手机内置贴片式微型振动马达结构

　　做消费电子结构设计快十二年，经手的手机内置振动马达方案少说也有三四十套，今天拆解的这款贴片式圆柱振动马达，是早年功能机向智能机过渡阶段非常经典的6s规格振子，至今在不少低成本智能穿戴、便携数码设备上还能看到它的衍生版本。很多刚入行的结构工程师总觉得振动马达是个不起眼的小零件，随便找个空位塞进去就行，真到量产阶段才会发现，振子的安装间隙、偏心块的转动边界、焊盘的受力方向，任何一个细节没考虑到，要么是振感弱得像蚊子叫，要么是转动时蹭到壳料发出杂音，更严重的甚至会在跌落测试中把焊盘扯掉，直接导致功能失效。这款马达采用圆柱本体加双侧贴片引脚的结构，本体直径控制在6mm级别，长度不含偏心块大概在10mm左右，属于非常紧凑的SMT贴装元件，不需要额外的弹片或者螺丝固定，过回流焊就能直接固定在主板上，非常适合对内部空间利用率要求极高的便携数码产品。偏心块采用扇形偏心结构，安装在马达输出轴的端部，转动时产生的离心力就是振动的来源，设计时特意把偏心块的外轮廓做了切边处理，不是完整的半圆结构，就是为了在有限的转动半径内尽可能提升偏心质量，同时避免转动时和周边的元器件、壳体筋位发生干涉。很多新手建模的时候容易忽略偏心块的转动包络，只按照静态尺寸预留间隙，实际上马达启动瞬间偏心块会有微小的轴向窜动，径向也会因为轴承间隙产生0.1-0.2mm的偏移量，所以实际设计安装腔的时候，径向至少要预留0.3mm的安全间隙，轴向靠近偏心块的一侧不能布置任何高度超过1mm的元器件，

　　不然很容易出现打件问题。双侧的贴片引脚不是对称设计的，两个引脚的宽度和间距都严格对应通用的SMT焊盘尺寸，引脚做了向下的折弯处理，贴装后本体和主板之间会留出0.2mm左右的缝隙，一方面是避免回流焊时锡膏爬到马达本体的端盖上影响转动，另一方面也能给马达工作时的微小振动留出缓冲空间，避免振动直接通过刚性连接传递到主板上产生不必要的共振杂音。从应用场景来说，这类微型振动马达最早是用在直板功能机上做来电振动提醒，后来延伸到蓝牙耳机、智能手环、便携医疗设备上，作为触觉反馈的核心元件，相比后来的线性马达，它的结构简单、成本极低、驱动电路不需要复杂的算法支持，只要给额定电压就能持续转动产生振动，非常适合对成本敏感、对振感细腻度要求不高的产品。

　　设计这款马达的三维模型时，首先要确认的是安装基准面，也就是两个引脚的下表面，所有的尺寸标注都要以这个面为基准，不然生成的工程图会出现基准混乱，导致加工厂做出来的焊盘和马达引脚不匹配。其次要注意偏心块的初始角度，建模时最好把偏心块的重心位置调整到和马达轴线水平的位置，这样装配到整机模型里的时候，可以直接通过旋转角度来模拟不同转动位置的包络，不用每次都重新计算偏心块的位置。很多人画这类小零件的时候容易忽略倒角和细节，比如马达本体端盖上的轴承定位台阶、引脚和本体连接的注塑圆角、偏心块上的动平衡去重缺口，这些细节虽然不影响整体装配，但是在做干涉检查、跌落仿真的时候，这些小特征往往会直接影响仿真结果的准确性。比如偏心块上的去重缺口，是生产过程中做动平衡校正的时候铣出来的，每个批次的马达缺口位置可能会有细微差异，建模的时候如果完全忽略这个缺口，做转动干涉检查的时候就可能出现误判，以为某个位置不会干涉，实际量产的时候因为缺口位置的偏差就会出现蹭壳的问题。另外还要注意马达的出线方向，这款马达的引脚是从本体靠近偏心块的一侧引出的，两个引脚平行向外延伸，设计主板焊盘的时候，焊盘的长度要比引脚长出0.5mm左右，给焊接时的锡膏浸润留出空间，同时焊盘外侧不能布置过高的元器件，避免贴装吸嘴取料的时候和周边元件发生碰撞。实际选型的时候还要考虑马达的启动电压和额定电流，这款马达的启动电压一般在1.0V左右，额定电压3V的时候转速能达到每分钟一万转以上，产生的振动力足够覆盖绝大多数便携设备的提醒需求，而且它的工作温度范围在-20℃到60℃之间，完全满足消费类电子产品的使用环境要求。从结构可靠性来说，这种圆柱有刷振动马达的寿命一般在1000小时左右，对于每天累计振动时间不超过10分钟的手机或者穿戴设备来说，正常使用五六年都不会出现失效问题，足够覆盖产品的全生命周期。很多人觉得现在线性马达已经普及了，这种转子马达早就该被淘汰了，实际上在很多低成本的物联网设备、儿童玩具、便携小家电上，这种结构简单、可靠性高、成本低廉的振动马达还是不可替代的选择，毕竟不是所有产品都需要线性马达那种细腻的振感，在满足功能需求的前提下，成本和可靠性永远是结构选型时最先考虑的因素。建模的时候还要注意，

　　马达本体的外壳是薄钢板拉伸成型的，外壳和端盖的连接位置有一圈压合的接缝，这个接缝的位置大概在距离尾部端盖1mm的位置，设计壳体筋位的时候，尽量不要把筋位压在这个接缝上，不然如果壳体的尺寸公差偏大，筋位压到接缝上可能会把端盖顶开，导致马达内部的磁铁脱落，直接造成马达失效。另外，马达尾部的端盖上有一个很小的透气孔，是用来平衡马达内部和外部气压的，建模的时候不要把这个孔堵上，不然马达工作的时候内部温度升高，气压变化会把润滑油从轴承位置挤出来，污染周边的主板和元器件。总的来说，这类微型振动马达的结构看似简单，但是每一个尺寸、每一个细节都是经过十几年的量产迭代打磨出来的，做结构设计的时候不能只看大概的外形尺寸，要把每个可能影响装配、可靠性、功能的细节都考虑到，才能避免在量产阶段出现各种各样的问题。