Về cơ bản, quạt máy tính là một mô tơ không sử dụng chổi than gắn với nhiều cánh nhằm làm khối không khí di chuyển .

Chúng nằm bên trong một chiếc máy tính và có thể được chế tạo bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Trong bài hướng dẫn này chúng ta sẽ nghiên cứu về một trong những bộ phận của quạt hiện đang là chủ đề của rất nhiều cuộc tranh luận, đó là ổ trục bi.

Có lẽ bạn đã thấy rất nhiều người viết rằng quạt được sử dụng trong PC “không sử dụng chổi than”, nhưng điều đó có nghĩa là gì? Đầu tiên hãy cùng nhau nghiên cứu cách hoạt động của một mô tơ chổi than.

Mô tơ chổi than là một bộ phận bằng kim loại với các dây đồng quấn xung quanh . Bộ phận kim loại này có thể di chuyển được và được gắn với một trục, vì thế bất cứ khi nào nó di chuyển, trục này cũng di chuyển theo và làm quay bất cứ cái gì được gắn vào trục đó.

Khi được cung cấp năng lượng, bộ phận kim loại này sẽ chuyển đổi thành một nam châm điện và tạo ra  từ trường với hai cực (được gọi là Bắc và Nam). Xung quanh mô tơ đó có 2 mẩu nam châm hình vòng cung lớn, một mẩu tạo ra từ trường cực bắc và mẩu còn lại tạo ra từ trường cực nam. Khi từ trường được tạo ra bởi một nam châm điện thì cũng giống như nó được tạo ra bởi một nam châm tĩnh, khi đó mô tơ sẽ chuyển động bởi vì các nam châm cùng dấu sẽ đẩy nhau. Cũng như thế, từ trường của nam châm trái dấu sẽ là trái dấu và nó hút nam châm điện. Chúng sửa máy tính tại nhà mô tả trường hợp này ở “bước đầu tiên” của Hình 1.

Tuy nhiên, sau khi mô tơ quay 180º nhờ có lực đẩy của các từ trường, nó sẽ dừng lại bởi vì bây giờ hệ thống đã được cân bằng , thì hiện tại từ trường được tạo ra bởi mô tơ lại biến thành ngược kiểu với từ trường được tạo ra bởi nam châm tĩnh, do đó lại khiến mô tơ bị hút bởi các nam châm tĩnh thay vì bị đẩy.

Hình 1: Cách hoạt động của mô tơ chổi than.

Để giúp cho mô tơ xoay lại, thì hướng của dòng điện trong dây dẫn phải được đảo lại. Bằng việc đảo chiều cực, từ trường được tạo ra bởi mô tơ cũng sẽ đảo ngược theo và lại tạo ra một trường hợp tương tự với bước đầu tiên, và mô tơ lại tiếp tục chuyển 180º thêm nhiều lần rồi sau đó lại dừng lại.

Do đó, để mô tơ liên tục xoay, chúng ta cần một cơ chế tự động đảo chiều phân cực của các dây quấn ngay lập tức sau khi mô tơ quay xong 180º. Cách dễ và rẻ nhất để thực hiện việc này chính là sử dụng một cặp chổi than. Phần cuối của sợi dây bao quanh mô tơ và được gắn với 2 tiếp điểm, nhờ đó 2 chổi than có thể chạm vào được 2 tiếp điểm đó. Các chổi than luôn cùng cực với nhau nhưng khi những tiếp điểm sẽ di chuyển cùng với cực của motor  thì tính phân cực sẽ bị đảo ngược mỗi khi mô tơ quay được 180º. Minh hoạ trường hợp này ở Hình 2.

Hình 2: Hệ thống chổi than.

Dĩ nhiên đây là một lời giải thích quá đơn giản nhưng nó đủ để giúp bạn hiểu được các nguyên tắc cơ bản của mô tơ chổi than.

Các mô tơ này được sử dụng trong các quạt máy tính, tuy nhiên, nó lại không hoạt động theo cách này bởi vì các mô tơ chổi than rất ầm ỹ và tạo ra các tia lửa mỗi khi những đường ống chạm vào chổi than, quay rất nhanh vì sự tiếp xúc của các đường ống với các chổi than, đồng thời cũng không đáng tin cậy nếu sử dụng ở tốc độ cao.

