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Wechselstrom-Kleinmotor mit pendelndem Läufer, insbes onder zum
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Antrieb einer Zahnbürste 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 bekannter Wechselstrommotor (DE-PS 1 119 819) 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 Steckzahnbürste 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 Pole bildende, wicklungslose Polschäfte auf, die in Längsrichtung des
Gehäuses orientiert sind und diametral einander gegenüberliegen; die Polschäfte
haben über den Bereich des Schwingankers hinaus in Richtung auf das rückwärtige
Gehäuseende verIängerte Schenkel, die durch ein Querjoch verbunden sind, welches
die Ständerwicklung trägt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Motorwirkungsgrad gegenüber
bekannten Wechselstrommotoren mit oszillierendem Läufer derart zu verbessern, dass
entweder das ungefähr 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. Ein solches Handgerät kann dann vorzugsweise über einen Transformator 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 zylindrischen Gehäuse aus magnetisierbarem
Material und aus einem Paar von an seinem Innenumfang gegenüberliegend angebrachten,
im wesentlichen radial oder diametral magnetisierten Dauermagneten besteht, dass
der Läufer ein an der Läuferwelle befestigtes Ankerteil und zwei an diesem diametral
gegenüberliegend angeordnete Polstücke aufweist und dass die Spule mit ihrer Achse
senkrecht zur Läuferwelle und im wesentlichen senkrecht zum magnetischen Ständerfeld
zwischen den Dauermagneten orientiert ist, innerhalb des Ständergehäuses, im wesentlichen
zwischen den Dauermagneten, liegt und das Ankerteil umgibt.
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Die dadurch erzielten technischen Vorteile bestehen darin, dass die
Dauermagneten zum Ständer gehören und daher feststehen, dass die ebenfalls feststehende
Spule innerhalb des zylindrischen Ständer gehäuses untergebracht ist und das Ankerteil
des Läufers direkt auf seiner gesamten Länge umgibt und dass die im Inneren des
Ständers liegenden Läuferpols tücke verhältnismässig kurz aus gebildet sein können.
Bei dieser kompakten, im wesentlichen koaxialen Anordnung mit zwischen Itfer und
Ständergehäuse liegender Spule sind die Streuverluste auf ein Minimum beschränkt.
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Das Ankerteil des Läufers besteht vorzugsweise aus einem flachen,
plattenförmigen Teil, an dessen diametral gegenüberliegenden Rändern die beiden
Polstücke in Form von Zylindersegmenten angeordnet sind, zwischen denen mit hinreichendem
Spiel die Spulenwicklung verläuft.
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Die Spule kann einteilig sein oder aber auch aus zwei im wesentlichen
gleichen Teilspulen bestehen, wobei in den an den Ständerstirnseiten liegenden Spulenseiten
Oeffnungen bzw. sich zu Oeffnungen ergänzende Halböffnungen zum Durchtritt der Läuferwelle
vorgesehen sind.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
und an einer Varianten näher erläutert, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung
wesentlichen elektrischen Bauteile unter Fortlassung der übrigen Gehäuseanordnung
dargestellt sind. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Motors
nach der Erfindung mit einteiliger Spule in auseinandergezogener Anordnung der einzelnen
Teile, wobei das Ständergehäuse teilweise aufgeschnitten gezeigt ist, Fig. 2 den
Motor nach Fig. 1 im montierten Zustand, mit aufgeschnittenem Ständergehäuse und
aufgeschnittener Spule, Fig. 3 den zusammengesetzten Läufer, und Fig. 4 die perspektivische
Ansicht zweier getrennt dargestellter Teilspulen, zum Teil im Schnitt, der Spulenanordnung
einer Motorvarianten, die sonst genauso aufgebaut ist wie im Beispiel nach den Fig.
1 und 2, in vergrössertem Massstab.
