電動牙刷中使用的是哪種類型的馬達？

電動牙刷中使用的是哪種類型的馬達？

電動牙刷的馬達是什麼？

「電動牙刷馬達」是 將電池電能轉換為刷頭運動的執行器 ——高速旋轉或高頻震動，能夠有效清潔牙齒。與洗地機或電動工具不同，它的負載很小：馬達只需克服刷毛與琺瑯質的摩擦力以及輕質塑膠刷頭的慣性。正因如此，它才如此有效率。 微 馬達通常直徑為 6–12 毫米，由單節 1.5 伏特或 3.7 伏特電池供電。基本馬達類型與廣泛使用的馬達類型相同。 直流馬達系列改變的是包裝和運動轉換攝影機。請參閱我們的 馬達功能輪轂 查看完整類型圖。

兩種架構：旋轉振盪式與聲波式

所有消費級電刷都可歸為兩大類之一，而馬達在這兩類電刷中的工作方式也各不相同：

• 旋轉式（例如 Oral-B 式）。 齒輪馬達帶動凸輪旋轉，凸輪使圓形缸蓋以每分鐘約 8800 次的頻率來回擺動。馬達的轉速高達每分鐘數千轉； 行星減速器 設定最終速度並倍增扭力。
• 索尼克（例如 Sonicare 風格）。 頭部以聲波頻率（31,000–62,000 次/分鐘）振動。馬達仍在旋轉，但共振凸輪或專用聲波振動器將旋轉轉化為與頭部機械共振頻率相匹配的高頻線性運動。

差別不在於「不同的馬達」——而在於… 凸輪軸和缸蓋品質的調校方式. 兩者都源自以下相同的微型直流馬達系列。

無芯（空心杯）與標準鐵芯

一個 無芯/空心杯 這種馬達採用自支撐杯狀繞組，沒有鐵質定子齒，從而實現了轉子慣性極小、齒槽轉矩幾乎為零的設計，使馬達能夠幾乎瞬間啟動、停止和反轉——非常適合每秒振動100次以上的頭部。標準的鐵芯永磁直流馬達雖然價格更低，但慣性和齒槽轉矩更大，這會導致頭部運動略顯粗糙，並且在嘴部產生更大的噪音。 無芯馬達導軌 涵蓋供應商格局。

電動牙刷馬達的工作原理

驅動鍊短而機械。適用於旋轉往復式電刷：

1. 單節電池（1.5V AA/NiMH 或 3.7V 鋰離子電池）為驅動器供電——有刷馬達使用簡單的 PWM H 橋，而無刷直流馬達則使用帶轉子檢測的三相逆變器（請參閱…） BLDC控制基礎知識）。
2. 微型馬達高速旋轉－對於 6-8 毫米的單元，通常每分鐘轉速為 8,000-20,000 轉。
3. 一個 行星減速器 （通常為 10:1–60:1）降低轉速並增加扭力： T出去 = T引擎 × i × n. 這與在以下情況下使用的比例數學相同： 變速箱與齒輪電機 其他地方都有選擇。
4. 縮減後的軸驅動著 網路攝影機 （偏心軸或蝸桿）將連續旋轉轉換為頭部的來回擺動。
5. 在無刷直流馬達中，轉子位置感測使轉速在電池電壓下降時保持恆定；而有刷馬達則在電壓下降時減速。

凸輪：旋轉變成振動

馬達本身並不振動——凸輪負責轉換振動模式。一個簡單的偏心銷將軸旋轉一周轉化為一次振動；而曲柄凸輪或蝸桿凸輪則將振動模式塑造成特定品牌特有的運動軌跡。這就是為什麼即使使用「相同馬達」的兩款刷子，清潔效果也截然不同：決定清潔效果的是凸輪和刷頭的幾何形狀，而不是馬達本身。

為什麼頻率不是馬達轉速（聲波陷阱）

常見的規格錯誤是認為「馬達轉速越快=清潔效果越好」。事實並非如此。聲波清潔依賴… 機械共振缸蓋和驅動軸都有其固有頻率，凸輪軸的調諧是為了激發此頻率。一具轉速為 15,000 rpm、偏心輪速比為 1:1 的引擎只能產生約 250 Hz 的頻率（15,000 ÷ 60）。要達到聲波頻段（517–1033 Hz），需要缸蓋的質量和軸的剛度產生共振——這就是為什麼一台廉價的高轉速發動機，如果凸輪軸調諧不良，其清潔效果會比一台低速但調諧良好的發動機差。頻率是… 系統 屬性，而非馬達參數。

