DE102005036108A1

DE102005036108A1 - Elektrische Maschine, insbesondere bürstenloser Gleichstrommotor für ein Festplattenlaufwerk

Info

Publication number: DE102005036108A1
Application number: DE200510036108
Authority: DE
Inventors: Markus KLÖPZIG; Andrey Pulnikov; Harald Rapp
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-02-08

Abstract

Elektrische Maschine, insbesondere bürstenloser Gleichstrommotor für ein Festplatten-Laufwerk, mit einer eisenlosen Statoranordnung, die eine Vielzahl von Spulenträgern zur Bildung eines Stators aufweist, wobei die Spulenträger über einen Trägerring miteinander verbunden sind, einer Rotoranordnung, die einen der Statoranordnung zugewandten Rotormagneten aufweist, wobei zwischen der Statoranordnung und dem Rotormagneten ein erster Luftspalt gebildet ist, und einem Statorrückschluß, der auf der von dem Rotormagneten abgewandten Seite der Statoranordnung angeordnet ist, wobei zwischen dem Statorrückschluß und der Statoranordnung ein zweiter Luftspalt gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor für ein Festplattenlaufwerk, mit einer eisenlosen Statoranordnung und einer Rotoranordnung, die einen der Statoranordnung zugewandten Rotormagneten aufweist, wobei zwischen der Statoranordnung und dem Rotormagneten ein erster Luftspalt gebildet ist. Ein Statorrückschluß ist getrennt von der Statoranordnung auf der von dem Rotormagneten abgewandten Seite der Statoranordnung angeordnet, so daß zwischen dem Statorrückschluß und der Statoranordnung ein zweiter Luftspalt gebildet ist. Eine derartige elektrische Maschine ist in dem US Patent 5,579,188 in 10 gezeigt. Die dort gezeigte Statoranordnung umfaßt eine sogenannte „Basket-Wicklung", die keine Statorbleche benötigt. Die Basket-Wicklung wird um ausfahrbare Stifte herumgewickelt, die an einer Spindel befestigt sind, wie mit Bezug auf die 8A bis 8D dieser Schrift erläutert ist. Die in der US 5,579,188 beschriebene Maschine ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, spezieller ein Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk mit einem Gehäuse, einer Grundplatte, einer Nabe und einem Stator. Die eisenlose Statorwicklung minimiert akustische Schwingungsspitzen und führt so zu einem ruhigeren Lauf des Spindelmotors.

Die Erfindung betrifft allgemein bürstenlose Gleichstrommotoren und andere Permanentmagnetmotoren, die als Innenläufer oder Außenläufer (Radialflußmaschine) oder als Scheibenläufer (Axialflußmaschine) konfiguriert sein können. Gleichstrommotoren mit einer Innenläuferkonfiguration weisen in der Regel einen Rotorkörper auf, der auf eine Welle aufgebracht ist und einen oder mehrere Permanentmagnete trägt. Die Permanentmagnete sind auf den Rotorkörper aufgebracht oder in diesen eingebettet. Der Rotor ist von einem Stator umschlossen, der in der Regel einen Statorkörper aus mehreren genuteten Metallblechen umfaßt, der einen ringförmigen Statorrückschluß bildet. Statorzähne bilden Pole, zwischen welchen Statornuten zur Aufnahme von Statorwicklungen gebildet sind. Bei einem Innenläufermotor ist die Rotoranordnung koaxial in die Statoranordnung eingefügt; bei einem Außenläufermotor umschließt, umgekehrt, die Rotoranordnung den Stator koaxial. Hierbei ist der Stator häufig mit einer feststehenden Welle verbunden, während die Rotoranordnung an einer Nabe angebracht ist, die auf der Welle gelagert ist und den Stator umgreift. Bei einem Scheibenläufer (Axialflußmaschine) ist der Stator durch eine feststehende Scheibe gebildet, die Spulen trägt, wobei einer oder beiden Seiten der Scheibe gegenüberliegend ein bzw. zwei Rotormagnetscheiben oder -ringe den Spulen zugeordnet sind.

Bei den üblichen Gleichstrommotoren mit genutetem Stator und segmentierten Wicklungen besteht das Problem, daß aufgrund der Eisenverluste im Stator eine erhebliche Erwärmung des Motors während des Betriebs entsteht. Aufgrund von Unmagnetisierungsverlusten sowie Wirbelströmen im Stator kann nur ein begrenzter Wirkungsgrad erreicht werden. Ferner ent stehen durch Rastmomente und axiale sowie radiale Magnetkräfte zwischen Stator und Rotor Störungen im Gleichlauf des Motors, welche unerwünschte Geräusche verursachen.

