CN102460917B - 用于小电器的电动马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于小电器的电动马达，所述电动马达包括转子和定子、用于产生磁场的线圈；以及具有第一永久磁体的第一磁体结构，所述第一永久磁体通过与利用所述线圈产生的磁场相互作用来产生用于激发转子的旋转运动的力。根据本发明，设置了具有至少一个第二永久磁体的第二磁体结构，所述第二永久磁体被布置成使得转子的平移振荡运动通过在第二永久磁体的磁场中作用于电流流经的线圈的导体的洛伦兹力来实现。此外，本发明涉及具有根据本发明的电动马达的小电器以及用于产生电动马达的转子的平移振荡运动的方法。

Description

用于小电器的电动马达
技术领域
本发明涉及用于小电器的电动马达。本发明还涉及具有此类马达的小电器以及操作电动马达的方法。
背景技术
已知电动马达可产生旋转的和直线的振荡运动并用于例如电动牙刷。
就该目的而言，已知的马达提供直流马达并随后借助于传动装置将旋转运动转化为附加的直线运动或者在第一驱动单元中产生直线运动并在第二驱动单元中产生旋转运动。
WO 2005/062445中所述的电动马达具有两个振荡马达组件和具有多个永久磁体的磁体结构。线圈产生磁场，提供该磁场以通过与磁体结构相互作用来产生用于激发振荡组件的直线振荡运动的力。线圈产生的磁场与磁体结构的交互作用另外产生用于造成第二振荡马达组件的旋转振荡运动的扭矩。
本发明的目的是提供用于小电器的简单构造的紧凑且高性价比的电动马达以及操作此类电动马达的方法。
发明内容
该目的通过具有权利要求1的特征的电动马达并通过具有权利要求9的特征的电动马达实现。具有根据本发明的电动马达的小电器为权利要求12的对象。针对所述方法，该目的通过用于产生具有权利要求15的特征的电动马达的转子平移振荡运动的方法实现。从属权利要求分别涉及优选实施方案。
根据本发明的用于小电器的电动马达具有转子和定子以及用于产生磁场的线圈。第一磁体结构具有至少一个永久磁体，所述一个永久磁体通过与线圈产生的磁场相互作用产生用于激发转子的旋转运动的力。根据本发明的电动马达，具体地讲特征在于提供包括至少一个第二永久磁体的第二磁体结构，所述第二永久磁体被布置成使得转子的平移振荡运动通过在第二永久磁体的磁场中作用于电流流经的线圈导体的洛伦兹力来实现。
借助根据本发明的电动马达组合两个不同的物理原理，以便一方面产生旋转运动而另一方面产生平移运动。利用第一磁体结构和线圈以本身已知的方式产生旋转运动。具有其中借助线圈产生磁通的线圈的铁芯可例如作为定子提供在驱动的中心。以围绕方式布置的永久磁体根据磁通方向对齐以便产生围绕转子的旋转运动。
如权利要求1所述，根据本发明提供具有至少一个永久磁体的第二磁体结构，所述永久磁体在电流流经的线圈的导体上产生磁洛伦兹力。对于固定线圈，这意味着至少一个第二永久磁体在平移方向上的相对运动。通过利用电流流经的线圈导体上的磁体结构的洛伦兹力使得用于小电器的电动马达的紧凑、简单且高性价比的实施方案成为可能。用于传动构造的单独部件被简化。
一般有可能的是将至少一个第二永久磁体的相对平移运动与转子的旋转运动耦接以获得耦合的旋转和直线运动。然而，尤其简单的是如果第二永久磁体与转子一起运动，具体地讲是如果其连接到转子上。转子的旋转运动与至少第二永久磁体的直线运动随后自动组合为耦合运动。
可将所述至少一个第二永久磁体布置成使得如果没有影响场的其他磁场存在则所述第二永久磁体产生将基本平行于转子的旋转轴线对齐的场。这具体地讲能够以简单方式实现，前提是如果所述至少一个第二永久磁体与转子的旋转轴线对称排列设置在线圈之上或之下。利用此类排列，可进行例如在线圈上下均提供第二永久磁体以使期望的效应加倍的供给。通过所述至少一个第二永久磁体的此类排列产生的磁通具体地讲作用于平行于旋转轴线对齐的线圈的导体区域。
