注意事项第四部分： 风扇使用注意事项 Fan Basics Introduction 第一部分： 风扇分类介绍第一部分： 风扇分类介绍 Fan Basics Introduction Fan Basics Introduction 风扇分类：风扇分类： 1. 1. 按叶型与空气流动方式分按叶型与空气流动方式分： 轴流风扇（AXIAL FAN）、离心风扇（BLOWER）； 2. ： 轴流风扇（AXIAL FAN）、离心风扇（BLOWER）； 2. 按工作电流方式分按工作电流方式分： 直流风扇（DC FAN）、交流风扇（AC FAN）； 3. ： 直流风扇（DC FAN）、交流风扇（AC FAN）； 3. 按风扇的用途分按风扇的用途分： 电源风扇（POWER FAN）、机箱风扇、音响风扇、冰箱风扇、汽车风 扇、桌上型电脑风扇（DESK TOP）、笔记本风扇（NOTEBOOK FAN）、 VGA FAN、GPU FAN、SERVICE FAN、PDA FAN、LCD FAN； 另，直流风扇自身细分又很详细： 按工作电压分：DC 5V、12V、36V、48V； 按导线或功能分：2PIN、3PIN（FG）、4PIN（FG PWM）； 按外框尺寸分：25MM、30MM、40MM、50MM、56MM、70MM； 按电路系统、轴承系统、铁心结构又可以更做细分； ： 电源风扇（POWER FAN）、机箱风扇、音响风扇、冰箱风扇、汽车风 扇、桌上型电脑风扇（DESK TOP）、笔记本风扇（NOTEBOOK FAN）、 VGA FAN、GPU FAN、SERVICE FAN、PDA FAN、LCD FAN； 另，直流风扇自身细分又很详细： 按工作电压分：DC 5V、12V、36V、48V； 按导线或功能分：2PIN、3PIN（FG）、4PIN（FG PWM）； 按外框尺寸分：25MM、30MM、40MM、50MM、56MM、70MM； 按电路系统、轴承系统、铁心结构又可以更做细分； Fan Basics Introduction 透平机械 turbomachinery ：透平机械 turbomachinery ： 具有叶片的动力式流体机械具有叶片的动力式流体机械。透平机械的共同特点是装有叶片的转子作高 速旋转运动，流体（气体或液体）流经叶片之间通道时，叶片与流体之间产生 力的相互作用，借以实现能量转化。按能量转化方向的不同，透平机械分为原 动机和从动机。 透平机械分为原 动机和从动机。原动机将流体的能量（热能、势能或动能）转化为机械能；从 动机和原动机在原理和结构上基本相同，只是工作过程相反。 透平机械主要分为轴流式和径流式（离心式或向心式）两种。在轴流式机械 中，流体沿轴向流动；径流式机械中，流体主要沿着径向流动。还有一种斜流 式机械，流体的流动方向介于上述两者之间。 风扇按流体方向分类说明：风扇按流体方向分类说明： 有轴流和径流式两种；有轴流和径流式两种； 轴流式风扇工作时，叶片推动空气以与轴 相同的方向流动，所以称为轴流风扇 （AXIAL FAN） ； 径流式风扇工作时，叶片推动空气以与轴 相垂直的方向（即径向）流动，所以称为 径流风扇（BLOWER） 。 Fan Basics Introduction 风扇极性与功能分类说明：风扇极性与功能分类说明： 按导线分：2PIN 、 3PIN 、 4PIN 按功能分：普通风扇（2PIN）、三线 风扇（FG OR RD）、四线风扇（FG Fan Basics Introduction 第二部分： 风扇结构介绍第二部分： 风扇结构介绍 Fan Basics Introduction 风扇各组成部件介绍：风扇各组成部件介绍： Fan Basics Introduction 风扇的组成：风扇的组成： 分为转子部分和定子部分： 转子：包括扇叶、轴芯、磁 环、磁环外框； 定子：包括电机、外框、轴 承、连接器等。 （结构说明如下页） Fan Basics Introduction Fan Basics Introduction PBS 连接器连接器 功测功测 外框组合外框组合 培林或 轴承 培林或 轴承 外框外框 PBS 组合组合 风扇 半成品 风扇 半成品 扇叶组合扇叶组合 空扇叶空扇叶 磁环组合磁环组合 胶磁胶磁 磁铁外套磁铁外套 扣环扣环 成品测试成品测试 成品烤机成品烤机 贴纸贴纸 包装出货包装出货 PCBA STATA 组合组合 铁芯铁芯 上下片上下片 漆包线漆包线 风扇组装工艺流程风扇组装工艺流程 Fan Basics Introduction 成品成品 PBS加工 绕线线径 和阻值 绕线线径 和阻值 贴片工艺贴片工艺 扇叶组合加工扇叶组合加工 充磁电压充磁电压 扇叶组合尺寸扇叶组合尺寸 测试测试 功能测试功能测试 信赖度测试信赖度测试 安规测试安规测试 成品在线测试成品在线测试 成品加工成品加工 PBS压入尺寸压入尺寸 连接器焊接连接器焊接 轴承 压入尺寸 轴承 压入尺寸 风扇重点参数管控：风扇重点参数管控： Fan Basics Introduction 风扇的电气结构风扇的电气结构 控制部分控制部分：由霍尔IC 、线路板等元件组成。 