Das US Patent 5,579,188 schlägt zur Verringerung von durch Vibrationen erzeugten Geräuschen vor, einen Spindelmotor mit einer eisenlosen Statorwicklung zu realisieren, die als sogenannte „Basket-Wicklung" oder alternativ als „Gramme-Wicklung" ausgeführt ist. Die Grundsätze dieses Patentes lassen sich jedoch nicht ohne weiteres auf einen Stator mit genutetem Statorkörper übertragen. Ein Stator mit genutetem Statorkörper weist, wie oben erläutert, einen Rückschlußring und von dem Rückschlußring in radialer Richtung abstehende Statorzähne auf. Diese Statorzähne bilden Pole, zwischen denen Nuten zur Aufnahme von Statorwicklungen gebildet sind. Am Ende der Statorzähne sind Polschuhe vorgesehen, die einerseits der besseren Magnetflußübertragung zum Rotor dienen und andererseits eine Rückhaltefunktion zum Halten der Wicklungen in den Nuten haben. Die Wicklungen bestehen aus einzelnen Polspulen oder „Einzelhammerwicklungen", welche einander nicht überlappen. Wenn durch das Motordesign solche Polwicklungen gefordert werden, die keine Überlappungen aufweisen, läßt sich dies durch Basket-Wickeltechnik nicht erreichen. Einzelhammerwicklungen können mittels Flyer-Wickeltechnik oder durch Einzelspulen realisiert werden. Die Flyer-Wickeltechnik hat den Vorteil des einfachen Handlings. Ein Verkleben der gewickelten Drähte, um der Wicklung in sich Halt zu geben, ist nicht notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor für ein Festplattenlaufwerk, anzugeben, die die beschriebenen Nachteile bekannter Spindelmotoren bezüglich der Erwärmung des Motors, der Begrenzung des Wirkungsgrades und der Geräuschentwicklung lösen. Ferner sollen die Nachteile bekannter Motoren mit Luftspaltwicklung, wie in dem US Patent 5,579,188 gezeigt, vermieden werden. Zu diesen Nachteilen gehören die Aufwendigkeit des Herstellungsprozesses sowie die fragile, freitragende Struktur, welche sich bei Luftspaltwicklungen ergibt.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine, insbesondere durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor für ein Festplattenlaufwerk, gemäß Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Maschine umfaßt eine eisenlose Statoranordnung, die eine Anzahl von Spulenträgern aufweist, die über einen Trägerring miteinander verbunden sind und einen Statorkörper zur Aufnahme von Wicklungen bilden. Die Maschine umfaßt ferner eine Rotoranordnung, die einen Rotorkörper und Permanentmagnete umfaßt, wobei zwischen der Statoranordnung und dem Rotormagnet ein erster Luftspalt gebildet ist. Auf der von der Rotoranordnung abgewandten Seite der Statoranordnung ist ein Statorrückschluß angeordnet, wobei zwischen dem Statorrückschluß und der Statoranordnung ein zweiter Luftspalt gebildet ist.

Aufgrund der Realisierung der Statoranordnung als eisenloser Stator können die Eisenverluste eliminiert werden, wodurch sich eine geringere Erwärmung des Motors während des Betriebs ergibt. Sofern eine gewisse Erwärmung toleriert wird, können alternativ höhere ohm'sche Verluste und Lagerverluste in Kauf genommen werden, so daß der Motor in bezug auf diese Aspekte mit geringerem Aufwand und somit mit geringeren Kosten hergestellt werden kann. Die Erfindung sieht somit eine eisenlose Statoranordnung vor, die grundsätzlich ähnlich aufgebaut ist und bewickelt werden kann wie ein Stator mit genutetem Statorkörper, der eine Vielzahl von Spulenträgern aufweist, die sich von dem Statorkörper in radialer Richtung erstrecken und zwischen sich Statornuten eingrenzen. Im Vergleich zu einem Stator, der aus einem genuteten, laminierten Blechstapel aufgebaut ist, ist bei der erfindungsgemäßen Statoranordnung die Induktivität erheblich reduziert, und Ummagnetisierungsverluste und Wirbelströme werden vermieden, wodurch sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades und somit der maximalen Motorgeschwindigkeit ergibt. Ferner werden durch diese Maßnahme axiale und radiale Magnetkräfte innerhalb des Motors reduziert, wodurch ein ruhigerer Gleichlauf des Motors und somit eine Verminderung der Geräuschentwicklung des Motors erreicht wird. Auch Drehmomentschwankungen und Rastmoment können deutlich verringert werden.

