小电器及用于小电器的电动马达驱动单元

摘要

本发明涉及一种小电器，所述小电器包括执行旋转运动和平移振动运动的头部元件；外壳；在所述外壳中的电动马达驱动单元，所述电动马达驱动单元具有用于生成相对于外壳的旋转运动的第一输出和用于生成相对于外壳的平移振动运动的第二输出，所述第一输出包括电动马达驱动单元的至少第一部件，并且所述第二输出包括电动马达驱动单元的至少第二部件。所述小电器也具有轴，所述轴与第一部件相连接以便将旋转运动传送至头部元件。所述小电器也具有摇臂，摇臂与第二部件相连接以便将平移振动运动传送至头部元件。根据本发明，第一部件和第二部件以如下方式彼此退耦：第一部件不遵循第二部件的振动运动。本发明也涉及可用于根据本发明的小电器的电动马达驱动单元和用于操作这种电动马达驱动单元的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小电器、可用于小电器的电动马达驱动单元和用于操 作这种电动马达驱动单元的方法。

背景技术

此类小电器是已知的，其中头部元件同时地执行旋转运动和平移振动 运动。实例为对应地设计的电动剃刮装置，尤其是电动牙刷。

此类电动牙刷描述于例如EP 0 850 027 B1中。在所述已知的电动牙刷 上的柄部外壳中，布置了电动马达驱动单元，所述电动马达驱动单元一方面 将旋转运动传送至轴，所述旋转运动可被转换为例如牙刷刷头的旋转运动。 为此，电动马达的旋转运动通过齿轮机构来传送。电动马达驱动单元的第二 部件离心地连接到电动马达的输出，并且因此导致摇臂围绕横向于马达轴线 的轴线作平移振动运动。该枢转运动由摇臂和在其中被引导的轴所遵循，所 述轴用来传送旋转振动运动。

此类电动马达是已知的，其能够生成旋转运动和线性振动运动，并且 可用于例如电动牙刷。例如，WO 2005/062445中所述的电动马达具有两个 可振动的马达部件和一个包括多个永久磁体的磁体排列。所述电动马达具有 用于生成磁场的线圈。该磁场与所述磁体排列协作以用来生成用于诱导所述 可振动的部件中的一个的线性振动运动的力。由线圈生成的磁场与所述磁体 排列的协作还生成扭矩，所述扭矩用于诱导第二可振动的马达部件的旋转振 动运动。利用这种排列能够生成线性运动和旋转振动运动，而不需要任何齿 轮机构。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的具有简单且紧凑结构的小电器。所述 目的也旨在提供一种适用于此类小电器的有利的电动马达驱动单元和用于操 作所述电动马达驱动单元的方法。

所述目的通过具有如权利要求1所述的特征的小电器、具有如权利要 求7或如权利要求15所述的特征的电动马达驱动单元和具有如权利要求13 所述的特征的方法来实现。从属权利要求在所有情况下均涉及优选的实施方 案。

根据本发明的小电器包括头部元件，所述头部元件执行旋转运动和平 移振动运动。头部元件可为例如电动牙刷的刷头。根据本发明的小电器包括 具有电动马达驱动单元的外壳。所述电动马达驱动单元具有用于生成相对于 外壳的旋转运动的第一输出，其中所述第一输出包括电动马达驱动单元的至 少第一部件。电动马达驱动单元的第二输出用于生成相对于外壳的平移振动 运动并且包括电动马达驱动单元的至少第二部件。轴与电动马达驱动单元的 第一部件相连接以将旋转运动传送至头部元件，并且摇臂与电动马达驱动单 元的第二部件相连接以将平移振动运动传送至头部元件。

根据本发明的小电器的特征具体地讲在于第一部件和第二部件以如下 方式彼此退耦：第一部件不遵循第二部件的振动运动。即，具体地讲，驱动 所述轴以传送旋转运动的电动马达单元的第一部件不遵循摇臂的平移振动运 动。因此，至少在所述轴连接到电动马达驱动单元的第一部件的区域中，所 述轴在平移方向上不执行任何振动运动。因此，没有必要如在例如上述的现 有技术中那样以如下方式来配置齿轮齿数比：旋转运动可被传送至所述轴， 即使旋转运动从电动马达驱动单元的输出进入到所述轴的导入点也遵循所述 平移运动时也是如此。

