CH646554A5

CH646554A5 - Wechselstrom-kleinmotor mit pendelndem dauermagnetischen laeufer.

Info

Publication number: CH646554A5
Application number: CH644979A
Authority: CH
Inventors: Gerard Cuenoud
Original assignee: Lpa Les Produits Associes
Priority date: 1979-07-11
Filing date: 1979-07-11
Publication date: 1984-11-30
Also published as: FR2461393B1; BR8008733A; DE3025675A1; FR2461393A1; DE3025675C2; JPH0526424B2; JPS56500872A; US4595849A; WO1981000331A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen WechselstromKlein-motor mit pendelndem dauermagnetischen Läufer, insbesondere zum oszillierenden Antrieb einer an der Läuferwelle befestigten Zahnbürste, und mit feststehender Spule.

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.

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 verlängerte Schenkel, die durch ein Querjoch verbunden sind, welches die Ständerwicklung trägt.

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. Ein höherer 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.

Zur Lösung der Aufgabe ist der Wechselstrom-Kleinmotor nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ein zylindrischer, diametral magnetisierter Dauermagnet ist, dass die Spule mit ihrer Achse senkrecht zur Läuferachse orientiert ist und den Dauermagneten umgibt, wobei ihre Windungen im wesentlichen rechteckförmig verlaufen, und dass der Ständer ein rohrförmiges, zur Läuferachse koaxiales Gehäuseteil aus magnetisierbarem Material ist, welches die Spule umschliesst.

Die dadurch erzielten technischen Vorteile bestehen darin, dass der Läufer aus einem einfachen zylindrischen Dauermagneten mit diametraler Magnetisierung, ohne vorspringende Pole, besteht und dieser zylindrische Dauermagnet auf seiner gesamten Länge von der feststehenden Spule umgehen ist, welche ihrerseits innerhalb des rohrförmigen Ständergehäuses liegt. Bei dieser kompakten Anordnung mit einem zum Ständergehäuse koaxialen Läufer und dazwischenliegender Spule sind die Streuverluste auf ein Minimum beschränkt.

Die Spule kann vorzugsweise aus zwei im wesentlichen

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gleichen Teilspulen zusammengesetzt sein, deren Berührungsebene wenigstens näherungsweise durch die Läuferachse geht und die, je nach der verwendeten Speisespannung, in Reihe oder parallel geschaltet sein können.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat das rohrförmige Ständergehäuse einen rechteckigen Querschnitt mit einem langen und mit einem kurzen Seitenflächenpaar, wobei die langen Seitenflächen bevorzugte Pole und damit eine Geometrie mit variabler, von der Läuferstellung abhängiger Reluktanz bilden, ohne dass besondere Polschuhe oder anders gestaltete vorspringende Pole vorgesehen sind. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass das vom magnetischen Spulenfeld auf den Läufer ausgeübte Drehmoment durch das von der rechteckigen Ständergeometrie herrührende statische Drehmoment verstärkt wird, welches den Läufer so zu drehen sucht, dass die Magnetisierungsrichtung des Dauermagneten parallel zu den kurzen Seitenflächen des Ständers liegt. Um diesen günstigen Effekt optimal auszunutzen, muss die Spulenachse parallel zu den kurzen Seitenflächen des Ständers orientiert sein und der Läufer in seiner Ruhelage durch geeignete Rückstellmittel, beispielsweise durch eine Rückstellfeder, in einer Stellung gehalten werden, in welcher die Richtung des diametralen Läufermagnetfeldes senkrecht zur Spulenachse und damit parallel zu den langen Seitenflächen des Ständers liegt.

Die gleiche günstige Geometrie lässt sich auch dadurch erzielen, dass man ein zylindrisches Ständergehäuse mit zwei an einem Innenumfang diametral gegenüberliegenden vorspringenden Ständerpolen wählt.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform des Motors nach der Erfindung besteht der Ständer lediglich aus einer zylindrischen Hülse ohne vorspringende Pole; in diesem Falle bewirkt die symmetrische Ständergeometrie eine konstante Reluktanz, so dass kein zusätzliches statisches Drehmoment auf den Läufer wirkt.

Weitere besondere Ausführungsmerkmale ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen 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 ersten Ausführungsbeispiels mit rechteckförmigem Ständergehäuse in auseinandergezogener Anordnung der einzelnen Teile,

Fig. 2 den Motor nach Fig. 1 im montierten Zustand, jedoch mit aufgeschnittenem Ständer,

Fig. 3 eine Ansicht der einen Teilspule,

Fig. 4 die andere Teilspule, zum Teil im Schnitt,

Fig. 5 eine Aussenansicht des Motors,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit zylindrischem Ständergehäuse in auseinandergezogener Anordnung der einzelnen Teile,

Fig. 7 den zusammengesetzten Motor nach Fig. 6, jedoch mit aufgeschnittenem Ständer,

Fig. 8 eine Ansicht der einen Teilspule,

Fig. 9 eine Ansicht der anderen Teilspule, zum Teil im Schnitt, und

Fig. 10 eine Aussenansicht des Motors.

