ES2560885T3 - Motor eléctrico para un aparato eléctrico pequeño - Google Patents

Abstract

Motor eléctrico (10, 48, 68, 100, 128) para hacer funcionar un dispositivo eléctrico pequeño que tiene - al menos un primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante, - un inductor (24, 56, 74, 130) para producir un campo magnético, y - una primera disposición de imanes que tiene, al menos, un primer imán permanente (14, 16, 18, 20; 50, 52; 76; 134, 136, 138) que, en interacción con un campo magnético producido con el inductor (24, 56, 74, 130) genera una fuerza para activar un movimiento (R) oscilante de rotación del al menos un primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante alrededor de un eje (z) de rotación, caracterizado por que el al menos un primer componente (22, 54, 70) de motor oscilante y la primera disposición de imanes están diseñados de tal manera que el par de reluctancia magnética que actúa entre el primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante y el al menos un imán permanente (14, 16, 18, 20; 50, 52; 76; 134, 136, 138) de la primera disposición de imanes actúa como fuerza de reposición exclusiva para el movimiento (R) oscilante de rotación para mantener el movimiento oscilante sin ningún resorte de retorno mecánico adicional.

Description

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DESCRIPCION

Motor electrico para un aparato electrico pequeno

La invencion se refiere a un motor electrico para hacer funcionar un aparato electrico pequeno y un aparato electrico pequeno que tiene un motor electrico de este tipo. La invencion tambien se refiere a un metodo para hacer funcionar un motor electrico de este tipo.

WO 2005/006538 A1 se basa en un aparato electrico pequeno que tiene un motor electrico para producir un movimiento oscilante. Se proporcionan dos componentes de transmision, uno de los cuales se conecta a una parte flexible por medio de al menos un elemento elastico y puede activarse; puede impartir un movimiento oscilante por medio de un campo magnetico de un inductor. Los dos componentes de transmision se conectan entre si por medio de un elemento adicional y se disenan de modo que se accionen mutuamente y se disponen en el aparato electrico pequeno para ejecutar movimientos oscilantes en oposicion de fase mutua.

Se conocen motores electricos que pueden generar un movimiento rotatorio y un movimiento oscilante de traslacion y que se utilizan, por ejemplo, para cepillos dentales electricos. Un motor electrico como el descrito en WO 2005/062445 tiene dos componentes de motor oscilantes y una disposicion de imanes con varios imanes permanentes. Se proporciona un inductor para producir un campo magnetico. En interaccion con la disposicion de imanes, este campo magnetico actua para generar una fuerza que active un movimiento oscilante de traslacion de uno de los componentes oscilatorios. La interaccion del campo magnetico producido con el inductor y la disposicion de imanes genera tambien un par para activar un movimiento oscilante de rotacion de un segundo componente de motor oscilatorio. Con esta disposicion se puede generar tanto un movimiento de traslacion como un movimiento oscilante rotatorio sin necesidad de transmision.

En el caso de un cepillo de dientes electrico segun EP-0.850.027 B1 se proporciona una unidad de transmision electromotriz en una carcasa que, por una parte, transfiere un movimiento rotatorio con la ayuda de una transmision a un eje, cuyo movimiento se puede convertir, por ejemplo, en un movimiento rotatorio de un cabezal de cerdas del cepillo de dientes. Un segundo componente de la unidad de transmision electromotriz se conecta de forma excentrica a la salida del motor electrico y activa de este modo un movimiento oscilante de traslacion de una manivela alrededor de un eje en angulos rectos con respecto al eje del motor. La manivela oscilante ayuda a producir este movimiento pivotante y a conducir el eje al mismo, lo que contribuye a transferir el movimiento oscilante de rotacion.

WO 2005/048437 describe una unidad de transmision para producir un movimiento oscilante para, por ejemplo, producir una oscilacion rotatoria del cabezal de cerdas de un cepillo de dientes electrico o de una maquina de afeitar electrica. Un rotor asimetrico se mueve en el interior de un estator que tiene un inductor y una primera y segunda disposicion de imanes. El rotor tiene una primera y una segunda extension radial, en donde las disposiciones de imanes relativas a las extensiones radiales del rotor permiten una asignacion pareada entre las disposiciones de imanes y las extensiones radiales. Al mismo tiempo, la disposicion se selecciona de tal forma que la interaccion magnetica entre la disposicion de imanes y la extension radial de cada par sea mayor que la interaccion magnetica entre la disposicion de imanes y la extension radial de dos pares distintos. Esto permite disenar un rotor con una masa inferior y un momento de inercia menor. El rotor se acopla al estator mediante una interaccion de enderezamiento proporcionada por un elemento elastico y forma, asi, un sistema oscilatorio. En este caso, una inversion periodica de los polos del flujo de corriente en los inductores produce una rotacion oscilante del rotor. Ademas, la respectiva rotacion en la direccion de la posicion “off” se facilita mediante el momento enderezador producido por el elemento elastico. Como fuerza elastica adicional, se tiene en cuenta el momento enderezador magnetico ejercido sobre el rotor por los imanes de una disposicion de imanes. Como elemento elastico para la interaccion enderezador, las realizaciones describen una barra de torsion, un resorte helicoidal o un resorte en espiral que ayuda a acoplar el rotor al estator. La frecuencia de resonancia depende del sistema resorte/masa formado por el rotor y el elemento elastico, por ejemplo, la barra de torsion.

El problema de la presente invencion es indicar un motor electrico para un aparato electrico pequeno y disenar un aparato electrico de este tipo que sea pequeno y barato. Ademas, tambien se pretende indicar un metodo para hacer funcionar un motor electrico de este tipo.

El problema se resuelve mediante un motor electrico que tiene las caracteristicas de la reivindicacion 1, un aparato electrico pequeno que tiene las caracteristicas de la reivindicacion 11, y un metodo para hacer funcionar un motor electrico que tiene las caracteristicas de la reivindicacion 13.

El objeto de las reivindicaciones dependientes consiste, en cada caso, en realizaciones ventajosas.