因此，根据本发明的小电器允许具有简单结构，并且具体地讲也允许 具有小的形状。

第一部件和第二部件的退耦能够例如在电动马达驱动单元中实现，其 中第一部件和第二部件包括永久磁体，所述永久磁体在相应地由电磁线圈激 发的场中彼此独立，即具体地讲不包括任何刚性的机械连接。

在根据本发明的小电器中，摇臂在平移方向上相对于外壳并且也至少 相对于旋转运动进入所述轴的导入点移动。如果在摇臂和外壳之间设置密封 件，所述密封件以如下方式被构造为缓冲件：在摇臂和外壳之间的该平移相 对运动期间，确保摇臂和外壳之间的密封连接，以便例如保护外壳的内部不 受水分的影响，则是尤其有利的。

由小电器的头部元件执行的旋转运动可为一种连续的旋转运动。然 而，尤其当用于电动牙刷时，旋转振动运动是有利的。

根据本发明的电动马达驱动单元可有利地用于根据本发明的小电器 中，具体地讲用于以下小电器中，其中平移振动运动和旋转振动运动被传送 至头部元件。因此，根据本发明的电动马达驱动单元的第一部件和第二部件 均被设计为可振动的。如下文所述，根据本发明的电动马达驱动单元使得以 下情况成为可能：线性运动和旋转运动均能够彼此独立地生成，并且无需复 杂的附加的齿轮机构。因此，第一可振动的部件和第二可振动的部件均可为 电动马达的部件，所述电动马达负责生成这些线性运动和旋转运动。因此， 在对根据本发明的电动马达驱动单元的描述中，第一部件和第二部件也称作 第一马达部件和第二马达部件。

根据本发明的电动马达驱动单元包括至少部分地由金属构成的至少一 个第一可振动的马达部件和至少一个第二可振动的马达部件和用于生成磁场 的线圈。第一磁体排列包括至少一个第一永久磁体，所述第一永久磁体与由 线圈生成的磁场协作而生成用于诱导所述至少一个第一可振动的马达部件的 旋转振动的力。设置包括至少一个第二永久磁体的第二磁体排列，所述第二 永久磁体与由线圈生成的磁场协作而生成用于诱导所述至少一个第二马达部 件的线性振动运动的力。根据本发明的电动马达驱动单元的特征具体地讲在 于，设置至少一个通量传导元件，所述通量传导元件传导由线圈生成的磁通 量以与所述至少一个第二永久磁体相互作用。通量传导元件在该情况下包括 例如适宜地成型的金属体。

根据本发明的电动马达驱动单元可同时生成彼此独立的线性运动和旋 转运动，并且无需复杂的附加的齿轮机构。根据本发明的通量传导元件在该 情况下使得有可能以简单的方式来使用由线圈生成的磁场，其不仅用于诱导 旋转振动运动，而且也用于通过将磁通量传导出线圈来诱导线性振动运动。 利用根据本发明的通量传导元件，旋转运动和线性运动就有可能彼此独立。

在一个简单的实施方案中，通量传导元件包括金属磁轭，所述金属磁 轭穿过生成磁场的线圈的线圈绕组。在该情况下，有利地的是，通量传导元 件为U形物，其中U形物的基座穿过线圈绕组(磁轭因此被布置在线圈 内)，同时U形物的腿部对称地远离所述基座延伸以便使磁通量在线圈绕 组之外也是可得的(所述腿部因此终止于线圈之外)。

可例如使得通量传导元件不相对于第一磁体排列移动。如果第一马达 部件不遵循第二马达部件的运动，但通量传导元件却遵循第一可振动的部件 的旋转运动，则可获得尤其紧凑的结构。

在根据本发明的电动马达驱动单元中，线圈用来诱导不同的振动。如 果执行旋转振动运动的可振动的部件和执行线性振动运动的可振动的部件具 有不同的共振频率，则可彼此独立地诱导所述两种振动。因此，取决于所提 供的频率，可生成隔离的线性振动运动或隔离的旋转振动运动。

