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DC無刷風扇基礎知識引言夏天到了，炽热的天气带给我们高昂的热情，也带来了更多的休息时间；同时，更令我们的CPU饱受高温煎熬。在我国大部分地区，没有空调的房间里，夏日的环境温度较冬季提高了20以上，CPU核心由于漏电电流随温度升高而增加，功耗与发热量也略有增大，导致实际温升往往还在此温差之上。为了安然的度过炎炎夏日，或许该考虑一下增强散热措施了？液氮、干冰、压缩机等极限降温手段虽然可以完全无视天气条件的影响，但并不适合长期使用；液冷散热系统相对繁琐的安装、使用过程也将许多普通用户拒之门外。终归，适合绝大多数用户与玩家的，还是相对传统的风冷散热器。之后的一段时间，我们将对风冷散热器的各种相关技术进行一点浅要的分析，令大家在选购风冷散热器时更加知己知彼，也为我们稍后奉上的大型散热器评测做好理论准备。风冷散热器所谓风冷散热器，其散热原理即通过与发热物体（就我们的情况而言即CPU、GPU等半导体芯片）紧密接触的金属散热片，将发热物体产生的热量传导至具有更大热容量与散热面积的散热片上，再利用风扇的导流作用令空气快速通过散热片表面，加快散热片与空气之间的热对流，即强制对流散热。因此，一款优秀的风冷散热器必须具备三个条件：采用做工精良，设计合理，材料合适的散热片、配有性能强劲，工作稳定，长寿命的风扇、以及出色的整体结构与安装设计。本文，我们将依此分为散热片、风扇与整体结构三部分，就风冷散热器的各项指标以及现行技术进行浅要的分析与介绍。风扇篇：风扇并不是什么稀奇的东西，在日常生活中早已司空见惯，具有导流、换气、散热等各种用途。本篇就对风冷散热器中使用的风扇类型为直流无刷风扇-DC Brushless Fan（下文如无特别说明，简称“风扇”）略加介绍。风冷散热器中使用的典型风扇外形是一个底面为正方形的扁柱体，四角留有安装所需的固定孔位，直流电机通过支架固定在外框上，扇叶与转子连接在一起，通过轴承安装在电机主体之上。一些“非典型”的风扇采用了较特殊的形状与设计，但整体结构与此并无太大差异。看似简单的结构，其中却有不少的学问；对风扇各种相关知识的了解也是了解风冷散热器的重要步骤。作用：风扇是被动式空冷散热器与主动式风冷散热器的本质区别，没有风扇便不能称之为风冷散热器。一些用户也习惯于将整个风冷散热器称为风扇，可见其地位是何等显要。风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分，对散热效果起着至关重要的作用，是散热器中唯一的主动部件；同时，更对散热器的工作噪音有着决定性的影响。风扇在风冷散热器中的职责为：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。散热片即使结构再复杂，也只是一个被动的热交换体；因此，一款风冷散热器能否正常“工作”，几乎完全取决于风扇的工作状态。在不改变散热器结构与其它组成部分的情况下，仅仅是更换更加合适、强劲的风扇，也可以令散热效果获得大幅度的提升；反之，如果风扇搭配不合适或不够强劲，则会使风冷散热器效能大打折扣，令散热片与整体设计上的优点被埋没于无形；更有甚者，由于风扇是风冷散热器中唯一确实“工作”的部分，它本身的故障也就会导致散热器整体的故障，令其丧失大部分的散热性能，进而引起系统的不稳定或当机，甚至因高温而烧毁设备。参数：对于风冷散热器，风扇是如此的“至关重要”。那么，我们又应通过哪些方面的数据来衡量一款风扇的品质呢？衡量一款风扇的品质，最重要的两个方面为性能与寿命，其次便是越来越受到关注的工作噪音；此外，关系到能否正常使用，还必须注意风扇的规格与功率。 规格：要为散热器选择合适的风扇，首先注意到的，也是必需注意的，就是风扇的尺寸规格。风扇的尺寸规格有一套统一的标准，只要依照此套标准就可以保证与散热片或其它接口、支架之间的正常安装。尺寸规格通常用一个4位数字来描述，例如：2510、4028、6015、8025、1238等。4位数字的前两位25、40等代表风扇正方形底面的边长，单位为毫米；后两位10、28、30等则代表柱体的高度，即风扇的厚度，单位同为毫米。特别说明：92XX系列的风扇边长为92mm，但通常称作9cm；12XX或17XX系列的风扇并非12mm或17mm边长，而是12cm或17cm；常用直流无刷风扇的边长最小为25mm，而大于99mm的风扇通常舍去最低位，数值以cm为单位。下图为一款6015风扇的详细规格：相关元素：与底面尺寸息息相关的数据为过风面积（风扇底面积减去外框与电机占据部分所占面积的结果），进一步则影响到风扇的重要性能指标“风量”。拥有更大的底面尺寸，一般就可以获得更大的过风面积，在风速相当的情况下，将获得更大的风量；反过来考虑，就可以降低风速却不减少风量，采用“大口径”风扇也是目前风冷散热器发展的大趋势之一。增加风扇的高度有利于增大风扇功率、加大扇叶面积，都可以增强风扇的性能；有些风扇也会利用增加的高度在外框上添加导流片或改变扇叶旋转面方向（即非轴流风扇）等，后文将较详细说明。