Un motor electrico segun la invencion tiene, al menos, un primer componente de motor oscilante y un inductor para producir un campo magnetico. Se proporciona una primera disposicion de imanes que tiene, al menos, un primer iman permanente. En interaccion con un campo magnetico producido con el inductor, genera una fuerza para activar un movimiento oscilante rotatorio del primer componente oscilante alrededor de un eje rotatorio, y asi ayuda, en particular, a proporcionar un movimiento oscilante de rotacion.

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En concreto, el motor electrico segun la invencion se caracteriza por que el al menos un primer componente de motor oscilatorio y la primera disposicion de imanes se disenan y/o disponen de tal manera que el par de reluctancia magnetica que actua entre el primer componente de motor y el al menos un iman permanente actua como el momento enderezador exclusivo del movimiento oscilante de rotacion. Por ello, resulta innecesario incorporar momentos enderezadores adicionales que se apliquen, particularmente, en los resortes de retorno y es posible obtener un diseno especialmente pequeno que tenga las propiedades esperadas.

Cuando se conecta la corriente de la bobina, el inductor induce un flujo magnetico en el primer componente de motor oscilante, que se orienta en funcion del campo magnetico producido por la primera disposicion de imanes para minimizar la energia. Si despues del movimiento de orientacion el inductor pone la corriente a cero, las lineas del campo magnetico de la primera disposicion de imanes intentan desviarse tanto como les es posible del primer componente oscilante. Como resultado, el primer componente oscilante experimenta un momento enderezador (par de reluctancia) que vuelve a situar al primer componente de motor oscilante en su posicion de inicio por si mismo.

Un motor electrico segun la invencion hace posible prescindir completamente de resortes mecanicos oscilantes adicionales debido a que las fuerzas de reposicion se proporcionan exclusivamente a traves del par de reluctancia magnetica. Esto simplifica en gran medida la construccion del motor y reduce el numero de componentes, lo que afecta positivamente al tamano del diseno y a los costes de fabricacion.

Por consiguiente, un metodo segun la invencion para hacer funcionar un motor electrico se caracteriza por que se utiliza el par de reluctancia magnetica, que se genera entre el al menos un componente de motor oscilatorio y el al menos un iman permanente, como unico momento enderezador para el movimiento oscilante rotatorio.

En particular, un metodo ventajoso no reivindicado para fabricar un motor electrico se caracteriza por que las geometrias del primer componente de motor oscilante y el al menos un iman permanente de la primera disposicion de imanes se disenan de tal manera que el par de reluctancia magnetica se pueda usar como unico momento enderezador para el movimiento oscilante rotatorio. Esto puede producirse, de una manera especialmente preferente, como parte de una simulacion numerica de los componentes individuales y las fuerzas que actuan entre ellos. Al mismo tiempo, la simulacion numerica hace que las correspondientes pruebas objetivas resulten innecesarias y que sea posible ajustar, anticipadamente y de forma muy precisa, los parametros individuales. Las otras etapas del proceso de fabricacion de motores electricos son muy conocidas y no son esenciales para la invencion. Por ese motivo no se describen por separado.

Ejemplos de parametros correspondientemente simulados y establecidos como especialmente sensibles son el angulo de apertura del rotor del al menos un componente de motor oscilante y el angulo del segmento de iman de la primera disposicion de imanes.

Segun una realizacion, el primer componente de motor oscilante tiene un rotor que se asigna a la primera disposicion de imanes, y el angulo de apertura del rotor junto con el angulo del segmento de iman del primer iman permanente se eligen de forma que, cuando el motor electrico esta en funcionamiento, se obtiene un curso esencialmente lineal del par de reluctancia entre el rotor y la primera disposicion de imanes a traves del angulo de deflexion maxima elegido.

Una realizacion especialmente preferente del motor electrico segun la invencion tiene, con la ayuda, por ejemplo, de la etapa del proceso segun la invencion para fabricar un motor electrico segun la invencion, geometrias preestablecidas que producen un curso lineal que es inferior al angulo de deflexion maxima, dependiendo del par de reluctancia magnetica del angulo de deflexion en al menos un area del angulo de deflexion del primer componente oscilante. De este modo, el par de reluctancia magnetica actua como un momento enderezador lineal, similar a un resorte mecanico.

Las realizaciones especialmente ventajosas del motor electrico segun la invencion hacen posible activar, de forma adicional, un movimiento oscilante de traslacion. Esto puede ser util, por ejemplo, en el caso de un cepillo de dientes electrico, cuando se desea obtener tanto un movimiento rotatorio de una cabeza de cerdas que sostiene las cerdas y un movimiento hurgador de traslacion de la cabeza de cerdas para eliminar la placa. Para ello, resulta especialmente adecuado que el movimiento oscilante de traslacion sea perpendicular al eje del movimiento oscilante rotatorio.

Para ello, una realizacion del motor electrico segun la invencion proporciona al menos un segundo componente de motor oscilante y una segunda disposicion de imanes que tiene, al menos, un segundo iman permanente que, en interaccion con un campo magnetico producido con el inductor, genera una fuerza para activar este movimiento oscilante de traslacion del al menos un segundo componente oscilante.

Otra realizacion proporciona una segunda disposicion de imanes que tiene, al menos, un iman permanente que, en interaccion con un campo magnetico producido con el inductor, genera una fuerza para activar un movimiento oscilante de traslacion adicional del al menos un primer componente de motor oscilante. La ultima realizacion simplifica aun mas la fabricacion de un motor electrico y reduce el numero de componentes, debido a que solo se necesita uno de los componentes del motor oscilante para proporcionar los dos movimientos oscilantes distintos. Por el contrario, en la primera realizacion, que tiene dos movimientos oscilantes, los movimientos oscilantes rotatorios y de traslacion se desacoplan mucho entre si, con lo que resulta muy facil ajustar [el motor] a las necesidades especificas.

