DE102006051018B3

DE102006051018B3 - Spindelmotor mit radialen und axialen Lagersystemen

Info

Publication number: DE102006051018B3
Application number: DE102006051018A
Authority: DE
Inventors: Martin Engesser; Stefan Schwamberger; Andrey Dr. Pulnikov; Vladimir V. Dr. Popov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: JP2008106938A; US20080100155A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem feststehenden Teil und einem rotierenden Teil, die mittels radialen und axialen Lagersystemen relativ zueinander drehbar gelagert sind, wobei das radiale Lagersystem ein Fluidlager ist und das rotierende Teil durch ein elektro-magnetisches Antriebssystem angetrieben wird. Der Spindelmotor zeichnet sich dadurch aus, dass das axiale Lagersystem als magnetisches Lager ausgeführt ist und gegen eine magnetische Vorspannung arbeitet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit radialen und axialen Lagersystemen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Bei derartigen, schnell drehenden Spindelmotoren, die z. B. zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden, besteht das Bedürfnis, ein möglichst spielfreies und reibungsarmes Lager zu erzielen.
Allen Motorausführungen ist gemeinsam, dass auf einer feststehenden Basis ein drehend angetriebener Rotor (Nabe) angeordnet ist, der mit entsprechenden axialen und radialen Lagern auf der Basis abgestützt ist. Als Antriebsprinzip ist es bekannt, auf der Basis eine Statoranordnung anzuordnen, welche über einen Luftspalt mit einem an der Innenseite des angetriebenen Rotors angeordneten Magneten zusammen wirkt. Über ein entsprechend erzeugtes elektro-magnetisches Drehfeld in der Statoranordnung wird der Rotor in Drehbewegung versetzt.
Die verwendeten radialen und axialen Lager sollen möglichst reibungsarm sein. Heutzutage werden hierfür vorzugsweise hydrodynamische Gleitlager verwendet, die sehr verlustarm arbeiten. Die axialen Lagerkomponenten erzeugen jedoch alleine etwa 30% der gesamten Lagerverluste. Zudem ist deren Herstellung aufgrund der engen Fertigungstoleranzen relativ aufwändig und teuer. Die Lagerflächen der fluiddynamischen Axiallager liegen beim Stillstand des Motors aneinander an, wodurch beim Start- und beim Stoppvorgang zwischen diesen Lagerflächen Festkörperreibung auftritt. Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß des Axiallagers und zu erhöhtem Strombedarf des Motors. In der DE 10 2004 040 295 A1 sind Beispiele für derartige hydrodynamische Lager für Spindelmotoren offenbart.
US 6 215 219 B1 offenbart einen Spindelmotor, dessen Rotor von einem elektro-magnetischen Antrieb angetrieben und in radialer Richtung von einem Fluidlager und in axialer Richtung von einem Magnetlager gelagert ist, das gegen eine magnetische Vorspannung arbeitet. Es werden zwei Paare von Permanentmagneten verwendet, die eine zueinander entgegen gerichtete axiale Kraft erzeugen.
US 2002 0089245 A1 zeigt einen Spindelmotor mit einem magnetischen Axiallager und einer entsprechenden axial gerichteten magnetischen Vorspannung. Auch hier werden zwei Paare von Permanentmagneten verwendet, die gegeneinander arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spindelmotor mit einer magnetischen Lageranordnung sowie magnetischer Vorspannung anzugeben, bei dem möglichst wenige zusätzliche Permanentmagnete notwendig sind, und der gegenüber einem reinen Fluidlagersystem eine verringerte Lagerreibung und somit einen verringerten Stromverbrauch aufweist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass die Statoranordnung und die Magnetanordnung im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Spindelmotors angeordnet sind, wobei die magnetische Vorspannung durch einen axialen Versatz der Statoranordnung gegenüber der Magnetanordnung erzeugt wird.