用户在选择风扇时，尺寸规格方面需要考虑的问题主要有：1.能否与散热片实现良好的结合，主要取决于底面的尺寸规格；2.散热器能否正常安装，主要取决于风扇增加的体积是否会与其它设备或整体空间冲突；3.风扇能否为散热片提供合适的气流，尺寸规格的改变可能会影响风扇气流的覆盖范围、走向等；但具体影响较为复杂，且涉及到多方面的因素，将在后文中相关部分分别说明。风速：风速是风扇重要的性能指标之一，与最重要的两项性能指标之一风量关系密切。风速即风扇出风口或进风口的空气流动速度，单位一般为m/s；仅是某一位置的速度数值，不能完全体现风扇的性能。风速在不同位置数值可能有较大差异，且平均值难以计算，一般不用来表示风扇的性能，仅在详细设计分析中才会使用。相关元素：风速的高低主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速。扇叶形状设计、面积、高度的影响较为复杂，将在后文说明；风扇转速越快，风速越快，则是显而易见的常识，无需赘述_。风速的高低会影响到风量以及噪音的大小。同样的过风面积，风速越高，风量越大；气流之间、空气与扇叶、外框、散热片之间的摩擦都会产生噪音，同样的风扇、散热片设计，噪音必然会随着风速的提升而增大。由于一般并不会作为风扇类产品的性能参数被标示出来，用户选择风扇时不会见到，也就谈不上注意事项了。风量：风量是风扇最重要的两项性能指标之一。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-cubic feet per minute，或cmm，即立方米每分- cubic metres per minute。风量是风扇性能的整体衡量指标，不受到尺寸、结构、方式的限制，也不限于直流无刷风扇，可适用于任何空气导流设备。相关元素：风量平均风速 x 过风面积。可见，风扇风量的大小基本取决于风速的高低与过风面积的大小。过风面积相同，风速越高，风量越大；风速相同，过风面积越大，风量越大。风冷散热器是依靠空气吹过散热片，利用热交换带走散热片上堆积热量的。显然，采用同样的散热片结构与空气流动方式，单位时间内通过的空气越多，带走的热量也就越多。因此，其它条件不变的情况下，可以说实际风量对风冷散热效果起着决定性的作用。风压：风压是风扇最重要的两项性能指标之一。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（cm） water column，即毫米（厘米）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）。风压是衡量风扇“强劲”程度的重要指标，如果将风量比作一把武器的挥击力量，那么风压就是这把武器的锋利程度。相关元素：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。风压直接的影响到风扇的送风距离。风扇出口到散热片底部看来只有短短的几厘米，但考虑到复杂、密集的散热鳍片的影响，要令气流有效地覆盖散热片整体并非想象中那么简单。散热片设计过程中虽然会尽量避免产生过大的风阻，但为了保证充足的散热面积，对风压提出一定要求也是在所难免。风压既然是风扇最重要的两项性能指标之一，选择风扇时自然要特别注意。如果配合片状鳍片+风道式设计的散热片，一般不需太大的风压，即可保证空气顺畅流动，达到预期效果；如果配合典型的平行片状鳍片+顶吹式设计的散热片，则要根据鳍片的密度和高度、鳍片间风槽的形状和长度选择具有足够风压的风扇；如果配合Alpha或Swiftech等密集柱状鳍片+顶吹式设计的散热片，就需要风扇具有较大的风压。风扇与散热片组合结构等的详细分析请见第三部分。 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典型的流速与压强间的关系风量随着压强差（具体而言即散热片风阻）的增大而减小，两者互相制约的程度则取决于扇叶形状与整体结构设计。风量、风压的正规测量需要借助风洞进行，下图为测量风洞原理图：通过调节风嘴（Nozzle）与辅助风扇（Auxiliary Blower），控制风量，记录风量（Air Flow）与压强差（Air Pressure）的对应数值，最终除了记录最大风量与最大静压（即标称的风压）外，一般还要绘制压强-流量图（即通常所称的风扇特性曲线图、PQ图），全面表现一款风扇在各种压强差（具体而言即散热片风阻）下的工作表现。 上图即一张典型的风扇特性曲线图。图中实线（FPC）为风扇特性曲线，需由风洞测量。虚线（SRC）为系统阻抗曲线，同样需由风洞测量。FPC与SRC的交界点即为系统与风扇搭配使用的操作点OP，Qb与Pb则分别是使用中可达到的风量与压强差。以风冷散热器中的应用而言，要求风量越大越好，选择风扇时自然以Qb为重点参考指标。可见，选择风扇时仅以最大风量（Qa）与最大静压（Pa）来选择并不是最适切的。