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211、985硕士，职场15年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域
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本期给大家带来的是关于电子产品中风扇的基础知识研究内容，希望对大家有帮助。
今天，我们来聊一下关于风扇的基础内容。
风扇技术参数与基本结构构成（噪声、转速、PQ曲线...）
风扇选型流程（计算选型、串并联...）
1.基本结构
风扇是用来加速空气流动的部件，用来提高对流换热系数。通常又叫风机，也称Fan，分为轴流、离心风扇两种。
轴流风扇
轴流风扇的进风口与出风口平行风量大、风压小、噪音小，种类繁多、价格便宜，比如服务器、PC、机柜、逆变器、变频器等产品中应用的较多。
离心风扇
离心风扇的进风口与出风口垂直;风量小、风压高、噪音大、价格相对较高。比如笔记本、服务器显卡等受空间尺寸限制的产品中应用较多。
双滚珠轴流风扇的结构示意图
图片来源于网络
2.仿真参数
以轴流风扇为例，在做仿真时有一些关键参数需要设置，比如风扇的外框尺寸、厚度、HUB直径。
那么实际风扇的这些参数，可以在其相关文档中获取，如下图所示，
在做仿真时，对轴流风扇的设置，需要设定是顺时针还是逆时针，如下图所示（Flotherm为例，其它软件类似），
可以通过风扇的资料文档中给定的内容进行判断，如下图所示，
通过叶片旋转方向、气流流向来判断是顺时针、还是逆时针。
风扇转速与角速度
风扇的转速，即风扇扇叶在单位时间内旋转的圈数，单位一般为rpm，即转/分钟。
在仿真的时候，有的人不知道如何做单位换算，如下图所示，
换算公式如下：
1rpm=1*2π rad/60s=0.105rad/s
转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、使用寿命等。转速越高，风扇性能越强即风速越快，风量越大，风压越大。
相应的，转速高，摩擦、振动的情况就会更严重，导致噪音大，轴承的损耗大，风扇的使用寿命就短。
风扇的风量与风压
风扇PQ曲线与系统阻抗曲线
如上图所示，风扇选型后，其提供的风量和静压强存在的关系即为PQ曲线，放到系统中后，受到内部系统影响，风量和压降之间的关系为系统阻抗曲线，其交点即为风扇实际工作点。
这里我们可以引申出系统阻抗曲线的仿真或试验测试工作，这里不赘述。
不同风扇在同一系统中使用时的阻抗不一，实际工作点也有差异，阻抗的高低，我们可以通过压强来判断，通俗来讲较高系统阻抗，就是内部的压强阻力更大......
风扇噪声
由于风扇的特殊构造，在内部有马达高速旋转，所以必然会有噪声产生，噪声的测试方法，一般会在风扇的文档中提到，如下图所示，
即，风扇规格书中的噪音测试环境为：额定电压满转速，自由场进风口1m处。
这个文档给出的噪声值，只能作为参考，不能作为风扇在系统中实际的噪声。还受限于风扇转速、风道形式、风路上的结构件、固定方式结构件共振等多种因素。
有看到过这样的说法
当两颗风扇以同样转速运转时，其噪音为单颗风扇+3dB(A)；风扇转速降低一半，其噪音降低15分贝（有待考证）。
噪音测试的方法:依据IS0 3744，IS0 3745，IS0 7779，CNS 6753，JIS 8346测试规范，感兴趣的可以自行下载查阅了解。
3.风扇选型
确定系统风量需求
确定系统空间尺寸限制（风扇尺寸上限）
确认系统对风扇的噪声限制
确认系统阻抗
找供应商索取风扇资料
仿真分析或实验测试
如仍然不满足，则重复上述流程。
风量计算
能量守恒定律，P=ρ*Cp*Q*δTambient，计算时注意国际单位换算。
所选风机的最大风量建议满足，
Qmax=2.0*Q
Q为上述计算所得的值，设置2倍（也有文章说1.5倍）的理由是，考虑风扇的实际工作点，实际风量并不是最大风量。
尺寸选择
在结构尺寸限制确定好后，我们依据的原则是，相同的风量和风压，尺寸越大的风扇，噪音越低。
然后找供应商要相关尺寸的风机资料，确定PQ值，开始做初步的热设计仿真分析，得出仿真的实际工作点。
依据前面所提到的阻抗曲线（较高、一般、较低的阻抗曲线），判断风扇选型在系统中的表现，并进行合适的方案调整。
初步选型时，一般很难做到一次成功，提供优化的思路，如下几点建议，
更换风扇，选择更好的风压、风量进行测试对比；
改善散热器设计，散热齿间距、换热面积等（散热器性能评估：理论计算、仿真分析、实验测试标准指南）；
加大进出风口面积；
改善流道上的结构组件，减少阻力；
......
最后，要提一下，对于大型的机柜或损耗较大，功率密度较高的模块或设备，仍然需要使用风冷的情况下，可以使用并联或串联的设计方案。
风扇的串联与并联
串并联示意图
选择的原则：
串联：当系统中的阻力较大时，需要更高的风压的情况，优先考虑；
并联：当系统中的阻力较小时，需要更大的风量的情况，优先考虑；
当然还得考虑多个风机在系统后，整体系统噪声的影响，这个大家可以通过仿真、计算或者实际测试来验证。
下面给大家一些简单的计算参考，
同一规格的风扇可理论推导，风扇数量每增一倍，噪音增加3dB。
可直接计算：总噪音= 10log（风扇个数)+单个风扇噪音。如，单个风扇41dB,3个并联噪音为：10log3+41=45.77dB。
不同规格的风扇
例如:当三个风扇噪音分别为55dB、60dB、65dB，在同一系统内使用时，他们产生的噪音为:
大家可以将感兴趣的方向，私信我或在下方评论区交流。
