1、LIAONINGVOCATIONALCOLLEGE業學院遼寧職LIAONINGVOCATIONALCOLLEGE畢業設計論文）設計題目：超靜音型電腦風扇散熱器的機械設計院系：專業：班級：姓名：學號：指導教師：職稱職稱成績：遼寧職業學院機械制造與自動化專業二O一一年十二月制遼寧職業學院畢業設計論文）題目：分院：專業：學號：學生姓名：指導教師：職稱職稱20年月日本人聲明聲明內容如下：我聲明，本論文及其設計工作是由本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。聲明人：目錄摘要31緒論41.1本課題來源41.2本課題意義和作用41.3目前國內廠商靜音版散熱器風扇的

2、靜音情況51.4本課題研究的內容62風扇扇葉的設計62.1確定民眾化的處理器發熱量6確定分析對象6分析處理器發熱量7分析機箱內部環境溫度。7分析電腦機箱其它硬件發熱量7分析機箱自身鋼板的有效散熱面積8分析機箱自身鋼板的被動散熱能力8計算機箱內每分鐘的總發熱量9分析機箱內部風道10分析機箱內部工作溫度10設計風葉12分析CPU散熱器風扇所需風量12初步預制風葉整體設計原則13用AutoCAD2006繪制風扇粗略模擬草圖。13設計風葉曲率15設計風葉傾角15設計風葉間距，確定風葉個數16風葉間距和個數的校核18設計葉端間距18設計風葉弧度19設計風葉的軸心高度20計算風葉最大外徑21整理設計參數，

3、繪制圖樣223計算風扇所需轉速23計算風扇每轉的理論風量23計算每片風葉的空間容量23計算風扇每一轉的理論風量24對理論風量進行折算25計算風扇所需轉速26計算風扇的理論轉速26綜合分析，得到額定的轉速264軸承和電機部分的設計27選擇軸承274.1.1各種風扇軸承簡介274.1.2選用軸承274.2設計電機284.2.1選擇電機類型，確定是否有無功功率284.2.2有刷電機與無刷電機的選擇294.2.3所需電機功率的計算294.2.4電機漆包線截面積的計算304.2.5電機鐵芯的設計314.2.6選擇鐵芯材料324.2.7確定風扇各部件的安裝方案32散熱片的設計34選擇散熱片樣式34散熱片材

4、料的選擇35散熱片體積與片數等參數的確定355.4散熱器裝配錯誤!未定義書簽。鋁質散熱片與底部銅板的接觸錯誤!未定義書簽5.4.2散熱片與風扇間的裝配錯誤!未定義書簽。選擇加工材料及方式錯誤!未定義書簽。6.1風扇的加工錯誤!未定義書簽。風扇的加工材料錯誤!未定義書簽。風扇的加工方式錯誤!未定義書簽。6.2散熱片的加工方式錯誤!未定義書簽。最終設計預覽圖錯誤!未定義書簽。8結束語錯誤!未定義書簽。參考文獻錯誤!未定義書簽。附錄1錯誤!未定義書簽。附錄2錯誤!未定義書簽附錄3錯誤!未定義書簽。致謝錯誤!未定義書簽。摘要近幾年個人電腦配置越來越高級，高配置必然擁有更大的熱功耗，都要配更強大的風扇式

5、散熱器，甚至用水冷來降溫。電腦風扇噪聲越來越大，越來越影響人的心情和健康，為減小噪音，本文設計了一套靜音型CPU散熱器的機械結構及其他構件。本文從用戶需要的角度出發，和世界環境協會的環保要求，從電腦硬件方面的實際考查開始著手，通過實際調查，了解當今最迫切解決的問題。采集大量電腦中央處理器的熱功耗資料詳情見附錄1）。對機箱內的環境溫度進行統計，針對具體的散熱環境，提出設計目準則。認真學習機械制造，了解空氣運動特性，知道物理學共振方面知識及其它物理知識。為散熱器的機械結構實際設計做好準備。經過理論計算和計算機模擬，確定基本設計原則，確定技術要求，根據目前機械零部件的加工能力，技術水平，確定設計方案

6、，再根據藝術的美感，合理修改樣式，將其藝術化。此次精心設計了一個靜音版散熱風扇，可將噪音控制在18分貝以下，根據人耳對聲音感覺的靈敏度見附錄2），10到30分貝是屬于極靜的環境。達到18分貝以下是相當安靜的。還給工作在電腦前人們健康安靜的環境。而后再經過認真計算和方案校核，修改設計的不足，查看機械零件手冊，選擇最合適的風扇低噪音長壽命且廉價電機類型和軸承類型，合理設計風扇功率，尺寸大小。最終設計出了僅擁有五個扇葉，酷似飛機的螺旋槳的樣子形狀的風扇，和與之配套的千翅蝴蝶形狀的散熱片，組成了適合多平臺的CPU散熱器。且風扇和散熱片設計成可拆卸式，更是方便了日后的除塵，非常人性化。最后整理設計方案，

7、繪制最終圖紙，編寫本篇論文。關鍵字：靜音藝術化長壽命廉價1緒論1.1本課題來源進入18世紀是科技快速發展的時代，很多新生事物接踵而來。尤其電子計算機的誕生，讓科技突飛猛進，很多疑難問題，經過計算機都能輕易解決。需要人工大量運算的問題，經計算機幾秒鐘就能搞定。時代在進步，計算機也不僅僅應用在當初科學計算等專業領域了。由于計算機制造在進步，速度越來越快，體積越來越小，價格越來越便宜，讓計算機也走進了我們的日常生活中，走進了千家萬戶，走進了各行各界，計算機已經無所不在了。計算機的性能也是今非昔比，單核心處理器由最初每秒計算五千次，到現在每秒二十億主頻2.0Ghz）次以上。但速度的提高確是以功耗增加和

