一種微小型氣泵／風扇技術研究

鐘 韜 任興平 楊紅飛 陶 紅

（昆明千恒信息技術有限公司，云南 昆明650223）

1 技術背景

在有防爆、防水要求的應用場合，如工作于煤礦井下的有毒有害氣體監(jiān)測儀、在具有強烈腐蝕性氣體環(huán)境下工作的化工氣體監(jiān)測儀，通常都存在著實時響應要求與防潮防爆要求需同時兼顧的問題。為了盡可能地提高防潮防爆效果，就要對氣體分析儀的探測器進行防潮、防爆保護。保護越好，對氣體的流動性阻礙越大，分析儀對氣體濃度變化的響應時間就越長，實時性也就越差。提高實時性的一個主要辦法是采用具有防塵防爆和防水性能的氣體采樣泵，以加快氣體的流動速度。

本技術開發(fā)實現的高效節(jié)電型防潮防爆防塵微小型氣泵可以解決監(jiān)測儀器實時響應與防潮防爆需同時兼顧的問題，同時本技術研究開發(fā)的微小型冷卻風扇，能在減小功率消耗的同時極大程度地降低風扇噪聲，二者對于改善有毒有害氣體的監(jiān)測現狀，降低能耗及環(huán)境噪聲有著極其重要的意義。微型節(jié)能靜音風扇，與傳統(tǒng)產品相比，由于結構設計、驅動方式、支撐方式不同，隨之帶來的優(yōu)越性為：用更低的驅動功率、更低的轉速達到更大的風量和風壓，實現更低的噪聲和更長的壽命。

2 技術方案

2.1 技術原理

載流導體在磁場中會受到洛侖茲力的作用，在洛侖茲力的作用下，轉子開始旋轉。

洛倫茲力（Lorentz force）是運動于電磁場的帶電粒子所受的力。根據洛倫茲力定律，洛倫茲力可以用方程表示，稱為洛倫茲力方程，即：

式中，F為洛倫茲力；q為帶電粒子的電荷量；E為電場強度；v為帶電粒子的速度；B為磁感應強度。

2.2 國內外研究開發(fā)現狀

現有氣泵多采用同步電機的工作原理，由繞組線圈產生磁場，與永久磁鐵裝置相互作用。其工作過程為：電機的圓周運動，通過機械裝置使泵內部的隔膜做往復式運動，從而壓縮、拉伸泵腔內的空氣形成負壓，在抽氣口處與外界大氣壓產生壓力差，在壓力差的作用下，將氣體吸入泵腔，再從排氣口排出。原有氣泵由于繞阻加磁芯，尺寸受到很大限制；氣路與電路的密封形式為動密封，防水防塵防爆性差，在特殊場合下不能使用；運動摩擦較大，噪聲大；工作過程能量損耗大。

另外，全球信息產業(yè)市場規(guī)模的快速成長以及低碳節(jié)能概念的興起，促使電子設備需求量快速上升，隨著電子產品功能越來越強大、體積越來越小，發(fā)熱越來越多的狀況不斷出現，小體積、低耗能、高效率的散熱產品已成為業(yè)界最熱門的產品。微型散熱風扇作為電子設備散熱的主要部件，一直是研究人員不斷研究的重點。近十年來，在微型風扇的電磁部件、驅動控制電路、外形結構以及運行噪聲控制等方面，不斷有新的技術產生，隨之帶來了微型散熱風扇的不斷變革和技術進步。同時，我們也看到，在構成微型散熱風扇的各個方面，所取得的研究成果和技術進步并不是均衡的，在驅動和控制電路方面取得的進步遠比其他方面突出，而在電磁部件、風扇外形結構和運行噪聲等方面的進步卻很小，正是這些技術進步的不均衡，導致了微型散熱風扇效率低、噪聲大、壽命短等問題長期以來一直未能得到有效改善。

2.3 技術方案

本技術開發(fā)的是一種全新的微小型氣體采樣泵（圖1）和微型散熱風扇（圖2），具體包括氣體采樣泵和微型散熱風扇的磁路設計、電路設計、總體結構設計、葉片設計、轉軸支撐設計、驅動電路設計、各部件的加工和制造、各部件的組裝、總測試。

