Ba ứng dụng điện tử tiêu dùng trong đó thông số nam châm quyết định thành công của sản phẩm
Điện tử tiêu dùng không phải là nơi mà hầu hết các kỹ sư nam châm mong đợi sẽ tìm thấy những vấn đề khó khăn nhất của họ. Động cơ servo công nghiệp có dung sai chặt chẽ hơn, các thiết bị y tế có yêu cầu vật liệu khắt khe hơn và các ứng dụng hàng không vũ trụ có môi trường khắc nghiệt hơn. Nhưng các thiết bị điện tử tiêu dùng - đặc biệt là điện thoại thông minh, thiết bị đeo và thiết bị âm thanh - đặt ra những hạn chế không xuất hiện trong bất kỳ danh mục nào khác: độ nhạy âm lượng cực cao, hệ số dạng quy mô milimet và mức giá sản phẩm cuối cùng trong đó toàn bộ ngân sách nam châm được đo bằng xu trên mỗi đơn vị.
Bài viết này tập trung vào ba ứng dụng cụ thể trong đó thông số kỹ thuật nam châm và các quyết định tìm nguồn cung ứng có tác động trực tiếp, có thể đo lường được đối với hiệu suất sản phẩm: bộ truyền động camera OIS trong điện thoại thông minh, bộ truyền động cộng hưởng tuyến tính (LRA) trong hệ thống phản hồi xúc giác và động cơ cuộn dây giọng nói trong trình điều khiển tai nghe AirPods. Mỗi cái đều có những ràng buộc chi phối khác nhau và cách tiếp cận đúng đối với cái này lại sai đối với những cái khác.
1. Thiết bị truyền động camera OIS: Tại sao N52 không phải lúc nào cũng là câu trả lời
Tính năng ổn định hình ảnh quang học trong máy ảnh của điện thoại thông minh sử dụng động cơ cuộn dây bằng giọng nói (VCM) để dịch chuyển thành phần ống kính hoặc cảm biến hình ảnh sang một bên, bù lại hiện tượng rung tay trong khi chụp. Các nam châm truyền động thường là bốn miếng riêng biệt được bố trí xung quanh vành ống kính - hai cặp đối lập, mỗi cặp cung cấp lực phục hồi cho phần tử chuyển động. Khoảng cách không khí giữa nam châm và cuộn dây là 0,3–0,5mm trong hầu hết các thiết kế. Khối lượng chuyển động được ổn định là 0,5–2g đối với OIS dịch chuyển ống kính và 2–5g đối với OIS dịch chuyển cảm biến.
Điều hấp dẫn là chỉ định loại cao nhất hiện có (N52 hoặc N52H) để tối đa hóa mật độ từ thông và do đó lực truyền động trong khe hở không khí hạn chế. Điều này sai đối với hầu hết các thiết kế OIS vì một lý do cụ thể: Hiệu suất của bộ truyền động OIS bị giới hạn không phải bởi lực cực đại mà bởi độ tuyến tính và độ trễ trong hành trình vận hành. Nam châm cao cấp hơn tạo ra nhiều lực hơn nhưng cũng tạo ra lực hãm phụ thuộc vào vị trí mạnh hơn khi độ phân giải của cảm biến vị trí hiệu ứng Hall tương tác với trường cạnh nam châm. Đối với bộ điều khiển OIS vòng kín, điều quan trọng là độ tuyến tính của lực so với chuyển vị trên phạm vi ±100–200μm, chứ không phải lực cực đại. N48 hoặc N50 với hình dạng cạnh được kiểm soát chặt chẽ thường hoạt động tốt hơn N52 trên số liệu này vì độ dốc thấp hơn tại điểm vận hành tuyến tính hơn.
Dung sai kích thước của nam châm OIS là rất lớn. Một khối nam châm OIS điển hình có kích thước 3 mm × 2 mm × 1 mm. Dung sai độ dày ± 0,02mm (20μm) là tiêu chuẩn. Căn chỉnh góc của hướng từ hóa phải nằm trong phạm vi ±1 độ so với trục được chỉ định, vì kiểu cuộn dây OIS được thiết kế cho một góc từ thông cụ thể và sự lệch hướng ngang tạo ra khớp nối trục chéo làm giảm chất lượng ổn định. Kiểm tra sắp tới phải bao gồm cả kiểm tra kích thước và xác minh góc từ hóa - chỉ kiểm tra trực quan sẽ bỏ sót chế độ khuyết tật phổ biến nhất.
