Какой тип двигателя используется в электрической зубной щетке?

Какой тип двигателя используется в электрической зубной щетке?

Что такое электродвигатель для зубных щеток?

“Электродвигатель для электрической зубной щетки” – это привод, который преобразует энергию аккумулятора в движение головки щетки — быстрое вращение или высокочастотную вибрацию для чистки зубов. В отличие от поломоечной машины или электроинструмента, нагрузка здесь невелика: двигателю приходится преодолевать лишь сопротивление щетины по эмали и инерцию легкой пластиковой головки. Вот почему это микро двигатель, обычно диаметром 6-12 мм, работающий от одной ячейки 1,5 В или 3,7 В. Основные типы машин те же, что используются в семействе двигателей постоянного тока; изменения коснулись упаковки и кулачка преобразования движения. Ознакомьтесь с нашим описанием характеристик двигателей. для получения полной карты типа.

Две архитектуры: вращательно-осциллирующая и звуковая

Каждая потребительская щетка попадает в один из двух лагерей, и работа двигателя у них различается:

• вращательно-осциллирующая (например, в стиле Oral-B). Мотор-редуктор вращает кулачок, который раскачивает круглую головку взад-вперед примерно 8800 раз в минуту. Двигатель работает со скоростью тысячи оборотов в минуту;  планетарный редуктор устанавливает конечную скорость и увеличивает крутящий момент.
• Звуковой (например, в стиле Sonicare). Головка вибрирует со звуковой частотой (31 000-62 000 движений в минуту). Двигатель продолжает вращаться, но резонансный кулачок или специальный звуковой вибратор превращают вращение в высокочастотное линейное движение, настроенное на механический резонанс головки..

Разница не в “другом двигателе”, а в том, как настраивается масса кулачка и головки,. Оба запускаются от одних и тех же семейств микромоторов постоянного тока, приведенных ниже.

Без сердцевины (пустотелый стакан) по сравнению со стандартным железным сердечником

A без сердцевины / пустотелый стакан двигатель наматывает свой якорь в виде самонесущей чашки без железных зубьев статора. Инерция ротора невелика, а крутящий момент на зубьях практически отсутствует, поэтому двигатель запускается, останавливается и переключается практически мгновенно — идеально для головки, которая совершает колебания более 100 раз в секунду. Стандартный PMDC с железным сердечником дешевле, но обладает большей инерцией и заеданием, что проявляется в несколько более грубом движении и большем акустическом шуме во рту. В нашем руководстве по двигателям без сердечника рассказывается о поставщиках.

Принцип работы электродвигателя для зубных щеток

Приводная цепь короткая и механическая. Для вращающейся щетки:

1. Один элемент питания (1,5 В AA / NiMH или 3,7 В Li-ion) питает драйвер — простой PWM H-bridge для brushed или 3-фазный инвертор с датчиком вращения для BLDC (см. Основы управления BLDC).
2. Микромотор вращается с высокой скоростью — обычно 8000-20 000 об / мин для устройства диаметром 6-8 мм.
3.  Планетарный редуктор (обычно 10: 1-60: 1) снижает скорость и увеличивает крутящий момент: Tout = Tдвигатель × i × η. Это то же самое математическое соотношение, которое используется при выборе коробка передач против двигателя-редуктора  везде.
4. Уменьшенный вал приводит в движение кулачок (эксцентриковый или червячный), который преобразует непрерывное вращение головки в возвратно-поступательные колебания.
5. В блоке BLDC датчик положения ротора поддерживает постоянную частоту вращения при провисании элемента; блок с щеткой просто замедляется при падении напряжения.

Кулачок: там, где вращение переходит в колебание,

двигатель никогда не совершает колебаний сам по себе — преобразование выполняет кулачок. Простой эксцентриковый штифт превращает один оборот вала в одно колебание; поворотный хомут или червячный кулачок формирует колебание в соответствии с характерной для бренда схемой движения. Вот почему две щетки с “одним и тем же двигателем” ощущаются совершенно по-разному: геометрия кулачка и головки, а не двигателя, определяет чистящее действие.