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Cuando el diseno es tal que los movimientos oscilantes rotatorio y de traslacion tienen frecuencias de resonancia distintas, los movimientos individuales, que tienen frecuencias de activacion de la corriente de la bobina seleccionadas adecuadamente, se activan de forma selectiva o con distintas condiciones de amplitud. Por ejemplo, en el caso de un cepillo de dientes electrico, se pueden seleccionar distintos programas de limpieza mediante controles que tengan frecuencias correspondientes.

Una realizacion del motor electrico especialmente simple y facil de fabricar se caracteriza por que la primera disposicion de imanes comprende varios imanes permanentes dispuestos de forma coaxial al primer componente oscilante. Se pueden agrupar, por ejemplo, los imanes permanentes que tengan polos elegidos adecuadamente en una direccion circunferencial alrededor del primer componente oscilante. Una realizacion alternativa preve que los imanes permanentes de la primera y, opcionalmente, la segunda disposicion de imanes oscilen junto con el primer componente oscilante, dependiendo del tipo de rotor interior [utilizado].

En una realizacion que ocupa menos espacio, en la que el primer componente de motor oscilante efectua no solo el movimiento rotatorio, sino tambien el movimiento oscilante de traslacion, la segunda disposicion de imanes presenta, preferentemente, varios imanes permanentes conectados a los imanes permanentes de la primera disposicion de imanes en al menos una direccion axial.

En una realizacion preferente del motor electrico segun la invencion, en la que el movimiento oscilante rotatorio se produce por medio de un primer componente de motor oscilante y el movimiento oscilante de traslacion se produce por medio de un segundo componente de motor oscilante, se proporciona un elemento de guiado de flujo que se dispone de forma que guie el flujo magnetico producido con el inductor para la interaccion con el al menos segundo iman permanente. De esta forma se puede lograr facilmente que el movimiento rotatorio y el movimiento de traslacion sean independientes el uno del otro, y que el angulo de deflexion del componente de motor oscilante activado para el movimiento oscilante de rotacion no afecte al funcionamiento del componente de motor oscilante activado para el movimiento oscilante de traslacion, incluso en el caso de que ambos se activen por medio del campo magnetico del mismo inductor. El elemento de guiado de flujo puede comprender, por ejemplo, un yugo metalico que sujete las bobinas del inductor que producen el campo magnetico.

Un aparato electrico pequeno segun la invencion tiene al menos un elemento oscilante en al menos un sentido de rotacion que se activa por medio de un motor electrico segun la invencion para activar el al menos un movimiento oscilante rotatorio. Por ejemplo, el aparato electrico pequeno segun la invencion puede ser una maquina de afeitar electrica con un cabezal de corte. El motor electrico segun la invencion se puede utilizar de forma especialmente ventajosa en un cepillo de dientes electrico, en donde el elemento oscilante comprende un cabezal de cerdas.

La descripcion anterior de realizaciones especialmente ventajosas del motor electrico segun la invencion tiene como resultado disenos especialmente ventajosos del aparato electrico pequeno segun la invencion.

Las Figuras adjuntas, que representan realizaciones ilustrativas y esquematicamente distintas segun la invencion, describen la invencion en detalle:

La Figura 1 muestra, en un dibujo parcialmente transparente, una primera realizacion de un motor electrico segun la invencion;

La Figura 2 muestra un corte lateral a traves de la unidad de rotacion de una realizacion facilmente modificado de un motor electrico segun la invencion;

Las Figuras 3a y 3b son dibujos esquematicos que explican el momento enderezador del movimiento oscilante de rotacion de un motor electrico segun la invencion;

La Figura 4 muestra el curso del par de reluctancia en funcion del angulo de deflexion del rotor para un ejemplo de un motor electrico segun la invencion;

Las Figuras 5a y 5b son dibujos esquematicos que explican la potencia de reluctancia de una deflexion de traslacion del rotor en una realizacion de un motor electrico segun la invencion;

La Figura 6 muestra la disposicion de imanes permanentes de la primera y la segunda disposicion de imanes para una segunda realizacion de un motor electrico segun la invencion;

La Figura 7 es un dibujo esquematico de una tercera realizacion de un motor electrico segun la invencion;

La Figura 8 es un dibujo esquematico de una cuarta realizacion de un motor electrico segun la invencion;

La Figura 9 es un dibujo esquematico de una quinta realizacion de un motor electrico segun la invencion; y La Figura 10 es un dibujo esquematico de una sexta realizacion de un motor electrico segun la invencion.

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La Figura 1 muestra, en un dibujo parcialmente transparente, un motor electrico segun la invencion 10. En una carcasa metalica 12, ilustrada aquf de forma transparente para mostrar los componentes situados en su interior, se encuentra una primera disposicion de imanes que tiene imanes permanentes 14, 16, 18 y 20. En este caso, la disposicion se ha elegido de forma que, en el caso de los imanes 14 y 18, el polo sur magnetico se muestre orientado hacia el eje z, es decir, emitiendo radiacion hacia dentro, mientras que el polo norte magnetico se muestra emitiendo radiacion hacia fuera. En el caso de los imanes 16 y 20, por otro lado, el polo sur magnetico se muestra emitiendo radiacion hacia fuera y el polo norte magnetico se muestra emitiendo radiacion hacia dentro, hacia el eje z de rotacion. Estos imanes permanentes 14, 16, 18 y 20 forman la primera disposicion de imanes, que se utiliza para producir un movimiento oscilante de rotacion del rotor 22 alrededor del eje z de rotacion. Ademas, el motor electrico 10 tiene, en este caso, un inductor 24 electromagnetico de dos partes cuyas superficies de bobina son perpendiculares al eje x de coordenadas. El rotor 22 se fabrica de un material metalico adecuado y magnetizable, por ejemplo hierro.