Nach Fig. 1 besteht der Ständer 1 des Wechselstrommotors aus einem rohrförmigen Gehäuseteil mit rechteckförmigem Querschnitt, welches aus magnetisierbarem Material besteht und die langen bzw. grossen Seitenflächen la und die kurzen bzw. kleinen Seitenflächen 1 b aufweist. Der auf der Läuferwelle 5 befestigte Läufer besteht aus einem zylindrischen Dauermagneten 4 mit diametraler Magnetisierung. Die Pole sind in Fig. 1 durch die Buchstaben N und S angedeutet. Die Läuferwelle 5 kann aus magnetischen Material bestehen.

Der Dauermagnet 4 wird über seine ganze Länge von einer aus zwei Teilspulen 2 und 3 bestehenden Spule umgeben, deren Achse senkrecht zur Läuferwelle 5 und senkrecht zu den langen Seitenflächen la des Ständers 1 verläuft und deren Wicklungsrichtung in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet ist. Die Windungen verlaufen im wesentlichen rechteckförmig und sind dem durch die Achse gehenden Querschnitt des zylindrischen Dauermagneten 4 angepasst. Die Teilspulen 2 und 3 sind gleich aufgebaut und liegen mit ihren nach innen weisenden, parallel zu ihren Wicklungsebenen orientierten Flächen in einer durch die Läuferachse gehenden Ebene aneinander; die diametral zum Läufer verlaufenden Ränder der Teilspulenkörper haben in der Mitte etwa halbkreisförmige Ausnehmungen 2a, 2b bzw. 3a, 3b, die sich im zusammengesetzten Zustand zu Öffnungen für den Durchtritt der Läuferwelle 5 ergänzen. Der Aussenumfang der beiden Teilspulen 2 und 3 ist dem Innenumfang des rechteckförmigen Ständers 1 angepasst, der auf diese Weise die Spule im wesentlichen formflüssig hält, wobei die rechteckförmigen Spulenöffnungen 2c bzw. 3c vor den langen Ständerseitenflächen la liegen. Der Innenumfang der Teilspulen 2 und 3 ist der Zylinderform des Dauermagneten 4 angepasst. Auf diese Weise wird der Dauermagnet 4 von den Teilspulen 2 und 3 kastenförmig und mit nur geringem Spiel umgeben.

Anstelle zweier Teilspulen, welche die Montage des Motors erleichtern, kann im Prinzip auch nur eine einteilige Spule vorgesehen sein.

Die Stirnseiten des Ständers 1 sind durch zwei rechteck-förmige, dem Ständeröffnungsquerschnitt angepasste Flansche 6 und 7 verschlossen, welche in der Mitte Lageröffnungen 8 bzw. 9 für den Durchschnitt der Läuferwelle 5 aufweisen und welche gegebenenfalls aus magnetischem Material bestehen können.

Der beschriebene Motor kann typischerweise eine axiale Länge von etwa 55 mm, eine Höhe von etwa 20 mm und eine Breite von etwa 15 mm haben. Die Leistungsaufnahme beim Betrieb mit 50 Hz oder mit 60 Hz kann typischerweise zwischen 1,3 und 1,6 W liegen.

Zur Verringerung von Wirbelstromverlusten kann es vorteilhaft sein, in den Wänden des Ständers 1, wie gestrichelt in Fig. 1 angedeutet, Schlitze 10 vorzusehen, welche parallel zu einer senkrecht zur Läuferachse orientierten Ebene verlaufen.

Der beschriebene Motor arbeitet folgendermassen: Durch Rückstellmittel, beispielsweise eine in Fig. 2 angedeutete, die Läuferwelle 5 umgebende Rückstellfeder 20, wird der Dauermagnetläufer 4 in der Ruhelage in eine Stellung gedrängt, die in Fig. 2 gezeigt ist und in welcher die Richtung des diametralen Läufermagnetfeldes senkrecht zur Spulenachse liegt.

Wenn nun die Teilspulen 2 und 3, die je nach der Grösse der Speisespannung in Reihe oder parallel geschaltet sein können, von einem Wechselstrom durchflössen werden, dann wirkt das erzeugte magnetische Wechselfeld H mit dem magnetischen Moment m des Läufermagneten 4 derart zusammen, dass auf den Läufer ein alternierendes Drehmoment der Grösse M = m H sin a ausgeübt wird, wobei a der Winkel zwischen der Richtung des Magnetfeldes H und der der Läufermagnetisierung ist und in der in Fig. 2 dargestellten Läuferruhelage 90° beträgt. Dadurch erfährt der Läufer eine oszillierende Auslenkung aus seiner Ruhelage, so dass er mit der Frequenz der Speisespannung schwingt.

