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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor für ein elektrisches Kleingerät. Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf ein elektrisches Kleingerät mit einem
derartigen Elektromotor und auf ein Verfahren zum Betreiben eines
Elektromotors.
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Elektromotoren
für elektrische
Kleingeräte sind
bereits in vielfältiger
Ausführung
bekannt. So offenbart die
DE
1 151 307 A einen Schwingankerantrieb für Trockenrasiergeräte mit hin- und hergehender
Arbeitsbewegung eines Schermessers, der einen mit dem Gehäuse des
Rasiergeräts
fest verbundenen und U-förmig
ausgebildeten Elektromagneten aufweist. In der Nähe der Pole des Elektromagneten sind
ein Arbeitsanker und beiderseits des Arbeitsankers je ein Ausgleichsanker
schwingfähig
angeordnet. Im Betriebszustand schwingt der Arbeitsanker, der ein
Schermesser antreibt, parallel zu den Polflächen des Elektromagneten, wobei
die Ausgleichsanker eine dazu gegenphasige Schwingbewegung ausführen, um
eine Übertragung
der Schwingungen des Arbeitsankers auf das Gehäuse des Rasiergeräts möglichst
zu verhindern.
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Weiterhin
ist aus der
US 5 632 087 ein
Trockenrasierer mit einem Linearmotor bekannt. Der Linearmotor weist
eine Statorspule und mehrere mit Dauermagneten bestückte Läufer auf,
die durch die Statorspule in lineare Schwingungsbewegungen versetzt
werden. Die Auslenkungen der Läufer
werden mit Hilfe von den Läufern
zugeordneten Detektoren erfaßt
und in Form eines Mittelwerts weiterverarbeitet. Dabei wird die
Stromversorgung der Statorspule abhängig von dem Mittelwert so
gesteuert, daß die Schwingungsamplituden
sämtlicher
Läufer
möglichst konstant
gehalten werden. Die Detektoren bestehen jeweils aus einem am jeweiligen
Läufer
angeordneten Dauermagneten und einer ortsfest montierten Sensorspule,
in der durch Einwirkung des Dauermagneten eine von der Geschwindigkeit
des jeweiligen Läufers
abhängige
Induktionsspannung generiert wird.
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Aus
der
EP 1 193 844 A1 ist
ein linearer Oszillator bekannt, bei dem in einem als ein Stator
ausgebildeten Gehäuse
ein Läufer
angeordnet ist, der eine hin- und hergehende Bewegung ausführt. In dem
Gehäuse
ist weiterhin eine Spindel zur Steuerung der Schwingungsamplitude
des Läufers
beweglich angeordnet. Der Läufer
und die Spindel sind mittels Federn untereinander und mit dem Gehäuse gekoppelt.
Die Kopplung des Läufers
mit dem Gehäuse kann
insbesondere mittels einer Schraubenfeder erfolgen, wobei ein Ende
der Schraubenfeder am Gehäuse
und das andere Ende am Läufer
befestigt ist. Bei dieser Anordnung übt die Feder beim Stauchen und
Strecken nicht nur eine Kraft in Axialrichtung aus, sondern ver dreht
den Läufer
jeweils geringfügig,
so daß eine
oszillierende Drehbewegung entsteht, insbesondere, wenn die Anregung
mit der Resonanzfrequenz der oszillierenden Drehbewegung erfolgt.