Ein wesentlicher Vorteil eines magnetischen Lagers gegenüber anderen bekannten Lagerarten ist, dass das magnetische Lager nahezu reibungsfrei arbeitet, sowohl im statischen Betrieb, also im Ruhezustand des Motors, als auch im dynamischen Betrieb. Da das Magnetlager unabhängig von der Drehzahl des Motors arbeitet, wird eine Festkörperreibung zwischen dem feststehenden Teil und dem beweglichen Teil des Motors vermieden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Teil des Motors im Wesentlichen eine Basis, eine mit der Basis verbundene Lagerbuchse sowie eine an der Basis angeordnete Statoranordnung. Das rotierende Teil umfasst im Wesentlichen eine in der Lagerbuchse drehbar gelagerte Welle, eine mit der Welle verbundene Nabe und eine Magnetanordnung, die an der Nabe angeordnet ist.
Erfindungsgemäß sind die Statoranordnung und die Magnetanordnung im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Spindelmotors angeordnet, wobei bei einem Innenläufermotor die Magnetanordnung von der Statoranordnung umgeben ist. Umgekehrt ist bei einem Außenläufermotor die Statoranordnung von der Magnetanordnung umgeben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das magnetische Lager aus einem am rotierenden Teil angeordneten ersten Magneten, dem ein am feststehenden Teil angeordneter zweiter Magnet gegenüberliegt. Vorzugsweise ist hierbei der erste Magnet an einer im Wesentlichen radial verlaufenden Fläche der Nabe angeordnet, welche Fläche einer den zweiten Magneten tragenden radial verlaufenden Fläche der Lagerbuchse gegenüberliegt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung können beide Magnete ringförmig ausgebildet sein, wobei bevorzugt jedoch nur einer der Magnete einen vollständigen Magnetring ausbildet. Der andere Magnet besteht vorzugsweise aus mehreren ringförmig angeordneten Magnetsegmenten. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass beide Magnete aus mehreren ringförmig angeordneten Magnetsegmenten bestehen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann mindestens einer der beiden Magnete durch mehrere konzentrische und magnetisierte Ringe unterschiedlichen Durchmessers gebildet werden, die koaxial ineinander gelegt werden. Die Ringe können dabei alle gleich- oder abwechselnd gegensinnig magnetisiert sein. Weiterhin können die einzelnen Ringe aus unterschiedlichen Materialien bestehen und/oder unterschiedlich stark magnetisiert sein. In einer weiteren Variante ist es vorgesehen bevorzugt für einen mittleren Ring keinen Permanentmagnet zu verwenden.
Um eine gute und vor allem auch bei seitlichem Versatz der Magnete gleichmäßige Tragfähigkeit des magnetischen Lagers zu gewährleisten ist es in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass ein Magnet, vorzugsweise der der Nabe zugeordnete Magnet, eine größere Breite in radialer Richtung aufweist, als der zweite, der Lagerbuchse zugeordnete Magnet.
Die magnetische Vorspannung wird in vorteilhafter Weise durch einen axialen Versatz (d) der Statoranordnung gegenüber der Magnetanordnung erzeugt.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Rotormagnet und den Axiallagermagneten um kunststoffgebundene Magnete, die jedoch nicht besonders stark sind. Aufgrund des gleichartigen Verhaltens der verwendeten Magnetmaterialien, beispielsweise dem Temperaturverhalten, ist es relativ einfach, das magnetische Lager auszutarieren.
Die Magnete des Magnetlagers sind vorzugsweise so gepolt, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Dagegen wird die magnetische Vorspannung derart gewählt, dass sich eine der Abstoßungskraft des Magnetlagers entgegengesetzte Kraft ergibt. Somit wird das Magnetlager im Gleichgewicht gehalten.
Es kann natürlich umgekehrt der Fall sein, dass die Magnete des Magnetlagers so gepolt sind, dass sie sich gegenseitig anziehen und die magnetische Vorspannung eine entsprechend entgegengesetzt gerichtete Abstoßungskraft ausüben.
Insgesamt ergibt sich bei Einsatz des Magnetlagers eine geringere Verlustleistung des Motors im Betrieb sowie eine höhere Lebensdauer, insbesondere wird auch ein geringeres Anlaufmoment benötigt.
Außerdem ist die Herstellung des magnetischen Axiallagers wesentlich einfacher als die Herstellung beispielsweise eines axialen Fluidlagers, da wesentlich breitere axiale Lagerspalte zulässig sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Aus der Zeichnung und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit magnetischem Lager.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit magnetischem Lager.
3 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit magnetischem Lager.