Почему частота не равна оборотам двигателя (звуковая ловушка)

Распространенной ошибкой спецификации является предположение “более быстрый двигатель = лучшая очистка”. Это не так. Звуковая очистка основана на механическом резонансе: головка и приводной вал имеют собственную частоту, а кулачок настроен на ее возбуждение. Двигатель с частотой вращения 15 000 об/мин и эксцентриком 1: 1 выдает частоту всего ~ 250 Гц (15 000 ÷ 60). Достижение звукового диапазона (517-1033 Гц) требует резонирования массы головки и жесткости вала — вот почему дешевый высокооборотистый двигатель с плохо настроенным кулачком очищает хуже, чем более медленный, хорошо настроенный. Частота – это свойство системы , а не параметр двигателя.

Типы двигателей электрических зубных щеток: сравнение характеристик

& gt;

Практичный разъем отражает все остальные беспроводные приборы.: матовый PMDC для наименьшего расхода материалов, без сердечника для максимально бесшумного движения, BLDC для максимально длительного времени автономной работы. Поскольку зубная щетка работает от аккумулятора и держится рядом с ухом, уровень шума и эффективность работы выше, чем у сетевого инструмента.  Компромисс между щеткой и бесщеточным устройством и сравнение сервопривода и шагового устройства  раскрывают суть закона управления.

Какое движение приводит в действие какой двигатель?

& gt;

Технические характеристики: КПД, температура и крутящий момент

КПД и тепловые ограничения

& gt;

Два уравнения для каждого двигателя зубной щетки:

Выходной крутящий момент после коробки передач:

• T out= T двигатель × i × η — где i – передаточное число и   КПД коробки передач (~ 0,75-0,85 для небольшой планетарной ступени).
• Механическая мощность ↔ крутящий момент и частота вращения: P = T × ω = T × 2nn / 60, таким образом, для небольшого двигателя T (Н · м) = P (Вт) × 9,5493 / н (об /мин).

Головка щетки представляет собой вращающий момент и частоту проблема (вам нужно достаточное количество энергии в головке, подаваемой с заданной частотой колебаний); проблема с  энергией  заключается в аккумуляторе. Это единственное различие определяет тип двигателя и степень уменьшения.

Рабочий цикл: S2 / S3, не непрерывный

Стандарт IEC 60034-1 определяет режим работы S1 (непрерывный), S2 (кратковременный) и S3 (прерывистый). Зубная щетка – это твердо S2 / S3: двухминутная чистка – это короткий повторяющийся цикл с длительными перерывами в работе зарядного устройства. Это важно, потому что срок службы щетки (500-2000 ч для PMDC) указан при непрерывном S1; при S2 / S3 эффективный срок службы намного больше в календарном исчислении, и ячейка или уплотнение обычно выходят из строя первыми. Именно поэтому аргумент “BLDC длится 10 000 часов” является слабым для данного продукта — щетка заменяется или упаковка приходит в негодность задолго до того, как наберется 10 000 часов работы, эквивалентных S1. Размер для рабочего цикла, а не для номинальных часов по каталогу.

Лучшие области применения для электродвигателей зубных щеток с

• вращающимися щетками – использование сердечника; без сердечника или PMDC + планетарный привод кулачка. Смотрите наши примечания к редуктору с микромотором со стороны редуктора.
• Звуковые зубные щетки — без сердечника/BLDC + резонансный кулачок или звуковой вибратор; высокочастотная гидродинамическая чистка.
• Детскиещетки для путешествий — самые недорогие мотор-редукторы PMDC, в которых преобладают размеры и цена.
• Щетки премиум—класса “maglev” – якорь без сердечника, плавающий в магнитном поле для обеспечения сверхнизкого уровня шума (та же физика без сердечника, маркетинговая схема).
• Водяные флоссеры — отдельный небольшой двигатель насоса BLDC; смотрите применение прецизионных планетарных редукторов руководство по промышленному аналогу.

