1、散热风扇工作原理及风扇转速

散热风扇按照供电类型可以分为直流散热风扇和交流散热风扇。

直流风扇工作原理

根据安培右手定则，导体通过电流，周围会产生磁场，若将此导体置于另一固定磁场中，则将产生吸力或斥力，造成物体移动。在直流风扇的扇叶内部，附着一事先充有磁性之橡胶磁铁。环绕着硅钢片，轴心部份缠绕两组线圈，并使用霍尔感应组件作为同步侦测装置，控制一组电路，该电路使缠绕轴心的两组线圈轮流工作。硅钢片产生不同磁极，此磁极与橡胶磁铁产生吸斥力。当吸斥力大于虱扇的静摩擦力时，扇叶自然转动。由于霍尔感应组件提供同步信号，扇叶因此得以持续运转，至于其运转方向，可依佛莱明右手定则决定。

交流风扇工作原理

交流风扇与直流风扇的区别。前者电源为交流，电源电压会正负交变，不像直流风扇电源电压固定，必须依赖电路控制，使两组线圈轮 流工作才能产生不同磁场。交流风扇因电源频率固定，所以硅钢片产生的磁极变化速度，由电源频率决定， 频率愈高磁场切换速度愈快，理论上转速会愈快，就像直流风扇极数愈多转速愈快的原理一样。不过，频率也不能太快，太快将造成激活困难。

风扇转速是指风扇扇叶每分钟旋转的次数，单位是RPM，一般通过仪器在外部进行测量。

2、散热风扇轴承形式

轴承形式是指风冷散热风扇所使用的轴承类形。在机械工程上，轴承的类形非常多，但在散热器产品上使用的轴承形式按照其基本工作原理分类也就那么三种：使用滑动摩擦的套筒轴承(Sleeve Bearing)和使用滚动磨擦的滚珠轴承(Ball Bearing)以及两种轴承形式混合这三种。近些年来各大散热器厂商在轴承方面推出的新技术，诸如磁浮轴承、流体保护系统轴承、液压轴承、来福轴承、纳米陶瓷轴承等也都是对上面这些基本的轴承形式加以改进而成，基本工作原理还是没有变化。

含油轴承(Sleeve Bearing) 是使用滑动摩擦的套筒轴承，使用润滑油作为润滑剂和减阻剂，初期使用时运行噪音低，制造成本也低，但是这种轴承磨损严重，寿命较滚珠轴承有很大差距。而且这种轴承使用时间一长，由于油封的原因(电脑散热器产品都不可能使用高档油封，一般也就是普通的纸油封)，润滑油会逐渐挥发，而且灰尘也会进入轴承，从而引起风扇转速变慢，噪音增大等问题，严重的还会因为轴承磨损造成散热风扇偏心引发剧烈震动。出现这些现象，要么打开油封加油，要么就只有淘汰另购新风扇。

单滚珠轴承(1 Ball+1 Sleeve Bearing) 是对传统含油轴承的改进，采用滑动摩擦和滚动摩擦混合的形式，其实就是用一个滚珠轴承搭配一个含油轴承的方式来降低双滚珠轴承的成本，它的转子与定子之间用滚珠进行润滑，并配以润滑油。它克服了含油轴承寿命短，运行不稳定的毛病，而成本上升极为有限。单滚珠轴承吸收了含油轴承和双滚珠轴承的优点，将轴承的使用寿命提升到了40000小时，缺点是在加入滚珠之后，运行噪声有所增大，但仍小于双滚珠轴承。

双滚珠轴承(2 Ball Bearing) 属于比较高档的轴承，采用滚动摩擦的形式，采用了两个滚珠轴承，轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇页或轴心转动时，钢珠即跟着转动。因为都是球体，所以摩擦力较小，且不存在漏油的问题。双滚珠轴承的优点是寿命超长，大约在50000-100000小时；抗老化性能好，适合转速较高的风扇。双滚珠轴承的缺点是制造成本高，并且在同样的转速水平下噪音最大。双滚珠风轴承和液压轴承的封闭性较好，尤其是双滚珠轴承。双滚珠轴承被整个嵌在风扇中，转动部分没有与外界直接接触。在密封的环境中，轴承的工作环境比较稳定。因此5000转级别的大口径风扇几乎都使用双滚珠轴承。而液压轴承由于具备独特的还回式油路，所以润滑油泄露的可能性较小。

来福轴承(Rifle Bearing) 技术的代表厂商是CoolerMaster，目前CoolerMaster已经将旗下的大部分传统含油轴承风扇升级到来福轴承。作为传统含油轴承的改进，来福轴承采用耐磨材料制成高含油中空轴承，减小了轴承与轴芯之间摩擦力，来福轴承还带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯，在风扇运转时含油将形成反向回游，从而避免含油流失，因此提升了轴承寿命。来福轴承风扇通过采用以上结构及零件，使得含油及保油能力大幅提升，并降低了噪音。

流体保护系统轴承(Hypro Bearing) 其名称来源于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，也是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。流体保护系统轴承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。通常散热风扇产品寿命可达50000小时以上。