Quạt máy tính tinh tế hơn nhiều bởi vì chúng sử dụng mô tơ không chổi than. Như chính cái tên của mình, loại mô tơ này không hề sử dụng chổi than. Thiết kế của mô tơ này hơi khác một chút. Như chúng ta đã thấy ở trang trước, mô tơ chổi than có các nam châm tĩnh và dây đồng cuốn xung quanh các phần xoay. Mô tơ không chổi than được tạo ra theo một cách hoàn toàn trái ngược: nam châm điện (cuộn dây đồng) đứng yên còn các nam châm thì lại xoay.

Trong trường hợp của quạt máy tính, nam châm ( Magnet ) được gắn với bộ phận cánh quạt ( Blades ) và cánh này gắn vào trục ( Shaft ) – toàn bộ hệ thống này được gọi là Rotor . Rotor quay được khi được gắn vào khung của quạt ( Fan Frame ) , cũng được gọi là Stator.

Các nam châm điện được cài đặt trong Stator và chúng không chuyển động. Ở phần giữa cánh nơi mà các cuộn dây ( Coils ) được nối thành nam châm điện là một lỗ hổng để gắn trục của Rotor.

Lỗ hổng này là một loại ổ trục ( Bearing ) phổ biến mà chúng ta có thể bàn kĩ hơn trong các phần sau.

Hình 3: Rotor

Hình 4: Stator

Mô tơ không chổi than có thể được tạo ra bằng rất nhiều cuộn dây, các quạt máy tính thường có 8 cuộn. Trong một quạt máy tính, bạn có thể dễ dàng nhận ra 4 “cánh tay” hoặc “răng” hình chữ T bằng kim loại, mỗi một cái đều có 2 cuộn được gắn vào, thường thì một cuộn sử dụng dây đồng đỏ và cuộn còn lại sử dụng dây đồng trần. (xem hình 5)

Hình 5: Mỗi phần hình chữ T đều có 2 cuộn dây.

Các cuộn dây này được kết nối như trong hình 6. Trong ví dụ của chúng ta, V0 chính là dây chung cho cả hai cụm cuộn dây, V1 là dây truyền năng lượng cho cuộn dây đồng đỏ và V2 là dây truyền năng lượng cho cuộn dây đồng trần.

Hình 6: Cách các cuộn dây đồng được nối.

Một mạch IC trên quạt là một bảng mạch điều khiển các cuộn dây. Nó truyền năng lượng cho các cuộn và nhờ đó mà mô tơ quay. Nói cách khác, mạch IC sẽ thay đổi từ trường do các cuộn dây tạo ra, do đó chúng sẽ đẩy nam châm trên Rotor và làm nó quay.

Hình 7: Mạch IC

Các quạt không sử dụng chổi than cơ bản chỉ có 2 dây. Các quạt này cũng có thể có một mạch điều khiển giúp cung cấp dữ liệu cho Motherboard của máy tính bằng các bước sóng thể hiện tốc độ của Rotor. Bằng cách này, bạn có thể kiểm tra tốc độ quạt qua Motherboard hoặc một chương trình quản lý quạt. Mạch này có thể có một dây thứ 3, vì thế những chiếc quạt có 3 dây bao bên ngoài chúng sẽ có được bộ phận cảm biến. Tất nhiên là việc bổ sung mạch này sẽ khiến cho những chiếc quạt đắt hơn .

Những chiếc quạt cao cấp có thể có cả dây thứ 4 được nối với mạch IC của quạt để kiểm soát tốc độ quạt, thông qua kĩ thuật được gọi là sự điều chế độ rộng xung (PWM). Nếu có dây này, tốc độ quạt sẽ được kiểm soát bởi Motherboard của máy tính và bạn có thể thiết lập máy tính nhằm điều chỉnh tốc độ quạt tuỳ thuộc vào nhiệt độ mà bộ cảm biến nhiệt nằm bên trong máy tính đưa ra. Dĩ nhiên loại quạt này đắt hơn những chiếc quạt chỉ có một dây điều khiển.

Điều quan trọng là phải hiểu rằng bạn có thể kiểm soát tốc độ của quạt bằng việc giảm điện áp cung cấp thông qua một biến trở hoặc một thiết bị kiểm soát tốc độ quạt.

Tất nhiên đây cũng là một điều đơn giản về cách thức hoạt động của một quạt không sử dụng chổi than. Có rất nhiều chi tiết của những mô tơ không sử dụng chổi than nhưng sửa máy tính quyết định chỉ tập trung phần lớn vào việc sử dụng chúng như những chiếu quạt máy tính.

