DE102004025226A1

DE102004025226A1 - Elektromotor, insbesondere Spindelmotor

Info

Publication number: DE102004025226A1
Application number: DE102004025226A
Authority: DE
Inventors: Guido Schmid; Hermann Flammer; Jürgen Oelsch
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-05-22
Filing date: 2004-05-22
Publication date: 2005-12-22
Also published as: JP2005341791A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere Außenläufermotor mit einem Stator, einem Rotor und einem Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes, wobei der Permanentmagnet von einem etwa hohlzylindrischen Joch umgeben ist. Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass das Joch mehrlagig ausgebildet ist, d. h. es besteht aus mehreren Lagen eines magnetischen Werkstoffes, vorzugsweise eines weichmagnetischen Werkstoffs. Durch die mehrlagige Bauform verringern sich erfindungsgemäß die Wirbelstromverluste im Joch und es erhöht sich damit der Wirkungsgrad des Elektromotors.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere einen als Außenläufer ausgebildeten Spindelmotor, wie er z.B. für den Antrieb von Speicherplatten in Festplattenlaufwerken eingesetzt wird.
Stand der Technik
Elektromotoren bestehen immer aus einem ruhenden Teil, dem Ständer oder Stator und einem beweglichen (rotierenden) Teil, dem Läufer oder Rotor. Die wichtigsten Wirkungspartner des Motors sind zum einen das rotorseitige Magnetfeld in Gestalt von einem oder mehreren Magnetpolpaaren und zum anderen die auf dem Stator angebrachten Leiter, die gewöhnlich als System von Leiterschleifen ausgebildet, bei geeigneter Bestromung ein magnetisches Drehfeld erzeugen. Der Teil der Maschine, der das Magnetfeld ausbildet, wird als Erregersystem bezeichnet, das bei Motoren kleiner Leistung meist aus Permanentmagneten, vorzugsweise aus einstückigen Ringmagneten, besteht. Bei Innenläufern befindet sich der auf dem Rotor angeordnete Permanentmagnet innerhalb des Stators, bei Außenläufern hingegen befindet sich der Stator innerhalb des Permanentmagneten. Um mit möglichst wenig (teurem) permanentmagnetischem Material eine möglichst hohe Feldstärke zu erzielen, ist der magnetische Kreis bis auf den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer eisengeschlossen, wobei der Magnet von einem soliden Joch aus Weicheisen umgeben ist. Dieses Joch sorgt für den magnetischen Rückschluss.
Bei kleinen Motoren, und insbesondere bei als Außenläufer aufgebauten Motoren, besteht das Joch aufgrund des geringen Platzangebots meist aus einem tiefgezogenen topfartigen Teil aus Weicheisen, welches zumindest abschnittsweise die Form eines Hohlzylinders ausbildet. Weicheisen wird verwendet, da es eine gute Ziehbarkeit und die benötigten magnetischen Eigenschaften aufweist. Beim Ausstanzen und Tiefziehen des aus einem Eisenblech gefertigten Jochs entsteht ein nicht unerheblicher Anteil an Abfall, was sich in erhöhten Produktkosten niederschlägt.
Ferner entstehen, insbesondere beim Betrieb des Motors mit hohen Drehzahlen, aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit des Weicheisens in dem kompakten einteiligen Joch Wirbelströme. Die hieraus resultierenden Wirbelstromverluste, steigen mit zunehmender Betriebsfrequenz und Drehzahl des Motors ebenfalls an, wodurch der Wirkungsgrad des Motors sinkt bzw. die Stromaufnahme des Motors bei gleicher Abgabeleistung zunimmt.
Insbesondere bei portablen Geräten muss jedoch auf einen guten Wirkungsgrand und geringen Stromverbrauch der verwendeten Elektromotoren geachtet werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad eines Elektromotors zu verbessern, indem die im Joch hervorgerufenen Wirbelstromverluste verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektromotor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist das etwa hohlzylinderförmige Joch mehrlagig ausgebildet, das heißt es besteht aus mehreren ringförmigen Lagen eines magnetischen Werkstoffes, vorzugsweise eines weichmagnetischen Werkstoffs.
Die einzelnen ringförmigen Lagen sind voneinander isoliert, indem wenigstens eine der beiden Oberflächen einer jeden Lage mit einer Isolierschicht versehen ist.
Durch den Aufbau des Joches aus mehreren Lagen einzelner, elektrisch voneinander isolierter „ Ringscheiben" verringern sich erfindungsgemäß die Wirbelstromverluste im Joch und es erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors, was sich in einer bis zu 25% geringeren Stromaufnahme im Vergleich zu einem gleichartigen Motor mit einteiligem Joch zeigt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Joch aus mehreren übereinander liegenden Lagen eines weichmagnetischen Werkstoffes, vorzugsweise Siliziumeisen, wobei jede einzelne Lage im wesentlichen aus einem dünnen, ringförmigen Teil besteht.
Die Lagen sind fest miteinander verbunden; zum Beispiel sind sie ineinander verzahnt, verklebt, verschweißt, oder ähnliches, und bilden einen kompakten etwa zylindrischen Hohlkörper.
Die Herstellung des mehrlagigen Jochs kann in der gleichen Weise erfolgen, wie die Herstellung der Blechpakete für. die Statorwicklungen des Motors, beispielsweise durch Stanzen im Folgeschnitt, wodurch der Anteil am Abfall wesentlich verringert werden kann.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die mehreren Lagen des Jochs durch einen schraubenförmig gewundenen Draht gebildet sein.
Der Draht besteht vorzugsweise aus Weicheisen mit guter Formbarkeit und ist vorzugsweise von einer Isolierung umgeben.
