取代傳統(tǒng)風(fēng)扇設(shè)計(jì)的全新替代方案

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和云數(shù)據(jù)服務(wù)的興起，讓包含強(qiáng)大的服務(wù)器和存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)中心站到了電子行業(yè)的前沿。眾所周知，這類數(shù)據(jù)中心會產(chǎn)生大量熱量。要驅(qū)除關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)生的熱量，第一步工作通常就是使用風(fēng)扇。

這同樣適用于我們所依賴的其他應(yīng)用。家用電腦、家用電器和工業(yè)機(jī)械等產(chǎn)品只有維持在指定的溫度范圍時(shí)才能可靠地工作。換句話說，風(fēng)扇在現(xiàn)代生活中扮演著極為重要的角色。

滑動軸承與滾珠軸承的權(quán)衡

軸承是所有風(fēng)扇的核心組件。這項(xiàng)關(guān)鍵組件使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子能夠轉(zhuǎn)動，而且是決定風(fēng)扇運(yùn)行壽命的關(guān)鍵，因此正確選擇用于冷卻應(yīng)用的風(fēng)扇軸承，對設(shè)計(jì)人員和工程師而言非常重要。

傳統(tǒng)上，只有滑動軸承式和滾珠軸承式兩種風(fēng)扇可供選擇。這兩種類型各有所長，但若要選擇其一，通常必須進(jìn)行某種程度的權(quán)衡。這就是 CUI 為何會采用新的軸承設(shè)計(jì)方法來彌補(bǔ)滾珠版與滑動版軸承之間差距的原因。

但是，在我們探討這種新式風(fēng)扇設(shè)計(jì)的原理之前，必須先回顧一下傳統(tǒng)的滑動軸承和滾珠軸承類型的優(yōu)缺點(diǎn)。

了解滑動軸承

位于滑動軸承風(fēng)扇中央的主軸在“套筒式”圓柱體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，套筒內(nèi)部涂有一層機(jī)油，便于主軸旋轉(zhuǎn)。套筒的作用是維持轉(zhuǎn)子的正確位置，確保其始終與電機(jī)定子保持正確的距離（圖 1）。在兩種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，滑動軸承具有較高的成本效益，而且耐受沖擊和振動的性能更強(qiáng)。但是這種設(shè)計(jì)有若干缺點(diǎn)。

圖 1：典型的滑動軸承風(fēng)扇示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

為了將轉(zhuǎn)子晃動降到最低，套筒需要緊貼主軸，但接觸面積越大，需要克服的摩擦力也越大，啟動風(fēng)扇需要的時(shí)間也越長。這表示需要更多的能量來啟動風(fēng)扇并維持其旋轉(zhuǎn)。

套筒設(shè)計(jì)的另一個(gè)問題是，轉(zhuǎn)子的重量僅由套筒中的主軸支撐。因此，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會逐漸磨損軸承內(nèi)部，并使內(nèi)孔發(fā)生變形。若一直以相同方向使用風(fēng)扇，套筒的橫截面將逐漸變成橢圓狀，因而可能使風(fēng)扇產(chǎn)生更多噪聲并使其晃動。

若是風(fēng)扇需要以不同角度運(yùn)轉(zhuǎn)，例如應(yīng)用于便攜式設(shè)備的風(fēng)扇，則軸承磨損的問題可能更嚴(yán)重。當(dāng)重力在不同方向牽引轉(zhuǎn)子質(zhì)量（視使用角度而定），套筒將會磨損不均，從而增加晃動和噪聲問題。

這樣的磨損最終會縮短軸承壽命（視您的設(shè)計(jì)而定），可能還會影響整個(gè)風(fēng)扇裝置，甚至于風(fēng)扇所冷卻的產(chǎn)品。

而且，之前提到的維持所有組件旋轉(zhuǎn)所需的潤滑劑，通常來自軸承內(nèi)孔兩端的油環(huán)和 Mylar 墊圈。這些組件原本用來減少摩擦力，但它們的存在實(shí)際會帶來摩擦力。此外，這些組件的位置會讓旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的氣體更難逃逸。這些氣體如果無法排放，將會轉(zhuǎn)變成固態(tài)氮化物顆粒并堵塞軸承，阻礙其旋轉(zhuǎn)并縮短其使用壽命。