All diese Vorteile können mit einer Statoranordnung erreicht werden, die grundsätzlich so aufgebaut ist wie ein üblicher Stator, d.h. mit Statorpolen und -nuten. Der Trägerring und die Spulenträger müssen allerdings nicht hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften der Maschine optimiert werden, sondern ihre genauen Abmessungen werden so gewählt, daß sie hinsichtlich ihrer Trägerfunktion optimiert sind. Hierbei ist der wichtigste Gesichtspunkt, mit einem Minimum an Materialeinsatz eine möglichst kleine und ausreichend stabile tragende Struktur für die Wicklungen zu schaffen.

Wenn die erfindungsgemäße Maschine als Radialflußmaschine gestaltet ist, können die Spulenträger über den Trägerring genauso angeordnet werden, wie in einem laminierten, genuteten Statorkörper für einen Innenläufer-Motor, so daß der Stator von außen mittels Flyerwickeltechnik bewickelbar ist. Dies gilt unabhängig davon, ob die erfindungsgemäße Maschine letztendlich als Innenläufer oder als Außenläufer realisiert ist. Wenn die Maschine als Axialflußmaschine oder Scheibenläufer realisiert ist, können die Spulenträger ringförmig angeordnet werden, wobei diese Spulenträger vorgefertigte Spulen aufnehmen können. Dadurch läßt sich die Statoranordnung der erfindungsgemäßen Maschine mit deutlich geringerem Aufwand herstellen als beispielsweise der Spindelmotor mit Basket-Wicklung der US 5,579,188 .

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind der Spulenträger und der Trägerring aus Kunststoff hergestellt. Sie können aus einzelnen Teilen bestehen, welche zusammengesetzt werden, oder einstückig beispielsweise als Spritzgußteil hergestellt werden. Dadurch wird die Herstellung der elektrischen Maschine besonders einfach. Es ist auch möglich, daß Spulenträger und Trägerring aus einem anderen nicht ferromagnetischen Material hergestellt werden.

Die Statoranordnung ist vorzugsweise mit einer Grundplatte oder einem anderen feststehenden Bauteil einer Maschine fest verbunden, wobei zusätzlich eine Versteifungsvorrichtung, insbesondere ein Versteifungsring, vorgesehen werden kann, um die aus Kunststoff bestehenden Statoranordnung zu stabilisieren. Dadurch kann sichergestellt werden, daß der Luftspalt zwischen Rotor- und Statoranordnung und der Luftspalt zwischen Statoranordnung und Statorrückschluß jeweils ein vorgegebenes Maß einhalten.

In der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Statorrückschluß mit der Rotoranordnung drehfest verbunden. Eine Nabe ist auf einer feststehenden Welle gelagert und trägt die Rotoranordnung sowie den Statorrückschluß. Üblicherweise ist die Nabe aus Aluminium oder Stahl hergestellt. Wenn für die Nabe ein ferromagnetisches Material verwendet wird, ist die Ausbildung eines gesonderten Statorrückschlusses und/oder Rotorrückschlusses nicht notwendig, weil die Nabe dann die Rückschluß-Funktion übernehmen kann. Bei Verwendung in einem Spindelmotor für ein Fest-Plattenlaufwerk kann die Nabe auch eine Aufnahme für die Speicherplatten tragen.

In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine feststehende Welle verwendet, und zwischen der Nabe und der Welle ist ein hydrodynamisches Lager oder ein Luftlager gebildet. Vorzugsweise ist eine Lagerbuchse in die Nabe eingesetzt oder integriert. Jedoch ist auch die Verwendung von Kugellagern möglich.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Rotormagnet eine Halbach-Magnetisierung auf. In diesem Fall ist kein gesonderter Rotorrückschluß notwendig. In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Statorrückschluß durch einen zweiten Rotormagneten und eventuell einen zugeordneten Rückschlußkörper gebildet.

Wie bereits erläutert, kann die erfindungsgemäße Maschine als Radialflußmaschine oder als Axialflußmaschine ausgebildet sein. Die Radialflußmaschine kann sowohl eine Innenläufer- als auch eine Außenläuferkonfiguration haben. In beiden Fällen erstrecken sich die Spulenträger in radialer Richtung von dem Trägerring nach außen und nehmen Spulen auf die gleiche Art und Weise auf wie ein genuteter Statorkörper für einen Außenläufer, d.h. sie sind beispielsweise mittels Flyer-Wickeltechnik bewickelbar. Die Rotoranordnung kann einen segmentierten Magnetring oder eine Vielzahl ringförmig angeordneter Einzelmagnete aufweisen, die auf einen Rotorrückschluß aufgebracht sind. Auch eine Rotoranordnung mit eingebetteten Permanentmagneten liegt im Bereich der Erfindung.

