Типы подшипников в компьютерных вентиляторах

Обновлено: 04.07.2024

Для многих электронных систем вентиляторы являются важным компонентом, предназначенным для поддержания системы в пределах рекомендуемых температур, гарантируя оптимальную работу электроники и продолжительность ее полного срока службы. Были попытки найти альтернативные методы управления температурным режимом, но ни один из них не оказался столь же эффективным и экономичным, как вентилятор.

В работе вентилятора используется ротор, который вращается на подшипнике для вытеснения воздуха. Надежная работа подшипника является ключом к конструкции вентилятора, поскольку вентилятор может вращаться тысячи раз в минуту и должен иметь многолетний срок службы. Этот процесс подвергает подшипник огромной нагрузке, поэтому очень важно, чтобы он соответствовал поставленной задаче.

Существуют две широко используемые конструкции подшипников: подшипник скольжения и шарикоподшипник, и каждая из них имеет свои плюсы и минусы.

Вентиляторы с подшипниками скольжения

Конструкции вентиляторов с подшипниками скольжения недороги, прочны и просты, что привело к их широкому использованию во многих областях. Прочная конструкция гарантирует, что они могут работать во многих суровых условиях, а их простота означает, что они менее подвержены неисправностям. Еще одним преимуществом вентиляторов с подшипниками скольжения является то, что они создают меньше шума при работе, что позволяет широко использовать их в тихих местах, например в офисах.

Центральный вал вентилятора с подшипниками скольжения заключен в кожух, напоминающий втулку, с маслом для смазки, облегчающим вращение. Втулка защищает вал и обеспечивает удержание ротора в правильном положении, сохраняя зазор между ротором и статором.

Схема подшипника скольжения

Для получения правильного размера зазора между валом и втулкой может потребоваться балансировка. Слишком мало места приводит к увеличению трения, что затрудняет запуск вентилятора и потребляет больше энергии. Если зазор слишком большой, то ротор может качаться. Второй недостаток конструкции втулки заключается в том, что втулка является единственной физической средой, удерживающей ротор на месте, и со временем вал разрушает отверстие подшипника. Это явление усугубляется, если ротор всегда вращается в одном и том же направлении, что в конечном итоге приведет к тому, что отверстие приобретет овальную форму, что приведет к более шумной работе и сокращению срока службы. Если вентилятор перемещается или переориентируется, подшипник будет подвергаться эрозии в разных местах и станет неровным, что еще больше усугубит колебание и шум. Кроме того, конструкция рукавного типа требует маслосъемных колец и майларовых шайб, чтобы предотвратить утечку смазки, что вызывает большее трение на валу и препятствует утечке газов. Захваченный газ затвердевает в виде частиц нитрида, которые мешают движению и могут сократить срок службы вентилятора.

Вентиляторы с подшипниками скольжения можно найти во многих конструкциях, особенно в тех, которые работают при нормальных температурах и на стационарном оборудовании. В таких приложениях, как компьютерное и офисное оборудование, приборы HVAC и промышленные шкафы, широко используются конструкции вентиляторов с подшипниками скольжения.

Вентиляторы на шарикоподшипниках

Конструкции вентиляторов на шарикоподшипниках предназначены для устранения некоторых недостатков вентиляторов с подшипниками скольжения. Как правило, они менее подвержены износу и могут работать в любом положении и при более высоких температурах. Однако вентиляторы на шарикоподшипниках более сложны и дороги, чем конструкции с подшипниками скольжения, а также менее прочны. В результате удары могут сильно повлиять на общую производительность вентилятора на шарикоподшипниках. Они также имеют тенденцию создавать больше шума при использовании, что может ограничить области, в которых они могут быть развернуты.

В конструкции вентиляторов с шарикоподшипниками используется кольцо из шариков вокруг вала для решения проблем неравномерного износа и биения ротора. Большинство конструкций двигателей вентиляторов имеют два подшипника, один перед другим, и эти подшипники обычно разделены пружинами. Подшипники обеспечивают меньшее трение по сравнению с конструкциями с втулками, а пружины могут помочь при любом наклоне вентилятора, который может вызвать вес ротора. Если пружины расположены вокруг вала по всей длине, устройство можно использовать под любым углом без износа и трения, что делает конструкцию более надежной.

