新型线性振动电动机,可有效减少电子设备的磁通泄漏!

   电工小二        

线性振动电机由于其良好的性能,在触觉应用中越来越受欢迎。然而,体积较大的永磁体会造成大量的磁漏,对装有心脏起搏器或植入式心律转复除颤器的乘客造成伤害。采用三维有限元法计算了漏磁量,也可用于计算力因子。然后,利用有限元法计算出直线振动电机的位移和阻抗,以检验直线振动电机的性能。根据实验结果对直线振动电机的样机进行了分析和验证。基于这些分析方法,提出了三种新的设计方案,将漏磁降低到50 g以内,最终设计结果表明漏磁降低了93.07%,同时保持了与原型机相同的性能。为了验证分析结果的有效性,研究人员得到了三个实验结果:漏磁、位移和阻抗。实验结果与分析结果吻合较好。


相关论文以题为“Analysis and Design of a New Linear Vibration Motor Used to Reduce Magnetic Flux Leakage in In-Vehicle Infotainment”发表在《Applied Sciences》上。




随着触觉设备的广泛使用,更好的触觉性能和更高效的线性振动电机的需求很大,特别是在智能手机、车载信息娱乐显示器和视频游戏控制器中。人们对线性振动电机进行了大量的研究。Lee等人设计了一种集成微扬声器和线性振动电机,与传统的振动电机相比具有更好的性能。他们设计了一个水平直线振动致动器,以减少厚度的智能手机,这代表了改善触觉性能相比,垂直直线振动致动器。此外,Nam等人提出了一种具有大磁力的线性致动器的新设计,在不降低振动幅度的情况下减小响应时间。谐振压电振子也被设计使用谐振放大机制有一个高输出位移在低频用于触觉装置应用。这些相关的研究大多集中在提高电机性能上,而没有考虑漏磁对电机性能的影响。


钕铁硼磁体被广泛应用以获得足够的位移。然而,这会产生强烈的磁漏,对装有心脏起搏器或ICD(植入式心律转复除颤器)的乘客造成有害影响。强烈的漏磁可能会损坏这些医疗器械,造成危及生命的故障。根据工程规范在考虑上述情况时,漏磁要求在测量点应该在50 g .此外,金属污垢很容易收集车辆液晶显示器由于漏磁,创建一个使用触觉设备的人都感到不舒服。因此,有必要在保持相同性能的同时减少漏磁。先前的研究考虑了人体机械感受器,即皮肤中对震动和压力敏感的神经末梢。线性振动电机的最大位移约为0.4 mm,谐振频率范围为138 ~ 150 Hz,工作频率为50 ~ 500 Hz,电阻约为8欧姆。这些要求对于用户的触觉反馈已经足够了。


研究人员提出了三种减少漏磁的新设计方案。第一种设计试图减少磁源和磁通传导路径,包括磁铁等级、磁铁厚度和顶板厚度。然而,第一个设计的分析结果是不可接受的由于高漏磁超过50 g .尽可能减少漏磁,第二种设计是由换向原型磁铁较低品位和厚顶板,限制的减少迫使系数小于5%。第二种设计有一个新板、一个保护器和两个插入板。在第二种设计和原型之间有87.09%的减少,但在力因数上没有太多的减少。然后采用屏蔽板的第二次设计作为最终设计,通过采用磁屏蔽使漏磁得到最大程度的降低。采用两种实验装置得到了实验结果。一种是用Kanetec Gauss meter (TM-701)获取实验漏磁量,另一种是Klippel设备获取线性振动电机的位移和阻抗。


原型建模


一种线性振动电机,包括电磁系统和机械振动系统。电磁系统有一个音圈,一个顶板,一个磁铁,和一个轭。该机械振动系统由插装框架、上框架、下框架和板组成。车辆LCD显示屏的厚度为3.25毫米。直线振动电机的原型和测点如图1所示。



图1.原型建模:(a)半建模;(b)二维视图。


在线性振动电机中,音圈保持静止。其他磁性部件(顶板,磁铁,和轭)和插入的框架成为一个可移动的质量,其中插入的框架被视为一个弹簧。线性振动电机的工作原理是利用弗莱明左手定则产生洛伦兹力,驱动活动质量上下移动,得到交流驱动信号引起的位移。位移被转移到触摸屏上,让人们感受到触觉反馈。漏磁是指不通过音圈的气隙或电磁系统的其他部分的磁通。


线性振动电机的机械材料特性包括密度、杨氏模量和泊松比。研究人员采用了一种广泛应用于高性能电机和微扬声器的钕铁硼(N48H)磁体;磁体的剩磁率为14000 G,矫顽力为1046 kA/m,相对磁导率为1.07。


轭架的材料名称为冷轧碳钢板(SPCC),上机架的材料名称为不锈钢(SUS)。B-H曲线是材料磁性特性的曲线特征。


SPCC B-H和SUS 430 B-H曲线如图2所示。



图2.SPCC和sus430的B-H曲线。


设备原型


研究人员通过两个实验验证了分析结果。第一种是使用Kanetec高斯计(TM-701)进行漏磁测量;实验设置如图3所示。



图3.卡内特克高斯计的安装。


第二个实验涉及使用Klippel设备测量线性振动电机的位移和阻抗,Klippel设备是一种基于激光的系统,能够进行高精度测量。它包括功率放大器(PLX 1802),失真分析仪2 (H1-DA2), Klippel电机控制,计算机和激光扫描仪。在线性振动电机上施加电压后,用激光检测出与频率有关的位移。此外,根据电流传感器,通过测量电流除以施加的电压来计算阻抗。Klippel设备的设置如图4所示。



图4.Klippel设备的安装。


基于分析方法,样机分析结果显示,测点漏磁量为643.7 G,与实验结果637.0 G仅相差1.05%,如图5所示。由分析结果得到的位移和阻抗与实验结果吻合较好,如图6所示。实验结果满足了电机除漏磁外的性能要求。从而为设计新型直线振动电机提供了理论依据。



图5.样机漏磁:(a)分析结果;(b)的实验结果。




图6.样机实验与分析结果对比:(a)位移;(b)阻抗。


他们采用相同的分析方法,通过对力因子和漏磁量的比较,对三种新设计进行了分析。在线性力学系统中,激振力与位移之间存在线性关系。力因子可以用来表示激发力。原型的线圈总长度为4.97米。漏磁目标值小于50g,保持与原型相同的性能。


结论


本文采用三维有限元法进行漏磁计算,分析了线性振动电机的漏磁和力因子。研究人员采用电磁-机械耦合方法确定位移和阻抗,通过两次实验验证了样机的分析结果,除漏磁外,满足了电机的性能要求。因此,他们提出了减少漏磁的三种设计方案。由于第一次设计的结果不理想,在第二次设计中采用了较低的磁铁等级和较厚的顶板,开发了一种新的直线振动电机结构。第二种设计的分析显示了与原型相同的性能,但是漏磁显著减少(87.09%)。此外,最终的设计显示最多减少93.07%的漏磁,使用磁屏蔽时,漏磁是低于50 g .因此,本文提出了一种新的设计的线性振动电机,减少漏磁,用于考虑乘客的车载信息娱乐有心脏起搏器植入心律转复除颤器或一个。新型直线振动电机满足了电机的所有性能要求。同时,为直线振动电机的性能预测提供了一种有效的方法。此外,线性振动电机也可以代替传统的旋转电机用于游戏控制器,获得更好的游戏体验。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3370/htm



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