Es kann Draht mit einem runden Querschnitt oder einem rechteckigen Querschnitt verwendet werden.
Eine Verbindung der einzelnen übereinander liegenden Drahtwindungen wird hergestellt, indem die Lagen von Dräht miteinander verpresst werden. Durch das Zusammenpressen in axialer Richtung wird ein anfangs runder Draht in eine etwa rechteckige Form gebracht, so dass sich ein kompakter Hohlzylinder ergibt. Nach dem Verpressen sind die einzelnen Drahtlagen nach wie vor durch die Isolierung voneinander getrennt.
Ein großer Vorteil der Herstellung des Jochs aus Draht ist, dass nahezu kein Abfall anfällt, da der Draht als Meterware verarbeitet werden kann.
Das in erfindungsgemäßer Weise herjestellte aus mehreren Lagen ausgebildete Joch kann bei Bedarf durch Drehen und/oder Schleifen weiter bearbeitet und in seine endgültige Form gebracht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor bekannter Bauart mit einteiligen Joch.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein mehrlagig ausgebildetes Joch.
3 zeigt einen Schnitt durch das mehrlagig ausgebildete Joch in 2.
4 zeigt einen Schnitt durch ein Joch aus schraubenförmig gewundenem Draht mit rundem Querschnitt.
4a zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details A in 4.
5 zeigt einen Schnitt durch ein Joch aus schraubenförmig gewundenem Draht mit rechteckigem Querschnitt.
5a zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details B in 5.
Beschreibung von bevorzugten Aüsführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor bekannter Bauart. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 1, an der eine Statoranordnung 2, bestehend aus einem Statorkern und Wicklungen, angeordnet ist. Eine Lagerhülse 3 ist in einer zentralen Ausnehmung der Basisplatte 1 aufgenommen und bildet mit dieser zusammen das feststehende Teil des Motors, während sich eine Welle 4 zusammen mit einem daran befestigten Rotor 5 um die Rotationsachse 6 drehen und das bewegliche Teil des Motors bilden. Am inneren; unteren Rand des Rotors 5 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 7 mit einer Mehrzall von Polpaaren angeordnet, die von der Statoranordnung 2 mit einem elektromagnetischen Drehfeld beaufschlagt werden, so dass der Rotor 5 und die damit verbundenen Teile des Motors in Drehung versetzt werden. Der Permanentmagnet 7 ist von einem einteiligen, zylinderförmigen Joch 8 umgeben; das ebenfalls am Rotor 5 angeordnet ist.
Die 2 und 3 zeigen eine erste Ausgestaltung eines mehrlagigen Jochs 9 gemäß der Erfindung. Dieses Joch 9 kann im Austausch für das im Spindelmotor gemäß 1 gezeigte Joch 8 verwendet werden. Wie man insbesondere in 3 erkennt, besteht das Joch 9 aus vielen übereinanderliegenden, ringförmigen Lagen 10 aus weichmagnetischem Material, vorzugsweise Siliziumeisen die miteinander zu einem hohlzylindrischen Körper verbunden sind. Die Lagen 10 können untereinander verzahnt, verklebt, verschweißt oder in anderer Form verbunden werden. Durch eine zwischen den einzelnen Lagen befindliche Isolierschicht wird die Bildung von Wirbelströmen innerhalb des Jochs 9 erschwert, so dass die Wirbelstromverluste reduziert werden können. Die Herstellung des Jochs 9 kann im wesentlichen mit den gleichen Werkzeugen und dem gleichen Verfahren erfolgen, vorzugsweise in einem Folgeschnitt aus demselben Blechstreifen, wie die Herstellung des Blechkerns für die Statoranordnung.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindug ist in den 4, 4a, 5 und 5a gezeigt. Das hier gezeigte Joch 11 besteht aus mehreren Wicklungen eines Weicheisendrahts 12 mit guter Formbarkeit. Der Draht 12 ist mit einer dünnen Isolierung 14 beschichtet, wie sie z. B. zur Isolierung von Kupferdrähten verwendet wird. Der Eisendraht 12 wird schraubenförmig zu einem Hohlzylinder gewickelt, wie es insbesondere aus den 4 und 4a hervorgeht. Dabei kann zunächst ein Eisendraht 12 mit rundem Querschnitt verwendet werden, der eine entsprechende Isolierung 14 trägt. In einem zweiten Schritt kann dann in einem Presswerkzeug dieser Drahtwickel in axialer Richtung, d.h. entlang der Achse 6 gepresst werden. Die Presskraft deformiert den anfangs runden Draht 12 zu einer kompakten Röhre, wobei der Querschnitt der verpressten Drähte 13 nun eine rechteckige Form aufweist, wie es in den 5 und 5a gezeigt ist. Die individuellen Windungen der Drähte 13 sind nach wie vor durch die Isolierung 14 voneinander getrennt. Falls notwendig kann das so entstandene Joch 11 z. B. durch Drehen oder Schleifen nachbearbeitet werden.
Andererseits kann bereits beim Wickeln des Drahtkörpers 11 ein Draht 13 mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden, so dass sich unmittelbar eine in den 5 und 5a gezeigte Form des Jochs 11 ergibt. Die einzelnen Lagen des Drahtes 13 können hierbei z. B. miteinander verklebt werden.
Auch durch die Ausgestaltung gemäß den 4 bis 5 können die in dem Jochgebilde 11 entstehenden Wirbelströme stark vermindert werden, wobei bei dieser Art der Herstellung nahezu kein Abfall anfällt, da der Draht als Meterware verwendet werden kann.
Testergebnisse:
Die Tests wurden an einem typischen Spindelmotor durchgeführt, wie er bei Festplattenlaufwerken eingesetzt wird. Es wurde sowohl ein Spindelmotor mit einem herkömmlichen, einteiligen Joch als auch ein Spindelmotor mit einem erfindungsgemäß mehrlagigen Jochverwendet. Die Stromaufnahme wurde jeweils nach einer Einlaufphase von 60 s gemessen.
Im Ergebnis hat der Motor mit mehrlagigem Joch eine zwischen 20% und 25% geringere Stromaufnahme als der selbe Motor mit einteiligem Joch.