另一个实施方案提供的是将所述至少一个第二永久磁体布置成使得其将在如果不存在其他影响磁场的元件时产生基本上与转子的旋转轴线成径向的场。通过所述至少一个第二永久磁体的该排列产生的磁通具体地讲作用于平行于旋转轴线对齐的线圈的导体区域。
当第二磁体结构的至少一个永久磁体布置在第一磁体结构的永久磁体之间时，尤其节省空间的排列是可能的。
两个所述的实施方案也可彼此组合，具体地讲其中第二磁体结构因此被提供，其具有至少一个产生磁场的第二永久磁体并具有至少一个附加永久磁体，所述第二永久磁体基本上与转子的旋转轴线成径向对齐排列，所述附加永久磁体的磁场基本上平行于转子的旋转轴线对齐。在该方式中，洛伦兹力的强度，以及因此例如平移振荡运动的振幅可极灵活地设定。
利用第一和第二磁体结构中永久磁体的单独片段的合适排列，也有可能使第二磁体结构的至少一部分与第一磁体结构的至少一部分一体化。
根据本发明用于小电器的具有权利要求8的特征的另一种电动马达，具体地讲特征在于第一磁体结构已被排列和设计使得平移运动在至少一个第一永久磁体的场中通过电流流经的线圈导体上的洛伦兹力来实现。利用此类具有创造性的实施方案，第一磁体结构例如被相应地非对称制造，以便除了第一磁体结构的永久磁体产生的用于产生旋转运动的磁通之外，还存在向电流流经的线圈导体施加洛伦兹力的场组件。此类结构能够以尤其紧凑且简单的方式制造。
根据本发明的电动马达可被设计成进行平移振荡运动和连续的旋转运动。然而，当旋转运动也为振荡运动时本发明尤其有利。
当旋转振荡运动与平移振荡运动具有不同的共振频率时，单独的振荡运动也可通过馈入相应选择频率的电流独立控制。馈入混合频率实现相应分布的旋转或平移振荡运动。
一般可能的是任选存在的线圈软磁芯(例如，铁磁芯)为例如可旋转支撑的而电动马达的永久磁体为静止的。所述芯随后形成也进行平移振荡运动的转子。然而，更有利且更简单的是如果线圈的芯为定子的部件以及如果转子包括第一磁体结构。在该方面，其中线圈布置在第一磁体结构内部的排列尤其紧凑。
对于根据本发明的电动马达，优选地选择所述排列，使得平移运动垂直于旋转轴线。
根据本发明的电动马达尤其适于小电器的传动，例如其中刷头进行平移振荡运动及旋转振荡运动的电动牙刷以及其中剃刮头部进行平移及旋转振荡运动的剃刀。
在根据本发明的用于产生电动马达转子的平移振荡运动的方法中，永久磁场中电流流经的线圈导体上的洛伦兹力用于产生转子的平移振荡运动。
附图说明
将参考附带的示意图详细解释本发明，所述示意图以举例的方式示出了根据本发明的实施方案。所显示的为：
图1：以部分地透明的方式表示的本发明的电动马达的透视示意图；
图2：图1中指示的Y-Z平面内的截面图；
图3：以部分地透明的方式表示的本发明的另一个实施方案的透视示意图；
图4：以部分地透明的方式表示的本发明的另一个实施方案的透视示意图；
图5：图4中指示的X-Y平面内具有指示的磁场线的剖面图；以及
图6：以部分地透明的方式表示的本发明的另一个实施方案的透视示意图。
具体实施方式
图1示出了用于具有转子12的小电器的电动马达10，所述转子在此处显示为透明的以更佳地表示其他组件。附图边界50示于图1中仅仅为了示出透视图。
