為了實現振動，電動牙刷設計了多少不同構型？

大家好 我是瘋貓 前幾天我一直在學習各種電機的運作原理 剛好看到萊芬前段時間也推出了自己的電動牙刷 說是採用了與業內不同的電機技術和運作方式 我也很好奇哪裏不同 首先就把市面上主流的不同電競技術的電動牙刷買了些回來 進行拆解 建模分析 那麼本期視頻就讓我們來聊一聊電動牙刷是如何實現振動的 我是瘋貓 本質上所有的電動牙刷都是通過電路板上的驅動程序 從電池取電驅動電機運作實現振動的 主要的技術路線有偏心輪傳動 有刷或無刷擺動電機傳動 以及伺服電機傳動 首先我們來看最簡單的一種形式 一臺有刷直流電機轉軸上安裝一個偏心輪 由於偏心輪的重心偏離軸心 轉動時就會帶動機身產生抖動 這種構造的原理是便宜 缺點是它是一種圓周性的抖動 和模擬刷牙所需的擺動是不同的 並且稍微用力就會被壓制住 同時採用這種振動原理的電動牙刷 機身往往會振動的非常強烈 不過米家這款還是有點巧思的 它的振動電機設計的很小 並且非常靠近刷頭 安裝刷頭後 刷頭將電機夾緊 限制了振動幅度 刷頭振動 而機身就幾乎感受不到振動了 但刷牙效果肯定也大打折扣了 是一種不太建議購買使用 並且基本被業內淘汰的電動牙刷構型 爲了模擬出刷牙所需的擺動 哥家就開始在電機的設計上發力了 我們造傳統的有刷直流電機 通過一組永磁體定子 線圈轉子 幻象器 電刷 以及慣性 實現圓周運動 我之前視頻也詳細介紹過有刷直流電機的原理 那如何設計一個在一定角度內來回擺動的電機呢 我們將線圈轉子設計爲兩組 永磁體定子也設計爲兩組 通電後線圈產生磁場 在一對永磁體的吸引下偏轉 之後改變輸入的電流方向 線圈產生的磁場反轉 線圈轉子被另一對永磁體吸引 進而回擺 這個過程不斷重複 就實現了轉子的來回擺動 有刷電機由於存在電刷的基礎磨損 振動頻率和使用壽命是不如無刷電機的 因此在有刷擺動電機的基礎上 就發展出了無刷擺動電機 與有刷電機剛好相反 無刷電機將兩對永磁體設計爲轉子 通電線圈作爲定子 向線圈發送不斷切換方向的電信號 以此驅動永磁體轉子 通過改變電信號的強弱與頻率 實現百幅的變化 市面上絕大多數的電動牙刷 都是這兩種擺動電機的構型 比如米家的T301和飛利浦的2471 就使用了有刷擺動電機 萌牙家的星耀X2則使用了無刷擺動電機 無刷擺動電機還有很多不同的形態 比如米家的T501 它設計的無刷電機 定子是永磁體 但線圈只起到磁化轉子鐵芯的作用 並不跟隨偏轉 或者像是世芒的磁懸浮電機 它的轉子爲上下結構的永磁體 定子爲線圈纏繞的鐵芯 再或者是飛利浦6系使用的盤式電機 所以盤式電機指的是它的定子和轉子 不是常見電機那樣內外相套的結構 而是像盤子一樣上下疊放的 盤式電機最早是爲了讓電機更薄而設計的 飛利浦這裏顯然不是爲了輕薄 大概是爲了增加線圈雜數 提高充電線圈的磁場強度 來對抗刷牙時的負載 同時飛利浦在電機與刷頭之間安裝了一條扭梁 並在中間固定彈片 使扭梁中點保持不動 當電機充電開始擺動後 帶動扭梁一端偏轉 儲存並傳播扭力至另一端 當兩端的擺動逐漸同頻後 產生的共振增大了刷頭輸出的扭矩 飛利浦的盤式電機以及扭梁的設計 在電動牙舌擺動電機的類別中也算是別具一格 但本質上也並沒有脫離擺動電機的範疇 上面所述的各種電機類型或傳動結構的設計 都是爲了實現刷頭的高頻擺動 它們的最大擺幅全都受到電機或傳動結構的限制 多數還爲了刷牙時 因爲負載增加進一步減小擺幅 它們有着同樣的設計思路 即如何設計一臺可以擺動的電機或傳動結構 但有些電機天生就可以實現擺動 比如萊芬使用的伺服電機 伺服電機並不是一種特殊的電機類型 而是電機與可以反饋轉子位置信息的 閉環控制系統的組合 有閉環控制就有開環控制 打個比方 