О вентиляторах подробнее

В современных технологиях охлаждения компьютеров вентиляторы занимают одно из первых мест. И это неудивительно. Ведь именно на вентиляторах строится весьма распространенная на сегодня технология принудительной конвекции в компьютерных корпусах. В статье CPU кулеры были приведены в основном базовые сведения о вентиляторах. Теперь же они будут рассмотренны более подробно с инженерно-технической точки зрения (рассматриваются аксиальные вентиляторы).

Строение и принципы функционирования

Современные вентиляторы постоянного тока строятся на двухфазовых вентильных двигателях. Двигатель состоит из управляющей схемы и электромеханической части (ротор-статор). Не будем останавливаться подробно на управляющей схеме, поскольку производители реализуют ее по-разному. Общая задача схемы - индуцировать вращающееся магнитное поле в пространстве статор-ротор и, в результате, привести во врашение ротор.

Механическая часть двигателя может быть двух видов - на подшипнике скольжения или на подшипнике качения (бывают и комбинированные схемы).

В данной конструкции вал ротора закрепляется подшипником скольжения. Обычно, с каждой стороны подшипника устанавливаются резиновая прокладка и шайба. Пространство между ними заполняют маслом для образования масляной прослойки.

Стандартная конструкция на подшипнике скольжения имеет массу недостатков:

1. Так как между внутренней поверхностью подшипника и валом имеется небольшое пространство, в процессе вращения вал вентилятора испытывает наклон (хотя и малый) к той или стороне подшипника. В результате этого вал оказывает абразивное действие на подшипник. На внутренней поверхности подшипника появляются царапины и отверстие подшипника приобретает овальную форму вместо окружности. В конечном итоге вал начинает вращаться неустойчиво, повышается уровень шума и сокращается срок службы вентилятора.

2. Масляная прослойка обычно используется для понижения уровня шума. Однако, она блокирует высокотемпературные газы, которые, не будучи удаленными из пространства вал-подшипник, могут образовывать твердые микрочастицы. Это, в конечном итоге, увеличивает трение, повышает уровень шума и сокращает срок службы вентилятора.

3. Для увеличения срока службы вентилятора пространство вал-подшипник стараются как можно более сократить. В результате старт двигателя затрудняется, что приводит к большему потреблению тока и большей рассеиваемой мощности.

Вентиляторы на подшипнике скольжения обладают и рядом преимуществ:

1. Просты в изготовлении. Соответственно, предлагаются по очень низкой цене.

2. Такие вентиляторы слабо восприимчивы к механическим воздействиям.

В данной конструкции вал ротора закрепляется одним или двумя миниатюрными шариковыми подшипниками. Между подшипниками размещают пружину для балансировки. На вал обычно устанавливают поддерживающую щайбу.

Преимущества вентиляторов на подшипниках качения:

1. Шарикоподшипниковая конструкция облегчает старт двигателя (трение качения меньше трения скольжения). Соответственно, имеем меньшую рассеиваемую мощность.

2. Вентилятор на двух подшипниках качения представляет собой хорошо сбалансированную конструкцию. Вес ротора равномерно распределяется на механизме шарикоподшипники-пружина при любом положении вентилятора. Соответственно, такие вентиляторы можно использовать в портативных переносных устройствах (при осторожном обращении, см. ниже!).

Естественно, присутствуют и недостатки:

1. Миниатюрные подшипники качения - весьма хрупкая конструкция. Поэтому вентилятор на подшипнике качения сильно восприимчив к механическим воздействиям и требует бережного обращения.

2. Вентилятор на подшипнике качения характеризуется более высоким уровнем шума по сравнению с вентилятром на подшипнике скольжения.

3. Вентиляторы на подшипнике качения предлагаются по существенно более высокой цене по сравнению с вентиляторами на подшипнике скольжения.

