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對於微特電機你瞭解多少?美國蘋果和你聊聊手機裡的電機

電機分為電動機和發電機, 兩者主要是輸入和輸出的能量形式不同, 電動機輸入的是電能, 輸出的是機械能;發電機輸入的是機械能, 輸出的是電能。

電動機作為機電能量轉換的重要裝置, 是電氣傳動的基礎部件, 其耗電量佔據了全部用電量的60%, 對能源利用、環境保護和人民生活品質的提高起著關鍵作用。 電動機根據不同的分類標準, 具體分類如下:

微特電機全稱是微型特種電機, 是指其原理、結構、性能、作用、使用條件適應特種機械要求且其體積和輸出功率較小的電機, 性能偏重於要求靜態和動態特性參數的高精度、快速回應和可靠性。

微特電機的特徵是外徑一般不大於 50mm, 品質從數十毫克到數千克, 功率從數百毫瓦到數百瓦。

微特電機是重要的機械基礎件和智慧型驅動、控制執行部件, 其應用範圍幾乎遍佈所有行業, 特 別是與人們的日常生活關係緊密相關。

超小型微特電機指直徑小於10mm並且額定功率小於 1W的微型特種電機, 主要應用于需要產生振動或驅動效果的手機、微型電動玩具、日用消費品及小型醫療保健用品等, 其生產工藝複雜, 精密度和功耗要求高, 近年來超小型微特電機應用範圍不斷拓寬, 已成為微特電機的一個重要分支。

超小型微特電機根據設計形狀與直徑可以分成圓柱型和扁平型兩類,

圓柱型 超小型微特電機的直徑主要有4mm、6mm、7mm三類, 扁平型超小型微特電機 的直徑主要有4mm、7mm二類, 目前主流應用的是直徑4mm的產品。

微特電機行業總體狀況

微特電機是工業自動化、辦公自動化、家庭自動化、武器裝備自動化必不可少的關鍵基礎機電元件, 廣泛應用於汽車、家用電器、電動車、音像、通信、計 算機、日用化妝品、機器人、航空航太、工業機械、軍事及自動化等領域。

微特電機是技術密集行業, 其興起於瑞士, 發展於日本, 而後隨技術擴散逐步向發展中國家轉移, 並帶動這些國家微特電機行業的發展。

目前, 日本、韓國等發達國家擁有微特電機行業的先進技術, 其國內除從事部分高端微特電機生產外, 大部分製造能力已向發展中國家轉移。

以中國為代表的發展中國家承接日本、韓國等發達國家的產業轉移。

國內微特電機行業(除軍用微特電機外)是對外完全開放和市場競爭較充分 的行業。

基於以下兩個方面的優勢, 自 20 世紀 90 年代開始, 中國微特電機產業加速發展:一是國內經濟的發展形成了對微特電機的巨大市場需求, 大量的民營企業憑藉靈活的機制和市場開拓能力投資微特電機產業;二是中國擁有豐富的磁性材料資源、廉價的勞動力, 以及低廉的生產要素價格, 吸引了眾多的國際微特 電機製造企業向中國轉移生產。 目前, 中國已成為世界上大的微特電機的生產國和出口國。

超小型微特電機行業發展情況

超小型微特電機市場面向全球及應用行業空間廣闊, 從企業 競爭數量來看, 市場遠遠沒有飽和, 行業的成長空間很大。

日本、韓國等發達國家擁有超小型微特電機的主要生產技術, 並主要從事高端及特殊行業應用的產品生產, 消費類應用的中、低端超小型微特電機產品已向擁有政策支援、產業配套、人才、勞動力等優勢的發展中國家特別是中國市場轉移。

隨著超小型微特電機產能的轉移, 中國超小型微特電機的生產技術正在不斷積累和創新, 目前已經掌握了先進的生產技術, 並且在產品設計和應用技術創新方面走在全球前列。

近年, 超小型微特電機市場快速成長。 直徑小於10mm的微特電機目前主要應用于需要產生振動或驅動效果的手機、微型電動玩具、日用消費品及小型醫療保健器材等,

其生產工藝複雜, 精密度和功耗要求高, 只有具備較高技術水準和 人才優勢的企業才能組織規模生產。

超小型微特電機具有較高的行業壁壘, 如認證、規模效應、協同、技術和人才、下游客戶密切配合及資金等, 只有較早進入這一行業並且已在各方面有雄厚 的積累才能適應超小型微特電機日新月異應用市場的變化和需求。

全球手機市場的快速發展, 帶來了超小型微特電機市場的繁榮, 因具有體積小、震動或驅動效果好、提高應用產品附加值等優點超小型微特電機也開始向微型電動玩具、日用消費品及小型醫療保健用品等行業發展, 其市場規模也隨著上述行業的增長而快速擴張。

