取代傳統風扇設計的全新替代方案

2020-12-06 電子發燒友

取代傳統風扇設計的全新替代方案

佚名發表於 2018-06-19 09:17:42

物聯網 (IoT) 和雲數據服務的興起，讓包含強大的伺服器和存儲設備的數據中心站到了電子行業的前沿。眾所周知，這類數據中心會產生大量熱量。要驅除關鍵設備產生的熱量，第一步工作通常就是使用風扇。

這同樣適用於我們所依賴的其他應用。家用電腦、家用電器和工業機械等產品只有維持在指定的溫度範圍時才能可靠地工作。換句話說，風扇在現代生活中扮演著極為重要的角色。

滑動軸承與滾珠軸承的權衡

軸承是所有風扇的核心組件。這項關鍵組件使風扇轉子能夠轉動，而且是決定風扇運行壽命的關鍵，因此正確選擇用於冷卻應用的風扇軸承，對設計人員和工程師而言非常重要。

傳統上，只有滑動軸承式和滾珠軸承式兩種風扇可供選擇。這兩種類型各有所長，但若要選擇其一，通常必須進行某種程度的權衡。這就是 CUI 為何會採用新的軸承設計方法來彌補滾珠版與滑動版軸承之間差距的原因。

但是，在我們探討這種新式風扇設計的原理之前，必須先回顧一下傳統的滑動軸承和滾珠軸承類型的優缺點。

了解滑動軸承

位於滑動軸承風扇中央的主軸在「套筒式」圓柱體內旋轉，套筒內部塗有一層機油，便於主軸旋轉。套筒的作用是維持轉子的正確位置，確保其始終與電機定子保持正確的距離（圖 1）。在兩種傳統設計中，滑動軸承具有較高的成本效益，而且耐受衝擊和振動的性能更強。但是這種設計有若干缺點。

圖 1：典型的滑動軸承風扇示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

為了將轉子晃動降到最低，套筒需要緊貼主軸，但接觸面積越大，需要克服的摩擦力也越大，啟動風扇需要的時間也越長。這表示需要更多的能量來啟動風扇並維持其旋轉。

套筒設計的另一個問題是，轉子的重量僅由套筒中的主軸支撐。因此，轉子旋轉時會逐漸磨損軸承內部，並使內孔發生變形。若一直以相同方向使用風扇，套筒的橫截面將逐漸變成橢圓狀，因而可能使風扇產生更多噪聲並使其晃動。

若是風扇需要以不同角度運轉，例如應用於可攜式設備的風扇，則軸承磨損的問題可能更嚴重。當重力在不同方向牽引轉子質量（視使用角度而定），套筒將會磨損不均，從而增加晃動和噪聲問題。

這樣的磨損最終會縮短軸承壽命（視您的設計而定），可能還會影響整個風扇裝置，甚至於風扇所冷卻的產品。

而且，之前提到的維持所有組件旋轉所需的潤滑劑，通常來自軸承內孔兩端的油環和 Mylar 墊圈。這些組件原本用來減少摩擦力，但它們的存在實際會帶來摩擦力。此外，這些組件的位置會讓旋轉摩擦產生的氣體更難逃逸。這些氣體如果無法排放，將會轉變成固態氮化物顆粒並堵塞軸承，阻礙其旋轉並縮短其使用壽命。

滾珠軸承基礎知識

使用滾珠軸承的風扇（圖 2）通常在主軸周圍使用兩圈小型鋼珠，其中一圈較另一圈更靠近轉子。使用一個彈簧圈壓住兩圈鋼珠並使其分開。這種設置有助於解決滑動軸承因轉子傾斜和磨損不均造成的問題。因為轉子的重量會落在最靠近轉子的滾珠軸承上，但彈簧有助於補償因重力拉動轉子可能造成的任何傾斜。這意味著使用滾珠軸承的風扇可在任何角度使用，從而使這種設計成為可攜式設備的絕佳選擇。更低的軸承磨損也意味著，滾珠軸承型設計的平均無故障時間 (MTBF) 通常會遠遠高出各式套筒設計。

圖 2：典型的滾珠軸承風扇示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

儘管滾珠軸承可降低您在啟動和運轉風扇電機時必須克服的摩擦力，但滾珠軸承成本更高、噪聲更大、複雜度更高，而且耐衝擊能力不及滑動軸承。

omniCOOL™ 系統：彌補差距

為了將設計人員在選用風扇時需要做出的權衡減至最少，CUI 的 omniCOOL™ 系統（圖 3）通過在風扇設計中加入兩個重要組件，填補成本與性能間的差距，即：磁性轉子平衡結構及增強型滑動軸承。

圖 3：CUI 的 omniCOOL 系統示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

得益於磁性結構，轉子實際成為不會傾倒的自旋陀螺，並能以任何角度工作。這是由於系統的磁性結構位於轉子前方，且無論風扇以何種角度工作，都能全程一致地吸引轉子。

主軸透過其尖頭的支撐蓋帽維持定位，形成轉子旋轉的中心點，如同自旋陀螺上的點。

這種使用磁性結構的方法意味著，磁力將取代軸承套筒承擔轉子重量，使轉子在空中懸浮。這樣可減少軸承內部和主軸之間的摩擦力，也能減少傳統滑動軸承的傾斜和晃動問題。

儘管磁性結構能大幅減少軸承內部與旋轉主軸的接觸程度，omniCOOL 系統還包含了一個專門強化的套筒，以便對任何可能發生的磨損提供更高的防護。增強型套筒設計還具備高達 90°C 的耐熱能力，高於大多數滑動軸承的承受範圍。測試數據顯示，與傳統的滑動軸承相比，強化的軸承大幅延長了預期的工作壽命——在 70°C 時可達 3.2 倍，在 20°C 時可達 5.5 倍（圖 4）。

圖 4：傳統滑動軸承與 omniCOOL 系統的預期壽命比較（圖片來源：CUI Inc.）

omniCOOL 系統的增強型軸承與標準滑動軸承間另一個最重要的差別在於是否使用油環和 Mylar 墊圈。磁力可減少磨耗，無需再使用潤滑劑，因而可以移除這些組件。這樣做可減少摩擦，進而減少噪聲以及電機啟動和旋轉所需的能源量。這也意味著由旋轉摩擦產生的氣體可自由逃逸，不會因固化而阻塞軸承。