在一个成本效益尤其高且结构简单的实施方案中，所述至少一个第一 可振动的马达部件和第一磁体排列以如下方式来配置：在线圈电流被断开之 后起作用并且导致角运动的磁阻扭矩用作用于第一可振动的马达部件的回复 扭矩。在线圈电流被接通时，线圈在第一可振动的马达部件中感生磁通量， 所述马达部件根据由第一磁体排列生成的磁场来定向自身以便最小化通量。 如果在该定向运动之后，流过线圈的电流被断开，则横跨第一可振动的部件 的第一磁体排列的磁场线可被短路。因此，第一可振动的部件经历回复扭矩 (磁阻扭矩)，所述回复扭矩将第一可振动的马达部件回复至其起始位置。 在此类系统中，不需要复杂的附加的回复弹簧。

同样可使得所述至少一个通量传导元件和第二磁体排列以如下方式来 配置：在线圈电流被断开之后起作用并导致线性运动的磁阻扭矩至少部分地 提供用于第二可振动的马达部件的回复扭矩。

如上所述，为了使旋转运动退耦，设置了轴，所述轴与电动马达驱动 单元的第一部件相连接并且在根据本发明的排列中与第一部件的旋转轴线共 线。线性振动运动被传送至摇臂，所述摇臂包括能够插入到例如电动牙刷的 刷头上的安装件。在刷头内，传送旋转运动的所述轴连接到例如对应的固定 器，所述固定器向刷子安装件传送旋转运动，例如通过适宜地布置的彼此啮 合的齿轮来传送。由于在根据本发明的小电器中(如所述的那样)旋转运动 进入所述轴的导入点不遵循平移运动，为了该目的，所述轴必须以足够柔性 的方式被构造或必须在刷头的固定器中具有足够的游隙。作为另外一种选 择，所述轴也可具有铰接件，所述铰接件将轴分成两个部分，旋转运动被传 送至第一部分。旋转运动通过所述铰接件传送至与摇臂相连接的所述轴的第 二部分。铰接件确保所述轴具有足够的柔性。

在所述铰接件的一个尤其简单的实施方案中，所述轴在铰接件区域中 为锥形的，并且因此在横向上为局部弱化的。

一种根据本发明的方法，所述方法用于操作根据本发明的电动马达驱 动单元，并且其特征具体地讲在于，由线圈生成的磁通量通过通量传导元件 被传导以与至少一个第二永久磁体相互作用。

根据本发明的一个方面，用于小电器的电动马达驱动单元包括至少一 个第一可振动的部件和至少一个第二可振动的部件；用于生成磁场的线圈； 包括至少一个第一永久磁体的第一磁体排列，所述第一永久磁体与由线圈生 成的磁场协作而生成用于诱导所述至少一个第一可振动的部件的旋转振动的 力；包括至少一个第二永久磁体的第二磁体排列，所述第二永久磁体与由线 圈生成的磁场协作而生成用于诱导所述至少一个第二可振动的部件的线性振 动运动的力，其中第一部件和第二部件以如下方式退耦：第一部件不遵循第 二部件(28)的振动运动。

根据本发明的电动马达驱动单元和根据本发明的方法以及它们相应的 优选的实施方案可尤其有利地用于根据本发明的小电器和用于其操作方法， 其中需要旋转振动运动和平移振动运动。

