鐘 韜 任興平 楊紅飛 陶 紅

（昆明千恒信息技術(shù)有限公司，云南 昆明650223）

1 技術(shù)背景

在有防爆、防水要求的應(yīng)用場(chǎng)合，如工作于煤礦井下的有毒有害氣體監(jiān)測(cè)儀、在具有強(qiáng)烈腐蝕性氣體環(huán)境下工作的化工氣體監(jiān)測(cè)儀，通常都存在著實(shí)時(shí)響應(yīng)要求與防潮防爆要求需同時(shí)兼顧的問題。為了盡可能地提高防潮防爆效果，就要對(duì)氣體分析儀的探測(cè)器進(jìn)行防潮、防爆保護(hù)。保護(hù)越好，對(duì)氣體的流動(dòng)性阻礙越大，分析儀對(duì)氣體濃度變化的響應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性也就越差。提高實(shí)時(shí)性的一個(gè)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(dòng)速度。

本技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)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(cè)儀器實(shí)時(shí)響應(yīng)與防潮防爆需同時(shí)兼顧的問題，同時(shí)本技術(shù)研究開發(fā)的微小型冷卻風(fēng)扇，能在減小功率消耗的同時(shí)極大程度地降低風(fēng)扇噪聲，二者對(duì)于改善有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)現(xiàn)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(fēng)扇，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式、支撐方式不同，隨之帶來的優(yōu)越性為：用更低的驅(qū)動(dòng)功率、更低的轉(zhuǎn)速達(dá)到更大的風(fēng)量和風(fēng)壓，實(shí)現(xiàn)更低的噪聲和更長(zhǎng)的壽命。

2 技術(shù)方案

2.1 技術(shù)原理

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛侖茲力的作用，在洛侖茲力的作用下，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。

洛倫茲力（Lorentz force）是運(yùn)動(dòng)于電磁場(chǎng)的帶電粒子所受的力。根據(jù)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(xiàn)為洛倫茲力；q為帶電粒子的電荷量；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；v為帶電粒子的速度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀

現(xiàn)有氣泵多采用同步電機(jī)的工作原理，由繞組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，與永久磁鐵裝置相互作用。其工作過程為：電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)械裝置使泵內(nèi)部的隔膜做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從而壓縮、拉伸泵腔內(nèi)的空氣形成負(fù)壓，在抽氣口處與外界大氣壓產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，將氣體吸入泵腔，再?gòu)呐艢饪谂懦觥Ｔ袣獗糜捎诶@阻加磁芯，尺寸受到很大限制；氣路與電路的密封形式為動(dòng)密封，防水防塵防爆性差，在特殊場(chǎng)合下不能使用；運(yùn)動(dòng)摩擦較大，噪聲大；工作過程能量損耗大。

另外，全球信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模的快速成長(zhǎng)以及低碳節(jié)能概念的興起，促使電子設(shè)備需求量快速上升，隨著電子產(chǎn)品功能越來越強(qiáng)大、體積越來越小，發(fā)熱越來越多的狀況不斷出現(xiàn)，小體積、低耗能、高效率的散熱產(chǎn)品已成為業(yè)界最熱門的產(chǎn)品。微型散熱風(fēng)扇作為電子設(shè)備散熱的主要部件，一直是研究人員不斷研究的重點(diǎn)。近十年來，在微型風(fēng)扇的電磁部件、驅(qū)動(dòng)控制電路、外形結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行噪聲控制等方面，不斷有新的技術(shù)產(chǎn)生，隨之帶來了微型散熱風(fēng)扇的不斷變革和技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)，我們也看到，在構(gòu)成微型散熱風(fēng)扇的各個(gè)方面，所取得的研究成果和技術(shù)進(jìn)步并不是均衡的，在驅(qū)動(dòng)和控制電路方面取得的進(jìn)步遠(yuǎn)比其他方面突出，而在電磁部件、風(fēng)扇外形結(jié)構(gòu)和運(yùn)行噪聲等方面的進(jìn)步卻很小，正是這些技術(shù)進(jìn)步的不均衡，導(dǎo)致了微型散熱風(fēng)扇效率低、噪聲大、壽命短等問題長(zhǎng)期以來一直未能得到有效改善。

2.3 技術(shù)方案

本技術(shù)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(fēng)扇（圖2），具體包括氣體采樣泵和微型散熱風(fēng)扇的磁路設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、葉片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)軸支撐設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、各部件的加工和制造、各部件的組裝、總測(cè)試。

