西安交大毕业设计-直流无刷散热风扇设计案例分析-覃顺远.pdf

不用打印，用网络教育学院提供的封面不用打印，用网络教育学院提供的封面 案例分析报告 直流无刷散热风扇设计 申请人：覃顺远 学科（专业）：热能与动力工程 指导教师：XXX 2011 年 08 月 网络教育学院网络教育学院 毕毕 业业 实实 习习 报报 告告 任任 务务 书书 专 业 班 级 热 能 与 动 力 工 程 层 次 高 起 专 姓 名 覃顺远 学号一、报告题目09117103211003 二、报告工作自 直流无刷散热风扇设计案例分析报告 2011年 8 月20日起至2011年 9 月30 日止 教师评语：成绩：教师：年 月 日 摘 要 题目：题目：直流无刷散热风扇设计案例分析报告直流无刷散热风扇设计案例分析报告 学科（学科（专业专业）：热能与动力工程热能与动力工程 申 请 人申 请 人：覃顺远覃顺远 指导教师：指导教师：XXX 摘摘 要要 随着电脑的日益普及，电脑似乎已经成为每个人的必须品，由于集成电路的高度发展，中央处理器（CPU）运算速度越来越快，功率越来越大，随之而来的散热问题也成为业界最迫切需要解决的课题，由于电子产品在高温状态下容易产生不稳定现象，散热措施若做得好，不但可以使电子系统稳定，甚至可以使系统得到更佳的效能。为了解决 CPU 散热问题，通常都会加装一些机构，例如散热器（Heat Sink）,热管（Heat Plpe）与热吸管（Thermosyphon）等，使得热量能快速且有效地由这些机构传出。由于制造容易及价格低廉的关系，结合散热片及风扇的散热器(Heat Sink）便成为目前 CPU 散热的主要方法。本着对风扇的学习和研究，本计划将从设计理论，数值及实验方法，首先依据理论利用三维软件设计出几组叶形，再利用计算机快速将三维流场内部状况表现在出来，并对风量和最大静压进行 CFD 计算，选定出最佳性能叶形。最后将风扇整体由 CAD/CAM 系统转换成加工程式，运用电脑锣（CNC）方式，将此风扇整体制造出来，再用实验设备测量整体性能，并在无响室下量测所产生的噪音值，以获取流量，最大静压与噪音的设计结果，进而祥细评估设计风扇性能指标达成状况，本计划之完成，将直流无刷散热风扇设计从理论到产品的全过程进行解析和研究。关关 键键 词词：风扇设计；散热分析；无刷风扇；直流风扇；流体分析 目 录 目目 录录 1 研究目的 .12 设计案例.2 2.1 前言.2 2.2.直流无刷马达运转原理 2 2.2.1 直流无刷马达运转理论.22.2.2 直流无刷马达电路及磁场分析.22.3 扇叶设计.3 2.3.1 风扇叶形的主要参数 .22.3.2 空气动力设计目标.5 2.3.3 扇叶外形尺寸设计.6 2.3.4 扇叶叶形设计.6 2.3.5 计算机流体分析CFD.7 2.4 风扇结构设计.10 2.4.1 外框尺寸及外观设计.10 2.4.2 结构组立设计.11 2.5 最终设计结果.11 2.6 样品实现.11 3 设计结果.13 3.1 性能测试结果.13 3.1.1 最大静压和风量测试.13 3.1.2 噪音测试.13 3.2 设计目标达成状况.14 4 设计总结和体会.15 4.1 设计总结和体会.15 4.2 后续学习和研究方向.15 5 致 谢.16 研究目的 1 1 研究目的研究目的 随着现代科技的发展，人们对电脑的需求日益殷切，就在我们生活脱离不了电脑的情形下，直接刺激到电脑相关产业之蓬勃发展，于是一连串的电脑革命就展开了。其中，电脑的心脏中央处理器（CPU）所受到的冲击更大，其功能进步可谓一日千里，相对地所衍生之热量问题日益严重，由于电子产品在高温状态下运作容易产生不稳定现象，所以有效且快速地排除 CPU 之发热则能降低系统温度，使期在合适之工作温度下运行，产品自然而然增加稳定性，为了解决散热问题，通常都会加装一些机构，例如散热器（Heat Sink）,热管（Heat Plpe）与热吸管（Thermosyphon）等，使得热量能快速且有效地由这些机构传出。由于制造容易及价格低廉的关系，结合散热片及风扇的散热器（Heat Sink）便成为目前 CPU 散热的主要方法。本研究将以 140(L)*140(W)*25(T)mm 进行案例，从理论设计，3D 绘制，计算机流体分析（CFD）及实验对比和系统量测方式进行分析。首先依据理论利用三维软件设计出两组叶形，再利用 CFD 软件 FLUENT 对风量和最大静压进行预估推算，选定出最佳性能叶形。最后将风扇整体由 CAD/CAM系统转换成加工程式，运用电脑锣（CNC）加工方式，将此风扇整体制造出来，再利用风洞和无响室等量测设备测试整体性能，以获取噪音值，流量，最大静压的风扇性能，进而祥细评估风扇性能设计指标达成状况。图 1-1 风扇模型 设计案例 2 2 设计案例设计案例 2.1 前言 风扇是一种产生风量的装置，它是使用马达来驱动叶片的转动，增加流体经过扇叶的流量，以由强制对流达成散热的效果。