Вентиляторы на шарикоподшипниках также можно найти в компьютерных приложениях с высокой плотностью размещения и в центрах обработки данных, где производительность, температура и среднее время безотказной работы являются более важными факторами, чем шум. Они также широко используются в промышленности для охлаждения электронных систем или в качестве вентиляторов для промышленной сушки.

Схема шарикоподшипника

Подшипник вентилятора системы omniCOOL™

Шариковые подшипники и подшипники скольжения — не единственные доступные варианты. Существует альтернативный вариант, представленный CUI Devices, который называется системой omniCOOL™ и используется в нашей линейке усовершенствованных вентиляторов с подшипниками скольжения. Используя либо магнитную балансировку ротора, обычно называемую магнитной структурой, либо усовершенствованный подшипник, системные технологии omniCOOL обеспечивают увеличенный срок службы вентилятора и улучшенную производительность.

Присутствующая на вентиляторах с суффиксом «-V» в номере детали, магнитная структура системы omniCOOL заставляет ротор работать почти так же, как волчок, который может работать под любым углом, не падая. Магнитная структура установлена в передней части ротора, где ее магнитный поток течет параллельно направлению вала двигателя. В этом положении магнитная структура равномерно притягивает ротор независимо от угла наклона ротора.

Схема двигателя вентилятора с магнитной структурой системы omniCOOL

Наконечник вала удерживается на месте с помощью опорной крышки в передней части отверстия подшипника, образуя точку вращения ротора. Этот метод снимает вес ротора как с вала, так и со втулки подшипника. Магнитное поле также тянет вал вниз, понижая его центр тяжести, что сводит к минимуму наклон и колебание. Это позволяет использовать вентилятор под любым необходимым углом, а также сводит к минимуму трение.

Кроме того, для вентиляторов с суффиксом «-C» или «-CF» в номере детали система omniCOOL имеет усовершенствованную конструкцию подшипника для улучшения работы. Интеграция специальных канавок на внешней стороне подшипника для обеспечения циркуляции смазки вокруг вала, усовершенствованный подшипник предотвращает накопление смазки и минимизирует трение, что обеспечивает аналогичные преимущества снижения шума, повышения эффективности и увеличения ожидаемого срока службы по сравнению с обычным вентилятором. дизайн.

Специальные канавки на внешней стороне подшипника способствуют увеличению цикла смазки

Обе технологии системы omniCOOL сводят к минимуму компромисс между затратами и производительностью, присущий традиционным конструкциям подшипников скольжения и шарикоподшипников. Однако магнитная конструкция вентиляторов серии -V обеспечивает более длительный срок службы, а улучшенный подшипник вентиляторов серий -C и -CF более экономичен.

Преодоление разрыва в традиционных конструкциях вентиляторов

Система omniCOOL устраняет недостатки конструкций вентиляторов с шарикоподшипниками и подшипниками скольжения, в результате чего получается прочный, тихий и экономичный вентилятор с более длительным сроком службы. Благодаря устранению недостатков двух других типов конструкции вентилятора система omniCOOL может использоваться для замены любого типа вентилятора. Вместо того, чтобы принуждаться к компромиссу, дизайнеры могут получить доступ к конструкции вентилятора, которая сочетает в себе лучшее из обоих миров.

Целью этой статьи является предоставление подробной информации о наиболее важной части системы персонального компьютера (ПК), его блоке питания. Следуйте за нами в этом путешествии по территории PSU, и мы обещаем, что вы получите ценные знания.