發達國家目前微特電機的家庭平均擁有量為80~130台,而我國大城市的家庭平均擁有量大約在20~40台大大低於西方發達國家的水準,因此國內微特電機行業的市場容量較大,市場需求將保持較快增長。

行業發展趨勢

1)規模化與自動化逐漸成為大批量生產的普遍模式。

微特電機行業存在兩種生產模式:一種是少品種、大批量生產,另一種是多品種、少批量生產。對於大批量生產模式而言,生產的規模化、製造和檢測自動化是主流趨勢,其好處在於可以有效地提高勞動生產率和產品品質。

2)數控技術、精密加工技術開始廣泛應用於微特電機生產。

隨著對微特電機產品的精度和可靠性的提高,為保證產品的高標準和品質的穩定性,生產過程中大量使用精密機械、數控設備和微特電機製造專用設備已成為微特電機生產的趨勢。

3)隨著驅動器引入微特電機行業,微特電機朝著智慧化方向發展。

驅動器的引入使微特電機向集成化、智慧化方向發展,從而改變了微特電機作為元件使用的傳統概念,確立了微特電機作為一個小系統的設計、生產和使用的新概念,標誌著微特電機發展已進入一個新階段。

4)節能成為微特電機產品研發的新熱點。

目前我國各類電動機的用電量約占全國用電量的60%,微特電機作為電機工業中的重要分支,其數量多、用途廣,是電能的消耗大戶。微特電機行業越來越重視節能產品的開發,不斷提高效率,推動微特電機產業升級,提高電力能源的利用率。

行業技術水準

微特電機的技術水準主要體現為微電子資訊技術、電力電子技術、自動控制技術、稀土永磁材料等新技術的應用能力,通過與上述新技術的緊密結合,實現從傳統微特電機到微特電機與電子控制裝置系統化的躍進,形成機電一體化的產品,朝著以電磁與電力電子技術為核心,集電腦技術、新型半導體材料技術和精密加工應用技術為一體的方向發展,是傳統行業與現代技術融合衍生而成的新興行業。

微特電機在電子產品上的應用——手機馬達

轉子馬達

此類馬達利用電磁感應原理,電磁力來驅動馬達軸心的轉動,從而帶動偏心鐵或偏心錘的轉動,產生的離心力使得快速旋轉的馬達震動。

偏心轉子馬達

轉子馬達有它自身的局限性,如啟動慢、刹車慢、以及沒有一個方向性的導向,而且更重要的是它沒法做得很薄,隨著智慧手機越做越薄,轉子馬達已經無法滿足 空間尺寸的要求,因此現在業界開始關注線性馬達(LRA),或稱為線性共振傳動器,它現在變成大家比較關心和比較注意的下一代產品。

幣型轉子馬達

線性馬達

手機線性馬達實際上是一個以線性形式運動的彈簧品質塊,將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉換裝置的新型馬達,由於彈簧常量的原因,線性馬達必須圍繞共振頻率在窄帶(±2Hz)範圍內驅動,振動性能在2Hz處會下降50%,另外,在共振狀態下驅動時,電源電流可銳降50%,因此在共振狀態下驅動可以大幅節省系統功耗。

線性馬達

線性震動馬達優勢

線性震動馬達相比轉子馬達的優勢還是相當明確的,一方面是彈簧+磁鐵的組合,功耗降低很多,並且震動組合方式和速度可以更為多樣自由,更重要的是震動起來更加優雅,乾脆清爽,不會像某些採用ERM的手機那樣,放在桌子上來消息震動時,感覺手機快要散架一樣。

線性馬達比作是一輛高速運動車,而普通的震動馬達比作價格實惠的緊湊型汽車。在0-100的加速上,運動車的爆發力足以將後者遠遠甩在身後;並且在同時踩下刹車時,前者可以更快制動。這也是震動馬達所應達成的一項指標。

也就是當使用者手指按到螢幕上,震動馬達給出回應達最大振幅,自然是越快越好,同時在需要停止時又能以最快的速度刹車。這才能有乾脆、靈敏的感覺,人類對於毫秒級別的響應就是如此偏執!這就促使線性馬達越來越為一線品牌手機所採用。

線性馬達的標杆

而在手機屆,蘋果更是將獨門的線性震動馬達技術Taptic Engine發展到新高度:在iphone7上蘋果為了達到IP67的防水性能,不僅取消了耳機孔,連物理home鍵也取消了機械式,採用的是觸控式Home按鍵。

為更好的實現“觸覺回饋”功能,將手指對螢幕壓力用振動的形式表達出來,按照蘋果的說法,一般手機震動馬達達到滿負荷需要至少10次震動,而Taptic Engine僅需要一個週期就能快速啟停,另外一次“mini tap”可以達到10ms的震動微控,據說和“即時的回饋”已經非常接近。