但考虑到一般用户不可能获得详细、确切的风扇特性曲线与散热片（系统）阻抗曲线，如此粗略判断也是不得已而为之。转速：转速是风扇各项性能指标的根本决定因素之一。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rounds per minute-转每分。转速是风扇最容易测量的参数，高转速是各种“暴力”风扇力量的源泉，也是大噪音的根源。相关元素：转速基本上取决于风扇采用的电机性能。只要确定了风扇的物理规格、结构，各种性能就全部由转速决定。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；转速提高，电机消耗功率增大也是必然结果。风扇产品就算不标明风量、风压，也都会标明额定转速；一些对各种风扇比较熟悉的玩家更是可以根据一款风扇的尺寸规格、扇叶形状以及转速判断出它的性能。对几种常见尺寸规格的普通轴流风扇略加说明：1.边长6cm，转速约3500rpm可获得尚可的风量及可接受的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果；进一步提高转速至约5000rpm，可获得不错的风量与风压，但噪音急剧增加；转速超过6000rpm便可列入“暴力”扇之列。2.边长7cm，转速约2500rpm可获得尚可的风量及较低的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果；进一步提高转速至约4000rpm，可获得较大的风量与风压，但噪音急剧增加；转速超过5500rpm便可列入“暴力”扇之列，效果略强于6cm“暴力”扇。3.边长8cm，转速约2000rpm即可获得不错的风量及很低的噪音，即便低于此转速也可保证尚可的风量，充分体现了大口径风扇的优势；进一步提高转速至约3000rpm，可获得相当不错的风量与风压，噪音仍然较低；转速超过5000rpm便可列入“暴力”扇之列，噪音急剧增加，挑战人耳的忍耐极限。4.边长12cm，转速约1200rpm即可获得不错的风量及很低的噪音，低于此转速虽然风量尚可，但风压较弱，所幸多用于液冷散热排等风道式散热片，用于计算机开关电源散热则对空气流动设计提出了一定要求；进一步提高转速至约1500rpm，即可获得较大的风量，噪音仍可接受；转速超过2000rpm，便可获得颇大的风量，风压尚可，碍于扇叶较大等不利条件，噪音会急剧增加。9cm（边长92mm）轴流风扇扇叶尺寸与过风面积较8cm增加不多，但可在同等的风量下较8cm风扇噪音更低，受到了小范围的青睐，不过并不常见。另一种较常见散热风扇出风口边长8cm的涡轮风扇：转速约1500rpm即可获得不错的风量及较低的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果；进一步提高转速至约2500rpm，可获得不错的风量，且风压较大，噪音勉强可接受；转速超过3500rpm便可列入“暴力”扇之列，由于特殊的设计结构，噪音已可与8cm轴流“暴力”扇比肩，挑战人耳的忍耐极限。寿命：寿命是风扇在长期使用中不得不关注的一项指标。寿命即风扇可以无故障使用的时间，单位一般为千小时。我们花费金钱购买的风扇，自然希望它的正常工作时间越长越好，至少也要在散热器的使用期内正常工作。相关元素：只要没有意外损坏，风扇的寿命便主要取决于轴承寿命、定子绕组线圈寿命、电子元件寿命三者。轴承寿命根据不同的设计类型与工作强度，在1000300000小时之间。定子绕组线圈寿命在正常环境中使用一般可达几十万，甚至几百万小时以上；环境恶劣，如高温、低温、温差大、湿度大等，则可能大幅缩短。电子元件寿命较定子绕组线圈寿命更长，但易受环境温度影响，尤其高温可大幅度缩短电子元件寿命。根据众所周知的挡水板（或瓶颈）原理，风扇的寿命决定于三者中最短的轴承寿命。风扇的使用寿命还会受到工作负荷的影响：转速越高的风扇，其轴承磨损也就越快，定子绕组线圈与电子元件发热也就越多，寿命必然缩短。这正是在并没有静音需求的服务器电源领域广泛采用温控风扇的原因合理减轻风扇工作负荷，延长使用寿命。除了风扇本身设计、选材的基本决定因素，正如上文所述，使用环境也会对风扇寿命造成重要影响。高温会加快含油轴承中润滑液的挥发，令器件膨胀增加摩擦，令线圈电阻增大，陷入发热增加温度升高的恶性循环，加快电子元件老化。剧烈的温度变化会令器件发生形变，令线圈剧烈收缩而崩断，令半导体元件工作点漂移。灰尘会令扇叶质量分布改变，增加摩擦，增大风阻，影响自身散热，阻碍散热片与空气进行热交换，产生静电放电损坏元件与设备。恶劣的使用环境可能令风扇的效果大打折扣，且寿命大减。为散热器或其它设备搭配风扇时，可参考预期使用时间（年数、天数等）与工作强度（每日工作时间）选择足够“长寿”的产品。下例粗略估算一下：正常环境下，一款寿命为10000小时的风扇，作为计算机散热系统的组成部分，每天随计算机工作10小时，可无故障使用1000天，即接近3年时间，基本可以满足需要。