Работа вентилятора и типы подшипников

Страница 1: Введение
Страница 2: Катушки индуктивности и трансформаторы
Страница 3: Конденсаторы
Страница 4: Текущие пульсации и расчет предельного срока службы
Страница 5: Список производителей конденсаторов
Страница 6: Резисторы, транзисторы и диоды
Страница 7: SMPS в сравнении с. Линейные регуляторы
Страница 8: Описание частей SMPS
Страница 9: Этап фильтрации электромагнитных помех/переходных процессов
Страница 10: Мостовые выпрямители и APFC
Страница 11: Главные переключатели и трансформаторы
Страница 12: Выходные выпрямители и фильтры
Страница 13: Переключение контроллеров и изоляторов
Страница 14: Переключение топологий регуляторов
Страница 15: LLC Resonant Converter
Страница 16: Блоки питания с цифровым управлением
Страница 17: Охлаждение блока питания
Страница 18: Работа вентилятора и типы подшипников
Страница 19: Другие типы подшипников: SSO, Rifle, Hysint
Страница 20. Измерение скорости вращения вентилятора блока питания
Страница 21: Защита блока питания
Страница 22: Мониторинг интегральных схем
Страница 23: Технические характеристики ATX, EPS и 80 PLUS
Страница 24: Ресурсы PSU

Работа вентилятора и типы подшипников

Наиболее важными компонентами любого вентилятора являются его подшипник и вал, на котором крепится лопасть вентилятора. Подшипник представляет собой неподвижный цилиндр, внутри которого вращается вал. Для обеспечения высокой надежности и снижения уровня шума необходимо максимально снизить трение между валом и подшипником. В большинстве случаев в качестве смазки используется масло. Однако можно использовать и другие методы (например, поверхности с тефлоновым покрытием). Если масло не уплотнено должным образом внутри подшипника, то со временем его количество будет уменьшаться, увеличивая трение, что приводит к замедлению вращения вентилятора и увеличению шума, пока вентилятор не сломается и не перестанет вращаться.

Сегодня в большинстве вентиляторов блоков питания используются три основных типа подшипников:

Вентиляторы с подшипниками скольжения
Вентиляторы на двойных шарикоподшипниках
Вентиляторы с гидродинамическим подшипником (FDB) и гидродинамическим подшипником (HDB)

Ниже мы приводим краткое описание каждого типа подшипников и ссылки на их ключевые аспекты; мы также предоставим несколько фотографий соответствующих типов подшипников. Фотографии были получены путем разборки нескольких вентиляторов (некоторые из которых довольно дороги), которые были любезно предоставлены Noctua и Caseking.de.

Вентиляторы с подшипниками скольжения

Сегодня в наиболее распространенных вентиляторах блоков питания используется подшипник скольжения, срок службы которого меньше, чем у двух других упомянутых типов подшипников. Вентиляторы, использующие подшипник скольжения, стоят меньше и обеспечивают низкий уровень шума, особенно на более низких скоростях, по сравнению с вентиляторами, использующими шарикоподшипники. Смазка (масло или консистентная смазка) уменьшает трение между внутренней поверхностью подшипника и валом вентилятора. Как только эта смазка испаряется, срок службы вентилятора просто заканчивается.

Хорошего качества вентилятор на подшипниках скольжения производства Prolimatech с надлежащими уплотнениями, препятствующими испарению масла.

Хорошие вентиляторы на подшипниках скольжения могут работать до 30 000 часов (а в некоторых случаях и больше) при температуре до 50 градусов Цельсия. Их главное преимущество — доступная цена, что делает их популярными в недорогих блоках питания. Вентиляторы с подшипниками скольжения не предназначены для горизонтальной установки, так как масло внутри подшипника перемещается на одну из сторон вала, что не обеспечивает равномерной защиты от трения.

Вентиляторы на шарикоподшипниках

В более качественных вентиляторах используются двойные шарикоподшипники для уменьшения трения. Этот тип вентилятора может быть установлен в любом положении, что не влияет на его долговечность. Это отличается от вентиляторов с подшипниками скольжения, которые серьезно страдают при горизонтальной установке, как это обычно бывает с блоками питания. Типичный срок службы хорошего шарикоподшипникового вентилятора может достигать, а в некоторых случаях даже превышать 50 000 часов при очень высоких температурах окружающей среды. Но в большинстве случаев задолго до того, как вентилятор перестанет работать, его подшипники начнут издавать повышенный шум из-за износа. В этот момент они могут стать раздражающими, поэтому пользователи, скорее всего, изменят их задолго до того, как они полностью сломаются.