4 zeigt beispielhaft ein Diagramm der im Axiallager wirkenden Kräfte.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit einer Basis 10, die beispielsweise als Basisplatte oder Basisflansch ausgebildet sein kann. In einer Ausnehmung der Basis 10 ist eine Lagerbuchse 12 aufgenommen, die beispielsweise in die Basis eingepresst ist oder mit dieser durch Schweißen oder Kleben verbunden ist. Im äußeren Bereich der Basis 10 ist in bekannter Weise eine Statoranordnung 14 vorgesehen, die die Lagerbuchse 12 etwa ringförmig umgibt.
Die Lagerbuchse 12 weist eine Mittenbohrung auf, in welcher eine Welle 16 aufgenommen ist, wobei die Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 12 und die Außenoberfläche der Welle 16 durch einen Lagerspalt 22 voneinander beabstandet sind. Der Lagerspalt 22 ist mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Welle 16 ist vorzugsweise mittels zwei übereinander liegenden Radiallagern 38 und 40 gegenüber der Lagerbuchse 12 gelagert, wobei die Radiallager als Fluidlager ausgebildet sind, welche sich durch entsprechende, entweder auf dem Außenumfang der Welle 16 oder aber dem Innenumfang der Lagerbuchse 12 angeordneten Lagerstrukturen auszeichnet. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines fluiddynamischen Lagers sind bekannt, so dass hier nicht näher darauf eingegangen wird.
Das über die Lagerbuchse 12 hinaus stehende Ende der Welle 16 ist mit einer Nabe 18 verbunden, wobei Welle 16 und Nabe 18 entweder einteilig ausgebildet sind, wie in 1 gezeigt, oder aus zwei separaten miteinander verbundenen Teilen bestehen können. Die Nabe 18 ist etwa glockenförmig ausgebildet und erstreckt sich über die Lagerbuchse 12 hinaus und umgibt diese teilweise.
An einem Außenumfang der Nabe 18 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 20 angeordnet, welcher der Statoranordnung 14 gegenüberliegt und mit dieser zusammen das elektro-magnetische Antriebssystem des Spindelmotors bildet.
Eine der Nabe 18 zugewandte Stirnseite der Lagerbuchse 12 sowie eine Fläche am Außenumfang der Lagerbuchse und die ihr gegenüberliegende Fläche der Nabe 18 sind vorzugsweise abgeschrägt, so dass sich zwischen der Nabe 18 und der Lagerbuchse 12 ein in Richtung des Lagerspaltes 22 konisch verengender Kapillarspalt 24 ergibt, der als konische Kapillardichtung genutzt wird und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. Diese konische Kapillardichtung dient einerseits zur Abdichtung des Lagerspaltes 22 nach außen und andererseits als Fluidreservoir.
Das untere, offene Ende der Lagerbuchse ist durch eine Abdeckplatte 28 abgedeckt, die das Lager in diesem Bereich dicht verschließt.
Um ein Herausfallen der Welle 16 aus der Lagerbuchse 12 zu verhindern, ist am unteren, freien Ende der Welle vorzugsweise ein Stopperring 26 vorgesehen, der frei in einer ringförmigen Nut der Lagerbuchse 12 angeordnet ist, und im regulären Betrieb des Spindelmotors keinen Kontakt mit den Oberflächen der Lagerbuchse 12 oder der Abdeckplatte 28 hat.
Die Nabe 18 bzw. Welle 16 weisen eine zentrale Gewindebohrung 30 auf, die zur Befestigung einer Befestigungsklammer (nicht dargestellt) dient. Bei einer Verwendung des Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, können mit dieser Befestigungsklammer beispielsweise Speicherplatten (nicht dargestellt) auf der Nabe 18 befestigt werden.
Die axiale Lagerung des rotierenden Teils des Motors, also der Welle 16 bzw. der Nabe 18 gegenüber der Lagerbuchse 12 bzw. der Basis 10 erfolgt erfindungsgemäß durch ein magnetisches Lager, das zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Teil des Motors vorgesehen ist. Das magnetische Lager umfasst einen ersten Magneten 32, der in einer dafür vorgesehenen ringförmigen Aussparung der Nabe 18 angeordnet ist. Diese ringförmige Aussparung liegt einer radial verlaufenden Fläche einer Stufe gegenüber, die an der Lagerbuchse 12 ausgebildet ist. Diese ausgeprägte Stufe trägt einen zweiten Magneten 34, der dem ersten Magneten 32 in axialer Richtung gegenüberliegt. Der zweite Magnet 34 ist beispielsweise an einem ringförmigen Anschlag 36 der Lagerbuchse 12 gehalten, während der erste Magnet in der oben beschriebenen Aussparung der Nabe 18 angeordnet ist.