如果开机后持续运行（服务器等使用环境），则可无故障使用约417天，不足14个月，显然不是理想的选择，而应根据服务器预期使用时间，选择寿命更长的产品，比如大于40000小时的。此外，应根据环境条件适当“打折”。如前例中寿命10000小时的风扇如果在灰尘较大的环境使用，就应改折损为6000小时左右。故实际应选择寿命为15000小时以上的产品。 噪音：噪音是各种设备越来越受到关注的指标。噪音即风扇工作过程中产生的“非乐音”声响。目前较为通行的测量标准为计权声级测量，通常采用A声级计权，常用单位：分贝（A）或dBA。A声级计权模拟人耳的听声规律，能够较好地反映人耳对噪声的强度与频率的主观感觉，据此制作电计算曲线计权网络，具有以下优点：1.使用单一的评价参数，方便；2.该曲线能较好地模拟人耳的听声特点；3.将主观因素与客观物理量恰当结合起来，可用于比较不同场合的噪声；4.可以用于做为噪声的评价标准。噪音的强度主要有声强与声压两种衡量方式，声强（声功率）是测量物体单位时间内发出的声音总能量，声压是测量人耳收到的噪音压强值，通常采用对数形式表示，是一种“相对级别”，故将测量仪器称为声级计。原理公式如下：声强级数：SILlog(I/I0)（Bel/贝尔）10 x log(I/ I0)（dB/分贝）；其中I为测量声强，I010(-12) W/m2为最小可闻声强。声压级数：Llog(p2/p02)（Bel/贝尔）10 x log(p2/p02)（dB/分贝）；其中p为测量声压，p0为最小可闻声压，单位：N/m2。由上式可见，0dB是人耳听力的阈值。120-130dB是一般人能承受的最大声音。一般人能够分辨的最小声音变化是3dB的声压或1.5dB的声强。3dB的声强增量相当于测得的声强加倍。而5dB的声强增量才使人听到的声音响度加倍。6dB增量相当于测得的声压加倍，而10dB的声压增量才使人听到声音响度加倍。一些典型环境噪音声级（声压）如下： 安静的图书馆或耳语时约为30dB；一般家庭约为40dB；正常谈话约为60dB；商用卡车或火车约为90dB；喷气式飞机或起飞的火箭约为120dB；虽然喷气式飞机的dB值看来只是安静的图书馆的4倍，但由于采用了对数表示法，实际差距远不止于此。根据上文公式略加计算可知，两者测量声压的比值为p1/p210(120/20)/10(30/20)106/101.5104.531622.78，即喷气式飞机的噪音对人耳造成的声压是安静图书馆中的31622.78倍！目前风扇厂家的风扇噪音测试多为声压测量，下文如无特别说明，所提到声级均为声压测量结果。工业标准测试是在背景噪音低于15dBA的静音室中，将风扇固定于减震支架之上，以声级计在风扇进风侧轴向距离1m的位置进行测量，或完全记录下工作噪音，进而进行详细分析。噪音是风扇除性能之外，影响“适用性”的重要参数。长时间处于高声级噪音环境绝对是对人身体与精神的摧残！相关元素：风冷散热器的工作噪音主要有三个来源：轴承的摩擦与振动、扇叶的振动、风噪。1.轴承的摩擦与振动：不但产生噪音，而且影响性能，缩短器件寿命，降低能源利用效率，是产品设计中尽量解决的关键技术问题。2.扇叶的振动：一般采用塑料制作的风扇扇叶具有一定的韧性，可以承受一定程度的物理形变，同样也会在推动空气过程中因受力发生振动，但幅度一般较小。另一种较为严重的振动则是由于扇叶质量分布不均，质心与旋转轴心存在偏心距所致。当扇叶面积（质量）或偏心距较大的情况下，可能会带动风扇甚至散热器整体发生振动，进而波及整个机箱。如果发生此类现象，则应怀疑风扇品质与工作状态。3.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。普通的轴流风扇会在扇叶与外框间的空隙处产生反激气流，产生较大风噪的同时，更会对风量造成不利影响，也正因此出现了折缘、侧进风等改良设计。噪音的主要影响就体现在使用者的身心健康与安全之上，而与噪音相伴的振动则可能导致芯片磨损、接口松动、盘片划伤等危及使用的现象。选择风扇时，应当关注风扇的工作噪音，要求自然是越小越好。但厂家在产品参数中所提供的噪音数据，往往与实际使用中的效果存在一定差距，不可直接以之为准，这主要是由于工业标准测试方法与实际使用环境存在差别所致。1.首先，日常生活中的背景噪音远高于静音室中15dBA的背景噪音。一般城市，非靠近交通干道的居民小区，深夜的背景噪音在3035dBA之间，而日间则在4050dBA。2.其次，静音室内壁材料具有吸音、隔音的效果，于进风侧测量无法反映出风扇送出气流产生的声压，而实际使用中用户无法回避。3.再者，风扇单独工作与安装到散热片上的工作噪音差别巨大。有经验的用户都知道：风冷散热器的噪音大部分来自气流高速通过散热鳍片时产生的风噪与摩擦音，而风扇本身的工作噪音只占较小的一部分。多数散热器所标注的噪音也仅是所配风扇单独工作噪音，而非整体工作噪音，厂家没有明确说明则略有误导之嫌。4.此外，实际使用中用户与散热器风扇间的距离一般都在1m以内，如果再考虑到机箱的隔音效果、小房间内的回声等影响，具体情况难以判断。