车灯LED风扇模型减噪措施研究

李祥兵　吴小兵　王春才　肖义武

摘 要：散热一直是制约LED在车灯领域全面推广的关键技术。采用风扇模型来进行主动散热，对提高LED可靠性具有重要作用。结合当前LED散热风扇模型出现的噪声等问题，对LED散热的风扇模型产生的噪声进行了深入研究，这对后期LED采用主动散热具有一定的指导意义。

关键词：LED；主动散热；风扇模型；减噪

中图分类号：TM 711 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0044-05

Abstract： thermal dissipation is always considered as the bottle-neck issue for the widespread promotion of LED technology on vehicle lamps. The active cooling with fan is always of great significance to improve the feasibility of LED. By presenting and analyzing the noise caused by fan which used on LED cooling， it is deeply investigated the measures for de-noising. The measures and proposals will be of great significance for active cooling research in the future.

Key Words： LED； Active cooling； Fan model； De-noising

前 言

在当前神龙公司灯具开发领域，LED（发光二极管）光源的运用正越来越广泛。而对大功率LED运用于前大灯的近远光功能，由于LED模块本身耐热方面的技术瓶颈，目前也只是在个别车型刚开始尝试。

LED本身是一种直接将电能转化为可见光的器件，它可以直接将电能转化为光能。根据光与功率之间的当量关系，Km =683lm/w，也就是说1W的辐通量在最理想的情况下（黑体辐射）可能产生683lm的光通量，所以，即使LED的光效达到当前预期的200lm/W，也不能将全部的能量转换为光能输出，其余大部分都转化成了热能。从比较权威的数据来看，LED在输入电能后，只有约15%到20%的能量转换为光能，而其余多达80%以上的能量都转化成了热能。因此，从LED的能量转化模式来看，LED灯具的散热问题将是一个长期存在的问题。

通常，对于小功率的LED（1W以下），其发热问题并不严重，一般采用普通的封装结构和材料即可保证正常使用。从汽车LED光源的失效模式来看，LED光衰导致失效的可能性很大，而这一问题的根本解决，需要从LED的散热方面着手。过高的热量会使 LED 的结温升高，产品寿命、亮度、稳定性等下降，如果散热解决不好，会导致LED产品迅速老化、失效。因此，LED 照明产品广泛推广应用的关键技术之一就是散热技术。LED散热技术中，采用被动散热（如翅片技术、NTC（热敏电阻）电路等）的方式较多，而对于汽车近远光这种大功率的高发热电路，需要借助外界手段来实现有效散热。

本文从LED的驱动电路板（PCB）的主动散热角度，探索了LED光源采用风扇模型散热时，对风扇的叶片进行优化的可能性，基于此建立了相关模型并完成了相关的分析工作。

1 LED主动散热现状分析

车灯LED主动散热模块中，强制风冷是散热的主要形式，而轴流风扇是电子器件热设计中的关键部件。随着LED电子器件功率和发热量的不断增加，冷却风扇的功率、转速及叶片尺寸也大幅增大，其运转产生的流动损失和气动噪声问题也随之凸显。为了减小流动损失，降低风扇噪声，传统研究主要从叶面造型、改变叶片排列方式入手，尽管取得了相当的成效，但仍然不能很好地解决气流粘性引起的摩擦损失、附面层分离引起的涡流损失及旋涡与分离流引起的损失，对于叶片表面湍流边界层或流动分离形成的尾迹噪声也不能有效控制。因此，针对叶片表面边界层流场开展电子器件冷却风扇的减阻降噪研究，对于减小风扇能耗、改善工作环境具有重要的理论价值和实际意义。

现有的研究成果中，吉林大学赵要珍对裸扇情况下通过改变叶片夹角来研究叶片不等夹角布置对风扇性能的影响，在综合考虑了风扇流量和噪声的前提下，得出了四叶片夹角的最佳布置为 70°110°-70°-110°。但这仅限于裸扇的情况，实际应用时，应考虑周围环境的影响。