1: Basisplatte
2: Statoranordnung
3: Lagerhülse
4: Welle
5: Rotor
6: Rotationsachse
7: Permanentmagnet
8: Joch (einteilig)
9: Joch (mehrlagig)
10: Lagen
11: Joch (Drahtwickel)
12: Draht
13: Draht
14: Isolierung

Claims

Elektromotor, insbesondere Außenläufermotor, mit einem Stator, einem Rotor und einem vorzugsweise ringförmigen Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes, wobei der Permanentmagnet von einem etwa hohlzylindrischen Joch umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (9; 11) mehrlagig ausgebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (9) aus mehreren übereinander liegenden Lagen (10) eines weichmagnetischen Werkstoffes besteht.
Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weichmagnetische Werkstoff ein Siliziumeisen ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lage (10) aus einem dünnen ringförmigen Teil besteht.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Oberflächen einer jeden Lage (10) mit einer Isolierschicht versehen ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (10) fest miteinander verbunden sind.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) einen Blechkern aufweist, der aus einzelnen aufeinanderliegenden Statorblechen besteht, und die einzelne Lage (10) im Folgeschnitt aus demselben Blechstreifen hergestellt wird, aus dem auch das entsprechende Statorblech hergestellt wird.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Lagen des Jochs (11) durch einen schraubenförmig gewundenen Draht (12; 13) gebildet sind.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (12; 13) aus Weicheisen besteht.
Elektromotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (12; 13) von einer Isolierung (14) umgeben ist.
Elektromotor nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen von Draht (13) miteinander verpresst sind.
Elektromotor nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (12) einen runden Querschnitt hat.
Elektromotor nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (13) einen rechteckigen Querschnitt hat.
Elektromotor nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrlagige Joch (9; 11) durch Drehen und/oder Schleifen nachbearbeitet ist.