附图说明

将参照所附示意图来详细地说明本发明，所述示意图基于电动牙刷的 实例以举例的方式示出了根据本发明的实施方案。在附图中

图1示出了处于三种不同操作状态的根据本发明构造的电动牙刷的一 部分的粗略示意图；

图2示出了现有技术的电动牙刷的一部分的粗略示意图；

图3示出了根据本发明的电动马达驱动单元的一个实施方案的磁体系 统的透视图；

图4示出了穿过图3的电动马达驱动单元的旋转单元的横截面；

图5示出了图3的电动马达驱动单元的透视详图；

图6示出了具有不同转子开口角的电动马达驱动单元的根据本发明的 实施方案的磁阻扭矩随转子的运动角度而变的曲线；

图7以侧部截面图示出了具有根据本发明的电动马达驱动单元的电动 牙刷的一个实施方案的驱动器的示意图；

图8以侧部截面图示出了具有根据本发明的电动马达驱动单元的电动 牙刷的另一个实施方案的驱动器的示意图；并且

图9示出了根据本发明的电动马达驱动单元的轴的一个可能的实施方 案，所述电动马达驱动单元用于图8的电动牙刷。

具体实施方式

图1以示意图的形式示出了处于三种不同操作状态的电动牙刷2的主 要部分。

然而，为了更好地理解，将首先参照图2，其同样以示意图的形式示出 了现有技术的电动牙刷102的可比较的部分，也正如例如EP 0 850 027 B1 中所实施的那样。

外壳104(其也用作电动牙刷102的柄部)包含电动马达(此处未明确 示出)，通过所述电动马达将旋转运动R(一般为旋转振动运动)传送至轴 162。摇臂146通过密封件106可倾斜地安装在外壳104中。密封件106用 来例如保护外壳的内部不受水的影响。

尤其如图2的两个右手图所示，摇臂146执行围绕横向于旋转振动运 动R的轴线的轴线的枢转运动S。显然，负责旋转振动运动R的整个电动马 达驱动单元或至少显著部分，具体地讲旋转运动进入轴162的导入点遵循枢 转运动S以便旋转振动运动R可被传送至同样遵循所述枢转运动的轴162。

牙刷头部的外壳插入到摇臂146上以便将枢转运动S直接传送至所述 刷头并且可用来例如提供刺戳运动以便除去牙斑。同时，轴162接合在刷头 内的固定器中，所述固定器可将旋转振动运动R传送至刷头以便允许清洁 牙齿。

根据如图1所示的本发明的一个实施方案，在电动牙刷2中，摇臂46 不执行枢转运动而执行平移振动运动L。中心位置示出于图1的左手图中， 同时图1的两个右手图示出了摇臂46处于其在不同横向上的两个最大偏移 处。轴62执行旋转振动运动R。振动运动R和L均由外壳4内的电动马达 驱动单元来生成，所述电动马达驱动单元在此处未示出。因此摇臂46可执 行平移振动运动L，密封件6被构造成具有足够柔性的缓冲件，使得其可确 保对外壳4的密封，甚至在摇臂46的平移振动运动L期间也是如此。

外壳中的电动马达驱动单元(此外未示出)包括至少两个马达部件， 两个马达部件的一个负责旋转振动运动R而且可将相应的运动传送至轴 62，并且两个马达部件的另一个负责平移振动运动L。然而，如图1所示， 轴62至少在靠近外壳4的区域中不执行平移振动运动L。至少负责生成旋 转振动运动R的马达部件可因此以被固定到外壳上的方式来安装，并且无 需遵循平移振动L。因此，一种紧凑得多的形状和更安静的操作是可能的。

牙刷的刷头插入到摇臂46上以便其遵循摇臂的平移振动运动L。这可 用来例如生成刺戳运动以便从牙齿上除去牙斑。同时，轴62接合在固定器 中，所述固定器以本身已知的方式布置在牙刷头部内并且传送例如旋转运动 以便生成刷头的旋转振动运动。以下文所述的方式，所述轴为此具有足够的 游隙或为足够地柔性的以补偿振动运动L。

参见图3至6，将描述电动马达驱动单元10，其适用于在如图1所示的 根据本发明的电动牙刷2的一个实施方案中提供旋转振动运动R和平移振 动运动L。然而，根据本发明的小电器的概念(其中电动马达驱动单元的所 述两个部件以如下方式来来配置：用于生成旋转振动运动的部件不遵循平移 振动运动)不限于使用下文所述的一种可能的电动马达驱动单元的特定实施 方案。