电机绕组部分电机绕组部分：由矽钢片、漆包线和上下 绝缘线架组成。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，推动转子运 转，达到做功的目的。定子绕组多为四相 对称分布，即互成90夹角。 固定磁场部分固定磁场部分：由磁环提供固定磁场，以 用于旋转时的比较动力。 Fan Basics Introduction 风扇的轴承系统风扇的轴承系统 轴承作为风扇寿命的瓶颈因素，同时也对风 扇的工作噪音、制造成本有着重要的影响。 风扇的轴承系统可分为： 滚珠轴承（单滚珠轴承和双滚珠轴承） 含油轴承 陶瓷轴承 液压来福轴承 动压轴承等 Fan Basics Introduction 含油轴承：含油轴承： 由铜基粉末烧结而成，需加黄油润滑脂减少磨擦系 数。 优点：耐外力冲击，成本较低。 缺点：长期使用后，润滑油会因摩擦发热而挥发； 通常产品寿命为2000030000小时 。 液压来福轴承：液压来福轴承： 采用液压自动循环油路系统，通过特殊油路连接轴 承与储油槽，令润滑油形成循环回路 ，增加储油 量，避免油流失。是延长风扇寿命的经济型解决方 案。 Fan Basics Introduction 滚珠轴承滚珠轴承 滚珠轴承属滚动磨擦，运用金属珠运 转，接触面少，磨擦系数少。寿命一般 在40000小时以上。 缺点：主要是工作噪音稍大，成本较高 。 滚珠轴承还要防止乱摔与 掉落，免得滚珠轴承受损， 从而产生异音。 Fan Basics Introduction 风 扇 轴 承 结 构 设 计 分 类 风 扇 轴 承 结 构 设 计 分 类 Fan Basics Introduction 动压轴承动压轴承FDB 動壓溝槽的功能：動壓溝槽的功能： 儲存潤油 防止潤油洩 產生高壓支撐旋轉軸心 Fan Basics Introduction 动压轴承动压轴承FDB结构设计结构设计 Fan Basics Introduction FDB優勢 高 高 低 精度精度圖示圖示 高 100,00 0 低完全潤滑動壓軸承動壓軸承 低80,000高滾動接觸滾珠軸承滾珠軸承 中 30,000 50,000 中邊界潤滑含油軸承含油軸承 抗振能力抗振能力 壽命壽命 (小時小時) 噪音噪音潤滑條件潤滑條件軸承形式軸承形式 Fan Basics Introduction 风扇转子风扇转子-扇叶扇叶 风扇转子组成：轴心 / 扇叶 / 马达壳 / 胶磁； 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； 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。 Fan Basics Introduction 第三部分 风扇性能与测试 Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-功率功率 功率即风扇单位时间内所消耗的能量（电能），单位为W- 瓦 ； 额定电压：风扇工作时的标准供电电压； 额定电流：风扇额定电压下工作时的 工作电流； 额定功率 = 额定电压 * 额定电流； 额定功率额定功率 = 额定电压额定电压 * 额定电流；额定电流； Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-启动电压启动电压 启动电压是指：在电源电压先归零条件下，接通风 扇，旋转电压旋钮，使电压缓缓提高，能够使风扇启 动的最小电压。 因板卡提供的电压可能会不稳定，启动电压越低，可 确保在电压不稳时，能低压激活启动风扇。 常规常规12V风扇的启动电压都在风扇的启动电压都在7 V以下； 常规 以下； 常规5V风扇的启动电压都在风扇的启动电压都在3.5V以下；以下； Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-转速 电流转速 电流 转速转速 即风扇扇叶在单位时间内旋转的周数，单位一般为rpm， 即转/分钟。 转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、功率，甚至使 用寿命。转速越高，风扇性能越强，即风速越快，风量越 大，风压越大；同时，转速高，摩擦、振动就多、噪音就 大，轴承等损耗设备的寿命就短。 