Die rechteckige Form des Ständergehäuses 1 bringt nun zwei zusätzliche vorteilhafte Effekte mit sich. Zum einen erlaubt diese Ständergeometrie, für eine gegebene Kupfermenge des Spulendrahts, die Erzeugung eines verhältnismässig hohen Feldes in Achsenrichtung der Spule. Zum andern weist der magnetische Kreis eine Reluktanz auf, die verhält-nissmässig stark vom Winkel zwischen der Magnetisierungsachse des Läufermagneten 4 und der grossen Symmetrieachse

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des Ständer- Rechteckquerschnittes abhängt, da die beiden langen bzw. grossen Seitenflächen la des Ständers 1 die Funktion bevorzugter Pole haben. Die Wirkung dieser variablen Reluktanz besteht in folgendem: Wenn der Läufer aus seiner in Fig. 2 gezeigten Ruhelage, die ein labiles Gleichgewicht darstellt, ein wenig ausgelenkt wird, dann wirkt auf ihn auch bei Abwesenheit eines Spulenfeldes ein statisches Drehmoment, welches den Läufer in diejenige Stellung zu drehen sucht, in welcher die Reluktanz des magnetischen Kreises am geringsten ist; in dieser Stellung, die sich um einen Winkel von 90° von der Ruhestellung unterscheidet, ist die Magnetisierungsrichtung des Läufermagneten 4 mit der kleinen Symmetrieachse des Ständerquerschnittes ausgerichtet. Dieses statische Drehmoment verstärkt vorteilhafterweise das vom Spulenfeld erzeugte, normale Drehmoment und begünstigt damit die Schwingbewegungen des Läufers.

Diesen Verstärkungseffekt des Nutzmomentes kann man auch durch die Aussage beschreiben, dass in dem oben angegebenen Ausdruck für das Drehmoment M die Grösse m, also das magnetische Moment des Läufermagneten, vom erwähnten Winkel a abhängt.

Unter gegeben 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. Unter Umständen kann dieser Winkel 180° betragen und möglicherweise selbst diesen Wert übersteigen. Wenn nämlich keine Massnahmen zur Begrenzung des Winkels des Läufers vorgesehen sind und daher der Läufer frei ist, kann sich der Motor wie ein rotierender, einphasiger Synchronmotor verhalten. Für die spezielle Anwendung des Motors auf den Antrieb einer Zahnbürste jedoch wird der Schwingwinkel des Läufers und damit die Oszillationsbewegung der Zahnbürste um die Bürstenachse auf einen Winkel von etwa 60° oder weniger begrenzt.

Das zweite Ausführungsbeispiel eines erflndungsgemäs-sen Motors nach den Figuren 6 bis 10 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Ständer 11 aus einer zylindrischen Hülse besteht, dass dementsprechend der Aussenumfang der wiederum aus zwei gleichen Teilspulen 12 und 13 gebildeten Spule, in Anpassung an den Ständerinnen-umfang, zylindrisch ist und dass die stirnseitigen Flansche 16 und 17, die wiederum Lageröffnungen 18 und 19 zum Durchtritt der Läuferwelle 5 aufweisen, in Anpassung an den Öffnungsquerschnitt des Ständers 11 kreisförmig sind. Der Läufer besteht wiederum, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, aus einem auf der Läuferwelle 5 befestigten zylindrischen Dauermagneten 4 mit diametraler Magnetisierung. Mit Ausnahme der äusseren Spulengestalt sind die beiden Teilspulen 12 und 13 genauso aufgebaut, orientiert und im Ständer 11 angeordnet wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Um den vorteilhaften Effekt eines zusätzlichen statischen Drehmoments zu erzielen, welches, wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels erläutert, bei dem dort beschriebenen Motor vom rechteckförmigen Querschnitt des Ständers herrührt, sind beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zwei getrennte Ständerpolstücke 14 und 15 aus magnetisierbarem Material vorgesehen, welche einander diametral gegenüberstehen und am Innenumfang des Ständers 11 anliegen bzw. dort befestigt sind. Nach Fig. 6 haben diese beiden Ständerpolstücke 14 und 15 die Form von Hohlzylkinderseg-menten und sind der Gestalt der Öffnungen 12c bzw. 13c der Teilspulen 12 bzw. 13 angepasst, so dass sie im montierten Zustand des Motors in diese Spulenöffnungen eingreifen. Diese beiden radial nach innen vorspringenden Ständerpole 14 und 15, welche auch in irgend einer anderen Weise ausgebildet bzw. am Innenumfang des Ständers befestigt oder angeformt sein können, bewirken praktisch den gleichen statischen Drehmomenteffekt, der anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde und der zur Folge hat, dass der Läufermagnet 4, sobald er aus seiner in Fig. 7 gezeigten Ruhelage etwas ausgelenkt wird, ein Drehmoment erfährt, das ihn um 90° aus seiner Ruhelage heraus zu drehen sucht und welches sich dem vom Spulenfeld erzeugten Drehmoment überlagert. Ausser diesem Effekt einer veränderlichen Reluktanz bewirken die vorspringenden Ständerpole eine Verstärkung des Spulenfeldes.