電動牙刷馬達類型：功能對比

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這種實際的分割方式與其他所有無線電器類似： 採用有刷 PMDC 馬達可達到最低的材料成本，採用無芯馬達可實現最安靜的運動，並採用 BLDC 馬達可實現最長的充電運轉時間。 由於電動牙刷受限於電池供電，且使用時靠近耳朵，因此噪音和效率比使用電源的電動牙刷更為重要。 有刷馬達與無刷馬達的權衡 以及 伺服馬達與步進電機 比較可以充實控制律方面的內容。

哪個電機驅動哪個動作？

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工程數據：效率、溫度和扭矩

效率和熱限制

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扭力和功率公式

兩個公式可以計算出每台牙刷馬達的功率：

• 變速箱後的輸出扭力： T出去 = T引擎 × i × n – 在哪裡 我 是減排率和 或者 齒輪箱效率（小型行星齒輪箱約 0.75–0.85）。
• 機械功率↔扭力和速度： P = T × ω = T × 2πn / 60所以對於小型馬達來說 T(N·m) = P(W) × 9.5493 / n(rpm)。

刷頭是 扭力和頻率 問題（你需要頭部有足夠的牛·米扭矩，並以調諧後的振盪頻率輸出）；電池是 活力 問題在於，這一個差異就決定了馬達類型和減速比。

佔空比：S2/S3，非連續

IEC 60034-1 標準定義了 S1（連續）、S2（短時）和 S3（間歇）三種工作模式。牙刷的使用模式明顯屬於 S2/S3：兩分鐘的刷牙是短暫重複循環，期間充電器會長時間處於閒置狀態。這一點至關重要，因為電刷的換向壽命（永磁直流電池為 500-2000 小時）是在連續 S1 模式下標示的；而在 S2/S3 模式下，電刷的有效壽命（按日曆時間計算）要長得多，通常是電池單元或密封件先失效。這也是為什麼「無刷直流電池壽命可達 10,000 小時」的說法對這款產品來說並不成立——電刷需要更換，或者電池組的性能會在達到 10,000 小時的 S1 等效運行時間之前就下降。電池尺寸的選擇應基於工作循環，而不是產品目錄中標示的小時數。

電動牙刷馬達的最佳應用

• 旋轉振盪刷 — 核心用途；無芯或永久磁同步直流 (PMDC) + 行星齒輪驅動凸輪。請參閱我們的 微型馬達減速器說明 用於減速器側。
• 聲波電動牙刷 — 無芯/BLDC + 諧振凸輪或聲波振動器；高頻流體動力學清洗。
• 兒童/旅行化妝刷 — 最經濟實惠的永磁直流齒輪電機，適用於尺寸和價格占主導地位的場合。
• 高級“磁浮”刷子 — 無芯電樞漂浮在磁場中，實現超低雜訊（同樣的無芯物理原理，行銷框架）。
• 水牙線 — 一個獨立的小型無刷直流泵浦馬達；參見 精密行星齒輪箱應用 工業模擬指南。

其他小型個人護理執行器也在我們的產品系列中。 微型馬達應用指南。

真正的無線牙刷實際附帶哪些配件？

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逐步選擇電動牙刷電機

1. 修復架構。 旋轉擺動式或聲波式－這將決定您需要凸輪（擺動式）還是共振系統（聲波式）。
2. 估算頭部阻力矩。 通常頭部的扭矩為 0.01–0.05 N·m；聲波增加了共振約束，而不是更大的扭矩。
3. 選擇馬達和傳動比。 選擇裸馬達扭力/轉速，然後選擇行星齒輪傳動比。 T出去 = T引擎 × i × n 清除負載時留有 1.5–2 倍的餘裕。
4. 檢查電壓是否下降。 電池在負載下的電壓為 3.0–3.3 V，而非額定電壓 3.7 V。
5. 有刷直流馬達與無刷直流馬達在運轉時間上的比較。 根據效率計算循環次數；對於可充電電池來說，BLDC 電池的額外成本通常是值得的，但對於 AA 電池來說，這種情況很少發生。
6. 驗證噪音和IP。 確認入口處噪音低於 60 分貝，並採用適用於潮濕環境的密封軸承。

實例示範－用於旋轉往復式電刷的無芯驅動器

假設頭部必須交付 轉速約為 470 rpm 時，扭力為 0.03 N·m 使用 3.7V 鋰離子電池，可實現高效、靜音的清潔效果。選擇 7 毫米的刷頭。 無芯直流電機 評級 轉速為 14,000 rpm 時，扭力為 0.0008 N·m （其功率為 0.0008 × 2π × 14,000 / 60 ≈ 1.17 W，是一款實用的微型馬達）。 30:1 行星 其中 η = 0.78：