Taptic Engine可以感應Home鍵上的按壓力度,並通過震動來進行力回饋,類比近似真實的按鍵效果。

震動變得生動

在手機的快速更新換代中,人們對於手機功能的要求無疑是越來越苛刻,以前要求手機在主人開會的時候不能發出聲音但要有效提示給主人,促使第一代偏心馬達的應用與發展,現在要求手機根據不同的環境給予不同的回饋、不同的按壓力度帶來不同的震動。更先進的線性馬達無疑讓震動變得生動。

線性震動馬達的六個主要特點:

1.震動方向是上下震動

2.回應速度更快,啟動停止都非常塊,意味著可以做很細膩的震動回饋

3.驅動電流是很強的交流特性,PWM波的直接驅動效果非常差或者驅動不起來

4.一般需要一個專門的驅動晶片進行驅動

5.功耗低

6.對電源的干擾小。

微特電機生產工藝流程

扁平型微特電機的工藝流程

圓柱型微特電機的工藝流程

什麼是線性馬達(直線電機)

線性馬達一般指線性電機

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能,而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一台旋轉電機按徑向剖開,並展成平面而成。

直線電機也稱線性電機,線性馬達,直線馬達,推杆馬達。最常用的直線電機類型是平板式和U 型槽式,和管式。 線圈的典型組成是三相,有霍爾元件實現無刷換相。

直線電機明確顯示動子(forcer,rotor)的內部繞組、磁鉄和磁軌。動子是用環氧材料把線圈壓成的。而且,磁軌是把磁鐵固定在鋼上。

直線電機經常簡單描述為旋轉電機被展平,而工作原理相同。動子(forcer,rotor) 是用環氧材料把線圈壓縮在一起製成的;磁軌是把磁鐵(通常是高能量的稀土磁鐵)固定在鋼上。

電機的動子包括線圈繞組,霍爾元件電路板,電熱調節器(溫度感測器監控溫度)和電子介面。在旋轉電機中,動子和定子需要旋轉軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙(air gap)。

同樣的,直線電機需要直線導軌來保持動子在磁軌產生的磁場中的位置。和旋轉伺服電機的編碼器安裝在軸上回饋位置一樣,直線電機需要回饋直線位置的回饋裝置--直線編碼器,它可以直接測量負載的位置從而提高負載的位置精度。

直線電機的控制和旋轉電機一樣。象無刷旋轉電機,動子和定子無機械連接(無刷),不像旋轉電機的方面,動子旋轉和定子位置保持固定,直線電機系統可以是磁軌動或推力線圈動(大部分定位系統應用是磁軌固定,推力線圈動)。

用推力線圈運動的電機,推力線圈的重量和負載比很小。然而,需要高柔性線纜及其管理系統。用磁軌運動的電機,不僅要承受負載,還要承受磁軌品質,但無需線纜管理系統。

相似的機電原理用在直線和旋轉電機上。相同的電磁力在旋轉電機上產生力矩在直線電機產生直線推力作用。因此,直線電機使用和旋轉電機相同的控制和可程式設計配置。直線電機的形狀可以是平板式和U 型槽式,和管式.哪種構造最適合要看實際應用的規格要求和工作環境。

直線電機工作原理

由定子演變而來的一側稱為初級,由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時,將初級和次級製造成不同的長度,以保證在所需行程範圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級,也可以是長初級短次級。

考慮到製造成本、運行費用,以直線感應電動機為例:當初級繞組通入交流電源時,便在氣隙中產生行波磁場,次級在行波磁場切割下,將感應出電動勢並產生電流,該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定,則次級在推力作用下做直線運動;反之,則初級做直線運動。

直線電機的驅動控制技術一個直線電機應用系統不僅要有性能良好的直線電機,還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。隨著自動控制技術與微電腦技術的發展,直線電機的控制方法越來越多。

對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面:一是傳統控制技術,二是現代控制技術,三是智慧控制技術。傳統的控制技術如PID回饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。

其中PID控制蘊涵動態控制過程中的資訊,具有較強的魯棒性,是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果,往往採用解耦控制和向量控制技術。在物件模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環境是確定不變的條件下,採用傳統控制技術是簡單有效的。

但是在高精度微進給的高性能場合,就必須考慮物件結構與參數的變化。各種非線性的影響,運行環境的改變及環境干擾等時變和不確定因素,才能得到滿意的控制效果。

因此,現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有:自我調整控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智慧控制。主要是將模糊邏輯、神經網路與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合,取長補短,以獲得更好的控制性能。

直線電機的應用

直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種變形,它可以看作是一台旋轉電機沿其徑向剖開,然後拉平演變而成。

隨著自動控制技術和微型電腦的高速發展,對各類自動控制系統的定位精度提出了更高的要求,在這種情況下,傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組成的直線運動驅動裝置,已經遠不能滿足現代控制系統的要求,為此,世界許多國家都在研究、發展和應用直線電機,使得直線電機的應用領域越來越廣。