Lợi ích của những chiếc mô tơ không sử dụng chổi than hơn những mô tơ sử dụng chổi than là ở chỗ: chúng tạo ra ít tiếng ồn, chúng không gây ra các tia lửa và chúng đáng tin cậy hơn.

Giờ bạn đã biết cách hoạt động của những chiếc quạt máy tính, chúng ta hãy cùng nghiên cứu về một bộ phận là nguồn gốc của hàng loạt những nghi ngờ: ổ trục.

Ổ trục là một bộ phận cho phép trục rotor quay, đây chính là chỗ kết nối giữa Rotor và Stator. Nó nằm chính xác ở giữa Stator, như được chỉ ra trong hình 4.

Về cơ bản, loại ổ trục được sử dụng sẽ cho chúng ta biết về 2 thông số, lượng tiếng ồn của quạt và tuổi thọ tối đa của nó.

Có 2 loại ổ trục cơ bản: ổ trục bọc ngoài và ổ trục bi.

Ổ trục bọc ngoài chính là loại cơ bản nhất trong các ổ trục. Về cơ bản, nó là một ống được tra dầu mỡ và các trục rotor sẽ được đưa vào trong.

Hình 8: Ổ trục bọc ngoài  

Người ta nói rằng các quạt sử dụng ổ trục bọc ngoài sẽ êm hơn quạt sử dụng ổ trục bi nhưng thực sự chỉ đúng một phần. Khi những chiếc quạt này còn mới, điều này đúng. Nhưng một khi quạt đã cũ và dầu mỡ trong ống bắt đầu khô dần thì loại quạt này bắt đầu ầm í hơn cả loại quạt dùng ổ trục bi.

Việc chất bôi trong (dầu hoặc mỡ) khô đi là một quá trình không thể tránh khỏi và khi không còn đủ chất bôi trơn bên trong ống, quạt sẽ hỏng. Chính vì điều này mà các quạt sử dụng ổ trục bọc ngoài sẽ có vòng đời ngắn hơn so với các loại quạt máy tính khác. Nhưng trái lại, loại quạt này lại không đắt chút nào.

Quan trọng là phải hiểu rằng vòng đời quạt phụ thuộc vào việc điều khiển nhiệt độ quạt, bởi vì khi tăng nhiệt độ thì chất bôi trơn sẽ bốc hơi nhanh hơn.

Dưới đây là bảng về tuổi đời tối đa của những chiếc quạt sử dụng ổ trục trượt phụ thuộc vào nhiệt độ của phòng (nguồn: WILLIAMS, Melody. Bảng so sánh ổ trục bi và trượt. Chatsworth, NMB Technologies Corporation). Tuy nhiên hầu hết các nhà chế tạo lại ước lượng những chiếc quạt sử dụng ổ trục bọc ngoài có tuổi đời tối đa là 30000 giờ ở 40ºC.

 

Mặt hạn chế của quạt ổ trục bọc ngoài là chúng không được thiết kế để sử dụng nằm ngang bởi nếu cài đặt chúng nằm ngang thì tất cả dầu trong ống sẽ chảy tới một trong các phần của trục. Vì vậy, để đạt được hiệu suất cao nhất, các quạt ổ trục bọc ngoài phải được thiết kế thẳng đứng để dầu bên trong ổ trục luôn luôn tràn ra nhiều hoặc ít hơn ngang nhau. Không may mắn là hầu hết các nhà chế tạo vỏ máy và bộ phận cung cấp năng lượng đã không nghe theo lời khuyến cáo này, do đó mà có thể làm giảm tuổi thọ của quạt.

Vòng tròn ổ trục bi là một phần cứng được bịt kín với các viên bi nhỏ bằng kim loại bên trong (xem hình 9). Mặc dù những vòng tròn bi mở cũng tồn tại nhưng chúng không được sử dụng trong quạt máy tính. Loại này cũng giống như loại ổ trục được sử dụng trong các cánh trục lăn và ván trượt.

Hình 9: Vòng tròn ổ trục bi

Hình 10: Vòng tròn ổ trục bi

Bởi vì nó là một bộ phận đóng nên chất bôi trơn (thường là mỡ) ở bên trong bốc hơi chậm hơn so với ổ trục trượt, điều này làm cho các quạt sử dụng bộ phận này tồn tại lâu hơn. Ví dụ, ở 50ºC tuổi tho tối đa của một quạt ổ trục bọc ngoài là 40000 giờ nhưng của quạt ổ trục bị lại là 63000 giờ với cùng nhiệt độ, vậy là lâu hơn 57%.

