九大轴承技术发展史:从含油到磁悬浮

2018年06月21日

无论对于铝挤散热器还是热管散热器来说,风扇就是散热的灵魂。而提到风扇,相信大家很快就会与静音、风量以及使用寿命等特性联系在一起。而能够决定风扇是否静音、风量大小以及使用寿命长短的正是轴承类型,因此不要轻视风扇轴承。因为这里面大有学问,要想挑选到一款贴合自己需求的散热风扇,了解一下轴承的特性必不可少。
  因为不同轴承拥有不同的表现效果,不能一概而论,更不能道听途说。深圳酷宁科技有限公司小编在这里给大家分享一下,市场上散热风扇轴承的相关知识,希望对大家有所帮助。
  轴承类型是指风冷散热器风扇所使用的轴承类形。在机械工程上,轴承的类形非常多,但在散热器产品上使用的也就那么几种:使用滑动摩擦的含油轴承(套筒轴承)和使用滚动摩擦的滚珠轴承以及两种轴承形式混合这三种。



● 含油轴承
普通含油轴承填充较多油料
传统含油轴承油料容易挥发和沾染灰尘
  含油轴承(Sleeve Bearing) 是使用滑动摩擦的套筒轴承,使用润滑油作为润滑剂和减阻剂,初期使用时运行噪音低,制造成本也低,但是这种轴承磨损严重,寿命较滚珠轴承有很大差距。而且这种轴承使用时间一长,由于油封的原因(电脑散热器产品都不可能使用高档油封,一般也就是普通的纸油封),润滑油会逐渐挥发,而且灰尘也会进入轴承,从而引起风扇转速变慢,噪音增大等问题,严重的还会因为轴承磨损造成风扇偏心引发剧烈震动。出现这些现象,要么打开油封加油,要么就只有淘汰另购新风扇。
含油轴承示例
  以金属粉末为主要原料,用粉末冶金法制作的烧结体,其本来就是多孔质的,而且具有在制造过程中可较自由调节孔隙的数量、大小、形状及分布等技术上的优点。 利用烧结体的多孔性,使之含浸10%-40%(体积分数)润滑油,于自行供油状态下使用。运转时,轴承温度升高,由于油的膨胀系数比金属大,因而自动进入滑动表面以润滑轴承,停止工作时油又随温度下降被吸回孔隙。
  含油轴承具有成本低、能吸振、噪声小、在较长工作时间内不用加润滑油等特点,特别适用于不易润滑或不允许油脏污的工作环境。孔隙度是含油轴承的一个重要参数。在高速、轻载下工作的含油轴承要求含油量多,孔隙度宜高。在低速、载荷较大下工作的含油轴承要求强度高,孔隙度宜低。这种轴承发明于20世纪初,因其制造成本低、使用方便,得到了广泛应用,现在已成为汽车、家电、音响设备、办公设备、农业机械、精密机械等各种工业制品发展不可或缺的一类基础零件。
  含油轴承分为铜基、铁基、铜铁基等。
● 单滚珠轴承
  单滚珠轴承(1 Ball+1 Sleeve Bearing) 是对传统含油轴承的改进,采用滑动摩擦和滚动摩擦混合的形式,其实就是用一个滚珠轴承搭配一个含油轴承的方式来降低双滚珠轴承的成本,它的转子与定子之间用滚珠进行润滑,并配以润滑油。它克服了含油轴承寿命短,运行不稳定的毛病,而成本上升极为有限。单滚珠轴承吸收了含油轴承和双滚珠轴承的优点,将轴承的使用寿命提升到了40000小时,缺点是在加入滚珠之后,运行噪声有所增大,但仍小于双滚珠轴承。
  噪音低、寿命长是单滚珠轴承的特点,克服了双滚珠的高噪音,高成本,高难度的缺点。继承了双滚珠较长寿命的优点,吸收了油封轴承噪音低的优点,可以说是低价位里首选的轴承。与其媲美的有液压轴承,寿命在4~5万小时,优点在于长期使用噪音不会增加,无需添加润滑剂。单滚珠轴承在长期使用后噪音略微增加,可以添加润滑脂来解决问题。但是液压轴承不用,因此液压轴承难度高,价格高。
● 双滚珠轴承