Характеристическая кривая

Условия работы вентилятора в закрытом корпусе существенно отличаются от условий работы на, так сказать, "открытом" воздухе. Это связано с тем, что закрытая система (в механическом понимании) в виде корпуса укомплектованного платами расширения и т.п. представляет препятствие для потока воздуха, формируемого вентилятором. Для того, чтобы охарактеризовать резистивное действие корпуса потоку воздуха вводится специальная характеристика корпуса - статическое давление P (в западной технической литературе измеряется в дюймах водяного столба).

Зависимость реального потока воздуха, формируемого вентилятором, от давления P является важнейшей характеристикой, определяющей работоспособность вентилятора в конкретных условиях. Часто ее называют характеристической кривой вентилятора. Эту кривую получают в результате лабораторных исследований конкретной серии вентиляторов.

Характеристическая кривая показывает, насколько уменьшается поток воздуха, формируемый вентилятором, от наполненности корпуса различными внутренними устройствами. Как правило, характеристические кривые вентиляторов, работающих на выдув (exhaust fan) несколько отличаются от кривых вентиляторов, нагнетающих воздух в корпус (intake fan).

На практике полагают, что статическое давление компьютерных корпусов лежит в пределах от 0.05 до 0.20 дюймов водяного столба. Это положение основывается на экспериментальных результатах. Как использовать характеристические кривые смотрите в статье Комплексный подход.

Новые технологии вентиляторов корпорации Sunon

Стандартные конструкции вентиляторов, как мы видели выше, обладают рядом недостатков. Для улучшения технико-эксплуатационных свойств вентиляторов многие фирмы-производители проводят исследовательские работы по модификации как механической, так и электронной части вентилятора. Нельзя обойти вниманием интересные разработки корпорации Sunon, существенно улучшающие механическую конструкцию вентиляторов. Это технология подшипников Vapo bearing и технология Magnetic system. Эти две технологии совместно используются в некоторых новейших вентиляторах.

Подшипник Vapo bearing является улучшенной модификацией подшипника скольжения. Основное отличие заключается в существенно более прочной внутренней поверхности подшипника, благодаря чему абразивное действие вала ротора заметно снижается.

Технология Magnetic System заключается в применении в конструкции вентилятора дополнительных магнитных пластин. При этом в пространстве магнитная пластина - магнит ротора образуется дополнительное магнитное поле, параллельное валу. В результате вес ротора полностью уравновешивается этим дополнительным магнитным полем. Образуется "магнитная подушка", поддерживающая ротор.

Благодаря "магнитной подушке" практически исключается возможность наклонов вала к той или иной стороне подшипника в процессе вращения, что, в конечном итоге, резко снижает абразивное действие вала на подшипник.

Еще одним важным достоинством подшипника Vapo bearing является отсутствие механического закрепления вала ротора в подшипнике (см. рис.5). Между точками А и В нет шайб и масляных прослоек, используемых в стандартных конструкциях. В результате исключается возможность блокирования высокотемпературных газов и образования твердых микрочастиц в пространстве вал-подшипник, уменьшающих срок службы вентилятора.

Какие еще преимущества дает совместное использование Vapo bearing и Magnetic system? Это:

1. Область трения в пространстве вал-подшипник сведена к минимуму (вал испытывает трение практически лишь о воздух) - вентилятор легко стартует и меньше шумит.

2. Такие вентиляторы могут работать при температуре до 90 °C.

3. Благодаря упрощенной конструкции (отсутсвуют сальник, щайбы) исключается проблема утечки масла и уменьшается стоимость вентилятора.

Использование Magnetic system предоставляет дополнительные преимущества и вентиляторам на подшипниках качения.
Прежде всего, отпадает необходимость применения миниатюрной пружины, поддерживающей вал ротора (дополнительное магнитное поле поддерживает вал). Это снижает стоимость вентилятора.
Кроме этого, дополнительное магнитное поле "укрепляет" конструкцию, делая ее менее восприимчивой к внешним механическим воздействиям.

Виталий Криницин
Последнее обновление
2 августа 2000 года

При подготовке статьи использованы материалы и иллюстрации фирм NMB Technologies Inc. и Sunonwealth Electric Machine Industy Co., Ltd.