一体化轴流风机系统设计*

2020-04-30孙金良

电气工程学报 2020年1期

黄其胡斌康乐孙金良

(1. 西北工业大学自动化学院西安 710072； 2. 航天江南集团有限公司贵阳 550009)

1 引言

电子设备在工作时会产生热量，尤其是电路中含有功率元器件，如能耗电阻、功率开关管、变压器、DC 电源变换器、高速处理芯片等，元器件持续发热会给电子设备带来局部温升，从而引起电路板形变，甚至出现断裂，过高温升会减短元器件寿命，严重情况下会烧坏元器件[1]。因此电子设备在设计时要考虑散热问题，大部分电路板采用自然通风散热，为了增大散热面积会加装散热器，对环境温度要求较高的电子设备会采用强制通风或通过液体进行冷却[2]。随着移动互联网技术的日益发展，处理通信数据的服务器和数据中心越来越多，服务器通常采用刀片式主机。刀片式主机由电源、散热风扇、CPU、内存、硬盘和扩展槽组成，机箱内部结构非常紧凑。服务器设备常年连续运行，内部功率元器件不断产生热量，需要通过风机进行散热。

风机按照气体流动方向不同可以分为四类：离心风机、轴流风机、贯流风机和混流风机。其中轴流风机体积小、风量大，适合服务器机箱高度集成的结构[3]。轴流风机根据电源不同可分为直流无刷风机和交流异步风机。交流异步风机主要用于厂房通风和工业设备散热，对效率要求不高的场合；直流无刷风机由永磁无刷直流电动机驱动扇叶旋转，具有率密度高、结构简单、调速性能优良等优点，广泛应用在各类电子设备的散热系统中[4]。根据磁场方式不同，永磁电动机可分为轴向磁通电动机和径向磁通电动机，轴向磁通电动机具有轴向尺寸短、结构紧凑、质量小的特点，但是定子叠片和绕线工艺复杂，难以做到低成本生产[5]。通常情况下永磁电动机采用内转子结构，转动惯量小、定子绕组散热方便，但针对风扇应用场合，采用外转子结构可以将扇叶和转子进行一体化设计，缩短制造工序，同时风机本身可以给定子绕组进行散热。由于散热风机对转速的控制精度和响应时间要求较弱，出于成本考虑，散热风机控制器通常采用无位置传感器控制器方式。散热风机永磁电动机可以采用方波驱动和正弦波驱动方式，方波驱动电路结构简单，正弦波驱动电动机运行平稳但控制算法复杂，对控制器件要求较高[6]。针对大规模应用风机的领域，控制器采用方波驱动技术更有成本优势。

本文设计了一款12 V、36 W、外转子、方波驱动永磁无刷轴流风机，并分别从叶轮、永磁电动机本体、控制器及整机结构展开设计和分析，加工风机并进行相关试验。

2 风叶设计

轴流风机是一个较为完整的冷却系统，主要部件包括扇叶、电动机、控制器及外框支架等，如图1 所示。定子由铁心、绕组、绝缘垫、控制板、铜套、外框组成，转子由扇叶、轴、磁钢、钢套、紧固片组成。为了方便安装，轴流风机都采用方框结构。

本文设计一款12 V 永磁无刷轴流风机，其技术参数如下：额定电压12 VDC，额定电流3.5 A，输入额定功率42 W，额定转速15 000 r/min ±10%；最大风量≥120 CFM，最大静压≥1 000 Pa；工作点风压风量(18.3 CFM，全压115 Pa)、(70 CFM，全压400 Pa)。方形外框长度80 mm，厚度38 mm。扇叶最大为外径75 mm。

根据轴流风机的外形尺寸、转速、风压、风量参数开展扇叶设计，主要参数有叶轮外径、轮毂比及叶片数等。其中，轮毂比是轮毂直径与叶轮外径的比值，轮毂比对风机的流量、压力和效率等都有较大影响，轮毂比与全压、流量和转速有关，可认为是比转速的函数，比转速是风机产生的风压为9.81 Pa 或风量为1 m3/s 时风机应该具有的转速。图2 是根据经验得到的轴流通风机轮毂比和比转速的关系。

根据图2，结合轴流风机其他结构对风机尺寸的约束，确定叶片外径 Dt=70 mm，轮毂直径dh=46.5 mm，轮毂比为0.66。轴流风机的叶片数可根据轮毂比确定，表1 为根据经验得到的轴流风机叶片数和轮毂比的关系，选取叶片数为8。轴流通风机中使用最多的是C-4 翼型，扇叶形状如图3 所示。