8、發熱量增大為代價的，為了讓電腦硬件不至于因高溫罷工，必然要加大散熱風扇和中塔式散熱片，與此同時噪聲增加得也非常大。圖1占據著主板大半壁江山的高檔中塔式CPU散熱器1.2本課題意義和作用人們感到暢快的同時，噪聲問題越來越讓人感到厭煩，因此擁有一臺極致靜音的電腦一直是DIY玩家的夢想。雖然國家已經出了電腦噪音標準，個人電腦不得高于55分貝，網吧電腦不得高于45分貝，但這個標準在夜深人靜時還是讓人心煩的。而且非品牌機，個人自己組裝電腦很多達不到標準。不少DIY玩家想方設法減低噪音，如為消除轉速高達每秒7200轉的硬盤噪音，采取懸掛硬盤的方式，為了消滅風扇噪音，不惜重金買水冷裝置，但還有問題，水冷裝置

9、的水箱散熱還是需要風扇的，而且整套水冷近千元的價格也不是普通的人愿意接受的，短時間內風冷的地位還是無可動搖的。因此設計出一種靜音型帶風扇的散熱器非常實用。本文針對通常的散熱風扇噪音大的問題，面向用戶和環保的要求，來設計可以大幅降低風扇噪音的機械結構。從扇葉角度和曲率的選擇，轉速的選擇，軸承和電機的設計，以及風量和風壓的校核，多個風扇之間的匹配問題進行了詳細設計。給電腦前的人們創造安靜的環境。1.3目前國內廠商靜音版散熱器風扇的靜音情況在本次設計之初，預先調查研究了國內幾個知名電腦散熱配件廠商的設計和制造現狀。查閱了國內四大主力廠商，九州風神、超頻三、酷冷至尊和Tt的相關信息。由于靜音的概念很早

10、就已經提出了，所以各大廠商紛紛推出了自己的靜音版散熱器，每個廠商都有了自己的一整套技術。很多方式和技術的相似性，形成了一種趨勢，已經掌握了靜音的基本規律，例如，優化風葉的各種角度和曲線。以大直徑低轉速風扇取代小直徑高轉速風扇。使用新型電機軸承，以滾珠軸承取代含油軸承，液態軸承取代滾珠軸承，還有更好的磁懸浮軸承及精密陶瓷軸承。扇葉數目也廣泛采用了單數。扇葉形狀也基本形成了幾大種：蟬翼形、小翼形、鐮刀形、蝠翼形等幾種。各有各的優級點。各個靜音版散熱器如雨后春筍般出現在市面上。很多標稱靜音值達到了20分貝以下。圖2超頻三的可拆卸蟬翼形風葉引自百度圖片）1.4本課題研究的內容這些大廠雖然產品靜音效果十

11、分顯著，但其中還存在一些問題，很多靜音版風扇，由于設計花費時間長，制造技術要求也比較高，選材也要精選，因此往往價格很高，用戶需花很多錢購買，本次課題，從大眾角度出發，站在普通用戶角度，來設計一種即節約成本，又能達到靜音效果的大眾化風扇散熱器。論文總體包含以下內容：1）對大眾化機箱結構分析，確定機箱風道走向，估算散熱器可制造的體積范圍。設計面積盡量大的散熱片。2）分析中央處理器的發熱量，散熱環境情況，計算所需風量。3）根據散熱片所需風量來設計風扇，確定使用材料。4）根據轉速和允許噪音值合理選擇和設計軸承。5）根據風扇參數選擇電機類型，計算電機鐵芯大小、線圈匝數及漆包線截面積。確定線圈纏繞方式，優

12、化電機體積。6）與機箱其它位置風扇配套。2風扇扇葉的設計2.1確定民眾化的處理器發熱量2.1.1確定分析對象本次避開了高端的發燒級別的處理器，如英特爾二代酷睿Core）i7、AMD八核推土機這類號稱變態類的處理器，發燒級玩家通常要配備更大號的機箱和更大體積散熱器，甚至加水冷，不是民眾化的，而本課題研究的是大眾化的處理器的散熱器。同時也避開了過于老舊的處理器，課題針對LGA775針腳及以上、1156針腳及以下等針腳的英特爾和AMD處理器散熱器的設計注：針腳指電腦處理器接口針腳的數目類別，不同針腳處理器要搭配不同的電腦主板）。采樣了多種型號處理器的熱功耗詳見附錄1）。圖3LGA775針腳處理器背面

13、的針腳觸點引自百度圖片）2.1.2分析處理器發熱量在官方網站上查閱處理器廠商的技術資料，找到各個處理器的廠商標定電功耗值。雙核到四核CPU通常在60瓦到125瓦之間。分析處理器發熱的來源。分析處理器消耗的電能轉換成了哪些能量，根據熱力學第一定律即能量守恒定律能量即不能憑空產生，也不能憑空消失，只能由一種形式能轉換成另一種形式能），處理器工作中整體沒有運動，所以轉換成機械能的部分為零；同理重力勢能等各種勢能也沒有產生；處理器工作中有電磁輻射，所以有微弱電能轉換成了電磁輻射能，但太微弱了基本可忽略不計；還有微弱的不足1%電能轉換成了數字信號能；而剩下的99%都變成了熱能。所以處理器的發熱量大致等于