直線電機與旋轉電機相比,主要有如下幾個特點:

一是結構簡單,由於直線電機不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置,因而使得系統本身的結構大為簡化,重量和體積大大地下降;

二是定位精度高,在需要直線運動的地方,直線電機可以實現直接傳動,因而可以消除中間環節所帶來的各種定位誤差,故定位精度高,如採用微機控制,則還可以大大地提高整個系統的定位精度;

三是反應速度快、靈敏度高,隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐,因而使得動子和定子之間始終保持一定的氣隙而不接觸,這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力,因而大大地提高了系統的靈敏度、快速性和隨動性;

四是工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現無接觸傳遞力,機械摩擦損耗幾乎為零,所以故障少,免維修,因而工作安全可靠、壽命長。

直線電機主要應用於三個方面:一是應用於自動控制系統,這類應用場合比較多;其次是作為長期連續運行的驅動電機;三是應用在需要短時間、短距離內提供巨大的直線運動能的裝置中。

高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是直線電機實際應用的最典型的例子,美、英、日、法、德、加拿大等國都在研製直線懸浮列車,其中日本進展最快。

直線電機驅動的電梯 世界上第一台使用直線電機驅動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都豐島區萬世大樓,該電梯載重600kg,速度為105m/min,提升高度為22.9m。由於直線電機驅動的電梯沒有曳引機組,因而建築物頂的機房可省略。

如果建築物的高度增至1000米左右,就必須使用無鋼絲繩電梯,這種電梯採用高溫超導技術的直線電機驅動,線圈裝在井道中,轎廂外裝有高性能永磁材料,就如磁懸浮列車一樣,採用無線電波或光控技術控制。

超高速電動機 在旋轉超過某一極限時,採用滾動軸承的電動機就會產生燒結、損壞現象,國外研製了一種直線懸浮電動機(電磁軸承),採用懸浮技術使電機的動子懸浮在空中,消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力,其轉速可達25000~100000r/min以上,因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應用。

如日本安川公司新近研製的多工序自動數控車床用5軸可控式電磁高速主軸採用兩個徑向電磁軸承和一個軸向推力電磁軸承,可在任意方向上承受機床的負載。在軸的中間,除配有高速電動機以外,還配有與多工序自動數控車床相適應的工具自動交換機構。

線性馬達分類

圓柱形

圓柱形動磁體直線電機動子是圓柱形結構。沿固定著磁場的圓柱體運動。這種電機是最初發現的商業應用但是不能使用於要求節省空間的平板式和U 型槽式直線電機的場合。圓柱形動磁體直線電機的磁路與動磁執行器相似。

區別在於線圈可以複製以增加行程。典型的線圈繞組是三相組成的,使用霍爾裝置實現無刷換相。推力線圈是圓柱形的,沿磁棒上下運動。這種結構不適合對磁通洩漏敏感的應用。必須小心操作保證手指不卡在磁棒和有吸引力的側面之間。

管狀直線電機設計的一個潛在的問題出現在,當行程增加,由於電機是完全圓柱的而且沿著磁棒上下運動,唯一的支撐點在兩端。保證磁棒的徑向偏差不至於導致磁體接觸推力線圈的長度總會有限制。

U型槽式

U 型槽式直線電機有兩個介於金屬板之間且都對著線圈動子的平行磁軌。動子由導軌系統支撐在兩磁軌中間。動子是非鋼的,意味著無吸力且在磁軌和推力線圈之間無干擾力產生。非鋼線圈裝配具有慣量小,允許非常高的加速度。

線圈一般是三相的,無刷換相。可以用空氣冷卻法冷卻電機來獲得性能的增強。也有採用水冷方式的。這種設計可以較好地減少磁通洩露因為磁體面對面安裝在U形導槽裡。這種設計也最小化了強大的磁力吸引帶來的傷害。

這種設計的磁軌允許組合以增加行程長度,只局限於線纜管理系統可操作的長度,編碼器的長度,和機械構造的大而平的結構的能力。

平板

有三種類型的平板式直線電機(均為無刷):無槽無鐵芯,無槽有鐵芯和有槽有鐵芯。選擇時需要根據對應用要求的理解。

無槽無鐵芯平板電機是一系列coils安裝在一個鋁板上。由於FOCER 沒有鐵芯,電機沒有吸力和接頭效應(與U形槽電機同)。該設計在一定某些應用中有助於延長軸承壽命。動子可以從上面或側面安裝以適合大多數應用。

這種電機對要求控制速度平穩的應用是理想的。如掃描應用,但是平板磁軌設計產生的推力輸出最低。通常,平板磁軌具有高的磁通洩露。所以需要謹慎操作以防操作者受他們之間和其他被吸材料之間的磁力吸引而受到傷害。