表1 轮毂比和叶片数a 的关系

3 永磁无刷直流电动机设计

风机永磁无刷直流电动机采用外转子结构，可以将扇叶和电动机转子安装在一起，永磁体采用环形磁钢，径向充磁，磁密波形为平顶波，有利于方波电流驱动无刷电动机转矩输出。为了满足风机输出要求，电动机本体输出轴功率约为35 W，转速为15 000 r/min，额定电压12 V，以此约束条件对电动机本体进行电磁设计：定子采用集中绕组结构，便于绕线；永磁采用粘接钕铁硼，气隙宽度0.5 mm。永磁无刷直流电动机的定、转子如图 4a 所示，其主要参数见表2。

表2 电动机电磁参数

采用ANSYS 有限元软件电磁仿真模块对电动机的瞬态磁密进行仿真，得到电动机的磁密分布如图4b 所示，除个别饱和点外，定子齿部和转子轭部磁密在1.5 T 以下，气隙磁密为0.2 T，可以有效降低电机铁心损耗。

仿真电动机的齿槽转矩如图5a 所示，从图5中可以看出电动机齿槽转矩峰值为7 mN· m，考虑到风机额定转速为15 000 r/min，齿槽转矩对转速波动的影响较小。针对风机工作点仿真，以电动机功率35 W，负载转矩为0.022 8 N·m 为约束对电动机进行仿真分析，电动机转速曲线仿真结果如图 5b 所示，转速稳定在15 300 r/min，满足设计要求。电动机铁心损耗和转子涡流损耗如图5c 和图5d所示，从图5 中可以看出额定转速下电动机铁心损耗为1.8 W、转子涡流损耗为0.74 W，根据经验值对铁心损耗进行修正，取铁心损耗为5 W、铜损耗3 W。

设定环境温度40 ℃，铜损耗3 W，铁心损耗5 W，转子涡流损耗0.8 W 条件下，通入空气流量6×10-5m3/s。仿真电动机的温度分布如图6 所示，电动机最高温度位于定子绕组，为78.6 ℃，电动机最高温升38.6 ℃。

4 风机控制器设计

散热风机在工作时需要保证转速恒定，同时要检测相电流实现过流保护，所以风机控制器系统采用速度环和电流环串联的双闭环控制结构，过流保护比调速实时性要求较高，系统采用电流内环、速度外环结构[7]，如图7 所示。电流环保证风机以允许的最大电流值起动，实现以最大加速度起动，同时在风机过载时限制最大电流，起到保护作用。速度环使风机转速跟上给定转速，速度调节器输出值限幅在最大允许电流值。

4.1 控制器硬件

图8 为轴流风机的控制器原理图，主要由单片机、驱动电路、逆变器电路、电源变换电路、防反接电路以及控制器母线电压和电流检测电路等几个模块组成。三相逆变器的上桥臂由3 个P 沟道MOSFET 组成、下桥臂由3 个N 沟道MOSFET 组成，在母线正极串联二极管构成防反接电路；三相逆变器连接无刷风机的三相绕组，通过相绕组反电势过零点确定来换相位置；检测精密电阻上的压降来测量母线电流，来实现电流闭环和过流保护功能。风机逆变器结构为三相桥式，无刷直流电动机以“两相六状态”的换向方式转动，即每一个状态中有两相绕组通电，电动机转动一个电磁周期有六种磁状态，这六种磁状态相差 60°电角度，形成跳跃式的旋转磁场。当无刷直流电动机转动时，这六个功率晶体管的导通顺序为Q1Q6、Q1Q4、Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6。

由于风机的轴向尺寸短、圆环形PCB 布板面积小(外径43 mm，内径18 mm)，因此控制器的所有元器件采用表贴式结构。散热风机安装在服务器内，附近有高速CPU 和数据硬盘，所以风机控制器必须满足电磁兼容要求，主要从布线和元器件布局来考虑：尽量缩短信号连线、将功率电流信号和控制信号分开、大面积铺地线、增加去耦电容等[8]。风机控制器PCB 板如图9 所示。

4.2 风机控制器软件设计

无位置传感器风机在起动时刻，速度为零，此时反电势为零，无法判断换相时刻，因此需要其他方法判断位置进行起动。常用的起动方法有：三段式、预定位法、升压升频法。针对风机负载转矩与转速平方成正比、起动阶段负载转矩低的特点，该风机控制器采用三段式起动方法，包括定位、加速、切换三个阶段。具体实施：先让两相绕组通电，产生电枢(绕组)磁场，拖动永磁体转子到某一确定位置，完成定位。然后逆变器的开关管按照Q1Q6、Q1Q4、Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6 的顺序循环导通，电枢(绕组)磁场按60°电角度跳跃旋转，永磁体转子也跟随转动，一个旋转周期360°电角度，前后相邻两个旋转周期的导通时间按比例减少，则电枢(绕组)磁场的跳跃速度加快，使永磁体转子加速。当永磁体转子的转速足够大时，反电势过零点比较信号能够持续正常检测到，此时就要切换到无位置传感器控制模式。起动阶段和正常运行状态都对母线电流实时检测，进行过流保护。