14、它的功耗。2.2分析機箱內部環境溫度。2.2.1分析電腦機箱其它硬件發熱量顯卡：機箱中另一個發熱大戶就要數獨立顯卡了，中低端顯卡甚至就要比處理器發熱量還要大。顯卡是實足的電老虎像NvidiaGeForceGTX590高達365瓦），但大眾化顯卡通常不會超過120瓦。主板：帶有集成顯卡的主板功耗通常在35瓦以下，不帶集成顯卡的主板功耗通常在20瓦以下。硬盤：目前臺式電腦，主流硬盤還是3.5英寸直徑、7200轉每分鐘的，采用液態軸承的機械式硬盤，單碟封裝的在8瓦左右，雙碟封裝的在9瓦左右。內存：通常在3瓦左右。電源：由于電源出風口也是機箱的一個出風口，所以不計入機箱內部產熱的一部分。根據能量守恒定

15、律，任何電器只要沒對外做功，它所消耗的電能最終都要轉換成熱能。所以硬件電功耗大致就等于它的發熱量，整個機箱內部不計處理器其發熱量大致為150瓦。我們假想的都是電腦在80%以上負荷工作）。分析機箱自身鋼板的有效散熱面積通常的機箱有四個面能夠通過熱輻射方式向外散熱。一個機箱有六個面，下面緊貼地面的一面由于挨著地面，熱輻射能力很差，而且熱空氣向上流動，所以底面基本不散熱；機箱前面板最外面通常都是塑料制成的，熱傳導率很低，也可視為不散熱，就只剩下了四個面能向外輻射熱量。如果機箱做工不是很差，用來制作機箱的鋼板厚度在0.5毫M左右。目前機箱架構主要有三個標準，ATX架構，就是我們通常使用的機箱；BTX架

16、構，是以后要流行的，對ATX架構做了優化；和迷你小機箱的ITX架構。我們研究的是最廣泛的ATX機箱。正對著箱前面板觀察尺寸大致為長0.18m，寬0.4m，高0.4m。由于熱空氣上升，上表面散熱較多需單獨計算。兩側面板的面積為：S兩側板）=0.4寬）X0.4高）X2兩個側板）=0.32后面板面積為：S后面板）=0.18長）X0.4高）=0.072兩側板和后面板總面積為：S側+后）=S兩側板）+S后面板）=0.32m+0.072m=0.392m上面板面積為：S上面板）=0.18長）X0.4寬）=0.072m分析機箱自身鋼板的被動散熱能力查找常用材料熱導率表，分別找到鋼板和空氣的熱導率。得到：鋼板的

17、熱導率為：58.6-41.9瓦每M每開爾文W/mK）,取中間值50。空氣的熱導率為：0.0244W/mK（注：指的是標準環境下，即攝氏25C，相對濕度60%。由于空氣的熱導率遠遠小于鋼板的熱導率，所以計算機箱表皮所能向周圍空氣散發的熱量值，我們只計算空氣所能吸走的熱量值。計算機箱內外溫差每增加一度時，機箱每分鐘所能自發向外散熱的熱量的值。計算熱傳導量的基本公式為：Q二入XT1-T2）XtXA/Q是傳導的熱量，單位為焦耳J）；入是材料的熱導率，與比熱容成反比，單位為：瓦每M每開爾文W/mK）,由于開氏溫度和攝氏溫度單位代表的溫差值相等，所以K可以用。C代替；是兩者之間距離，單位為Mm）；Tl、T

18、2是溫度差值，單位為攝氏度C）；t是傳導時間，單位為秒s）；A是傳導表面積單位為平方MmJ。所以機箱表面在單位溫差下每分鐘對空氣的散熱值為：兩側面板加后面板：Q側+后）二空氣熱導率X單位溫差X60秒XS側+后）/1空氣距離可看作單位距離）=0.0244XlX60X0.392/l=0.573888JQ上面板）二空氣熱導率X單位溫差X60秒XS上面板）/1空氣距離可看作單位距離）=0.0244XlX60X0.072/l=0.l05408J計算機箱內每分鐘的總發熱量由于任何電器只要沒對外做功，消耗的電能最終都要轉化為內能，即熱量。計算硬件總電功率為：P總）=P處理器）+P獨顯）+P主板）+P內存）+

19、P硬盤）=125+120+20+3+9=277W取整280瓦。注：以上均按最大峰值耗電計算。因為實際中電腦使用率多少對耗電影響非常大，很難估算。計算每分鐘消耗的電能：根據公式W=Pt=P（總X60s=280X60=16800J即每分鐘產生16800焦耳的熱量。2.2.5分析機箱內部風道如圖4所示，是一個典型的機箱內部風道圖:圖4機箱內部風道圖引自百度圖片）由圖可知，機箱內部散熱風道走向如下：進風口一共有A和B兩個口，分別在機箱底板的最前面和左側側板上；出風口有三處，分別為C、D、E，C為電源的散熱出風口，D為機箱自身風扇的出風口，E為顯卡自帶的風扇的出風口。所以散熱風道的總體走向為：由底板的A

20、口和側板的B口吸入外部溫度較低的冷空氣，經過風扇由C、D、E三個口排出熱空氣。2.2.6分析機箱內部工作溫度分析各個出風口的排風量。其中C出口為電源自帶的風扇的出風口，因此我們要分析的是電源風扇的風量。現在主流電源都為了靜音，采用下置直徑12cm和14cm大風扇，而一般中端電源大多采用的是12cm的風扇。電源在低功率輸出時，轉速較低，而當電源輸出功率增大時，風扇調速電路會自動將轉速增加一個檔位。本課題取電源70%負載下的風扇運轉情況作為研究對象。并且以鑫谷牌電源的，勁持450黃金版電源的的風扇作為參照來研究。鑫谷勁持450黃金版電源，額定輸出功率為350瓦，最大輸出功率為450瓦，散熱風扇采用

