CN103620929B - 用于小型电动手持装置的线性马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于小型电动手持器具的柄部，其中所述柄部包括设置在所述柄部中的马达组件。所述马达组件包括由两个基本上垂直的表面形成的大致L形磁轭，使得两个基本上垂直的表面限定凹形容纳部分。所述马达组件也包括基本上设置在凹形容纳部分中的铁芯和线圈绕组，使得当所述马达静止时，铁芯和线圈绕组不与两个基本上垂直的表面之一接触。
Description
技术领域
本发明一般涉及用于小型电动手持装置的马达。
背景技术
小型电动手持装置诸如电动剃刀或电动牙刷通常包括马达以驱动另一个组件，诸如偏心重物。例如，直流（DC）电动马达用于驱动偏心安装的组件。然而，各种设计考虑影响马达的性能和电动手持装置的构造。当前在小型电动手持装置中利用马达的方法可包括将直流马达和/或E形磁轭装配在约束空间内。例如，电动湿剃剃刀的柄部一般比对应的手动湿剃剃刀更笨重和/或更大，以便容纳电子器件诸如马达。更笨重和/或更大的柄部可能导致较不可取的工效学形式。在一个例子中， ProGlideTMPower湿剃剃刀的柄部的最小直径（购自The Gillette Company，Boston，MA)为约11-12mm。在该约束空间中，马达必须提供足够的输出以驱动手持装置。此外，直流马达的性能取决于振动频率，所述振动频率取决于操作电压。尽管可改变直流马达的振动频率，但是不能改变振动的幅度。此外，直流马达的振动受到衰减（例如，由使用者触摸手持装置）、温度和/或老化的影响。然而，一般来讲，如果更小的空间是可取的，则使用更小的马达，但马达和驱动组件的性能可能受损或不可取。引入某些马达的小型电动手持装置的例子包括美国专利申请公布号2010/0175207、2008/0204177、2007/0137043和2005/0046281以及美国专利号7,554,225、7,015,602和6,933,630。
那么，所需要的是将线性马达容纳在小型电动手持装置的柄部内，其中与当前方法相比，所述马达宽度更小、部件更少并且更耐用。小型电动手持装置的马达，尽管宽度更小，如果不比当前的手持装置更好，则优选运行得（例如效率）不相上下。甚至更优选地，可更容易地控制所述马达组件的频率，诸如共振频率。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种用于小型电动手持器具的柄部。所述柄部包括设置在所述柄部中的马达组件。所述马达组件包括由两个基本上垂直的表面形成的大致L形磁轭，使得所述两个基本上垂直的表面限定凹形容纳部分。马达组件也包括基本上设置在凹形容纳部分中的铁芯和线圈绕组，使得当马达组件静止时，所述铁芯和所述线圈绕组不与两个基本上垂直的表面之一接触。
前述方面可包括下列实施例中的任何一个或多个。所述马达组件还可包括基本上设置在凹形容纳部分中的至少一个磁体。所述至少一个磁体可为基本上设置在凹形容纳部分中的两个磁体。所述至少一个磁体和所述铁芯可不接触，使得形成第一间隙，所述至少一个磁体和所述大致L形磁轭可不接触，使得形成第二间隙。第一间隙和第二间隙可基本上彼此垂直。第一间隙和第二间隙可在它们之间形成约60度至约120度的角度。马达组件还可包括基本上设置在凹形容纳部分中的背铁。背铁可不与铁芯接触。背铁可联接到至少一个磁体并且设置在所述至少一个磁体上方。背铁可不与大致L形磁轭接触。马达组件还可包括联接到大致L形磁轭的片簧。片簧可配置成限定马达组件的共振频率。片簧可为大致U形的。片簧可仅接触大致L形磁轭的一部分，使得片簧可不与重叠大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一的任何表面接触和/或不具有重叠大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一的任何表面。大致U形片簧的平行表面不重叠磁轭的两个基本上垂直的表面中的至少一个。马达组件可为共振的。马达组件还可包括联接到背铁的质量块。质量块和/或背铁可为磁性的，例如质量块和/或背铁可为软磁性材料。质量块可为非磁性材料。质量块可为所述背铁或所述至少一个磁体中的至少一个。质量块配置成限定马达组件的共振频率。马达组件的合力与质量块的挠曲可为基本上线性的。马达组件还可包括联接到大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一的外部并且联接到铁芯的底座，使得所述底座未设置在凹形容纳部分内。马达组件可配置成沿着柄部的纵向轴线施加线性振动。马达组件可容纳在具有小于约7mm直径的柄部的一部分中。马达组件的频率可为约50Hz至约500Hz。
在另一个方面，本发明涉及一种用于小型电动手持器具的柄部。所述柄部包括设置在所述柄部中的马达组件。马达组件包括由两个基本上垂直的表面形成的大致L形磁轭，使得所述两个基本上垂直的表面限定凹形容纳部分。马达组件也包括铁芯、线圈绕组和基本上设置在所述凹形容纳部分中的至少一个磁体，使得所述至少一个磁体和所述铁芯不接触，使得形成第一间隙，所述至少一个磁体和所述大致L形磁轭不接触，使得形成第二间隙，并且第一间隙和第二间隙基本上彼此垂直。
该方面可包括下列实施例中的任何一个或多个。第一间隙和第二间隙可在它们之间形成约60度至约120度的角度。所述至少一个磁体可为基本上设置在凹形容纳部分中的两个磁体。马达组件还可包括基本上设置在凹形容纳部分中的背铁。背铁可不与铁芯接触。背铁可联接到至少一个磁体并且设置在所述至少一个磁体上方。背铁可不与大致L形磁轭接触。马达组件还可包括联接到大致L形磁轭的片簧。片簧可配置成限定马达组件的共振频率。片簧可为大致U形的。片簧可仅接触大致L形磁轭的一部分，使得片簧可不与重叠大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一的任何表面接触和/或不具有重叠大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一的任何表面。大致U形片簧的平行表面不重叠磁轭的两个基本上垂直表面中的至少一个。马达组件可为共振的。马达组件还可包括联接到背铁的质量块。质量块和/或背铁可为磁性的，例如质量块和/或背铁可为软磁性材料。质量块可为非磁性材料。质量块可为背铁或至少一个磁体中的至少一个。质量块可配置成限定马达组件的共振频率。马达组件的合力与质量块的挠曲可为基本上线性的。马达组件还可包括联接到大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一的外部并且联接到铁芯的底座，使得所述底座未设置在凹形容纳部分内。马达组件可配置成沿着柄部的纵向轴线施加线性振动。马达组件可容纳在具有小于约7mm直径的柄部的一部分中。马达组件的频率可为约50Hz至约500Hz。
附图说明
当结合附图阅读对各种实施例的下列描述时，可更全面地理解本发明的其它特征和优点以及本发明自身，其中：
图1为设置在小型电动手持器具的柄部中的已知马达组件的示意透视图；
图2为已知马达组件的示意侧视图；
图3为根据本发明的一个实施例的马达组件的示意透视图；
图4为图3的马达组件的示意侧视图；
图5为根据本发明的一个实施例的马达组件的示意透视图；
图6A和6B分别描绘根据本发明的一个实施例的示意透视图和前视图；
图7为图6A和6B的马达组件的示意侧视图，显示磁通密度的矢量；
图8为根据本发明的一个实施例的马达组件的力对位移的图；并且
图9A和9B描绘根据本发明的实施例的各种马达组件的示意侧视图。
具体实施方式
除非另外说明，“一个”、“一种”和“所述”是指“一个或多个”。
参见图1，已知的小型电动手持装置10包括柄部20和设置在所述柄部内的马达组件30。马达组件30包括联接到U形或C形磁轭32的马达底座31。马达组件与磁轭的非限制性例子描述于美国专利申请公布2010/0175207、2008/0204177、2007/0137043和2005/0046281以及美国专利号7,554,225、7,015,602、6,933,630和6,051,902中。线圈33设置在U形或C形磁轭32内。一对片簧34联接到磁轭32的外部，其中所述一对片簧34大致在磁轭32上方交汇。同样设置在磁轭32上方的为联接到背铁38的一对磁体36，其也在磁轭32上方。设置在背铁38上方的杠杆40以一部分联接到片簧34，所述部分限定马达组件30的输出。当马达组件30正在运转时，片簧34限定其中磁体36和背铁38可左右振荡的共振频率和输出的虚拟枢转轴线。
在已知的小型电动手持装置中，马达组件为直流马达组件。直流马达组件通常以约3,000至约30,000RPM运行，其中频率为至多约50至约500Hz。电动湿剃剃刀中的直流马达组件常常装配在约10至约11mm直径的柄部内。
在图2中，另一个已知小型电动手持装置50的一部分包括柄部60的一部分和设置在所述柄部内的马达组件70。马达组件70包括E形磁轭72。线圈73设置在E形磁轭72内。一对片簧74联接到磁轭72的外部，其中所述一对片簧74通常在磁轭72上方交汇。同样设置在磁轭72上方的为联接到背铁78的一对磁体76，其也在磁轭72上方。设置在背铁78上方的杠杆80以一部分联接到片簧74，所述部分限定马达组件70的输出。当马达组件70正在运转时，片簧74限定其中磁体76和背铁78可左右振荡的共振频率和输出的虚拟枢转轴线。
图3和4描绘本发明的一个实施例。用于线性马达的马达组件100包括联接到大致L形磁轭102的马达底座101，其中所述磁轭102具有两个基本上垂直的表面（例如，基本上垂直的两个大致线性的表面），所述表面限定凹形容纳部分。所谓“大致线性的”是指磁轭102的表面可包括非线性元件例如脊、突出部或凹座，和/或由于制造和设计考虑，可包括沿着其长度不为线性的例如锥形的和/或扩口端的区域。除此之外或作为另外一种选择，大致L形磁轭102包括两个大致L形的组件，尽管每个组件不需要相同。例如，两个组件可彼此接触并且至少部分地重叠。在一个实施例中，马达底座101设置在大致L形磁轭102下方。铁芯104联接到大致L形磁轭102，其中线圈绕组106缠绕铁芯104。设置在铁芯104和线圈绕组106上方的为质量块108。所述质量块选自至少一个磁体109诸如一对磁体、背铁110、以及它们的组合。在一个实施例中，质量块可为磁性的。所述质量块构成马达组件100的运动部件。所述至少一个磁体109设置在大致L形磁轭102的凹形容纳部分内。除此之外或作为另外一种选择，背铁110也至少基本上设置在大致L形磁轭102的凹形容纳部分内。在一个实施例中，背铁110的一部分设置在凹形容纳部分的外部。磁体109和背铁110不与铁芯接触。铁芯和线圈绕组不与两个基本上垂直的表面之一接触。磁体109不与铁芯110接触，使得形成第一间隙112。磁体109不与大致L形磁轭102接触，使得形成第二间隙114。第一间隙112和第二间隙114基本上彼此垂直。以垂直取向形成这些气隙112、114（与平面取向截然相反）有利于例如马达组件100的尺寸更小（例如更小的占有面积，以容纳在手持装置中），使得马达组件100可装配成具有更小直径或宽度的尺寸。
在本发明的一个实施例中，马达组件涉及线性振动马达，例如使得马达组件沿着柄部的纵向轴线施加线性振动。不受任何理论的束缚，据信线性振动对于小型电动手持装置的某些应用（诸如对于湿剃以及对于刷牙）是有利的。在湿剃和刷牙应用中，据信旋转振动马达产生令人体（例如，皮肤、手等）不愉快的振动。此外，采用线性马达，振动的幅度可更容易地改变。对于线性马达，振动频率也可容易地改变，并且频率可被控制而不受操作电压、负荷（例如，阻尼）、老化、温度或其它因素的影响。对于本发明的线性马达组件，幅度和频率可彼此独立调节。
在一个实施例中，整个马达组件100可为共振的。质量块可限定共振频率。背铁和/或电枢可为磁性的，例如由钨，优选高密度钨制成。
图5、6A、6B和7描绘本发明的另一个实施例，其中包括限定凹形容纳部分的具有两个基本上垂直的表面（例如，基本上垂直的两个大致线性的表面）的大致L形磁轭202的马达组件200也包括电枢204。电枢204可设置在背铁206的顶部上，所述背铁继而设置在至少一个磁体208诸如两个磁体的顶部上。除此之外或作为另外一种选择，片簧210或一对片簧联接到大致L形磁轭202，例如联接到磁轭202的外部。在一个实施例中，片簧210或所述一对片簧仅接触磁轭202的一部分，使得片簧210或所述一对片簧不接触磁轭202的两个基本上垂直的表面之一。片簧210可为单个一体的大致U形结构或者片簧210可为一对一体的大致L形结构。片簧210可为大致U形的或大致L形的，即使由于制造和设计考虑，片簧210包括脊、突出部、孔、凹座、或锥形和/或扩口端。在一个实施例中，片簧210接触或联接到背铁206和/或电枢204，使得片簧210不接触磁体208。除此之外或作为另外一种选择，接触或联接到背铁206和/或电枢204的片簧210的表面或一对片簧的表面可为大致平行的。大致平行的表面允许磁体208和铁芯212之间的气隙的距离大致恒定（通过仅局部显示线圈绕组214示于图6A和6B中）。在一个实施例中，质量块可选自至少一个磁体208，诸如一对磁体、背铁206、电枢204、片簧210诸如一对片簧、以及它们的组合。质量块构成马达组件的运动部件。在一个实施例中，电枢204设置在大致L形磁轭202的凹形容纳部分的外部。
用于背铁206、磁轭202和铁芯212的适宜材料的例子包括但不限于软磁性材料诸如电工钢板（层叠的）、磁性钢、或软磁性塑料。在一个实施例中，磁体208优选为稀土磁体（例如，NdFeB和SmCo）或硬磁性材料（例如，AlNiCo）。在一个实施例中，线圈绕组214优选为由铜、铝或银制成的线材。作为另外一种选择，线圈绕组214可由片材诸如适用于背铁206、磁轭202、和/或铁芯212的那些制成。在一个实施例中，片簧210优选为非磁性钢材料，诸如不锈钢。在一个实施例中，电枢204优选为高密度材料，例如钨。电枢204也可为与背铁206相同的材料。
马达底座可设置在铁芯的底部上。在此类实施例中，当马达组件正在运转时，磁体、背铁、电枢204（例如，质量块）或它们的组合运动。在一种可供选择的布置中，磁体、背铁、电枢（例如，质量块）或它们的组合可被安装在外壳上。在此类布置中，当马达组件正在运转时，马达组件的其余部分运动，使得附加的运动部件充当附加的振荡质量块。
现在参见图7，磁通密度的矢量示于本发明的一个实施例中，例如示于图5、6A和6B中。通过线圈绕组214的电流将磁通感应到铁芯212中。磁体208诸如一对磁体因此根据磁通密度排列。磁性回路用背铁206、磁体208、大致L形磁轭202和铁芯212的底部部件构成闭环。在此类回路中，存在两个气隙：(1)在磁体208和铁芯212之间，和(2)在背铁206和大致L形磁轭202之间。所述气隙未取向在样本平面中，而是取向为彼此垂直。由于磁轭202和背铁206之间的大重叠面，它们之间气隙的磁阻较低。这有利于高磁力。
图8中描绘的是例如图5、6A和6B中所示本发明实施例的质量块在行程距离内马达组件的力的图。在此类实施例中，可获得振荡共振系统。共振频率可如下计算：
其中，f=共振频率，m=质量，并且C=总弹簧刚度。总弹簧刚度为弹簧常数和磁阻力之和。总弹簧刚度(C)可由合力的线性回归得到。
在一个实施例中，合力在质量块的行程距离内具有基本上线性的斜率。在此类实施例中，可获得在期望行程范围内的限定的共振频率。可以各种方式获得基本上线性的合力。例如，与弹簧力相比，磁阻力可设计成非常小（例如，接近零或几乎为零），使得磁阻力和弹簧力之和（即，合力）基本上为线性的，因为弹簧力为线性的或基本线性的。又如，磁性系统可设计成在行程范围内具有基本线性的磁阻力。
本发明的马达组件可容纳在具有约8mm并且优选约7mm最大外径的小型电动手持装置的一部分中。在操作期间，质量块在操作期间表现出约+/-0.7mm的位移。马达组件的共振频率可为约10Hz至约500Hz，优选约10Hz至约120Hz，甚至更优选约95至约105Hz，并且还更优选约100Hz。与用于小型电动手持装置的已知马达组件相比，本发明为尺寸更小（例如，相对于外径小约30%的尺寸）、设计简单并且部件更少，并且由于更少的部件磨损而具有更大的耐久性，这些全部导致更低的成本。
在一个实施例中，马达组件的总体长度取决于质量块（即，组件的运动部件）的尺寸和铁芯的尺寸。这两个参数可由预期（操作/共振）频率来确定。小预期频率导致更长的马达组件，并且更高的预期频率导致更短的马达组件。
不受任何理论的束缚，据信大致L形磁轭运行得与已知磁轭诸如U形或E形磁轭大致相同（如果不比其好）。通过人们测量，大致L形磁轭具有相对低的效率。此外，用金属薄片组装大致L形磁轭可为困难的。通常，具有高效率的马达使用层状金属薄片来获得更低的涡流损耗。因为本发明的马达组件旨在用于小型电动手持装置中，此类装置中的马达小且因此效率通常低。马达的尺寸也使其难以使用金属薄片。因此，据信在小型电动手持装置中，大致L形磁轭具有与已知的U形或E形磁轭大致相同的效率（如果未改善效率）。
现在参见图9A-B，描绘了适用于各种机械设计和空间考虑的本发明的各种实施例。马达组件300包括大致L形磁轭302，所述磁轭具有两个基本上垂直的表面（例如，两个基本上垂直的大致线性表面），所述表面限定基本上凹形容纳部分。两个大致线性表面之一可具有端部303，所述端部与线性表面的剩余部分为非共面的，尽管整个表面仍然为大致线性的。端部303可与剩余部分形成约45度至约135度，优选约60度至约120度的角度（从容纳部分的视角）。设置在磁轭302的凹形容纳部分内的为设置在背铁306的顶部上的电枢304，所述背铁继而设置在至少一个磁体308诸如两个磁体的顶部上。在一个实施例中，电枢304设置在大致L形磁轭302的凹形容纳部分的外部。除此之外或作为另外一种选择，片簧（未示出）或一对片簧联接到大致L形磁轭302，例如联接到磁轭302的外部。在至少一个磁体308和联接到磁轭302的铁芯312之间形成第一气隙310。在至少一个磁体308和/或背铁306之间形成第二气隙314。在第一气隙310和第二气隙314之间形成的角度316可为约45度至约135度，优选约60度至约120度。此类设计构型提供在各种几何形状或构型中容纳马达组件300的灵活性。马达组件300也可在宽度和长度上改变（例如，更长或更短或者在宽度上更宽或更小）。
应当理解，在本说明书全文中给出的每一最大数值限度包括每一更低数值限度，如同此类更低数值限度也在本文中明确写出。在本说明书全文中给出的每一最小数值限度包括每一个更高数值限度，如同此类更高数值限度也在本文中明确写出。在本说明书全文中给出的每一数值范围包括落在此类更宽数值范围内的每一更窄数值范围，如同此类更窄的数值范围也在本文中明确写出。
本文所公开的尺寸和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，每个此类尺寸旨在表示所述值以及围绕该值的功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的尺寸旨在表示“约40mm”。
除非明确地不包括在内或换句话讲限制，本文所引用的每篇文献，包括任何交叉引用的或相关的专利或申请，均据此以引用方式全文并入本文。任何文献的引用不是对其作为本文所公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术，或者其单独地或与任何其它参考文献的任何组合，或者参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本发明中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文献中术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，但是对那些本领域的技术人员将显而易见的是，在不背离本发明的实质和范围的情况下可作出许多其它的改变和变型。因此，所附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有此类改变和变型。
Claims (10)
1.一种用于小型电动手持器具的柄部，所述柄部包括：
设置在所述柄部中的马达组件(100)，所述马达组件(100)包括：
由两个基本上垂直的表面形成的大致L形磁轭(102)，其中所述两个基本上垂直的表面限定凹形容纳部分；和
基本上设置在所述凹形容纳部分中的铁芯(110)和线圈绕组(106)，
其中当所述马达组件(100)静止时，所述铁芯(110)和线圈绕组(106)不与所述两个基本上垂直的表面之一接触；
其中所述马达组件还包括：基本上设置在所述凹形容纳部分中的背铁；以及联接到所述背铁的质量块，其中所述质量块为非磁性材料。
2.根据权利要求1所述的柄部，其中所述马达组件还包括基本上设置在所述凹形容纳部分中的至少一个磁体。
3.根据权利要求2所述的柄部，所述柄部具有下列特征之一：
(i)其中所述至少一个磁体和所述铁芯不接触，使得形成第一间隙，所述至少一个磁体和所述大致L形磁轭不接触，使得形成第二间隙，并且所述第一间隙和所述第二间隙基本上彼此垂直；
(ii)其中所述至少一个磁体和所述铁芯不接触，使得形成第一间隙，所述至少一个磁体和所述大致L形磁轭不接触，使得形成第二间隙，并且所述第一间隙和所述第二间隙在它们之间形成60度至120度的角度。
4.根据权利要求1所述的柄部，所述柄部具有下列一个或多个特征：
(i)其中所述背铁不与所述铁芯接触；
(ii)其中所述背铁联接到至少一个磁体并且设置在所述至少一个磁体上方；
(iii)其中所述背铁不与所述大致L形磁轭接触。
5.根据前述权利要求1-3中任一项所述的柄部，其中所述马达组件还包括联接到所述大致L形磁轭的片簧，其中所述片簧配置成限定所述马达组件的共振频率。
6.根据权利要求5所述的柄部，所述柄部具有下列一个或多个特征：
(i)其中所述片簧为大致U形的；
(ii)其中所述片簧仅接触所述大致L形磁轭的一部分，使得所述片簧不与所述大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一接触。
7.根据前述权利要求1-3中任一项所述的柄部，其中所述马达组件为共振的。
8.根据权利要求1所述的柄部，其中所述质量块和所述背铁两者均为软磁性材料。
9.根据权利要求8所述的柄部，所述柄部具有下列一个或多个特征：
(i)其中所述质量块配置成限定所述马达组件的共振频率；
(ii)其中所述马达组件的合力与所述质量块的挠曲为基本上线性的关系。
10.根据前述权利要求1-3中任一项所述的柄部，所述柄部具有下列一个或多个特征：
(i)其中所述马达组件还包括联接到所述大致L形磁轭的两个基本上垂直的表面之一的外部并且联接到所述铁芯的底座，使得所述底座未设置在所述凹形容纳部分内；
(ii)其中所述马达组件配置成沿着所述柄部的纵向轴线施加线性振动；
(iii)其中所述马达组件容纳在具有小于7mm直径的所述柄部的一部分中；
(iv)其中所述马达组件的频率为50Hz至500Hz。
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