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Wechselstrom-Kleinmotor, insbesondere zum Antrieb einer Zahn-
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bürste Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstrom-Kleinmotor
mit pendelndem Läufer, insbesondere zum oszillierenden Antrieb einer an der Läuferwelle
befestigten Zahnbürste, und mit feststehender Spule.
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Ein derartiger Wechselstrommotor ist bekannt (DE-PS 1 119 819).
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Dieser Wechselstrommotor ist in einem gehäuseartigen Handgriff gelagert
und weist einen mit der Frequenz der speisenden Spannung schwingenden Läufer auf,
welcher an einer Welle befestigt ist, auf die eine auswechselbare Steckzahnbtlrste
aufsetzbar ist. Beim Anschluss des Wechselstrommotors an das Wechselstromnetz schwingt
die Steckzahnbürste mit der Netzfrequenz um die Bürstenachse.
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Der Schwinganker dieses bekannten Wechselstrommotors ist in Form
eines Schenkelpolrotors ausgebildet, der einen Dauermagneten mit Weicheisenpolschuhen
aufweist und von einer Rückstellfeder in seiner Ruhelage gehalten wird. Der Ständer
weist zwei die Pole bildende, in wicklungslose Polschäfte auf, die/Längsrichtung
des des Gehäuses orientiert sind und diametral einander gegenüberliegen; die Polschäfte
haben über den Bereich des Schwingankers hinaus in Richtung auf das rnckwärtige
Gehäuseende verlängerte Schenkel, die durch ein Querjoch verbunden sind, welches
die Ständerwicklung trägt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines
Wechselstrom-Kleinmotor 5 gegenüber bekannten Wechselstrommotoren mit oszillierendem
Läufer derart zu verbessern, dass entweder das etwa gleiche Drehmoment bei verringerter
Leistungsaufnahme oder aber ein höheres Drehmoment bei ungefähr gleicher Leistungsaufnahme
erzielbar ist, und darüber hinaus den Aufbau des Motors besonders kompakt und einfach
zu gestalten. Der höhere Wirkungsgrad erlaubt
es insbesondere, den
Motor mit Niederspannung, also beispielsweise mit 20 V, zu betreiben, was gerade
bei elektrischen Zahnbürsten oder auch Massagegeräten aus Sicherheitsgründen besonders
vorteilhaft ist.
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Ein solches Handgerat kann dann vorzugsweise über einen Transfbrmator
aus dem Netz gespeist werden und braucht hinsichtlich seiner elektrischen Isolation
keinerlei strenge Vorschriften zu erfüllen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist der Wechselstrom-Kleinmotor nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer aus einem hülsenförmigen Gehäuse aus magnetisierbarem
Material und aus wenigstens einem Paar von an seinem Innenumfang angebrachten, im
wesentlichen radial oder diametral magnetisierten Dauermagneten besteht, dass die
Spule innerhalb des Ständers und koaxial zu diesem angeordnet und von der Läuferwelle
durchsetzt ist und dass der Läufer wenigstens ein Paar von achsenparallel zur Läuferwelle
orientierten, vorzugsweise zylindrisch gekrümmten Polschäften aufweist, welche mit
Spiel in den Ringraum zwischen Ständer und Spule eingreifen und von denen der eine
bzw.
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der andere Polschaft mittels eines ersten bzw. eines zweiten Flansches
an dem aus der einen bzw. aus der anderen Spulenseite herausragenden Bereich der
Läuferwelle befestigt ist, wobei ausser den Polschäften auch die erwähnten Flansche
und die Läufer welle wenigstens im Bereich der Spule aus magnetisierbarem Material
bestehen.
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Die dadurch erzielten technischen Vorteile bestehen darin, dass die
Dauermagneten zum Ständer gehören, die Spule innerhalb des zylindrischerbitändergehäuses
untergebracht ist und die Polschäfte, welche den Schwinganker bilden, direkt die
Spule umgeben und vollständig im Standergehäuse liegen, so dass sie vergleichsweise
kurz und, da der Läufer keine Dauermagnete trägt, auch ziemlich leicht ausgebildet
sein können. Die ganze Anordnung ist vollständig koaxial, und die Streuverluste
sind auf ein Minimum beschränkt.
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Der Aufbau kann dadurch weiter vereinfacht werden, dass der Spulenkörper
an den beiden Spulenenden direkt die Lager für die Läufer
welle
bildet. Ferner können auch mehr als zwei Pole vorgesehen sein, insbesondere kann
der Ständer vier Dauermagnete und der Läufer entsprechend vier Polschäfte aufweisen,
von denen je zwei diametral gegenuberliegen und jeweils nach Art einer Gabel mit
einem gemeinsamen Flansch an der Läuferwelle ausserhalb der einen bzw. der anderen
Spulenseite befestigt sein.
