-
Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Hybridlager
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Eine solche Maschine ist beispielsweise beschrieben
in der
US 6,172,547
B1 .
-
Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist im Bereich von Spindelmotoren
und anderen kleinbauenden Permanentmagnetmotoren, die zum Beispiel
in Festplattenlaufwerken mit einem Plattendurchmesser von 2,5 Inch,
1 Inch oder darunter eingesetzt werden. Vor zugsweise kommen hier bürstenlose,
elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz. Bei Spindelmotoren
der in Rede stehenden Bauart ist die Motorwelle mit einer Nabe gekoppelt,
die zum Aufnehmen von einer oder mehreren Festplatten dient. Ein
Rotormagnet ist mit der Nabe verbunden und koaxial zu einem Stator
angeordnet.
-
In
der
US 6,172,847 B1 zum
Beispiel wird ein Festplattenlaufwerk beschrieben, bei dem eine
Welle mit einer Rotornabe verbunden ist, welche die Festplatte trägt und mit
dem Rotor gekoppelt ist. Die Welle ist in einer Lagerhülse geführt, wobei
zwischen der Lagerhülse
und der Welle ein hydrodynamisches Radiallager sowie ein axiales
Drucklager gebildet sind. Das axiale Drucklager wird über magnetische
Elemente vorgespannt, um das Anlaufdrehmoment zu reduzieren.
-
Die
Anwendung, Theorie und Berechnung von Magnetlagern wurde in der
Literatur umfangreich abgehandelt. Es besteht kein Zweifel, daß Magnetlager
insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung der Lagerreibung nützlich sind.
Das Hauptproblem passiver Magnetlager ist die Notwendigkeit von
Stabilisierungssystemen für
wenigstens einen Freiheitsgrad, weil Magnete alleine nicht in der
Lage sind, ein Lager in einem stabilen Gleichgewicht zu halten.
Es ist somit nicht möglich,
nur mit Dauermagneten stabile Lager zu erstellen. Für die sogenannte
magnetische Levitation (Schwebezustand) benötigt man daher zusätzliche
Stabilisierungssysteme. Im Stand der Technik wurden hierfür zahlreiche
Lösungen
vorgeschlagen.
-
Beispielsweise R.
F. Post, "Stability
Issues in Ambient-Temperature Passive Magnetic Bearing Systems", Lawrence Livermore
National Laboratory, UCRL-1D-137632, 17. Februar 2000,
beschreibt magnetische Lagersysteme, die spezielle Kombinationen
von Schwebe (Levitation)- und Stabilisierungselementen verwenden.
Post nennt drei Hauptkomponenten, die kumulativ notwendig sind,
um ein Lager zu schaffen, das das Earnshaw-Theorem erfüllt. Die erste
Komponente besteht aus einem Ringmagnetpaar, von dem ein Magnetring
stationär
und der andere drehend ist, zur Erzeugung der Schwebekräfte (Levitation).
Ein weiteres Element, das der Stabilisierung dient, wird von Post
als "Halbach-Stabilisator" bezeichnet. Es verwendet einzelne
Permanentmagnete, die gemäß einer
Halbach-Magnetfeldverteilung angeordnet sind und zugeordneten Leitern
gegenüberliegen.
Das dritte Element ist ein mechanisches Lagersystem, das bei niedrigen
Drehzahlen zum Einsatz kommt, bei hohen Drehzahlen jedoch möglichst ausgekoppelt
werden sollte. Post erörtert
ferner die Verwendung von Dämpfungssystemen
auf der Basis von Wirbelströmen.
Das von Post vorgestellte System erscheint relativ aufwendig und
eignet sich nicht zur Anwendung in elektrischen Maschinen, welche
in die Massenproduktion gehen, insbesondere nicht für Spindelmotoren
zur Anwendung beispielsweise in Miniatur-Festplattenlaufwerken (Mini-Disk-Drives) mit
einen Formfaktor von 2,5 Inch, 1 Inch oder kleiner.
-
Das
US Patent 5,541,460 beschreibt
einen Spindelmotor mit passiven magnetischen Axiallagern sowie einem
Spurkuppenlager, das als ein hydraulisches Lager oder Kugellager
realisiert sein kann. Das passive magnetische Axiallager erzeugt
eine Anziehungskraft in axialer Richtung, und das Spurkuppenlager
stabilisiert die Anordnung derart, daß ein auch in radialer Richtung
stabiles Lagersystem gebildet wird. Ein ähnlicher Stand der Technik
ist auch in dem
US Patent 5,561,335 und
in dem
US Patent 5,545,937 beschrieben.
