Cuscinetti per ventole: uno sguardo alle opzioni di progetto

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Elementi di vitale importanza per molti sistemi elettronici, le ventole sono progettate per garantire il funzionamento di un dispositivo all’interno dell’intervallo di temperatura previsto e assicurare che i componenti elettronici lavorino nel modo più efficiente possibile. Anche se sono stati fatti numerosi tentativi per individuare metodi alternativi per la gestione termica, nessuno si è finora dimostrato così economico ed efficace come le ventole.

Una ventola sposta l’aria per mezzo di un rotore che ruota su un cuscinetto. Un elemento di fondamentale importanza da tenere in considerazione in fase di progettazione è l’uniformità di funzionamento di questo cuscinetto, poiché non bisogna dimenticare che una ventola ruota migliaia di volte in un minuto nel corso di una vita operativa che deve essere di diversi anni. Si tratta di un processo che provoca sollecitazioni di notevole entità sul cuscinetto, per cui è indispensabile che quest’ultimo si dimostri all’altezza del compito che è chiamato a svolgere.

Attualmente le due tipologie di cuscinetti più usati sono il cuscinetto a sfere (ball bearing) e le bronzine (o cuscinetti a strisciamento – sleeve bearing) ciascuna delle quali presenta ovviamente vantaggi e svantaggi.

Ventole con bronzine

Le ventole di questo tipo trovano impiego in una molteplicità di applicazioni grazie alla semplicità del progetto, alle caratteristiche di robustezza e al basso costo. La loro robustezza ne permette l’utilizzo in ambienti gravosi, mentre grazie alla semplicità le ventole di questo tipo sono meno soggette ai guasti. Il loro funzionamento, inoltre, è meno rumoroso per cui possono essere utilizzate in ambienti silenziosi come abitazioni o uffici.

Una ventola con bronzine  (fig. 1) prevede un albero centrale racchiuso in un assemblaggio a forma di manicotto, mentre per facilitare la rotazione viene utilizzato olio come lubrificante. Questo manicotto protegge l’albero e assicura che il rotore rimanga nella posizione corretta, mantenendo una distanza costante tra statore e rotore.

Fig. 1 – Schema costruttivo di una ventola con bronzine

Ottenere la corretta distanza di separazione tra albero e manicotto è un’operazione che richiede un’attenta opera di bilanciamento.  Uno spazio troppo ridotto comporta l’insorgere di fenomeni di attrito, che provocano difficoltà in fase di avviamento e un aumento della potenza assorbita, mentre uno spazio eccessivo può essere causa di oscillazioni del rotore. Un ulteriore ostacolo legato a una realizzazione che prevede l’uso di bronzine deriva dal fatto che  il manicotto è l’unico mezzo fisico utilizzato per mantenere in posizione iI rotore e quindi a lungo andare l’albero finirà per erodere il foro del cuscinetto, La situazione risulta ancora più critica nel caso in cui il rotore ruoti continuamente nella medesima direzione: in questo caso il foro assumerà una forma ovale, il funzionamento sarà più rumoroso e la vita operativa più breve. Nel caso la ventola operi in diverse posizioni, il cuscinetto verrà eroso in aree differenti: in questo caso si verrà a creare una superficie irregolare che potrebbe dar luogo a oscillazione e a un aumento della rumorosità. Oltre a ciò, le bronzine richiedono anelli di lubrificazione e rondelle in Mylar per evitare perdite del lubrificante, con conseguente aumento dell’attrito dell’albero e una possibile generazione di gas. Il gas intrappolato si solidifica in particelle di nitruro che ostacolano il movimento, contribuendo a ridurre la durata operativa della ventola.

Le ventole con bronzine sono utilizzate solitamente in apparecchiature statiche e in sistemi che operano in intervalli di temperatura normali. Apparecchiature per ufficio, computer, sistemi di riscaldamento e armadi industriali sono alcuni esempi di impieghi tipici.

Ventole con cuscinetti a sfere

Le ventole con cuscinetti a sfera (Fig. 2) sono progettate per superare alcune delle limitazioni delle ventole a bronzine. Generalmente il deterioramento nel tempo è minore, mentre è possibile il funzionamento a temperature più elevate e in ogni angolazione. Per contro, le ventole con cuscinetti a sfere sono caratterizzate da un design più complesso, sono più costose e meno resistenti alle sollecitazioni e alla vibrazioni rispetto alle ventole con bronzine, tutti fattori che hanno un impatto sulle prestazioni complessive. Oltre a ciò le ventole con cuscinetti a sfere provocano un rumore più intenso, limitandone quindi i campi di utilizzo.

Nel progetto di una ventola con cuscinetti a sfere si utilizza un anello di sfere attorno all’albero per risolvere i problemi dell’oscillazione del rotore e dell’usura irregolare. La maggior parte dei progetti prevede una coppia di cuscinetti, uno di fronte all’altro, solitamente separati per mezzo di molle. I cuscinetti a sfera permettono di ridurre l’attrito rispetto alle bronzine, mentre grazie alle molle è possibile compensare ogni inclinazione della ventola provocata dal peso del rotore. Nel caso le molle vengano posizione attorno all’intero albero, la ventola può lavorare con qualsiasi angolazione senza provocare fenomeni di attrito o usura, a tutto vantaggio dell’affidabilità.