Unter Verzicht auf den erwähnten statischen Drehmomenteffekt kann ein Wechselstrommotor nach der Erfindung auch einen Ständer aufweisen, der nur aus einem zylindrischen Gehäuse 11 (Fig. 6) besteht und keine vorspringenden Ständerpole aufweist. Dieser Aufbau eines Motors ist besonders einfach und hat den Vorteil eines indifferenten Gleichgewichts bezüglich der Rotation des Läufers. Der Querschnitt des Ständers eines Motors nach der Erfindung kann auch quadratisch sein.

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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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Wechselstrom-Kleinmotor mit pendelndem dauermagnetischen Läufer, insbesondere zum oszillierenden Antrieb einer an der Läuferwelle befestigten Zahnbürste, und mit feststehender Spule, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ein zylindrischer, diametral magnetisierter Dauermagnet (4) ist, dass die Spule (2,3) mit ihrer Achse senkrecht zur Läuferachse orientiert ist und den Dauermagneten (4) umgibt, wobei ihre Windungen im wesentlichen rechteckförmig verlaufen, und dass der Ständer (1) ein rohrförmiges, zur Läuferachse koaxiales Gehäuseteil aus magnetisierbarem Material ist, welches die Spule (2,3) umschliesst.

2. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule aus zwei wenigstens näherungsweise gleichen Teilspulen (2,3) besteht, die mit im wesentlichen parallel zu ihren Wicklungsebenen orientierten Flächen in einer wenigstens näherungsweise durch die Läuferachse gehenden Ebene aneinander liegen, wobei die etwa diametral zum Läufer verlaufenden Ränder der Teilspulenkörper in der Mitte halbkreisförmige Ausnehmungen (2a, 2b ; 3a, 3b) zum Durchtritt der Läuferwelle (5) aufweisen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (2,3) je nach der Grösse der Speisespannung in Reihe oder parallel geschaltet sind.

4. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Ständer (1) einen quadratischen Querschnitt oder einen rechteckförmigen Querschnitt mit einem langen Seitenflächenpaar (la) und mit einem kurzen Seitenflächenpaar (lb) aufweist, wobei die langen Seitenflächen (la) bevorzugte Pole bilden.

5. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenachse parallel zu einem Seitenflächenpaar des Ständers (1) und bei einem Rechteckquerschnitt des Ständers parallel zum kurzen Seitenflächenpaar (lb) orientiert ist.

6. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Rechteckquerschnitt des Ständers (1) die langen Seitenflächen (la) zwischen 10% und 50%, vorzugsweise um etwa 30%, grösser als die kurzen Seitenflächen (lb) sind.

7. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Ständer (11) zylindrisch ist.

8. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Ständer (11) an seinem Innenumfang diametral gegenüberliegende vorspringende Ständerpole (14,15) aufweist, deren Verbindungslinie wenigstens näherungsweise parallel zur Spulenachse orientiert ist.

9. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese Ständerpole (14,15) getrennte Teile in Form von Hohlzylindersegmenten sind, welche in die seitlichen, im wesentlichen rechteckförmigen Öffnungen (12c, 13c) der Spule bzw. von die Spule bildenden Teilspulen (12, 13) eingreifen.

10. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenumfang der Spule bzw. der Teilspulen (12,13) dem Innenumfang des Ständers (1) angepasst ist.

11. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stirnseiten des rohrförmigen Ständers (1, 11) durch Flansche (6, 7; 16, 17) verschlossen sind, deren Form dem Ständerquerschnitt angepasst ist und welche Lageröffnungen (8,9; 18, 19) für die Läuferwelle (5) aufweisen.

12. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Gehäuseteil des Ständers (1 ; 11) zur Verringerung von Wirbelströmen mit Schlitzen (10) versehen ist, die parallel zu einer senkrecht zur Läuferachse orientierten Ebene verlaufen.

13. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der durch Rückstellmittel, insbesondere eine Rückstellfeder (20), bestimmten Ruhelage des Läufers das diametrale Läufermagnetfeld im wesentlichen senkrecht zur Spulenachse liegt.