omniCOOL:独特的风扇设计方法介绍

作者:Jeff Smoot 是 CUI Inc. 应用工程和运动控制部门副总裁

物联网 (IoT) 和云数据服务的兴起,让包含强大的服务器和存储设备的数据中心站到了电子行业的前沿。众所周知,这类数据中心会产生大量热量。要驱除关键设备产生的热量,第一步工作通常就是使用风扇。

这同样适用于我们所依赖的其他应用。家用电脑、家用电器和工业机械等产品只有维持在指定的温度范围时才能可靠地工作。换句话说,风扇在现代生活中扮演着极为重要的角色。

滑动轴承与滚珠轴承的权衡

轴承是所有风扇的核心组件。这项关键组件使风扇转子能够转动,而且是决定风扇运行寿命的关键,因此正确选择用于冷却应用的风扇轴承,对设计人员和工程师而言非常重要。

传统上,只有滑动轴承式和滚珠轴承式两种风扇可供选择。这两种类型各有所长,但若要选择其一,通常必须进行某种程度的权衡。这就是 CUI 为何会采用新的轴承设计方法来弥补滚珠版与滑动版轴承之间差距的原因。

但是,在我们探讨这种新式风扇设计的原理之前,必须先回顾一下传统的滑动轴承和滚珠轴承类型的优缺点。

了解滑动轴承

位于滑动轴承风扇中央的主轴在“套筒式”圆柱体内旋转,套筒内部涂有一层机油,便于主轴旋转。套筒的作用是维持转子的正确位置,确保其始终与电机定子保持正确的距离(图 1)。在两种传统设计中,滑动轴承具有较高的成本效益,而且耐受冲击和振动的性能更强。但是这种设计有若干缺点。

典型的滑动轴承风扇示意图

图 1:典型的滑动轴承风扇示意图(图片来源:CUI Inc.)

为了将转子晃动降到最低,套筒需要紧贴主轴,但接触面积越大,需要克服的摩擦力也越大,启动风扇需要的时间也越长。这表示需要更多的能量来启动风扇并维持其旋转。

套筒设计的另一个问题是,转子的重量仅由套筒中的主轴支撑。因此,转子旋转时会逐渐磨损轴承内部,并使内孔发生变形。若一直以相同方向使用风扇,套筒的横截面将逐渐变成椭圆状,因而可能使风扇产生更多噪声并使其晃动。

若是风扇需要以不同角度运转,例如应用于便携式设备的风扇,则轴承磨损的问题可能更严重。当重力在不同方向牵引转子质量(视使用角度而定),套筒将会磨损不均,从而增加晃动和噪声问题。

这样的磨损最终会缩短轴承寿命(视您的设计而定),可能还会影响整个风扇装置,甚至于风扇所冷却的产品。

而且,之前提到的维持所有组件旋转所需的润滑剂,通常来自轴承内孔两端的油环和 Mylar 垫圈。这些组件原本用来减少摩擦力,但它们的存在实际会带来摩擦力。此外,这些组件的位置会让旋转摩擦产生的气体更难逃逸。这些气体如果无法排放,将会转变成固态氮化物颗粒并堵塞轴承,阻碍其旋转并缩短其使用寿命。

滚珠轴承基础知识

使用滚珠轴承的风扇(图 2)通常在主轴周围使用两圈小型钢珠,其中一圈较另一圈更靠近转子。使用一个弹簧圈压住两圈钢珠并使其分开。这种设置有助于解决滑动轴承因转子倾斜和磨损不均造成的问题。因为转子的重量会落在最靠近转子的滚珠轴承上,但弹簧有助于补偿因重力拉动转子可能造成的任何倾斜。这意味着使用滚珠轴承的风扇可在任何角度使用,从而使这种设计成为便携式设备的绝佳选择。更低的轴承磨损也意味着,滚珠轴承型设计的平均无故障时间 (MTBF) 通常会远远高出各式套筒设计。

典型的滚珠轴承风扇示意图

图 2:典型的滚珠轴承风扇示意图(图片来源:CUI Inc.)

尽管滚珠轴承可降低您在启动和运转风扇电机时必须克服的摩擦力,但滚珠轴承成本更高、噪声更大、复杂度更高,而且耐冲击能力不及滑动轴承。

omniCOOL™ 系统:弥补差距

为了将设计人员在选用风扇时需要做出的权衡减至最少,CUI 的 omniCOOL™ 系统(图 3)通过在风扇设计中加入两个重要组件,填补成本与性能间的差距,即:磁性转子平衡结构及增强型滑动轴承。

CUI 的 omniCOOL 系统示意图

图 3:CUI 的 omniCOOL 系统示意图(图片来源:CUI Inc.)

得益于磁性结构,转子实际成为不会倾倒的自旋陀螺,并能以任何角度工作。这是由于系统的磁性结构位于转子前方,且无论风扇以何种角度工作,都能全程一致地吸引转子。

主轴透过其尖头的支撑盖帽维持定位,形成转子旋转的中心点,如同自旋陀螺上的点。

这种使用磁性结构的方法意味着,磁力将取代轴承套筒承担转子重量,使转子在空中悬浮。这样可减少轴承内部和主轴之间的摩擦力,也能减少传统滑动轴承的倾斜和晃动问题。

尽管磁性结构能大幅减少轴承内部与旋转主轴的接触程度,omniCOOL 系统还包含了一个专门强化的套筒,以便对任何可能发生的磨损提供更高的防护。增强型套筒设计还具备高达 90°C 的耐热能力,高于大多数滑动轴承的承受范围。测试数据显示,与传统的滑动轴承相比,强化的轴承大幅延长了预期的工作寿命——在 70°C 时可达 3.2 倍,在 20°C 时可达 5.5 倍(图 4)。

传统滑动轴承与 omniCOOL 系统的预期寿命比较图

图 4:传统滑动轴承与 omniCOOL 系统的预期寿命比较(图片来源:CUI Inc.)

omniCOOL 系统的增强型轴承与标准滑动轴承间另一个最重要的差别在于是否使用油环和 Mylar 垫圈。磁力可减少磨耗,无需再使用润滑剂,因而可以移除这些组件。这样做可减少摩擦,进而减少噪声以及电机启动和旋转所需的能源量。这也意味着由旋转摩擦产生的气体可自由逃逸,不会因固化而阻塞轴承。

取代传统风扇设计的全新替代方案

omniCOOL 系统中使用的技术组合可以弥补滚珠轴承和滑动轴承之间的差距,提供安静、可靠且耐用的风扇,适合以任何角度使用,而且比滚珠轴承设计更具成本效益。对工程师而言,此系统提供了新的替代方案来冷却电子设备,解决了传统的权衡问题。

查看 CUI 采用 omniCOOL 系统的直流轴流风扇和吹风机系列产品。

免责声明:各个作者和/或论坛参与者在本网站发表的观点、看法和意见不代表 Digi-Key Electronics 的观点、看法和意见,也不代表 Digi-Key Electronics 官方政策。

关于此作者

Jeff Smoot 是 CUI Inc. 应用工程和运动控制部门副总裁

本文由 CUI Inc. 的 Jeff Smoot 提供。