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

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1、 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

2、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）

3、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

4、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

5、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

6、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。

7、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

8、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

9、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

10、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

11、.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

12、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 So

13、lidWorks3D 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

14、），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

15、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

16、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

17、.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)

18、：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

19、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

20、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！