21、底部下壓式，直徑12cm大風扇。圖5底部下壓大風扇式電源這個風扇額定轉速500轉每分鐘，風量為0.8m3/min，也就是說每分鐘可以把0.8立方M的熱空氣由機箱排出。再看顯卡散熱風扇的出風口，通常帶風扇的顯卡散熱器有前后兩個出風口，其中前面風口直接通向機箱外面，即圖4中的E出口。我們來分析這個出風口每分鐘能排出多少熱空氣。本課題以代號為NvidiaFeForceGTS450顯卡為研究對象，這個代號顯卡是可以勝任大多數主流游戲的顯卡的代表。這個代號顯卡多數廠商采用下壓風扇，配鋁片加雙熱管作為散熱器，有前后兩個出風口。風扇采用的是8cm直徑的小翼形風扇，正常溫升情況下，轉速為1500R/min.風

22、量為0.6m3/min，所以每個風口每分鐘要排出0.3立方M的熱空氣。一般情況下機箱尾部還要額外加裝一個8到10厘M直徑的風扇，作為對機箱內部的輔助散熱，這個風扇的出風口即圖4中的D口。市面上主流的靜音版8cm的風扇，大多轉速不超過1000R/min，風量一般不會超過0.4立方M每分鐘。所以機箱每分鐘往外排出的熱空氣體積v排）大約為：V（排=v（電源+v（顯卡+v（箱尾=0.8+0.3+0.4=1.5m3再來計算機箱內溫升情況。所謂的溫升指的是工作部件的溫度比外界環境溫度升高的數值。前面已經計算出機箱每分鐘要產生16800J的熱量。計算溫升的方法就是讓產熱與散熱達到平衡，這時候內外溫度差值為多

23、少時，才能達到這樣的平衡。由于前面已經算出了機箱每分鐘自發能夠向外散發的熱量為：Q側+后）=0.573888JQ上面板）=0.105408J由此可見機箱自發散熱相當微弱，可以忽略這部分，只計算風扇帶走的部分。機箱內硬件每分鐘要產生16800J的熱量，風扇每分鐘排出2.8立方M空氣，也就是說每分鐘排出的2.8立方M空氣要包含16800J的熱量，由此可算得溫升。查表得常態下：空氣的比熱容為：1.005kJ=8.638976C8.7C所以溫升為8.7C。假設夏天外面溫度為30C，則機箱內部溫度為：t（內=t（外+t=30+8.7=38.7C所以夏天機箱內環境溫度大約為39C。2.3設計風葉2.3.1

24、分析CPU散熱器風扇所需風量查找CPU資料，得到CPU最高工作溫度。通常CPU超過65C就有可能發生因CPU過熱而導致電腦死機或自動重啟。所以本課題以65度為最高上限。所以CPU允許溫升為：t2=t（最高-t（內=65-39=26C所以最高溫升允許為21C。由于處理器通常情況下并不能滿載工作，日常情況下，雙核處理器使用率只有30%上下，所謂的處理器性能過剩，而且算風量是按照高端處理器算的，所以本課題沒有對允許溫升進行留余量。課題按照普通民眾能夠用到的比較高端的處理器的發熱量為計算對象。我們采取的對象為附錄1中的AMDFX推土機系列處理器，最中最高功耗的一個型號為125瓦。計算出其滿載時的每分鐘

25、發熱量Q處理器）為：W=Pt,即：Q=PtQ處理器）=P=7500/1000/(1.005X26=0.2870264kg心0.29kg計算空氣體積：V=m/1.29kg/m3=0.29/1.290.22m3本課題考慮到實際情況很復雜，風扇的風不會全部能夠吹到散熱片上，并且吹到散熱片上的空氣不會全部能夠有效地帶走熱量，所以最后整定的風量為理論上的1.6倍，由于風扇供電電路模塊有自動調速能力，所以非滿載情況下并不會因為整定的風量過大而增加不必要的噪音。因此最后得到風量為：0.35m3/min初步預制風葉整體設計原則影響風扇噪音大小最大的因素最要數轉速的高低了，轉速的大小幾乎起決定性的因素，因此設計

26、時就要盡量使風扇的轉速減低。減低轉速的方法可以增加風葉的葉片曲率，增加葉片傾角，盡量加大風葉，但風葉加大了，就會占用圓周上的過多空間，使中心電機的一周360度能夠排列的風葉個數減少。目前市面上主流風扇大多為七葉和九葉等，我們可以根據實際情況在保證風力穩定的情況下略減一到兩片，同時再盡量加大些葉片弧度，使風扇吹出來的風，不至于過多地散射，使其能夠盡量集中地吹到正前方，增加風壓，減少風量的損失，使風扇電機功率能更有效地轉化為能夠利用的風。并且課題設計的風扇縱向厚度采用目前廣泛使用的厚度2.5厘M標準，增加互換性。2.3.3用AutoCAD2006繪制風扇粗略模擬草圖。葉片可距圖6風葉粗略模擬草圖葉