Die Rotoranordnung ist koaxial zu den ringförmig angeordneten Spulenträgern angeordnet. Die axiale Länge des Rotormagneten kann abhängig von der axialen Abmessung der bewickelten Spulenträger eingestellt werden. Bei der Festlegung der Länge des Rotormagneten kann einerseits berücksichtigt werden, daß an den axialen Endabschnitten der Wicklungen keine Kräfte erzeugt werden, andererseits sollte die Länge des Magneten so bestimmt werden, daß die elektromotorische Kraft (EMK) und das Drehmoment maximiert werden.

Bei einer Radialflußmaschine sind die Spulenträger über den Trägerring vorzugsweise an einer Grundplatte oder einem Flansch befestigt. Die Grundplatte oder der Flansch dienen auch als eine Verankerung für die Versteifungsvorrichtung.

Wenn die erfindungsgemäße Maschine als Axialflußmaschine realisiert ist, sind die Spulenträger ringförmig auf einer Trägerscheibe angeordnet, und die Rotoranordnung umfaßt eine den Spulen gegenüberliegende Magnetscheibe oder einen Magnetring. Die Spulenträger sind vorzugsweise so ausgebildet, daß sie vorgewickelte Spulen aufnehmen, die um gedachte Achsen gewickelt sind, welche sich jeweils parallel zur Motorachse erstrecken.

Der Trägerring für die Spulenträger ist vorzugsweise an der feststehenden Welle befestigt.