-
Die
US 2003/0042812 A1 beschreibt
ein passives Magnetlager für
eine horizontale Welle mit Schwebe- und Stabilisierungselementen.
Das Schwebeelement besteht aus einem Paar stationärer gebogener
ferromagnetischer Segmente, die innerhalb einer ringförmigen,
radial wirkenden Magnetanordnung liegen. Die Magnetanordnung ist
an dem inneren Umfang einer hohlen Welle angeordnet. Die Anziehungskraft
zwischen den gebogenen Segmenten und der Magnetanordnung wirkt vertikal,
um die Welle anzuheben, sowie horizontal, um die Welle zu zentrieren.
Das Stabilisierungselement besteht aus einer ringförmigen magnetischen
Halbach-Anordnung
und einem stationären
ringförmigen
Schaltkreis, der innerhalb der Halbach-Anordnung angeordnet ist. Die Halbach-Anordnung
ist am Innenumfang der hohlen Welle positioniert. Eine Abstoßungskraft
zwischen der Halbach-Anordnung und dem Schaltkreis nimmt umgekehrt
proportional zu dem radialen Abstand zwischen diesen zu und wirkt
somit als Rückstellkraft,
um die Welle in einen Gleichgewichtszustand zu bringen, wenn sie
aus diesem herausbewegt wurde. Das Lager ist so konfiguriert, daß zwischen
den magnetischen und ferromagnetischen Komponenten Wechselströme erzeugt
werden, die entsprechende Wechselstromverluste generieren.
-
Die
US 2003/0117031 A1 beschreibt
ein Magnetlager für
einen Spindelmotor mit einer Magnetkomponente, die zwischen der
Grundplatte und der Motorspindel montiert ist. Die Magnetkomponente umfaßt einen
inneren und einen äußeren Magentabschnitt,
die koaxial angeordnet sind und einander abstoßen, so daß die Spindel schwebt und mechanische
Reibung minimiert wird. Das Magnetlager ist in einer stationären Welle
zur Lagerung einer rotierenden Spindel angeordnet, wobei die Spitze
der Spindel von einem Gegenstück
der Grundplatte unterstützt
wird.
-
Die
US 2004/0046467 A1 beschreibt
eine Magnetlageranordnung mit passiven (axialen) magnetischen Drucklagern
und mit radialen Gleitlagern oder Kugellagern für einen Läufermotor.
-
Zusammengefaßt offenbart
der Stand der Technik Magnetlager mit Stabilisationssystemen, die umfassen:
Stahl- oder Diamant-Drucklager auf der Basis von Kugellagern; magnetische
Fluidlager; Wirbelstromelemente; Gleitlager als axiale Drucklager; sowie
hybride passive Magnetlager, die kombiniert sind mit hydro- bzw.
fluiddynamischen Lagern oder Luftlagern.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine
mit einem Hybridlager anzugeben, das sowohl beim Anlaufen als auch
im stabilen Betrieb mit minimaler Reibung arbeitet und sich insbesondere
zur Verwendung in Spindelmotoren für Mini-Disk-Drives eignet.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von
Patentanspruch 1 gelöst.
-
Die
Erfindung sieht eine elektrische Maschine mit einem Hybridlager
zur Lagerung eines Rotors relativ zu einem Stator vor, wobei das
Hybridlager ein Radiallager und ein Axiallager umfaßt. Das
Radiallager ist in der bevorzugten Ausführung der Erfindung ein fluiddynamisches
Lager. Das Axiallager wird durch magnetische Elemente gebildet,
insbesonderedurch wenigstens einen Permanentmagneten und ein Flußleitstück, die
so angeordnet sind, daß sie
einander in radialer Richtung gegenüberliegen. Das durch die magnetischen
Elemente gebildete Axiallager ist vollständig kontaktlos und richtet
einen in axialer Richtung stabilen Schwebezustand zwischen der Welle
und der Lagerhülse
ein. Das fluiddynamische Lager stabilisiert das Magnetsystem in
radialer Richtung. Das Wirkungsprinzip des erfindungsgemäßen Lagers
beruht darauf, daß sich
die magnetischen Elemente in radialer Richtung anziehen und dadurch in
axialer Richtung zueinander ausrichten, um den gewünschten
Schwebezustand zu halten.