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Zur Verringerung von Wirbelströmen im Läufer kann es zweckmässig sein,
die Läuferwelle im Bereich der Spule und/oder die Polschäfte mit Langsschlitzen
zu versehen.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert, wobei lediglich die für die Erfindung wesentlichen elektrischen
Motorteile unter Fortlassung der übrigen Gehäuseausbildung dargestellt sind. Es
zeigen: Fig. 1 die perspektivische Darstellung eines ersten Ausfuhrungs -bei spiels
eines zweipoligen Wechselstrommotors in axial auseinandergezogener Anordnung der
einzelnen Teile, Fig. 2 den zusammengesetzten Schwinganker, ohne Spule, Fig, 3 den
fertig montierten Wechselstrommotor, und Fig. 4 eine perspektivische Darstellung
eines zweiten Allsfhrungsbeispiels eines vierpoligen Motors, wobei Läufer und Ständer
axiaI auseinandergezogen dargestellt sind und die Spule weggelassen wurde.
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Nach Figur 1 weist der Wechselstrommotor einen Ständer mit einem zylindrischen
Ständergehäuse I nach Art des Ständers eines Gleichstrommotors und zwei radial magnetisierte
Dauermagnete 2 und 3 auf, die diametral gegenüberliegend am Innenumfang des Gehäuses
1 bebefestigt sind. Die Lage der Pole N und S ist in Fig. 1 angedeutet. Die Dauermagnete
2 und 3, die auch im wesentlichen diametral magnetisiert sein kõnnen, sind zylindrisch
gekrümmt und erstrecken sich über einen Zentrumswinkel von je etwa 80) bis 1200,
vorzugsweise ungefähr 100°. Die feststehende Spule 4 ist koaxial innerhalb des Ständers
angeordnet und umgibt die Lauferwelle 5. Zwei an der Läuferwelle 5 befestigte und
parallel zu dieser orientierte Polschäfte 7 und 9, die zylindrisch gekrümmt sind
und diametral gegenüberliegen, greifen mit Spiel, wie in Figur 3 gezeigt, in den
freien Ringraum zwischen der Spule 4 und dem Innenumfang der Dauermagnete 2 und
3 des Ständers ein. Die Polschäfte 7 und 9 sind in Umfangsrichtung breiter als der
Abstand zwischen den Dauermagneten 2 und 3, so dass diese vorteilhafterweise auch
in der in Fig. 3 gezeigten Stellung des Läufers von diesem überlappt werden. Der
eine Polschaft 7 ist mittels eines ersten Flansches 6 (Fig. 2), an dem er beispielsweise
angeformt ist, an dem aus der einen Spulenseite herausragenden Bereich der Läuferwelle
5 befestigt (Fig. 3>, während der andere Pol schaft 9 mittels eines zweiten Flansches
8 an dem aus der anderen Spulenseite herausragenden Bereich der Läuferwelle 5 befestigt
ist. Die Flansche 6 und 8 weisen zu diesem Zwecke Befestigungsöffnungen 10 und 11
auf, durch welche die Läufer welle 5 hindurchragt.
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Die ganze Läuferanordnung, bestehend aus der Läuferwelle 5 und den
Flanschen 6 und 8 mit den Polschäften 7 und 9,ist aus magnetischem Material gefertigt,
beispielsweise aus Weichstahl, Ferrit, oder der -gleichen. Der Körper der Spule
4 bildet an beiden Spulenenden direkt die Lager 12 und 13 für die Läuferwelle 5,
was den Aufbau sehr vereurfacht. Ausserdem weist der Spulenkörper an beiden Stfrnseiten
ausserhalb des Ständers Stirnwaude 18 und 19 auf (Fig. l an denen radiale
Streben
14, 15, 16 und 17 zwecks Montage der Spule im nicht dargestellten Motorgehäuse befestigt
sind (Fig. 3). Der Aussendurchmesser des dargestellten Motors kann beispielsweise
etwa 28 mm und seine achsiale Länge etwa 38 mm betragen.
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Um gegebenenfalls Wirbelstromverluste bei Verwendung von magnetischem
massivem und elektrisch leitendetnMaterial zu verringern, können, wie gestrichelt
in Figur 1 angedeutet, in der Lãuferwelle 5 und/oder in den Polschäften 7 und 9
axiale Längsschlitze 20 bzw. 21 und 22 vorgesehen sein. Es können natürlich mehrere
Längsschlitze in jedem dieser Teile angebracht sein.
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Der beschriebene Motor arbeitet wie folgt: Die Ruhestellung des Läufers
wird durch Rückstellmittel, beispielsweise durch eine in Fig. 3 angedeutete, an
der Läuferwelle 5 angreifende Rückstellfeder 23 bestimmt und so gewählt, dass die
Mitte der Polschäfte 7 bzw. 9 gerade zwischen den Dauermagneten 2 und 3 liegt, wie
in Fig. 3 dargestellt.