  双滚珠轴承(2 Ball Bearing) 属于比较高档的轴承,采用滚动摩擦的形式,采用了两个滚珠轴承,轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心,当扇页或轴心转动时,钢珠即跟着转动。因为都是球体,所以摩擦力较小,且不存在漏油的问题。双滚珠轴承的优点是寿命超长,大约在50000-100000小时。抗老化性能好,适合转速较高的风扇。
  双滚珠轴承的缺点是制造成本高,并且在同样的转速水平下噪音最大。双滚珠轴承和液压轴承的封闭性较好,尤其是双滚珠轴承。双滚珠轴承被整个嵌在风扇中,转动部分没有与外界直接接触。在密封的环境中,轴承的工作环境比较稳定。因此5000转级别的大口径风扇几乎都使用双滚珠轴承。不过液压轴承由于具备独特的还回式油路,所以润滑油泄露的可能性较小,根本不用过多担心。
★ 液压轴承
  液压轴承(Hydraulic Bearing) 是由AVC首创的技术,是在含油轴承的基础上改进而来的。液压轴承拥有比含油轴承更大的储油空间,并有独特的环回式供油回路。液压轴承风扇的工作噪音有明显的降低,使用寿命也非常长,可达到40000小时。液压轴承实质上仍然是一种含油轴承。但这种经过了改进,寿命比普通油封轴承大大延长了,并且继承了含油轴承的优点——运行噪音小。目前液压轴承已经在AVC散热器中得到了应用,但并非所有的AVC散热器都采用液压轴承风扇。
★ 来福轴承
  来福轴承(Rifle Bearing) 技术的代表厂商是CoolerMaster,目前CoolerMaster已经将旗下的大部分传统含油轴承风扇升级到来福轴承。作为传统含油轴承的改进,来福轴承采用耐磨材料制成高含油中空轴承,减小了轴承与轴芯之间摩擦力,来福轴承还带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯,在风扇运转时含油将形成反向回游,从而避免含油流失,因此提升了轴承寿命。来福轴承风扇通过采用以上结构及零件,使得含油及保油能力大幅提升,并降低了噪音。
★ 流体动态轴承
  流体动态轴承(Hypro Bearing) 其名称来源于HY(Hydrodynamic wave,流体力学波)PRO(Oil protection system,油护系统),系知名散热器及风扇设计制造厂家ADDA的专利产品,也是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。流体动态轴承与液压轴承可谓殊途同归,两种设计各自采用了一些独到的改进措施,但精髓同为循环油路系统,各方面的表现也基本相当。通常产品寿命可达50000小时以上。
★ 纳米陶瓷轴承
  纳米陶瓷轴承(NANO Ceramic Bearing,NCB) 在本质上仍然是一种含油轴承,是由富士康在其产品中首先引入的。传统含油轴承风扇在使用过程中磨损比较严重,长时间使用时的可靠性较低。纳米轴承有效的克服了这个问题,陶瓷轴承技术采用了特殊的高分子材料与特殊添加剂充分融合。


  轴承核心全面采用特殊的二氧化皓材料,使用冲模及烧结工艺制成,晶体颗粒由过去的60um下降到了0.3um,具有坚固、光滑、耐磨等特性。纳米陶瓷轴承具有很强的耐高温能力,不易挥发,这大大延长了风扇的使用寿命,纳米轴承的性质与陶瓷类似,越磨越光滑。据测试,采用纳米陶瓷轴承的风扇平均使用寿命都在15万小时以上。这项技术其实并非真正的纳米技术,所使用的材料也并非真正的纳米级材料,只不过是采用了纳米这样的字眼来吸引眼球罢了。