Die Magnete 32 und 34 sind so gepolt, dass sich gleichartige Pole gegenüberliegen, so dass die Magnete sich abstoßen. Dadurch bildet sich entsprechend der abstoßenden Kraft ein Luftspalt zwischen den Magneten 32, 34, so dass die Nabe 18 von der Lagerbuchse 12 abhebt und sich die beiden Teile zumindest mit ihren radial verlaufenden Flächen nicht berühren. Die beiden Magnete 32 und 34 sind vorzugsweise ringförmig ausgebildet, oder bestehen zumindest aus mehreren ringförmig angeordneten Magnetsegmenten, wobei der Durchmesser der Magnete 32, 34 möglichst groß gewählt ist, da die Lagerstabilität mit dem Durchmesser der Magnete zunimmt.
Um das Lager zu stabilisieren, arbeitet das Magnetlager vorzugsweise gegen eine magnetische Vorspannung, deren Kraft entgegengesetzt zum magnetischen Lager wirkt. Die als Gegenlager zum magnetischen Lager wirkende Vorspannung wird erzeugt durch die Statoranordnung 14 sowie die Magnetanordnung 20 des Rotors, indem der Rotormagnet 20 um eine Strecke d versetzt zur magnetischen Mitte der Statoranordnung angeordnet wird. In diesem Fall ist der Magnet 20 um die Strecke d oberhalb der magnetischen Mitte der Statoranordnung 14 angeordnet, so dass der Magnet 20 von der Statoranordnung 14 in Richtung der Basis 10 angezogen wird, Diese Anziehungskraft wirkt entgegengesetzt zur Abstoßungskraft der beiden Magnete 32, 34 des Magnetlagers. Somit stellt sich in axialer Richtung ein stabiler Schwebezustand der Nabe 18 ein.
Einer der Magnete 32, 34, im Beispiel der Magnet 32, ist in radialer Richtung breiter ausgebildet als der gegenüberliegende andere Magnet. Durch diese Verbreiterung des Magneten 32 wird erreicht, dass auch bei einem radialen Versatz der beiden Magnete, beispielsweise durch Montagetoleranzen, nur minimale Änderungen der Magnetkräfte entstehen.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit einer Basis 110, in der eine Lagerbuchse 112 aufgenommen ist. Im äußeren Bereich der Basis 110 ist in bekannter Weise eine Statoranordnung 114 vorgesehen, die die Lagerbuchse 112 etwa ringförmig umgibt.
Die Lagerbuchse 112 weist eine Mittenbohrung auf, in welcher eine Welle 116 aufgenommen ist, wobei die Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 112 und die Außenoberfläche der Welle 116 durch einen Lagerspalt 122 voneinander beabstandet sind. Der Lagerspalt 122 ist mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Welle 116 ist mittels fluiddynamischen Radiallagern gegenüber der Lagerbuchse 112 gelagert. Das über die Lagerbuchse 112 hinaus stehende Ende der Welle 116 ist mit einer Nabe 118 verbunden, wobei Welle 116 und Nabe 118 beispielsweise einteilig ausgebildet sind, wie es in 2 gezeigt ist. Die Nabe 118 ist etwa glockenförmig ausgebildet und erstreckt sich über die Lagerbuchse 112 hinaus und umgibt diese teilweise. Die Nabe 118 bzw. Welle 116 kann eine zentrale Gewindebohrung 130 aufweisen.
An einem Außenumfang der Nabe 118 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 120 angeordnet, welcher der Statoranordnung 114 gegenüberliegt und mit dieser zusammen das elektro-magnetische Antriebssystem des Spindelmotors bildet.
