Как работает вибромотор в часах и браслетах

Вибрация. Одни учёные с ней борются, другие находят всё новые способы её применения на благо человечества. Сегодня расскажем вам о свойствах вибрации, разрушительном воздействии и применении её в различных технических устройствах, в том числе в часах и браслетах здоровья HEALTHBAND. Расскажем вам про вибромотры, которые мы используем в наших устройствах.
И так давайте для начала разберёмся что же такое вибрация. Как говорит нам Википедия, вибрация - это механические колебания машин и механизмов, которые характеризуются такими параметрами, как частота, период, амплитуда, колебательное перемещение, колебательная скорость, колебательное ускорение. Вибрацию порождают неуравновешенные силовые воздействия, возникающие при работе машин и не только. Простым языком вибрация — это колебания твёрдых тел.

Для того чтобы охарактеризовать любой тип вибрации, необходимо было внедрить ряд понятий, которые описывают суть процесса. Давайте разберёмся подробнее с параметрами вибрационных процессов.

Частота вибрации (f) – это количество колебаний в единицу времени. Частота измеряется в герцах (Гц, 1/с), а частота производственных вибраций изменяется в диапазоне от 0,5 до 8000 Гц.

Период колебания (T) - время, в течение которого происходит одно колебание. Т = 1/ f

Амплитуда вибросмещения (A) или виброперемещение (S)- это расстояние между крайними точками перемещения колеблющегося элемента вдоль оси измерения. Виброперемещение измеряется в линейных единицах: обычно в микронах – мкм, и при больших значениях виброперемещения, в миллиметрах – мм.

Виброскорость (v) – производная виброперемещения по времени. Этот параметр характеризует мощность колебательного (вибрационного) процесса, чаще всего направленного на разрушение деталей и характеризует энергетическое воздействие на узлы объекта контроля. Виброскорость – это скорость перемещения контролируемой точки оборудования. Данный параметр одновременно учитывает перемещение определённой точки и частоту колебаний, вызвавших вибрацию. Измеряется в миллиметрах в секунду, мм/с.

Виброускорение (a) – это скорость изменения скорости, то есть ускорение перемещения контролируемой точки оборудования. Виброускорение характеризует силовое динамическое взаимодействие элементов устройств. Измеряется в метрах на секунду в квадрате, м/с2.

Вибрация возникает в самых разнообразных технических устройствах вследствие несовершенства их конструкции, разбалансировки узлов и деталей, неправильной эксплуатации, внешних условий (например, рельеф дорожного полотна для автомобилей), а также специально генерируемая вибрация.

Вибрация как фактор, оказывающий разрушительное и негативное воздействие, подразделяется на две крупные категории:
· влияние на человека
· влияние на технику и конструкции

Влияние вибраций на человека разнообразно и зависит от нескольких факторов, таких как объём и тип тканей и органов подверженных воздействию, частота, сила и длительность вибраций, а также другие условия.
Эффекты вибрации могут варьироваться от простого ощущения тряски (паллестезия) до более серьезных изменений в нервной, сердечно-сосудистой и опорно-двигательной системах.
При долгосрочном воздействии вибрации в рабочей среде есть риск развития профессионального заболевания, известного как «Вибрационная болезнь». Это заболевание вызывает устойчивые патологические нарушения в сердечно-сосудистой и нервной системах, а также в опорно-двигательном аппарате, что может привести к инвалидности. В России вибрационная болезнь занимает одно из лидирующих мест среди хронических профессиональных заболеваний.
Явление вибрации также неразрывно связано с понятиями звук и шум, которые в свою очередь могут оказывать различные негативные эффекты.

Вибрация может оказывать разрушительное воздействие на технику и конструкции. Причины этого кроются в непрерывном и интенсивном воздействии колебательных движений, которые могут вызывать материальные деформации, износ и истирание деталей и устройств, ухудшение работы механизмов и, в конечном итоге, преждевременный выход из строя. Важно учитывать этот фактор при проектировании и эксплуатации техники и конструкций для минимизации возможных ущерба и рисков.