5 结构强度设计

轴流风机的结构可划分为三大部分：定子、转子和扇叶，控制板集成安装在定子上，定子铁心采用导磁性能较好的硅钢片20WTG1500 材料，轴采用 SUS304 加工而成，扇叶选择强度较高的PPE+PS-GF30-FR40 注塑加工，轴承采用623 深沟球轴承，内径3 mm，外径10 mm，宽度为4 mm。为了实现低成本、高可靠的要求，连接方式主要为过盈压接，定子通过冷压滚花的铜套与外框固定为一体，双轴承外圈与定子铜套内壁过盈实现轴向定位，左轴承左端设置弹簧，右轴承右端设置挡圈，以此提供一定的轴承预紧力和轴向间隙。

5.1 强度分析

采用ANSYS 有限元软件对整个风机进行强度分析，约束条件为：风机安装孔位置采用圆柱支撑，叶片上施加静压，电动机产生的转速及扭矩，整体温度设定为70℃，整体受向下的重力。风机在(400 Pa，70 CFM)工作点下，风机整体的总变形如图10a 所示，整体的最大等效应力发生在定子铁心齿根部，最大总变形发生在叶轮外边缘，图10b为定子铁心等效应力分布云图，图10c 为叶轮等效应力分布云图。风机在最大工作点下所有零部件的最大应力都在其材料的屈服强度以下，满足三倍以上的安全系数，总变形的量级在10-2mm，刚度满足要求。

5.2 模态分析

轴流风机的一体化扇叶是电动机主要的旋转部件，其动态特性对风机的工作稳定性有着重要影响，扇叶的振动可能会造成风机的共振或疲劳失效，从而破坏风机结构，因此在风机设计阶段就需要了解其动态特性，预测转子与其他部件发生动态干扰的可能性，从而避免共振的发生。利用ANSYS Workbench平台对风机进行整体模态仿真分析，得到风机的6阶模态频率点分布如图11 所示，可以计算出扇叶的一阶临界转为29 595 r/min，远远大于风机的额定转速15 000 r/min。

6 样机试验

风机测试系统如图12 所示，直流稳压12 V 电源给风机控制器供电，直流稳压电源实时显示输出电压和电流值，示波器通过电流钳采集风机相绕组电流，风机安装在风洞进口处。风洞能提供一种风速可调、流量可调的有风测试环境，风洞内部装有传感器，通过调节风道压力和风阻，上位机能实时检测风机的风压和流量，显示数据并生成波形曲线[9]。

6.1 控制器测试

在风洞全开、外部不加压力情况下，控制器通入12 V 稳压电源，设置额定转速15 000 r/min，风机采用三段式起动，预定位和加速阶段控制相电流限定幅值，切换到无位置传感器控制模式后，随着转速增加、负载功率增大，电流幅值不断增大。由于风机转速存在超调，再稳定到15 000 r/min，电流也出现超调后逐渐稳定。图13a 显示了风机起动时的相电流波形，图13b 显示了风机在额定负载时的相电流波形。

6.2 电动机和控制器性能测试

由于扇叶驱动电动机的转矩小、转速高(35 W，15 000 r/min，0.022 8 N·m)，常用的测功机难以精确测量电动机的输出性能，采用两台参数相同的电动机对拖的方法来测试其性能[10]，如图14a 所示：两台电机由联轴器同轴相连，一台作为电动机，由控制器驱动；另一台作为发动机，输出连接电阻负载。示波器检测两台电动机的绕组相电压和相电流，分别计算电动机输入功率P1和发动机输出功率P2，两个功率之差便是两台电动机的损耗之和Ps，对拖时电动机和发动机的损耗基本相等，可以算出轴功率PT；根据电动机的相电流频率和电机极对数可以计算出转速n，进一步得出轴扭矩；稳压电源直接测量控制器的输入功率P0。

电机控制器采用速度闭环控制，目标转速为15 000 r/min，设定直流稳压电源输出12 V 电压，调整负载电阻，就能测得电动机在不同负载下的输入功率，计算出电动机的损耗，得出轴功率和效率。电机对拖试验数据如表3 所示，电动机在额定负载点附近的效率都在91%以上。

6.3 风叶P-Q 曲线

风机控制器采用速度闭环控制方式，设定风机转速为15 000 r/min，调节风洞的全压为200 Pa，传感器测得风机的流量为3.6 L/min。增大压力到全压为400 Pa，传感器测得风机的流量为3.4 L/min，大于工作点流量3.0 L/min；继续增大压力到全压为700 Pa，传感器测得风机的流量为3.4 L/min，大于工作点流量1.9 L/min，风机的P-Q 曲线如图12 所示，满足工作点设计要求。