無槽有鐵芯:無槽有鐵芯平板電機結構上和無槽無鐵芯電機相似。除了鐵芯安裝在鋼疊片結構然後再安裝到鋁背板上,鐵疊片結構用在指引磁場和增加推力。

磁軌和動子之間產生的吸力和電機產生的推力成正比,疊片結構導致接頭力產生。把動子安裝到磁軌上時必須小心以免他們之間的吸力造成傷害。無槽有鐵芯比無槽無鐵芯電機有更大的推力。

有槽有鐵芯:這種類型的直線電機,鐵心線圈被放進一個鋼結構裡以產生鐵芯線圈單元。鐵芯有效增強電機的推力輸出通過聚焦線圈產生的磁場。鐵芯電樞和磁軌之間強大的吸引力可以被預先用作氣浮軸承系統的預加載荷。這些力會增加軸承的磨損,磁鐵的相位差可減少接頭力。

線性馬達的優點

1)結構簡單。

管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動,使結構大大簡化,運動慣量減少,動態響應性能和定位精度大大提高;同時也提高了可靠性,節約了成本,使製造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分,這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

2)適合高速直線運動。

因為不存在離心力的約束,普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙,運動時無機械接觸,因而運動部分也就無摩擦和雜訊。這樣,傳動零部件沒有磨損,可大大減小機械損耗,避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的雜訊,從而提高整體效率。

3)初級繞組利用率高。

在管型直線感應電機中,初級繞組是餅式的,沒有端部繞組,因而繞組利用率高。

4)無橫向邊緣效應。

橫向效應是指由於橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱,而圓筒型直線電機橫向無開斷,所以磁場沿周向均勻分佈。

5)容易克服單邊磁拉力問題。

徑向拉力互相抵消,基本不存在單邊磁拉力的問題。

6)易於調節和控制。

通過調節電壓或頻率,或更換次級材料,可以得到不同的速度、電磁推力,適用於低速往復運行場合。

7)適應性強。

直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體,具有較好的防腐、防潮性能,便於在潮濕、粉塵和有害氣體的環境中使用;而且可以設計成多種結構,滿足不同情況的需要。

8)高加速度。

這是直線電機驅動,相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優勢。

其市場規模也隨著上述行業的增長而快速擴張。

發達國家目前微特電機的家庭平均擁有量為80~130台,而我國大城市的家庭平均擁有量大約在20~40台大大低於西方發達國家的水準,因此國內微特電機行業的市場容量較大,市場需求將保持較快增長。

行業發展趨勢

1)規模化與自動化逐漸成為大批量生產的普遍模式。

微特電機行業存在兩種生產模式:一種是少品種、大批量生產,另一種是多品種、少批量生產。對於大批量生產模式而言,生產的規模化、製造和檢測自動化是主流趨勢,其好處在於可以有效地提高勞動生產率和產品品質。

2)數控技術、精密加工技術開始廣泛應用於微特電機生產。

隨著對微特電機產品的精度和可靠性的提高,為保證產品的高標準和品質的穩定性,生產過程中大量使用精密機械、數控設備和微特電機製造專用設備已成為微特電機生產的趨勢。

3)隨著驅動器引入微特電機行業,微特電機朝著智慧化方向發展。

驅動器的引入使微特電機向集成化、智慧化方向發展,從而改變了微特電機作為元件使用的傳統概念,確立了微特電機作為一個小系統的設計、生產和使用的新概念,標誌著微特電機發展已進入一個新階段。

4)節能成為微特電機產品研發的新熱點。

目前我國各類電動機的用電量約占全國用電量的60%,微特電機作為電機工業中的重要分支,其數量多、用途廣,是電能的消耗大戶。微特電機行業越來越重視節能產品的開發,不斷提高效率,推動微特電機產業升級,提高電力能源的利用率。

行業技術水準

微特電機的技術水準主要體現為微電子資訊技術、電力電子技術、自動控制技術、稀土永磁材料等新技術的應用能力,通過與上述新技術的緊密結合,實現從傳統微特電機到微特電機與電子控制裝置系統化的躍進,形成機電一體化的產品,朝著以電磁與電力電子技術為核心,集電腦技術、新型半導體材料技術和精密加工應用技術為一體的方向發展,是傳統行業與現代技術融合衍生而成的新興行業。

微特電機在電子產品上的應用——手機馬達

轉子馬達

此類馬達利用電磁感應原理,電磁力來驅動馬達軸心的轉動,從而帶動偏心鐵或偏心錘的轉動,產生的離心力使得快速旋轉的馬達震動。

偏心轉子馬達

轉子馬達有它自身的局限性,如啟動慢、刹車慢、以及沒有一個方向性的導向,而且更重要的是它沒法做得很薄,隨著智慧手機越做越薄,轉子馬達已經無法滿足 空間尺寸的要求,因此現在業界開始關注線性馬達(LRA),或稱為線性共振傳動器,它現在變成大家比較關心和比較注意的下一代產品。