開環控制就好比我們駕駛一輛沒有時速表的汽車 踩油門加速鬆油門減速 但是我們並不知道汽車具體的時速是多少 可能上個坡汽車減速了 我們也察覺不到 輸入的信息是踩下油門的深淺 輸出的是汽車的轉速 但輸出對輸入沒有任何反饋 對輸入沒有任何影響 這就是開環控制 而閉環控制就是駕駛一輛有時速表的汽車了 我們可以通過時速表反饋的信息 動態的實時的調整油門的深淺 上坡就加點油 下坡就減點油 使汽車可以保持在一個固定的明確的速度 如果把汽車比作一臺電機 那時速表加上我們的大腦和身體 就是一套閉環控制系統 這就是四幅電機 白分使用的是一臺三項無刷電機 轉子爲兩組永磁體 定子爲三組相互連接的線圈 我們先來看一個簡化後的三項無刷電機 通過霍爾元件檢測轉子的位置 並觸發對應的電信號 來控制轉子的轉動 改變電信號的發送順序與頻率 就可以改變轉子的轉動方向或擺動角度 實際的電機使用六條線圈和兩對永磁體 來增加扭矩和控制的精準度 使用四幅電機的優勢在於 四幅電機可以感知自身轉過的角度 在擺動到設定角度後 電機轉子纔會回擺 所以增加一定的負載 也不會影響刷頭的擺幅 而擺幅正是影響刷牙效果的關鍵因素之一 同時萊芬先進的PID動態補償算法 可以精準補償電機轉速 在保證擺幅的同時 不影響刷頭的擺動頻率 隨着負載的增加 同步增大電機扭矩 保持強勁動力 市面上也存在其他使用四幅電機的電動牙刷 定價往往頗高 萊芬在保持低壓的同時 所實現的動作還不止一次 如果僅僅是小幅高頻的擺動 和其他擺動電機實現的動作 並沒有什麼本質的不同 如何模擬出80摔α所需的更大幅度的掃動呢 掃震一體就是萊芬給出的解決方案 小幅高頻的擺動是震動 可以提供強有力的清潔力 而大幅低頻的擺動是掃動 可以覆蓋更多的清潔面積 掃震結合更容易實現80摔α的要求 實現對牙齒更加全面的清潔 這兩種動作本質上是相同的 都是轉子來回偏轉 那萊芬是如何用一臺電機 同時實現兩種本質相同的動作的呢 我嘗試着分析了一下 首先我們設定程序 讓電機轉子在5度範圍內來回擺動10次 即爲一次完整的震動週期 在第11次擺動時 轉子先擺過10度 再執行一遍5度範圍的震動週期 再擺過10度 再執行5度的震動週期 這個過程不斷重複 直到轉子擺過了30度 再反向擺動 這是一個線性的程序執行 掃震不斷交替 就實現了掃震一體 我上面解釋的是一個非常簡化的程序 實際上萊芬設計的控制程序 可以實現對電機非常精細的控制 我們在萊芬的小程序中 可以非常輕鬆地改變刷頭的震動幅度 掃動幅度 掃動速度 每項都有十幾檔位 以此匹配最適合個人的刷頭震幅與頻率 達到最佳的清潔效果 至此萊芬就實現了從電機這一動作源頭 對電動牙刷的革新 在強勁電機的加持下 萊芬使用無銅織毛工藝 將工人最會用的0.02毫米尖絲軟刷毛 作爲標準刷頭的刷毛 刷毛的軟硬程度 也是影響清潔效果的重要因素之一 同等動力下 往往更硬的刷毛清潔效果更好 但對牙齦的傷害也更大 萊芬強勁的伺服電機 配合60度掃幀一體動作 使用尖絲軟刷毛 兼顧呼籲體驗同時 也能保證高效清潔的效果 同時萊芬的機身無縫設計 一體成型 運用創新的微壓力感應按鍵 既可以快速啓動牙刷 又能更好的避免藏污納垢 萊芬秉持着技術普惠的理念設計開發產品 研發達到旗艦產品的性能 並探底普惠大衆的價格 相比其他稍微增加點不同技術 就價格翻倍或者動輒千元的電動牙刷 這款ABS外殼版本的萊芬掃幀電動牙刷 只需299元 即使作爲消耗品的刷頭 也探底單隻9.9元的價格 感興趣的朋友可以前往各大電商平臺 瞭解更多產品細節 好了以上便是本期視頻的全部內容了 感謝萊芬對本期視頻的贊助 每一項發明的背後都是設計者的心思妙想和診病邏輯 我是放風 感謝您的關注 我們下期再見