永久磁体18，20，22，24固定在转子内部并随其运动，其中彼此相邻设置的磁体18，20或22，24被磁化具有相反的极性。转子绕着Z轴可旋转支撑，其可用箭头26指示。线圈16布置在转子内，其中铁芯14作为定子位于其内。线圈绕组设置在平行于Y-Z平面的平面内。在图1中，此处称作洛伦兹磁体的永久磁体30被布置在该结构之上，其中如果Z轴不受线圈16或永久磁体18，20，22，24的影响而扭曲，则由洛伦兹磁体30产生的磁场将平行于Z轴。洛伦兹磁体30也固定地连接到转子12。当电流流入线圈时，借助附加永久磁体30以仍将描述的方式在线圈16和定子14的结构上于箭头28的方向上产生洛伦兹力。对于固定的线圈16，这意味着转子12与磁体18，20，22，24以及洛伦兹磁体30一起在方向28上的平移振荡运动。
图2示出了Y-Z平面内的截面示意图。
平移振荡运动28从而如下产生。就已知的方式本身而言，线圈16和铁芯14与永久磁体18，20，22，24作用，如电流流入线圈时在电动马达中产生旋转运动一样。就该目的而言，通过铁芯14中的线圈产生磁通。周围的永久磁体18，20，22，24-以及因此转子12-根据磁通的方向对齐。
除了导致旋转运动产生的力之外，另外还在电流流经的线圈16的导体上存在洛伦兹力，其方向为磁通与电流流经的导体的方向乘以电流流经且暴露于磁通的导体的长度再乘以电流的矢量积的方向。洛伦兹磁体30以图1和图2的实施方案对齐，使得其基本上在旋转轴线(z轴)的方向上产生磁通。在这方面，线圈16的线圈绕组设置在图2的像平面内。具体地讲，在位于图2顶部且直接邻近洛伦兹磁体30的线圈16的区域内，电流流经的线圈绕组的导体从而在Y方向上延伸。如果电流因此流经线圈16，则在线圈与洛伦兹磁体30之间于x方向上产生相对的力效应。对于固定保持的线圈16，洛伦兹磁体30因此在x方向上与转子12一起运动。
如果转子12连续旋转，则通过线圈的电流方向在转子12或固定连接到其上的洛伦兹磁体30的坐标系中定期改变，以便产生平移振荡运动。利用在方向26或相反方向上产生旋转振荡运动的电流方向的合适的极性倒转，电流方向也相对于洛伦兹磁体产生的磁通改变，以便随后也产生平移振荡运动。
例如，如果电动牙刷的刷头或电动剃刀的剃刮头部被连接到转子12，则其不仅实现转子12的旋转运动26，而且还实现方向28上的平移运动。
图3示出了在线圈16上下提供两块洛伦兹磁体30的改进的实施方案。力效应因此基本上加倍。
图1至3的排列中的洛伦兹力具体地讲作用于此处较短线圈侧的电流流经的导体并且所述导体平行于y方向对齐。
在图4的实施方案中，除了产生旋转运动的永久磁体18，20，22，24之外，磁段32，34还被布置为永久磁体18，20，22，24之间的洛伦兹磁体。它们因此生成在y方向通过线圈16的磁通。该磁通因此具体地讲作用于此处较长的线圈部分，所述线圈部分在图4的示意图中平行于z方向延伸。
该实施方案中的磁体段32，34具有与永久磁体18和22基本上相同的极性。箭头40应示意性指示相应的永久磁体18，20，22，24或洛伦兹磁体32，34的相对极性，其中箭头指示由南极向北极的方向。例如，如果南极在磁段32，34和永久磁体18，22中径向向内布置，则北极在永久磁体20，24中径向向内布置。
在图4的结构中，在电流于方向x上流经的线圈16的导体上产生洛伦兹力。其根据用于确定洛伦兹力的叉积在方向28上对齐。利用固定保持的线圈16或固定保持的铁芯14，转子12因此不仅在方向26上旋转运动，而且还在方向28上平移。
图5示出了在X-Y平面内通过图4排列的横截面。此外，磁场线的方向在此处被指示，所述磁场线由永久磁体18，20，22，24及洛伦兹磁体32和34的排列产生。如可由图5的示意图尤其清晰地识别到的，洛伦兹磁体34形成较大的磁体元件的一部分，所述磁体元件接替永久磁体18，22及洛伦兹磁体34的功能并且其用于所有三个片段18，22，34的极性在相同的方向上径向向外或径向向内面对。
