超静音型电脑风扇散热器的机械设计.doc

超静音型电脑风扇散热器的机械设计1.1 本课题来源进入18世纪是科技快速发展的时代，很多新生事物接踵而来。尤其电子计算机的诞生，让科技突飞猛进，很多疑难问题，经过计算机都能轻易解决。需要人工大量运算的问题，经计算机几秒钟就能搞定。时代在进步，计算机也不仅仅应用在当初科学计算等专业领域了。由于计算机制造在进步，速度越来越快，体积越来越小，价格越来越便宜，让计算机也走进了我们的日常生活中，走进了千家万户，走进了各行各界，计算机已经无所不在了。计算机的性能也是今非昔比，单核心处理器由最初每秒计算五千次，到现在每秒二十亿（主频2.0Ghz）次以上。但速度的提高确是以功耗增加和发热量增大为代价的，为了让电脑硬件不至于因高温罢工，必然要加大散热风扇和中塔式散热片，与此同时噪声增加得也非常大。图1 占据着主板大半壁江山的高档中塔式CPU散热器 1.2 本课题意义和作用 人们感到畅快的同时，噪声问题越来越让人感到厌烦，因此拥有一台极致静音的电脑一直是DIY玩家的梦想。虽然国家已经出了电脑噪音标准，个人电脑不得高于55分贝，网吧电脑不得高于45分贝，但这个标准在夜深人静时还是让人心烦的。而且非品牌机，个人自己组装电脑很多达不到标准。不少DIY玩家想方设法减低噪音，如为消除转速高达每秒7200转的硬盘噪音，采取悬挂硬盘的方式，为了消灭风扇噪音，不惜重金买水冷装置，但还有问题，水冷装置的水箱散热还是需要风扇的，而且整套水冷近千元的价格也不是普通的人愿意接受的，短时间内风冷的地位还是无可动摇的。因此设计出一种静音型带风扇的散热器非常实用。本文针对通常的散热风扇噪音大的问题，面向用户和环保的要求，来设计可以大幅降低风扇噪音的机械结构。从扇叶角度和曲率的选择，转速的选择，轴承和电机的设计，以及风量和风压的校核，多个风扇之间的匹配问题进行了详细设计。给电脑前的人们创造安静的环境。1.3 目前国内厂商静音版散热器风扇的静音情况在本次设计之初，预先调查研究了国内几个知名电脑散热配件厂商的设计和制造现状。查阅了国内四大主力厂商，九州风神、超频三、酷冷至尊和Tt的相关信息。由于静音的概念很早就已经提出了，所以各大厂商纷纷推出了自己的静音版散热器，每个厂商都有了自己的一整套技术。很多方式和技术的相似性，形成了一种趋势，已经掌握了静音的基本规律，例如，优化风叶的各种角度和曲线。以大直径低转速风扇取代小直径高转速风扇。使用新型电机轴承，以滚珠轴承取代含油轴承，液态轴承取代滚珠轴承，还有更好的磁悬浮轴承及精密陶瓷轴承。扇叶数目也广泛采用了单数。扇叶形状也基本形成了几大种：蝉翼形、小翼形、镰刀形、蝠翼形等几种。各有各的优级点。各个静音版散热器如雨后春笋般出现在市面上。很多标称静音值达到了20分贝以下。图2 超频三的可拆卸蝉翼形风叶（引自百度图片）1.4 本课题研究的内容这些大厂虽然产品静音效果十分显著，但其中还存在一些问题，很多静音版风扇，由于设计花费时间长，制造技术要求也比较高，选材也要精选，因此往往价格很高，用户需花很多钱购买，本次课题，从大众角度出发，站在普通用户角度，来设计一种即节约成本，又能达到静音效果的大众化风扇散热器。论文总体包含以下内容：（1）对大众化机箱结构分析，确定机箱风道走向，估算散热器可制造的体积范围。设计面积尽量大的散热片。（2）分析中央处理器的发热量，散热环境情况，计算所需风量。（3）根据散热片所需风量来设计风扇，确定使用材料。（4）根据转速和允许噪音值合理选择和设计轴承。（5）根据风扇参数选择电机类型，计算电机铁芯大小、线圈匝数及漆包线截面积。确定线圈缠绕方式，优化电机体积。（6）与机箱其它位置风扇配套。2 风扇扇叶的设计2.1 确定民众化的处理器发热量2.1.1 确定分析对象本次避开了高端的发烧级别的处理器，如英特尔二代酷睿（Core）i7、AMD八核推土机这类号称变态类的处理器，发烧级玩家通常要配备更大号的机箱和更大体积散热器，甚至加水冷，不是民众化的，而本课题研究的是大众化的处理器的散热器。同时也避开了过于老旧的处理器，课题针对LGA775针脚及以上、1156针脚及以下等针脚的英特尔和AMD处理器散热器的设计（注：针脚指电脑处理器接口针脚的数目类别，不同针脚处理器要搭配不同的电脑主板）。采样了多种型号处理器的热功耗（详见附录1）。图3 LGA775针脚处理器背面的针脚触点（引自百度图片）2.1.2 分析处理器发热量在官方网站上查阅处理器厂商的技术资料，找到各个处理器的厂商标定电功耗值。双核到四核CPU通常在60瓦到125瓦之间。分析处理器发热的来源。