Le ventole con cuscinetti a sfere sono utilizzate in data center e laddove è prevista un’elevata densità di computer, applicazioni in cui temperatura, prestazione ed MTBF sono problemi molto più critici rispetto al rumore. Esse sono anche ampiamente impiegate in ambito industriale per sistemi elettronici di raffreddamento e come ventilatori in applicazioni di asciugatura industriale.

Fig. 2 – Schema costruttivo di una ventola con cuscinetti a sfere

Sistema omniCOOL: l’innovazione nel campo dei cuscinetti per ventole

I cuscinetti a sfere e le bronzine non sono le uniche tipologie di cuscinetti disponibili. Il sistema omniCOOL™ (Fig. 3) è un progetto di cuscinetto alternativo sviluppato da CUI Devices che utilizza una struttura magnetica per il bilanciamento del rotore in abbinamento a una bronzina migliorata per compensare gli svantaggi delle due opzioni tradizionali.

La struttura magnetica del sistema omniCOOL permette al rotore di funzionare come una trottola che non cade mai e di operare con qualsiasi angolazione. La struttura magnetica per il bilanciamento del rotore è posizionata di fronte al rotore stesso nel punto in cui il suo flusso è parallelo alla direzione dell’albero motore. In questo punto la struttura magnetica attrae il rotore in modo uniforme, indipendentemente dall’angolo secondo il quale è impostato il rotore.

Fig. 3 – Schema del motore di una ventola che utilizza il sistema omniCOOL

La punta dell’albero è tenuta in posizione da un cappuccio di supporto posizionato di fronte al foro del cuscinetto, formando il punto attorno al quale ruota il rotore. In questo modo il peso del rotore non grava nè sull’albero nè sulle bronzine. Oltre a ciò, il campo magnetico attrae l’albero verso il basso, abbassando il tal modo il suo centro di gravità e riducendo le problematiche legate ai fenomeni di oscillazione e di inclinazione. In questo modo la ventola può funzionare con qualsiasi angolazione, minimizzando nel contempo l’attrito.

La struttura magnetica di bilanciamento del rotore del sistema omniCOOL può essere utilizzata in dispositivi che tradizionalmente fanno ricorso a ventole a bronzine e con cuscinetti a sfere al fine di sopperire alle limitazioni tipiche in precedenza eidenziate. Al fine di garantire ulteriori miglioramenti, il sistema omniCOOL prevede anche un cuscinetto di concezione innovativa che è stato opportunamente rinforzato per garantire una maggiore resistenza nelle aree di contatto. Questa caratteristica permette il funzionamento a temperature che si aggirano intorno ai 90°.

Poiché l’attrito risulta ridotto, il sistema richiede meno lubrificante, ragion per cui è possibile eliminare dal progetto sia l’anello di lubrificazione sia le rondelle in Mylar, rimuovendo quindi altre potenziali cause di contatto e sfregamento. Ciò si traduce in ulteriori vantaggi tra cui riduzione della resistenza e del rumore in fase di avviamento e diminuzione del numero di componenti richiesto. Grazie al numero inferiore di componenti, il sistema omniCOOL risulta più affidabile e più semplice da implementare rispetto ai progetti tradizionali.

Una nuova opzione per il progetto di ventole

Il sistema omniCOOL di CUI Devices permette di superare gli svantaggi delle tradizionali ventole con bronzine e con cuscinetti a sfere e di realizzare ventole che abbinano silenziosità, economicità e possibilità di funzionamento con ogni angolazione. In grado di sopperire alle carenze delle due opzioni tradizionali, il sistema omniCOOL può essere usato in alternativa a entrambe le tipologie di ventole (con bronzine e con cuscinetti a sfera), assicurandone nel contempo i vantaggi in qualsiasi tipo di applicazione. Nelle applicazioni solitamente appannaggio delle ventole con bronzine è ora possibile optare per un’altra soluzione che non solo garantisce robustezza, basso rumore e affidabilità, ma anche una durata operativa superiore e la possibilità di montaggio con qualsiasi angolazione. Nelle applicazioni che prevedono solitamente l’uso di ventole con cuscinetti a sfere, il sistema omniCOOL è in grado di garantire la medesima resistenza alle alte temperature abbinata a una riduzione dei fenomeni di usura, oltre a una migliore resistenza all’impatto e una maggiore affidabilità. Grazie a questo cuscinetto di nuova concezione proposto da CUI Devices, che abbina i vantaggi sia dei cuscinetti a sfere sia delle bronzine, i progettisti di ventole non devono più ricorrere ad alcun compromesso.

Informazioni aggiuntive

Visionate la linea completa di ventole di CUI Devices realizzate con il sistema omniCOOL

Leggere l’articolo tecnico sul sistema omniCOOL

Ryan Smoot CUI Devices

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