In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist für die Axialflußmaschine die Nabe zweiteilig ausgebildet, wobei an einem Nabenteil die Rotoranordnung und an dem anderen Nabenteil der Statorrückschluß vorgesehen ist und die beiden Nabenteile in axialer Richtung zusammengefügt werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Außenläufermotor gemäß der Erfindung einschließlich zwei Detailansichten;
2 einen Längsschnitt durch einen Innenläufermotor gemäß der Erfindung einschließlich zwei Detailansichten;
3 einen Längsschnitt durch einen Scheibenläufermotor gemäß der Erfindung;
4a und 4b einen Querschnitt sowie einen Längsschnitt durch einen Außenläufermotor gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung; und
5a und 5b einen Querschnitt sowie einen Längsschnitt durch einen Scheibenläufermotor gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Die Erfindung ist im folgenden beispielhaft anhand von bürstenlosen Gleichstrommotoren beschrieben. Sie ist jedoch in entsprechender Weise auf andere Permanentmagnetmotoren anwendbar. Auch ist die Erfindung auf keine bestimmten Pol-Nutzahl-Verhältnisse beschränkt. Die bevorzugte Anwendung der Erfindung ist auf dem Gebiet der Spindelmotoren zum Antrieb von Festplatten, es sind jedoch auch andere Verwendungen möglich. Des weiteren sind die Grundsätze der Erfindung sowohl auf Motoren als auch auf korrespondierenden Generatoren anwendbar.
1 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung, der als Außenläufer-Radialflußmaschine konfiguriert ist. Das Gehäuse des Motors ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Motor umfaßt eine Welle 10, die mit einer Grundplatte 12 oder einem Flansch verbunden ist. Die Grundplatte 12 trägt einen Stator 14, der über einen zylindrischen Trägerring 16 mit der Grundplatte 12 fest verbunden ist. Der Trägerring 16 ist mit einer Vielzahl von Spulenträgern 18 des Stators 14 vorzugsweise einteilig ausgebildet und hält diese koaxial um die Welle 10 herum in ihrer Position, wobei sich die Spulenträger 18 von dem Trägerring 16 in radialer Richtung nach außen erstrecken. Der aus den Spulenträgern 18 und dem Trägerring gebildete Statorkörper besteht vorzugsweise aus Kunststoff oder einem anderen nicht ferromagnetischen Material und trägt Wicklungen 20, die auf die Spulenträger 18 von außen beispielsweise mit einer Flyer-Wickelmaschine aufgebracht werden können.
Über ein hydrodynamisches Lager, ein Luftlager 22 oder ein Wälzlager ist eine Nabe 24 auf der Welle 10 gelagert. Die Nabe 24 trägt den Rotor 26 und dient beispielsweise zur Aufnahme von Speicherplatten (nicht gezeigt), wenn der dargestellte Motor als Spindelmotor in einem Festplattenlaufwerk verwendet wird.
Der Rotor umfaßt in der gezeigten Ausführung einen dem Stator 14 zugewandten Permanentmagneten 28, der in Form eines Magnetringes ausgebildet sein kann. Zwischen dem Permanentmagneten 28 und dem Stator 14 ist ein erster Luftspalt gebildet. Auf seiner dem Stator abgewandten Seite kann der Permanentmagnet 28 mit einem Rückschluß 30 versehen sein. Bei entsprechender Dicke und/oder Magnetisierung des Magnetrings 28 oder bei Verwendung eines ferromagnetischen Materials für die Nabe 24 kann der Rotorrückschluß fehlen.
Auf der von dem Permanentmagneten abgewandten Seite des Stators 14, bei der gezeigten Ausführung auf der Innenseite des Stators 14, ist ein weiterer Rückschluß 32 an der Nabe 24 angeordnet. Dieser Rückschluß 32 dient als Rückschluß für den Stator 14 und ist daher im folgenden als Statorrückschluß bezeichnet. Er kann, wie in 1 gezeigt, durch einen Ring aus ferromagnetischem Material gebildet werden, der an der Nabe 24 befestigt ist; wenn die Nabe 24 jedoch aus einem ferromagnetischen Material besteht, kann sie selbst diesen Rückschluß bilden.
Der Stator 14 ist über einen Versteifungsring 34 aus Kunststoff oder Aluminium stabilisiert, um einen konstanten, vorgegebenen Luftspalt zwischen dem Stator 14 und dem Statorrückschluß 32 sowie zwischen dem Stator 14 und dem Rotor 26 zu gewährleisten.
In den Detailansichten der 1 ist linkerhand die Kontaktierung der Wicklung zu erkennen. Ferner ist darin die Verbindung zwischen dem Spulenträger 18, dem Trägerring 16 und dem Versteifungsring 34 deutlicher zu erkennen.
2 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch eine Innenläufermaschine, deren Aufbau weitgehend mit dem der Außenläufermaschine der 1 identisch ist, wobei lediglich die Positionen von Statorrückschluß 32 einerseits und Permanentmagnet 28 und Rotor-Rückschluß 30 andererseits vertauscht sind. Die magnetischen Eigenschaften sowie der Statoraufbau der beiden in den 1 und 2 gezeigten Maschinen ist weitgehend identisch.
Die in den 1 und 2 gezeigten Maschinen haben folgende Besonderheiten und Vorteile.