综合前人的很多研究可以明确，采用叶片圆周上的不等间隔分布，能够降低风扇的旋转噪声，但风扇噪声的总能量没有减少，只是使噪声能量的频谱分布发生了改变，即在叶片通过频率及其谐波频率上，噪声能量有所减少，但在风扇转速整数倍的次谐波频率上，噪声能量有所增加。采用叶片不等间隔分布，是将原来集中在通过频率上的噪声能量分散一部分到次谐波频率上，这样噪声总能量在较宽的频带上被平分，削减了噪声的峰值，从而降低了噪声。同时，频谱结构发生了改变，噪声能量的结构从高频转向低频，A计权声级下降。只要叶片布置不是严重的不等间隔，那么叶片圆周不等间隔布置不会明显地影响风扇效率和风量。

2 风扇噪声的影响因素分析

风扇噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声主要是旋转叶片周期性扰动气体引起空气的压力脉动而发出的噪声。涡流噪声是风扇旋转时使周围的空气产生涡流。这些涡流由于粘滞力的作用，又会分裂成一系列的小涡流。涡流和涡流的分裂会使空气发生扰动，形成压力波动，从而激发出噪声。涡流噪声一般是宽频带噪声，当其振动频率与叶片的固有频率接近时，会产生系统共振，使得噪声增加。

风扇本身结构影响其噪声的主要因素有：风扇的叶片形状、叶片材料、叶片数、风扇的轮毂比、叶片安装角口、叶片间夹角、叶片布置的平衡等。

风扇安装条件对风扇性能的影响也较大。如风扇与护风罩之间的径向间隙，风扇与护风罩、散热器、发动机的轴向间隙等，对风扇的噪声、性能都有较大影响。

3 一种新型的LED冷却风扇降噪策略

从公式（1）、（2）、（3）分析，在通常情况下，优化风扇噪声采取的措施有：

3.1 选择合理的风扇设计参数

主要包括：风扇风量 Va 分别与风扇转速 n 和风扇直径 D3 成正比；在满足热平衡的前提下，尽量降低风扇的风量；风扇直径：风扇风量分别与风扇转速 n 和风扇直径 D3成正比.而风扇噪声升压级 Lp 与风扇转速 n6 和风扇直径 D8 成正比，即：

， 。所以，当风扇风量一定时，尽可能取较大直径和低转速的风扇，以便于降噪。

3.2 风扇最高转速的确定

风扇的风量、风压分别与风扇转速的一次方、二次方成正比，因此风扇转速首先要满足风量和风压的需求。风扇风量按照所需风量最大值计算，所需风压P = Dpn+DP1 ，其中Dpn为散热器的阻力；DP1为除散热器外所有的阻力。风扇的噪声主要由风扇的叶尖切割扰动气流产生，所以风扇叶片顶部的圆周速度对噪声的影响十分大，最好控制在70 m/s以下，最高不能超过120m/s；风扇外径处的圆周速度πnD22 / 60，因此，风扇转速最大不可超过 60.70/（πD22 ） 。

3.3 设计高效率低噪声的风扇

风扇叶片的形状确定：常见的刚性叶片风扇有以下几种形式，如图1：

4 实验验证

从图2可以看出，选择前掠型风扇，其实际噪声较小，风量较大；选择风扇护风圈的直径D=120mm（依据神龙公司现开发的某款车型的LED大灯实际尺寸确定），叶片直径d1=115mm，轮毂直径 d2=77mm。对同一类型的风扇，采用柔性吸力面叶片表面、柔性压力面叶片表面、双柔性面叶片表面（在相应的表面贴上一层光滑的柔性薄膜）做成B、C、D三只风扇，原型风扇定义为A。整车通常能提供的电压V=13.5V下测量数据，得出压力和流量的曲线、流量和静压效率的曲线、流量和全压效率的曲线。同一个风扇在叶片上分别设置四种不同表面的试验风扇模型。风扇表面形成防柔性表面后效果图以及局部细节图如图3：

在整车发动机启动时所提供的13.5V 电压模式下风扇的转速测量结果为：转速 n=2670 r/min；扣除转速浮动的部分，各电压下都取平均转速。计算风扇各电压下叶片最小线速度和最大线速度如下：

风扇叶片在13.5V 电压下叶片线速度范围为：13.7～20.5m/s。

经查相应的专业数据可知，在风速为10～17m/s 的范围内，具有最佳减阻效果的仿生柔性表面的厚度为0.6mm。而13.5V 电压下，风扇叶片线速度范围为13.7～20.5m/s，虽然速度上限已经超出17m/s，但是超出的幅度不大，实验可以继续进行。图4是根据测量数据得出的压力和流量对比曲线。