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Mit
den bekannten Anordnungen werden zunächst ausschließlich lineare
Schwingungsbewegungen erzeugt. Gemäß der
EP 1 193 844 A1 besteht dabei
zusätzlich
die Möglichkeit,
aus der linearen Schwingungsbewegung mittels einer Feder zusätzlich eine
oszillierende Drehbewegung zu erzeugen. Allerdings ist die so erzeugte
oszillierende Drehbewegung mit der linearen Schwingungsbewegung
gekoppelt und setzt zwingend voraus, daß die lineare Schwingungsbewegung
angeregt wird. Außerdem weist
die oszillierende Drehbewegung stets die gleiche Frequenz wie die
lineare Schwingungsbewegung auf, so daß die Variationsmöglichkeiten
sehr begrenzt sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor für ein elektrisches
Kleingerät
möglichst
optimal auszubilden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
für ein elektrisches
Kleingerät
weist wenigstens eine schwingungsfähige Motorkomponente und eine
Magnetanordnung mit wenigstens einem Permanentmagneten auf. Weiterhin
weist der erfindungsgemäße Elektromotor
eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds auf, das in Wechselwirkung
mit der Magnetanordnung eine Kraft zur Anregung einer linearen Schwingungsbewegung
erzeugt. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Elektromotors besteht darin,
daß bei
der Wechselwirkung des von der Spule erzeugten Magnetfelds und der
Magnetanordnung zusätzlich
ein Drehmoment zur Anregung einer rotatorischen Schwingungsbewegung
erzeugt wird. Jede der Bewegungen kann auch isoliert von den anderen Bewegungen
einzeln separat erzeugt werden.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, daß vom
gleichen Motor sowohl eine lineare als auch eine rotatorische Schwingungsbewegung
erzeugt wird und dazu kein Getriebe erforderlich ist. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, daß der
erfindungsgemäße Elektromotor
sehr einfach aufgebaut ist. Zudem ist es von Vorteil, daß vergleichsweise
hohe Schwingungsfrequenzen erreichbar sind, nur geringe Gehäusevibrationen
entstehen und ein sehr leiser Betrieb möglich ist.
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Die
lineare Schwingungsbewegung ist vorzugsweise parallel und/oder senkrecht
zur Drehachse der rotatorischen Schwingungsbewegung orientiert.
Für ein
derartiges Bewegungsmuster gibt es eine große Zahl von Anwendungsfällen.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
kann so ausgebildet sein, daß dieselbe
Motorkomponente mehrere unterschiedliche Schwingungsbewegungen ausführt. Ebenso
ist es auch möglich,
daß mehrere Motorkomponenten
je wenigstens eine Schwingungsbewegung ausführen. Dabei können die
Motorkomponenten insbesondere unterschiedliche Schwingungsbewegungen
ausführen.
Beispielsweise kann eine Motorkomponente eine lineare Schwingungsbewegung
und eine weitere Motorkomponente eine rotatorische Schwingungsbewegung
ausführen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird von je einem Satz von Permanentmagneten je eine Art
von Schwingungsbewegungen angeregt. Dabei können mehrere Funktionssegmente
axial nebeneinander angeordnet sein, wobei jedes Funktionssegment
je einen Satz von Permanentmagneten aufweist. Beispielsweise kann
wenigstens ein in einem axialen Endbereich angeordnetes äußeres Funktionssegment
mit einem Satz von Permanentmagneten zur Anregung einer linearen
Schwingungsbewegung vorgesehen sein. Weiterhin kann wenigstens ein
axial zwischen zwei äußeren Funktionssegmenten
angeordnetes inneres Funktionssegment mit einem Satz von Permanentmagneten
zur Anregung einer rotatorischen Schwingungsbewegung vorgesehen
sein.
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Als
schwingungsfähige
Motorkomponenten können
zum Beispiel ein Läufer
und ein Stator vorgesehen sein. In diesem Fall ist der Stator nicht
ortsfest angeordnet, sondern ebenso wie der Läufer beweglich aufgehängt. Die
schwingungsfähigen
Motorkomponenten können
zueinander gegenphasige Schwingungsbewegungen ausführen. Durch
den so erzielten Kompensationseffekt können die Gehäuseschwingungen
sehr gering gehalten werden. Ebenso kann auch wenigstens eine Ausgleichsmasse
vorgesehen sein, die über
wenigstens ein elastisches Element mit einer schwingungsfähigen Motorkomponente
gekoppelt ist. In diesem Fall kann eine Unterdrückung von Gehäuseschwingungen
dadurch erreicht werden, daß die
Ausgleichsmasse gegenphasig zur zugehörigen schwingungsfähigen Motorkomponente schwingt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere schwingungsfähige Motorkomponenten
mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen vorgesehen sind. Dadurch
wird eine individuelle Steuerung der einzelnen schwingungsfähigen Motorkomponenten
ermöglicht,
obwohl nur eine einzige Spule für
die Anregung der schwingungsfähigen
Motorkomponenten vorhanden ist. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn
die Bewegung wenigstens einer schwingungsfähigen Motorkomponente über ein
elastisches Element abgreifbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine Übersetzung oder
Untersetzung der Schwingungsbewegung ohne ein mechanisches Getriebe
zu realisieren.