Der Stator 14 besteht aus mehreren bewickelten Spulenträgern 18, die von dem Trägerring 16 vorzugsweise einteilig in Ringform gehalten werden. Der Stator kann aus mehreren Teilen zusammengesetzt oder aus einem Teil, insbesondere ein Kunststoffspritzteil, hergestellt werden. Auf diese Weise wird ein leicht herstellbarer Kunststoffrahmen für den Stator vorgesehen, auf dem unabhängig davon, ob es sich um einen Innenläufer- oder einen Außenläufermotor handelt, die Wicklungen 20 von außen beispielsweise mit einer Flyer-Wickelmaschine aufgebracht werden können. Wird der Stator aus mehreren Teilen zusammengesetzt, so ist es auch möglich Spulenträger mit vorgefertigten Spulen zu verwenden. Ferner können die tragenden Komponenten des Stators hinsichtlich ihrer Tragfunktion optimiert werden, ohne Rücksicht auf magnetische Eigenschaften nehmen zu müssen. So können z.B. die Stege und „Polschuhe" der Spulenträger geringere Wandstärken haben als bei üblichen Statorkörpern, weil sie keinen magnetischen Fluß leiten müssen.
Der Statorrückschluß 32 ist von dem Stator 14 durch einen Luftspalt getrennt, so daß keine oszillierenden Felder des Permanentmagneten 28 im Rotor auftreten und somit im Rückschluß weniger magnetische Verluste entstehen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Kraftwirkungen zwischen Permanentmagnet und Statorrückschluß nur zwischen Teilen auftreten, die der Rotoranordnung zugeordnet sind.
Der Stator 14 ist auf besonders einfache und zweckmäßige Weise über den Trägerring 16 und den Versteifungsring 34 an der Grundplatte 12 befestigt und stabilisiert.
Durch die Verbindung von Rotor 26 und Statorrückschluß 32 über die Nabe 24 ergibt sich eine Einheit, welche den Stator 14 weitgehend umschließt und somit eine Abschirmung gegen im Motor erzeugte elektromagnetische Felder bilden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, bei der Verwendung des dargestellten Motors als Spindelmotor für ein Festplattenantrieb, weil somit die Nabe 24 verhindert, daß sich elektromagnetische Felder in das Gebiet, indem sich die Speicherplatten befinden, ausbreiten.
Aufgrund der deutlichen Verringerung von axialen und radialen Magnetkräften, welche von dem Stator erzeugt werden, können Drehmomentschwankungen und Rastmomente erheblich reduziert werden. Aufgrund fehlender Magnetisierungsverluste sowie geringerer Wirbelströme im Stator kann der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden.
Während in der Ausführung der 1 und 2 ein Permanentmagnet 28 gezeigt ist, der sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Stators 14 einschließlich der Wicklung 20 erstreckt, kann die axiale Länge des Magneten abhängig davon eingestellt werden, daß an den axialen Endabschnitten der Wicklungen keine Kräfte erzeugt werden und daß die EMK sowie das Drehmoment maximiert werden. Die Länge des Permanentmagneten 28 in axialer Richtung wird somit abhängig von der axialen Abmessung der Spulenträger 18 sein.
3 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch einen Gleichstrommotor gemäß der Erfindung, der als Scheibenläufer konfiguriert ist. Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie in den 1 und 2. Der Motor umfaßt eine Welle 10, die mit einer Grundplatte 12 oder einem Flansch drehfest verbunden ist. Ein Stator 14 ist mit der Welle 10 fest verbunden, wobei der Stator 14 Spulenträger 18 aufweist, die über einen Trägerring 16 an der Welle angebracht sind. Die Spulenträger 18 sind so ausgebildet, daß die Wicklungen 20 durch vorgefertigte Spulen gebildet werden können, deren Wickelachsen parallel zur Drehachse des Motors ist. Die Spulenträger 18 werden über den Trägerring 16 ringförmig um den Umfang der Welle 10 herum angeordnet. Diese Anordnung wird durch einen Versteifungsring 34 in ihrer Position fixiert und stabilisiert. Es ist möglich, die Spulenträger 18 einteilig mit dem Trägerring 26 auszubilden.
Die beweglichen Teile des Motors umfassen eine Nabe 24, die über ein hydrodynamisches Lager oder ein Luftlager 22 auf der Welle 10 gelagert ist, einen Rotor 26 und einen Stator-Rückschluß 32. Der Rotor 26 ist durch einen ringscheibenförmigen Permanentmagneten 28 sowie durch einen Rotorrückschluß 30 gebildet. Um den Rotor 26 und den Statorrückschluß 32 einfach zusammensetzen zu können, ist die Nabe 24 mit einem ersten Nabenteil 36 und einem zweiten Nabenteil 38 aufgebaut. Der erste Nabenteil 36 trägt den Permanentmagneten 28 und den Rotor-Rückschluß 30, und der zweiten Nabenteil 38 trägt den Statorrückschluß 32. Die Nabe 24 kann beispielsweise als Aluminium-Gußkörper hergestellt werden. Es ist auch möglich, die Nabe aus einem ferromagnetischen Material herzustellen, wobei dann für Rotor und Stator keine gesonderten Rückschlußkörper notwendig sind.
Der in 3 gezeigte Axialflußmotor hat weitgehend dieselben Besonderheiten und Vorteile wie oben mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert.
4a und 4b zeigen eine Querschnittdarstellung bzw. eine Längsschnittdarstellung durch einen Radialflußmotor gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung, der als Außenläufer konfiguriert ist. 4b zeigt eine Längsschnittdarstellung durch die Ansicht der 4a entlang der Linie A-A Zur Vereinfachung der Darstellung sind verschiedene Einzelheiten des Motors, wie Lager und Grundplatte, weggelassen.