Una segunda disposicion de imanes comprende imanes permanentes 26, 28, 30 y 32 conectados axialmente en la direccion z a los imanes de la primera disposicion de imanes. A pesar de que, en esta realizacion, la disposicion de los polos norte y sur de los imanes 30 y 32 se corresponde con la disposicion de los polos magneticos de los imanes 18 y 20 permanentes adyacentes de la primera disposicion de imanes, en el caso de los imanes permanentes 26 y 28, la polaridad es distinta a la de los imanes permanentes 14 y 16 de la primera disposicion de imanes, que estan conectados axial y directamente. En consecuencia, particularmente en el caso de los imanes 26 y 32, el polo sur se muestra emitiendo radiacion hacia fuera, mientras que el polo norte se muestra emitiendo radiacion hacia dentro, hacia el eje z. En el caso de los imanes permanentes 28 y 30, el polo norte se muestra emitiendo radiacion hacia fuera, mientras que el polo sur se muestra emitiendo radiacion hacia dentro, hacia el eje z. Los imanes 18 y 30, al igual que los imanes 20 y 32, tambien se pueden construir, por ejemplo, como una unidad. La carcasa 12 metalica y magnetizable proporciona un yugo magnetico para la disposicion de los imanes permanentes de la primera y de la segunda disposicion de imanes.

La Figura 2 muestra el corte lateral de una realizacion facilmente modificada en la amplitud de la primera disposicion de imanes, que se proporciona para obtener el movimiento oscilante de rotacion. Ademas, aquf se muestra la direccion de movimiento del movimiento R oscilante rotatorio y la direccion de movimiento del movimiento L oscilante de traslacion que el rotor 22 efectua cuando funciona a pleno rendimiento.

El ejemplo de la realizacion de la Figura 2 explica los parametros a y b., denotando b el angulo del segmento de iman, que es una medida de la dimension circunferencial de un iman permanente 14, 16, 18 y 20 de la primera disposicion de imanes; y denotando a el tamano correspondiente del rotor 22, dispuesto en este caso dentro de la primera disposicion de imanes, que gira alrededor del eje z, y que, en lo sucesivo, se denominara angulo de apertura del rotor. La Figura 2 muestra el motor electrico en la posicion “off”. En esa posicion, el rotor 22 es simetrico a la primera disposicion de imanes permanentes 14, 16, 18 y 20. El eje x mostrado forma entonces el eje central de la disposicion de la imagen especular del rotor 22 y la primera disposicion de imanes permanentes 14, 16, 18 y 20. El angulo b del segmento de iman se determina entre el eje central S (eje x) y las dimensiones maximas circunferenciales de la primera disposicion de imanes permanentes 14, 16, 18 y 20. El angulo a de apertura del rotor se determina igualmente entre el eje central (eje x) y las dimensiones maximas circunferenciales del rotor 22.

En la realizacion modificada de la Figura 2, la carcasa metalica 12 de dos capas en la zona de los imanes permanentes 14, 16, 18 y 20 se refuerza tambien por medio del refuerzo 34 de carcasa, que tambien es metalico y magnetizable, y que ayuda a mejorar el yugo magnetico de las lfneas del campo magnetico de los imanes permanentes.

La Figura 3 muestra, basandose en dos figuras esquematicas, el modo de accion basico de las realizaciones segun la invencion, que utiliza la reluctancia magnetica como el momento enderezador para el movimiento oscilante de rotacion. Las polaridades del campo magnetico de los imanes permanentes 14, 16, 18 y 20 del primer campo magnetico de una disposicion se indican en el dibujo por medio de flechas entre el polo sur (S) en la direccion del polo norte (N). Las lfneas del campo magnetico acoplan de una manera conocida la carcasa 12 (no mostrada en este caso) al refuerzo 34 de carcasa. La Figura 3A muestra la disposicion en una etapa en la que rotor 22 se encuentra en su posicion “off”.

Si la corriente de las bobinas esta conectada, como se muestra en el inductor 24 representado esquematicamente, el flujo magnetico del rotor metalico 22 se produce en la direccion de las lfneas 23 de flujo. Al mismo tiempo, se emplea una cruz en el corte lateral descrito del inductor 24 para simbolizar una direccion de la corriente opuesta a un punto en el corte lateral descrito. Se forman un polo sur magnetico y un polo norte magnetico (dibujados encima de esta en la figura). El rotor, que puede girar alrededor del eje z, intenta alinearse en este campo con la mmima energfa posible, de modo que se crea una fuerza en la direccion de la flecha R1 para desviar el movimiento oscilante de rotacion. Cuando el rotor 22 se ha alineado, por consiguiente, con la mfnima energfa, el polo norte del rotor 22 y el polo sur del iman permanente 14 se encuentran mutuamente opuestos, al igual que el polo sur del rotor 22 y el polo norte del iman permanente 20.

Si la corriente de las bobinas se pone ahora a cero, se creara una situacion como la de la Figura 3b. El flujo magnetico deja de estar presente dentro del rotor 22, que se inducirfa por la corriente de las bobinas del inductor 24. Las lfneas del campo magnetico dentro de los imanes 16 y 14, por un lado, y 20 y 18, por otro lado, intentan desviarse del rotor metalico 22, como se indica en la Figura. 3b mediante la flecha 25. Se puede minimizar la mayorfa de la energfa si el yugo de las lfneas del campo magnetico con respecto al rotor 22 es del mayor tamano posible. Este caso se da cuando el rotor se

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dispone de forma simetrica a los imanes permanentes 14 y 16, por un lado, y 18 y 20, por otro lado y, a este respecto, se alinea nuevamente de forma perpendicular en las figuras. Esto tiene como resultado una fuerza (fuerza de reluctancia magnetica) que devuelve al rotor 22 a su posicion “off” simetrica. La direccion de movimiento resultante se indica como R2 y se opone a la direccion de deflexion o R1, anteriormente explicada haciendo referencia a la Figura 3a.