液压轴承(Hydraulic Bearing) 是由AVC首创的技术，是在含油轴承的基础上改进而来的。液压轴承拥有比含油轴承更大的储油空间，并有独特的环回式供油回路。液压轴承风扇的工作噪音有明显的降低，使用寿命也非常长，可达到40000小时。液压轴承实质上仍然是一种含油轴承。但这种经过了改进，寿命比普通油封轴承大大延长了，并且继承了含油轴承的优点——运行噪音小。目前液压轴承已经在AVC散热器中得到了应用，但并非所有的AVC散热风扇都采用液压轴承风扇。

汽化轴承(VAPO Bearing) 是由Sunon将磁悬浮技术改进而来的，就是把含油轴承的轴套硬度加强，并且采用特殊的材料，其内层表面也是经过特殊加工的，这样就克服了含油轴承不耐高温的缺点，再和磁悬浮技术配合，就大大延长了散热风扇的使用寿命。

磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 的马达有磁悬浮(Magnetic System，MS)设计，其磁感应线与磁浮线成垂直，故轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。因此，磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。这项技术并没有得到欧美国家的认可。

纳米陶瓷轴承(NANO Ceramic Bearing，NCB) 在本质上仍然是一种含油轴承，是由富士康在其产品中首先引入的。传统含油轴承风扇在使用过程中磨损比较严重，长时间使用时的可靠性较低。纳米轴承有效的克服了这个问题：陶瓷轴承技术采用了特殊的高分子材料与特殊添加剂充分融合，轴承核心全面采用特殊的二氧化皓材料，使用冲模及烧结工艺制成，晶体颗粒由过去的60um下降到了0.3um，具有坚固、光滑、耐磨等特性。纳米陶瓷轴承具有很强的耐高温能力，不易挥发，这大大延长了风扇的使用寿命，纳米轴承的性质与陶瓷类似，越磨越光滑。据测试，采用纳米陶瓷轴承的风扇平均使用寿命都在15万小时以上。这项技术其实并非真正的纳米技术，所使用的材料也并非真正的纳米级材料，只不过是采用了纳米这样的字眼来吸引眼球罢了。

3、散热风扇如何达成低噪音值

1．系统阻抗（System Impedance ）

一个机壳的入风口与出风口之间范围占全部系统阻抗的60% 至80%，另外气流愈大，噪音相对愈高。系统阻抗愈高，冷却所需的气流愈大，因此为了将噪音降至最小，系统阻抗必须减至最低程度。

2．气流扰乱

沿着气流路径所遇到的阻碍而造成的扰流会产生噪音。因此任何阻碍，特别在关键的入风口与出风口范围，必须避免，以降低噪音。

3．风扇转速与尺寸

由于高转速风扇比低转速风扇产生较大的噪音，因此应尽可能尝试及选用低转速风扇。而一个尺寸较大、转速较低的风扇，通常比下尺寸、高转速的风扇，在输送相同风量时安静。

4．温度升高

在一个系统内，冷却所需的风量与允许的温升成反比。允许温升稍微提高，即可大量减少所需的风量。因此，如果对强加之允许温升的限制略微放松一些，所需风量将可降低，噪音亦可降低。

5．振动

有些情形，整个系统的重量很轻，或系统必须按照某种规定方式运作时，特别建议采用柔软的隔绝器材，以避免风扇振动的传递。

6．电压变动

电压变动会影响噪音程度。加到风扇的电压愈高，因转速升高，振动就愈大，产生的噪音也愈大。

7．设计的考虑

构成风扇的每一零件设计，均会影响噪音程度。下列设计的考虑可达成降低噪音： 绕线铁心的尺寸，扇叶与外框的设计及精确的制造与平衡。

4、如何测量散热风扇噪音值

HXHT风扇的噪音是在背景噪音低于15dBA无回响室中所测量。待测风扇在自由空气中运转，距入风口一米处置一噪音计。

音压级（Sound Pressure Level）依背景因素而定，与音能级（Sound Power Level）由下列公式表示之：

SPL=20logP/Pref

及SWL=10logW/Wref

P=音压

Pref=基准音压

W=音源的噪音能量

Wref=音源的噪音能量

风扇的噪音值通常以音压级（SPL）之倍频带绘出。分贝（dBA）的改变所形成的效应，如下列征兆所示：

3 dBA 几乎没有感觉

5 dBA 感觉出来

10 dBA 感觉两倍大声响

噪音程度：

0 ~20 dBA 很微弱

20~40 dBA微弱

40~60 dBA 中度

60~80dBA 大声

80~100 dBA 很大声

100`140 dBA 震耳欲聋

5、散热风扇并联与串联的运作

并联运作

并联风扇与单独风扇的运作曲线图

并联运作就是并列使用两个或两个以上的风扇。两个风扇并联所产生的风量体积，仅在自由空间条件下，为单一风扇风量的两倍，而当并联风扇应用于较高系统阻抗的情况时，系统阻抗愈高，并联风扇所能增加的风量愈低。因此，并联的应用仅在低系统阻抗的情况下使用，即风扇在几乎完全自由送风的情况下运作。