目前电子产业使用的风扇主要有直流风扇（DC FAN）和交流风扇（AC FAN）。由于大部分电子设备都采用低电压（36V以下）的直流进行主机的设计，所以直流风扇应用在电子产品中最为普便。风扇主要由驱动系统（马达），风量产生系统（扇叶）和结构支持系统（外框 轴承等）组成，驱动马达分为有刷和无刷两种方式，有刷马达在运行中会产生电火花，产生热量及火灾隐患，经过一定时间运转后电刷会产生磨损，造成马达功率下降，热量产生，必须定时更换电刷部件，从而会产生维护成本;无刷马达采用霍尔感应零件进行换极，从而更安全可靠，无需日常维护，目前已经成为主流的散热风扇。圖(A)圖(B)圖(C)圖(D)2.2 直流无刷马达运转原理 2.2.1 直流无刷马达运转理论 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个固定磁场中，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。环绕着矽钢片，轴心部分缠绕两组线圈，并使用霍尔感应元件作为同步侦测装置，控制一组电路，该电路使缠绕在矽刚片上的两组线圈交替工作。矽钢片产生不同磁极，此磁极与橡胶磁铁产生吸斥力。当吸斥力大于风扇的静摩擦力时，扇叶自然转动。由于霍尔感应元件提供同步信号，扇叶因此得以持续运转，至于其运转方向，可依右手定则决定。设计案例 3 图 2-1 直流无刷马达电路图 2.2.2 直流无刷马达电路及磁场分析 以双相半波应用电路（图2-1）为例，霍尔元件（M48）主要的作用是一磁感应开关，单纯如一个开关SWITCH，仅作开/关动作（ON/OFF）,不同于一般开关的是，当霍尔元件处于ON/OFF状态时，霍尔元件会出现一个高/低电平输出，从而控制三极管的开关和截止状态，对线圈进行开关动作，当霍尔元件输出高电压时，Q1三极管导通，此时L2线圈导通，流过激磁电流（霍尔sensor对N极性产生ON作用）使L2线圈缠绕的矽钢片形成一个N型磁场或S型磁场（视绕线方向而定）。依据磁极同性相斥异性相吸的原理，可使扇叶转动，当霍尔元件输出低电平时，Q1三极管截止，变成Q2三极管导通，此时L1线圈导通，流过激磁电流，使L1线圈缠绕的矽钢片形成一个N型磁场，实现运转持续。2.3 扇叶设计 2.3.1 风扇叶形的主要参数 1.轮毂(HUB)2.扇叶展幅(BLADE LENGTH)3.扇叶数目 4.弦长(CHORD LENGTH)5.节距(PITCH LENGTH)6.弓角(CHAMBER ANGLE)7.攻错角(STAGGER ANGLE)8.入口角(FLOW ANGLE AT INLET)9.出口角角(FLOW ANGLE AT OUTLET)10.攻角(INCIDENCE ANGLE)设计案例 4 图 2-2 叶形设计主要参数（一）图 2-3 叶形设计主要参数（二）设计案例 5 图 2-4 叶形设计主要参数（三）2.3.2 空气动力设计目标 空气动力设计的目的是为了设计出一个满足性能之扇叶片与流道外型，参考同行业相关机种的性能和客户的要求，确定设计的性能要求：转速：1200RPM，最大风量：78.0CFM 最大静压：1.0 mmH2O,噪音：43dB(A)。设计案例 6 图 2-5 风扇尺寸图 2.3.3 扇叶外形尺寸设计 风扇外部大小为 140*140*25mm(图 2-5)，根据外部尺寸可以推算出叶片的大小：最大外径=140（框体长度）-2.0（框边单边厚度）*2-1（间隙）*2=134mm 厚度=25（框体厚度）-4.0（支架厚度）-3（上下安全距离）=18mm 2.3.4 扇叶叶形设计 根据外形尺寸，以及空气动力学原理，设计出多种叶形方案，本次设计通过 SolidWorks3D 软件的曲面绘制功能设计出两种叶形，三种方案（图 2-6,图 2-7,图 2-8）.图 2-6 叶形设计 A 方案（9 叶）设计案例 7 图 2-7 叶形设计 B 方案（9 叶）图 2-8 11 片叶设计方案 2.3.5 计算机流体分析（CFD）使用 3D 软件绘制出流场图（图 2-9），进出风口外径 400mm,入风口（上部）管长度 800mm，出风口（下部）管长 1200mm。利用Gambit 进行网格划处理(图 2-10)，网格类型：TGrid,进出风管网格大小（Interval size）设定为 10，外框与扇叶网格大小设定为 2，边界条件设定为压力入口（inlet），压力出口(outlet)，壁面（wall）图（2-11），通过 Fluent 软件将三种方案进行三维 CFD，得出最大风量和最大静压模拟结果，关于数值方法，本设计所采用针对 SIMPLE法之有限体积法与基本的 K-epsilon 模式，且配合 RNG 所提出和修正模式加以数值运算，以求解三维模型方式，探讨风扇在实际流场运转下，叶片各项气动性能表现（图 2-12），并对数据进行对比分析（图 2-13），确定出最佳叶形设计方案为“A 叶形 9 叶”。