圖1 微小型氣體采樣泵設(shè)計(jì)方案剖面圖

圖2 微型風(fēng)扇設(shè)計(jì)裝配圖

微小型氣體采樣泵由定子、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)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(chǎn)生間斷的磁場(chǎng)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鐵的磁場(chǎng)在同性相互排斥、異性相互吸引的作用下導(dǎo)致轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。由葉片上部進(jìn)入的氣體在離心力的作用下由側(cè)面甩出，氣體不斷進(jìn)入和甩出加速了氣體的流動(dòng)速度，達(dá)到了用氣體采樣泵提高氣體流動(dòng)速度的目的。特殊設(shè)計(jì)的隔離層將電氣部分和葉片以及氣室等機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分完全隔離開，將傳統(tǒng)的動(dòng)密封變成了靜密封，電氣部分發(fā)生的任何故障均不會(huì)影響到氣室部分，實(shí)現(xiàn)了電與氣的完全隔絕，做到了真正的防水防塵防爆。

微型風(fēng)扇由底座、定子、轉(zhuǎn)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(fēng)口、軸承、轉(zhuǎn)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(shí)刻產(chǎn)生電磁場(chǎng)，由于同性磁極相互排斥、異性磁極相互吸引的作用，引起轉(zhuǎn)子以及葉片旋轉(zhuǎn)，空氣由葉片上部吸入，在離心力的作用下由葉片側(cè)面甩出。葉片高速旋轉(zhuǎn)引起空氣不斷流動(dòng)進(jìn)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(fēng)扇的厚度，風(fēng)扇設(shè)計(jì)厚度為3～5mm，形成超薄風(fēng)扇，可以廣泛應(yīng)用于對(duì)厚度有較高尺寸要求的產(chǎn)品（如電子書、平板電腦、手機(jī)、微型投影儀等）的散熱。

3 技術(shù)創(chuàng)新性

本技術(shù)的創(chuàng)新性在于采用載流體在磁場(chǎng)中受力而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的工作原理來設(shè)計(jì)氣泵／風(fēng)扇，此原理以前還應(yīng)用于質(zhì)譜儀的設(shè)計(jì)。該氣泵／風(fēng)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(fēng)扇?20mm、d18mm），而風(fēng)扇風(fēng)量增加、噪聲降低。

原有氣泵原理及特點(diǎn)已在前文有所闡述，本技術(shù)原理及特點(diǎn)如下：采用載流體在磁場(chǎng)中受力而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原理；不需要設(shè)置磁芯，采用印制平面線圈驅(qū)動(dòng)，氣泵尺寸大大縮??；采用此原理后氣路、電路能有效分離開來，可實(shí)現(xiàn)密封效果較好的靜密封，防水防塵防爆性較好，能適應(yīng)不同工作場(chǎng)合的要求，包括一些特殊工作環(huán)境；運(yùn)動(dòng)摩擦較小，噪聲??；工作過程能量損耗小。

本技術(shù)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(shè)置磁芯，同時(shí)又能以較小的功耗產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(shí)施過程中，技術(shù)創(chuàng)新首要重點(diǎn)是微型尺寸下的印制平面線圈驅(qū)動(dòng)方式以及防水、防塵和防爆密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造；其次為基于葉片外緣的驅(qū)動(dòng)、柔性印刷電樞和磁力懸浮支撐等創(chuàng)新技術(shù)。

4 技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用前景

微小型氣泵：煤炭和化工行業(yè)氣體監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，每年對(duì)具有以上特性的氣體采樣泵都有極大的市場(chǎng)需求；技術(shù)產(chǎn)品還可擴(kuò)大到電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車行業(yè)，市場(chǎng)前景更加廣闊。

微型節(jié)能靜音風(fēng)扇：應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備、電子電氣設(shè)備、電子書、平板電腦、手機(jī)、微型投影儀等產(chǎn)品的散熱及微型水泵等。

本項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)的氣體采樣泵以及微型節(jié)能靜音風(fēng)扇，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式、支撐方式不同，具有很大的優(yōu)越性。通過本項(xiàng)目技術(shù)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(cè)儀器實(shí)時(shí)響應(yīng)與防潮防爆需同時(shí)兼顧的問題；而微型冷卻風(fēng)扇則以更低的驅(qū)動(dòng)功率、更低的轉(zhuǎn)速達(dá)到了更大的風(fēng)量和風(fēng)壓，實(shí)現(xiàn)了更低的噪聲和更長(zhǎng)的壽命。

本技術(shù)開發(fā)的微型冷卻風(fēng)扇產(chǎn)品與同體積的傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，風(fēng)量增加10%，風(fēng)壓增加5%，功耗降低8%，噪聲降低10%，同時(shí)具備防塵、防爆、防水特性。按一臺(tái)計(jì)算機(jī)中平均有3個(gè)微型風(fēng)扇（CPU、顯卡、電源），每個(gè)微型風(fēng)扇風(fēng)量增加10%，風(fēng)壓增加5%，功耗降低8%，噪聲降低10%計(jì)算，可以產(chǎn)生極大的節(jié)能效果，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義，使用這些產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域都將產(chǎn)生極大的節(jié)能效益。

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