-
Dadurch
kann auf ein übliches
Axiallager, wie ein axiales Drucklager, ein Spurkuppenlager oder ein
Kugellager vollständig
verzichtet werden. Der Luftspalt zwischen dem Stirnende der Welle
und dem Boden der Lagerhülse
kann relativ groß gemacht
und auch während
des Stillstands der elektrischen Maschine beibehalten werden, so
daß das
Lager sowohl während
des Anlaufs der Maschine als auch während des stabilen Betriebs
minimale Reibung erzeugt. Dadurch wird auch die Stromaufnahme der
elektrischen Maschine im Vergleich zu dem Stand der Technik reduziert.
-
In
einer Ausführung
der Erfindung umfaßt das
Hybridlager eine Lagerhülse,
in der eine Welle aufgenommen ist. Die Welle ist mit einer Nabe,
beispielsweise zur Aufnahme von Platten eines Festplattenlaufwerks,
gekoppelt, und eines der magnetischen Elemente ist auf dem Außenumfang
der Lagerhülse
angeordnet, während
das andere der magnetischen Elemente mit der Nabe verbunden ist.
Vorzugsweise umgreift die Nabe die Lagerhülse, so daß ein Raum zur Aufnahme der
magnetischen Elemente zwischen der Lagerhülse und dem Innenumfang der Nabe
gebildet ist. In dieser Konfiguration ist das andere der magnetischen
Elemente vorzugsweise an dem Innenumfang der Nabe angeordnet.
-
In
einer anderen Ausführung
der Erfindung ist das magnetische Axiallager zwischen der Lagerhülse und
der Welle gebildet.
-
In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung haben die magnetischen Elemente in axialer Richtung
ungefähr
die gleichen Abmessungen und fluchten in radialer Richtung. Vorzugsweise
sind die magnetischen Elemente ringförmig ausgebildet und konzentrisch
zueinander ausgerichtet. Dadurch können sich die magnetischen
Elemente in axialer Richtung optimal zueinander ausrichten, um einen
stabilen Schwebezustand in axialer Richtung zu gewährleisten.
-
In
einer ersten Variante der Erfindung ist das Flußleitstück durch einen Blechstapel
gebildet, dessen Bleche in radialer Richtung orientiert sind. In
dieser Ausführung
umfaßt
der Permanentmagnet einen Ringmagneten, der in axialer oder radialer
Richtung magnetisiert ist. In dieser Variante sind überwiegend die
Kanten des Flußleitstückes magnetisch
wirksam, so daß sich
magnetische Feldlinien zwischen dem Flußleitstück und dem Permanentmagneten überwiegend
im Bereich ihrer Kanten ausbilden.
-
Der
Blechstapel des Flußleitstückes ist
vorzugsweise aus laminierten Blechen aus elektrischem Stahl aufgebaut.
Durch Verwendung eines Blechstapels als Flußleitstück können Wirbelströme vollständig vermieden
werden, so daß keinerlei
Wirbelstromverluste entstehen.
-
In
einer zweiten Variante der Erfindung, in der das Flußleitstück ebenfalls
durch einen Blechstapel gebildet ist, umfaßt der Permanentmagnet einen oder
mehrere Ringmagnete, die in axialer Richtung gemäß einer Halbach-Anordnung magnetisiert
sind. Die einfachste Form einer solchen Halbach-Magnetisierung ist
die Verwendung von zwei aneinander angrenzenden Ringmagneten, die
in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind. Wobei die Erfindung nicht
auf diese einfachste Variante beschränkt ist.
-
In
dieser zweiten Variante der Erfindung werden die magnetischen Feldlinien
zwischen dem Permanentmagneten und dem Flußleitstück überwiegend in der axialen Mitte
der magnetischen Anordnung konzentriert, so daß das Flußleitstück zweckmäßig über seine axiale Länge so variiert
wird, daß es
in der Mitte mehr magnetische Feldlinien aufnehmen kann als in seinen
Randbereichen. Zu diesem Zweck können
beispielsweise die Bleche des Blechstapels in der Mitte des Blechstapels
dünner
gestaltet sein als in den Randbereichen. Auch andere geometrische
Variationen der Bleche des Blechstapels des Flußleitstücks sind möglich.