A、B、C、D 四种风扇流量和全压效率曲线图，如图6所示。A 风扇最大全压效率为 55.94%，B 风扇最大静压效率为61.55%，C风扇最大全压效率为60.64%，D 风扇最大全压效率为59.54%。B、C、D 三种柔性表面的风扇全压效率相对于A刚性表面的风扇最大全压效率，B风扇全压效率最大提高5.61%，C 风扇全压效率最大提高4.7%，D 风扇全压效率最大提高 3.6%。

如图7所示，四种风扇最大噪声值出现在频率31.5Hz处，A风扇最大声压级为63.7dB，B风扇最大声压级61.5dB，C风扇最大声压级62.08dB，D风扇最大声压级61.69dB。次最大噪声值出现在250Hz 处，噪声峰值也都集中在频率20～1000Hz 之间，风扇噪声属于中低频噪声。

相对于原型A风扇，三种仿生柔性表面的风扇也都出现了不同幅度的降噪效果，其中B风扇峰值噪声最大降低2.2dB，C风扇峰值噪声最大降低1.62dB，D风扇峰值噪声最大降低2.01dB。总的来看，在电压为13.5V时，仿生柔性表面的三种风扇同样起到了降噪效果，其中B风扇降噪效果为最佳，D风扇也起到较好的降噪效果，C风扇降噪效果较B、D两种风扇稍差。

5 结果分析

在13.5V电压模式下，分别对A、B、C、D 共四个风扇进行了试验。从试验结果可以看出，相对于刚性叶片表面的A风扇，另外三种具有仿生柔性叶片表面的B、C、D风扇，无论是PQ（压力-流量性能）性能曲线、静压效率以及全压效率，都得到了不同程度的提高，三种风扇提高的幅度为 B>C>D。这说明，具有仿柔性叶片表面的风扇相对于原型风扇具有减小阻力、提高效率的作用，而叶片吸力面柔性表面的风扇减阻增效的作用好于叶片吸力面和压力面都是仿柔性表面的风扇，叶片吸力面和压力面都是仿生柔性表面的风扇减阻增效的作用，又好于叶片压力面仿生柔性表面的风扇。

6 结论

在13.5V电压模式下，完成了风扇参数性能试验和风扇噪声性能试验。试验结果表明，具有仿生柔性的叶片表面能够减小阻力，增加风扇的效率，同时风扇的噪声在中低频率范围内得到了有效控制。其中在叶片吸力面设置仿生柔性表面各项试验指标最好，其次是叶片双面都设置仿生柔性表面，最差是在叶片压力面设置仿生柔性表面。

噪声是风扇运行时一个很重要的特征，这种特征是不可避免的，但是应尽力抑制。风扇噪声是指导风扇设计、评价风扇综合性能、风扇选型匹配的一个重要的参考指标。风扇在一定的工况下运行时，产生的噪声主要包括气动噪声、机械噪声和电磁噪声。对于一般的LED冷却风扇而言，风扇主体部分都是一次浇筑成型，制造装配精度比较高，采用的电机都是小型电机，机械噪声和电磁噪声比较小。

在LED散热方面，由于国内LED风扇散热的技术瓶颈，风扇的噪声水平一直较大，因而风扇很多都是通过国外直接采购获得，成本较高，整个LED的模组的成本非常昂贵。若采用柔性表面（吸力表面和吸、压力表面），对提高LED的散热效果和抑制噪声显然是很显著的，这对后期LED主动散热方面的设计具有重要的指导作用。

参考文献：

[1]李祥兵， 王春才， 王坦， 梅文.汽车前大灯LED光源散热技术研究.神龙汽车.2013（4）.

[2]钱红玉.小型轴流风扇性能和噪声影响因素研究.浙江理工大学.2011.

[3]何为翰.压电风扇运用于LED散热鳍片间之研究.国立台湾大学.2011.

[4]肖红林， 石月奎， 王海洋， 李红亮， 王务林.大型车辆冷却风扇数字模拟的研究.汽车工程. 2011（7）.