纳米级氧化锆物理特性
  纳米级氧化锆粉具有大幅降低烧结温度、高硬度、高强度的特点。在热膨胀系数、摩擦系数、密度、硬度等方面的参数要远远高于油封轴承及滚珠轴承所使用的青铜以及轴承钢,甚至于有些参数已达到可与钻石系数相媲美的程度。利用这些特点使纳米陶瓷轴承本身可以将密度做到很小,使耐高温程度得以扩大,并且具有了极强的绝缘性及抗压、耐氧化、耐腐蚀的特性,大幅领先传统工艺风扇生产。
  传统油封轴承风扇在使用过程中磨耗严重,使用寿命非常短,而且很容易随着温度的升高使内部受热膨胀而卡住轴心,出现风扇转速降低甚至停止转动的情况,对各种设备的芯片而言这是极其危险的。而采用纳米陶瓷轴承的风扇则具有非常强的耐高温能力,而且纳米级的粒子润滑剂同时又具有不易挥发的特点,使采用纳米陶瓷轴承的风扇寿命成倍延长。
  与滚珠轴承风扇相比,纳米陶瓷轴承风扇的噪声也得到了很好的控制,所产生的噪声比双滚珠轴承低2—3dB。纳米陶瓷轴承风扇在组装过程中,也比滚珠轴承风扇的工序简单很多,从而在无形中使品质得到了提高,成本得以降低。由于纳米陶瓷轴承体积较小,所以在风扇的设计中便可加长电机的绕线,从而增大功率提高转速。相对于滚珠轴承风扇,其中心面积更小,有效增加了叶片空间面积,增大了空气流通量。
超静音——磁悬浮轴承


● 磁悬浮轴承


磁悬浮轴承构造
  磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直,轴芯与磁浮线是平行的,所以转子的重量就固定在运转的轨道上,利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑,形成整个转子悬空,在固定运转轨道上。与传统的滚珠轴承、含油轴承相比,磁轴承不存在机械接触,转子可以运行到很高的转速,具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点,特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能,并非是独立的轴承形式,具体应用还得配合其它的轴承形式,例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。这项技术并没有得到欧美国家的认可。


  拿一个简单的磁悬浮系统举例,它是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成,其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上,转子受到一个向下的扰动,就会偏离其参考位置,这时传感器检测出转子偏离参考点的位移,作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号,然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流,控制电流在执行磁铁中产生磁力,从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此,不论转子受到向下或向上的扰动,转子始终能处于稳定的平衡状态。
  磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 的马达采用磁悬浮(Magnetic System,MS)设计,其磁感应线与磁浮线成垂直,故轴芯与磁浮线是平行的,所以转子的重量就固定在运转的轨道上,利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑,形成整个转子悬空,在固定运转轨道上。因此,磁悬浮事实上只是一种辅助功能,并非是独立的轴承形式,具体应用还得配合其它的轴承形式,例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。这项技术并没有得到欧美国家的认可。
★ 汽化轴承
  汽化轴承(VAPO Bearing) 是由Sunon将磁悬浮技术改进而来的,就是把含油轴承的轴套硬度加强,并且采用特殊的材料,其内层表面也是经过特殊加工的,这样就克服了含油轴承不耐高温的缺点,再和磁悬浮技术配合,就大大延长了使用寿命。
  随着控制理论的发展以及对磁悬浮轴承系统性能要求的不断提高,磁悬浮系统控制器需要实现的控制算法的复杂程度日渐加大。传统的模拟控制器虽然具有成本低、速度快、性能稳定、对PID控制算法适应良好等优点,但却难以满足用户日益增高的需求。于是数字控制成为磁轴系统控制的主流趋势, 台湾SUNON主要出品SUNON磁浮VAPO轴承风扇。


轴承类型各有优劣 需加强对比


★ 特殊个体——外磁式轴承
  外磁式(T.M.D)风扇的特点是将电机移到边框周围,中心只以很小的轴承支撑。带来的好处是显而易见的:增大了过风面积和极大地缩小了盲区。据称这种设计可增加30%的风量和静压,并且由于T.M.D技术还将专利扇叶和导流外环结合为一体,能够使气流更集中且减少湍流的产生,从而提高了散热效率并降低5%的噪音。一般而言配备滚珠会更合适一些,摩擦力小,使用寿命也更长。用液压轴承没什么不可以,只是轴承老化可能导致启动速度减慢,而且使用寿命也不及滚珠轴承。

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