En los motores electricos segun la invencion, en particular el angulo de apertura del rotor y el angulo b del segmento de iman se ajustan, con la ayuda de simulaciones numericas, de tal manera que, bajo otras condiciones geometricas, la fuerza de reposicion resultante tenga un valor deseado en la direccion R2 suficiente para producir un momento enderezador para el movimiento oscilante de rotacion del rotor 22. Esto hace que sean innecesarios otros resortes de retorno, particularmente, mecanicos. De forma alternativa, el angulo a de apertura del rotor y el angulo b del segmento de iman se pueden determinar mediante pruebas. En el caso de obtener datos tecnicos sobre el motor electrico (por ejemplo: par, frecuencia, potencia, medidas geometricas maximas, materiales), esto tiene como resultado una linealizacion optima del par de reluctancia a traves del campo angular dado del movimiento oscilante de rotacion del rotor. Es posible obtener una constante de resorte analoga con respecto al par de reluctancia de la forma que se describe a continuacion. Seleccionando el momento de masa de inercia, particularmente con respecto a la longitud del motor (esto es, en la direccion de la extension del eje del motor), es posible ajustar la frecuencia de resonancia deseada del motor electrico.

En todas las realizaciones descritas anteriormente y en lo sucesivo, particularmente el angulo a de apertura del rotor y el angulo b del segmento de iman se eligen de tal manera que, en un campo del angulo de deflexion del rotor 22 del mayor tamano posible, el par de reluctancia (que se corresponde con el par resultante de la fuerza de reluctancia) es una funcion lineal del angulo de deflexion. La Figura 4 muestra un ejemplo correspondiente en el que se da una conexion lineal de estas caracteristicas para un angulo de deflexion de hasta -15°. Debido a su dependencia lineal respecto al angulo de deflexion, el par de reluctancia actua entonces como un resorte de retorno mecanico. Concretamente con respecto al angulo de deflexion, el par de reluctancia linealizado tiene el efecto de proporcionar el par de reluctancia maximo. El valor de los cursos no linealizados del par de reluctancia es, al menos en subintervalos, inferior a la curva del par de reluctancia linealizada. Incluso una ligera desviacion (por ejemplo de 1 grado) del angulo a de apertura del rotor o del angulo b del segmento de iman, del valor optimo produce cursos no lineales y significativamente menores del par de reluctancia a traves del campo angular de deflexion deseado, lo que en ultima instancia significa que la fuerza de reluctancia ya no puede utilizarse por si misma como la unica fuerza de reposicion.

Asi, el movimiento rotatorio de esta realizacion se inicia activando la corriente de las bobinas del inductor 24, que inicia el movimiento R1 mostrado en la Figura 3a, que mueve el rotor 22 desde su posicion “off” mostrada en la Figura 3a. El corte de la corriente de las bobinas hace que las lineas de campo magnetico de los imanes permanentes 14 y 16, por un lado, y 18 y 20, por el otro, se desvien del rotor 22, lo que provoca que el par de reluctancia magnetica resultante se mueva en la direccion R2. Una eleccion adecuada de los parametros, en particular del angulo a de apertura del rotor y el angulo b del segmento de iman, facilita el diseno segun la invencion; el par de reposicion en la direccion R2 es suficiente para mantener el movimiento oscilante sin resortes de retorno mecanicos adicionales.

En la realizacion que se muestra en la Figura 1 de un motor electrico segun la invencion, la segunda disposicion de imanes, con los imanes permanentes 26, 28, 30 y 32, puede provocar, ademas del movimiento oscilante de rotacion, el movimiento oscilante L de traslacion en la direccion Y ya descrito en la Figura 2. El movimiento L corresponde a un movimiento de golpeteo, de manera que los imanes de la disposicion de imanes se denominaran tambien en adelante “imanes de golpeteo”.

La Figura 5 muestra las condiciones magneticas en la zona de los imanes 26, 28, 30 y 32 de golpeteo de la segunda disposicion de imanes, que en la realizacion de la Figura 1 conectan axialmente a la primera disposicion de imanes en la direccion del eje z.

Aunque la polaridad magnetica de los imanes 30 y 32 de golpeteo corresponde a la polaridad magnetica de los imanes 18 y 20, la polaridad magnetica de los imanes 26 y 28 es inversa a la polaridad magnetica de los imanes 14 y 16. Cuando se enciende la corriente de las bobinas del inductor 24, como se muestra en la Figura 5a, se crea el flujo magnetico (indicado por las lineas de flujo 23) en el rotor 22. Debido a la interaccion magnetica entre el rotor 22 y los imanes permanentes, 26, 28, 30 y 32, se crea una fuerza 38.

Debido a la fuerza 38, el rotor 22 se desvia de manera que efectua un movimiento de traslacion en la direccion y, creando la situacion que se muestra en la Figura 5b. Si, como se indica en la Figura 5b, la corriente de las bobinas del inductor 24 se pone a cero, se provoca una fuerza 40 de reluctancia magnetica que activa las lineas de campo magnetico en los imanes permanentes 28 y 32 para intentar desviarse del rotor 22 metalico y magnetizable, tal como se indica con las lineas 25 de campo magnetico.

La fuerza 40 de reluctancia actua aqui en la misma direccion que la fuerza 38 de golpeteo, por lo que un resorte mecanico 36 debe generar suficiente fuerza de contraposicion para que el rotor 22 no se presione contra los imanes. Solo se muestra esquematicamente que este resorte 36 se fija a la carcasa en un punto 37.

La Figura 6 muestra una realizacion modificada de la realizacion de la Figura 1, en la que la segunda disposicion de imanes de golpeteo se presenta dos veces. Cada segunda disposicion de imanes 26, 28, 30 y 32 se une a los

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dos lados axiales de la primera disposicion de imanes 14, 16, 18 y 20. A su vez, la Figura 6 muestra las polaridades de los imanes como flechas. La doble presencia de la segunda disposicion de imanes 26, 28, 30 y 32 aumenta el efecto de golpeteo que se explico con respecto a la Figura 5.

La Figura 7 muestra otra realizacion para generar un movimiento oscilante de rotacion. En este motor 48, los imanes permanentes 50 y 52 estan montados solidamente en el rotor 54 y forman, segun la nomenclatura elegida anteriormente, los imanes permanentes de una primera disposicion de imanes [sic]. Las polaridades de los elementos magneticos se indican como polos norte N y polos sur S. El rotor 54 gira alrededor del eje z junto con los imanes permanentes 50 y 52 en un area que esta parcialmente rodeada por dos estatores 58, en donde los estatores se disponen, como se muestra, en un inductor 56 de dos partes. Si se activa una corriente en el inductor 56, el flujo magnetico se induce en los estatores. Entonces se crea un polo norte en el extremo del rotor de un estator, mientras que se crea un polo sur en el extremo del rotor del otro estator 58. El yugo magnetico se produce a traves de la carcasa magnetizable 60.

