一种微小型气泵／风扇技术研究

钟 韬 任兴平 杨红飞 陶 红

（昆明千恒信息技术有限公司，云南 昆明650223）

1 技术背景

在有防爆、防水要求的应用场合，如工作于煤矿井下的有毒有害气体监测仪、在具有强烈腐蚀性气体环境下工作的化工气体监测仪，通常都存在着实时响应要求与防潮防爆要求需同时兼顾的问题。为了尽可能地提高防潮防爆效果，就要对气体分析仪的探测器进行防潮、防爆保护。保护越好，对气体的流动性阻碍越大，分析仪对气体浓度变化的响应时间就越长，实时性也就越差。提高实时性的一个主要办法是采用具有防尘防爆和防水性能的气体采样泵，以加快气体的流动速度。

本技术开发实现的高效节电型防潮防爆防尘微小型气泵可以解决监测仪器实时响应与防潮防爆需同时兼顾的问题，同时本技术研究开发的微小型冷却风扇，能在减小功率消耗的同时极大程度地降低风扇噪声，二者对于改善有毒有害气体的监测现状，降低能耗及环境噪声有着极其重要的意义。微型节能静音风扇，与传统产品相比，由于结构设计、驱动方式、支撑方式不同，随之带来的优越性为：用更低的驱动功率、更低的转速达到更大的风量和风压，实现更低的噪声和更长的寿命。

2 技术方案

2.1 技术原理

载流导体在磁场中会受到洛仑兹力的作用，在洛仑兹力的作用下，转子开始旋转。

洛伦兹力（Lorentz force）是运动于电磁场的带电粒子所受的力。根据洛伦兹力定律，洛伦兹力可以用方程表示，称为洛伦兹力方程，即：

式中，F为洛伦兹力；q为带电粒子的电荷量；E为电场强度；v为带电粒子的速度；B为磁感应强度。

2.2 国内外研究开发现状

现有气泵多采用同步电机的工作原理，由绕组线圈产生磁场，与永久磁铁装置相互作用。其工作过程为：电机的圆周运动，通过机械装置使泵内部的隔膜做往复式运动，从而压缩、拉伸泵腔内的空气形成负压，在抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体吸入泵腔，再从排气口排出。原有气泵由于绕阻加磁芯，尺寸受到很大限制；气路与电路的密封形式为动密封，防水防尘防爆性差，在特殊场合下不能使用；运动摩擦较大，噪声大；工作过程能量损耗大。

另外，全球信息产业市场规模的快速成长以及低碳节能概念的兴起，促使电子设备需求量快速上升，随着电子产品功能越来越强大、体积越来越小，发热越来越多的状况不断出现，小体积、低耗能、高效率的散热产品已成为业界最热门的产品。微型散热风扇作为电子设备散热的主要部件，一直是研究人员不断研究的重点。近十年来，在微型风扇的电磁部件、驱动控制电路、外形结构以及运行噪声控制等方面，不断有新的技术产生，随之带来了微型散热风扇的不断变革和技术进步。同时，我们也看到，在构成微型散热风扇的各个方面，所取得的研究成果和技术进步并不是均衡的，在驱动和控制电路方面取得的进步远比其他方面突出，而在电磁部件、风扇外形结构和运行噪声等方面的进步却很小，正是这些技术进步的不均衡，导致了微型散热风扇效率低、噪声大、寿命短等问题长期以来一直未能得到有效改善。

2.3 技术方案

本技术开发的是一种全新的微小型气体采样泵（图1）和微型散热风扇（图2），具体包括气体采样泵和微型散热风扇的磁路设计、电路设计、总体结构设计、叶片设计、转轴支撑设计、驱动电路设计、各部件的加工和制造、各部件的组装、总测试。