-
In
einer dritten Variante der Erfindung umfassen das Flußleitstück und der
Permanentmagnet jeweils einen oder mehrere Ringmagnete, die in radialer
Richtung gemäß einer
Halbach-Anordnung
magnetisiert sind. In ihrer einfachsten Realisierung wird diese
Variante mit jeweils zwei Ringmagneten auf der Rotor- und auf der
Statorseite realisiert, die in radialer Richtung gegensinnig magnetisiert
sind. In dieser Ausführung
kann das Magnetlager besonders große axiale Kräfte aufnehmen,
die designabhängig
10 bis 40 Newton oder mehr aufnehmen können.
-
Den
Hybridlagern gemäß den verschiedenen Ausführungen
der Erfindung ist gemeinsam, daß das magnetische
Axiallager eine Stabilisierung in axialer Richtung erzielt, in radialer
Richtung jedoch instabil ist. Daher muß dieses Lager in radialer
Richtung stabilisiert werden, wobei hierzu erfindungsgemäß vorzugsweise
ein fluiddynamisches Lager verwendet wird. Der Arbeitsspalt des
fluiddynamischen Lagers, d. h. der Spalt zwischen der Welle und
der Lagerhülse,
sollte vorzugsweise kleiner sein als der Luftspalt zwischen den
magnetischen Elementen, um eine Beschädigung der Magnete bei Kippen
des Lagers zu verhindern. Ferner sollte vorzugsweise ein ölgefülltes Lager
verwendet werden, um mögliche
Kippbewegungen weiter zu dampfen.
-
Die
Lager gemäß den oben
erörterten
Varianten unterscheiden sich bezüglich
ihrer Kennlinie der axialen Rückstellkraft über der
axialen Auslenkung, wie mit Bezug auf die Figuren näher erläutert ist.
-
In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist die Lagerhülse
aus einem unmagnetischen oder einem ferromagnetischen Werkstoff
hergestellt, wobei die magnetische Permeabilität des Flußleitstücks vorzugsweise deutlich größer sein
sollte als die der Lagerhülse.
Die Nabe ist vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff
hergestellt.
-
Die
Erfindung ist im folgenden anhand der bevorzugten Ausführungen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
-
In
den Figuren zeigen:
-
1 eine
geschnittene schematische Teilansicht einer elektrischen Maschine
gemäß einer ersten
Ausführung
der Erfindung;
-
2 die
Kennlinie der von dem Magnetlager erzeugten axialen Kraft in der
elektrischen Maschine gemäß der ersten
Ausführung;
-
3 eine
geschnittene schematische Teilansicht einer elektrischen Maschine
gemäß einer zweiten
Ausführung
der Erfindung;
-
3a und 3b schematische
Darstellungen für
alternative Konfigurationen der Permanentmagnete;
-
4 die
Kennlinie der von dem Magnetlager erzeugten axialen Kraft in der
elektrischen Maschine gemäß der zweiten
Ausführung;
-
5 eine
geschnittene schematische Teilansicht einer elektrischen Maschine
gemäß einer dritten
Ausführung
der Erfindung;
-
6 die
Kennlinie der von dem Magnetlager erzeugten axialen Kraft in der
elektrischen Maschine gemäß der dritten
Ausführung;
-
7 eine
geschnittene schematische Darstellung einer elektrischen Maschine
gemäß einer Abwandlung
der ersten Ausführung;
-
8 eine
geschnittene schematische Darstellung einer elektrischen Maschine
gemäß einer Abwandlung
der zweiten Ausführung;
und
-
9 eine
geschnittene schematische Darstellung einer elektrischen Maschine
gemäß einer Abwandlung
der dritten Ausführung.
-
1 zeigt
eine schematische, geschnittene Teilansicht durch eine elektrische
Maschine gemäß einer
ersten Ausführung
der Erfindung. In der bevorzugten Ausführung ist die Maschine als
ein Spindelmotor, insbesondere als ein bürstenloser Gleichstrommotor
ausgebildet. Die Maschine umfaßt
eine Grundplatte
10, in der eine Lagerhülse
12 gehalten ist.
Die Lagerhülse
12 nimmt
eine Welle
14 auf, die mit einer Nabe
16 verbunden
ist. In der Ausführung der
1 ist
die Welle
14 mit Zentralbohrung dargestellt und bildet
einen integralen Bestandteil der Nabe. Die Nabe
16 trägt einen
Rotormagneten
18, der koaxial zu einem Stator
20 angeordnet
ist. Der Stator
20 ist in
1 schematisch
durch einen Teil des Stator-Blechpaketes
22 und der Wicklung
24 dargestellt. Weitere
Einzelheiten zum grundsätzlichen
Aufbau einer elektrischen Maschine der Bauart gemäß
1 sind
beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2005 042519.4 beschrieben.