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Um
das von der Spule erzeugte Magnetfeld möglichst optimal mit der Magnetanordnung
in Wechselwirkung zu bringen kann wenigstens partiell innerhalb
der Spule ein magnetisierbares Material zur jeweils temporären Magnetisierung
durch das Magnetfeld der Spule angeordnet sein.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Kleingerät, das mit
dem erfindungsgemäßen Elektromotor
ausgerüstet
ist. Das erfindungsgemäße Kleingerät kann beispielsweise
als eine elektrische Zahnbürste
oder als ein elektrischer Rasierapparat ausgebildet sein.
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Außerdem bezieht
sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors
mit wenigstens einer schwingungsfähigen Motorkomponente, einer
Magnetanordnung, die wenigstens einen Permanentmagneten aufweist,
und einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds, das in Wechselwirkung
mit der Magnetanordnung eine Kraft zur Anregung einer linearen Schwingungsbewegung
erzeugt. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß durch
die Wechselwirkung des von der Spule erzeugten Magnetfelds mit der Magnetanordnung
zusätzlich
ein Drehmoment zur Anregung einer rotatorischen Schwingungsbewegung
erzeugt wird.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
die schwingungsfähigen
Motorkomponenten zu Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen und/oder
unterschiedlicher Amplituden angeregt werden, so daß ein großes Spektrum
von Bewegungszuständen
erzeugbar ist.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert, die
sich insbesondere auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Elektromotors
bei einer elektrischen Zahnbürste
beziehen.
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Es
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Elektromotors
in einer Prinzipdarstellung,
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2 das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors in
einer schematischen Schnittdarstellung, wobei der Schnitt durch
eines der inneren Segmente des Stators verläuft,
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3 das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors in
einer schematischen Schnittdarstellung, wobei der Schnitt durch
eines der äußeren Segmente
des Stators verläuft,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Elektromotors
in einer schematischen Schnittdarstellung,
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5 eine
schematische Darstellung einer möglichen
Ausbildung des Feder-Masse-Systems
für das
in den 1, 2 und 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Elektromotors,
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6 eine
schematische Darstellung einer Abwandlung des Feder-Masse-Systems,
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7 eine
schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung des Feder-Masse-Systems,
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8 eine
schematische Darstellung einer nochmaligen Abwandlung des Feder-Masse-Systems,
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9 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für das Feder-Masse-System,
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10 eine
schematische Darstellung eines nochmals andersartigen Ausführungsbeispiels
für das
Feder-Masse-System und
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11 ein
weiteres Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Elektromotors
in einer Prinzipdarstellung. Der Elektromotor weist einen Stator 1 und einen
relativ zum Stator 1 verdrehbaren und parallel zur Drehachse
verschiebbaren Läufer 2 auf.
Der Stator 1 ist aus einem Stapel von Weicheisenblechen 3 zusammengesetzt,
durch die vier axial nebeneinander angeordnete Segmente 4 ausgebildet
werden. Jedes Segment 4 verfügt über einen Satz von mehreren über den
Umfang des Stators 1 verteilte Permanentmagneten 5,
die zusammen eine Magnetanordnung 6 des Stators 1 ausbilden.
Der Läufer 2 weist
einen auf einer Welle 7 angeordneten Eisenkern 8 mit
einer Spule 9 auf und kann sowohl lineare als auch rotatorische
Schwingungsbewegungen relativ zum Stator 1 ausführen. Zur
Anregung dieser Schwingungsbewegungen wird der Spule 9 ein Stromsignal
zugeführt.
Durch den Stromfluß durch die
Spule 9 wird insbesondere im Bereich des Eisenkerns 8 ein
Magnetfeld ausgebildet und der Eisenkern 8 dadurch temporär magnetisiert.