设计案例 8 A 整体 B 旋转域处理 图 2-9 CFD 流道设计 图 2-10 网格化处理 设计案例 9 图 2-11 CFD 模型边界设定 图 2-12 CFD 流线图 设计案例 10 图2-13收敛网线与 CFD 计算结果 2.4 风扇结构设计 2.4.1 外框尺寸及外观设计 从外形尺寸（图 2-6）可以确定外框的外部尺寸，长宽 140mm，高度 25mm，利用 3D 软件进行设计，设计时尽量保证肉厚均匀，强度足够，结构稳定，最终完成设计（图 2-14）图 2-14 外框设计图 编号 样品性质 风量 CFM 最大静压 mmH2O 结果 S1 A 叶形 9 叶 83.6 1.12 最佳 S2 B 叶形 9 叶 91.4 0.75 静压小 S3 A 叶形 11 叶 82 0.78 性能差 设计案例 11 2.4.2 结构组立设计 本案例采用双滚珠结构（2B）进行结构设计，包含两个培林，一个弹簧，一个扣环，马达部分采用业界标准品，进行组立设计（图 2-15）图 2-15 结构组立图 2.5 最终设计结果 经过上述的设计，经过设计检核，确定最终设计方案（图 2-16）图 2-16 最终设计方案 2.6 样品实现 依据设计 3D，对外框，扇叶进行 CAM 编程，利用电脑锣（CNC）进行产品加工，并按结构设计进行组装，达到符合功能要求的样品（图 2-17）。Equation Chapter(Next)Section 1 设计案例 12 图 2-17 样品完成实图 设计结果 13 3 设计结果设计结果 3.1 性能测试结果 3.1.1 最大静压和风量测试 静压和风量的测试设备很多，常见的有测速计 热线测速仪，风洞，等，但最为可靠和精准的为风洞，将本设计样品经过风洞进行测试，得出1200RPM 状况下 P-Q 曲线在，最大风量 84.91CFM，最大静压 1.0mmH2O（图 3-1）。图 3-1 最大静压和风量测试结果 3.1.2 噪音测试 噪音的测试必需在无响室进行测试，本次背景噪音为 17dB以下（图 3-2），测试采用 dB(A)的曲线进行修正，测试距离为 1m,噪音测试结果为：38dB(A)（图 3-3）。设计结果 14 图 3-2 背景噪音 图 3-3 噪音测试结果 3.2 设计目标达成状况(1200RPM)：Equation Chapter(Next)Section 1西安交通大学网络教育学院毕业实习报告 15 4 设计总结设计总结和和体会体会 4.1 设计总结和体会 在本案例设计中，需要用到流体力学，声学，机电技术，测试技术，2D/3D 绘图软件，CFD 软件等很多方面的知识，需要全面和深入的了解和研究，要想达到最优的设计方案，有所突破，都十分困难，需从基础进行研究和攻关。通过从概念到产品的实现，体会到过程的复杂和艰辛，在无数次失败后，找到经验，吸取教训，从而得到了最佳的方案，能够符合要求，成功设计，非常高兴。4.2 后续学习和研究方向 对于风扇研发，目前的发展趋势主要有几个方面。（1），性能的提高。将风量和最大静压最大限度提高，需从扇叶设计和马达设计上着手，提高机械动力转化为风能的效率。（2），噪音的降低。需从扇叶叶形设计着手，减小风切声音，消除乱流回响音。（3），提高转速，降低电流。风量的大小与马达转速成正比关系，转速越高，风量越大，从马达设计着手，优化矽钢片的外形结构，提高电能转化为电磁场的效率，从电子方面着手，提高电能转化为动力的效率，降低电流，提高效率。叶形设计为风扇设计的重中之中，需在此方面进行深入学习和研究。西安交通大学网络教育学院毕业实习报告 16 5 致致 谢谢 两年的网络教育即将划上一个句号，对于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。两年的网络学习生涯在教师、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在毕业设计即将完成之际，思绪万千，心情久久不能平静。感谢我的爸爸妈妈，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。感谢我的妻子，包揽家务，让我拥有一个温馨的家庭，有更多时间用在学业之中，给我提供了一个良好的学习环境，我所有的一切都可以得到你的理解和支持，得到谅解和分担，你们的支持和鼓励是我前进的动力。在我毕业设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！最后感谢我在职的工作单位，元山科技提供我一个设计机会，我将全力以赴，将所学的知识应用到工作当中，提高工作技能，创造更大的效益，祝公司生意兴隆！蓬勃发展！