Качественный вентилятор на двойных шарикоподшипниках от ADDA. На последнем фото изображены два кольца шарикоподшипника.

В целом вентиляторы на шарикоподшипниках имеют повышенный уровень шума по сравнению с муфтовыми и гидродинамическими вентиляторами, особенно на низких скоростях, когда может быть нарушен баланс узла ротора. Некоторые производители используют магниты, чтобы поддерживать балансировку вала во всех случаях и избежать этой проблемы.

Вентиляторы с гидродинамическими и гидродинамическими подшипниками

Вентиляторы с гидродинамическим подшипником (FDB) и гидродинамическим подшипником (HDB) представляют собой сильно модифицированные версии вентиляторов с подшипниками скольжения, в которых конструкция подшипника отличается, а смазочная жидкость сохраняется нетронутой за счет использования уплотнений. (некоторые вентиляторы с подшипниками скольжения хорошего качества также оснащены уплотнениями для сохранения масла в целости). Это означает, что трение сохраняется на очень низком уровне даже после длительного использования, которое легко может превышать 50 000 часов, а в некоторых случаях достигать 300 000 часов. Смазка в вентиляторах FDB подается на всю поверхность подшипника через спиральную канавку, что делает эти вентиляторы лучшим выбором для горизонтальной установки, поскольку смазка во всех случаях покрывает всю поверхность вала.

Основные сведения о подшипниках корпусных вентиляторов. Какой подшипник лучше?

Вы видели это раньше? В них используются гидродинамические подшипники. (Источник изображения: НАСА)

Срок службы и уровень шума. Гидродинамические подшипники вентиляторов имеют самый большой срок службы — от 100 000 часов при низких температурах (40–70°C) до более 300 000 часов в зависимости от выбранного вентилятора. Все эти часы, конечно, являются прогнозами тестов, проведенных в лабораториях надежности, которые имитируют нагрузку, которую вентилятор получит при использовании различных методологий тестирования, но это совершенно другая статья.

Вентиляторы, использующие гидродинамические установки, остаются очень тихими на протяжении всего срока службы. В качестве быстрого сравнения, два вентилятора, которые мы использовали в нашем испытательном стенде для измерения уровня шума, имеют следующие характеристики:

Монтаж. Жидкостные вентиляторы можно без проблем монтировать в любом направлении.

Производительность. Гидродинамические подшипники созданы для высокопроизводительных буровых установок; они, как правило, предпочтительнее из-за устойчивости и относительной тишины, при этом они выталкивают столько же или больше воздуха (измеряется в кубических футах в минуту), что и другие вентиляторы их диапазона. Эти вентиляторы, как правило, стоят немного дороже — пара долларов на потребительском уровне, — но они того стоят для тех, кто хочет сверхтихую систему.

Дополнительно: подшипники Maglev — это еще одна технология, которая пытается приблизиться к бесшумности вентиляторов, но они еще не получили широкого распространения и здесь не рассматриваются.

Это большая работа для фанатов. Итак, какой вентилятор мне купить?

Если в вашем корпусе установлены вентиляторы диаметром 140 мм и больше, вы не должны испытывать неприемлемого уровня шума (просто купите вентиляторы с уровнем шума от 19 дБ до 25 дБ); однако, если вы выделили себе дешевый корпус и ограничены двумя или тремя 120-мм вентиляторами, вероятно, стоит приобрести такой эпический вентилятор. Просто помните — если вы тратите много денег на вентиляторы для своего бюджетного корпуса, возможно, лучше подумать о том, чтобы вместо этого потратить эти деньги на более дорогой корпус. Вы всегда можете добавить модные веера позже.

Некоторые источники:

– Испытательный стенд вентиляторов GN и проверка надежности.