Aus der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem magnetisierten
Eisenkern 8 und den Permanentmagneten 5 resultieren
Kräfte
und Drehmomente, deren Richtungen von der Anordnung der Permanentmagnete 5 relativ
zum magnetisierten Eisenkern 8 abhängen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird durch die Wechselwirkung zwischen dem magnetisierten Eisenkern 8 und
den Permanentmagneten 5 der beiden inneren Segmente 4 des
Stators 1 jeweils ein Drehmoment in gleicher Richtung erzeugt
und durch die Wechselwirkung zwischen dem magnetisierten Eisenkern 8 und
den Permanentmagneten 5 der beiden äußeren Segmente 4 jeweils
eine Kraft in Axialrichtung. Durch die Einwirkung dieser Drehmomente und
Kräfte
wird der Läufer 2 sowohl
rotatorisch als auch in Axialrichtung angetrieben. Einzelheiten
zur Erzeugung dieser Antriebsbewegungen werden anhand der 2 und 3 erläutert.
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2 zeigt
das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors in
einer schematischen Schnittdarstellung, wobei der Schnitt durch
eines der inneren Segmente 4 des Stators 1 verläuft. Aus 2 geht
hervor, daß der
Eisenkern 8 zwei radiale Fortsätze 10 aufweist, die
einander diametral gegenüberliegen
und in deren Bereich durch die temporäre Magnetisierung des Eisenkerns 8 Magnetpole
ausgebildet werden. Den radialen Fortsätzen 10 des Eisenkerns 8 radial
benachbart sind die an den inneren Segmenten 4 des Stators 1 befestigten
Permanentmagnete 5 angeordnet. Dabei sind je zwei Permanentmagnete 5 mit
umgekehrter Polung in Umfangsrichtung nebeneinander positioniert. Die
Positionierung der Permanentmagnete 5 relativ zum benachbarten
radialen Fortsatz 10 des Eisenkerns 8 ist für beide
radiale Fortsätze 10 identisch,
so daß die
Permanentmagnete 5 bezüglich
der zwischen den beiden radialen Fortsätzen 10 verlaufenden
Mittelebene spiegelbildlich angeordnet sind.
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Bezüglich der
Ausbildung des Magnetfelds der Spule 9 und damit der Magnetisierung
des Eisenkerns 8 sowie bezüglich der Drehposition des
Läufers 2 relativ
zum Stator 1 stellt 2 eine Momentaufnahme
dar. Zu dem dargestellten Zeitpunkt wird durch die anziehende Wirkung
zwischen den ungleichnamigen Polen der Permanentmagnete 5 und des
magnetisierten Eisenkerns 8 sowie durch die abstoßende Wirkung
zwischen den gleichnamigen Polen ein resultierendes Drehmoment ausgebildet,
das den Läufer 2 relativ
zum Stator 1 entgegen dem Uhrzeigersinn antreibt. Bei einer
Umkehrung des Stromflusses durch die Spule 9 wird das Magnetfeld
der Spule 9 und damit auch die Magnetisierung des Eisenkerns 8 umgepolt
und dadurch ein resultierendes Drehmoment in entgegengesetzter Richtung
erzeugt, das den Läufer 2 relativ
zum Stator 1 im Uhrzeigersinn antreibt. Bei einer fortwährenden
Umkehrung des Stromflusses durch die Spule 9 wird auch
die Drehrichtung des Läufers 2 fortwährend umgekehrt, so
daß der
Läufer 2 eine
rotatorische Schwingungsbewegung relativ zum Stator 1 ausführt. Aus 1 geht
hervor, daß die
axial benachbarten Permanentmagnete 5 der beiden inneren
Segmente 4 des Stators 1 gleichsinnig orientiert
sind. Da zudem die Magnetisierung des Eisenkerns 8 im Bereich
der beiden inneren Segmente 4 des Stators 1 axial
nicht nennenswert variiert, wird durch die Wechselwirkung des magnetisierten
Eisenkerns 8 mit den Permanentmagneten 5 der beiden
inneren Segmente 4 keine Kraft in Axialrichtung erzeugt.