Другие небольшие приводы для личной гигиены описаны в наших руководствах по применению микромоторов.

С чем на самом деле поставляются настоящие беспроводные зубные щетки

& gt;

Пошаговый выбор двигателя для зубной щетки

1. Исправляет архитектуру. Вращающийся-колебательный или звуковой — здесь решается, нужен ли вам кулачок (колебательный) или резонансная система (звуковая).
2. Оцените момент лобового сопротивления. Обычно 0,01–0,05 Н · м при напоре; звук добавляет ограничение резонанса, а не больший крутящий момент.
3. Выберите двигатель + передаточное отношение. Выберите простой крутящий момент / частоту вращения двигателя, затем планетарное передаточное число, чтобы Tout = Tдвигатель × i × η снимал нагрузку с запасом в 1,5–2 раза.
4. Проверьте пониженное напряжение. Рассчитайте напряжение элемента под нагрузкой (3,0–3,3 В), а не на номинальные 3,7 В.
5. Замените brushed на BLDC в зависимости от времени выполнения. Вычисляйте циклы исходя из эффективности; для аккумуляторных устройств премия BLDC часто окупается, для устройств типа АА – редко.
6. Проверьте уровень шума и IP. Подтвердите & lt; 60 дБ на входе и герметичных подшипниках для влажной среды.

Отработанный пример — привод без сердечника для вращающейся щетки

Предположим, что головка должна выдавать 0,03 Н · м при ~ 470 об / мин для эффективной очистки литий-ионного элемента напряжением 3,7 В бесшумными движениями. Выберите 7-миллиметровый двигатель постоянного тока без сердечника мощностью 0,0008 Н · м при 14 000 об / мин (его мощность составляет 0,0008 × 2π × 14 000/60 ≈ 1,17 Вт, настоящий микромотор). За планетой 30:1 с η = 0,78:

• Выходной крутящий момент:  Tна выходе = 0,0008 × 30 × 0,78 = 0,0187 Н· м на кулачке.
• Частота вращения на выходе:  nout = 14000/30 ≈ 467 об/мин — точно соответствует заданию.
• Запас: 0,0187 / 0,03 — подождите, напору требуется 0,03 Н · м, а мы поставляем 0,0187 Н · м, так что запас составляет  0,62 ×. , что недостаточно; снизьте соотношение до 50: 1.
• При 50: 1: Tout = 0,0008 × 50 × 0,78 = 0,0312 Н · м при 14000/50 = 280 об / мин — запас 1,04 ×, все еще небольшой; переходим к 64: 1 → 0,0008 × 64 × 0,78 = 0,0399 Н · м при 219 об /мин, запас 1,33 ×.
• Стоимость аккумулятора: механическая мощность на головке ≈ 0,0399 × 2π × 219/60 ≈ 0,91 Вт; с двигателем η ~ 0,72 и редуктором η 0,78, электрическая ≈ 1,62 Вт → при 3,7 В около 0,44 А. На ячейке емкостью 300 мАч, которая позволяет рисовать кистью в течение 2 минут, ~ 0,015 Ач – примерно неделя ежедневного использования на одной зарядке, что соответствует реальным продуктам.

Нелогичный вывод: PMDC с матовым железным сердечником с КПД 65% потребовал бы ~ 2,0 Вт для той же мощности, поэтому он потребляет больший ток и нагревается сильнее в герметичной ручке – но  реальная проблема заключается в чрезмерном соотношении. При соотношении 150: 1 в 8-миллиметровом планетарном двигателе η уменьшается до ~ 0,55, и коробка удваивается в длину, так что Tout = 0,0008 × 150 × 0,55 = 0,066 Н · м выглядит великолепно, но nout = 93 об / мин опускает головку ниже настроенного резонанса, и очистка падает, а ток увеличивается. Сладкое местечко – самое маленькое соотношение, равное 1,5 × крутящему моменту сопротивления — здесь примерно 64: 1, а не 150: 1.