– Более подробные сведения о том, как перерабатывается смазка для подшипников, см. на соответствующей странице в Википедии.

Подшипники, используемые в вентиляторе, и качество смазки являются основными факторами, определяющими срок службы вентилятора и уровень шума. Эти оценки предполагают, что вентиляторы работают в тяжелых условиях (50°C) — фактический срок службы может быть намного больше. В вентиляторах используются три распространенных типа подшипников (и множество подтипов).

Гидродинамические подшипники (~60 000 часов)
Вариации гидродинамических подшипников часто имеют множество других названий (гидродинамические или гидростатические подшипники, паровые подшипники, подшипники SSO и т. д.). Они перекачивают или всасывают жидкости вокруг втулки, чтобы свести к минимуму износ подшипника. В результате получается самый тихий из доступных типов подшипников и более длительный срок службы, чем у втулочных аналогов. Производители жидкостных подшипников часто также модифицируют свои двигатели вентиляторов с помощью дополнительной магнитной стабилизации для дальнейшего увеличения срока службы (например, система Sunon MagLev или система Noctua SSO2). Это почти всегда самый дорогой тип подшипника.

Лезвия

< бр />

Конструкция лопастей вентилятора во многом определяет эффективность воздушного потока и статического давления. Как правило, большая площадь поверхности лопастей означает, что вентилятор будет выталкивать больше воздуха за заданное количество оборотов.Чем медленнее вращается вентилятор, тем меньше он будет издавать шума и потреблять меньше энергии.

Разработчик вентиляторов должен максимизировать площадь поверхности лопастей без ущерба для размера двигателя (что приведет к снижению способности к статическому давлению). Одним из самых простых способов определить качество конструкции лопасти вентилятора является измерение расстояния между лопастью вентилятора и рамой корпуса вокруг нее. Лопасти, расположенные близко к раме, максимально увеличивают выделенную площадь поверхности. Однако центробежная сила расширит пластик лопасти вентилятора в течение длительного периода времени на несколько миллиметров. Вполне вероятно, что если лопасти расположены очень близко к раме, использовался пластик более высокого качества, так как им не придется учитывать такое большое расширение лопастей.

Двигатели вентиляторов

Мы не решаемся описать конструкцию катушки, учитывая, что стостраничный технический документ лишь начал бы поверхностно освещать эволюцию электромагнитной техники. Тем не менее, может быть полезно знать, что двигатель вентилятора находится внутри втулки вентилятора — области за наклейкой вентилятора. Потребляемая мощность (ток) вентилятора, обычно измеряемая в амперах, зависит от качества обмоток (проводов, из которых состоят катушки) и используемых материалов. Это также влияет на эффективность статического давления.

< бр />

Энергоэффективность вентиляторов значительно повысилась за последние 20 лет, в первую очередь благодаря более качественной конструкции змеевика. Катушки постоянного тока (постоянного тока) будут более эффективными, чем катушки переменного тока (переменного тока), но доступ к источнику питания постоянного тока часто более ограничен и требует трансформатора. Все вентиляторы постоянного тока, которые мы предлагаем, используют бесщеточные двигатели. Бесщеточные двигатели немного дороже, но они значительно увеличивают срок службы двигателя. Электродвигатели EC (с электронной коммутацией) – это относительно новое изобретение, которое будет преобразовывать энергию переменного тока в двигатель постоянного тока. В ближайшие несколько десятилетий они станут более популярными, поскольку все больше производителей начинают внедрять эту технологию.

Мы будем рады обсудить любые другие технические вопросы, касающиеся подшипников, лопастей или двигателей. Не стесняйтесь звонить нам по телефону 425-821-6400 в любое время с понедельника по пятницу с 9:00 до 17:00 по тихоокеанскому времени.

Читайте также:

Спецификация подшипника	Втулка	Жидкость/гидро
Работа RPM (контролируемый)	1200RPM	1200RPM
Уровень шума (переменный)	~22dBA	~18,7 дБА
Рабочая температура (контролируемая)	50C	50C