Der Außenläufermotor der 4a und 4b unterscheidet sich von der Darstellung der 1 im wesentlichen durch die Ausbildung des Rotors und der Rückschlüsse. Der Motor umfaßt eine Welle 40, die mit einer Grundplatte (nicht gezeigt) fest verbunden ist. Der Stator 44 wird durch Spulenträger 48 gebildet, welche über einen Trägerring 46 miteinander verbunden bzw. einteilig mit dem Trägerring ausgebildet und koaxial um die Welle 40 herum angeordnet sind. Die Spulenträger 48 tragen Wicklungen 50, welche von außen auf die Spulenträger aufgebracht werden können, beispielsweise mittels Flyer-Wickeltechnik. Alternativ ist es möglich, einzelne, im voraus mit Spulen bewickelte Spulenträger 48 mit dem Trägerring 46 zu verbinden.
Wie am besten aus 4a zu erkennen ist, ist der Statorkörper mit dem Trägerring 46 und den Spulenträgern 48 sehr ähnlich gestaltet wie ein genuteter Statorkörper für einen üblichen Außenläufer-Motor. Der Trägerring 46 würde dem Statorrückschluß entsprechen, und die Spulenträger 48 würden den Statorpolen entsprechen, die Polstege und Polschuhe umfassen. Die genaue Geometrie des Stators ist jedoch bezüglich der Tragfunktion, nicht bezüglich magnetischer Eigenschaften optimiert. So können beispielsweise die Stege und „Polschuhe" der Spulenträger 48 wesentlich dünner ausgebildet werden als bei einem üblichen Stator.
Die beweglichen Teile des Motors umfassen eine Nabe 54 und einen Permanentmagneten 58, welcher an der Nabe 54 angebracht ist und den Stator 44 koaxial umgibt. Die Nabe 54 ist bei spielsweise durch ein Luftlager (nicht gezeigt) auf der Welle 40 gelagert. Zwischen dem Permanentmagneten 58 und dem Stator 44 ist ein Luftspalt gebildet. Die Nabe 54 bildet auch einen Rückschluß 60 für den Rotor sowie einen Rückschluß 62 für den Stator. Zwischen dem Statorrückschluß 62 und dem Stator 44 ist ein weiterer Luftspalt vorgesehen.
In 4a ist eine Halbach-Magnetisierung des Rotormagneten 58 angedeutet. Bei einer solchen Magnetisierung ist kein gesonderter Rotorrückschluß notwendig.
Wie in 4b gezeigt, ist die axiale Abmessung des Permanentmagneten 58 ungefähr gleich der axialen Abmessung des Spulenträgers 48 in dem Bereich, in dem er die Wicklungen 50 aufnimmt. Dies trägt der Tatsache Rechnung, daß die axialen Enden der Wicklungen keine wirksamen Magnetkräfte erzeugen.
In den 4a und 4b sind ferner Anschlüsse 66 zur Verbindung der Wicklungen mit einer Platine, einem Schaltnetzteil oder dergleichen dargestellt.
5a und 5b zeigen eine Querschnittdarstellung sowie eine Längsschnittdarstellung durch eine weitere Ausführung einer Axialflußmaschine gemäß der Erfindung. 5b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 5a, wobei in 5b nur die eine Hälfte des Motors gezeigt ist und die andere Motorhälfte spiegelbildlich hierzu ist. Korrespondierende Teile sind mit denselben Bezugszeichen wie in den 4a und 4b gekennzeichnet.
Die Ausführung der 5a und 5b unterscheidet sich von dem Axialflußmotor der 3 im wesentlichen dadurch, daß die radiale Abmessung des Permanentmagneten 58 und des Statorrückschlusses 62 verringert und an die radiale Abmessung der Wicklungen 50 angepaßt ist. Die Nabe 54 ist aus einem ferromagnetischen Material hergestellt und bildet den Rückschluß für den Permanentmagneten 58 des Rotors 56. Der Statorrückschluß 62 könnte ebenso in die Nabe integriert sein. Er könnte ferner durch einen zweiten Magneten mit oder ohne Rückschluß ersetzt werden.
In der Ausführung der 5a und 5b ist der Stator durch Spulenträger 48 gebildet, welche vorgewickelte Wicklungen oder Spulen 50 aufnehmen können. Die Spulenträger 48 sind über einen Trägerring 46 mit einer feststehenden Welle (nicht gezeigt) verbunden. Der Stator 44 liegt scheibenförmig zwischen einem ringscheibenförmigen Permanentmagneten 58 des Rotors und einem ringscheibenförmigen Statorrückschluß 62. Der Permanentmagnet 58 und der Statorrückschluß 62 sind an einer Nabe 54 angebracht und in Position gehalten. Die Nabe 54 ist vorzugsweise über ein Luftlager (nicht gezeigt) an einer Welle (nicht gezeigt) gelagert. Die Nabe kann, wie in 3 gezeigt, zweiteilig aufgebaut sein. 5a und 5b zeigen ferner Anschlüsse 66 zur Verbindung der Wicklungen 50 mit einer Platine, einem Schaltnetzteil oder dergleichen.
Die in den 4a, 4b, 5a und 5b gezeigten Ausführungen haben im wesentlichen dieselben besonderen Merkmale und Vorteile wie die zuvor beschriebenen Ausführungen der Erfindung. Zusätzlich sind die Permanentmagnete des Rotors in bezug auf die von den Wicklungen erzeugten Magnetkräfte sowie in bezug auf eine Maximierung der elektromotorischen Kraft und des Drehmomentes optimiert.
In den 4a, 4b, 5a und 5b sind Motoren mit sechs Nuten und vier Polen dargestellt. Die Erfindung ist auf keine bestimmte Kombination von Pol- und Nutzahl beschränkt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