Dies bedeutet, daß die
in den 1 und 2 dargestellte Anordnung der Permanentmagnete 5 der
beiden inneren Segmente 4 des Stators 1 eine gezielte
rotatorische Anregung des Läufers 2 ermöglichet.
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3 zeigt
das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors in
einer schematischen Schnittdarstellung, wobei der Schnitt durch
eines der äußeren Segmente 4 des Stators 1 verläuft. Die
Darstellung bezieht sich auf denselben Zeitpunkt wie in 2.
Im Gegensatz zu den inneren Segmenten 4 des Stators 1 sind
in den beiden äußeren Segmenten 4 im
Bereich der radialen Fortsätze 10 des
Eisenkerns 8 je zwei Permanentmagnete 5 mit gleicher
Polung in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet. Dies
hat zur Folge, daß aus
der Wechselwirkung zwischen dem magnetisierten Eisenkern 8 und
den Permanentmagneten 5 der beiden äußeren Segmente 4 des
Stators 1 kein Drehmoment resultiert. Weiterhin sind die
Permanentmagnete 5 in diametral gegenüberliegenden Umfangsbereichen
entgegengesetzt gepolt, so daß sich
die auf den Läufer 2 wirkenden Radialkräfte jeweils
aufheben. Wie aus 1 hervorgeht sind die einander
entsprechenden Permanentmagnete 5 der beiden äußeren Segmente 4 des
Stators 1 jeweils relativ zueinander entgegengesetzt gepolt.
Dies führt
zu dem in 1 dargestellten Zeitpunkt zu
einer anziehenden Wirkung zwischen dem magnetisierten Eisenkern 8 und
den Permanentmagneten 5 des linken Segments 4 und
zu einer abstoßenden
Wirkung zwischen dem magnetisierten Eisenkern 8 und den
Permanentmagneten 5 des rechten Segments 4. Die
damit einhergehenden Axialkräfte
erzeugen eine nach links gerichtete Axialbewegung des Läufers 2 relativ
zum Stator 1. Eine Umkehr des Stromflusses durch die Spule 9 führt zu einer
Umpolung des magnetisierten Eisenkerns 8 und damit zu einer
Umkehr der Bewe gungsrichtung des Läufers 2. Die beiden äußeren Segmente 4 des
Stators 1 ermöglichen
somit eine gezielte Anregung einer axialen Schwingungsbewegung.
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Neben
der axialen Schwingungsbewegung kann auch eine radiale Schwingungsbewegung
des Läufers 2 erzeugt
werden. Hierfür
ist eine wiederum andersartige Anordnung der Permanentmagnete 5 erforderlich.
Ein Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung der Permanentmagnete 5 zur Erzeugung einer radialen
Schwingungsbewegung ist in 4 dargestellt.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Elektromotors
in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Schnitt verläuft dabei
durch ein Segment 4 des Stators 1, das der Erzeugung
einer radialen Schwingungsbewegung dient. Derart ausgebildete Segmente 4 können beispielsweise
die äußeren Segmente 4 des
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ersetzen, so
daß der
Elektromotor eine rotatorische Schwingungsbewegung und eine lineare
Schwingungsbewegung in Radialrichtung erzeugen kann. Ebenso ist
es auch möglich,
eines oder mehrere dieser Segmente 4 an das in 1 dargestellte
Ausführungsbeispiel
des Elektromotors anzufügen.
Ein derart ausgebildeter Elektromotor könnte dann eine rotatorische
Schwingungsbewegung sowie je eine lineare Schwingungsbewegung in
Axialrichtung und in Radialrichtung erzeugen.
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Das
in 4 dargestellte Segment 4 des Stators 1 zeichnet
sich dadurch aus, daß die
Permanentmagnete 5 im Bereich der radialen Fortsätze 10 des
Eisenkerns 8 mit entgegengesetzter Polung in Umfangsrichtung
benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die Polung der Permanentmagnete 5 bei beiden
radialen Fortsätzen 10 entgegengesetzt
zueinander ausgebildet ist. Da die beiden radialen Fortsätze 10 des
Eisenkerns 8 zudem entgegengesetzte Magnetpole darstellen,
werden durch die Permanentmagnete 5 auf beide radiale Fortsätze 10 magnetische
Kräfte
in die gleiche Richtung ausgeübt.