• 輸出扭力： T出去 = 0.0008 × 30 × 0.78 = 0.0187 N·m 在攝影機前。
• 輸出速度： n出去 = 14,000 / 30 ≈ 467 轉/分 ——正是目標。
• 餘裕：0.0187 / 0.03 — 等等，頭部需要 0.03 N·m 的扭矩，而我們輸出 0.0187 N·m，所以餘裕為 0.62×. 那是 不足的降至 50:1 的比例。
• 比例為 50:1： T出去 = 0.0008 × 50 × 0.78 = 0.0312 N·m 在 14,000 / 50 = 280 轉/分 – 利潤 1.04倍仍然很瘦；減至 64:1 → 0.0008 × 64 × 0.78 = 0.0399 N·m 轉速 219 轉/分，餘量 1.33倍。
• 電池成本：頭部機械功率 ≈ 0.0399 × 2π × 219 / 60 ≈ 0.91 W；馬達效率 η ~0.72，齒輪效率 η 0.78，電功率 ≈ 1.62 W → 電壓約為 3.7 V 0.44安培. 對於 300 mAh 的電池，每次刷塗 2 分鐘耗電量約為 0.015 Ah——每次充電後大約可使用一周，與實際產品相符。

出乎意料的結論： 效率為 65% 的有刷鐵芯永磁直流馬達 (PMDC) 要達到相同的輸出功率，需要約 2.0 瓦的功率，因此在密封手柄中它會消耗更多電流並運行溫度更高——但是 真實的 陷阱的體積比過大。在8毫米行星式望遠鏡中，當體積比為150:1時，η值會驟降至約0.55，且箱體長度會增加一倍。 T出去 = 0.0008 × 150 × 0.55 = 0.066 N·m 看起來很棒， n出去 = 93 轉/分 磁頭轉速低於其調諧共振頻率，清潔度下降，電流上升。最佳平衡點是… 最小 使阻力矩達到 1.5 倍的比例——這裡大約是 64:1，而不是 150:1。

實例——聲波刷振動器

聲波刷目標 每分鐘運動 62,000 次（≈ 1033 Hz） 使用 3.7V 電池供電，功耗約 1.0W。馬達扭力很小。 T = 1.0 × 9.5493 / 30000 ≈ 0.32 mN·m 轉速達到 30,000 轉/分——但是 頭部必須調諧至 1033 Hz 共振頻率。. 這就是為什麼即使轉速為 30,000 轉/分的馬達安裝在調諧不良的刷頭上，也會產生微弱的 250 赫茲嗡嗡聲：頻率是由刷頭的質量和軸的剛度決定的，而不僅僅是馬達本身。選擇聲波刷首先要解決的是共振問題，其次才是馬達問題。

常見的工程錯誤

• 僅以功率大小來決定。 「1瓦馬達」並不能說明馬達頭是否能在適當的轉速下輸出0.​​03牛頓米的扭力。務必檢查扭力。 後 變速箱。
• 忽略電瓶電壓驟降。 以標稱電壓 3.7V 進行設計，然後觀察列印頭在行程中期電壓降至 3.0V 時停止工作。根據電壓下降情況決定列印尺寸。
• 減速器傳動比過大。 更高的傳動比意味著更大的變速箱損耗、更長的傳動軸長度，以及低於共振頻率的轉速——請參閱範例。選擇滿足安全裕度的最小傳動比。
• 假設無刷直流馬達總是更好的。 牙刷的使用頻率為S2/S3（短時、間歇性）。如果電池先失效，那麼超過10,000小時的刷毛磨損就無關緊要了；無芯PMDC通常在成本和運動品質方面更具優勢。
• 追蹤馬達轉速以獲得聲波。 更高的裸機轉速並不能帶來更好的清潔效果；缸蓋共振才是關鍵。調整凸輪軸和缸蓋質量比更換更高轉速的引擎更有效。
• 忘記了潮濕的環境。 噴淋區域附近的開放式換向器或非密封軸承容易快速失效。應使用密封軸承；無芯/BLDC馬達沒有電刷，因此不會發生腐蝕－這在噴淋區域尤其重要。
• 電磁幹擾進入控制電子設備。 電刷換向和快速 BLDC 開關可以耦合到感測器板上；保持間距和濾波，尤其是在有刷選項中。

故障排除：問題 → 原因 → 解決方案

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對於執行器以外的馬達側診斷，請使用我們的 直流馬達故障排除指南 和 直流電機扭力損失的原因。