Рабочий пример — вибратор со звуковой щеткой

Звуковая щетка совершает 62 000 движений в минуту (≈ 1033 Гц) от элемента питания 3,7 В, потребляющего ~ 1,0 Вт. Крутящий момент двигателя невелик —  T = 1,0 × 9,5493 / 30000 ≈ 0,32 мН · м при 30 000 об / мин — но головка должна быть настроена так, чтобы резонировать на частоте 1033 Гц. Вот почему тот же двигатель с частотой вращения 30 000 об / мин в неправильно настроенной головке издает слабый гул частотой 250 Гц: частота определяется массой головки и жесткостью вала, а не только двигателем. Выбор звуковой щетки – это, во-первых, проблема резонанса, а во-вторых, проблема двигателя.

Распространенные инженерные ошибки

• Выбор зависит только от мощности. “Двигатель мощностью 1 Вт” ничего не говорит о том, обеспечивает ли головка 0,03 Н · м нужную скорость. Всегда проверяйте крутящий момент после включения коробки передач.
• Не обращайте внимания на падение напряжения в элементе. Выставляем номинальное напряжение 3,7 В, затем наблюдаем, как головка замедляется до остановки на середине хода при напряжении 3,0 В. Размер для снижения напряжения.
• Превышение нормы редуктора. Большее передаточное число означает большие потери в коробке передач, большую длину и скорость напора, которая падает ниже резонансной — смотрите Рабочий пример. Выберите наименьшее передаточное число, соответствующее запасу.
• Предполагая, что BLDC всегда лучше. Режим работы зубной щетки составляет S2 / S3 (короткий, прерывистый). Износ щетки более 10 000 часов не имеет значения, если элемент умирает первым; PMDC без сердечника часто выигрывает по стоимости и качеству движения.
• Погоня за частотой вращения двигателя для sonic. Более быстрый голый двигатель не очищает лучше; это делает резонанс головки. Настройка кулачка и массы головки превосходит замену в двигателе с более высокими оборотами.
• Забываем о влажной среде. Открытый коллектор или негерметичный подшипник вблизи распылителя быстро выходят из строя. Используйте герметичные подшипники; в подшипниках без сердечника / BLDC нет щеток, подверженных коррозии, что является реальным преимуществом во рту.
• Электромагнитные помехи в электронике управления. Переключение щеткой и быстрое переключение BLDC могут быть встроены в плату датчика; сохраняйте интервал и фильтрацию, особенно в варианте с щеткой.

Устранение неполадок: Проблема → Причина → решение

& gt;

Для диагностики двигателя, помимо привода, воспользуйтесь нашим руководством по устранению неполадок двигателя постоянного тока и  объясните, почему двигатели постоянного тока теряют крутящий момент.

Часто задаваемые вопросы

Почему выбирают Greensky Power для двигателей зубных щеток

Разработка Greensky Power микромоторы-редукторы, соответствующие стандарту IEC 60034 / NEMA MG 1 для производителей оборудования для личной гигиены — двигатели PMDC, без сердечника (с полой чашкой) и BLDC диаметром от 6 мм до 24 мм в паре с изготовленными на заказ планетарными редукторами (соотношение от 5: 1 до 1500: 1, выходной крутящий момент до ~ 80 кгс · см) и герметичные водостойкие конструкции для ухода за полостью рта. Мы поддерживаем:

• OEM / ODM с низким MOQ с настраиваемым напряжением, передаточным числом, валом и фланцем для установки в вашу кулачковую или звуковую головку – ознакомьтесь с нашими решениями для электродвигателей на заказ и производственными возможностями.
• Без сердечника или BLDC, ваш выбор — мы определим размер и того, и другого и покажем вам соотношение шума, времени выполнения и спецификации материалов, вместо того, чтобы предлагать дорогостоящий вариант.
• Инженерная поддержка для контроля провисания напряжения в элементе, настройки резонанса, тепловых характеристик и IP-статуса, чтобы двигатель выдержал испытание рукояткой, а не только спецификацией.