分析处理器消耗的电能转换成了哪些能量，根据热力学第一定律即能量守恒定律（能量即不能凭空产生，也不能凭空消失，只能由一种形式能转换成另一种形式能），处理器工作中整体没有运动，所以转换成机械能的部分为零；同理重力势能等各种势能也没有产生；处理器工作中有电磁辐射，所以有微弱电能转换成了电磁辐射能，但太微弱了基本可忽略不计；还有微弱的不足1%电能转换成了数字信号能；而剩下的99%都变成了热能。所以处理器的发热量大致等于它的功耗。2.2 分析机箱内部环境温度。2.2.1 分析电脑机箱其它硬件发热量显卡：机箱中另一个发热大户就要数独立显卡了，中低端显卡甚至就要比处理器发热量还要大。显卡是实足的电老虎（像Nvidia GeForce GTX590高达365瓦 ），但大众化显卡通常不会超过120瓦。主板：带有集成显卡的主板功耗通常在35瓦以下，不带集成显卡的主板功耗通常在20瓦以下。硬盘：目前台式电脑，主流硬盘还是3.5英寸直径、7200转每分钟的，采用液态轴承的机械式硬盘，单碟封装的在8瓦左右，双碟封装的在9瓦左右。内存：通常在3瓦左右。电源：由于电源出风口也是机箱的一个出风口，所以不计入机箱内部产热的一部分。根据能量守恒定律，任何电器只要没对外做功，它所消耗的电能最终都要转换成热能。所以硬件电功耗大致就等于它的发热量，整个机箱内部不计处理器其发热量大致为150瓦。（我们假想的都是电脑在80%以上负荷工作）。2.2.2 分析机箱自身钢板的有效散热面积通常的机箱有四个面能够通过热辐射方式向外散热。一个机箱有六个面，下面紧贴地面的一面由于挨着地面，热辐射能力很差，而且热空气向上流动，所以底面基本不散热；机箱前面板最外面通常都是塑料制成的，热传导率很低，也可视为不散热，就只剩下了四个面能向外辐射热量。如果机箱做工不是很差，用来制作机箱的钢板厚度在0.5毫米左右。目前机箱架构主要有三个标准，ATX架构，就是我们通常使用的机箱；BTX架构，是以后要流行的，对ATX架构做了优化；和迷你小机箱的ITX架构。我们研究的是最广泛的ATX机箱。正对着箱前面板观察尺寸大致为长0.18m,宽0.4m,高0.4m。由于热空气上升，上表面散热较多需单独计算。两侧面板的面积为： S（两侧板）=0.4（宽）0.4（高）2（两个侧板）=0.32后面板面积为： S（后面板）=0.18（长）0.4（高）=0.072两侧板和后面板总面积为： S（侧+后）=S（两侧板）+ S（后面板）=0.32+0.072=0.392上面板面积为： S（上面板）=0.18（长）0.4（宽）=0.0722.2.3 分析机箱自身钢板的被动散热能力查找常用材料热导率表，分别找到钢板和空气的热导率。得到：钢板的热导率为：58.6-41.9瓦每米每开尔文（W/mK），取中间值50。空气的热导率为：0.0244 W/mK(注：指的是标准环境下，即摄氏25，相对湿度60%)。由于空气的热导率远远小于钢板的热导率，所以计算机箱表皮所能向周围空气散发的热量值，我们只计算空气所能吸走的热量值。计算机箱内外温差每增加一度时，机箱每分钟所能自发向外散热的热量的值。计算热传导量的基本公式为：Q=入（T1-T2）tA/Q是传导的热量，单位为焦耳（J）；入是材料的热导率，与比热容成反比，单位为：瓦每米每开尔文（W/mK）,由于开氏温度和摄氏温度单位代表的温差值相等，所以K可以用代替；是两者之间距离，单位为米（m）；T1、T2是温度差值，单位为摄氏度（）；t是传导时间，单位为秒（s）；A是传导表面积单位为平方米（）。所以机箱表面在单位温差下每分钟对空气的散热值为：两侧面板加后面板：Q（侧+后）= 空气热导率 单位温差60秒S（侧+后）/1（空气距离可看作单位距离） =0.02441600.392/1 =0.573888JQ（上面板）=空气热导率 单位温差60秒S（上面板）/1（空气距离可看作单位距离） =0.02441600.072/1 =0.105408J2.2.4 计算机箱内每分钟的总发热量由于任何电器只要没对外做功，消耗的电能最终都要转化为内能，即热量。计算硬件总电功率为：P（总）=P（处理器）+P（独显）+P（主板）+P（内存）+P（硬盘） 125+120+20+3+9 277W取整280瓦。注：以上均按最大峰值耗电计算。因为实际中电脑使用率多少对耗电影响非常大，很难估算。计算每分钟消耗的电能：根据公式W=Pt=P(总) 60s=28060=16800J即每分钟产生16800焦耳的热量。2.2.5 分析机箱内部风道如图4所示，是一个典型的机箱内部风道图：图4 机箱内部风道图（引自百度图片）由图可知，机箱内部散热风道走向如下：进风口一共有A和B两个口，分别在机箱底板的最前面和左侧侧板上；出风口有三处，分别为C、D、E，C为电源的散热出风口，D为机箱自身风扇的出风口，E为显卡自带的风扇的出风口。