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Wenn die Spule 4 nunmehr mit Wechselstrom erregt wird, hat der Läufer
das Bestreben, sich mit dem magnetischen Ständerfeld auszurichten, d. h. die Polschäfte
7 und 9 haben das Bestreben, eine Lage einzunehmen, in welcher sie sich gerade vor
den Dauermagneten 2 und 3 befinden; da die Polarität des von der Spule 4 erzeugten
Magnetfeldes periodisch wechselt, erfährt der Läufer eine oszillierende Bewegung,
im Sinne der Doppelpfeile nach Fig. 3, mit der Frequenz der speisenden Spannung.
Unter gegebenen elektrischen und magnetischen Bedingungen hãngt die Grosse des Auslenkungs-
bzw. Schwingwinkels des Läufers von der ãusseren Belastung und gegebenenfalls von
der Abstimmung des mechanischen Schwingsystems ab, also von der Masse des Läufers
und des an ihm befestigten Gegenstandes, von der Charakteristik der Rückstellfeder
und von der Dämpfung. Theoretisch kann der Schwingwinkel ohne äussere Last 1800
erreichen, für die bevorzugte Anwendung auf den Betrieb einer elektrischen Zahnbürste
jedoch begrenzt man den Schx,ingwinkel auf etwa 600 oder weniger.
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Die typische Leistungsaufnahme eines beschriebenen Wechselstrommotors
zum oszillierenden Antrieb einer Zahnbürste beträgt bei 50 oder 60 Hz beispielsweise
1, 1 bis 1, 5 W. Daher lässt sich der Wechselstrommotor nach der Erfindung ohne
weiteres mit Niederspannung, also über einen Transformator aus dem Netz, betreiben,
was gerade für Handgerate zur Körperpflege wie elektrische Zahnbürsten aus Sicherheitsgründen
vorteilhaft ist, da dann praktisch keine elektrischen Isolationsprobleme auftreten.
Auch lasst sich ohne weiteres ein gutes Drehmoment erzielen.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, auf welcher der Uebersichtlichkeit
halber die Ständer spule nicht gezeigt ist, hat das zylindrische Ständergehäuse
1 an seinem Innenumfang vier Dauermagneten 2, 3, 2a und 3a mit abwechselnder Polarität.
Entsprechend sind an der Läuferwelle 5 vier Polschäfte 7, 9, 7a, 9a derart befestigt,
dass je zwei Polschäfte 7 und 7a bzw. 9 und 9a diametral gegenüberliegen und jeweils
nach Art einer Gabel an einem gemeinsamen Flansch 6 bzw. 8 angebracht sind, wobei
wiederum der eine bzw. der andere Flansch 6 bzw. 8 beiderseits des Ständers ausserhalb
der einen bzw. anderen Spulenseite an der Läuferwelle 5 befestigt ist. Die nicht
gezeigte Spule ist genauso aufgebaut und angeordnet wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Ein vierpoliger Motor nach Fig. 4 ist zum Antrieb einer elektrischen Zahnbürste
besonders gut geeignet, weil der theoretische maximale Schwingwinkel ohne Last nur
90° beträgt.
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Da der Läufer, der keine Dauermagneten trägt, verhältnismässig leicht
ausgebildet werden kann, ist er auf Grund seiner geringen Masse besonders gut als
Schwinganker geeignet; ausserdem bieten sich auf diese Weise leichtere und bequemere
Möglichkeiten, den Wechselstr ommotor gegebenenfalls wahlweise durch kleine geeignete
Modifizierungen, ohne praktische Verringerung des Wirkungsgrades, an ein optimales
Betriebsverhalten bei Speisung mit 50 Hz oder mit 60 Hz anzupassen.
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Ausser zum bevorzugten Einbau in das griffartige Gehäuse einer elektrischen
Zahnbürste mit auswechselbaren Steckzahnbürsten ist der Wechselstrommotor nach der
Erfindung auch für andere Zwecke geeignet, beispielsweise für Massagegeräte und
für alle Anwendungen auf technischen Gebieten, bei denen eine rasche periodische
Bewegung eine Rolle spielt, wie beispielsweise bei Kleinpumpen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern lässt hinsichtlich der Ausbildung der einzelnen Teile, insbesondere
der Läuferanordnung, manigfache Varianten zu.
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Die Ausdehnungen der Polschäfte des Läufers bzw. der Dauermagnete
des Ständers brauchen nicht, wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben,
so benzessen zu sein, dass die Polschäfte in ihrer Ruhelage die beiden Enden der
benachbarten Dauermagnete überlappen, sondern sie können vielmehr auch schmaler
ausgebildet sein, so dass keine solche Ueberlappung stattfindet. Gegebenenfalls
sind auch mehr als vier Pole des Ständers und des Läufers denkbar.
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Schliesslich kann man auch darauf verzichten, den Spulenkörper für
die Lagerung der Läuferwelle zu verwenden; vielmehr können diese Wellenlager ausserhalb
des eigentlichen Motors, beispielsweise in den Gehäuseflanschen, untergebracht sein.
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