En esta realizacion, la fuerza de reposicion necesaria para devolver el rotor a su posicion inicial esta formada tambien por la fuerza de reluctancia magnetica que se establece entre los imanes permanentes 50 y 52 y los estatores 58 despues de desconectar la corriente de las bobinas. Por ejemplo, las geometrias de los elementos individuales se eligen por simulacion numerica para que ningun otro elemento de reposicion, ademas de la fuerza de reluctancia magnetica, deba estar presente.

La realizacion de la Figura 7 tambien puede expandirse mediante imanes de golpeteo adicionales que se conectan a los imanes permanentes de la primera disposicion de imanes 50 y 52 en direccion axial. Con el uso de la realizacion de la Figura 7, ademas del movimiento de rotacion alrededor del eje Z, es posible un movimiento de golpeteo del rotor de una manera analoga a las realizaciones ya descritas.

La Figura 8 muestra otra realizacion de un motor 68, en el que el diseno es asimetrico y solo se usa un inductor 74. Como en la Figura 7, en este caso los imanes permanentes se mueven con el rotor 70 dentro de un estator solido 72. Se forma una disposicion de polos magneticos, por ejemplo (indicado por las letras N y S en el estator 72), en el estator 72 en el caso de una direccion de corriente de las bobinas correspondiente en el inductor 74. En el dibujo de la Figura 8 se pueden ver dos de cuatro imanes permanentes 76 de la primera disposicion de imanes, que se unen al rotor 70 y que son responsables del movimiento oscilante de rotacion de manera analoga a la de los imanes permanentes, 14, 16, 18 y 20 de la primera disposicion de imanes que se describe en relacion con las Figuras 1 a 5 y 6. No se pueden ver dos imanes permanentes adicionales de la primera disposicion de imanes en el dibujo de la Figura 8 porque el estator 72 los cubre.

Los imanes 80, 82, 84 y 86 de golpeteo de la segunda disposicion de imanes, que son responsables del movimiento oscilante L de traslacion en la direccion y, se conectan a ambos lados de los imanes permanentes de la primera disposicion de imanes en la direccion del eje z. Ademas, en la realizacion de la Figura 8, las geometrias se eligen de tal manera que, para el movimiento oscilante de rotacion alrededor del eje z, el par de reluctancia magnetica actua como un solo momento enderezador para devolver el rotor 70 a su posicion de inicio despues de la deflexion en la direccion de rotacion y la desconexion de la corriente de las bobinas.

Las realizaciones que se han descrito en relacion con las Figuras 1 a 8 se caracterizan por que el rotor, como primer componente oscilante, proporciona tanto el movimiento oscilante de rotacion como el movimiento oscilante de traslacion que se puede transferir, por ejemplo, directamente a una cabeza de cerdas de un cepillo de dientes.

La Figura 9 muestra una realizacion de un motor 100, en el que un primer componente oscilante esta formado por el rotor 22 que, en este caso, es responsable solo del movimiento oscilante de rotacion. El movimiento oscilante de rotacion lo produce una primera disposicion de imanes 14, 16, 18 y 20 a traves de un campo magnetico de un inductor 24, como ya se explico en relacion con la primera disposicion de imanes de la Figura 1. Dado que el modo de funcionamiento es el mismo que el de la realizacion de la Figura 1, se utilizaron los mismos numeros de referencia.

La magnetizacion de los imanes permanentes, 14, 16, 18 y 20 tambien es la misma que en la realizacion de la Figura 1.

En la realizacion de la Figura 9 tambien se dispone el rotor 22 dentro del inductor 24, que en este caso consta de dos elementos, y que en la disposicion mostrada produce un campo magnetico en la direccion x cuando la corriente pasa a traves de el. El rotor 22 rota alrededor del eje z que es magnetizado por el campo magnetico que se produce cuando se conecta el inductor.

Tambien se encuentra situado dentro de las bobinas del inductor 24 un elemento 102 de guiado del flujo en forma de U hecho de, por ejemplo, hierro, y que tiene una base 104 y dos piezas 106 y 108 laterales de guiado del flujo. Cuando se conecta la corriente de las bobinas, se induce un flujo magnetico en su interior, que es recibido por una segunda disposicion de imanes que comprende dos imanes permanentes, en donde los segmentos 110 y 112 son los polos sur y los segmentos 114 y 116 son los polos norte. Los segmentos magneticos estan solidamente conectados a un rotor 118 que se monta de tal manera que pueda llevar a cabo un movimiento oscilante de traslacion en la direccion L.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

La induccion por parte del inductor 24 de un flujo magnetico en el elemento 102 de guiado del flujo provoca una alineacion de minimizacion de energia de los imanes de la segunda disposicion de imanes 110, 112, 114 y 116, que hace que el rotor 118 se mueva en la direccion x, es decir, en la direccion radial con respecto del eje z rotacion del rotor 22.

El rotor 22, el elemento 102 de guiado del flujo y el rotor 118 tienen, cada uno, un agujero central a traves del cual se conduce un eje (no mostrado) que el rotor 22 ayuda a girar. Al mismo tiempo, el agujero central del rotor 118 tiene, como minimo, unas dimensiones lo suficientemente grandes para que un eje conectado al rotor 22 no participe en el movimiento oscilante L de traslacion del rotor 118.

Los movimientos oscilantes del rotor 118 y del rotor 22 por lo tanto son independientes uno del otro. El rotor 118 y el rotor 22 pueden, por tanto, utilizarse, si es necesario, como transmisiones independientes para un movimiento oscilante de traslacion (L) y de rotacion (R).