所以散热风道的总体走向为：由底板的A口和侧板的B口吸入外部温度较低的冷空气，经过风扇由C、D、E三个口排出热空气。2.2.6 分析机箱内部工作温度分析各个出风口的排风量。其中C出口为电源自带的风扇的出风口，因此我们要分析的是电源风扇的风量。现在主流电源都为了静音，采用下置直径12cm和14cm大风扇，而一般中端电源大多采用的是12cm的风扇。电源在低功率输出时，转速较低，而当电源输出功率增大时，风扇调速电路会自动将转速增加一个档位。本课题取电源70%负载下的风扇运转情况作为研究对象。并且以鑫谷牌电源的，劲持450黄金版电源的的风扇作为参照来研究。鑫谷劲持450黄金版电源，额定输出功率为350瓦，最大输出功率为450瓦，散热风扇采用底部下压式，直径12cm大风扇。图5 底部下压大风扇式电源这个风扇额定转速500转每分钟，风量为0.8m3/min，也就是说每分钟可以把0.8立方米的热空气由机箱排出。再看显卡散热风扇的出风口，通常带风扇的显卡散热器有前后两个出风口，其中前面风口直接通向机箱外面，即图4中的E出口。我们来分析这个出风口每分钟能排出多少热空气。本课题以代号为Nvidia FeForce GTS450显卡为研究对象，这个代号显卡是可以胜任大多数主流游戏的显卡的代表。这个代号显卡多数厂商采用下压风扇，配铝片加双热管作为散热器，有前后两个出风口。风扇采用的是8cm直径的小翼形风扇，正常温升情况下，转速为1500R/min.风量为0.6m3/min，所以每个风口每分钟要排出0.3立方米的热空气。一般情况下机箱尾部还要额外加装一个8到10厘米直径的风扇，作为对机箱内部的辅助散热，这个风扇的出风口即图4中的D口。市面上主流的静音版8cm的风扇，大多转速不超过1000R/min，风量一般不会超过0.4立方米每分钟。所以机箱每分钟往外排出的热空气体积v（排）大约为： V(排)=v(电源)+v(显卡)+v(箱尾) =0.8+0.3+0.4 =1.5 m3再来计算机箱内温升情况。所谓的温升指的是工作部件的温度比外界环境温度升高的数值。前面已经计算出机箱每分钟要产生16800J的热量。计算温升的方法就是让产热与散热达到平衡，这时候内外温度差值为多少时，才能达到这样的平衡。由于前面已经算出了机箱每分钟自发能够向外散发的热量为：Q（侧+后）=0.573888JQ（上面板）=0.105408J 由此可见机箱自发散热相当微弱，可以忽略这部分，只计算风扇带走的部分。机箱内硬件每分钟要产生16800J的热量，风扇每分钟排出2.8立方米空气，也就是说每分钟排出的2.8立方米空气要包含16800J的热量，由此可算得温升。查表得常态下：空气的比热容为：1.005kJ（kg）。空气的密度为1.29kg/ m3计算排出空气质量： M（排）=1.5 m31.29kg/ m3=1.935kg计算温升： Q=Cmtt=Q/ Cm=16800/1000/(1.0051.935)=8.6389768.7所以温升为8.7。假设夏天外面温度为30，则机箱内部温度为： t(内)=t(外)+ t =30+8.7 =38.7所以夏天机箱内环境温度大约为39。2.3 设计风叶2.3.1 分析CPU散热器风扇所需风量查找CPU资料，得到CPU最高工作温度。通常CPU超过65就有可能发生因CPU过热而导致电脑死机或自动重启。所以本课题以65度为最高上限。所以CPU允许温升为：t2=t(最高)-t(内) =65-39=26所以最高温升允许为21。由于处理器通常情况下并不能满载工作，日常情况下，双核处理器使用率只有30%上下，所谓的处理器性能过剩，而且算风量是按照高端处理器算的，所以本课题没有对允许温升进行留余量。课题按照普通民众能够用到的比较高端的处理器的发热量为计算对象。我们采取的对象为附录1中的AMD FX推土机系列处理器，最中最高功耗的一个型号为125瓦。计算出其满载时的每分钟发热量Q（处理器）为：W=Pt,即：Q= Pt Q（处理器）=P（处理器）60 =12560 =7500J即每分钟要由空气带走7500J的热量。计算所需空气质量： Q=Cmt m=Q/(Ct) =7500/1000/(1.00526) =0.2870264kg 0.29 kg计算空气体积：V=m/1.29 kg/ m3 =0.29/1.290.22 m3 本课题考虑到实际情况很复杂，风扇的风不会全部能够吹到散热片上，并且吹到散热片上的空气不会全部能够有效地带走热量，所以最后整定的风量为理论上的1.6倍，由于风扇供电电路模块有自动调速能力，所以非满载情况下并不会因为整定的风量过大而增加不必要的噪音。因此最后得到风量为：0.35 m3/min2.3.2 初步预制风叶整体设计原则影响风扇噪音大小最大的因素最要数转速的高低了，转速的大小几乎起决定性的因素，因此设计时就要尽量使风扇的转速减低。