Die resultierende Kraft hat eine Bewegung des Läufers 2 in Radialrichtung
zur Folge. Zu dem in 4 dargestellten Zeitpunkt ist
diese Bewegung vertikal nach unten gerichtet. Bei einer Änderung
der Richtung des Stromflusses durch die Spule 9 wird auch
die Bewegungsrichtung umgekehrt und erfolgt bei der in 4 gewählten Darstellung
vertikal nach oben.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
kann Schwingungsbewegungen in mehreren Richtungen ausführen. Wie
vorstehend beschrieben, ist es hierzu erforderlich die jeweils erwünschten
Schwingungsbewegungen entsprechend anzuregen. Außerdem muß ein schwingungsfähiges System
vorliegen. Der erfindungsgemäße Elektromotor
ist daher als ein Fe der-Masse-System ausgebildet, das auf die gewünschten
Schwingungsbewegungen abgestimmtist. Dies wird im folgenden anhand
der 5 bis 10 näher erläutert.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer möglichen Ausbildung des Feder-Masse-Systems für das in
den 1, 2 und 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Elektromotors.
Der Läufer 2 stellt
eine schwingungsfähige
Masse dar, die über
eine Feder 11 mit einem Gehäuse 12 gekoppelt ist,
an dem der Stator 1 befestigt ist. Die Feder 11 ist
beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet und wirkt sowohl als
lineares Federelement als auch als Torsionsfederelement. Der Läufer 2 kann
somit sowohl eine lineare Schwingungsbewegung in Axialrichtung als
auch eine rotatorische Schwingungsbewegung ausführen, wobei die Resonanzfrequenz
der jeweiligen Schwingungsart von der Masse des Läufers 2 und
der linearen Federkonstante der Feder 11 bzw. vom Trägheitsmoment
des Läufers 2 und
der rotatorischen Federkonstante der Feder 11 abhängt. Die
Dimensionierung erfolgt dabei so, daß die Resonanzfrequenzen für die beiden
Schwingungsarten des Läufers 2 unterschiedlich
sind. Dadurch ist es möglich,
die beiden Schwingungsarten individuell zu steuern. Hierzu kann
der Spule 9 beispielsweise ein Stromsignal zugeführt werden,
dessen Frequenz zwischen den Resonanzfrequenzen für die beiden
Schwingungsarten liegt, um beide Schwingungsarten anzuregen. Ebenso
kann auch nur im wesentlichen eine Schwingungsart angeregt werden,
wenn die Frequenz des Stromsignals mit der Resonanzfrequenz für diese Schwingungsart übereinstimmt.
Weiterhin ist es auch möglich,
die beiden Schwingungsarten mit unterschiedlichen Frequenzen anzuregen,
indem man der Spule 9 ein Stromsignal mit mehreren Frequenzanteilen
zuführt,
die jeweils einer Resonanzfrequenz entsprechen. Über eine Gewichtung der einzelnen Frequenzanteile
können
die Schwingungsarten unterschiedlich stark angeregt werden. Die
separate Anregung der einzelnen Schwingungsarten wird bei der Verwendung
einer gemeinsamen Feder 11 für beide Schwingungsarten zwar
geringfügig
gestört,
da es durch die Feder 11 in einem geringen Maß zu einer
Umwandlung der linearen Schwingungsbewegung in eine rotatorische
Schwingungsbewegung und umgekehrt kommt. Der wesentliche Beitrag
zur Erzeugung der linearen Schwingungsbewegung und der rotatorischen
Schwingungsbewegung wird im Rahmen der Erfindung allerdings durch
die bei den 1, 2 und 3 beschriebene
magnetische Wechselwirkung zwischen dem magnetisierten Eisenkern 8 des
Läufers 2 und
den Permanentmagneten 5 des jeweiligen Segments 4 des
Stators 1 geleistet.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung einer Abwandlung des Feder-Masse-Systems.