当然，这是任何“标准化”的测试都无法解决的问题，只能建议希望减轻噪音损害的用户不影响使用的同时尽量拉大与噪音源之间的距离，选用隔音效果更好机箱，房间装修时采用吸音材料。因此，为了更加接近用户在实际使用中的状态，秉持着OCER.net一贯的深刻、严谨的原则，我们在进行风冷散热器测试时，订立了一套自己的噪音测试标准：1.环境噪音低于35dBA，即日常生活能够达到的最低声级水平；2.对风冷散热器整体进行测试，如具风扇调速或类似功能则分别测量最高与最低转速时的噪音声级；3.风冷散热器平置于橡胶减震垫之上，与声级计距离保持50cm，之间无任何遮蔽物，反向距墙壁（无软性装饰材料）50cm，另两侧距墙壁3m以上；采用此套标准可以保证：用户实际使用中，只要不发生共振、异物阻塞等特殊情况，所需忍受的噪音声级最高水品不超过测量值。尽量不对读者造成误导在测试中受到好评，实际使用却令人失望，甚至难以忍受。建立自己的标准是一回事，风扇标注的噪音参数也还有其意义所在虽然与实际使用情况存在一定差别，但仍可作为参考数据，值得注意。根据经验：标称噪音低于27dBA的风扇，均可归入静音之列；标称噪音2733dBA的风扇，勉强可算“安静”，但无法忽视其存在；标称噪音3340dBA的风扇，单独工作已经令人感到嘈吵，配合散热片后更甚；标称噪音在40dBA之上的风扇，一般为强劲的“暴力”扇，本身工作噪音已不容小觑，搭配散热片后长期使用绝对是对人耳忍耐限度的挑战。 功率：功率是风扇重要的性能指标之一，变相体现了风扇的性能。功率即风扇单位时间内所消耗的能量（电能），单位为W-瓦。正如关心“廉颇老矣”时，会询问“尚能饭否”，能“吃”的风扇往往也有更强劲的性能。功率从另外一个角度体现了风扇的性能。常见的直流无刷风扇产品上通常不会直接标明功率，而是标注额定工作电压与最大电流，将两个数值相乘即可得到风扇额定电压下的最大功率。相关元素：风扇的输入功率可划分为有用功率与无用功率两部分。有用功率即最终驱动扇叶转动的功率，称作输入轴功；无用功率则包括元件电阻损耗、机械摩擦损耗及振动损耗等。有用功率与消耗总功率的比值即风扇的能量转换效率，自然是越高越好_。除风扇能量转换效率外，还有一类重要的风扇效率，即输入轴功转换为流体（空气）动能的效率。常用的有3种考察方式：全压效率输出全压流功/输入轴功x 100；静压效率输出静压流功/输入轴功x 100；水力效率实际全扬程/理想全扬程 x 100；3种风扇效率分别与最大风量、最大静压及实际工作点密切相关，是检验风扇设计改进成果的重要指标。以输出全压流功率为例，设风扇出风口各点风速均等，则有如下公式：输出全压流功率1/2 x m/t x V21/2 x (S x V x ) x V21/2 x Q x x V21/2 x S x x V31/2 x x Q3/S2；其中：m/t为单位时间内带动空气的质量，V为风速，S为出风口面积，为空气密度，Q为风量。如果考虑到出风口各点的不同风速，则要以V为变量，S为微元，根据1/2 x S x x V3公式在出风口平面上计算曲面积分，分析较为复杂，此处不进行详细讨论。只要根据上述公式对风扇功率与风速、风量的数量级关系有所了解，就达到了目的。风扇设计确定后，全压效率确定，若能量转换效率恒定，从上面公式可以看到：出风面积固定后，功率与风速（风量）的3次方同步增长；相同风量的风扇，过风面积越大，功率越小。因此，功率主要取决于风量与尺寸规格。功率会随着风量（风速）的增大急剧增加，增大口径则有利于控制功率。无用功率主要取决于元件、材料的选择及设计上对摩擦、振动等的控制。元件电阻损耗是各种电气设备中不可避免的，只能通过提高元件选材规格尽量控制。要减少振动、摩擦等损耗，风扇的轴承是重点所在，厂家会在设计过程中花费大量精力进行研究与开发。可以说，对无用功率的控制、风扇效率的提高是厂家技术实力与产品用料品质的重要体现。通常而言，风扇性能越强，即输出全压流功率、输出静压流功率、理想全扬程越大（全部提高或某一、两项提高都是性能提升的表现），总功率自然水涨船高。相同规格与设计的风扇，简单的比较标称功率大小就可以明显的判断出性能强弱；相同性能的风扇，输入功率越小则说明设计、用料越优秀。选择风扇时，除了通过功率判断性能外，还要注意较大功率风扇对供电方式的特殊要求，以免无法正常使用。一般而言，额定电压12V的直流风扇（计算机中使用的散热风扇大多属于此类），普通产品最大电流不超过0.5A，各种主板都可负担；而大于此数值的，则由于主板设计原因，可能在部分主板上无法正常使用，建议采用外接电源；最大电流超过1A的，一般主板都无法正常驱动，多直接采用大4pin接口供电。各种“暴力”风扇的功率都不可小觑，选购时应注意供电方式，适当搭配转接线。常见的6cm“暴力”风扇，最大电流都在0.5A以上，8cm“暴力”风扇最大电流则全面超过0.8A，1A以上也属“正常”。 组成：大致了解了风扇有关的各项参数，下面就简单介绍一下直流无刷风扇的构造与几个重要组成部分的原理及现行技术。 上图为典型轴流直流无刷风扇的分解图，各部分分别为：1.转子部分，包括扇叶、轴心、转子磁环、磁环外框；2.