27、片可距F面圖7是風扇風葉放到扇框中的粗略模擬草圖葉端間隙1葉片弧度鳳扇少卜框、T風葉外徑葉片弧度鳳扇少卜框、T風葉外徑2.3.4設計風葉曲率葉片曲率指的是將葉片以鐵餅方式橫放在桌面，貼著桌面看去，橫向卷曲程度。如圖8所示UG模擬設計圖。圖8葉片曲率圖中圈圈部分）風葉曲率越大，推動空氣流動的力量越強大，但如果曲率過大，會造成葉片下的空氣過于集中在每片葉片下面一小片區域，會使氣流擾動加大，也會造成風葉轉動阻力急劇加大，降低單位電功率產生的風動力效率，因此必須在合理范圍內選擇。所謂的曲率指的是半徑的倒數，當半徑為1m時，曲率為1。根據風扇對空氣的攏風特性,只要葉片稍微有一點彎曲，就可以大幅度改善風葉

28、聚攏空氣的能力，所以課題選擇風扇葉片曲率為5，即葉片的卷曲的延長圓的直徑為40厘M。這個曲率即能保證風葉有較好的集風能力，又能很大程度上減輕風的脈動，保證送風的平穩。2.3.5設計風葉傾角和風葉曲率一樣，風葉傾角對風扇的送風能力影響很大。風葉傾角越大，每個葉片一次能夠吹出的空氣越多。但是也不能過大，也要在合理范圍內。如圖9X風葉轉向X風葉轉向圖9葉片傾角如果葉片傾角過大，甚至大于45度，勢必會引起風力的橫向，即Y方向的竄動，干擾正常的風向，引起自干擾，同時增加軸承所需的扭轉力矩。而且風葉傾角過大，會使風葉上下表面的壓強差相差很大，很有可能造成空氣的回流現象，由于氣流的相互攪動，使風噪增加，并且

29、引發空氣由于自身的摩擦，發熱增加，降低總體效率。因此此角最大不能大于45度。但也不能選擇臨界值45度，如果選擇45度，還不可避免地產生較多的橫向氣流擾動。實際運用中，要綜合各種因素進行設計，選擇最合適的葉片傾角。那么本課題到底怎么選擇才是最合適的呢？本課題的原則是盡量降低風扇轉數，但為了保證風量足夠，就要加大每一轉的送風量，于是要盡量加大葉片傾角，于是葉片傾角選擇40度。配合較大的葉片曲率，就能夠保證最大幅度加大每一轉的送風量，最大幅度降低風扇的轉數。2.3.6設計風葉間距，確定風葉個數風葉間距與風葉個數之間存在很大的關聯，但除此之外電機直徑大小也會影響這兩者，通常的10cm的風扇，電機直徑大

30、約不32毫M,本課題先初步假計使用35毫M電機，以后可以根據需要對參數進行修正。計算直徑35毫M的周長數值：周長L=直徑X圓周率=35X3.14=109.9取整數110毫M。由于我們選擇了較大的風葉曲率和較大的風葉傾角，因此風葉體積和面積也相對較大，風葉截面的頂端長度達到了32毫M,最底端也達到了25毫M,而我們選擇了風葉傾角為40度，可以計算出風葉底端在電機圓周上占用的長度。計算每個風葉底端占用的電機圓周長度：占用圓周長度二風葉底部截面長度X葉片傾角a=25Xcos40=19.15取整數為19毫M。而電機的圓周長為110毫M,而每個風葉的最前端和最后端不能有重疊的部分，因為也沒有必要兩個風葉

31、有生疊的部分，即增加風扇整體的重量，也浪費材料，同時由于風葉重量的增加，會使電機功率加大，一是浪費電能，二來加大電機功率，勢必要加大電機中鐵芯和繞組的體積，使中軸電機直徑增大，使風扇中心很大一部分為風力盲區，降低單位面積風扇的有效風量。因此每兩個風葉之間最好有幾毫M的空隙。而上文計算得到每個風葉的最底部截面長度為19毫M,電機圓周長為110毫M,因此可以通過電機圓周長除以風葉底部長度，然后商取整數確定風葉個數。計算如下：電機圓周長除以風葉底部長度/每個風葉的最底部截面長度=110/19=5余數為15，即風葉數目為5，空隙總量為15毫M。再來計算風相鄰風葉的空隙距離：相鄰風葉空隙距離二空隙總量/

32、風葉個數=15/5=3即相鄰兩個風葉之間有3毫M空隙，非常合適。然后還要計算葉片間距：葉片間距二電機圓周長/風葉個數=110/5=22即風葉間距為22毫M。2.3.7風葉間距和個數的校核通過分析，葉片間距22毫M理論上是相當合適的，和葉片傾角和葉片曲率一樣,葉片間距對風扇性能也有重要影響。比較小的風葉間距可以大幅度降低風的擾動，使風力非常平穩地吹向散熱片。也降低了風噪。風葉個數的校核：通常無論是風扇還是飛機的螺旋槳等，葉片的數目大多奇數，而不采用對稱的偶數，這是因為，如果采用偶數個數，而風葉總體設計和制造中，存在一些缺陷，使風葉總體對稱和平衡性達不到最佳，往往造成運行中，由于不平衡導致噪聲和震

33、動大大增加，甚至發生共振。共振的危害是極大的，不止加大噪音，還具有破壞性。如果軸心的電機和軸承長時間處于共振，很可能造成軸的疲勞而突然斷裂。因此為避免不必要的麻煩，風葉個數多采用不對稱的奇數形式，本課題設計了擁有五片葉片的葉片個數，也恰恰符合了這一項要求。所以風葉間距和風葉個數目前都符合要求。2.3.8設計葉端間距葉端間隙指的是俯視風扇的圓盤面，風葉最外緣與邊框的間距，如圖11：圖11葉端間距葉端間距可能很多人對它對風扇的總體影響到底有多大，恐怕并不知道，其實葉端間距對風扇性能的影響也是很大的。也是風扇設計中的大難題。葉端間距過大會造成氣體的回流，降低效率，同時使有限的扇框的利用率降低。但如果

