带防护外框三叶轴流散热风轮结构

　　在小型电子设备散热、局部工位通风、紧凑型机柜换热这类场景里，这类带一体式外框的三叶风轮是非常常见的核心动部件，和常规无框风叶不同，外框的存在首先解决了风轮安装时的径向定位问题，不需要额外设计独立的风圈结构，能直接嵌入到设备预留的圆形安装位里，减少周边配套结构的设计工作量。从实际使用的角度看，三叶结构的动平衡调校难度比多叶结构更低，对于小尺寸、低转速的应用场景，三叶布局在保证足够通风量的前提下，转动时的气流脉动更小，运行噪音也更容易控制，适合对静音有一定要求的民用电子、小型办公设备散热场景。

　　设计这类风轮的时候，首先要确定的是外框的内径尺寸，这个尺寸直接决定了风轮的有效扫风面积，外框和叶片尖端的间隙要控制在合理范围，间隙过大会导致叶尖漏风，降低通风效率，间隙过小则会因为加工公差、转动时的形变出现叶尖擦碰外框的问题，一般小尺寸风轮的单边间隙控制在0.5-1mm区间，兼顾效率和装配容错率。叶片的翼型选择不需要照搬大型工业风机的复杂曲面，小尺寸应用下采用等厚度圆弧翼型就能满足需求，叶片的安装角从叶根到叶尖做渐变处理，叶根位置安装角更大，抵消线速度较低带来的送风能力不足，叶尖位置安装角适当减小，避免叶尖位置气流分离产生额外的紊流噪音。中心的轮毂部分设计成半球形导流结构，这个结构的作用是引导进入风轮的气流平滑过渡到叶片通道，避免轮毂正面的气流滞止区产生涡流损失，轮毂的直径一般取风轮总直径的三分之一左右，既保证足够的空间安装转轴固定结构，也不会占用过多的有效扫风面积。外框的截面采用等宽度的环形结构，宽度和叶片的轴向弦长保持一致，一方面可以给叶片提供足够的外围防护，避免异物直接接触转动的叶片，另一方面外框的轴向延伸段可以对流出的气流起到一定的整流作用，让送风方向更集中，减少气流的径向扩散。

　　安装边界上，这类风轮一般通过中心轮毂的轴孔和驱动电机的输出轴配合，轴孔的公差选择基孔制的过渡配合，保证和电机轴的同轴度，轮毂背面可以设计成平面结构，直接贴合电机的安装端面，不需要额外的轴向定位结构，外框的外圆面可以根据安装需求设计定位止口，方便和设备的风道结构对接，保证整个风路的密封性。从结构强度的角度看，叶片和轮毂、外框的连接位置要做圆角过渡，避免应力集中，因为风轮转动时叶片根部承受的离心力最大，圆角过渡可以有效降低长期转动后的疲劳断裂风险，对于采用塑料注塑成型的这类小尺寸风轮，连接位置的圆角还能改善注塑时的材料流动，避免出现缺胶、熔接痕等成型缺陷。

　　实际选型应用的时候，要注意风轮的工作转速和自身固有频率的匹配，避免在常用转速区间出现共振，这类三叶结构的固有频率计算相对简单，通过调整叶片的厚度、轮毂的重量就能很方便的错开共振区间，不需要做复杂的模态分析就能满足大部分民用场景的使用需求。和金属材质的风轮相比，这类一体化结构的塑料风轮重量更轻，对电机的启动扭矩要求更低，适合搭配小功率的直流电机使用，在低电压供电的便携设备、小型数码产品里应用非常广泛，同时一体化的结构不需要后续的装配工序，生产一致性更好，批量生产的成本也更低。