2. Bộ truyền động cộng hưởng tuyến tính: Không ai giải thích được sự tối ưu hóa lò xo khối lượng
Bộ truyền động xúc giác LRA - được sử dụng trong cảnh báo rung trên điện thoại thông minh, bộ điều khiển trò chơi và thiết bị đeo - hoạt động theo nguyên tắc cơ bản khác với bộ truyền động OIS. LRA điều khiển một khối lượng chuyển động (cụm nam châm hoặc mục tiêu sắt từ, tùy thuộc vào thiết kế) chống lại một lò xo ở tần số cộng hưởng của hệ thống lò xo khối lượng. Cường độ rung đầu ra tối đa xảy ra chính xác ở thời điểm cộng hưởng; vận hành tắt cộng hưởng 5Hz sẽ giảm đầu ra từ 30–50% tùy thuộc vào hệ số Q của hệ thống treo.
Vai trò của nam châm trong LRA là cung cấp động lực cho tương tác cuộn dây-nam châm nhưng cũng là một phần của khối lượng chuyển động. Đối với hằng số lò xo cố định và tần số cộng hưởng mục tiêu, việc tăng kích thước và khối lượng nam châm sẽ làm dịch chuyển tần số cộng hưởng xuống (f=(1/2π) × √(k/m)). Ở định dạng LRA 2,5 mm × 2,5 mm × 5 mm - phổ biến trong các thiết bị đeo được - khối lượng lắp ráp nam châm thường là 0,3–0,5 g và tần số cộng hưởng mục tiêu là 180–230 Hz đối với cấu hình xúc giác "thud" tần số thấp hoặc 280–320 Hz đối với cấu hình "nhấp chuột" sắc nét được sử dụng trong bàn di chuột và các nút.
Việc lựa chọn cấp độ cho nam châm LRA chủ yếu được quyết định bởi mật độ lực chứ không phải hiệu suất nhiệt độ. Nam châm LRA hoạt động ở nhiệt độ 20–60 độ trong sử dụng bình thường và dành phần lớn thời gian sử dụng ở nhiệt độ môi trường. N52 thực sự là sự lựa chọn chính xác ở đây - ứng dụng bị giới hạn âm lượng và mật độ lực, không giới hạn nhiệt độ. Hạn chế là N52 ở kích thước nhỏ yêu cầu NdFeB thiêu kết được liên kết bằng nhựa hoặc tấm mỏng, cả hai đều có đặc điểm đường cong từ hóa khác với NdFeB thiêu kết khối tiêu chuẩn. NdFeB liên kết có BHmax là 8–12 MGOe so với. 52 MGOe khi thiêu kết - hệ số giảm 4–6 sản phẩm năng lượng. Đối với nam châm LRA dưới 3 mm ở bất kỳ kích thước nào, NdFeB liên kết thường được chọn để sản xuất mặc dù bị phạt về sản phẩm năng lượng, bởi vì NdFeB thiêu kết không thể được sản xuất và từ hóa một cách đáng tin cậy ở các kích thước đó mà không làm giảm năng suất đáng kể.
3. Trình điều khiển tai ngheTWS: Nơi mà sự biến dạng của nam châm trở nên có thể nghe được
Cả tai nghe phần ứng cân bằng và trình điều khiển động đều dựa vào nam châm, nhưng các yêu cầu về thông số kỹ thuật đủ khác nhau để về cơ bản chúng tách biệt các danh mục sản phẩm từ góc độ tìm nguồn cung ứng.
Trình điều khiển động sử dụng nam châm NdFeB hình vòng (thường có đường kính ngoài 5–10 mm, ID 2–4 mm, dày 1–2 mm) để tạo ra trường thông hướng tâm trong khe hở không khí hình trụ nơi đặt cuộn dây giọng nói. Mức áp suất âm thanh đầu ra, đáp ứng tần số và đặc tính méo của trình điều khiển đều là các chức năng của điểm vận hành BH của nam châm, độ đồng đều của trường khe hở và tính nhất quán của từ hóa. Đối với tai nghe dành cho người tiêu dùng trong phạm vi giá từ 20–80 USD, cấp N38–N42 trong lớp phủ Ni-Cu-Ni tiêu chuẩn là tiêu chuẩn của ngành - tiết kiệm chi phí và phù hợp với phạm vi nhiệt độ hoạt động (tối đa 60 độ trong tai).