定子部分，包括支撑弹簧、轴承、扣环、电机部分（4）；3.外框，起支撑、导流作用；4.电机部分，包括电路版、硅钢片（即定子磁体，上附绕组线圈）、硅钢片上、下盖；各部件按照功能，及对风扇性能、寿命的影响，可大致分为电机、轴承、扇叶与外框四部分。电机：作为风扇将电能转为动能的关键部件，平稳、可靠的电机是优质风扇必须具备的根本条件。无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品。由于具有噪音低、运行平稳、无换向器（即电刷，也正是其名称中“无刷”的由来）、速度监测方便等特点，在各种直流环境中被广泛采用，已经基本替代了早先的串励换向直流电机，在风冷散热器及其它计算机配件中更是成为了标准选材。无刷直流电动机由电动机主体和驱动电路组成：电动机主体即定子与转子。电动机定子绕组多为四相对称分布，即互成90夹角，不同于三相异步电动机互成120夹角的星形分布方式。转子上粘有已充磁的永磁体，一般为磁性橡胶条或橡胶环。驱动电路主要是由数字控制芯片、转子位置传感器和功率驱动元件构成。数字控制芯片采用DSP（数字辅助处理器），常见IC如TMS320等。转子位置传感器一般采用霍尔元件，根据转子磁体磁场方向的变化确定转子位置。功率驱动元件包括PWM控制电路与功率管，功率管通常采用MOSFET，在PWM驱动信号的控制下驱动定子绕组线圈工作。无刷直流电动机的工作过程大致如下：数字控制芯片根据转子位置传感器的信号，按照控制信号（正转或反转等）计算出需要的磁场方向，控制功率驱动元件驱动定子绕组，所产生的电磁场与转子磁体发生相吸或相斥作用，带动转子起转。转子转动过程中，数字控制芯片随时根据转子位置传感器的信号，计算出令转子继续转动需要的磁场方向，控制功率驱动元件驱动定子绕组，改变电磁场方向，带动转子继续转动。整个连续的工作过程中，始终保持电磁场处于令转子向前转动的位置，并与转子磁体间保持最佳的作用角度。由于直流无刷电动机这种由DSP控制的“智能”工作方式，较传统的串励换向直流电机具有明显的优势能量转换效率高、转速稳定、不易出现死角等。在此之上，一些厂家还利用这种控制方式，将控制电路中的转速调节功能进行扩展，从而轻易实现了手动、温控调速等功能，免除了外接调速器的繁琐与额外的能量损耗。著名散热器制造商Cooler Master目前的风扇产品就大多采用这种仅引出调速变阻器，不增加其它额外零件的方式。 目前无刷直流电动机的各种相关技术已经相当成熟，各种产品在设计上不存在太大差别，只要不是选材上有所“节省”，或使用环境过于恶劣，都可在风扇的全寿命期内正常工作。轴承：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，倍受用户关注，风扇设计、制造者们也在其上投注了大量的技术与人力，对各种轴承技术略加了解也是正确选择风扇的前提条件之一。目前市场上很多品牌都有自己独特的轴承设计，各种设计都在寿命、噪音、成本等方面有其独到的优势。本节，就为各位简要介绍一下几种常见，或颇具特色的轴承技术：含油轴承：传统的轴承技术，轴芯嵌套在轴套之内转动，利用润滑油充填轴芯与轴套间的空隙，减少摩擦与振动。使用初期，润滑油均匀填充轴芯与轴套间的空隙，令转动平滑稳定，因而工作噪音很低，轴承磨损少。但随使用时间增长、灰尘吸附增多，润滑油会因摩擦发热而挥发，油量逐渐减少，轴承的摩擦与振动增加。由此导致轴承噪音增大，磨损加剧，寿命缩短，因此不适合高转速的“暴力型”风扇，也无法达到“长寿”的目标。通常产品寿命为50008000小时。作为最基础的轴承技术，许多特色轴承技术都是在此基础之上进行改进而成。滚珠轴承：有一定物理知识的人都知道：压力与接触面粗糙程度相同的情况下，滚动摩擦力小于滑动摩擦力。轮子便是基于此理论而诞生的人类最伟大发明之一，滚珠轴承也是此理论实际应用的一大典范。滚珠轴承不再仅依靠润滑剂填充轴芯与轴套间的空隙，而是将空间略加扩大，在其中置入数个金属滚珠。当轴芯与轴套相对运动时，滚珠也随之滚动，并不与二者发生滑动摩擦，降低转动阻力，减少能量损耗。当然，为了填补空间兼而起润滑作用，滚珠轴承也需要使用润滑剂，但工作空间相对含油轴承密封较好，且摩擦更小，寿命很长。若仅以一道滚珠支撑，难以保证旋转轴的稳定，因而通常需要两道滚珠进行约束。但由于结构较为复杂，滚珠轴承的制造成本相对较高，为了控制产品成本，便产生了双滚珠与单滚珠两类滚珠轴承： 双滚珠轴承应可算是滚珠轴承的典型代表，除具有阻力小、寿命长等特点外，因轴芯、滚珠、轴套间空隙较大，容易发生振动，还具有工作噪音大的不足之处。通常产品寿命可达50000100000小时。单滚珠轴承则是为了弥补双滚珠轴承成本高、噪音大等不足之处的折衷产物，采用其它形式轴承与一道滚珠轴承配合，对轴芯进行支撑。与滚珠轴承配合的轴承可选范围很大，从传统的含油轴承到磁悬浮轴承，目前都有产品可见，而使用采多的仍然是含油轴承与单道滚珠的组合。此种组合中，含油轴承只起小部分的支撑作用，磨损较单独工作中大幅减少；同时，还可减少双滚珠轴承产生的震动，降低工作噪音。