Eine der Nabe 118 zugewandte Stirnseite der Lagerbuchse 112 sowie eine dieser gegenüberliegende Fläche der Nabe 118 sind vorzugsweise abgeschrägt, so dass sich zwischen der Nabe 118 und der Lagerbuchse 112 ein in Richtung des Lagerspaltes 122 konisch verengender Kapillarspalt 124 ergibt, der als Kapillardichtung genutzt wird. Der Kapillarspalt 124 ist mit dem Lagerspalt verbunden und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Der Kapillarspalt 124 dient einerseits zur Abdichtung des Lagerspaltes 122 nach außen und andererseits als Fluidreservoir. Das untere, offene Ende der Lagerbuchse ist durch eine Abdeckplatte 128 abgedeckt, die das Lager in diesem Bereich dicht verschließt.
Um ein Herausfallen der Welle 116 aus der Lagerbuchse 112 zu verhindern, ist am unteren, freien Ende der Welle vorzugsweise ein Stopperring 126 vorgesehen, der frei in einer ringförmigen Nut der Lagerbuchse 112 angeordnet ist, und im regulären Betrieb des Spindelmotors keinen Kontakt mit den Oberflächen der Lagerbuchse 112 oder der Abdeckplatte 128 hat.
Die axiale Lagerung des rotierenden Teils des Motors, also der Welle 116 bzw. der Nabe 118 gegenüber der Lagerbuchse 112 bzw. der Basis 110 erfolgt auch hier durch ein magnetisches Lager, das zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Teil des Motors vorgesehen ist. Das magnetische Lager umfasst einen ersten Magneten 132, der an der der Lagerbuchse 112 zugewandten Innenseite der Nabe 118 angeordnet ist. Der Magnet 132 liegt einem zweiten Magneten 134 axial gegenüber, der an einer Stufe der Lagerbuchse 112 angeordnet ist.
Die Magnete 132 und 134 sind so gepolt, dass sich gleichartige Pole gegenüberliegen, so dass die Magnete 132, 134 sich abstoßen. Dadurch bildet sich entsprechend der abstoßenden Kraft ein Luftspalt zwischen den Magneten 132, 134, so dass die Nabe 118 von der Lagerbuchse 112 abhebt und sich die beiden Teile zumindest mit ihren radial verlaufenden Flächen nicht berühren. Die beiden Magnete 132 und 134 sind vorzugsweise ringförmig ausgebildet, oder bestehen zumindest aus mehreren ringförmig angeordneten Magnetsegmenten, wobei der Durchmesser der Magnete 132, 134 möglichst groß gewählt ist, da die Lagerstabilität mit dem Durchmesser der Magnete zunimmt.
Um das Lager zu stabilisieren, arbeitet das Magnetlager vorzugsweise gegen eine magnetische Vorspannung, wie sie im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde.
3 zeigt eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit einer Basis 210, in der eine Lagerbuchse 212 aufgenommen ist. Im äußeren Bereich der Basis 210 ist in bekannter Weise eine Statoranordnung 214 vorgesehen, die die Lagerbuchse 212 etwa ringförmig umgibt.
Die Lagerbuchse 212 weist eine Mittenbohrung auf, in welcher eine Welle 216 aufgenommen ist, wobei die Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 212 und die Außenoberfläche der Welle 216 durch einen Lagerspalt 222 voneinander beabstandet sind. Der Lagerspalt 222 ist mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Welle 216 ist mittels fluiddynamischen Radiallagern gegenüber der Lagerbuchse 212 gelagert. Das über die Lagerbuchse 212 hinaus stehende Ende der Welle 216 ist mit einer Nabe 218 verbunden, wobei Welle 216 und Nabe 218 beispielsweise einteilig ausgebildet sind, wie es in 3 gezeigt ist. Die Nabe 218 ist etwa glockenförmig ausgebildet und erstreckt sich über die Lagerbuchse 212 hinaus und umgibt diese teilweise. Die Nabe 218 bzw. Welle 216 kann eine zentrale Gewindebohrung 230 aufweisen.
An einem Außenumfang der Nabe 218 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 220 angeordnet, welcher der Statoranordnung 214 gegenüberliegt und mit dieser zusammen das elektro-magnetische Antriebssystem des Spindelmotors bildet.