34、葉端間距過大，則會使氣流與風扇外框間的摩擦加大，造成功率的浪費，也會使發熱增加，風噪增加。通常傳統的風葉都是風葉最前端與最尾端與扇框距離保持一致，于是課題改變傳統形式，讓最尾端的葉端間距與最前端的葉端間距略大一點。讓最前端與扇框保持2毫M的葉端間距，而最尾端與扇框保持4毫M葉端間距，使效率與噪音達到雙平衡。如圖12：2.3.9設計風葉弧度拿來一只風扇，如果從上面俯視看去，會發現葉片并不是由軸心直線向外延伸出去的，而是帶有一定的弧線。如圖13：葉片*葉片*弧度圖13葉片弧度如果葉片沒有弧度，而是筆直地向外延伸出去，這樣風扇轉動時，吹出的風就會發散著向外吹出，風力不集中，降低風扇的有效風力。如果使

35、風葉帶上一定的弧度向外延伸出去，這樣風葉吹出的風就會由于風葉的弧度的影響，在出葉片時，被葉片的弧形曲線聚攏一下，使風力集中，增加風壓。但是風葉弧度也不可過大，過大了會使葉片的面積增大，也會使流動的空氣產生橫向的攪動，產生紊流，降低效率，增加風噪。因此也要在合理范圍內選取。本課題選取了曲率半徑為100mm。本課題根據了初步設計的葉片延伸的曲率，計算了弧度。根據弧度的定義：弧長等于半徑的弧，其所對的圓心角等于一弧度。所以可以看出弧度與所在圓的半徑沒有關系。而所謂多少弧度指的就是其所對的圓心角的角度。因本課題將要設計的風扇尺寸為90mm，內徑的尺寸為86mm,所以內框半徑為43mm,而所設計的電機直

36、徑為35mm，葉端間距最前端為2mm,最尾端為4mm。所以平均葉端間距為：平均葉端間距=最前端葉端間距+最尾端葉端間距)/2=2+4)/2=6/2=3mm即平均葉端間距為3mm。然后來計算弧度。弧度=弧長/半徑弧長=風扇內框直徑/2-電機直徑/2-平均葉端間距=90/2-35/2-3=45-17.5-3=24.5mm本課題已經選取曲率半徑為100mm,因此計算弧度為：弧度=24.5/100=0.245即設計的葉片弧度為0.245弧度。2.3.10設計風葉的軸心高度本課題的軸心高度指套在電機上的電機殼的縱向厚度。如圖14：圖14軸心高度軸心的高度和葉片的大小與風扇的整體縱向尺寸密切相關，我們將要

37、設計的風扇的縱向尺寸為25mm，假設電機底座高度為3毫M，風葉電機殼距離風電機底座也是3毫M,然后風扇最頂部距離風扇邊框為1毫M,可以算得軸心高度為18毫M。但由于本課題中要設計的風扇的葉片尺寸較大，所以要把葉片上的電機殼做成中間凸起的形狀，即可有足夠大的表面積安置風葉，又可以增加藝術美感。如圖15為設計后的預想圖。看起來很像飛機的螺旋槳。圖15風扇預想圖2.3.11計算風葉最大外徑根據前面已經求得的參數，可以輕松算得風葉的最大半徑:最大半徑二扇框內半徑-最前端葉端間距=432=41mm所以風葉最大半徑為41毫M。2.3.12整理設計參數，繪制圖樣綜上所述，本課題初步設計出了能夠很大程度上減少

38、噪音的風葉結構，其各項參數如表1：表1風葉設計參數表格參數名稱數值風扇葉片曲率5葉片傾角40度風葉最大外徑41毫M風葉間距22毫M風葉數目5個葉端最小間距2毫M風葉弧度0.245風葉的軸心高度18毫M風葉最大半徑41毫M風葉平均半徑40毫M風葉截面最頂端長度32毫M風葉截面最底端長度25毫M根據整理得到的參數，繪制風葉圖樣:圖16風葉圖樣3計算風扇所需轉速3.1計算風扇每轉的理論風量3.1.1計算每片風葉的空間容量計算每片風葉的有效空間容量：風葉長度=風葉平均半徑-電機直徑/2=40-35/2=22.5mm根據圖17所示計算每個風葉的空間容量:風葉平均截面長度二風葉截面最頂端長度+風葉截面最底

39、端長度)/2=/2X風葉長度=28.5Xsin40)X28.5Xcos40)/2X22.5二所以每片風葉的空間容量為4.5立方厘M。3.1.2計算風扇每一轉的理論風量雖然直觀上每一轉的風量是等于每一片的風葉的空間容量乘以風葉的個數，但實際上由于每一片的風葉都是連續轉動的，所以每片風葉轉動一周都會將整個扇框一周的空氣吹出風扇出口，風扇轉一圈相當于五倍于風扇扇框容量的空氣吹出風扇。因為空氣不是固態的，具有流動性。由于任何物體都具有慣性，空氣也一樣具有慣性，而且風扇轉動時，在風扇內部會形成一個壓力比較小的區域，這樣造成了風扇內外的壓力差。所以當第一片風葉將空氣推出去之后，后面的空氣還會由于慣性和壓力