Это вид вибрации, которая создаётся с определённой целью и служит на благо человека.
Существует множество примеров применения вибрации:
· Вибрационные сита
· Вибрационные дробилки
· Соломотрясы и очистка зерноуборочного комбайна
· Вибрационные транспортеры и насыпные устройства
· Бетоноуплотнительные машины (глубинные вибраторы, виброрейки, виброопалубка)
· «Разгрузочные вибраторы» железнодорожных вагонов
· Виброшлифмашины
· Инфразвуковые боевые генераторы
· Геофизические сейсмоиммитаторы
· Вибромассажеры
· Игрушки для взрослых
· Игровые симуляторы (компьютерные гаджеты, джойстики)
· В мобильных телефонах
· В носимых устройствах: часах, браслетах
Существуют даже исследования, в которых под воздействием вибрации частотой 35 Гц по 20 минут 5 дней в неделю происходило ускорение заживления ран за счёт усиления мышечной активности и микроциркуляции крови у лабораторных крыс.
На рынке можно встретить специальные виброплатформы для занятия фитнесом. И как заявляют производители, с её помощью можно снизить вес и привести фигуру в порядок без дополнительных усилий и посещения спортивных залов. Насколько это реалистично мы проверять не будем.
Вибрация сегодня генерируется в огромном количестве устройств, но нас с вами интересует её использование в часах и браслетах здоровья естественно. И так, после долгого, но важного вступления, приступим к рассказу о вибромоторах.

В зависимости от типа движения массы вибродвигатели подразделяются на два вида, которые применяются в компактных устройствах: телефонах, часах, браслетах, зубных щётках и даже джойстиках для игровых консолей.
· ERM (вращательное движение)
· LRA (возвратно-поступательое движение)
Данные типы в зависимости от расположения катушек индуктивности подразделяются на щёточные и бесщёточные. У щёточных двигателей обмотка на роторе (вращающаяся часть), а у бесщёточных обмотка на статоре (неподвижная часть). При этом, важно отметить, что данное утверждение характерно именно для вибромоторов. У бесщёточных двигателей столь малого размера целесообразно размещать на роторе или статоре постоянные магниты. В габаритных промышленных двигателях используют электромагниты как для статора, так и для ротора.

ERM (Eccentric Rotating Mass) – это вид вибромоторчика, который создаёт вибрацию за счёт вращения грузика со смещённым центром тяжести. Учёные обратили внимание на то, что двигатели, вал которых разбалансирован, формируют вибрации. Это явление стало основанием для создания вибромоторов данного типа.

В примере ниже представлен интересный вариант щёточного двигателя, статор которого располагается внутри катушки индуктивности.

Далее представлен классический вариант щёточного вибромотора, в котором ферромагнитный статор окружает ротор двигателя с обмоткой. Именно в обмотке формируется электромагнитное поле, благодаря которому происходит движение ротора.
Ток в щёточных двигателях передаётся на обмотку ротора по щёткам, изготовленным из материала с высокой электроповодностью и стойкостью к истиранию. Это может быть графит, медь. Щётки должны быть обязательно подпружинены и хорошо прижиматься к коллектору.
Коллектором называется часть ротора, принимающая ток и распределяющая его по катушкам обмотки таким образом, чтобы в них происходила постоянная смена полярности. Именно за счёт этого эффекта происходит отталкивание катушек ротора от постоянного магнита статора, согласно закону Лоуренца. Коллектор состоит, как правило, из пластин металла с высокой электропроводностью. Например медь, но бывает и золото.

К плюсам данных устройств можно отнести низкую стоимость, надёжность, лёгкость в изготовлении, компактность и силу вибрации. Этим мотором просто управлять. Чем больше ток, тем выше вибрация. Питается мотор от постоянного тока, что снимает необходимость в установке инвертора.
В видеоролики рассмотрен принцип работы электродвигателей постоянного тока:

Эксцентриковые моторы с коллектором применяются в большинстве бюджетных моделей телефонов, часов и браслетов, а также в джойстиках и зубных щётках. Раньше применялись в пейджерах.
Для зубных щёток применяют вибромоторчики, которые помещены в защитный кожух, для предотвращения попадания влаги.

К недостаткам устройства можно отнести длительное время выхода в номинальный режим работы, порядка 200 мс, а также длительная остановка. Это свойство не позволяет контролировать устройство в нужной степени и реализовать короткие вибросигналы и виброотклики не реально.
Ещё одним недостатком таких моторов является перпендикулярная плоскости гаджета ось распространения вибрации. Именно поэтому старые телефоны прыгали по столу и частенько падали.