圖1 微小型氣體采樣泵設計方案剖面圖

圖2 微型風扇設計裝配圖

微小型氣體采樣泵由定子、轉子、軸、葉片、蓋子、后蓋、隔離層、固定地板、霍爾器件控制器等零件組成。在轉子上分布有徑向充磁、極性交替反向布置的永久磁鐵，在定子上安放有沿圓周側面分布的線圈。在霍爾器件控制器的控制下，電流間斷通過線圈，產生間斷的磁場，線圈產生的磁場與永久磁鐵的磁場在同性相互排斥、異性相互吸引的作用下導致轉子帶動葉片旋轉。由葉片上部進入的氣體在離心力的作用下由側面甩出，氣體不斷進入和甩出加速了氣體的流動速度，達到了用氣體采樣泵提高氣體流動速度的目的。特殊設計的隔離層將電氣部分和葉片以及氣室等機械轉動部分完全隔離開，將傳統(tǒng)的動密封變成了靜密封，電氣部分發(fā)生的任何故障均不會影響到氣室部分，實現了電與氣的完全隔絕，做到了真正的防水防塵防爆。

微型風扇由底座、定子、轉子、厚度充磁的永久磁鐵圓環(huán)片、印制方式制造的平面線圈、葉片、出風口、軸承、轉軸、霍爾器件控制器等零件組成。圓環(huán)型永久磁鐵上交替分布著厚度充磁且極性相反的一組磁鐵。平面線圈與永久磁鐵緊密相鄰，在霍爾器件控制器的作用下，電流間斷地流過平面線圈，在不同的時刻產生電磁場，由于同性磁極相互排斥、異性磁極相互吸引的作用，引起轉子以及葉片旋轉，空氣由葉片上部吸入，在離心力的作用下由葉片側面甩出。葉片高速旋轉引起空氣不斷流動進而起到散熱的作用。采用印制方式制造的平面線圈，可以極大地降低風扇的厚度，風扇設計厚度為3～5mm，形成超薄風扇，可以廣泛應用于對厚度有較高尺寸要求的產品（如電子書、平板電腦、手機、微型投影儀等）的散熱。

3 技術創(chuàng)新性

本技術的創(chuàng)新性在于采用載流體在磁場中受力而產生運動的工作原理來設計氣泵／風扇，此原理以前還應用于質譜儀的設計。該氣泵／風扇氣路及電路分開，具有防塵、防潮、防爆功能；體積?。獗茫?0mm×20mm×20mm，風扇?20mm、d18mm），而風扇風量增加、噪聲降低。

原有氣泵原理及特點已在前文有所闡述，本技術原理及特點如下：采用載流體在磁場中受力而產生運動的原理；不需要設置磁芯，采用印制平面線圈驅動，氣泵尺寸大大縮小；采用此原理后氣路、電路能有效分離開來，可實現密封效果較好的靜密封，防水防塵防爆性較好，能適應不同工作場合的要求，包括一些特殊工作環(huán)境；運動摩擦較小，噪聲小；工作過程能量損耗小。

本技術創(chuàng)新性在于：與傳統(tǒng)的氣泵相比，在微小的空間中，既不需要設置磁芯，同時又能以較小的功耗產生較大的旋轉驅動力矩，并且具備防塵、防爆以及防水的特性。另外，印制方式制造的電樞不僅能降低制造成本，還能大幅度降低銅耗。在具體實施過程中，技術創(chuàng)新首要重點是微型尺寸下的印制平面線圈驅動方式以及防水、防塵和防爆密閉結構設計和制造；其次為基于葉片外緣的驅動、柔性印刷電樞和磁力懸浮支撐等創(chuàng)新技術。

4 技術開發(fā)的應用前景

微小型氣泵：煤炭和化工行業(yè)氣體監(jiān)測儀器設備，每年對具有以上特性的氣體采樣泵都有極大的市場需求；技術產品還可擴大到電動自行車、電動汽車行業(yè)，市場前景更加廣闊。

微型節(jié)能靜音風扇：應用于計算機硬件設備、電子電氣設備、電子書、平板電腦、手機、微型投影儀等產品的散熱及微型水泵等。

本項目技術開發(fā)的氣體采樣泵以及微型節(jié)能靜音風扇，與傳統(tǒng)產品相比，由于結構設計、驅動方式、支撐方式不同，具有很大的優(yōu)越性。通過本項目技術開發(fā)的高效節(jié)電型防潮防爆防塵微小型氣泵，可以解決監(jiān)測儀器實時響應與防潮防爆需同時兼顧的問題；而微型冷卻風扇則以更低的驅動功率、更低的轉速達到了更大的風量和風壓，實現了更低的噪聲和更長的壽命。

本技術開發(fā)的微型冷卻風扇產品與同體積的傳統(tǒng)產品相比，風量增加10%，風壓增加5%，功耗降低8%，噪聲降低10%，同時具備防塵、防爆、防水特性。按一臺計算機中平均有3個微型風扇（CPU、顯卡、電源），每個微型風扇風量增加10%，風壓增加5%，功耗降低8%，噪聲降低10%計算，可以產生極大的節(jié)能效果，具有深遠的社會意義，使用這些產品的各個領域都將產生極大的節(jié)能效益。

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