减低转速的方法可以增加风叶的叶片曲率，增加叶片倾角，尽量加大风叶，但风叶加大了，就会占用圆周上的过多空间，使中心电机的一周360度能够排列的风叶个数减少。目前市面上主流风扇大多为七叶和九叶等，我们可以根据实际情况在保证风力稳定的情况下略减一到两片，同时再尽量加大些叶片弧度，使风扇吹出来的风，不至于过多地散射，使其能够尽量集中地吹到正前方，增加风压，减少风量的损失，使风扇电机功率能更有效地转化为能够利用的风。并且课题设计的风扇纵向厚度采用目前广泛使用的厚度2.5厘米标准，增加互换性。2.3.3 用AutoCAD2006绘制风扇粗略模拟草图。图6 风叶粗略模拟草图下面图7是风扇风叶放到扇框中的粗略模拟草图图7 风扇整体模拟草图2.3.4 设计风叶曲率叶片曲率指的是将叶片以铁饼方式横放在桌面，贴着桌面看去，横向卷曲程度。如图8所示UG模拟设计图。图8 叶片曲率（图中圈圈部分）风叶曲率越大，推动空气流动的力量越强大，但如果曲率过大，会造成叶片下的空气过于集中在每片叶片下面一小片区域，会使气流扰动加大，也会造成风叶转动阻力急剧加大，降低单位电功率产生的风动力效率，因此必须在合理范围内选择。所谓的曲率指的是半径的倒数，当半径为1m时，曲率为1。根据风扇对空气的拢风特性，只要叶片稍微有一点弯曲，就可以大幅度改善风叶聚拢空气的能力，所以课题选择风扇叶片曲率为5，即叶片的卷曲的延长圆的直径为40厘米。这个曲率即能保证风叶有较好的集风能力，又能很大程度上减轻风的脉动，保证送风的平稳。2.3.5 设计风叶倾角和风叶曲率一样，风叶倾角对风扇的送风能力影响很大。风叶倾角越大，每个叶片一次能够吹出的空气越多。但是也不能过大，也要在合理范围内。如图9图9 叶片倾角如果叶片倾角过大，甚至大于45度，势必会引起风力的横向，即Y方向的窜动，干扰正常的风向，引起自干扰，同时增加轴承所需的扭转力矩。而且风叶倾角过大，会使风叶上下表面的压强差相差很大，很有可能造成空气的回流现象，由于气流的相互搅动，使风噪增加，并且引发空气由于自身的摩擦，发热增加，降低总体效率。因此此角最大不能大于45度。但也不能选择临界值45度，如果选择45度，还不可避免地产生较多的横向气流扰动。实际运用中，要综合各种因素进行设计，选择最合适的叶片倾角。那么本课题到底怎么选择才是最合适的呢？本课题的原则是尽量降低风扇转数，但为了保证风量足够，就要加大每一转的送风量，于是要尽量加大叶片倾角，于是叶片倾角选择40度。配合较大的叶片曲率，就能够保证最大幅度加大每一转的送风量，最大幅度降低风扇的转数。2.3.6 设计风叶间距，确定风叶个数风叶间距与风叶个数之间存在很大的关联，但除此之外电机直径大小也会影响这两者，通常的10cm的风扇，电机直径大约不32毫米，本课题先初步假计使用35毫米电机，以后可以根据需要对参数进行修正。计算直径35毫米的周长数值： 周长L=直径圆周率 =353.14 =109.9取整数110毫米。由于我们选择了较大的风叶曲率和较大的风叶倾角，因此风叶体积和面积也相对较大，风叶截面的顶端长度达到了32毫米，最底端也达到了25毫米，而我们选择了风叶倾角为40度，可以计算出风叶底端在电机圆周上占用的长度。图10 叶片倾角占用圆周长计算每个风叶底端占用的电机圆周长度： 占用圆周长度=风叶底部截面长度叶片倾角a =25cos40 =19.15取整数为19毫米。而电机的圆周长为110毫米，而每个风叶的最前端和最后端不能有重叠的部分，因为也没有必要两个风叶有生叠的部分，即增加风扇整体的重量，也浪费材料，同时由于风叶重量的增加，会使电机功率加大，一是浪费电能，二来加大电机功率，势必要加大电机中铁芯和绕组的体积，使中轴电机直径增大，使风扇中心很大一部分为风力盲区，降低单位面积风扇的有效风量。因此每两个风叶之间最好有几毫米的空隙。而上文计算得到每个风叶的最底部截面长度为19毫米，电机圆周长为110毫米，因此可以通过电机圆周长除以风叶底部长度，然后商取整数确定风叶个数。计算如下：电机圆周长除以风叶底部长度/每个风叶的最底部截面长度=110/19=5 余数为15，即风叶数目为5，空隙总量为15毫米。再来计算风相邻风叶的空隙距离：相邻风叶空隙距离=空隙总量/风叶个数 =15/5 =3即相邻两个风叶之间有3毫米空隙，非常合适。然后还要计算叶片间距： 叶片间距=电机圆周长/风叶个数 =110/5 =22即风叶间距为22毫米。2.3.7 风叶间距和个数的校核通过分析，叶片间距22毫米理论上是相当合适的，和叶片倾角和叶片曲率一样，叶片间距对风扇性能也有重要影响。比较小的风叶间距可以大幅度降低风的扰动，使风力非常平稳地吹向散热片。