Cũng giống như với ổ trục bọc ngoài, tuổi thọ tối đa của ổ trục bị phụ thuộc vào nhiệt độ, như được chỉ ra trong bảng dưới đây. Tuy nhiên, hầu hết các nhà chế tạo quạt lại ước lượng tuổi thọ tối đa của quạt ổ trục bi là 50000 giờ ở 40ºC.

 

Các quạt ổ trục bi có thể kêu to hơn quạt ổ trục bọc ngoài khi cả 2 đều còn mới nhưng như đã được giải thích ở trang trước, khi nó cũ, mức độ tiếng ông của quạt ổ trục trượt tăng lên và chúng trở nên ầm ỹ hơn với các mẫu ổ trục bi.

Một số quạt có thể sử dụng được cả 2 vòng tròn ổ trục bi chứ không chỉ một; chúng được gọi là những chiếc quạt ổ trục bi kép hoặc 2BB (“2 ball bearings”).Trong trường hợp này, ổ trục được đặt ở phần của Rotor.  Những quạt sử dụng 1 đường tròn ổ trục bi được gọi là 1B1S (“1 ball 1 sleeve bearings”) bởi vì khi 1 ổ trục bi được sử dụng tại 1 phần của của Stator thì ở phần còn lại, 1 ổ trục bi sẽ được dùng để giữ cho trục đúng vị trí.

Ngược lại đối với những quạt ổ trục bọc ngoài, chúng có thể được thiết kế đứng hoặc ngang bởi vì chất bôi trơn đã được bọc kín bên trong ổ trục.

Những chiếc quạt sử dụng ổ trục bi sẽ đắt hơn những chiếc ổ trục trượt và những chiếc sử dụng 2 ổ trục bi sẽ đắt hơn những chiếc sử dụng 1.

Các nhà chế tạo luôn cố gắng tạo ra một ổ trục có thể tồn tại lâu hơn và gây ít tiếng ồn hơn. Hầu hết các loại ổ trục khác đều là bản cải biến của bản thiết kế cho ổ trục bọc ngoài nhằm mang lại những ổ trục rẻ hơn ổ trục bi nhưng lại tồn tại lâu hơn ổ trục trượt.

Và quan trọng là phải hiểu được đôi khi 1 loại ổ trục mới chỉ được sử dụng bởi 1 nhà chế tạo nào đó và đó là lý do tại sao có thể bạn không biết gì về loại ổ trục được liệt kê dưới đây.

Ổ trục xoắn là một ổ trục trượt được cải biến đi với một rãnh bên trong ống bơm dầu từ bình. Rãnh này làm cho ống luôn “ướt” và không giống như những chiếc quạt ổ trục trượt, nó cho phép thiết kế quạt theo chiều ngang. Tuổi đời của loại quạt này cũng nằm giữa loại ổ trục trượt và ổ trục bi.

Cũng được biết đến như ổ trục chứa hydro, đây là một bản cải biến của ổ trục trượt mà trục không chạm vào ống trên stator; ống này được chứa đầy dầu và vì thế trục quay bên trong ngăn chứa dầu này. Theo như Jaro Thermal, những chiếc quạt dùng ổ trục lỏng có tuổi thọ trung bình là 60000 giờ ở 40ºC. Vì trục luôn được làm “ướt” nên loại này có thể được thiết kế theo chiều ngang.

Ổ trục nam châm cũng được gọi là ổ trục nâng từ làm cho trục rotor nổi lên bên trong ống stator mà không hề chạm vào nó nhờ có việc sử dụng lực hút nam châm. Theo đó, không cần đến chất bôi trơn bởi vì không có sự tiếp xúc vật lý nào giữa trục và stator, mức độ tiếng ồn cũng giảm tối thiểu. Theo như Sunon, loại quạt ổ trục này có tuổi đời 50000 giờ với nhiệt độ trong phòng (khoảng 25ºC). Giải thích cụ thể về kỹ thuật này ở đây.

Cũng được gọi là một ổ trục lai, đây chính là một vòng tròn ổ trục bao gồm những viên bi bằng sứ thay cho những viên bi thép.