图1 微小型气体采样泵设计方案剖面图

图2 微型风扇设计装配图

微小型气体采样泵由定子、转子、轴、叶片、盖子、后盖、隔离层、固定地板、霍尔器件控制器等零件组成。在转子上分布有径向充磁、极性交替反向布置的永久磁铁，在定子上安放有沿圆周侧面分布的线圈。在霍尔器件控制器的控制下，电流间断通过线圈，产生间断的磁场，线圈产生的磁场与永久磁铁的磁场在同性相互排斥、异性相互吸引的作用下导致转子带动叶片旋转。由叶片上部进入的气体在离心力的作用下由侧面甩出，气体不断进入和甩出加速了气体的流动速度，达到了用气体采样泵提高气体流动速度的目的。特殊设计的隔离层将电气部分和叶片以及气室等机械转动部分完全隔离开，将传统的动密封变成了静密封，电气部分发生的任何故障均不会影响到气室部分，实现了电与气的完全隔绝，做到了真正的防水防尘防爆。

微型风扇由底座、定子、转子、厚度充磁的永久磁铁圆环片、印制方式制造的平面线圈、叶片、出风口、轴承、转轴、霍尔器件控制器等零件组成。圆环型永久磁铁上交替分布着厚度充磁且极性相反的一组磁铁。平面线圈与永久磁铁紧密相邻，在霍尔器件控制器的作用下，电流间断地流过平面线圈，在不同的时刻产生电磁场，由于同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的作用，引起转子以及叶片旋转，空气由叶片上部吸入，在离心力的作用下由叶片侧面甩出。叶片高速旋转引起空气不断流动进而起到散热的作用。采用印制方式制造的平面线圈，可以极大地降低风扇的厚度，风扇设计厚度为3～5mm，形成超薄风扇，可以广泛应用于对厚度有较高尺寸要求的产品（如电子书、平板电脑、手机、微型投影仪等）的散热。

3 技术创新性

本技术的创新性在于采用载流体在磁场中受力而产生运动的工作原理来设计气泵／风扇，此原理以前还应用于质谱仪的设计。该气泵／风扇气路及电路分开，具有防尘、防潮、防爆功能；体积小（气泵＜30mm×20mm×20mm，风扇ø20mm、d18mm），而风扇风量增加、噪声降低。

原有气泵原理及特点已在前文有所阐述，本技术原理及特点如下：采用载流体在磁场中受力而产生运动的原理；不需要设置磁芯，采用印制平面线圈驱动，气泵尺寸大大缩小；采用此原理后气路、电路能有效分离开来，可实现密封效果较好的静密封，防水防尘防爆性较好，能适应不同工作场合的要求，包括一些特殊工作环境；运动摩擦较小，噪声小；工作过程能量损耗小。

本技术创新性在于：与传统的气泵相比，在微小的空间中，既不需要设置磁芯，同时又能以较小的功耗产生较大的旋转驱动力矩，并且具备防尘、防爆以及防水的特性。另外，印制方式制造的电枢不仅能降低制造成本，还能大幅度降低铜耗。在具体实施过程中，技术创新首要重点是微型尺寸下的印制平面线圈驱动方式以及防水、防尘和防爆密闭结构设计和制造；其次为基于叶片外缘的驱动、柔性印刷电枢和磁力悬浮支撑等创新技术。

4 技术开发的应用前景

微小型气泵：煤炭和化工行业气体监测仪器设备，每年对具有以上特性的气体采样泵都有极大的市场需求；技术产品还可扩大到电动自行车、电动汽车行业，市场前景更加广阔。

微型节能静音风扇：应用于计算机硬件设备、电子电气设备、电子书、平板电脑、手机、微型投影仪等产品的散热及微型水泵等。

本项目技术开发的气体采样泵以及微型节能静音风扇，与传统产品相比，由于结构设计、驱动方式、支撑方式不同，具有很大的优越性。通过本项目技术开发的高效节电型防潮防爆防尘微小型气泵，可以解决监测仪器实时响应与防潮防爆需同时兼顾的问题；而微型冷却风扇则以更低的驱动功率、更低的转速达到了更大的风量和风压，实现了更低的噪声和更长的寿命。

本技术开发的微型冷却风扇产品与同体积的传统产品相比，风量增加10%，风压增加5%，功耗降低8%，噪声降低10%，同时具备防尘、防爆、防水特性。按一台计算机中平均有3个微型风扇（CPU、显卡、电源），每个微型风扇风量增加10%，风压增加5%，功耗降低8%，噪声降低10%计算，可以产生极大的节能效果，具有深远的社会意义，使用这些产品的各个领域都将产生极大的节能效益。

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