10: Welle
12: Grundplatte
14: Stator
16: Trägerring
18: Spulenträger
20: Wicklungen
22: Lagerbuchse
24: Nabe
26: Rotor
28: Permanentmagnet
30: Rotor-Rückschluß
32: Stator-Rückschluß
34: Versteifungsring
36: erster Nabenteil
38: zweiter Nabenteil
40: Welle
44: Stator
46: Trägerring
48: Spulenträger
50: Wicklungen
54: Nabe
56: Rotor
58: Permanentmagnet
60: Rotor-Rückschluß
62: Stator-Rückschluß
66: Anschlüsse

Claims

Elektrische Maschine, insbesondere bürstenloser Gleichstrommotor für ein Festplatten-Laufwerk, mit einer eisenlosen Statoranordnung, die eine Anzahl von Spulenträgern (18; 48) aufweist, die über einen Trägerring (16; 46) miteinander verbunden sind und einen Statorkörper (14; 44) zur Aufnahme von Wicklungen (20; 50) bilden; einer Rotoranordnung (26; 56), die einen Rotorkörper und Permanentmagnete (28; 58) umfaßt, wobei zwischen der Statoranordnung und der Rotoranordnung (26; 56) ein erster Luftspalt gebildet ist, und einem Statorrückschluß (32; 62), der auf der von der Rotoranordnung (26; 56) abgewandten Seite der Statoranordnung angeordnet ist, wobei zwischen dem Statorrückschluß (32; 62) und der Statoranordnung ein zweiter Luftspalt gebildet ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenträger (18; 48) und der Trägerring (16; 46) ein- oder mehrteilig aus Kunststoff hergestellt sind.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkörper (14; 44) mit einer Grundplatte (12) oder einem anderen feststehenden Bauteil der Maschine verbunden sind.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorrückschluß (32; 62) mit der Rotoranordnung drehfest verbunden ist.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nabe (24; 54), welche auf einer feststehenden Welle (10; 40) gelagert ist und die Rotoranordnung trägt.
Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorrückschluß (32; 62) an der Nabe (24; 54) angeordnet ist.
Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (24; 54) ferromagnetisches Material aufweist und den Statorrückschluß (32; 62) bildet.
Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (24; 54) auch einen Rotorrückschluß (30; 60) bildet.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoranordnung eine Versteifungsvorrichtung zur Stabilisierung des Trägerrings (16; 46) und der Spulenträger (18; 48) aufweist.
Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsvorrichtung einen eisenlosen Versteifungsring (34), insbesondere einen Kunststoff- oder Aluminiumring, aufweist.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorrückschluß (32; 62) einen zweiten Rotormagneten und einen zugeordneten Rückschlußkörper umfaßt.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenträger (18; 48) nach Art von Statorzähnen ausgebildet sind, die Stege aufweisen, die sich von dem Trägerring in radialer Richtung erstrecken und an deren freien Enden Rückhalteelemente zum Halten von Wicklungen in Nuten, die zwischen den Stegen gebildet sind, angeordnet sind.
Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege und die Rückhalteelemente der Spulenträger dazu ausgelegt sind, die Wicklungen mit ausreichender mechanischer Stabilität aufzunehmen.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Innenläufer- oder Außenläufer-Radialflußmaschine realisiert ist, wobei die Spulenträger (18) sich von dem Trägerring (16) in radialer Richtung nach innen bzw. außen erstrecken.
Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen aus Polspulen oder Einzelhammer-Wicklungen ohne gegenseitige Überlappung aufgebaut sind.
Maschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Trägerring (16) verbundenen Spulenträger (18) nach außen gerichtete Nutöffnungen aufweisen und somit mittels einer Flyerwicklung von außen bewickelbar sind.
Maschine nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Magnetrings im wesentlichen der axialen Abmessung des nicht bewickelten Spulenträgers (18; 48) entspricht.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Axialflußmaschine realisiert ist, wobei die Spulenträger (48) ringförmig nebeneinander auf dem Trägerring angeordnet sind und der Rotormagnet (58) eine Magnetscheibe oder einen Magnetring umfaßt, der den Spulenträgern gegenüberliegt.
Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenträger (48) vorgewickelte Spulen aufnehmen.
Maschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (24) zweiteilig ausgebildet ist, wobei an einem Nabenteil (36) die Rotoranordnung vorgesehen ist und an dem anderen Nabenteil (38) der Statorrückschluß (32) vorgesehen ist.