通常号称“单滚珠轴承”或“滚珠轴承”的风扇即采用此类单滚珠+含油的轴承，可兼顾寿命、成本与噪音。通常产品寿命根据与单滚珠搭配的轴承种类存在一定差距，一般在40000小时以上。液压轴承：英文原名HYDRAULIC Bearing，系著名散热器及风扇设计制造厂家AVC-奇鋐科技的专利产品，是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。液压轴承所进行的改进包括：1.增加磁悬浮挡板，令轴芯在旋转过程中与轴套接触的机会更少；2.轴承底部固定端密封，形成较大储油空间，可保存较多润滑油；3.采用低热损耗的润滑油脂，轴承在高温状态下仍可保证油脂的润滑特性；4.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；5.轴芯采用金属粉末冶金技术，表面具有大量毛细孔，可吸附润滑油，保证轴承的高润滑度。通过多方面的改进，液压轴承可以在保持甚至低于含油轴承噪音水平的同时达到双滚珠轴承的转速、工作温度与寿命。通常产品寿命可达50000小时以上。来福轴承：英文原名Rifle Bearing，系著名散热器设计制造厂家Cooler Master-酷冷至尊的专利产品，也是在传统含油轴承基础之上改进而成。来福轴承在轴芯表面增加了反向螺旋型的导油槽，旋转过程中令润滑油反向回流，减少损耗，并在底部设置储油槽，增加储油量，避免含油流失。改进后寿命较含油轴承有大幅提升，但成本仅小量增加，是延长风扇寿命的经济型解决方案。通常产品寿命可达40000小时以上。Hypro轴承：Hypro轴承之名来源于HY（Hydrodynamic wave，流体力学波）PRO（Oil protection system，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，同是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。 Hypro轴承所进行的改进包括：1.减小轴芯与轴套间的接触面积；2.增加了储油槽与循环油路系统；3.采用硬度更高的新型合金作为轴承材料。Hypro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。磁悬浮轴承：磁悬浮技术并非某种产品的独门绝技，各家的产品中都会有所涉及，例如前述之AVC液压轴承等。日本著名的风扇设计制造企业YEN SUN的AEROMAG系列直流风扇即为将磁悬浮技术与单滚珠轴承配合的典型代表。磁悬浮+滚珠轴承可较含油+滚珠轴承具有更少的摩擦，更低的噪音，及更长的寿命。台湾著名风扇、电机设计制造企业SUNON-建准集团则是第一个完全以磁悬浮命名风扇产品或轴承的。SUNON的Maglev（Magnetic Levitation，磁悬浮）电机在传统直流无刷电机的电路版与定子之间增加了一层“磁悬浮板”，利用转子磁环磁场对磁悬浮板的吸附作用，将磁环固定在稳定的圆形轨道之上，将轴芯压紧在顶芯盖之内，几乎不与轴套发生摩擦，从根本上减少轴承磨损的“机会”。“磁悬浮板”的作用只能减少轴承磨损的机会，但轴芯仍然需要某种方式的支持才能安装于轴套之内。SUNON的第一代Maglev风扇采用了与YEN SUN的AEROMAG系列类似的磁悬浮+滚珠轴承方式，而第二代产品则采用了VAPO轴承。VAPO轴承，又名气化轴承，同样为含油轴承改进而来。所进行的改进包括：1.轴芯表面及轴套内表面采用经特殊加工处理的材料，加强轴承表面硬度，使其更加耐磨、耐高温。2.导入磁浮设计，令转子运行于固定轨道之上，减少晃动、摩擦。3.省去了垫圈，油封等零件，使润滑油挥发所产生的气体可顺利排出，避免在内部凝结造成淤塞，气化轴承也正因此而得名。由上述特点可以看出：VAPO轴承是结合了磁悬浮设计，在含油轴承基础上略加强化与简化的产物，并非独立技术，仍应归入磁悬浮轴承之列。润滑油挥发后无法回流，油量仍然会随使用时间增加而减少，且受磁悬浮板制造工艺限制，在驱动大口径扇叶高速旋转时摩擦仍然较多，故而不适合采用在“暴力型”风扇之中。各种采用磁悬浮轴承技术的风扇由于工艺相对复杂，价格通常较高。通常产品寿命可达50000小时以上。精密陶瓷轴承：精密陶瓷轴承堪称从制造材质方面对轴承进行改进的杰作。采用陶瓷材料粉末精密加工而成的轴芯，得益于精密陶瓷材料高强度、高硬度、耐高温的特点，大幅延长轴承使用寿命。精密陶瓷轴承在各种小型电机中得到广泛应用，典型代表有直流风扇、小型水泵、光存储设备主轴电机等。 Foxconn-富士康采用纳米技术，将精密陶瓷轴承的品质进一步提高。轴承核心全面采用纳米级的氧化锆粉，晶体颗粒由过去的60um下降到了0.3um。和以往精密陶瓷轴承材料相比，纳米级氧化锆粉拥有更高强度、硬度，耐高温能力也可达传统材料的数倍。同时，富士康为其采用纳米陶瓷轴承（NANO Ceramic Bearing）产品的内部，注入了昂贵的，具有极低挥发性，及优秀润滑能力的纳米级粒子润滑剂，进一步减少摩擦，延长寿命。