也降低了风噪。风叶个数的校核：通常无论是风扇还是飞机的螺旋桨等，叶片的数目大多奇数，而不采用对称的偶数，这是因为，如果采用偶数个数，而风叶总体设计和制造中，存在一些缺陷，使风叶总体对称和平衡性达不到最佳，往往造成运行中，由于不平衡导致噪声和震动大大增加，甚至发生共振。共振的危害是极大的，不止加大噪音，还具有破坏性。如果轴心的电机和轴承长时间处于共振，很可能造成轴的疲劳而突然断裂。因此为避免不必要的麻烦，风叶个数多采用不对称的奇数形式，本课题设计了拥有五片叶片的叶片个数，也恰恰符合了这一项要求。所以风叶间距和风叶个数目前都符合要求。2.3.8 设计叶端间距叶端间隙指的是俯视风扇的圆盘面，风叶最外缘与边框的间距，如图11：图11 叶端间距叶端间距可能很多人对它对风扇的总体影响到底有多大，恐怕并不知道，其实叶端间距对风扇性能的影响也是很大的。也是风扇设计中的大难题。叶端间距过大会造成气体的回流，降低效率，同时使有限的扇框的利用率降低。但如果叶端间距过大，则会使气流与风扇外框间的摩擦加大，造成功率的浪费，也会使发热增加，风噪增加。通常传统的风叶都是风叶最前端与最尾端与扇框距离保持一致，于是课题改变传统形式，让最尾端的叶端间距与最前端的叶端间距略大一点。让最前端与扇框保持2毫米的叶端间距，而最尾端与扇框保持4毫米叶端间距，使效率与噪音达到双平衡。如图12：图12 叶端间距风叶最尾端比最前端略大2.3.9 设计风叶弧度拿来一只风扇，如果从上面俯视看去，会发现叶片并不是由轴心直线向外延伸出去的，而是带有一定的弧线。如图13： 图13 叶片弧度如果叶片没有弧度，而是笔直地向外延伸出去，这样风扇转动时，吹出的风就会发散着向外吹出，风力不集中，降低风扇的有效风力。如果使风叶带上一定的弧度向外延伸出去，这样风叶吹出的风就会由于风叶的弧度的影响，在出叶片时，被叶片的弧形曲线聚拢一下，使风力集中，增加风压。但是风叶弧度也不可过大，过大了会使叶片的面积增大，也会使流动的空气产生横向的搅动，产生紊流，降低效率，增加风噪。因此也要在合理范围内选取。本课题选取了曲率半径为100mm。本课题根据了初步设计的叶片延伸的曲率，计算了弧度。根据弧度的定义：弧长等于半径的弧，其所对的圆心角等于一弧度。所以可以看出弧度与所在圆的半径没有关系。而所谓多少弧度指的就是其所对的圆心角的角度。因本课题将要设计的风扇尺寸为90mm，内径的尺寸为86mm,所以内框半径为43mm,而所设计的电机直径为35mm,叶端间距最前端为2mm,最尾端为4mm。所以平均叶端间距为： 平均叶端间距=（最前端叶端间距+最尾端叶端间距）/2 =（2+4）/2 =6/2 =3mm即平均叶端间距为3mm。然后来计算弧度。弧度=弧长/半径弧长=风扇内框直径/2-电机直径/2-平均叶端间距 =90/2-35/2-3 =45-17.5-3 =24.5mm本课题已经选取曲率半径为100mm,因此计算弧度为：弧度=24.5/100 =0.245即设计的叶片弧度为0.245弧度。2.3.10 设计风叶的轴心高度本课题的轴心高度指套在电机上的电机壳的纵向厚度。如图14： 图14 轴心高度 轴心的高度和叶片的大小与风扇的整体纵向尺寸密切相关，我们将要设计的风扇的纵向尺寸为25mm，假设电机底座高度为3毫米，风叶电机壳距离风电机底座也是3毫米，然后风扇最顶部距离风扇边框为1毫米，可以算得轴心高度为18毫米。但由于本课题中要设计的风扇的叶片尺寸较大，所以要把叶片上的电机壳做成中间凸起的形状，即可有足够大的表面积安置风叶，又可以增加艺术美感。如图15为设计后的预想图。看起来很像飞机的螺旋桨。图15 风扇预想图2.3.11 计算风叶最大外径根据前面已经求得的参数，可以轻松算得风叶的最大半径： 最大半径=扇框内半径-最前端叶端间距 =43-2 =41mm所以风叶最大半径为41毫米。2.3.12 整理设计参数，绘制图样综上所述，本课题初步设计出了能够很大程度上减少噪音的风叶结构，其各项参数如表1：表1 风叶设计参数表格参数名称数值风扇叶片曲率5叶片倾角40度风叶最大外径41毫米风叶间距22毫米风叶数目5个叶端最小间距2毫米风叶弧度0.245风叶的轴心高度18毫米风叶最大半径41毫米风叶平均半径40毫米风叶截面最顶端长度32毫米风叶截面最底端长度25毫米根据整理得到的参数，绘制风叶图样：图16 风叶图样3 计算风扇所需转速3.1 计算风扇每转的理论风量3.1.1 计算每片风叶的空间容量计算每片风叶的有效空间容量：风叶长度=风叶平均半径-电机直径/2 =40-35/2 =22.5mm 根据图17所示计算每个风叶的空间容量：图17 风叶空间容量示意图风叶平均截面长度=（风叶截面最顶端长度+风叶截面最底端长度）/2 =（32+25）/2 =57/2 =28.5mm设计的叶片倾角=40；三角形面积S=底高/2。