图3示出了根据本发明的电动马达驱动单元10的马达单元。所述马达 单元包括作为第一可振动的部件的转子12，所述第一可振动的部件由合适 的可磁化的金属材料例如铁制成。转子12被布置在线圈14内，所述线圈在 此处由两个元件组成，并且在所示的排列中，当有电流流过时会在X方向 上生成磁场。转子12被安装成例如能够围绕Z轴旋转，以便当线圈被接通 时，其被线圈所生成的磁场磁化。永久磁体16，18，20，24形成第一磁体排列 26，在所述排列的场中转子12定向自身以便使能量最小化。

永久磁体16和18在该情况下被布置成在径向上具有相对的两极。例 如，在永久磁体16中，南极被布置成径向向内，并且北极被布置成径向向 外。在永久磁体18中，北极被布置成径向向内，并且南极被布置成径向向 外。在图3所示的排列中，永久磁体20中的北极和南极的排列对应永久磁 体16的极排列，并且永久磁体24的两极排列对应永久磁体18的极排列。

位于线圈14的线圈绕组内的还有由金属例如由铁制成的U形通量传导 元件40，所述传导元件具有基座41和两个通量传导腿部42，44。当线圈电 流被接通时，在其中感生出磁通量，所述通量被第二磁体排列38拾取，所 述磁体排列包括两个永久磁体，其中例如片段30和36为南极，并且元件 32和34为北极。磁体排列38固定地连接到第二可振动的马达部件，所述 马达部件被构造成电枢28。在所示的实施方案中，U形通量传导元件40具 有延伸穿过开环线圈14内部的基座41(也称作磁轭)和两个通量传导腿部 42，44，所述传导腿部在线圈14之外延伸，以便磁通量可由通量传导元件 40在通量传导腿部42，44的端部传导至线圈14之外。电枢28和连结到电枢 的磁体排列38可因此被布置在线圈14之外，因此以简单的方式实现了所述 两种所期望的运动的退耦。

在通量传导元件40中感生磁通量会引起第二磁体排列38的磁体的能 量最小化运动，因此电枢28在X方向上，即在相对于转子12的旋转轴线 的径向上被移动。

转子12、通量传导元件40和电枢28在所有情况下均具有中心孔，以 下文将描述的方式将轴引导穿过所述中心孔，所述轴被转子12移动以执行 旋转运动。至少电枢28的中心孔在该情况下的尺寸被定制成足够大的，使 得连接到转子12的轴不遵循电枢28的线性振动运动L。

图4以平面图的形式示出了穿过图3的电动马达的横截面，所述横截 面在图3中为水平的。

所指示的转子开口角a指示转子12的周向尺寸。由磁体片段16，18，20 或24形成的角度被表示为b。

在图4中，有可能在横截面中也见到外壳70(所述外壳在该情况下为 两层的设计)连同布置在永久磁体16，18，20，24的区域中的外壳加固件 72。外壳70和外壳加固件72由磁性钢板制成，其例如具有1.7特斯拉的磁 通量密度。具体地讲，在永久磁体16，18，20，24的区域中，具有外壳加固件 72的外壳70允许磁通量具有磁回路。

图5示出了图3中可见的系统的透视图，但其未示出转子12和电枢 28。线圈绕组40由线圈载体48来承载。摇臂46固定地连接到电枢28。转 子12(未示出于图5中)延伸穿过线圈开口50。

以如下方式来选择磁体排列26和转子12的几何形状：产生磁阻扭 矩，所述磁阻扭矩可用作用于转子12的旋转运动的回复扭矩。当线圈电流 被接通时，在转子12中感生出磁场，所述磁场在第一磁体排列26的磁场中 定向自身并因此导致转子12的旋转运动。如果线圈电流被断开，则横跨金 属转子12的永久磁体16，18，20和24的磁场线可被短路，并且因此可按本 身已知的方式来生成磁阻扭矩。给定合适地选择的具体地讲转子开口角a和 磁体扇形角度b，可设定所得磁阻扭矩，其基本上线性地取决于转子12围 绕旋转轴线z的运动角度。

图6示出了在固定的磁体扇形角度b的情况下针对不同转子开口角a的 相应的模拟结果。在所示的模拟中，所示的转子开口角a＝26°的实例中的 磁阻扭矩有利地证明是线性地取决于转子12的运动角度直至20°的运动。

