WO1981000331A1 - Petit moteur a courant alternatif avec rotor a aimant permanent a mouvement alternatif - Google Patents

Petit moteur a courant alternatif avec rotor a aimant permanent a mouvement alternatif Download PDF

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WO1981000331A1
WO1981000331A1 PCT/CH1980/000083 CH8000083W WO8100331A1 WO 1981000331 A1 WO1981000331 A1 WO 1981000331A1 CH 8000083 W CH8000083 W CH 8000083W WO 8100331 A1 WO8100331 A1 WO 8100331A1
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rotor
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PCT/CH1980/000083
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G Cuenoud
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Les Produits Associes Broxo SA
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C17/00—Devices for cleaning, polishing, rinsing or drying teeth, teeth cavities or prostheses; Saliva removers; Dental appliances for receiving spittle
    • A61C17/16—Power-driven cleaning or polishing devices
    • A61C17/22—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like
    • A61C17/32—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating
    • A61C17/34—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating driven by electric motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/02—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs
    • H02K33/04—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs wherein the frequency of operation is determined by the frequency of uninterrupted AC energisation
    • H02K33/06—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs wherein the frequency of operation is determined by the frequency of uninterrupted AC energisation with polarised armatures

Definitions

  • the invention relates to an AC small motor with an oscillating permanent-magnet rotor, in particular for the oscillating drive of a toothbrush attached to the rotor shaft, with a cylindrical, diametrically magnetized permanent magnet as a rotor and with a fixed coil.
  • Known AC motors of this type (FR-PS 1 470 893) have rather complicated stator structures with a plurality of stator parts in double T or Z shape, the inner beams forming curved poles and the radially oriented central parts being surrounded by the stator coils.
  • the motor In a known electric toothbrush (DE-PS 1119819), the motor is mounted in a housing-like handle and has a rotor that vibrates at the frequency of the supply voltage and on the shaft of which an interchangeable plug-in toothbrush can be placed. When connecting the motor to the AC network the toothbrush swings at the mains frequency around the brush axis.
  • the oscillating armature of this known AC motor is designed in the form of a salient pole rotor which has a permanent magnet with soft iron pole shoes and is held in its rest position by a return spring.
  • the stand has two pole-forming, winding-free pole shafts which are oriented in the longitudinal direction of the housing and are diametrically opposite one another; the pole shafts have legs which are extended beyond the area of the oscillating armature in the direction of the rear end of the housing and which are connected by a transverse yoke which carries the stator winding.
  • the invention has for its object to improve the engine efficiency compared to known AC motors with an oscillating rotor in such a way that either approximately the same torque with reduced power consumption or a higher torque can be achieved with approximately the same power consumption, and furthermore the structure of the motor is particularly compact and simple to design.
  • the higher efficiency makes it possible, in particular, to operate the motor with low voltage, for example with 20 V, which is particularly advantageous for safety reasons, particularly in the case of electric toothbrushes or massage devices.
  • Such a handheld device can then preferably be fed from the network via a transformer and does not have to meet any strict regulations with regard to its electrical insulation.
  • this object is achieved in that the coil is oriented with its axis perpendicular to the rotor axis and surrounds the permanent magnet, wherein their turns are substantially rectangular, and that the stator is a tubular, coaxial to the rotor axis housing part made of magnetizable material, which encloses the coil.
  • the coil can preferably be composed of two essentially identical partial coils, the contact plane of which passes through the rotor axis and which, depending on the supply voltage used, can be connected in series or in parallel.
  • the stand has a rectangular cross section with a long and with a short side surface pair, the long side surfaces forming preferred poles and thus a geometry with a variable reluctance depending on the position of the rotor, without special pole shoes or differently shaped projecting poles being provided .
  • the torque exerted by the magnetic coil field on the rotor by means of the rectangular stator geo
  • the resulting static torque is amplified, which tries to rotate the rotor so that the magnetization direction of the permanent magnet is parallel to the short side surfaces of the stator.
  • the coil axis must be oriented perpendicular to the long side surfaces of the stator and the rotor in its rest position must be held in a position in which the direction of the diametrical rotor magnetic field perpendicular to the coil axis by means of suitable return means, for example a return spring and is therefore parallel to the long side surfaces of the stand.