В результате многолетних изысканий учёных и с развитием полупроводниковой электроники стало возможным изготавливать бесщёточные электродвигатели. В них коммутация (переключение) тока обмотках происходит не за счёт коллектора, а с помощью микроконтроллера или альтернативно, может быть реализована с использованием аналоговых или цифровых схем. Коммутация с электроникой вместо щеток обеспечивает большую гибкость и возможности, недоступные для щеточных двигателей постоянного тока, включая ограничение скорости, а также микрошаговый режим для медленного и точного управления движением мотора.
Схема BLDC — Brushless DC electric motor (бесщёточный электродвигатель постоянного тока) представлена ниже:

К эксцентриковым можно отнести плоский моторчик таблеточного типа или coin motor (мотор-монета). Он работает на том же принципе, но имеет совершенно иной форм фактор и вектор распространения вибрации. Он работает как бы в одной плоскости с устройством. Ротор и статор в таких моторах располагаются плоскопараллельно друг другу. Они также бывают щёточными и бесщёточными. Рассмотрим подробнее на схемах.

LRA (Linear Resonant Actuator) – линейный вибромотор. Выпускаются прямоугольной и круглой формы. Основное отличие моторчиков данного типа заключается в виде движения, за счёт которого происходит генерация вибраций. Линейные моторы используют возвратно-поступательное движение. В конструкции обязательно присутствуют пружины, подвижная масса (якорь) с ферромагнитными свойствами, катушки индуктивности, которые создают электромагнитное поле.

Круглые моторы внешне похожи на эксцентриковые coin моторы. Как правило, круглые линейные моторы распространяют вибрацию по оси, перпендикулярной плоскости гаджета. Работают они подобно акустическим динамикам. Во время колебаний возврат подвижной массы в исходное положение и минимизация инерции осуществляется за счёт круглой плоской пружины и соответственно отсутствует мембрана, которая есть в динамиках. Вибрации, которые создают эти моторы достаточно слабые за счет того, что толщина этих моторов небольшая и ограничена толщиной самого гаджета. Это их минус.

Прямоугольные линейные моторы распространяют вибрации в плоскости гаджета, причем чаще всего вдоль короткой стороны устройства. У этих моторов большая сила вибрация и амплитуда колебаний за счёт внушительного размера, что одновременно является минусом этих моторов. Они громоздкие и с выходом всё новых моделей гаджетов, размеры моторов урезают, чтобы впихнуть побольше аккумулятор или другую полезную начинку, жертвуя при этом качеством вибрации.
Ниже представлено видео работы прямоугольного линейного вибромотора TAPTIC:

В целом линейные моторы лишены недостатков эксцентриковых. Ими можно управлять ещё точнее, чем бесщёточными эксцентриковыми . Есть возможность создания коротких вибросигналов и виброоткликов за счёт электромагнитного торможения. Разгон моторов происходит в 4 раза быстрее и в среднем равен 50 мс. Эти моторы устанавливают во всех флагманских моделях смартфонов.
Из минусов можно отметить необходимость преобразования постоянного тока от аккумулятора в переменный ток.

В нашем каталоге есть как бюджетные, так и профессиональные достаточно дорогие часы и браслеты здоровья. На протяжении существования нашей компании мы всегда старались подбирать оптимальную начинку для наших изделий. Балансируя между стоимостью, качеством и необходимостью внедрения комплектующих, мы всегда ориентировались на создание долговечных, надёжных и точных устройств. Чаще всего это означает, что мы ставим дорогие и качественные комплектующие последнего поколения. Но иногда мы делаем исключение в пользу экономии затрат, с целью снижения конечной стоимости гаджета.

Например, в модели Health Watch Pro №5 установлен моторчик ERM. Он дешевле чем любой линейный мотор, однако его возможности полностью сочетаются с функционалом данной модели гаджета и установка линейного мотора – это, в данном случае, излишняя роскошь, которая приведёт к бессмысленному удорожанию базовой стоимости изделия. А мы хотим, чтобы HEALTHBAND оставался доступен широкому кругу граждан.

Если функционал устройства требует внедрения дорогостоящих комплектующих, мы это делаем без промедления. В модели часов Health Watch Pro №80M стоит линейный круглый мотор и это оправдано. Данная модель является нашим флагманом, и установка данного мотора позволяет создавать короткие виброотклики и обеспечивает приятный пользовательский опыт, соответствующий уровню покупки.
Ниже приведена таблица, в которой мы обозначили вид мотора для каждой модели из нашего каталога: