CN1875537B - 用于产生小型电器的振荡运动的驱动单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驱动单元(1)，其用于产生用于小型电器的振荡运动的。根据本发明的驱动单元(1)具有定子(2)，所述定子包括至少一个线圈(5)和每个带有至少一个永久磁铁(7)的第一和第二磁性装置(6)。此外根据本发明的驱动单元(1)具有非旋转对称构成的转子(3)，所述转子包括第一和第二径向凸起(10)，所述凸起每一个仅仅在转子(3)的圆周的部分区域上延伸并且由可磁化材料组成。根据本发明的驱动单元(1)的特点在于，通过磁性装置(6)相对于转子(3)的径向凸起(10)的定位，在磁性装置(6)和径向凸起(10)之间这样成对地构成配置，使得在一对的磁性装置(6)和径向凸起(10)之间的磁相互作用总是大于在两个不同对的磁性装置(6)和径向凸起(10)之间的磁相互作用。

Description

用于产生小型电器的振荡运动的驱动单元

技术领域

本发明涉及一种用于产生用于小型电器的振荡运动的驱动单元。此外本发明涉及一种具有这样驱动单元的小型电器。

背景技术

用于产生振荡运动的电动的驱动单元例如应用于电动牙刷或者电动剃须刀。例如从US5,263,218中尤其已知一种具有可摆动的杆臂的电动牙刷，其中可摆动的杆臂借助于固定的电磁铁和固定的永久磁铁被设置成振荡，刷子设置在所述杆臂上。因此，杆臂在邻近于电磁铁的区域中由铁磁体材料构成，其部分地包围永久磁铁。铁磁体材料用于将由永久磁铁产生的磁通量结合于电磁铁并且因此驱动杆臂。

从US5,613,259中已知一种振荡工具，特别是电动牙刷。该工具具有机械的振荡器，其被电动机驱动。电动机具有带有线圈的定子和配备有永久磁铁的转子。根据机械振荡器的振荡频率(其中所述振荡频率通过传感器检测)，如此控制电动机，使得机械振荡器在不同负载下保持谐振。机械振荡器通过弹簧质量系统构造，所述系统能够具有螺旋弹簧或者扭杆。

EP1329203A1公开了一种具有用于嵌入牙刷的直线振荡驱动轴和通过弹簧与所述驱动轴连接的减振器的电动牙刷。电枢设置在驱动轴上，并且由可磁化材料制成并且基本上具有圆柱形形状。此外，电动牙刷具有固定的线圈和固定的永久磁铁，以便将轴设置成沿轴向的振荡运动。

从DE3025708A1中已知一种具有摆动的转子的交流小电机，特别用于振荡驱动固定在转子轴上的牙刷。该小电机具有定子和摆动的转子。该定子由可磁化材料制成的外壳、线圈和一对永磁铁组成。转子具有固定在转子轴上的电枢部分和两个设置在所述电枢部分的直径相对处的极片。线圈通过它的轴线与转子轴垂直并且基本上垂直于在永磁铁之间的磁性定子磁场定向。线圈位于基本上在永磁铁之间的定子外壳内并且包围电枢部分。

已知电动机具有相对复杂和大体积的设计，它们中的一些磁电路的开路设计。另一个缺点在于，转子总是具有大质量或者大的惯性矩，并且因此导致电机外壳和整个牙刷的强烈振荡。

发明内容

因此本发明的任务在于提供一种尽可能紧凑并且低振动的用于产生用于小型电器的振荡运动的驱动单元。

该任务通过权利要求1的特征组合被完成。

根据本发明的用于产生用于小型电器的振荡运动的驱动单元具有定子，所述定子包括至少一个线圈和每个带有至少一个永久磁铁的第一和第二磁性装置。此外根据本发明的驱动单元具有非旋转对称构成的转子，所述转子包括第一和第二径向凸起，所述凸起每一个仅仅在转子的圆周的部分区域上延伸并且由可磁化材料组成。根据本发明的驱动单元的特点在于，通过磁性装置相对于转子的径向凸起的定位，在磁性装置和径向凸起之间这样成对地构成配置，使得在一对的磁性装置和径向凸起之间的磁相互作用总是大于在两个不同对的磁性装置和径向凸起之间的磁相互作用。

本发明具有如下优点，即转子具有小质量和小的惯性矩并且因此不希望的振动仅仅在非常小的范围产生。另一个优点在于，通过驱动单元的小直径能够取得大转矩。同样有利的是，根据本发明的驱动单元具有高度的效率。此外，由于封闭的磁路，在本发明的驱动单元中仅仅产生低的漏磁场。

根据本发明的驱动单元的一个实施例如此构成，使得每个径向凸起具有一个径向端并且每个磁性装置设置在径向凸起中一个的仅仅径向端面的附近。在这种情况下，径向凸起每一个在限制径向端面的区域中沿圆周方向优选地具有至少一个相同的延伸。为了借助于线圈能够最优地磁化径向凸起，径向凸起直径上正相对地设置在转子上。在静止位置径向凸起优选地平行于至少一个线圈的轴线定向。

磁性装置每个包括至少两个永久磁铁，所述磁铁在圆周方向互相隔开。特别地，两个永久磁铁通过逆平行定向互相并排设置。同样可以的是，磁性装置每个包括永久磁铁，所述永久磁铁具有至少两个互相逆平行磁化的区域和在两个磁化区域之间的磁隙。为了能够获得最佳的铁轭，磁性装置的永久磁铁设置在由可磁化材料制成的载板上，其中每个磁性装置设有一个载板。

转子可以通过复位交互作用与定子耦合并且因此构成可振动系统。因此，通过比较小的驱动能量能够产生振荡运动的大振幅。特别有利的是，复位交互作用以这样的方式构成，使得在加载情况下，可振动系统的谐振频率向激励可振动系统的激励频率转换。因此，在没有改变激励频率情况下抵抗振荡运动的振幅的减小。优选地选择激励频率大于谐振频率。复位交互作用可以具有特性曲线，所述特性曲线通过径向凸起的结构和/或通过磁性装置影响，所以为了获得希望的特性，仅仅这些部件必须被配合或者调节。特别地，以这种方式也可以补偿公差，所述公差影响在磁性装置和径向凸起之间的磁交互作用。复位交互作用优选地具有非线性特征曲线。因此，实现根据本发明的驱动单元的用于任何应用情况的最佳振动方法。

在根据本发明的驱动单元的一个实施例中，转子通过扭杆与定子耦合，其中扭杆的至少部分区域设置在转子的中空构成的轴内部。该实施例具有如下优点，即扭杆在它的弹性特征方面被非常精确地制造并且因此在一批产品中根据本发明的驱动单元的谐振频率没有显著地偏差。此外，当扭杆安装在中空构成的轴中时几乎不需要另外的结构空间。备选地，转子通过螺旋弹簧或者盘簧与定子耦合。

在根据本发明的驱动单元的有利的造型，设有具有两个外壳部分的外壳，所述外壳部分沿圆周方向在磁性装置的区域中重叠。因此，能够容易地装配根据本发明的驱动单元并且可以使用几乎任何形状的外壳。此外，通过外壳改进铁轭，所以通常能够取消用于永久磁铁的载板。

此外本发明还涉及一种具有根据本发明的驱动单元的小型电器。根据本发明的小型电器优选地构成为电动牙刷或者电动剃须刀。

附图说明

下面根据在附图中示出的实施例详细地描述本发明，其中根据本发明的驱动单元总是应用于电动牙刷。在附图中：

图1是根据本发明构造的驱动单元的实施例的极其示意的剖视图；

图2示出在转子上所作用的复位力矩是转子从它的静止位置的偏转的函数的不同分布曲线的图；

图3是表示在本发明的驱动单元的不同负载和不同结构的情况下在谐振频率附近的本发明的驱动单元的振荡响应的图；

图4以相应于图1的形式示出根据本发明的驱动单元的另一个实施例；

图5以相应于图1的形式示出根据本发明的驱动单元的另一个实施例；

图6以相应于图1的形式示出根据本发明的驱动单元的又一个修改的实施例；以及

图7是根据本发明的驱动单元的实施例的详细设计的透视图。

具体实施方式

图1以极其示意的剖视图示出根据本发明构造的驱动单元1的实施例。作为主要的功能部件，驱动单元1包括位置固定的定子2和相对于定子2绕驱动单元1的纵向轴可转动设置的转子3。定子2具有由可磁化的材料制成的外壳4，两个例如串联的线圈5，以及两个磁性装置6，所述磁性装置分别具有两个永久磁铁7。两个线圈5互相平行地设置，其中两个线圈5的轴线互相重合并且在图1的表示中水平分布。磁性装置6互相对着设置在外壳4的相对侧上，其中磁性装置6的单个永久磁铁7分别以逆平行的极性并排相对于线圈5的轴线对称地定位。在这种情况下，在每个磁性装置6的两个永久磁铁7之间总是保持较小的距离，所述距离可以例如为了调节或者校准的目的而变化。转子3同轴地设置在定子2内部并且具有轴8，由可磁化材料制成的电枢9设置在所述轴上。例如，电枢9由轴向互相并排设置的低碳钢板组成。在电枢9的两个圆周区域中各构成一个径向凸起10，从而电枢9在那里比在它们之间的圆周区域径向向外更远地延伸并且因此没有构成为旋转对称。在图1中所示的驱动单元1的静止位置中，径向凸起10在平行于线圈5的轴线的相对方向上延伸，它们的径向端部11到达永久磁铁7的附近。在这种情况下，线圈5的轴线从中央穿过径向凸起10。在所示的实施例中，轴8是中空构成的并且在它的内部具有同心设置的扭杆12，所述扭杆在它的一端抗扭地连接于定子2并且在它的另一端抗扭地连接于转子3，从而在驱动单元1的静止位置中在转子3上施加了复位转矩。

当电流流过线圈5时在电枢9中产生磁场，所述磁场平行于电枢9的径向凸起10定向，所以在径向凸起10的径向端部11的区域中形成相对的磁极，导致与磁性装置6的永久磁铁7发生磁相互作用。利用磁相互作用，在电枢9上施加转矩，电枢9通过所述转矩而偏移它的静止位置并且轴8在这种情况下略微地转动。由于在电枢9的两个径向凸起10的区域中形成相反的磁极，所以两个磁性装置6与电枢9的相应邻近的径向凸起10的磁相互作用导致相同方向的转矩，因此它们可以相加。由于大距离，在磁性装置6和电枢9的相应的直径相对的径向凸起10之间产生的磁相互作用显著地小于上述的在邻近的磁性装置6和电枢9的径向凸起10之间的磁相互作用。

当固定规定磁性装置6的定向时，转子3的由磁相互作用产生的转动依靠在电枢9中产生的磁场方向，并且因此也依靠在线圈5中的电流方向。因此，可以通过令在线圈5中的电流反向而反转转子3的转动方向，并且因此将转子3转回到它的静止位置。由扭杆12所产生的复位转矩进一步辅助朝向静止位置方向的旋转运动。通过在线圈5中的电流的定期的极性转换，能够使转子3产生振荡的旋转运动。因为扭杆12和转子3构成可振动运动的弹簧质量系统，当电流信号的频率和弹簧质量系统的谐振频率一致时，用于线圈5所给定的电流的振荡的旋转运动的振幅特别大。谐振频率取决于转子3和扭杆12的转动惯量以及扭杆12的弹簧常数。此外，谐振频率还受到磁性装置6和电枢9的径向凸起10的影响，因为通过永久磁铁7在转子3上施加一个磁性的复位转矩，所述转矩的特性取决于磁性装置6的几何形状和电枢9的径向凸起10在它们径向端面11附近的设计。在磁性装置6的相邻的永久磁铁7之间的距离特别适合于磁性复位转矩的单独变化。磁性复位转矩以在定子2和转子3之间的附加弹簧的方式作用，其中磁性复位转矩对弹簧特性的影响是复杂的。为了说明，在图2中作为例子示出磁性复位转矩的典型分布曲线。

图2示出作用在转子3上的复位力矩依赖于转子3从它的静止位置的偏转的不同分布曲线的图。在横坐标上绘制转子3从静止位置旋转的转角φ。在纵坐标上绘制复位转矩T。示出的分布曲线表示关于以下参数的不同参数集：电枢9的径向凸起10在径向端面11的区域中的宽度p_width，磁性装置6的永久磁铁7的纵向延伸mag_length以及在磁性装置6的相邻的永久磁铁7之间的距离nonm_length。所有的分布曲线分别表示在没有电流流过线圈5的情况下的关系。为了比较，在图中也示出传统的弹簧的分布曲线，其中复位转矩T相对于转角φ成比例地增加，所以在每个偏转中存在沿静止位置的方向的复位转矩T，其中偏转等于零。因此，传统的弹簧的分布曲线表示为直线。

对于由磁交互作用产生的复位转矩T，所产生的分布曲线完全不同于传统的弹簧的。如果电枢9的径向凸起10相当宽(p_width＝1.5)并且磁性装置6如此构造，使得相当短的永久磁铁7(mag_length＝4)直接并排地设置(nonm_length＝0)，那么与传统的弹簧的分布曲线最靠近地重合。在这些参数的情况下，该分布曲线基本上具有与传统弹簧一样的曲线，也就是说在整个示出的范围中存在沿静止位置方向的复位转矩T。为了实现驱动单元1，一个略微改变的分布曲线是优选的，所述分布曲线在电枢9的径向凸起10的相同宽度(p_width＝1.5)并且永久磁铁的相同长度(mag_length＝4)，以及永久磁铁7以一定距离(nonm_length＝0.8)互相设置的情况下产生。这导致分布曲线变平，其中保持各个符号。通过以相当窄的宽度(p_width＝0.9)设置电枢9的径向凸起10并且以互相距离(nonm_length＝0.8)设置相对长的永久磁铁7(mag_length＝5)，可以获得另一个分布曲线。在这种情况下，分布曲线的符号与传统的弹簧相比在整个示出的区域中相反。这意味着，通过这样一组参数，没有沿朝向静止位置的方向作用的复位力矩T。代替地，由磁相互作用产生的转矩导致从静止位置的偏转。

用于基于磁相互作用的复位转矩T的所有在图2中示出的曲线相对于传统的弹簧表示为明显的非线性形状。因此当振荡运动的振幅改变时，可振动系统的谐振频率移动。根据本发明利用这种效果以便保持通过驱动单元1产生的振荡运动的振幅由负载引起的缩减量尽可能地小。这将参考图3详细地说明。

图3是表示在驱动单元1的不同负载和不同结构的情况下在谐振频率附近驱动单元1的振动特性的图。在横坐标上表示振荡运动的振动频率f并且在纵坐标上表示振幅A。所有示出的曲线具有如下共同点，即振幅A随着振动频率f接近驱动单元1的谐振频率frl或者frn而增加并且在超过谐振频率frl或者frn之后又减小，所以这些曲线在所属的谐振频率frl或者frn处分别具有最大值。在这种情况下，frl表示具有线性弹簧特征曲线的驱动单元1的谐振频率并且frn表示具有非线性弹簧特征曲线的驱动单元1的谐振频率。在最大值区域中的振幅A的大小取决于驱动单元1的负载。所以最上面的曲线表示在没有负载情况下驱动单元1的振幅分布状态。两个下面的曲线分别表示在驱动单元1的加载情况下的振幅分布状态，所以直接从图3中明显地看出负载引起的振幅A的缩减。两个下面曲线中的左边一个涉及具有线性弹簧特性的驱动单元1。在一个这样构造的驱动单元1中，谐振频率frl在加载时保持相等并且仅仅改变振幅A。但是在非线性弹簧特性的情况下，谐振频率frn随着驱动单元1的负载的增加而改变。这涉及到下面右边的曲线，其中谐振频率frn随着负载增加而向高振动频率f移动。在本发明的范围内，优选地使用具有这样特性的非线性弹簧特性。同样在这种情况下，在谐振频率frn的区域中在加载下不会防止振幅A的缩减。但是，可以部分地补偿振幅A的缩减。为此，以在谐振频率frn之上的固定频率f0激励驱动单元1。那么在加载情况下谐振频率frn的移动导致如下后果，即驱动单元1在加载情况下的激励比在未加载情况下更接近谐振频率frn。更靠近谐振频率frn的激励转而在激励频率f0的地方导致更高振幅A，所以能够完全或者部分地补偿振幅A由负载引起的缩减量。总之因此，与线性弹簧特性曲线相比，非线性弹簧特性曲线在激励频率f0的情况下在加载时几乎没有明显的振幅A缩减量。

图4以相应于图1的形式示出根据本发明的驱动单元1的另一个实施例。该实施例的特征在于，电枢9的径向凸起10在径向端面11的附近沿圆周方向被加宽。此外，在该实施例中设有由磁性材料制成的载板13，磁性装置6的永久磁铁7共同地设置在所述载板上。载板13分别用作永久磁铁7的铁轭并且在强的永久磁铁7时，例如在由NdFeB制成的永久磁铁7的情况下是特别有意义的。另外，在图4中所示的驱动单元1的实施例在结构和功能方面相应于图1中的实施例。

图5以相应于图1的形式示出根据本发明的驱动单元1的另一个实施例。该实施例的特点在于，电枢9的径向凸起10在径向端面11的附近是锥形的并且每个磁性装置6仅仅具有一个永久磁铁7。永久磁铁7总是这样被磁化，使得两个逆平行磁化的区域通过磁隙互相分开并且并排设置。这意味着，在图1和4中所示的磁性装置6的永久磁铁7总是在保持磁性定向的情况下被组合以形成每个磁性装置6单个永久磁铁7。类似于根据图4的实施例，在图5的实施例中同样设有用于永久磁铁7的载板13。

图6以相应于图1的形式示出根据本发明的驱动单元1的又一个修改的实施例。该实施例的特征在于，外壳4由可磁化材料支撑的两个二合罩14构成。二合罩14在磁性装置6的区域中互相重叠，所以通过在重叠区中的外壳4的双重材料厚度构成了用于永久磁铁7的较厚的铁轭。在该实施例中，因此通常可以省略载板13。而且，利用二合罩14能够更容易装配驱动单元1，并且几乎任何形状外壳都可以形成。

图7是驱动单元1的实施例的详细设计的透视图。在该实施例中，在定子2和转子3之间没有设有扭杆12而是设有螺旋弹簧15作为旋转弹性元件。例如可以使用盘簧代替螺旋弹簧15。因为不存在扭杆12，轴8不是中空的而是实心构成的。为了能够安装到图中未示出的插入牙刷，轴8的轴向末端从外壳4中突出。轴8的可转动安装借助于两个轴承16实现，所述轴承嵌入到内衬17中。内衬17也用作线圈5的缠绕体，所示线圈在图7中未示出。

驱动单元1总是能够如此修改，使得利用条状磁铁段代替块状构成的永久磁铁7。此外，在驱动单元1的上述实施例中存在的特征也可以被组合以形成其他的实施例。

Claims (15)

1.一种用于产生用于小型电器的振荡运动的驱动单元，包括定子(2)，所述定子具有至少一个线圈(5)和各自带有至少一个永久磁铁(7)的第一和第二磁性装置(6)；并且包括非旋转对称构成的转子(3)，所述转子包括第一和第二径向凸起(10)，所述凸起每一个仅仅在转子(3)的圆周的部分区域上延伸并且由可磁化材料组成，其特征在于，通过磁性装置(6)相对于转子(3)的径向凸起(10)的定位，在磁性装置(6)和径向凸起(10)之间这样构成成对配置，使得在一对的磁性装置(6)和径向凸起(10)之间的磁相互作用总是大于在两个不同对的磁性装置(6)和径向凸起(10)之间的磁相互作用，

其中磁性装置(6)每个包括至少两个永久磁铁(7)，所述磁铁在圆周方向互相隔开，并且两个永久磁铁(7)以逆平行定向互相并排设置，

其中转子(3)通过复位交互作用与定子(2)耦合并且因此构成可振动系统，并且所述复位交互作用具有非线性的特征曲线。

2.一种用于产生用于小型电器的振荡运动的驱动单元，包括定子(2)，所述定子具有至少一个线圈(5)和各自带有至少一个永久磁铁(7)的第一和第二磁性装置(6)；并且包括非旋转对称构成的转子(3)，所述转子包括第一和第二径向凸起(10)，所述凸起每一个仅仅在转子(3)的圆周的部分区域上延伸并且由可磁化材料组成，其特征在于，通过磁性装置(6)相对于转子(3)的径向凸起(10)的定位，在磁性装置(6)和径向凸起(10)之间这样构成成对配置，使得在一对的磁性装置(6)和径向凸起(10)之间的磁相互作用总是大于在两个不同对的磁性装置(6)和径向凸起(10)之间的磁相互作用，

其中磁性装置(6)每个包括永久磁铁(7)，所述永久磁铁具有至少两个互相逆平行磁化的区域和在两个磁化区域之间的磁隙，

其中转子(3)通过复位交互作用与定子(2)耦合并且因此构成可振动系统，并且所述复位交互作用具有非线性的特征曲线。

3.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中每个径向凸起(10)各自具有一个径向端面(11)，并且每个磁性装置(6)仅仅设置在径向凸起(10)中一个的径向端面(11)的附近。

4.如权利要求3所述的驱动单元，其中径向凸起(10)每一个在限制径向端面(11)的区域中沿圆周方向具有至少一个相同的延伸。

5.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中径向凸起(10)直径上正相对地设置在转子(3)上。

6.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中径向凸起(10)在静止位置中平行于至少一个线圈(5)的轴线定向。

7.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中磁性装置(6)的永久磁铁(7)设置在由可磁化材料制成的载板(13)上，其中每个磁性装置(6)设有一个载板(13)。

8.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中复位交互作用以这样的方式构成，使得在加载情况下，可振动系统的谐振频率向激励可振动系统的激励频率转换。

9.如权利要求8所述的驱动单元，其中激励频率大于谐振频率。

10.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中复位交互作用的特性曲线可受到径向凸起(10)的结构和/或磁性装置(6)的影响。

11.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中转子(3)通过扭杆(12)与定子(2)耦合，其中扭杆(12)的至少部分区域设置在转子(3)的中空构成的轴(8)内部。

12.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中转子(3)通过螺旋弹簧(15)或者盘簧与定子(2)耦合。

13.如权利要求1或2所述的驱动单元，其中设有具有两个外壳部分(14)的外壳(4)，所述外壳部分沿圆周方向在磁性装置(6)的区域中重叠。

14.小型电器，其特征在于，它具有如前述权利要求中任一项所述的驱动单元(1)。

15.如权利要求14所述的小型电器，其中它构成为电动牙刷或者电动剃须刀。

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