40、差的作用繼續經過風扇。所以就不能以每片風葉容量乘以風葉個數來計算每一轉的風量了。由于風葉是高速旋轉的，所以幾乎每時每刻經過的風量是相等的，所以每一轉的排出的空氣量就大致等于風扇扇框的空間大小乘以風葉片數。但還有不能忽略的兩個問題就是：一是風扇軸心部分是電機，這部分沒有空氣流通，所以計算空間時，還要將電機部分所占用的空間去掉。二是風葉的高度差并不等于風扇扇框的高度，而是比扇框高度要小，課題前面已經計算出來風葉的高度為：風葉高度差二風葉平均截面長度Xsin葉片傾角=28.5Xsin40=18.32mm18.32mm=0.01832m。然后來計算電機所占用的柱形體積:圖18電機占用的中心空間計算的電

41、機所占空間如下:電機體積v=3.14XR2X風葉高度差=3.14X35/2X10-3)2X0.01832=3.14X1.75X10-2)2X0.01832=1.761697X10-5m31.76X10-5m3立方M課題所設計的風扇扇框為正方形，邊長為9厘M,內框為圓形，扇框最薄的地方厚度為2.5毫M,計算扇框內徑大小：內徑二扇框邊長-扇框厚度X2=9X10-2.5X2=85mm85mm=0.085m計算扇葉所占用的環形柱形空間：扇葉環形柱形空間=內框柱形空間-電機空間=3.14X0.085/2)2X0.01832-1.76X10-5=1.04X10-4-1.76X10-5=8.64X10-5m

42、3最后計算風扇每一轉的理論風量：每轉理論風量二扇葉環形柱形空間X風葉個數=8.64X10-5X5=4.32X10-4m33.1.3對理論風量進行折算在實際中，考慮各種影響理論風量的因素。比如風葉并不是嚴絲無縫排列在風扇整個圓周上，相鄰之間存在空隙，在空隙處可能會產生風葉上下表面間的回流現象；由于風葉附近氣壓偏低，使實際進入風葉的空氣量不足；扇葉周圍存在空氣擾動，對空氣流通產生阻力；還有由于風葉附近空氣流通特別快，難以避免會在風葉附近存在紊流現象。很多未知因素都會使實際風量低于理論值，所以本課題將理論風量折去百分之二十后作為假定的風量。每轉的風量實際計算結果如下：每轉風量二理論每轉風量X1-20

43、%)=4.32X10-4X80%=3.456X10-4m3所以每轉風量為：3.456X10-4立方M。3.2計算風扇所需轉速3.2.1計算風扇的理論轉速課題前面章節通過計算得出，散熱器需要的風量為0.35ms/min。因此我們只需用每分鐘總的風量除以風扇每一轉的風量就可以得出需要的轉速。但計算前還需要進行單位轉換：每轉風量為3.456X10-4立方M。所以風扇的理論轉速為：轉速=風量/每轉風量=0.35/3.456X10-4)=1012r/min最后得到結果：風扇理論轉速為1012轉/分鐘。綜合分析，得到額定的轉速實際運用中，由于風扇的風是往散熱片上吹，風的路徑并不是暢通無阻的，很多因素都會使

44、有效的風量大打折扣，如果風壓不是足夠大，很有可能風到達不了散熱片最底端，還有主機中各種電源線及電子元氣件的阻擋，都會使有效風量降低。都要在理論的基礎上另加折算。本課題選擇了較大的葉片曲率和葉片傾角，有效地保證了風壓，使風不至于吹不到散熱器最底端。而本課題設計的風扇，也沒有過于使用直過大的風扇，雖然直徑再大些，能更有效地降低轉速，同時風扇直徑過大，雖然風量設計成一樣，但風壓會降低很多，吹出的風不能夠保證到達散熱片最底端。所以本課題綜合考慮選擇了直徑九厘M,延續了市面上的九厘M風扇尺寸，沒有設計成偏僻的尺寸，使產品具有相當高的互換性，不用重新再購買散熱片，直接換風扇就可以。課題理論計算出的每分鐘一

45、千轉，雖然風量足夠，但風壓會不夠大，為了使風一定能夠吹到散熱片最底端，課題整定的轉速為1500轉每分鐘。配合電機的溫控調速電路，通常不會讓其工作在額定轉速下，只有當CPU滿載和溫度過高時才會工作在額定轉速下，平時由于有溫控調速電路的調節，故轉速通常不會很高，所以靜音效果是很明顯的。綜上所述，最后設計額定轉速為1500轉/分鐘。比市面上平均2000轉降低了很多。4軸承和電機部分的設計4.1選擇軸承4.1.1各種風扇軸承簡介目前散熱風扇的軸承種類繁多，附錄3中列出了目前大多數軸承的參數。含油軸承：目前市面上的十元左右的風扇大多選用的是含油軸承，這種軸承不帶有滾珠，軸和軸瓦間依靠油來潤滑。這種軸承噪

46、音較小，工作環境要求低，但壽命較短，不超過八千小時，而且噪音會隨著使用時間的延長時加大。液態軸承：最昂貴的風扇所使用的軸承就要數現在用在硬盤上的液態軸承了，它以油來代替滾珠，最大幅度地降低了噪音，增加了工作壽命，同時由于采用油作為填充物，所以散熱良好，常作為高速軸承，如用于服務器上的每分鐘萬轉甚至一萬五千轉的高速硬盤都采用的是液態軸承，就連普通個人電腦硬盤，也在十年前采用了液態軸承。液態軸承由于軸承與軸瓦不存在直接接的機械接觸，并且有油作為緩沖物，所以抗震能力了相當好。缺點就是價格很高，只有很高端的風扇才會采用液態軸承。滾珠軸承：風扇軸承還有滾珠軸承，并且滾珠軸承還分為雙滾珠和單滾珠軸承。滾珠