Типичная конструкция вращающейся щетки – это двигатель без сердечника диаметром 7-8 мм (0,0008–0,0015 Н · м, 12000-16 000 об / мин) за планетарным редуктором 50: 1-80: 1 в герметичной банке диаметром 12 мм, настроенный таким образом, что кулачок обеспечивает подачу 0,03–0,05 Н · м на головку и ≤ 60 дБ на устье. Для звуковых агрегатов мы поставляем резонансный кулачок и регулировку массы головки как часть сборки двигателя и редуктора, а не оставляем это на усмотрение команды механиков бренда.

Соедините привод с нужным типом двигателя с помощью нашего руководство для бесщеточного двигателя постоянного тока и руководство для двигателя постоянного тока с щеткой, а также математика редуктора в нашем справочнике по фланцу двигателя.

Связанные ресурсы

• Руководства по применению микромоторов — другие ответы на вопрос “какой двигатель для X”
• Характеристики двигателя hub — краткое описание всех типов двигателей
• Что такое двигатель постоянного тока? — типы и формулы
• Руководство по бесщеточному двигателю постоянного тока — когда BLDC окупит свои затраты
• Руководство по электродвигателю постоянного тока с щеткой — самый дешевый вариант спецификации
• Щеточный двигатель постоянного тока по сравнению с бесщеточным — объяснен компромисс
• Производители двигателей без сердечника – структура поставщиков
• Как работает планетарная коробка передач — математика передаточного числа и крутящего момента
• Коробка передач по сравнению с мотор—редуктором — что указать
• Проблемы с микромотором в редукторе — устранение неполадок
• Сервопривод против шагового двигателя — компромиссы между законом управления
• Применение прецизионных планетарных редукторов – промышленное использование
• Индивидуальные решения для электродвигателей – OEM / ODM
• Руководство по фланцу двигателя — ISO 9409 монтаж

Ссылки

Приведенные выше технические данные основаны на следующих стандартах и документах производителя. Последний раз ссылки проверялись на страницах издателей; некоторые порталы загрузки производителей блокируют автоматические запросы (HTTP 403), но доступны в обычном браузере.

1. IEC 60034-1:2022 — Вращающиеся электрические машины, часть 1: Номинальные характеристики. webstore.iec.ch/en/publication/65446
2. IEC 60034-30-1 — Классы эффективности вращающихся электрических машин (IE1–IE5). webstore.iec.ch/publication/91195
3. NEMA MG 1-2024 — Двигатели и генераторы. nema.org/standards/view/Motors-and-Generators
4. IEEE 112 — Процедура испытаний многофазных асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока. standards.ieee.org/ieee/112/4703
5. IEEE 43-2013 — Тестирование сопротивления изоляции вращающихся механизмов. standards.ieee.org/ieee/43/4385
6. Министерство энергетики США — эффективность двигателей и приводных систем. energy.gov/eere/motors
7. МЭА — Электродвигатели и энергоэффективность. iea.org/energy-system/industry/electric-motors
8. SKF — Расчет срока службы подшипников (L10) для редукторов. skf.com/group/technical-insights/bearings
9. Технический каталог Siemens — SIMOTICS electric motors. siemens.com/…/electric-motors
10. maxon — технология зубчатых передач (скачать). maxongroup.com/…/gear-download
11. FAULHABER — ноу-хау в области приводных технологий (без сердечника / с полой чашкой). faulhaber.com/en/know-how
12. Yaskawa — Техническая документация по двигателям и приводам. yaskawa.com/downloads
13. IEEE Xplore — рецензируемый документ по проектированию микромотора / зубчатой передачи. ieeexplore.ieee.org/document/6342334
14. AGMA — оценка редуктора и прилагаемая практика работы редуктора. agma.org/standards

Эта статья была подготовлена командой инженеров Greensky Power engineering в качестве технического справочника для разработчиков средств по уходу за полостью рта. Требования к конкретной ячейке, крутящему моменту, резонансу и IP должны быть подтверждены на основании ваших собственных данных испытаний и применимых стандартов IEC / NEMA перед производством.