Ademas, en la realizacion de la Figura 9, similar a la realizacion de la Figura 1, las geometrias de los elementos individuales, en particular el angulo de apertura de rotor del rotor 22 y el angulo del segmento de iman de los imanes permanentes de la primera disposicion de imanes, se eligen de tal manera que el par de reluctancia magnetica actua como una fuerza de reposicion para el movimiento oscilante de rotacion.

La Figura 10 muestra otra realizacion del motor electrico 128 segun la invencion, en la que el movimiento oscilante de rotacion y el movimiento oscilante de traslacion se llevan a cabo por dos elementos independientes.

En este caso, un inductor 130 rodea un nucleo 132 metalico y magnetizable. En la disposicion de la Figura 10, la alineacion longitudinal del nucleo 132 es paralela al eje del inductor.

En la Figura 10, la primera disposicion de imanes responsable de la rotacion se dispone debajo el inductor 130 y comprende los imanes permanentes 134, 136 y 138. Un cuarto iman permanente (no visible en el dibujo de la Figura 10) forma un rectangulo junto con los imanes permanentes 134, 136 y 138. La polaridad de los imanes permanentes esta, en cada caso, indicada por las letras N (polo porte) y S (polo sur). La polaridad del iman invisible corresponde a la del iman permanente 136. Debajo del iman permanente se encuentra un elemento 140 metalico y magnetizable, como un yugo magnetico. Cuando se induce una corriente en el inductor 130 que lleva, por ejemplo, a la formacion de un polo norte en el extremo inferior del nucleo 132, se activa un movimiento de los imanes permanentes 134, 136 y 138 junto con el yugo metalico 140 alrededor del eje z. En la Figura 10, sobre el inductor 130 se disponen los imanes permanentes de una segunda disposicion de imanes que es responsable de un movimiento de golpeteo. La polaridad de estos imanes permanentes 142 y 144 tambien esta indicada por las letras N (polo norte) y S (polo sur). Cuando se activa una corriente en el inductor 130 que genera un flujo magnetico en el nucleo metalico 132 que conduce al polo sur en el extremo superior del nucleo 132, la disposicion de los imanes permanentes 142 y 144 en la Figura 10 se mueve hacia la izquierda. La inversion de la polaridad de la direccion de la corriente produce un movimiento hacia la derecha. Los imanes permanentes 142 y 144 se acoplan magneticamente por medio de un elemento 146 que comprende un material metalico magnetizable adecuado.

El numero 148 de referencia se refiere a partes de la carcasa.

La disposicion y el diseno de los imanes permanentes 134, 136 y 138 en relacion con el nucleo 132 pueden determinarse por simulacion numerica, por lo que tambien en esta realizacion la fuerza de reluctancia magnetica actua como un momento enderezador para el movimiento oscilante de rotacion. Asi, el elemento 140 puede actuar como salida para un movimiento oscilante de rotacion y el elemento 146 puede actuar como salida para un movimiento oscilante de traslacion.

La caracteristica, segun la invencion, en la que la fuerza de reluctancia magnetica se utiliza como el unico momento enderezador para el movimiento oscilante de rotacion es comun a todas las realizaciones que se han descrito.

Para garantizar que la fuerza de reluctancia magnetica proporcione una fuerza de reposicion adecuada para el movimiento oscilante de rotacion, la invencion establece el siguiente procedimiento. En primer lugar, se compilan los requisitos deseados del motor (por ejemplo: par, frecuencia, rendimiento, medidas geometricas maximas u otras limitaciones de diseno). Se acepta un sistema de motor que, por ejemplo, corresponda a una de las realizaciones mostradas. En particular, el angulo b del segmento de iman y el angulo a de apertura del rotor, como se explico con relacion a la Figura 2, o las dimensiones relevantes en el caso de otras geometrias, se varian como parte de una simulacion numerica hasta encontrar una configuracion adecuada en la que el par de reluctancia sea lineal en todo el campo angular prescrito.

Por ultimo, puede establecerse la frecuencia deseada para el movimiento oscilante de rotacion. Para ello, se determina una constante de resorte analoga a partir del par de reluctancia y el angulo de deflexion. Si el curso lineal del par de reluctancia depende del angulo (como ocurre, por ejemplo, en la Figura 4), la constante del resorte es constante. Tambien se calcula el momento de masa de inercia del rotor, incluido el eje. La frecuencia de oscilacion resultante es entonces (1/(2 n)) ■ (constante de resorte/momento de masa de inercia)'72. Este ejemplo simplemente calcula la frecuencia de un oscilador de una sola masa, en donde una segunda masa formada, por ejemplo, por la carcasa, puede incluirse en el calculo de una manera conocida. Variando, en particular, el angulo del segmento de iman y el angulo de apertura del rotor,

se puede elegir el curso del par de reluctancia como una funcion del angulo de deflexion, es decir, la constante de resorte. La frecuencia deseada puede elegirse seleccionando adecuadamente la constante de resorte y el momento de inercia.

En las realizaciones que proporcionan un movimiento oscilante tanto de rotacion como de traslacion, la fuerza de 5 reposicion para el movimiento oscilante de traslacion puede garantizarse por elementos de reposicion mecanicos. En particular, la frecuencia de resonancia del movimiento oscilante de traslacion puede ajustarse alejada de la frecuencia de resonancia del movimiento oscilante de rotacion, de manera que se puedan activar las oscilaciones individuales de forma independiente una de la otra, siempre que la activacion de la corriente de las bobinas del inductor corresponda a la frecuencia de resonancia de uno de estos movimientos oscilantes.