  • suitable return means for example a return spring and is therefore parallel to the long side surfaces of the stand.
  • a similarly effective effect is provided by an octagonal cross-section with a pair of opposite side faces that are larger than the other side faces.
  • the same effect can also be achieved by choosing a cylindrical stator housing with two projecting stator poles diametrically opposite on its inner circumference.
  • the stator is merely a cylindrical sleeve without projecting poles, and because of the symmetrical stator geometry, no additional static torque acts on the rotor.
  • FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment with a rectangular stator housing in an exploded arrangement of the individual parts
  • FIG. 6 is a perspective view of a second embodiment with a cylindrical stator housing in an exploded arrangement of the individual parts
  • FIG. 7 shows the assembled motor according to FIG. 6, but with the stand cut open
  • FIG. 11 shows a cross section through an octagonal, two-part stand of a third embodiment.
  • the stator 1 of the AC motor consists of a tubular housing part with right corner-shaped cross section, which consists of magnetizable material and has the long or large side surfaces la and the short or small side surfaces 1b.
  • the rotor attached to the rotor shaft 5 consists of a cylindrical permanent magnet 4 with diametrical magnetization. The poles are indicated in Fig. 1 by the letters N and S.
  • the rotor shaft 5 can consist of magnetic material.
  • the permanent magnet 4 is surrounded over its entire length by a coil consisting of two partial coils 2 and 3, the axis of which runs perpendicular to the rotor shaft 5 and perpendicular to the long side faces la of the stator 1 and whose winding direction is indicated in FIG. 2 by arrows.
  • the turns are essentially rectangular and are adapted to the longitudinal section through the axis of the cylindrical permanent magnet 4.
  • the partial coils 2 and 3 are constructed identically and lie with their inwardly facing surfaces oriented parallel to their winding planes in a plane passing through the rotor axis; the edges of the partial bobbin running diametrically to the rotor have approximately semicircular recesses 2a, 2b and 3a, 3b in the middle, which in the assembled state complement each other to provide openings for the passage of the rotor shaft 5.
  • the outer circumference of the two partial coils 2 and 3 is adapted to the inner circumference of the rectangular stator 1, which in this way holds the coil essentially in a form-fitting manner, the rectangular coil openings 2c and 3c lying in front of the long stator side surfaces la.
  • the inner circumference of the partial coils 2 and 3 is adapted to the cylindrical shape of the permanent magnet 4.
  • the permanent magnet 4 of the shell-shaped partial coils 2 and 3 is complete and with only little play surrounded, the free space between the rotor and the stand is practically completely filled by the coil turns.
  • the coil arrangement can also be designed such that it only partially fills the free space within the stator.
  • stator 1 The end faces of the stator 1 are closed by two rectangular flanges 6 and 7 which are adapted to the stator opening cross section and which have bearing openings 8 and 9 in the middle for the passage of the rotor shaft 5 and which can optionally consist of magnetic material.
  • the motor described can typically have an axial length of approximately 55 mm, a height of approximately 20 mm and a width of approximately 15 mm.
  • the power consumption when operating at 50 Hz or at 60 Hz can typically be between 1.3 and 1.6 W.
  • the motor described works as follows: by means of a restoring means, for example a restoring spring 20 indicated in FIG. 2 and surrounding the rotor shaft 5, the permanent magnet rotor 4 is forced into a position in the rest position, which is shown in FIG. 2 and in which the direction of the diametrical rotor magnetic field is perpendicular to the coil axis.
  • a restoring means for example a restoring spring 20 indicated in FIG. 2 and surrounding the rotor shaft 5
  • the permanent magnet rotor 4 is forced into a position in the rest position, which is shown in FIG. 2 and in which the direction of the diametrical rotor magnetic field is perpendicular to the coil axis.
  • stator housing 1 now has two additional advantageous effects.
  • this stator geometry allows, for a given amount of copper in the coil wire, the generation of a relatively high field in the axial direction of the coil.
  • the magnetic circuit has a reluctance which is relatively strongly dependent on the angle between the magnetization axis of the rotor magnet 4 and the large axis of symmetry of the stator rectangular cross section, since the two long or large side surfaces la of the stator 1 have the function of preferred poles.