尽管洛伦兹磁体32的极性在径向以相同的方向面对(换句话讲，例如，在永久磁体18，22及洛伦兹磁体34的极性向外取向时向外)，则永久磁体20，24的极性在径向相对取向。
图6的实施方案为图1和图4的实施方案的组合。此处提供了径向布置的洛伦兹磁体32，34，以及轴向布置的洛伦兹磁体30。这些磁体强度的合适选择允许洛伦兹力以及因此平移力的灵活设置。
在所有实施方案中，平移振荡运送或旋转振荡运动可受激于馈入到线圈中的电流频率的相应选择。就该目的而言，根据相应的振荡运动的共振频率选择馈入的频率。相应混合频率或多个频率辐射的选择可用于设定振荡运动相对于彼此的强度。
根据本发明的实施方案减少了驱动构造所需的单独部件的数目并且实现驱动单元紧凑的构造形状。取决于驱动的构造设计，旋转运动可实现的扭矩及平移方向上的力可自由设置。扭矩和力与马达的长度大致线性确定并且平移运动证明大部分独立于旋转运动的角位置。由于省略了用于产生附加平移运动的传动装置，产生的噪音较低。
本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲是指所引用的数值和围绕该数值的功能上等同的范围。例如，所公开的量纲“40mm”旨在表示“约40”。
附图标号列表
10                电动马达
12                转子
14                铁芯
16                线圈
18，20，22，24    永久磁体
26                旋转运动
28                平移振荡运动
30，32，34        洛伦兹磁体
36                磁通
40                极性
50                附图界限

Claims (19)

1.一种用于小电器的电动马达(10)，包括：
-转子(12)和定子；
-用于产生磁场的线圈(16)；
-具有至少一个第一永久磁体(18，20，22，24)的第一磁体结构，所述第一永久磁体通过与利用所述线圈(16)产生的磁场相互作用来产生用于激发所述转子(12)围绕旋转轴线的旋转运动(26)的力；以及
包括第二永久磁体(30，32，34)的第二磁体结构，所述第二永久磁体被布置成使得所述转子(12)的平移振荡运动(28)通过在所述第二永久磁体的磁场中作用于电流流经的所述线圈(16)的导体的洛伦兹力来实现，
所述第二永久磁体中的至少一个(30)被布置成使得所述第二永久磁体的不受其他场影响的场将基本平行于所述转子(12)的旋转轴线对齐。
2.如权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述第二磁体结构与所述转子(12)一起运动。
3.如权利要求1所述的电动马达，其特征在于，所述第二磁体结构固定地连接到所述转子(12)。
4.如权利要求1或2所述的电动马达，其特征在于，所述第二永久磁体中的至少一个(30)在所述旋转轴线的方向上被布置在所述线圈(16)之上或之下。
5.如权利要求1或2所述的电动马达，其特征在于，所述第二永久磁体中的至少另一个(32，34)被布置成使得所述第二永久磁体的不受其他场影响的场将基本上与所述转子(12)的旋转轴线成径向对齐。
6.如权利要求5所述的电动马达，其特征在于，所述第一磁体结构包括多个第一永久磁体(18，20，22，24)，所述永久磁体与所述旋转轴线同心布置，并且所述第二磁体结构的所述第二永久磁体中的至少另一个(32，34)在由所述第一磁体结构的第一永久磁体(18，20，22，24)的同心排列限定的圆形的圆周方向上被布置在所述第一磁体结构的第一永久磁体(18，20，22，24)之间。