因此利用合适设计，则不需要机械的回复弹簧来使转子回到其起始位 置。在该情况下，转子12的可振动的部件具有特定共振频率f_R。如果此外 还设置其他机械的弹簧单元，则共振频率会相应地改变。

类似地，第二可振动的系统(其包括至少电枢28连同第二磁体排列 38)的磁阻扭矩可用来提供用于线性移动的电枢28的所需的回复力的至少 一部分。

具体地讲，在线圈电流被接通的情况下，在通量传导元件40中感生磁 场，所述磁场通过通量传导腿部42，44被引导至第二磁体排列38。电枢28 在X方向上被移动以便最小化系统的能量。如果线圈电流现在被断开，则 横跨通量传导腿部42，44的端部的磁体排列38的磁体的两极的磁场线可被 短路，并且因此导致磁阻扭矩，所述磁阻扭矩在X方向上移回电枢28。电 枢28连同第二磁体排列38具有特定共振频率f_L。作为另外一种选择或除此 之外，如果机械弹簧元件用来在运动之后使电枢28回到其初始位置，则所 述共振频率会相应地改变。

当用于电动牙刷中时，如下来使用所描述的根据本发明的电动马达驱 动单元的实施方案。

将交流电施加到线圈14。其频率适合于所期望的效应。如果所述频率 对应于例如转子12的旋转摆动运动的共振频率f_R，则主要诱导出该运动。 另一方面，如果施加到线圈上的频率对应于线性摆动的电枢28的共振频率 f_L，则主要诱导出其线性振动运动。叠加运动可例如通过叠加不同的频率分 量来获得。因此，利用所述系统，所述各个运动模式可基本上彼此独立地被 诱导出来。取决于所提供的电流在相应的频率下的强度，也可调整相应的振 动运动的运动振幅。

电枢28和轴62的振动运动以所述的方式被传送至电动牙刷的刷头。

图7以横截面的形式示出了用于电动牙刷上的示意排列。固定在转子 12中的是轴62，所述轴遵循转子12的旋转运动并因此在旋转方向R上作旋 转移动。电枢28相对于该排列在箭头L的方向上径向移动。通过摇臂46， 该运动被转移到用于电动牙刷的刷头的安装件60中。以未示出的方式，电 动牙刷的刷头连接到安装件60和轴62以便遵循旋转运动R和/或径向线性 运动L。在该情况下，所述轴62必须为足够柔性的或必须以具有足够的游 隙的方式安装在刷头中以便能够补偿从安装件60被传送至刷头的平移振动 运动L。

图8示出了一个改进的实施方案，其中安装件60与轴62相连接，所述 轴在该实施方案中包括铰接件68，以便线性运动L被传送至图8中的轴62 的右手部分。电动牙刷的刷头(未示出)连接到轴62的右手部分，所述右 手部分因而执行线性振动运动L和旋转振动运动R并将其传送至刷头。在 该实施方案中也实践了根据本发明的以下概念：负责提供旋转运动的马达部 件(此处为转子12)不遵循负责提供平移振动运动L的马达部件(此处为 电枢28)的振动运动。具体地讲，平移振动运动L不被传送至轴62，甚至 在轴62连接到转子12的位置也是如此。

图9示出了由例如塑料制成的轴的一个可能的实施方案，其具有在此 处简单地由锥形区域68形成的铰接件，所述铰接件因此比轴62的周围区域 更具柔性。

参考列表

2                 电动牙刷

4                 外壳

6                 缓冲件

10                电动马达驱动单元

12                转子

14                线圈

16，18，20，24    永久磁体

26                第一磁体排列

28                电枢

30，32，34，36    磁体片段

38                第二磁体排列

40                通量传导元件

41                通量传导元件的基座

42，44            通量传导腿部

46                摇臂

48                线圈载体

50                线圈开口

60                刷子安装件

62                转轴

68                铰接件

70                外壳

72                外壳加固件

102               电动牙刷

104               外壳

106               密封件

146               摇臂

162               转轴

R            旋转振动运动

L            线性振动运动

S            枢转运动

a            转子开口角

b            磁体扇形角度