  • the effect of this variable reluctance is as follows: If the rotor is deflected a little from its rest position shown in FIG.
  • the size of the vibration angle of the rotor depends on the external load and on the coordination of the mechanical vibration system, i.e. on the mass of the rotor and the object attached to it, on the characteristic of the restoring means and on the damping or Friction. Under certain circumstances, this angle can be 180 and possibly even exceed this value. If no measures are provided to limit the angle of the rotor and the rotor is therefore free, the motor can behave like a rotating, single-phase synchronous motor. For the special application of the motor to the drive of a toothbrush, however, the oscillation angle of the rotor and thus the oscillation movement of the toothbrush about the brush axis is limited to an angle of approximately 60 or less.
  • the second exemplary embodiment of an engine according to the invention according to FIGS. 6 to 10 differs from the first embodiment in that the stator 11 consists of a cylindrical sleeve, that accordingly the outer circumference of the coil, which in turn is formed from two identical partial coils 12 and 13, is cylindrical in adaptation to the stator inner circumference and that the end flanges 16 and 17, the again have bearing openings 18 and 19 for the passage of the rotor shaft 5, are circular to match the opening cross section of the stator 11.
  • the rotor in turn, as in the first embodiment, consists of a cylindrical permanent magnet 4 with diametrical magnetization fastened to the rotor shaft 5.
  • the two partial coils 12 and 13 are constructed, oriented and arranged in the stator 11 in exactly the same way as in the first exemplary embodiment.
  • stator pole pieces 14 and 15 made of magnetizable material are provided in the second exemplary embodiment according to FIG. which are diametrically opposed to one another and rest against the inner circumference of the stand 11 or are fastened there.
  • these two stator pole pieces 14 and 15 have the shape of hollow cylinder segments and are adapted to the shape of the openings 12c and 13c of the partial coils 12 and 13, respectively, so that they engage in these coil openings in the assembled state of the motor.
  • stator poles 14 and 15 which can also be designed in any other way or can be fastened or molded onto the inner circumference of the stator, effect practically the same static torque effect, which was described with reference to the first exemplary embodiment and which has the consequence that the rotor magnet 4, as soon as it is deflected somewhat from its rest position shown in FIG. 7, experiences a torque which causes it to move 90 out of its rest position seeks to rotate and which overlaps the torque generated by the coil field.
  • the projecting stator poles increase the coil field.
  • an AC motor according to the invention can also have a stator which only consists of a cylindrical housing 11 (FIG. 6) and has no projecting stator poles.
  • This construction of a motor is particularly simple and has the advantage of an indifferent balance with respect to the rotation of the rotor.
  • FIG 11 shows the octagonal stator 21 in cross section of a further embodiment of a motor according to the invention, in which, analogously to the example according to Figure 1, the two coil halves (not shown) are adapted with their outer circumference to the octagonal stator inner circumference and advantageously practically the entire free space between the stator and take runners.
  • two identical shell-shaped stator halves 21 'and 21 "are provided in the example according to FIG with the help of flanges adapted to the octagonal column cross section can happen, which, like the flanges 6 and 7 of Figure 1, form the stator end faces.
  • the two opposite side surfaces 21a of the stand 21 are larger than the other side surfaces, and the coil axis is oriented perpendicular to these large side surfaces, so that there are very similar advantageous effects as for the rectangular stand 1 according to FIG. 1 with its long side surface pair la and its short side surface pair 1b.
  • the distance between the side faces oriented perpendicular to the large side faces 21a can generally be between 10 and 50%, preferably about 30% larger than the distance between the large side faces 21a. This also applies to the dimensions of the rectangular stand according to FIG. 1.
  • An octagonal stator shape according to FIG. 11 has the additional advantages that the motor can be accommodated particularly well and in a space-saving manner in a handle-like housing with an oval cross section, as is typically used for electric toothbrushes, and that the maximum radial distance between the rotor and the stator sleeve compared to the diagonal dimensions of a rectangular stand is reduced; this reduces the volume of air or copper within the magnetic circuit and thus increases the field.