风叶空间容量=(XY)/2风叶长度 =（28.5sin40）（28.5cos40）/222.5 =（18.3221.83）/222.5 =399.9256/222.5 =199.962822.5 =4499.163mm3 4500 mm34500 mm3 =4.5cm3(立方厘米)所以每片风叶的空间容量为4.5立方厘米。3.1.2 计算风扇每一转的理论风量虽然直观上每一转的风量是等于每一片的风叶的空间容量乘以风叶的个数，但实际上由于每一片的风叶都是连续转动的，所以每片风叶转动一周都会将整个扇框一周的空气吹出风扇出口，风扇转一圈相当于五倍于风扇扇框容量的空气吹出风扇。因为空气不是固态的，具有流动性。由于任何物体都具有惯性，空气也一样具有惯性，而且风扇转动时，在风扇内部会形成一个压力比较小的区域，这样造成了风扇内外的压力差。所以当第一片风叶将空气推出去之后，后面的空气还会由于惯性和压力差的作用继续经过风扇。所以就不能以每片风叶容量乘以风叶个数来计算每一转的风量了。由于风叶是高速旋转的，所以几乎每时每刻经过的风量是相等的，所以每一转的排出的空气量就大致等于风扇扇框的空间大小乘以风叶片数。但还有不能忽略的两个问题就是：一是风扇轴心部分是电机，这部分没有空气流通，所以计算空间时，还要将电机部分所占用的空间去掉。二是风叶的高度差并不等于风扇扇框的高度，而是比扇框高度要小，课题前面已经计算出来风叶的高度为：风叶高度差=风叶平均截面长度sin叶片倾角 =28.5sin40 =18.32mm 18.32mm=0.01832m。然后来计算电机所占用的柱形体积：图18 电机占用的中心空间计算的电机所占空间如下： 电机体积v=3.14R2风叶高度差 =3.14（35/210-3）20.01832 =3.14（1.7510-2）20.01832 =1.76169710-5m3 1.7610-5m3立方米课题所设计的风扇扇框为正方形，边长为9厘米，内框为圆形，扇框最薄的地方厚度为2.5毫米，计算扇框内径大小：内径=扇框边长-扇框厚度2 =910-2.52 =85mm85mm=0.085m计算扇叶所占用的环形柱形空间： 扇叶环形柱形空间=内框柱形空间-电机空间 =3.14（0.085/2）20.01832-1.7610-5 = 1.0410-4-1.7610-5 =8.6410-5 m3最后计算风扇每一转的理论风量： 每转理论风量=扇叶环形柱形空间风叶个数 =8.6410-55 =4.3210-4 m33.1.3 对理论风量进行折算在实际中，考虑各种影响理论风量的因素。比如风叶并不是严丝无缝排列在风扇整个圆周上，相邻之间存在空隙，在空隙处可能会产生风叶上下表面间的回流现象；由于风叶附近气压偏低，使实际进入风叶的空气量不足；扇叶周围存在空气扰动，对空气流通产生阻力；还有由于风叶附近空气流通特别快，难以避免会在风叶附近存在紊流现象。很多未知因素都会使实际风量低于理论值，所以本课题将理论风量折去百分之二十后作为假定的风量。每转的风量实际计算结果如下：每转风量=理论每转风量（1-20%） =4.3210-480% =3.45610-4m3所以每转风量为：3.45610-4立方米。3.2 计算风扇所需转速3.2.1 计算风扇的理论转速课题前面章节通过计算得出，散热器需要的风量为0.35m3/min。因此我们只需用每分钟总的风量除以风扇每一转的风量就可以得出需要的转速。但计算前还需要进行单位转换：每转风量为3.45610-4立方米。所以风扇的理论转速为： 转速=风量/每转风量 =0.35/（3.45610-4） =1012r/min最后得到结果：风扇理论转速为1012转/分钟。3.2.2 综合分析，得到额定的转速实际运用中，由于风扇的风是往散热片上吹，风的路径并不是畅通无阻的，很多因素都会使有效的风量大打折扣，如果风压不是足够大，很有可能风到达不了散热片最底端，还有主机中各种电源线及电子元气件的阻挡，都会使有效风量降低。都要在理论的基础上另加折算。本课题选择了较大的叶片曲率和叶片倾角，有效地保证了风压，使风不至于吹不到散热器最底端。而本课题设计的风扇，也没有过于使用直过大的风扇，虽然直径再大些，能更有效地降低转速，同时风扇直径过大，虽然风量设计成一样，但风压会降低很多，吹出的风不能够保证到达散热片最底端。所以本课题综合考虑选择了直径九厘米，延续了市面上的九厘米风扇尺寸，没有设计成偏僻的尺寸，使产品具有相当高的互换性，不用重新再购买散热片，直接换风扇就可以。课题理论计算出的每分钟一千转，虽然风量足够，但风压会不够大，为了使风一定能够吹到散热片最底端，课题整定的转速为1500转每分钟。