串联运作

串联风扇与单独风扇的运作曲线图

串联运作就是串列使用两个或两个以上的风扇。两个风扇串联产生的静压，在零风量的条件下可达两倍，但在自由空间的情况下，并不能增加风量。多加一个串联风扇，在较高静压之系统，可增加风量。因此，串联运作对高系统阻抗的系统，可达到最高的效果。

6、散热风扇第三条导线讯号线

风扇之切换驱动电路设计提供转速的测量：此风扇马达有三条导线（红线：+，黑线：—，黄线：第三条讯号传出导线）

本公司提供以下2种讯号型态

R型（运转检知器）

F型（方形波产生器）

Rotation 与第三条导线输出pulses之关系，依不同产品有以下几种:

(a)1Rotation=2 Pulses(4 poles' motor)

(b)1Rotation=3 Pulses(6 poles' motor)

(c)1Rotation=4 Pulses(8 poles' motor)

备注：

8极马达正常应为1Rotation=4 pulses；但若有除频回路设计，除频后为1Rotation=2pulses

7、如何选择正确的风扇或鼓风扇

所有需要使用风扇散热的电机与电子产品的设计工程师，必须决定一个特定系统散热所需的风量，而所需的风量取决于了解系统的耗电量及是否能带走足够的热量，以预防系统过热的情形发生。事实显示，系统的使用年限会由于冷却系统的不足而降低，所以设计工程师也应该明白，系统的销售量与价格，可能因为系统的使用年限不符使用者的预期而下降。

欲选择正确的通风组件，必须考虑下列目标：

● 最好的空气流动效率

● 最小的适合尺寸

● 最小的噪音

● 最小的耗电量

● 最大的可靠度使用寿命

● 合理的总成本

步骤一：总冷却需求

首先必须了解三个关键因素以得到总冷却需求：

● 必须转换的热量（即温差DT）

● 抵消转换热量的瓦特数（W）

● 移除热量所需的风量(CFM)

总冷却需求对于有效地动作系统甚为重要。有效率的系统动作必须提供理想的运作条件，使所有系统内的组件均能发挥最大的功能与最长的使用年限。下列几个方式，可用来选择一般用的风扇马达：

● 算出设备内部产生的热量。

● 决定设备内部所能允许的温度上范围。

● 从方程式计算所需的风量。

● 估计设备用的系统阻抗。

● 根据目录的特性曲线或规格书来选择所需的风扇。

如果已知系统设备内部散热量与允许的总温度上升量，可得到冷却设备所需的风量。以下为基本的热转换方程式：

H=Cp×W×ΔT

H=热转换量；

Cp=空气比热；

ΔT=设备内上升的温度；

W=流动空气重量

我们已知W=CFM×D其中D=空气密度 经由代换后，我们得到

Q(CFM)= Q / (Cp×D×△T)

再由转换因子（conversion factors）与代入海平面空气的比热与密度，可得到以下的散热方程式：

CFM=3160×千瓦/△℉

然后得到下列方程式：

Q(CFM)=3.16×P/ △Tf = 1.76×P/ △Tc

Q(M3/Min) = 0.09×P/△Tf = 0.05 ×P/ △Tc

Q:冷却所需的风量

P:设备内部散热量（即设备消耗的电功率）

Tf:允许内部温升（华氏）

Tc:允许内部温升（摄氏）

DT=DT1与DT2之温差

步骤二：全部系统阻抗/ 系统特性曲线

空气流动时，气流在其流动路径会遇上系统内部零件的阻挠，其阻抗会限制空气自由流通。压力的变化即测量到的静压，以英时水柱表示。

为了确认每槽排(slot)之冷却瓦特数，系统设计或制造厂商不但必须有风扇的有效风扇特性曲线以决定其最大风量，而且必须知道系统的风阻曲线。系统内部的零件会造成风压的损失。此损失因风量而变化，即所谓的系统阻抗。

系统特性曲线之定义如下：

DP=KQn

K=系统特定系数

Q=风量（立方尺）

n=扰流因素，1

平层气流时,n=1

湍流气流时,n=2

步骤三：系统操作工作点

系统特性曲线与风扇特性曲线的交点，称为系统操作工作点，该工作点即风扇之最佳动作点。

操作工作点在工作点，风扇特性曲线之变化斜率为最小，而系统特性曲线之变化率为最低。注意此时的风扇静态效率（风量×风压÷耗电）为最佳化。

设计时应考虑项目：

1.保持空气流动尽量不受阻扰，入风口与出风口保持畅通。

2.引导气流垂直通过系统，以确保气流顺畅而提升冷却效率。

3.如需加装空气滤网，应考虑其增加的空气流动阻力。

8、电磁干扰（EMC）的防止

电磁干扰（EMC）的防止电磁干扰有两类，即不需要的电流与电磁场发射所形成的干扰能量。美国的联邦通讯委员会（FCC）及德国的类似机构Verband Deutscher Elektrotech-niker (VDE)均已建立管制电磁干扰之规定。工程师必须滤除杂讯或消除接地回路（ground loop）。在设计使用散热扇之初期研发阶段，使用一个电容器或环形铁心（ferrite bead）均能改善电磁干扰问题。