  • a more favorable characteristic curve of the torque is obtained as a function of the rotor angle.
  • the stands 1 and 11 can each be composed of two halves, analogously to the stand 21 according to FIG. 11.
  • the preferred application of the AC motor according to the invention is the installation in the handle-like housing of an electric toothbrush with interchangeable toothbrushes; Due to the relatively low power consumption, such an electric toothbrush can then be supplied with low voltage via a transformer from the network, so that practically no problems with the electrical insulation occur.
  • the motor according to the invention is also suitable for other purposes, for example for massage devices and for all applications in technical fields in which a rapid periodic movement plays a role, such as in small pumps.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments described, but allows multiple variants with regard to the design and assembly of the individual parts, in particular with regard to the stator cross section, which can also be oval, square or generally polygonal, and with regard to the coils.

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Description

Wechselstrom-Kleinmotor mit pendelndem dauermagnetischen Läufer
Die Erfindung bezieht sich auf einen WechselstromKleinmotor mit pendelndem dauermagnetischen Läufer, insbesondere zum oszillierenden Antrieb einer an der Läuferwelle befestigten Zahnbürste, mit einem zylindrischen, diametral magnetisierten Dauermagneten als Läufer und mit feststehender Spule.
Bekannte Wechselstrommotoren dieser Art (FR-PS 1 470 893) haben ziemlich komplizierte Ständerstrukturen mit mehreren Ständerteilen in Doppel-T- oder Z-Form, wobei die innen liegenden Balken gekrümmte Pole bilden und die radial orientierten Mittelteile von den Ständerspulen umgeben sind.
Bei einer bekannten elektrischen Zahnbürste (DE-PS 1119819) ist der Motor in einem gehäuseartigen Handgriff gelagert und hat einen mit der Frequenz der speisenden Spannung schwingenden Läufer, auf dessen Welle eine auswechselbare Steckzahnbürste aufsetzbar ist. Beim Anschluss des Motors 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 hat und von einer Rückstellfeder in seiner Ruhelage gehalten wird. Der Ständer hat zwei Pole bildende, wicklungslose PolSchäfte, 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 darüberhinaus 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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, 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 rohrformiges, zur Läuferachse koaxiales Gehäuseteil aus magnetisierbarem Material ist, welches die Spule umschliesst.
Dadurch ergibt sich ein einfacher, raumsparender Aufbau und ein optimaler Wirkungsgrad, weil der den Läufer bildende, einfache zylindrische Dauermagnet auf seiner gesamten Länge von der feststehenden Spule umgeben ist, die ihrerseits innerhalb des einfachen rohrförmigen Ständers liegt. Bei dieser kompakten Anordnung mit einem zum Ständer koaxialen Läufer und dazwischenliegender Spule, die vorzugsweise fast den ganzen freien Raum innerhalb des Ständers - natürlich mit Ausnahme des für den Läufer erforderlichen Spiels - einnehmen kann, sind die Streuverluste auf ein Minimum beschränkt. Ausserdem wird der von Spule und Ständer eingenommene Platz optimal genutzt.
Die Spule kann vorzugsweise aus zwei im wesentlichen gleichen Teilspulen zusammengesetzt sein, deren Berührungsebene durch die Läuferachse geht und die, je nach der verwendeten Speisespannung, in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Ständer 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 LauferStellung 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 Ständergeo metrie 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 senkrecht zu den langen Seitenflächen des Ständers orientiert sein und der Läufer in seiner Ruhelage durch geeignete Rückstellmittel, zum Beispiel eine Rückstellfeder, in einer Stellung gehalten werden, in der die Richtung des diametralen Läufermagnetfeldes senkrecht zur Spulenachse und damit parallel zu den langen Seitenflächen des Ständers liegt. Einen ähnlichen Effekt liefert ein im Querschnitt achteckiger Ständer mit einem Paar gegenüberliegender Seitenflächen, die grösser als die anderen Seitenflächen sind. Die gleiche Wirkung lässt sich auch dadurch erzielen, dass man ein zylindrisches Ständergehäuse mit zwei an seinem Innenumfang diametral gegenüberliegenden vorspringenden Ständerpolen wählt.