配合电机的温控调速电路，通常不会让其工作在额定转速下，只有当CPU满载和温度过高时才会工作在额定转速下，平时由于有温控调速电路的调节，故转速通常不会很高，所以静音效果是很明显的。综上所述，最后设计额定转速为1500转/分钟。比市面上平均2000转降低了很多。4 轴承和电机部分的设计4.1 选择轴承4.1.1 各种风扇轴承简介目前散热风扇的轴承种类繁多，附录3中列出了目前大多数轴承的参数。含油轴承：目前市面上的十元左右的风扇大多选用的是含油轴承，这种轴承不带有滚珠，轴和轴瓦间依靠油来润滑。这种轴承噪音较小，工作环境要求低，但寿命较短，不超过八千小时，而且噪音会随着使用时间的延长时加大。液态轴承：最昂贵的风扇所使用的轴承就要数现在用在硬盘上的液态轴承了，它以油来代替滚珠，最大幅度地降低了噪音，增加了工作寿命，同时由于采用油作为填充物，所以散热良好，常作为高速轴承，如用于服务器上的每分钟万转甚至一万五千转的高速硬盘都采用的是液态轴承，就连普通个人电脑硬盘，也在十年前采用了液态轴承。液态轴承由于轴承与轴瓦不存在直接接的机械接触，并且有油作为缓冲物，所以抗震能力了相当好。缺点就是价格很高，只有很高端的风扇才会采用液态轴承。滚珠轴承：风扇轴承还有滚珠轴承，并且滚珠轴承还分为双滚珠和单滚珠轴承。滚珠轴承相比含油轴承，采用滚动摩擦来代替滑动摩擦，所以寿命比含油轴承长。但如果由于滚珠的制造精度不够高，噪音会比较大。其中单滚珠轴承作为双滚珠轴承与含油轴承的折衷产物，因价格比双滚珠轴承低，比含油轴承略高，但寿命比含油轴承长，并且噪音一般不会随着使用时间的延长时增加，所以一般很多风扇配的是这种轴承。除此之外还有含油轴承的改进型来福轴承（含油轴承的改进型）、磁悬浮轴承和纳米陶瓷轴承等。4.1.2 选用轴承风扇的寿命往往取决于轴承的寿命。本课题的宗旨是价格低，也要静音，使用寿命也不能过短。而来福轴承比较适合。来福轴承工艺要求较低，所以加工起来比较容易，将加工的成本降了下来。来福轴承是普通含油轴承的改进型，适合转速较低的场合。继承了噪音低的特点，其增加了逆向螺旋形导油槽，寿命大大增加，可以达到四万小时。来福轴承对高转速的适应能力差，而静音版的风扇转速都不能太高，所以很适合本课题的迁用。所以本课题选择来福轴承作本风扇的轴承。4.2 设计电机4.2.1 选择电机类型，确定是否有无功功率台式电脑的CPU散热风扇都是由专门的供电线路供电的，风扇的供电线都是通过特别的插头插到电脑主板上专门的供电插座上的。风扇上的供电导线通常都是三条或四条，并且颜色不一致。 图19 CPU风扇四线供电线路图19中的散热风扇一共有四根导线，分别为黄、黑、绿、蓝。风扇额定电压为直流12伏，黄线为电源正极；黑线为供电的回路即电源负极；绿线为测速线，用来测量风扇转速；蓝线为控速线，用来控制转速。除了拥有四根导线的风扇之外，还有只有三根导线的风扇，如图20：图20 CPU风扇三线供电线路只有三根导线的风扇，省去了控速线，所以一般不能够自动控制转速。风扇噪音大小与转速度有着直接的关系，所以为了避免CPU风扇一直以较高的转速运转，产生不必要的噪音，所以必须对其进行控速，所以供电要选择四线供电。由于CPU供电的电源是电脑主板提供的，已经标准化，额定都是直流12伏，所以风扇电机还是选择直流电机为最佳。如果选择交流电机，就需要在风扇本身上增加逆变电路，设计起来过于复杂，而且风扇底座的面积很有限，只有几平方厘米，没有足够的空间安放较多的电子元件，所以直流永磁体电机是惟一的选择，并且没有无功功率。4.2.2 有刷电机与无刷电机的选择有刷电机都依靠一对电刷接触到转子绕组的顶端滑片上，来为转子绕组线圈供电，在结构是与无刷电机相比，要复杂，体积也比较大，在风扇中轴处有限的空间内，安装起来很困难。并且制造成本也偏高。还有其它原因也不适合使用有刷电机：有刷电机高速旋转时，在电刷与滑片之间存在摩擦，会产生热量，而风扇中轴部分空间又很狭小，不容易散热，时间长了容易造成电机过热。此外，由于转子的滑片并不是连续的，中间存在间隙，所以电刷在两个滑片间有可能发生振动，增加噪音。而无刷电机没有有刷电机那种电刷与转子之间的接触结构，因此转动比较平稳，噪音较小。结构相比有刷电机要简单，定子可以做得比较扁，很容易放在风扇的中轴处。而且可以将转子的永磁体事先安装在转子风叶上，所以电机整体安装也比较方便。因此在散热风扇上无刷电机相比有刷电机有很大的优势。所以本课题选择无刷永磁体电机作为风扇的电机。4.2.3 所需电机功率的计算转动的物体的功率计算公式为： 功率P=2pi扭矩转速/60，在计算功率之前还要求出风叶所受空气阻力的力矩。力矩指的是力的大小与力臂的乘积，单位为：Nm。