风扇轴承类型 —— 权衡利弊

2018年4月10日作者:Ryan Smoot

风扇轴承类型 —— 权衡利弊

对于许多电子系统而言,风扇是一个重要的组件,旨在让系统保持在推荐的温度范围内,确保电子设备保持最佳运行状态,实现最长的使用寿命。有人试图寻找替代性的热管理技术,但没有一个像风扇那样既有效,性价比又高。

风扇利用在轴承上旋转的转子来排出空气。轴承运行是否可靠是风扇设计的关键所在,因为风扇每分钟可以旋转数千次,并且使用寿命要长达数年。这个过程会使轴承受到巨大的应力,所以轴承必须能够胜任这个任务。

目前广泛使用的轴承设计有两种,即套筒轴承和滚珠轴承,两种轴承各有千秋。

套筒轴承风扇

套筒轴承风扇设计价格便宜,坚固耐用,而且操作简单,因此,已经在许多应用中得到广泛使用。这种设计坚固耐用,确保风扇能够在多种恶劣环境中工作,操作简单也意味着风扇不易发生故障。套筒轴承风扇设计的另一个优点是运行时噪音低,可以在办公室等安静区域广泛使用。

套筒轴承风扇的中心轴套着一个套筒状的结构,用油润滑,可以顺畅地旋转。套筒可以保护中心轴,确保转子保持在正确的位置,从而使转子和定子之间保持一定的间隙。

套筒轴承及其组件(标注名称)图
套筒轴承示意图

设备可以进行平衡调校,使中心轴和套筒之间保持正确的间隙。间隙太小会导致摩擦力增加,使风扇难以转动,功耗加大。间隙太大则可能出现转子摇摆问题。套筒结构的第二个缺点是,套筒是固定转子的唯一物理媒介,随着时间的推移,中心轴会侵蚀轴承内圈。如果转子始终以同一个方向旋转,这种情况会更糟,最终导致内圈呈椭圆形,从而导致运行时噪音加大,使用寿命缩短。如果风扇移动或重新定向,轴承将在不同的地方受到侵蚀,变得不均匀,从而使摇摆和噪音问题加剧。此外,套筒式结构需要油环和聚酯薄膜垫圈,以防润滑剂泄漏,润滑剂泄露会导致中心轴摩擦增大,妨碍气体逸出。被困住的气体固化成氮化物颗粒,妨碍风扇转动,缩短风扇的使用寿命。

套筒轴承风扇有很多种设计,特别是需要在常温和静态设备中运行的设计。计算机和办公设备、暖通空调设备和工业机柜等应用广泛使用套筒轴承风扇设计。

滚珠轴承风扇

滚珠轴承风扇设计旨在弥补套筒轴承风扇中存在的一些缺点。一般来说,这种风扇不易磨损,并且可以在任何方向和较高的温度条件下运行。但是,滚珠轴承风扇比套筒轴承风扇设计复杂,价格昂贵,而且不太坚固耐用。因此,冲击会极大地影响滚珠轴承风扇的整体性能。滚珠轴承风扇运行时往往会发出更大的噪音,这会限制可以部署的区域。

滚珠轴承风扇设计利用轴周围的一圈滚珠来解决磨损不均和转子摆动问题。大多数风扇电机设计有两个轴承,一个轴承在另一个轴承的前面,通常用弹簧隔开。与套筒轴承设计相比,滚珠轴承的摩擦较小,并且弹簧可以帮助解决风扇因转子重量而可能产生的倾斜问题。如果整个轴周围都设置了弹簧,那么风扇就可以在任何角度运行,没有磨损或摩擦,从而使设计更可靠。

滚珠轴承风扇也可用于高密度计算机应用和数据中心,在这些地方,性能、温度和MTBF比噪音更重要。滚珠轴承风扇还广泛用于工业应用,用于冷却电子系统,或在工业干燥应用中用作鼓风机。

滚珠轴承及其组件(标注名称)图
滚珠轴承示意图

omniCOOL™系统风扇轴承

滚珠轴承和套筒轴承设计并不是仅有的两种选择。CUI推出了第三种系统,该系统采用磁性转子平衡(也称为磁性结构),并且改进了套筒轴承,以弥补其他风扇设计中存在的缺点。这第三种轴承类型被称为omniCOOL™系统

omniCOOL系统的磁性结构使转子的运行方式与旋转陀螺非常相似 —— 它可以在任何角度运行,不会翻倒。磁性结构设置在转子的前部,其磁通量平行于电机轴的方向。在这个位置,无论转子的角度如何,磁性结构都会均匀地吸引转子。

使用omniCOOL系统的风扇电机及其组件(标注名称)图
使用omniCOOL系统的风扇电机示意图

轴的尖端通过轴承内圈前部的支撑帽固定,形成转子的旋转点。这种方法使转子的重量既不会影响轴,也不会影响轴承套筒。磁场也将轴向下拉,降低其重心,最大程度减少倾斜和摇摆。这样,风扇可以在任何需要的角度运行,并且可以最大程度减少摩擦。

磁性结构既可以应用于传统的套筒轴承风扇,也可以应用于滚珠轴承风扇,以帮助缓解上述问题,但只是在一定程度上缓解。为了进一步改进,omniCOOL系统采用了先进的轴承设计,该设计提升了接触区域的抗磨性。强化后的轴承设计能够在高达90°C的温度下工作。

减少摩擦也意味着需要较少的润滑剂,可以从设计中去除油环和聚脂薄膜垫圈,消除了另一个摩擦源。这也降低了启动时的噪音和阻力,同时减少部件数量。部件减少意味着omniCOOL系统比其他设计更容易制造,且更可靠。

弥补传统风扇设计中的差距

omniCOOL系统弥补了滚珠轴承风扇和套筒轴承风扇设计的缺点,从而形成了可以在任何角度运行,既坚固耐用又安静的高性价比风扇。omniCOOL系统避免了其他两种风扇结构的缺点,既可以取代这两种风扇,也可以在任何设计中实现两种风扇的优点。对于更支持套筒设计的应用,现在有了一种替代方案,同样具有噪音低、坚固耐用和可靠的特点,同时使用寿命更长,可以在任何方向上使用。而对于需要高性能滚珠轴承设计的应用,现在可以保持较高的耐温性和较低的磨损,同时耐冲击性更高,结构更坚固。设计师不必被迫做出妥协,而是可以使用两全其美的风扇结构。

有用资源

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Ryan Smoot

技术支持工程师

Ryan Smoot掌握了大量关于CUI产品的知识,能够为客户提供各类现场技术和应用支持。他为CUI管理的强大的3D模型目录进一步为工程师们提供了不可估量的资源,能够帮助他们精简产品设计。Ryan在为客户提供帮助之余,还很喜欢跑步、户外活动,以及陪伴他的妻子和才出世的女儿。

 
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