Bei einer besonders einfachen Ausführungsform ist der Ständer lediglich eine zylindrische Hülse ohne vorspringende Pole, wobei wegen der symmetrischen Ständergeometrie kein zusätzliches statisches Drehmoment auf den Läufer wirkt.
Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen elektrischen Bauteile 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,
Fig. 10 eine Aussenansicht des Motors, und
Fig. 11 einen Querschnitt durch einen achteckigen, zweiteiligen Ständer einer dritten Ausführungsform.
Nach Fig. 1 besteht der Ständer 1 des Wechselstrommotors aus einem rohrförmigen Gehäuseteil mit recht eckförmigem Querschnitt, welches aus magnetisierbarem Material besteht und die langen bzw. grossen Seitenflächen la und die kurzen bzw. kleinen Seitenflächen 1b 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 magnetischem 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 Längsschnitt 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 Oeffnungen 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 formschlüssig 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 schalenförmigen Teilspulen 2 und 3 vollständig und mit nur geringem Spiel umgeben, wobei der freie Raum zwischen Läufer und Ständer praktisch vollständig von den Spulenwindungen ausgefüllt ist. Gegebenenfalls kann die Spulenanordnung aber auch so ausgebildet sein, dass sie den freien Raum innerhalb des Ständers nur zum Teil ausfüllt.
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 rechteckförmige, dem Ständeröffnungsquerschnitt angepasste Flansche 6 und 7 verschlossen, welche in der Mitte Lageröffnungen 8 bzw. 9 für den Durchtritt 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 Grosse 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 Grosse M = m.H.sinct ausgeübt wird, wobei α 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 Spulendrahtes, die Erzeugung eines verhältnismässig hohen Feldes in Achsenrichtung der Spule. Zum andern weist der magnetische Kreis eine Reluktanz auf, die verhältnismässig stark vom Winkel zwischen der Magnetisierungsachse des Läufermagneten 4 und der grossen Symmetrieachse 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 Grosse m, also das magnetische Moment des Läufermagneten, vom erwähnten Winkel α abhängt.
Unter gegebenen elektrischen und magnetischen Bedingungen hängt die Grosse 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 erfindungsgemässen 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 Ständerinnenumfang, 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 Oeffnungsquerschnitt 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 Figur 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 Figur 6 haben diese beiden Ständerpolstücke 14 und 15 die Form von Hohlzylindersegmenten und sind der Gestalt der Oeffnungen 12c bzw. 13c der Teilspulen 12 bzw. 13 angepasst, so dass sie im montierten Zustand des Motors in diese Spulenoeffnungen 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 Figur 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.
Figur 11 zeigt den im Querschnitt achteckigen Ständer 21 einer weiteren Ausführungsform eines Motors nach der Erfindung, bei welchem, analog dem Beispiel nach Figur 1, die beiden nicht gezeigten Spulenhälften mit ihrem Aussenumfang dem achteckigen Ständerinnenumfang angepasst sind und vorteilhafterweise praktisch den gesamten freien Raum zwischen Ständer und Läufer einnehmen. Zur Erleichterung der Fertigung und der Montage des Motors sind im Beispiel nach Figur 11 zwei gleiche schalenförmige Ständerhälften 21' und 21" vorgesehen, die in einer wenigstens näherungsweise durch die Längsachse des Ständers 21 gehenden Ebene zusammengesetzt und in beliebiger Weise miteinander befestigt sind, was beispielsweise mit Hilfe von dem achteckigen Ständerquerschnitt angepassten Flanschen geschehen kann, welche, wie die Flansche 6 und 7 nach Figur 1, die StänderStirnseiten bilden. Die beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 21a des Ständers 21 sind grösser als die übrigen Seitenflächen, und die Spulenachse ist senkrecht zu diesen grossen Seitenflächen orientiert, so dass sich ganz ähnliche vorteilhafte Effekte ergeben, wie sie für den rechteckförmigen Ständer 1 nach Figur 1 mit seinem langen Seitenflächenpaar la und seinem kurzen Seitenflächenpaar 1b erläutert wurden. Der Abstand zwischen den senkrecht zu den grossen Seitenflächen 21a orientierten Seitenflächen kann im allgemeinen zwischen 10 und 50%, vorzugsweise um etwa 30%, grösser sein als der Abstand zwischen den grossen Seitenflächen 21a. Das gilt auch für die Abmessung des rechteckförmigen Ständers nach Fig. 1.