常見問題解答

為什麼選擇 Greensky Power 的牙刷馬達？

綠天能源公司開發 符合IEC 60034 / NEMA MG 1標準的微型齒輪電機 個人護理OEM廠商－我們提供直徑從6毫米到24毫米的永磁直流馬達（PMDC）、無芯（空心杯）馬達和無刷直流馬達（BLDC），並搭配客製化行星減速器（減速比5:1至1500:1，輸出扭力高達約80 kgf·cm），以及適用於口腔護理環境的密封防水結構。我們支持：

• 低訂購量 OEM/ODM 可自訂電壓、傳動比、軸和法蘭，直接安裝到您的凸輪軸或聲波缸蓋上—請參閱我們的 客製化電機解決方案 和 製造能力。
• 無芯直流或無刷直流，任你選擇 — 我們會評估兩者的優劣，並向您展示噪音/運行時間/物料清單方面的權衡，而不是一味推銷昂貴的方案。
• 工程支持 考慮電池電壓下降、諧振調諧、熱性能和 IP 防護等級，使馬達能夠承受手把的衝擊，而不僅僅是資料表上的資料。

典型的旋轉擺動式電刷結構是：一個7-8毫米的無芯電機（扭矩0.0008-0.0015牛·米，轉速12,000-16,000轉/分），搭配一個50:1-80:1的行星減速器，安裝在一個密封的12毫米外殼內。該結構經過調校，使凸輪在電機頭部產生0.03-0.05牛·米的扭矩，同時在電機尾部噪音≤60分貝。對於聲波式電刷，我們會在馬達-齒輪箱組件中整合諧振凸輪和馬達頭部品質調校，而不是將其留給品牌方的機械團隊。

使用我們的工具將執行器與正確的馬達類型配對。 無刷直流馬達指南 和 有刷直流馬達導軌以及我們中的歸約器數學 馬達法蘭參考。

相關資源

• 微型馬達應用指南 — 其他「X 用什麼馬達」的答案
• 馬達功能輪轂 — 所有馬達類型一覽
• 什麼是直流馬達？ — 類型和公式
• 無刷直流馬達指南 — 當 BLDC 收回成本時
• 有刷直流馬達導軌 — 最低物料清單成本選項
• 直流電有刷與無刷直流電 ——權衡之道
• 無芯馬達製造商 — 供應商格局
• 行星齒輪箱的工作原理 — 比率和扭力數學
• 變速箱與齒輪電機 — 需要具體說明什麼
• 微型馬達減速器問題 — 故障排除
• 伺服馬達與步進電機 — 控制與法律的權衡
• 精密行星齒輪箱應用 — 工業用途
• 客製化電機解決方案 — OEM/ODM
• 馬達法蘭導引裝置 — ISO 9409 安裝

參考

以上工程資料參考了以下標準和製造商文件。連結已根據發布商頁面進行最後一次驗證；部分製造商下載入口網站會阻止自動請求（HTTP 403），但可透過普通瀏覽器存取。

1. IEC 60034-1:2022 — 旋轉電機，第 1 部分：額定值和性能. webstore.iec.ch/en/publication/65446
2. IEC 60034-30-1 — 旋轉馬達能源效率等級（IE1–IE5）. webstore.iec.ch/publication/91195
3. NEMA MG 1-2024 — 馬達和發電機. nema.org/standards/view/Motors-and-Generators
4. IEEE 112 — 多相感應與直流馬達測試規程. standards.ieee.org/ieee/112/4703
5. IEEE 43-2013 — 旋轉機械絕緣電阻測試. standards.ieee.org/ieee/43/4385
6. 美國能源部—電機與驅動系統效率. energy.gov/eere/motors
7. 國際能源總署—電動機與能源效率. iea.org/energy-system/industry/electric-motors
8. SKF — 齒輪應用軸承壽命計算 (L10). skf.com/group/technical-insights/bearings
9. 西門子 — SIMOTICS 馬達技術目錄. siemens.com/…/electric-motors
10. maxon — 齒輪技術（下載）. maxongroup.com/…/gear-download
11. FAULHABER－驅動技術訣竅（無芯/空心杯）. faulhaber.com/en/know-how
12. 安川電機 — 電機及驅動技術文檔. yaskawa.com/downloads
13. IEEE Xplore－經過同儕審查的微型馬達/齒輪傳動設計論文. ieeexplore.ieee.org/document/6342334
14. AGMA — 齒輪額定值與封閉式齒輪箱實務. agma.org/standards

本文由 Greensky Power 工程團隊編寫，旨在為口腔護理產品設計師提供技術參考。具體的電池、扭力、諧振和 IP 防護等級要求應在生產前根據您自己的測試數據和適用的 IEC/NEMA 標準進行驗證。