7.一种用于小电器的电动马达(10)，包括：
-转子(12)和定子；
-用于产生磁场的线圈(16)；
-具有至少一个第一永久磁体(18，20，22，24)的第一磁体结构，所述第一永久磁体通过与利用所述线圈(16)产生的磁场相互作用来产生用于激发所述转子(12)围绕旋转轴线的旋转运动(26)的力；以及
包括第二永久磁体(30，32，34)的第二磁体结构，所述第二永久磁体被布置成使得所述转子(12)的平移振荡运动(28)通过在所述第二永久磁体的磁场中作用于电流流经的所述线圈(16)的导体的洛伦兹力来实现，
所述第二永久磁体中的至少一个(32，34)被布置成使得所述第二永久磁体的不受其他场影响的场将基本上与所述转子(12)的旋转轴线成径向对齐，并且
所述第一磁体结构包括多个第一永久磁体(18，20，22，24)，所述永久磁体与所述旋转轴线同心布置，并且所述第二磁体结构的所述第二永久磁体中的至少一个(32，34)在由所述第一磁体结构的第一永久磁体(18，20，22，24)的同心排列限定的圆形的圆周方向上被布置在所述第一磁体结构的第一永久磁体(18，20，22，24)之间。
8.如权利要求7所述的电动马达，其特征在于，所述第二磁体结构与所述转子(12)一起运动。
9.如权利要求7所述的电动马达，其特征在于，所述第二磁体结构固定地连接到所述转子(12)。
10.如权利要求7或8所述的电动马达，其特征在于，所述第二永久磁体中的至少另一个(30)被布置成使得所述第二永久磁体的不受其他场影响的场将基本平行于所述转子(12)的旋转轴线对齐。
11.如权利要求7或8所述的电动马达，其特征在于，所述第二永久磁体中的至少另一个(30)在所述旋转轴线的方向上被布置在所述线圈(16)之上或之下。
12.如权利要求1或7所述的电动马达，其特征在于，所述第二磁体结构的至少一个第二永久磁体(34)与所述第一磁体结构的至少一个第一永久磁体(18，22)一体化制造而成。
13.如权利要求1或7所述的电动马达，其特征在于，所述至少一个第一永久磁体(18，20，22，24)与所述线圈(16)被设计和布置成使得所述至少一个第一永久磁体(18，20，22，24)通过与利用所述线圈(16)产生的磁场相互作用来产生用于激发所述转子(12)的旋转振荡运动的力。
14.如权利要求13所述的电动马达，其特征在于，所述旋转振荡运动与所述平移振荡运动具有不同的共振频率。
15.如权利要求1或7所述的电动马达，其特征在于，所述转子(12)包括所述第一磁体结构(18，20，22，24)。
16.如权利要求1或7所述的电动马达，其特征在于，所述转子(12)包括所述第一磁体结构(18，20，22，24)，其中所述线圈(16)被布置在所述第一磁体结构(18，20，22，24)内。
17.一种包括电动马达的小电器，所述电动马达是前述任一项权利要求所述的电动马达，用于激发平移振荡运动和旋转运动。
18.如权利要求17所述的包括电动马达的小电器，其特征在于，所述小电器为具有刷头的电动牙刷，并且所述电动马达用于产生所述刷头的平移振荡运动和所述刷头的旋转运动。
19.如权利要求17所述的包括电动马达的小电器，其特征在于，所述小电器为具有剃刮头部的电动剃刀，并且所述电动马达用于产生所述剃刮头部的平移振荡运动和所述剃刮头部的旋转运动。
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