Eine achteckige Ständerform nach Figur 11 bringt die zusätzlichen Vorteile mit sich, dass der Motor besonders gut und raumsparend in einem griffartigen Gehäuse mit ovalem Querschnitt, wie es typischerweise für elektrische Zahnbürsten verwendet wird, untergebracht werden kann und dass der maximale radiale Abstand zwischen Läufer und Ständerhülse, verglichen mit den Diagonalabmessungen bei einem rechteckförmigen Ständer, verringert ist; dadurch wird das Luft- bzw. Kupfervolumen innerhalb des magnetischen Kreises verkleinert und damit das Feld vergrössert. Ausserdem erhält man, unter Verstärkung des statischen Drehmoments, eine günstigere Kennlinie des Drehmoments als Funktion des Lauferwinkeis.
Natürlich kann auch in den Beispielen nach den Figuren 1 und 6 der Ständer 1 bzw. 11 jeweils aus zwei Hälften, analog dem Ständer 21 nach Figur 11, zusammengesetzt 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.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt hinsichtlich der Ausbildung und Montage der einzelnen Teile, insbesondere hinsichtlich des Ständerquerschnitts, der auch oval, quadratisch oder allgemein polygonal sein kann, sowie hinsichtlich der Spulen, manigfache Varianten zu.

Claims

PATENTANSPRUECHE
1. Wechselstrom-Kleinmotor mit pendelndem dauermagnetischen Läufer, insbesondere zum oszillierenden Antrieb einer an der Läuferwelle befestigten Zahnbürste, mit einem zylindrischen, diametral magnetisierten Dauermagneten als Läufer und mit feststehender Spule, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2, 3; 12, 13) 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;11;21) ein rohrformiges, zur Läuferachse koaxiales Gehäuseteil aus magnetisierbarem Material ist, welches die Spule (2, 3; 12, 13) umschliesst.
2. Wechselstrom-Kleinmotor irach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule aus zwei wenigstens näherungsweise gleichen Teilspulen (2, 3; 12, 13) 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 Teilspulen in der Mitte halbkreisförmige Ausnehmungen (2a, 2b; 3a, 3b) zum Durchtritt der Läuferwelle (5) aufweisen.
3. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (2,3) je nach der Grosse der Speisespannung in Reihe oder parallel geschaltet sind.
4. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Ständer (1;21) einen polygonalen Querschnitt, insbesondere einen quadratischen, rechteckförmigen oder achteckigen Querschnitt hat, wobei vorzugsweise die Spulenachse parallel zu einem Paar gegenüberliegender Seitenflächen des Ständers orientiert ist.
5. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ständer (1;21) mit rechteckigem oder mit achteckigem Querschnitt, bei welchem die Seitenflächen (1a;21a) eines Seitenflächenpaares grösser als die anderen Seiten sind und bevorzugte Pole bilden, die Spulenachse senkrecht zu den grossen Seitenflächen (1a;21a) orientiert ist.
6. Wechselstrom-Kleinmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den senkrecht zu den grossen Seitenflächen (la;21a) orientierten Seitenflächen des Ständers zwischen 10% und 50%, vorzugsweise um etwa 30%, grösser als der Abstand zwischen den grossen Seitenflächen ist.
7. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 Oeffnungen (12c, 13c) der Spule bzw. der Teilspulen (12,13) eingreifen.
10. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule bzw. die Teilspulen (2,3;12,13) mit ihrem Aussenumfang dem Innenumfang des Ständers (1;11) angepasst sind und mit ihren Windungen wenigstens näherungsweise den gesamten freien Raum zwischen Läufer und Ständer einnehmen.
11. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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 einem der Ansprüche 1 bis 11, 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.
14. Wechselstrom-Kleinmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Ständer (21) aus zwei schalenförmigen Hälften (21', 21") , welche in einer wenigstens näherungsweise durch die Ständerlängsachse gehenden Ebene aneinander liegen, zusammengesetzt ist.
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