电流：电流： 风扇在额定工作电压下， 风扇流过的电流； Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-FG信号 波形信号 波形 * 风扇除正负两条电源线 以外,还有第三条导线,输 出 FG信号。 * FG信号的作用是供主 板计算风扇 的转速,还有 当风扇出现异常停止转动 时,信号线输出高压信号 反馈给主板报警。 * 3Pin风扇无方波或波形 有长短波，突波，都可能 导 致主板无法测速或出 现测速误差。 示波器测试 电流波 波形图电流波 波形图 FG方波 波形图方波 波形图 Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-PWM信号信号 Intel为新型CPU设计了智能CPU风扇控制功能。 该功能必须配合4Pin 风扇来实现，其中一条就是PWM信号线。 该功能可以自动调节CPU风扇的转速，当CPU工作温度较低 时，风扇运行在低转速状态下；当CPU工作温度较高时，CPU 风扇则运行在高转速状态下。 PWM测试仪 PWM pulse width modulation Pwm controlled fan Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能 -风压风压P、风量、风量Q 风压风压即风扇能够令出风口与入风 口间产生的压强差，单位一般 为mm water column，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）。 风量风量即单位时间内通过风扇出风口 （或进风口）截面的空气体积， 单位一般为cfm，即立方英尺每分， 或cmm，即立方米每分； Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-风压与风量的关系风压与风量的关系 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测试仪风洞测试仪进行 the standard of American AMCA-210 同时风扇的选择，需要考虑系统阻尼系统阻尼； Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-风压风量与系统阻尼风压风量与系统阻尼 Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-噪音噪音 风扇噪音按类型分：机械噪音、气动噪音、电气噪音； 噪音测试环境：无响室 ISO7779标准； 噪音值的单位为dB（A），它通常可用噪音计测量； 无响室无响室 Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-振动与平衡标准振动与平衡标准 a. 动平衡概念与风扇 平衡等级定义 ISO1940 G6.3 Fan Basics Introduction 风扇性能-振动与平衡标准 b. 不平衡成因与动静平衡的选择 Fan Basics Introduction 风扇性能-振动与平衡标准 c. 振动成因与频谱分析 Fan Basics Introduction 风扇性能风扇性能-信耐度测试信耐度测试 4 3 2 1 Thermal Shock Power OFF/5Min. 3.Translation time: 1hours 2.High Temperature: +70/4hours 2.High Temperature: +80 1.Low Temperature: -40 10 4.Thermal Shock 10 3.Power 5pcs are in non-operation Test ConditionQtyTest Item 3.Duration: 168hours 2.Humidity: 90% 95% 2.Drop condition: One point / three side / six surface 1.Height: 600mm 1008.Drop Test 10 7.Humidity Exposure Test 1.Temperature: +60 3.Drop Surface: 20mm Wood Board 风扇性能-信耐度测试 Fan Basics Introduction 第四部分：风扇使用注意事项 Fan Basics Introduction 风扇储存温度湿度：风扇储存温度湿度： Storage temperature-40 + 70 Relative humidity (45 85%) 风扇使用温度：风扇