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Nach den Fig. 1 und 2 weist der Ständer ein zylindrisches Gehäuse
1 nach Art des Ständers eines Gleichstrommotors aus magnetisierbarem Material, beispielsweise
Weichstahl, Reineisen oder der gleichen, und zwei im wesentlichen radial oder diametral
magnetisierte Dauermagnete 2 und 3 auf, die diametral gegenüberliegend am Innenumfang
des Ständer gehäuses 1 befestigt sind. Die Lage der Pole N und S ist in
Fig.
1 angedeutet. Die Dauermagnete 2 und 3 sind zylindrisch gekrümmt und erstrecken
sich über einen Zentrumswinkel von je etwa 80° bis 120°, vorzugsweise über ungefähr
100°. Die feststehende einteilige Spule 4, deren Wicklungsrichtung in Fig. 1 durch
Pfeile angedeutet ist, liegt mit ihrer Achse senkrecht zur Läuferwelle 8 und im
wesentlichen senkrecht zur Richtung des magnetischen Ständerfeldes zwischen den
beiden Dauermagneten 2 und 3, ihre Wicklungsebenen verlaufen also im wesentlichen
parallel zu einer durch die Läuferachse gehenden diametralen Ebene. Die beiden an
den Ständerstirnseiten liegenden Spulenenden sind so ausgebildet, dass die Wicklung
dort unter Bildung von Oeffnungen 5 bzw. 6 für den Durchtritt der Läuferwelle 8
radial nach beiden Seiten ausweicht. Wie in Fig. 2 gezeigt, liegt die Spule 4 innerhalb
des Ständergehäuses 1 und stützt sich mit ihren langen Schmalseiten, die parallel
zur Läuferachse verlaufen, auf dem Innenumfang der Dauermagnete 2 und 3 ab.
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Der Läufer besteht aus einem auf der Läuferwelle 8 befestigten zentralen
Ankerteil 9, das im betrachteten Beispiel ein flaches, sich diametral zur Läuferachse
erstreckendes, plattenförmiges Teil ist, und aus zwei an den gegenüberliegenden
Enden dieses Ankerteils 9 angeordneten Polstücken 10 und 11 in Form von Zylindersegmenten.
Die Läuferteile 9, 10 und 11, die aus magnetischem Material bestehen, können entweder
massiv sein oder aus einem Blechpaket zusammengesetzt sein, dessen Bleche bzw. Lamellen
senkrecht zur Läuferachse orientiert und, in Richtung der Läuferwelle 8 aneinanderliegend,
beispielsweise durch Kleben verbunden sind. Im Falle eines Blechpaketes haben die
einzelnen Bleche direkt das Profil des aus zentralem Ankerteil 9 und Polstücken
10 und 11 bestehenden Läufers und sind gestanzt. Wie in Fig. 2 gezeigt, umgibt die
Wicklung der Spule 4 das Ankerteil 9 über seine gesamte Länge und liegt zwischen
den Polstücken 10 und 11 im hinreichenden Abstand zu diesen, so dass der Läufer
eine Schwingbewegung mit hinreichendem Schwingwinkel ausführen
kann.
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Zur Verringerung von Wirbelstromverlusten im Ständergehäuse 1 kann
es zweckmässig sein, in dessen Wand, wie gestrichelt in Fig. 1 angedeutet, Schlitze
13 in Umfangsrichtung vorzusehen, die also parallel zu einer senkrecht zur Läuferachse
orientierten Ebene verlaufen.