Einer Umfangsfläche der Lagerbuchse 212 und eine dieser zugewandte Fläche am Innenumfang der Nabe 218 sind vorzugsweise abgeschrägt, so dass sich zwischen der Nabe 218 und der Lagerbuchse 212 ein sich konisch verengender Kapillarspalt 224 ergibt, der über einen zwischen Nabe 218 und Lagerbuchse 212 verlaufenden horizontalen Ringspalt 244 mit dem Lagerspalt 222 verbunden ist. Der Kapillarspalt 224 ist zumindest teilweise und der Ringspalt 244 vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Der Kapillarspalt 224 dient einerseits zur Abdichtung des Lagerspaltes 222 nach außen und andererseits zusammen mit dem Ringspalt 244 als Fluidreservoir. Das offene Ende des Kapillarspalts 224 ist insgesamt leicht nach innen in Richtung der Rotationsachse geneigt. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Rotation der Nabe aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach Außen und damit in das Innere des Kapillarspalts 224 gedrückt und im Kapillarspalt 224 gehalten. Das untere, offene Ende der Lagerbuchse ist durch eine Abdeckplatte 228 abgedeckt, die das Lager in diesem Bereich dicht verschließt.
Um ein Herausfallen der Welle 216 aus der Lagerbuchse 212 zu verhindern, ist am unteren, freien Ende der Welle vorzugsweise ein Stopperring 226 vorgesehen, der frei in einer ringförmigen Nut der Lagerbuchse 212 angeordnet ist, und im regulären Betrieb des Spindelmotors keinen Kontakt mit den Oberflächen der Lagerbuchse 212 oder der Abdeckplatte 228 hat.
Die axiale Lagerung des rotierenden Teils des Motors, also der Welle 216 bzw. der Nabe 218 gegenüber der Lagerbuchse 212 bzw. der Basis 210 erfolgt durch ein magnetisches Lager, das zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Teil des Motors vorgesehen ist. Das magnetische Lager umfasst einen ersten Magneten 232, der in einer Aussparung der Nabe 218 angeordnet ist und an den Ringspalt angrenzt. Der erste Magnet 232 liegt einem zweiten Magneten 234 axial gegenüber, der in einer Aussparung der Lagerbuchse 212 angeordnet ist und ebenfalls an den Ringspalt angrenzt. Die Magnete 232 und 234 sind so gepolt, dass sich gleichartige Pole gegenüberliegen, so dass die Magnete 232, 234 sich abstoßen. Die abstoßende Kraft der Magnete 232, 234 definiert die Breite des Ringspalts zwischen der Nabe 218 und der Lagerbuchse 212. Die beiden Magnete 232 und 234 sind vorzugsweise ringförmig ausgebildet, oder bestehen zumindest aus mehreren ringförmig angeordneten Magnetsegmenten, wobei der Durchmesser der Magnete 232, 234 möglichst groß gewählt ist, da die Lagerstabilität mit dem Durchmesser der Magnete zunimmt.
Um das Lager zu stabilisieren, arbeitet das Magnetlager vorzugsweise gegen eine magnetische Vorspannung, wie sie im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde.
4 zeigt beispielhaft ein Diagramm der im Axiallager wirkenden Kräfte. Auf der Abszisse ist der gegenseitige axiale Abstand der Magnete, beispielsweise der Magnete 32, 34 in 1, bzw. der Versatz d zwischen Statoranordnung und Rotormagnet in Millimetern dargestellt. Die Ordinate beschreibt die in axialer Richtung wirkenden Kräfte in Newton.
Die Kurve 310 zeigt typische Werte für die axiale Kraft zwischen zwei Magneten 32, 34 eines Spindelmotors gemäß 1. Die axiale Kraft nimmt mit steigendem gegenseitigem Abstand der Magnete 32, 34 näherungsweise linear ab. Demgegenüber zeigt die Kurve 300 die axiale Kraft, die durch die magnetische Vorspannung erzeugt wird, indem der Rotormagnet 20 um eine Strecke d versetzt zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 14 angeordnet wird. Diese durch die magnetische Vorspannung erzeugte Kraft gemäß Kurve 300 wirkt der durch die Magnete 32, 34 erzeugten Kraft entgegen, so dass sich ein stabiler Arbeitspunkt AP einstellt, bei dem die Kräfte gleich groß sind. Dieser Arbeitspunkt AP bestimmt den Abstand zwischen den Magneten 32, 34, im gezeigten Beispiel etwa 0,2 mm, und damit die Breite des Kapillarspalts 24 zwischen der Lagerbuchse 12 und der Nabe 18.