幣型轉子馬達

線性馬達

手機線性馬達實際上是一個以線性形式運動的彈簧品質塊,將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉換裝置的新型馬達,由於彈簧常量的原因,線性馬達必須圍繞共振頻率在窄帶(±2Hz)範圍內驅動,振動性能在2Hz處會下降50%,另外,在共振狀態下驅動時,電源電流可銳降50%,因此在共振狀態下驅動可以大幅節省系統功耗。

線性馬達

線性震動馬達優勢

線性震動馬達相比轉子馬達的優勢還是相當明確的,一方面是彈簧+磁鐵的組合,功耗降低很多,並且震動組合方式和速度可以更為多樣自由,更重要的是震動起來更加優雅,乾脆清爽,不會像某些採用ERM的手機那樣,放在桌子上來消息震動時,感覺手機快要散架一樣。

線性馬達比作是一輛高速運動車,而普通的震動馬達比作價格實惠的緊湊型汽車。在0-100的加速上,運動車的爆發力足以將後者遠遠甩在身後;並且在同時踩下刹車時,前者可以更快制動。這也是震動馬達所應達成的一項指標。

也就是當使用者手指按到螢幕上,震動馬達給出回應達最大振幅,自然是越快越好,同時在需要停止時又能以最快的速度刹車。這才能有乾脆、靈敏的感覺,人類對於毫秒級別的響應就是如此偏執!這就促使線性馬達越來越為一線品牌手機所採用。

線性馬達的標杆

而在手機屆,蘋果更是將獨門的線性震動馬達技術Taptic Engine發展到新高度:在iphone7上蘋果為了達到IP67的防水性能,不僅取消了耳機孔,連物理home鍵也取消了機械式,採用的是觸控式Home按鍵。

為更好的實現“觸覺回饋”功能,將手指對螢幕壓力用振動的形式表達出來,按照蘋果的說法,一般手機震動馬達達到滿負荷需要至少10次震動,而Taptic Engine僅需要一個週期就能快速啟停,另外一次“mini tap”可以達到10ms的震動微控,據說和“即時的回饋”已經非常接近。

Taptic Engine可以感應Home鍵上的按壓力度,並通過震動來進行力回饋,類比近似真實的按鍵效果。

震動變得生動

在手機的快速更新換代中,人們對於手機功能的要求無疑是越來越苛刻,以前要求手機在主人開會的時候不能發出聲音但要有效提示給主人,促使第一代偏心馬達的應用與發展,現在要求手機根據不同的環境給予不同的回饋、不同的按壓力度帶來不同的震動。更先進的線性馬達無疑讓震動變得生動。

線性震動馬達的六個主要特點:

1.震動方向是上下震動

2.回應速度更快,啟動停止都非常塊,意味著可以做很細膩的震動回饋

3.驅動電流是很強的交流特性,PWM波的直接驅動效果非常差或者驅動不起來

4.一般需要一個專門的驅動晶片進行驅動

5.功耗低

6.對電源的干擾小。

微特電機生產工藝流程

扁平型微特電機的工藝流程

圓柱型微特電機的工藝流程

什麼是線性馬達(直線電機)

線性馬達一般指線性電機

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能,而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一台旋轉電機按徑向剖開,並展成平面而成。

直線電機也稱線性電機,線性馬達,直線馬達,推杆馬達。最常用的直線電機類型是平板式和U 型槽式,和管式。 線圈的典型組成是三相,有霍爾元件實現無刷換相。

直線電機明確顯示動子(forcer,rotor)的內部繞組、磁鉄和磁軌。動子是用環氧材料把線圈壓成的。而且,磁軌是把磁鐵固定在鋼上。

直線電機經常簡單描述為旋轉電機被展平,而工作原理相同。動子(forcer,rotor) 是用環氧材料把線圈壓縮在一起製成的;磁軌是把磁鐵(通常是高能量的稀土磁鐵)固定在鋼上。

電機的動子包括線圈繞組,霍爾元件電路板,電熱調節器(溫度感測器監控溫度)和電子介面。在旋轉電機中,動子和定子需要旋轉軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙(air gap)。

同樣的,直線電機需要直線導軌來保持動子在磁軌產生的磁場中的位置。和旋轉伺服電機的編碼器安裝在軸上回饋位置一樣,直線電機需要回饋直線位置的回饋裝置--直線編碼器,它可以直接測量負載的位置從而提高負載的位置精度。

直線電機的控制和旋轉電機一樣。象無刷旋轉電機,動子和定子無機械連接(無刷),不像旋轉電機的方面,動子旋轉和定子位置保持固定,直線電機系統可以是磁軌動或推力線圈動(大部分定位系統應用是磁軌固定,推力線圈動)。