47、軸承相比含油軸承，采用滾動摩擦來代替滑動摩擦，所以壽命比含油軸承長。但如果由于滾珠的制造精度不夠高，噪音會比較大。其中單滾珠軸承作為雙滾珠軸承與含油軸承的折衷產物，因價格比雙滾珠軸承低，比含油軸承略高，但壽命比含油軸承長，并且噪音一般不會隨著使用時間的延長時增加，所以一般很多風扇配的是這種軸承。除此之外還有含油軸承的改進型來福軸承含油軸承的改進型）、磁懸浮軸承和納M陶瓷軸承等。4.1.2選用軸承風扇的壽命往往取決于軸承的壽命。本課題的宗旨是價格低，也要靜音，使用壽命也不能過短。而來福軸承比較適合。來福軸承工藝要求較低，所以加工起來比較容易，將加工的成本降了下來。來福軸承是普通含油軸承的改進型，

48、適合轉速較低的場合。繼承了噪音低的特點，其增加了逆向螺旋形導油槽，壽命大大增加，可以達到四萬小時。來福軸承對高轉速的適應能力差，而靜音版的風扇轉速都不能太高，所以很適合本課題的遷用。所以本課題選擇來福軸承作本風扇的軸承。4.2設計電機4.2.1選擇電機類型，確定是否有無功功率臺式電腦的CPU散熱風扇都是由專門的供電線路供電的，風扇的供電線都是通過特別的插頭插到電腦主板上專門的供電插座上的。風扇上的供電導線通常都是三條或四條，并且顏色不一致。圖19CPU風扇四線供電線路圖19中的散熱風扇一共有四根導線，分別為黃、黑、綠、藍。風扇額定電壓為直流12伏，黃線為電源正極；黑線為供電的回路即電源負極；綠

49、線為測速線，用來測量風扇轉速；藍線為控速線，用來控制轉速。除了擁有四根導線的風扇之外，還有只有三根導線的風扇，如圖20：圖20CPU風扇三線供電線路只有三根導線的風扇，省去了控速線，所以一般不能夠自動控制轉速。風扇噪音大小與轉速度有著直接的關系，所以為了避免CPU風扇一直以較高的轉速運轉，產生不必要的噪音，所以必須對其進行控速，所以供電要選擇四線供電。由于CPU供電的電源是電腦主板提供的，已經標準化，額定都是直流12伏，所以風扇電機還是選擇直流電機為最佳。如果選擇交流電機，就需要在風扇本身上增加逆變電路，設計起來過于復雜，而且風扇底座的面積很有限，只有幾平方厘M,沒有足夠的空間安放較多的電子元

50、件，所以直流永磁體電機是惟一的選擇，并且沒有無功功率。有刷電機與無刷電機的選擇有刷電機都依靠一對電刷接觸到轉子繞組的頂端滑片上，來為轉子繞組線圈供電，在結構是與無刷電機相比，要復雜，體積也比較大，在風扇中軸處有限的空間內，安裝起來很困難。并且制造成本也偏高。還有其它原因也不適合使用有刷電機：有刷電機高速旋轉時，在電刷與滑片之間存在摩擦，會產生熱量，而風扇中軸部分空間又很狹小，不容易散熱，時間長了容易造成電機過熱。此外，由于轉子的滑片并不是連續的，中間存在間隙，所以電刷在兩個滑片間有可能發生振動，增加噪音。而無刷電機沒有有刷電機那種電刷與轉子之間的接觸結構，因此轉動比較平穩，噪音較小。結構相比有

51、刷電機要簡單，定子可以做得比較扁，很容易放在風扇的中軸處。而且可以將轉子的永磁體事先安裝在轉子風葉上，所以電機整體安裝也比較方便。因此在散熱風扇上無刷電機相比有刷電機有很大的優勢。所以本課題選擇無刷永磁體電機作為風扇的電機。4.2.3所需電機功率的計算轉動的物體的功率計算公式為：功率P=2piX扭矩X轉速/60,在計算功率之前還要求出風葉所受空氣阻力的力矩。力矩指的是力的大小與力臂的乘積，單位為：Nm。風葉圓盤面的平均半徑為40毫M，即0.04M。電機直徑為35毫M，即0.035M，電機半徑為直徑的一半即0.0175M。風葉受力點與軸心的力臂d即為風葉受力中心點距離軸心的距離，大小為：風葉力臂

52、d=（風葉平均半徑-電機半徑/2=0.04-0.0175=0.0225m風葉的力臂為：0.0225M。計算風葉所受阻力為：0.7506N,風扇運行中，不止有風阻，由于軸承的摩擦也會使風葉阻力加大，所以要在空氣阻力的基礎上增加10%的軸承阻力。所以風葉實際阻力為：實際阻力二空氣阻力Xl+10%)=0.7506X1.1=0.82566N計算力矩為：力矩M二阻力X阻力臂=0.82566X0.02250.0186Nm最后計算功率：電機功率P=2piX力矩X轉速/60=2X3.14X0.0186X1500/60)=6.28X0.0186X25=2.9202W所以風扇電機的功率應該設計為3瓦。4.2.4電機漆包線截面積的計算要選擇漆包線截面積,首先要計算電流,需要先求得電機消耗的電功率。前面已經計算得到了風扇所需機械功率為3瓦。實際中由于電動機線圈發熱等原因,電動機不可能將所有電能轉化為機械能,因此要根據效率進行折算得出要消耗的電功率,并且要考慮是否有無功功率。一般電動機滿載時效率在80%以上,所以計算電功率時,將所需機械功率除以0.8,