10: Basis
12: Lagerbuchse
14: Statoranordnung
16: Welle
18: Nabe
20: Rotormagnetanordnung
22: Lagerspalt
24: Konischer Kapillarspalt
26: Stopperring
28: Abdeckplatte
30: Gewindebohrung (Nabe)
32: Magnet (Nabe)
34: Magnet (Lagerbuchse)
36: Anschlag
38: Radiallager
40: Radiallager
42: Rotationsachse
d: Versatz (Offset)
110: Basis
112: Lagerbuchse
114: Statoranordnung
116: Welle
118: Nabe
120: Rotormagnetanordnung
122: Lagerspalt
124: Konischer Kapillarspalt
126: Stopperring
128: Abdeckplatte
130: Gewindebohrung (Nabe)
132: Magnet (Nabe)
134: Magnet (Lagerbuchse)
210: Basis
212: Lagerbuchse
214: Statoranordnung
216: Welle
218: Nabe
220: Rotormagnetanordnung
222: Lagerspalt
224: Konischer Kapillarspalt
226: Stopperring
228: Abdeckplatte
230: Gewindebohrung (Nabe)
232: Magnet (Nabe)
234: Magnet (Lagerbuchse)
244: Ringspalt
300: Kraftkurve der magn. Vorspannung
310: Kraftkurve der Magnete
AP: Arbeitspunkt

Claims

Spindelmotor mit einem feststehenden Teil und einem rotierenden Teil, die mittels radialen und axialen Lagersystemen relativ zueinander drehbar gelagert sind, wobei das radiale Lagersystem ein Fluidlager ist, und das rotierende Teil durch ein elektro-magnetisches Antriebssystem bestehend aus einer Statoranordnung und einer Magnetanordnung angetrieben wird, wobei das axiale Lagersystem als magnetisches Lager ausgeführt ist und gegen eine magnetische Vorspannung arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung (14; 114; 214) und die Magnetanordnung (20; 120; 220) im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse (42) des Spindelmotors angeordnet sind, wobei die magnetische Vorspannung durch einen axialen Versatz, d, der Statoranordnung (14; 114; 214) gegenüber der Magnetanordnung (20; 120; 220) erzeugt wird.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Teil eine Basis (10; 110; 210), eine mit der Basis verbundene Lagerbuchse (12; 112; 212) und die Statoranordnung (14; 114; 214) umfasst.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Teil eine in der Lagerbuchse (12; 112; 212) drehbar gelagerte Welle (16; 116; 216), eine mit der Welle verbundene Nabe (18; 118; 218) und die mit der Nabe verbundene Magnetanordnung (20; 120; 220) umfasst.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Lager aus einem am rotierenden Teil angeordneten ersten Magneten (32; 132; 232) besteht, dem ein am feststehenden Teil angeordneter zweiter Magnet (34; 134; 234) gegenüber liegt.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (32; 132; 232, 34; 134; 234) derart gepolt sind, dass sie sich gegenseitig abstoßen.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (32; 132; 232) an einer Fläche der Nabe (18; 118; 218) angeordnet ist, die einer den zweiten Magneten (34; 134; 234) tragenden Fläche der Lagerbuchse (12; 112; 212) gegenüber liegt.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Magnete (32; 132; 232, 34; 134; 234) ringförmig ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Magnete (32; 132; 232, 34; 134; 234) aus mehreren ringförmig angeordneten Segmenten besteht.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Magnete (32; 132; 232, 34; 134; 234) aus mehreren konzentrischen Ringen unterschiedlichen Durchmessers besteht, die koaxial zueinander angeordnet sind.
Spindelmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe gleichsinnig oder abwechselnd gegensinnig magnetisiert sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe unterschiedlich stark magnetisiert sind.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Magnete (32; 132) eine größere Breite in radialer Richtung aufweist als der andere Magnet (34; 134).
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (32; 132; 232, 34; 134; 234) Permanentmagnete sind.
Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (32; 132; 232, 34; 134; 234) kunststoffgebundene Magnete sind.