用推力線圈運動的電機,推力線圈的重量和負載比很小。然而,需要高柔性線纜及其管理系統。用磁軌運動的電機,不僅要承受負載,還要承受磁軌品質,但無需線纜管理系統。

相似的機電原理用在直線和旋轉電機上。相同的電磁力在旋轉電機上產生力矩在直線電機產生直線推力作用。因此,直線電機使用和旋轉電機相同的控制和可程式設計配置。直線電機的形狀可以是平板式和U 型槽式,和管式.哪種構造最適合要看實際應用的規格要求和工作環境。

直線電機工作原理

由定子演變而來的一側稱為初級,由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時,將初級和次級製造成不同的長度,以保證在所需行程範圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級,也可以是長初級短次級。

考慮到製造成本、運行費用,以直線感應電動機為例:當初級繞組通入交流電源時,便在氣隙中產生行波磁場,次級在行波磁場切割下,將感應出電動勢並產生電流,該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定,則次級在推力作用下做直線運動;反之,則初級做直線運動。

直線電機的驅動控制技術一個直線電機應用系統不僅要有性能良好的直線電機,還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。隨著自動控制技術與微電腦技術的發展,直線電機的控制方法越來越多。

對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面:一是傳統控制技術,二是現代控制技術,三是智慧控制技術。傳統的控制技術如PID回饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。

其中PID控制蘊涵動態控制過程中的資訊,具有較強的魯棒性,是交流伺服電機驅動系統中最基本的控制方式。為了提高控制效果,往往採用解耦控制和向量控制技術。在物件模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環境是確定不變的條件下,採用傳統控制技術是簡單有效的。

但是在高精度微進給的高性能場合,就必須考慮物件結構與參數的變化。各種非線性的影響,運行環境的改變及環境干擾等時變和不確定因素,才能得到滿意的控制效果。

因此,現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有:自我調整控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智慧控制。主要是將模糊邏輯、神經網路與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合,取長補短,以獲得更好的控制性能。

直線電機的應用

直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種變形,它可以看作是一台旋轉電機沿其徑向剖開,然後拉平演變而成。

隨著自動控制技術和微型電腦的高速發展,對各類自動控制系統的定位精度提出了更高的要求,在這種情況下,傳統的旋轉電機再加上一套變換機構組成的直線運動驅動裝置,已經遠不能滿足現代控制系統的要求,為此,世界許多國家都在研究、發展和應用直線電機,使得直線電機的應用領域越來越廣。

直線電機與旋轉電機相比,主要有如下幾個特點:

一是結構簡單,由於直線電機不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置,因而使得系統本身的結構大為簡化,重量和體積大大地下降;

二是定位精度高,在需要直線運動的地方,直線電機可以實現直接傳動,因而可以消除中間環節所帶來的各種定位誤差,故定位精度高,如採用微機控制,則還可以大大地提高整個系統的定位精度;

三是反應速度快、靈敏度高,隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐,因而使得動子和定子之間始終保持一定的氣隙而不接觸,這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力,因而大大地提高了系統的靈敏度、快速性和隨動性;

四是工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現無接觸傳遞力,機械摩擦損耗幾乎為零,所以故障少,免維修,因而工作安全可靠、壽命長。

直線電機主要應用於三個方面:一是應用於自動控制系統,這類應用場合比較多;其次是作為長期連續運行的驅動電機;三是應用在需要短時間、短距離內提供巨大的直線運動能的裝置中。

高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是直線電機實際應用的最典型的例子,美、英、日、法、德、加拿大等國都在研製直線懸浮列車,其中日本進展最快。

直線電機驅動的電梯 世界上第一台使用直線電機驅動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都豐島區萬世大樓,該電梯載重600kg,速度為105m/min,提升高度為22.9m。由於直線電機驅動的電梯沒有曳引機組,因而建築物頂的機房可省略。

如果建築物的高度增至1000米左右,就必須使用無鋼絲繩電梯,這種電梯採用高溫超導技術的直線電機驅動,線圈裝在井道中,轎廂外裝有高性能永磁材料,就如磁懸浮列車一樣,採用無線電波或光控技術控制。

超高速電動機 在旋轉超過某一極限時,採用滾動軸承的電動機就會產生燒結、損壞現象,國外研製了一種直線懸浮電動機(電磁軸承),採用懸浮技術使電機的動子懸浮在空中,消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力,其轉速可達25000~100000r/min以上,因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應用。

如日本安川公司新近研製的多工序自動數控車床用5軸可控式電磁高速主軸採用兩個徑向電磁軸承和一個軸向推力電磁軸承,可在任意方向上承受機床的負載。在軸的中間,除配有高速電動機以外,還配有與多工序自動數控車床相適應的工具自動交換機構。

線性馬達分類

圓柱形

圓柱形動磁體直線電機動子是圓柱形結構。沿固定著磁場的圓柱體運動。這種電機是最初發現的商業應用但是不能使用於要求節省空間的平板式和U 型槽式直線電機的場合。圓柱形動磁體直線電機的磁路與動磁執行器相似。