风叶圆盘面的平均半径为40毫米，即0.04米。电机直径为35毫米，即0.035米，电机半径为直径的一半即0.0175米。风叶受力点与轴心的力臂d即为风叶受力中心点距离轴心的距离，大小为： 风叶力臂d=(风叶平均半径-电机半径)/2 =0.04-0.0175 =0.0225m风叶的力臂为：0.0225米。计算风叶所受阻力为：0.7506N，风扇运行中，不止有风阻，由于轴承的摩擦也会使风叶阻力加大，所以要在空气阻力的基础上增加10%的轴承阻力。所以风叶实际阻力为： 实际阻力=空气阻力（1+10%） =0.75061.1 =0.82566N计算力矩为： 力矩M=阻力阻力臂 =0.825660.0225 0.0186Nm最后计算功率： 电机功率P=2pi力矩转速/60 =23.140.0186（1500/60） =6.280.018625 =2.9202W所以风扇电机的功率应该设计为3瓦。4.2.4 电机漆包线截面积的计算要选择漆包线截面积，首先要计算电流，需要先求得电机消耗的电功率。前面已经计算得到了风扇所需机械功率为3瓦。实际中由于电动机线圈发热等原因，电动机不可能将所有电能转化为机械能，因此要根据效率进行折算得出要消耗的电功率，并且要考虑是否有无功功率。一般电动机满载时效率在80%以上，所以计算电功率时，将所需机械功率除以0.8，结果为：电功率P=所需机械功率/0.8 =3/0.8 =3.75W电机的额定电压为12v,所以电流为： I=P/U =3.75/12 =0.3125A是否有无功功率：由于风扇采用的是直流永磁体电动机，用永磁体提供励磁磁场，因此没有使用定子绕组，也就没有电流来产生励磁磁场，因此不存在无功功率。最后取0.35A为标定电流值。最后选择漆包线截面积：根据低频电流的漆包线截面积计算公式： J=2.5A/mm2计算需要的漆包线截面积： S=I/J =0.35/2.5 =0.14 mm2计算直径： S=piR2 R2=S/pi =0.14/3.14 =0.0446 R=0.211mm整理后的漆包线直径为0.25毫米。4.2.5 电机铁芯的设计本风扇电机的定子永磁体采用两个半环状磁铁组成圆环作为励磁电极，相应地转子铁芯要做成两对电极的形式。如图21为风扇的定子永磁体。图21 两个半圆环永磁铁产生励磁磁场，中间放置转子本电机的转子铁芯需要制造两对磁极，共有四个绕组槽，绕组槽呈T字形，如图22所示：图22 转子铁芯俯视图根据电机的设计尺寸为总直径35毫米，其中外壳2毫米，环形永磁体厚度为2.5毫米，所以铁芯最大直径为： D=35-22-2.52 =26mm但不能取最大直径，所以铁芯直径选择小于26毫米，但也不能过小，过小会使铁芯与永磁体之间的空隙加大，使磁阻加大，影响励磁磁场。所以只留0.5毫米空隙，所以铁芯直径设计为25毫米。4.2.6 选择铁芯材料电机铁芯材料选择的总体原则是：选择软磁材料，选择磁较阻小的，通常用的材料为硅钢片和冷轧钢。以多片钢片叠加在一起组成一大块铁芯，而不是把铁芯做成一个整体。这样更易于制造。本课题设计的风扇电机铁芯采用七片0.6毫米厚的硅钢片作为电机的铁芯。4.2.7 确定风扇各部件的安装方案最终的设计方案是，先将电机的定子永磁体和轴承的轴芯安装在风扇扇叶的中心内壳上，待把电机铁芯和绕组安装到电机底座上后，再把风叶安装到电机中心的轴瓦中。电机和轴承部分的最终示意图如图23和图24所示：图23 电机和轴承示意图图24 电机样图5 散热片的设计5.1 选择散热片样式本课题选择散热片样式需要兼顾以下几方面：一是散热片与风扇需要可拆卸，原装风扇与市面上风扇要具有互换性；二是样式要容易制造，尽量降低制造的成本；三是要在兼顾了以上两项的基础上做到美观。课题由于要使散热器的风扇具有互换性，风扇选择了市面上广泛采用的方形扇框，这就一定程度上制约了散热片样式的设计。市面上有一种花篮式散热片，还像千对翅膀，虽然美观，但需要专门形状的风扇来配合，互换性差。所以课题的风扇已经不能采用这种翅膀式的散热片了。如图25所示：图25 超频三的翅膀式散热片（引自百度图片）而采用传统的铝片式散热片确非常能够兼容课题中设计的风扇。如图26为传统铝片散热片。这种散热片和老式的铸铁暖气片形状差不多，通过一个个向外凸起的金属片来增加散热面积。由于做成了四方形，所以很容易在上面安装各种样式的风扇，自然也兼容本课题采用的长为9cm的正方形边框的风扇。图26 铝片散热片所以本课题选择的是铝片式散热片。5.2 散热片材料的选择目前用于制作CPU散热片的材料主要为铝、铜、嵌铜式铝、和比较昂贵的银。比较低端的散热片以及CPU厂商原装的散热片一般用的都是铝。而高端散热器一般用铜加装热管来组成散热器除风扇以外的部分