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Die Ruhestellung des Läufers wird durch geeignete Rückstellmittel,
beispielsweise durch eine in Fig. 2 angedeutete, an der Läüferwelle 8 angreifende
Rückstellfeder 12, so gewählt, dass die diametrale Verbindungslinie zwischen den
Mitten der Läuferpolstücke 10 und 11, d. h. also im betrachteten Beispiel das zentrale
Ankerteil 9, in Richtung der Spulenachse verläuft. Diese Läuferruhestellung ist
in Fig. 2 dargestellt. Wenn nun die Spule 4 mit Wechselstrom gespeist wird, dann
suchen sich die Läuferpolstücke 10 und 11, je nach der momentanen Polarität des
Spulenfeldes, durch Drehung im einen oder anderen Sinne mit dem Ständermagnetfeld
zwischen dem Dauermagneten 2 und 3 auszurichten, so dass der Läufer eine oszillierende
Bewegung mit der Frequenz der Speisespannung ausführt. Unter gegebenen elektrischen
und magnetischen Bedingungen hängt die Grösse des Schwingwinkels des Läufers von
der äusseren Belastung und von der Abstimmung des mechanischen Schwingsystems ab,
also von der Masse des Läufers und des an ihm befestigten Gegenstandes, von der
Charakteristik der Rückstellmittel und von der Dämpfung bzw. Reibung. Für die spezielle
Anwendung des Motors auf den Antrieb einer Zahnbürste wird der Schwingwinkel des
Läufers und damit die Oszillationsbewegung der Zahnbürste um die Bürstenachse auf
einen Winkel von etwa 600 oder weniger begrenzt. Selbstverständlich ist das Spiel
zwischen der Spule und den Läuferteilen hinreichend gross zu bemessen, damit der
Läufer innerhalb des gewünschten maximalen Schwingwinkels frei oszillieren kann.
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Eine typische Leistungsaufnahme des beschriebenen Motors bei Betrieb
mit
50 Hz oder 60 Hz liegt bei 2, 0 bis 2,6 W. Der Aussendurchmesser des Motors kann
beispielsweise etwa 28 mm und seine Länge etwa 38 mm betragen. Die auf den Zeichnungen
nicht dargestellten Lager für die Läuferwelle 8 können in an sich bekannter Weise
in den nicht dargestellten Seitenflanschen des Motorgehäuses oder, beim Einbau des
Motors in das griffartige Gehäuse einer elektrischen Zahnbürste, in entsprechenden
Lagerteilen dieses Gehäuses vorgesehen sein.
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Fig. 4 zeigt eine andere, aus zwei gleichen Teilspulen 4a und 4b bestehende
Spulenanordnung einer Ausführungsvarianten, die sonst jedoch hinsichtlich Ständer
und Läufer wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Die beiden in Fig.
4 getrennt dargestellten Teilspulen 4a und 4b liegen im montierten Zustand mit ihren
parallel zu ihren Wicklungsebenen orientierten Flächen 4c und 4d in einer wenigstens
näherungsweise durch die Läuferachse gehenden Ebene aneinander, wobei die etwa diametral
zum Läufer verlaufenden Ränder der Teilspulenkörper in der Mitte halbkreisförmige
Ausnehmungen 5a und 5b bzw. 6a und 6b haben, die sich zu Oeffnungen zum Durchtritt
der Läuferwelle 8 ergänzen. In fertig montiertem Zustand haben die beiden zusammengesetzten
Teilspulen 4a und 4b etwa dieselbe Gestalt wie die einteilige Spule nach Fig. 1.
Je nach der Grösse der verwendeten Speisespannung können die beiden Teilspulen 4a
und 4b entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden. Ausserdem erleichtert
die Zweiteiligkeit gegebenenfalls die Montage des Läufers im Ständer.
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Die bevorzugte Anwendung des Wechselstrommotors nach der Erfindung
ist der Einbau in das griffartige Gehäuse einer elektrischen Zahnbürste mit auswechselbaren
Steckzahnbürsten; aufgrund der verhältnismässig geringen Leistungsaufnahme kann
eine solche elektrische Zahnbürste dann mit Niederspannung, über einen Transformator
aus dem Netz, gespeist werden, so dass praktisch keine Probleme der elektrischen
Isolation auftreten. Der Motor nach der Erfindung ist aber auch für andere Zwecke
geeignet, zum Beispiel 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 und Montage der einzelnen
Teile, insbesondere der Läufer struktur, mannigfache Varianten zu. So kann beispielsweise
die Ausdehnung der Pol stücke 10 und 11 in Umfangsrichtung kleiner sein als im Beispiel
nach den Fig. 1 und 2 dargestellt, so dass diese Polstücke in der Ruhelage des Läufers
(Fig. 2) die Dauermagneten 2 und 3 des Ständers nicht überlappen.
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L e e r s e i t e