區別在於線圈可以複製以增加行程。典型的線圈繞組是三相組成的,使用霍爾裝置實現無刷換相。推力線圈是圓柱形的,沿磁棒上下運動。這種結構不適合對磁通洩漏敏感的應用。必須小心操作保證手指不卡在磁棒和有吸引力的側面之間。

管狀直線電機設計的一個潛在的問題出現在,當行程增加,由於電機是完全圓柱的而且沿著磁棒上下運動,唯一的支撐點在兩端。保證磁棒的徑向偏差不至於導致磁體接觸推力線圈的長度總會有限制。

U型槽式

U 型槽式直線電機有兩個介於金屬板之間且都對著線圈動子的平行磁軌。動子由導軌系統支撐在兩磁軌中間。動子是非鋼的,意味著無吸力且在磁軌和推力線圈之間無干擾力產生。非鋼線圈裝配具有慣量小,允許非常高的加速度。

線圈一般是三相的,無刷換相。可以用空氣冷卻法冷卻電機來獲得性能的增強。也有採用水冷方式的。這種設計可以較好地減少磁通洩露因為磁體面對面安裝在U形導槽裡。這種設計也最小化了強大的磁力吸引帶來的傷害。

這種設計的磁軌允許組合以增加行程長度,只局限於線纜管理系統可操作的長度,編碼器的長度,和機械構造的大而平的結構的能力。

平板

有三種類型的平板式直線電機(均為無刷):無槽無鐵芯,無槽有鐵芯和有槽有鐵芯。選擇時需要根據對應用要求的理解。

無槽無鐵芯平板電機是一系列coils安裝在一個鋁板上。由於FOCER 沒有鐵芯,電機沒有吸力和接頭效應(與U形槽電機同)。該設計在一定某些應用中有助於延長軸承壽命。動子可以從上面或側面安裝以適合大多數應用。

這種電機對要求控制速度平穩的應用是理想的。如掃描應用,但是平板磁軌設計產生的推力輸出最低。通常,平板磁軌具有高的磁通洩露。所以需要謹慎操作以防操作者受他們之間和其他被吸材料之間的磁力吸引而受到傷害。

無槽有鐵芯:無槽有鐵芯平板電機結構上和無槽無鐵芯電機相似。除了鐵芯安裝在鋼疊片結構然後再安裝到鋁背板上,鐵疊片結構用在指引磁場和增加推力。

磁軌和動子之間產生的吸力和電機產生的推力成正比,疊片結構導致接頭力產生。把動子安裝到磁軌上時必須小心以免他們之間的吸力造成傷害。無槽有鐵芯比無槽無鐵芯電機有更大的推力。

有槽有鐵芯:這種類型的直線電機,鐵心線圈被放進一個鋼結構裡以產生鐵芯線圈單元。鐵芯有效增強電機的推力輸出通過聚焦線圈產生的磁場。鐵芯電樞和磁軌之間強大的吸引力可以被預先用作氣浮軸承系統的預加載荷。這些力會增加軸承的磨損,磁鐵的相位差可減少接頭力。

線性馬達的優點

1)結構簡單。

管型直線電機不需要經過中間轉換機構而直接產生直線運動,使結構大大簡化,運動慣量減少,動態響應性能和定位精度大大提高;同時也提高了可靠性,節約了成本,使製造和維護更加簡便。它的初次級可以直接成為機構的一部分,這種獨特的結合使得這種優勢進一步體現出來。

2)適合高速直線運動。

因為不存在離心力的約束,普通材料亦可以達到較高的速度。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙,運動時無機械接觸,因而運動部分也就無摩擦和雜訊。這樣,傳動零部件沒有磨損,可大大減小機械損耗,避免拖纜、鋼索、齒輪與皮帶輪等所造成的雜訊,從而提高整體效率。

3)初級繞組利用率高。

在管型直線感應電機中,初級繞組是餅式的,沒有端部繞組,因而繞組利用率高。

4)無橫向邊緣效應。

橫向效應是指由於橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱,而圓筒型直線電機橫向無開斷,所以磁場沿周向均勻分佈。

5)容易克服單邊磁拉力問題。

徑向拉力互相抵消,基本不存在單邊磁拉力的問題。

6)易於調節和控制。

通過調節電壓或頻率,或更換次級材料,可以得到不同的速度、電磁推力,適用於低速往復運行場合。

7)適應性強。

直線電機的初級鐵芯可以用環氧樹脂封成整體,具有較好的防腐、防潮性能,便於在潮濕、粉塵和有害氣體的環境中使用;而且可以設計成多種結構,滿足不同情況的需要。

8)高加速度。

這是直線電機驅動,相比其他絲杠、同步帶和齒輪齒條驅動的一個顯著優勢。

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