Chế độ lỗi giới hạn hiệu suất đối với tai nghe trình điều khiển động không phải là khử từ nam châm (về cơ bản là không thể thực hiện được ở điều kiện hoạt động đối với N38 trở lên) - đó là nam châm không đồng nhất gây ra sự phân bố từ thông không đối xứng trong khe hở không khí. Trường khoảng cách không đối xứng tạo ra hiện tượng méo hài bậc hai ở đầu ra trình điều khiển có thể nghe được dưới dạng ký tự "thô" hoặc "có hạt" trong đáp ứng tần số thấp. Thông số kỹ thuật kiểm soát điều này là độ đồng đều từ thông xung quanh vòng, được đo bằng sự biến thiên của Br xung quanh OD của vòng ở độ cao không đổi. Đối với tai nghe nhắm mục tiêu dưới 0,5% THD ở 100dB SPL, cần có độ đồng đều từ thông vòng tốt hơn ±1,5%. Các vòng NdFeB sản xuất tiêu chuẩn thường đạt được ±2–3%; để đạt được ±1,5% yêu cầu phải kiểm soát quá trình trên bộ phận cố định từ hóa và kiểm tra quét từ thông 100% ở cấp độ vòng.
Trình điều khiển phần ứng cân bằng sử dụng một dạng hình học khác - một nam châm hình chữ nhật nhỏ (thường có kích thước 3 mm × 2 mm × 1 mm hoặc nhỏ hơn) như một phần của mạch từ bao gồm phần ứng permalloy. Nam châm trong trình điều khiển BA phải có độ kháng từ nhất quán theo từng lô vì độ phân cực phần ứng bị ảnh hưởng bởi điểm vận hành và độ nhạy của trình điều khiển sẽ thay đổi nếu cấp nam châm thay đổi giữa các lô sản xuất. Đối với trình điều khiển BA, việc chỉ định Hcj tối thiểu (độ cưỡng bức nội tại) ngoài Br là điều cần thiết - thông số N35 tiêu chuẩn có Hcj Lớn hơn hoặc bằng 955 kA/m, nhưng yêu cầu mức tối thiểu chặt chẽ hơn là 1000 kA/m sẽ cải thiện tính nhất quán theo từng đợt trong trình điều khiển đã lắp ráp.
4. Cân nhắc tìm nguồn cung ứng: Tại sao nam châm điện tử tiêu dùng lại khác nhau để mua
Ba ứng dụng trên đều yêu cầu nam châm có kích thước nhỏ, chính xác về kích thước và được sản xuất với số lượng lớn. Điều này tạo ra tình huống tìm nguồn cung ứng khác với việc mua nam châm công nghiệp hoặc xe điện ở một số điểm quan trọng.
Đầu tiên, kinh tế học đơn vị yêu cầu các đơn đặt hàng chung và giao hàng Kanban thay vì mua theo từng dự án. Một nam châm OIS dành cho điện thoại thông minh được sử dụng trong 100.000 thiết bị cầm tay mỗi tháng là bốn nam châm cho mỗi điện thoại, hoặc 400.000 chiếc mỗi tháng. Với mức giá 0,05–0,15 USD mỗi sản phẩm, đây là chi tiết đơn hàng trị giá 20.000–60.000 USD mỗi tháng. Nam châm phải được giao theo lô phù hợp (Br nhất quán trong phạm vi ±2% trên mỗi lô) để tránh sự thay đổi trong dây chuyền sản xuất. Việc mua hàng từ thị trường giao ngay hoặc hàng tồn kho hỗn hợp đều không được chấp nhận; Cần phải truy xuất nguồn gốc theo lô sản xuất để có thể dự đoán được năng suất của dây chuyền.
Thứ hai, yêu cầu về lớp phủ cho nam châm điện tử tiêu dùng khác với yêu cầu trong công nghiệp. NdFeB trong mô-đun điện thoại thông minh kín sẽ quan sát các chu kỳ ngưng tụ trong quá trình kiểm tra nhiệt độ (–40 độ đến +85 độ theo thông số môi trường điện tử tiêu dùng) trong môi trường có độ ẩm cao. Lớp phủ Ni-Cu-Ni tiêu chuẩn đáp ứng được yêu cầu này đối với hầu hết các mô-đun. Tuy nhiên, nam châm OIS trong điện thoại chống nước (IP67/IP68) được hưởng lợi từ lớp phủ phù hợp parylene trên Ni-Cu-Ni, mang lại khả năng chống ăn mòn trong trường hợp tiếp xúc trực tiếp với nước mà không ảnh hưởng đến dung sai kích thước.
HIMAGNET sản xuất nam châm NdFeB định dạng nhỏ cho các ứng dụng OIS, LRA và trình điều khiển tai nghe ở các cấp từ N38 đến N52, bao gồm hình học vòng, khối và vòng cung dưới 10 mm ở mọi kích thước. Khả năng mài có dung sai chặt chẽ đến ±0,01mm và kiểm tra quét từ thông 100% có sẵn cho các ứng dụng trình điều khiển OIS và BA. Liên hệ với chúng tôi về hình học, cấp độ và khối lượng hàng tháng của bạn để được đánh giá và định giá DFM.