10

Listado de numeros de referencia

10

12

14, 16, 18, 20 22

23

24

25

26, 28, 30 y 32 34

37

38 40 48

50, 52

54

56

58

60

68

70

72

74

76

80, 82, 84, 86 100 102 104

106, 108

110, 112, 114, 116

118

128

130

132

134, 136, 138 140

142, 144

146

148

R

L

R1, R2 z N S

Motor electrico Carcasa

Imanes permanentes de la primera disposicion de imanes Rotor

Lineas de flujo magnetico Inductor

Lineas de campo magnetico

Imanes permanentes de la segunda disposicion de imanes

Refuerzo de la carcasa

Punto fijado a la carcasa

Fuerza de golpeteo

Fuerza de reluctancia

Motor electrico

Imanes permanentes

Rotor

Inductor

Estator

Carcasa

Motor electrico

Rotor

Estator

Inductor

Imanes permanentes de la primera disposicion de imanes

Imanes permanentes de la segunda disposicion de imanes

Motor electrico

Elemento de guiado del flujo

Base del elemento de guiado del flujo

Pieza lateral de guiado del flujo

Segmentos magneticos de la segunda disposicion de imanes Rotor

Motor electrico Inductor

Nucleo del inductor

Imanes permanentes de la primera disposicion de imanes Yugo magnetico

Imanes permanentes de la segunda disposicion de imanes

Yugo magnetico

Partes de la carcasa

Movimiento oscilante de rotacion

Movimiento oscilante de traslacion

Direccion de movimiento de rotacion

Eje de rotacion

Polo Norte

Polo Sur

Claims (10)

1.

10

15

20

2.

25

30 3.

35

4.

5.

40

6.

45

7.

50 8.

9.

55

10.

60

11.

65 12.

REIVINDICACIONES

Motor electrico (10, 48, 68, 100, 128) para hacer funcionar un dispositivo electrico pequeno que tiene

- al menos un primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante,

- un inductor (24, 56, 74, 130) para producir un campo magnetico, y

- una primera disposicion de imanes que tiene, al menos, un primer iman permanente (14, 16, 18, 20; 50, 52; 76; 134, 136, 138) que, en interaccion con un campo magnetico producido con el inductor (24, 56, 74, 130) genera una fuerza para activar un movimiento (R) oscilante de rotacion del al menos un primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante alrededor de un eje (z) de rotacion,

caracterizado por que

el al menos un primer componente (22, 54, 70) de motor oscilante y la primera disposicion de imanes estan disenados de tal manera que el par de reluctancia magnetica que actua entre el primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante y el al menos un iman permanente (14, 16, 18, 20; 50, 52; 76; 134, 136, 138) de la primera disposicion de imanes actua como fuerza de reposicion exclusiva para el movimiento (R) oscilante de rotacion para mantener el movimiento oscilante sin ningun resorte de retorno mecanico adicional.

Motor electrico segun la reivindicacion 1, caracterizado por al menos un segundo componente (118, 146) de motor oscilante y una segunda disposicion de imanes que tiene, al menos, un segundo iman permanente (110, 112, 114, 116; 142, 144) que en interaccion con un campo magnetico producido con el inductor (24, 130) genera una fuerza para activar un movimiento (L) oscilante de traslacion del al menos un segundo componente (118, 146) de motor oscilante.

Motor electrico segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por que una segunda disposicion de imanes que tiene, al menos, un segundo iman permanente (26, 28, 30, 32; 80, 82, 84, 86) que en interaccion con un campo magnetico producido con un inductor (24, 74) genera una fuerza para activar un movimiento (L) oscilante de traslacion del al menos un primer componente (22, 70) de motor oscilante.

Motor electrico segun cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que el movimiento (L) oscilante de traslacion es perpendicular al eje (z) de rotacion del movimiento (R) oscilante de rotacion.

Motor electrico segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por que los movimientos oscilantes (L) de traslacion y (R) de rotacion tienen diferentes frecuencias de resonancia.

Motor electrico segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por que los imanes permanentes de la primera (76) y la segunda (80, 82, 84, 86) disposicion de imanes se mueven con el primer componente (70) de motor oscilante.

Motor electrico segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la primera disposicion de imanes comprende varios imanes permanentes (14, 16, 18, 20; 50, 52; 76) dispuestos coaxialmente al primer componente oscilante (22, 54, 70).

Motor electrico segun la reivindicacion 9 y la reivindicacion 3, caracterizado por que la segunda disposicion de imanes comprende varios imanes permanentes (26, 28, 30, 32; 80, 82, 84, 86) que estan conectados en al menos una direccion axial a los imanes permanentes (14, 16, 18, 20, 76) de la primera disposicion de imanes.

Motor electrico segun la reivindicacion 2 o cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado por al menos un elemento (102) de guiado de flujo que se dispone de tal manera que guia flujo magnetico producido con el inductor (24) para la interaccion con el al menos un segundo iman permanente (110, 116; 112, 114).

Motor electrico segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el eje del al menos un inductor (24, 56, 74) y el eje (z) de rotacion del movimiento (R) oscilante de rotacion son perpendiculares entre si.

Dispositivo electrico pequeno que tiene, al menos, un elemento oscilante en al menos una direccion de rotacion, caracterizado por un motor electrico (10, 48, 68, 100, 128) segun una de las reivindicaciones anteriores para activar al menos el movimiento (R) oscilante de rotacion.

Dispositivo electrico pequeno segun la reivindicacion 11, caracterizado por que esta disenado como un cepillo dental electrico y el al menos un elemento oscilante comprende un cabezal de cerdas.

13. Metodo para hacer funcionar un motor electrico (10, 48, 68, 100, 128) para un dispositivo electrico pequeno que tiene al menos un primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante, un inductor (24, 56, 74, 130) para producir un campo magnetico y una primera disposicion de imanes que tiene al menos 5 un iman permanente (14, 16, 18, 20; 50, 52; 76; 134, 136, 138) que, en interaccion con un campo

magnetico producido con el inductor (24, 56, 74, 130) genera una fuerza para activar un movimiento (R) oscilante de rotacion del al menos un primer componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante,

caracterizado por que

10

el par de reluctancia magnetica que actua entre el al menos un componente (22, 54, 70, 140) de motor oscilante y el al menos un iman permanente (14, 16, 18, 20; 50, 52; 76; 134, 136, 138) de la primera disposicion de imanes se utiliza como la unica fuerza de reposicion para el movimiento (R) oscilante de rotacion para mantener el movimiento oscilante sin ningun tipo de resorte de retorno mecanico adicional.