采用纳米陶瓷轴承的风扇产品通常寿命甚至超过双滚珠轴承风扇，达到80000100000小时。取得性能提升、噪音下降、寿命延长等成果的同时，纳米陶瓷轴承的结构与传统油封轴承并无太大区别，制造工艺简单，但由于材料成本较高，最终价格偏高。以上几种风扇轴承技术的特点可总结为下表：由上文的介绍可以看出，轴承技术对风扇的性能、噪音、寿命起着重要的决定性作用，实际选购风扇时必须加以注意。通常可根据性能、噪音、寿命以及价格四方面要求综合考虑：1.性能不高，噪音小，价格低，含油轴承是唯一的选择，但寿命较短，使用一段时间后噪音可能会逐渐增大，需做好维护或更换的心理准备。2.性能强悍，寿命长，价格不高，滚珠轴承是不二之选，但需忍受其工作时产生的较大噪音。3.性能与噪音都没有特殊要求，但希望寿命长，价格不高，来福、Hypro轴承等含油轴承的改进型均是值得考虑的选择。4.性能好，噪音低，寿命长，如此便不能对价格提出进一步的要求了，只要资金充足，液压、精密陶瓷等特色轴承技术都可列入选择范围之内。5.对静音与寿命要求极高，磁悬浮轴承是仅有的选择，只是性能不佳，价格过高。有了稳定的电机和优质的轴承作为基础，要想令风扇高效的工作，发挥出强劲的性能，优秀的扇叶与外框设计便成为了关键。扇叶：常见的风扇扇叶截面曲线，一般基于Joukowski（茹科夫斯基，俄国著名的空气动力学家，当代航空科学的开拓者，提出了茹科夫斯基函数，奠定了机翼空气动力计算的理论基础）机翼截面曲线设计，再按照设计需要，根据叶片根部及端部与旋转轴之夹角、根部及端部宽度等数据进行旋转堆叠，形成三维扇叶曲面，并进行曲线拟合，最终完成整个扇叶模型设计。扇叶的性能受到众多参数的影响，如层叠高度、叶片曲率、叶片倾角、叶片间距、叶片厚度、叶片数目、叶片冲角、叶端间隙、叶片宽度、主轴直径等等，且各参数间互相制约，关系复杂。不断的调整各项参数，寻找最适合目标工作要求的组合，便是进行扇叶设计的研究人员所从事的工作。若要将这些参数全部解释清楚并加以分析，足以写出几篇博士论文了，但本文只是浅要分析风冷散热器的相关技术，实无此必要，笔者也尚无此能力-_-。因此，仅将几个用户较为关注的参数略加介绍：叶片曲率：在一定范围内，叶片曲率越大，相同转速下，气体动能也就越大，即风量与风压越大；同时，叶片所受的阻力也越大，要求电机的扭力更大。当弧高/弦长的比值超过0.1时，升力系数便不再呈线性增加，故“一定范围”即0.05弧高/弦长0.1。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；但上表面压力过大，可能产生回流现象，反而降低风扇性能。因此，叶片倾角也应在一定限度内提升。叶片间距：叶片间的距离过小，会导致气流扰动，增加叶片表面的摩擦，降低风扇效率；叶片间的距离过大，则会导致压力损失增大，风压不足。叶片数目：各种规格风扇叶片的截面曲线、倾角等基本相若，每片叶片宽度往往取决于扇叶的高度。为了保证叶片间距不致过大，影响风压，径高比较小（即相对较薄）的风扇多采用增加叶片数目的方法弥补。不论叶片数目是多是少，轴流风扇的叶片数目却往往是3、7、11等奇数，这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，又没有调整好平衡，很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂，因此多设计为关于轴心不对称的奇数片扇叶设计。这一原则普遍应用于包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。叶端间隙：如何调整扇叶与外框之间所存在的间隙是风扇设计中的一大难题。间隙过小会令此间气流与叶片、外框发生摩擦，增大噪音；增大间隙则会由于反激气流等影响耳降低风扇效率间隙增大1，则全压功率下降约2。叶片弧度：扇叶除了在截面上具有一定曲率外，在俯视平面内也并非沿着径向笔直延伸，而是向着旋转方向略有弯曲，呈一定弧度。如果叶片沿径向笔直延伸，风扇旋转所带动的气流在出风口一侧将呈散射状，送风距离短，且“力量”不集中；如现行产品版略带弧度，则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一定无气流通过的盲区，主轴直径便决定着此盲区的大小。主轴直径的大小则主要取决于风扇电机的功率大功率的电机需要更大的定子绕组线圈，必然占用更多的空间，在无法纵向扩展（增加高度）的情况下，便只好横向扩展（增大面积）。叶片光滑度：这是一项非设计因素影响的指标，基本上取决于生产者的模具成形与后期处理工艺。在设计曲线之外，叶片上的不平整会在旋转中产生紊流，增加摩擦，降低风扇效率，折损风扇性能，增大工作噪音。因此，应对叶片表面的光滑度严格控制，如果所购产品处理不佳，则应考率采用手工打磨等后续手段弥补。虽然风扇的扇叶截面曲线多源于同一基础，所能进行的各种调整也都被限制在了一定范围之内，但还是有一些厂家作出了较大的改进，提出了很有特色