Verglichen mit der in 5 dargestellten Ausbildung des Feder-Masse-Systems
sind zusätzlich
eine Ausgleichsmasse 13 und eine Feder 14 vorhanden,
die miteinander verbunden und zwischen der Feder 11 und
dem Gehäuse 12 angeordnet
sind. Die Ausgleichsmasse 13 dient dazu, Vibrationen des
Gehäuses 12 zu
reduzieren und schwingt gegenphasig zum Läufer 2. Die Feder 14 wird
deutlich schwächer
ausgelegt als die Feder 11, um eine Übertragung der Schwingungsbewegungen
auf das Gehäuse 12 möglichst
gering zu halten. Optional kann eine dritte Feder zwischen Welle 7 und
Gehäuse 1 eingefügt werden.
Bei entsprechender Auslegung der Federn wird dann bei entgegengesetzten
Schwingungen von Welle 7 und Masse 13 keine Vibration
auf das Gehäuse übertragen.
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7 zeigt
eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung des Feder-Masse-Systems. Bei dieser
Ausbildung des Feder-Masse-Systems ist die Welle 7 axial
geteilt, wobei die beiden Teile der Welle 7 durch die Feder 11 gekoppelt
sind. Auf dem in der Darstellung der 7 links
abgebildeten Teil der Welle 7, der eine figürlich nicht
dargestellte Aufsteckzahnbürste
aufnimmt, ist die Ausgleichsmasse 13 angeordnet. Der andere
Teil der Welle 7 ist Bestandteil des Läufers 2 und über die
Feder 14 am Gehäuse 12 aufgehängt. Die
beiden Teile der Welle 7 führen einander gegenphasige
lineare und rotatorische Schwingungen aus. Dabei verhalten sich
die Schwingungsamplituden der beiden Teile der Welle 7 zueinander
umgekehrt wie die jeweils zugehörigen Massen
bzw. Trägheitsmomente.
Somit läßt sich
auf diese Weise eine Unter- bzw. Übersetzung der mit dem erfindungsgemäßen Elektromotor
erzeugten Antriebsbewegung ohne mechanisches Getriebe realisieren.
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8 zeigt
eine schematische Darstellung einer nochmaligen Abwandlung des Feder-Masse-Systems. Die
Besonderheit dieser Abwandlung besteht darin, daß der Stator 1 nicht
fest mit dem Gehäuse 12 verbunden
ist, sondern über
die Feder 14 elastisch am Gehäuse 12 aufgehängt und
somit beweglich ist. Über
die Feder 11 sind der Stator 1 und der Läufer 2 miteinander
gekoppelt. Diese Geometrie hat zur Folge, daß der Stator 1 gegenphasig
zum Läufer 2 schwingt
und dadurch das Entstehen von Gehäusevibrationen auch ohne Ausgleichmasse 13 weitgehend
unterdrückt
werden kann. Weiterhin besteht prinzipiell die Möglichkeit, die Bewegung des Stators 1 zu
Antriebszwecken zu nutzen. Insbesondere ist es auch möglich, die
vom erfindungsgemäßen Elektromotor
ausgeführten
Schwingungsarten in unterschiedlicher Weise auf den Stator 1 und
den Läufer 2 aufzuteilen.
Dies wird beispielhaft anhand der 9 und 10 erläutert.
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9 zeigt
eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
für das
Feder-Masse-System. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt der
Läufer 2 eine
rotatorische Schwingungsbewegung und je nach Einspannung der Welle 7 auch eine
lineare Schwingungsbewegung in Axialrichtung aus. Der Stator 1 führt eine
lineare Schwingungsbewegung in Axialrichtung aus. Um diese Schwingungsbewegungen
zu ermöglichen,
ist der Stator 1 mit mehreren Federn 15 am Gehäuse 12 aufgehängt, das
in 9 lediglich jeweils im Bereich der Aufhängungspunkte
symbolisch angedeutet ist. Dadurch, daß mehrere Federn 15 eingesetzt
werden, wird eine nennenswerte rotatorische Auslenkung des Stators 1 verhindert.