滾珠軸承基礎(chǔ)知識

使用滾珠軸承的風(fēng)扇（圖 2）通常在主軸周圍使用兩圈小型鋼珠，其中一圈較另一圈更靠近轉(zhuǎn)子。使用一個(gè)彈簧圈壓住兩圈鋼珠并使其分開。這種設(shè)置有助于解決滑動軸承因轉(zhuǎn)子傾斜和磨損不均造成的問題。因?yàn)檗D(zhuǎn)子的重量會落在最靠近轉(zhuǎn)子的滾珠軸承上，但彈簧有助于補(bǔ)償因重力拉動轉(zhuǎn)子可能造成的任何傾斜。這意味著使用滾珠軸承的風(fēng)扇可在任何角度使用，從而使這種設(shè)計(jì)成為便攜式設(shè)備的絕佳選擇。更低的軸承磨損也意味著，滾珠軸承型設(shè)計(jì)的平均無故障時(shí)間 (MTBF) 通常會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出各式套筒設(shè)計(jì)。

圖 2：典型的滾珠軸承風(fēng)扇示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

盡管滾珠軸承可降低您在啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)扇電機(jī)時(shí)必須克服的摩擦力，但滾珠軸承成本更高、噪聲更大、復(fù)雜度更高，而且耐沖擊能力不及滑動軸承。

omniCOOL? 系統(tǒng)：彌補(bǔ)差距

為了將設(shè)計(jì)人員在選用風(fēng)扇時(shí)需要做出的權(quán)衡減至最少，CUI 的 omniCOOL? 系統(tǒng)（圖 3）通過在風(fēng)扇設(shè)計(jì)中加入兩個(gè)重要組件，填補(bǔ)成本與性能間的差距，即：磁性轉(zhuǎn)子平衡結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)型滑動軸承。

圖 3：CUI 的 omniCOOL 系統(tǒng)示意圖（圖片來源：CUI Inc.）

得益于磁性結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子實(shí)際成為不會傾倒的自旋陀螺，并能以任何角度工作。這是由于系統(tǒng)的磁性結(jié)構(gòu)位于轉(zhuǎn)子前方，且無論風(fēng)扇以何種角度工作，都能全程一致地吸引轉(zhuǎn)子。

主軸透過其尖頭的支撐蓋帽維持定位，形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的中心點(diǎn)，如同自旋陀螺上的點(diǎn)。

這種使用磁性結(jié)構(gòu)的方法意味著，磁力將取代軸承套筒承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量，使轉(zhuǎn)子在空中懸浮。這樣可減少軸承內(nèi)部和主軸之間的摩擦力，也能減少傳統(tǒng)滑動軸承的傾斜和晃動問題。

盡管磁性結(jié)構(gòu)能大幅減少軸承內(nèi)部與旋轉(zhuǎn)主軸的接觸程度，omniCOOL 系統(tǒng)還包含了一個(gè)專門強(qiáng)化的套筒，以便對任何可能發(fā)生的磨損提供更高的防護(hù)。增強(qiáng)型套筒設(shè)計(jì)還具備高達(dá) 90°C 的耐熱能力，高于大多數(shù)滑動軸承的承受范圍。測試數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)的滑動軸承相比，強(qiáng)化的軸承大幅延長了預(yù)期的工作壽命——在 70°C 時(shí)可達(dá) 3.2 倍，在 20°C 時(shí)可達(dá) 5.5 倍（圖 4）。

圖 4：傳統(tǒng)滑動軸承與 omniCOOL 系統(tǒng)的預(yù)期壽命比較（圖片來源：CUI Inc.）

omniCOOL 系統(tǒng)的增強(qiáng)型軸承與標(biāo)準(zhǔn)滑動軸承間另一個(gè)最重要的差別在于是否使用油環(huán)和 Mylar 墊圈。磁力可減少磨耗，無需再使用潤滑劑，因而可以移除這些組件。這樣做可減少摩擦，進(jìn)而減少噪聲以及電機(jī)啟動和旋轉(zhuǎn)所需的能源量。這也意味著由旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的氣體可自由逃逸，不會因固化而阻塞軸承。

取代傳統(tǒng)風(fēng)扇設(shè)計(jì)的全新替代方案

omniCOOL 系統(tǒng)中使用的技術(shù)組合可以彌補(bǔ)滾珠軸承和滑動軸承之間的差距，提供安靜、可靠且耐用的風(fēng)扇，適合以任何角度使用，而且比滾珠軸承設(shè)計(jì)更具成本效益。對工程師而言，此系統(tǒng)提供了新的替代方案來冷卻電子設(shè)備，解決了傳統(tǒng)的權(quán)衡問題。