Eine lineare Schwingungsbewegung des Stators 1 in Axialrichtung
unterstützen
die Federn 15 hingegen. Die Welle 7 des Läufers 2 ist über die
Feder 11 am Gehäuse 12 aufgehängt, die
so ausgebildet sein kann, daß sie
sowohl rotatorische als auch lineare Schwingungsbewegungen in Axialrichtung
unterstützt.
In einer Weiterbildung ist die Welle 7 in Axialrichtung
eingespannt, so daß keine
axiale Schwingungsbewegung des Läufers 2 möglich ist.
In diesem Fall führt
der Läufer 2 ausschließlich eine
rotatorische Schwingungsbewegung aus, so daß am Läufer 2 eine rotatorische
und am Stator 1 eine lineare Schwingungsbewegung in Axialrichtung
abgegriffen werden kann. Das in 9 dargestellte
Ausführungsbeispiel
des Feder-Masse-Systems kann auch so ausgebildet sein, daß die Federn 11 und/oder 15 jeweils
nicht am Gehäuse 12,
sondern an einer beweglichen Ausgleichsmasse 13 fixiert
sind.
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10 zeigt
eine schematische Darstellung eines nochmals andersartigen Ausführungsbeispiels für das Feder-Masse-System.
Der Läufer 2 führt bei diesem
Ausführungsbeispiel
eine rotatorische Schwingungsbewegung aus. Wenn die Welle 7 des Läufers 2 nicht
radial eingespannt ist, führt
der Läufer 2 zusätzlich eine
lineare Schwingungsbewegung in Radialrichtung aus. Über die
Feder 11, die zumindest rotatorische Schwingungsbewegungen
unterstützt, ist
der Läufer 2 elastisch
am Gehäuse 12 aufgehängt. Der
Stator 1 ist über
die Federn 15, die eine Drehbewegung des Stators 1 weitgehend
verhindern, in Radialrichtung elastisch am Gehäuse 12 aufgehängt. Das
Feder-Masse-System gemäß 10 kann
mit Segmenten 4 des Stators 1 für eine rotatorische
Anregung und eine lineare Anregung in Radialrichtung betrieben werden.
Bei radial eingespannter Welle 7 steht dann an der Welle 7 eine
rotatorische Schwingungsbewegung und am Stator 1 eine lineare Schwingungsbewegung
in Radialrichtung zum Antreiben des Elektrogeräts bereit.
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Alternativ
zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können die
Permanentmagnete 5 beispielsweise auch Bestandteile des
Läufers 2 und
die Spule 9 ein Bestandteil des Stators 1 sein. Ein
solches Beispiel ist in 11 dargestellt.
Der Aufbau kann grundsätzlich
dem von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren entsprechen.
Der Unterschied besteht in der Anordnung des bzw. der Magneten.
Es kann sich dabei um mehrere Permanentmagnete 5 handeln – wie in 11 angedeutet – oder es
kann ein einziger Magnet entsprechend "schräg" magnetisiert werden.
Alternativ können
bei Verwendung eines üblichen
gerade magnetisierten Magneten die Ankerbleche schräg gestellt
werden. Ebenso ist es auch möglich,
die Permanentmagnete 5 und die Spule 9 gemeinsam
am Stator 1 oder am Läufer 2 anzuordnen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit,
die Spule 9 jeweils aus mehreren Einzelspulen zusammenzuschalten,
die gemeinsam angesteuert werden. Mehrere elektrisch miteinander
verbundene Einzelspulen werden im Rahmen der Erfindung als eine
gemeinsame Spule 9 behandelt.
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Die
in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Elektromotors sind
primär
für den
Einsatz bei einer elektrischen Zahnbürste vorgesehen, wobei durch
die unterschiedlichen Schwingungsarten verschiedene Putzbewegungen
realisiert werden können.
Der erfindungsgemäße Elektromotor
eignet sich jedoch auch für
den Einsatz bei anderen elektrischen Kleingeräten, insbesondere bei einem
elektrischen Rasierapparat. Abhängig
von der vorgesehenen Anwendung kann der Aufbau des erfindungsgemäßen Elektromotors
variieren.