-
Die
Lagerhülse 12 kann
aus einem magnetischen oder nicht magnetischen Material hergestellt werden,
und die Nabe 16 besteht vorzugsweise aus einem ferromagnetischen
Material. Die Nabe 16 ist in der gezeigten Ausführung so
gestaltet, daß sie
eine oder mehrere Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks aufnehmen
kann.
-
Zwischen
der Lagerhülse 12 und
der Welle 14 sind zwei Radiallager in Form von fluiddynamischen
Lager ausgebildet. Zu diesem Zweck ist der Spalt zwischen der Lagerhülse 12 und
der Welle 14 vorzugsweise mit einem Lageröl gefüllt, und
an dem Innenumfang der Lagerhülse 12 oder
dem Außenumfang
der Welle 14 sind druckerzeugende Rillen eingeformt, wie
im Stand der Technik grundsätzlich
bekannt ist.
-
Das
Axiallager 30 wird bei der gezeigten Ausführung durch
das Zusammenwirken eines laminierten Blechstapels 32, der
wie das Stator-Blechpaket aus elektrischem Stahlblech aufgebaut
sein kann, und einem Permanentmagneten 34 gebildet. Der Blechstapel 32 und
der Per manentmagnet 34 sind jeweils ringförmig ausgebildet
und konzentrisch zueinander angeordnet. Vorzugsweise haben sie in
axialer Richtung die gleichen Abmessungen und fluchten in radialer
Richtung, wie in 1 gezeigt. Die Bleche des Blechstapels 32 sind
in radialer Richtung ausgerichtet, so daß die Bildung von Wirbelströmen in dem Blechstapel 32 vermieden
wird. Der Permanentmagnet 34 ist in der gezeigten Ausführung in
axialer Richtung magnetisiert. Abhängig von dem Design der Maschine
könnte
der Permanentmagnet 34 jedoch auch in radialer Richtung
magnetisiert sein.
-
Wie
in 1 gezeigt, sind bei dieser ersten Ausführung der
Erfindung insbesondere die Kanten des Blechstapels 32 wirksam,
so daß der überwiegende
Teil der magnetischen Feldlinien zwischen dem Permanentmagneten 34 und
dem Blechstapel 32 im Bereich der äußeren Bleche fließt. Wenn
der Rotor 18 und die Nabe 16 relativ zu der Lagerhülse 12 und
der Grundplatte 10 in axialer Richtung ausgelenkt werden,
wie in 1 gestrichelt dargestellt, erzeugt das Zusammenwirken
des Blechstapels 32 und des Permanentmagneten 34 eine
Rückstellkraft in
axialer Richtung, welche den Rotor und die Nabe relativ zu der Grundplatte
und der Lagerhülse
in axialer Richtung in einem stabilen Schwebezustand hält. Der
Permanentmagnet 34 zieht ferner den Blechstapel 32 in
radialer Richtung an, wobei die Stabilisierung in radialer Richtung
durch die Radiallager 26, 28 erfolgt.
-
Die
Lagerhülse 12 besteht
vorzugsweise aus einem ferromagnetischen oder unmagnetischen Material,
wobei die magnetische Permeabilität der Lagerhülse deutlich,
d. h. um wenigstens eine Größenordnung
geringer sein sollte als die des Blechstapels 32.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
ist es möglich,
die Reibung im Lager erheblich zu reduzieren, weil auf ein axiales
Drucklager vollständig verzichtet
und der axiale Luftspalt dementsprechend groß gemacht werden kann. Das
passive Magnetlager wirkt auch, wenn die elektrische Maschine nicht in
Betrieb ist, so daß selbst
beim Anlaufen der Maschine keine nennenswerten Reibmomente überwunden
werden müssen.
-
Wie
aus 1 erkennbar, werden bei der Erfindung auch zwischen
dem Rotormagneten 18 und dem Stator 20 zu einem
gewissen Grade axiale Zentrierkräfte
erzeugt, diese sind jedoch im Vergleich zu der Rückstellkraft des Magnetlagers 32, 34 vernachlässigbar
und für
die Funktion des Lagers nicht notwendig.
-
2 zeigt
die Kennlinie der axialen Rückstellkraft
des Magnetlagers im Verhältnis
zu dessen Auslenkung in axialer Richtung gegenüber der stabilen Lage. Wie
in 2 gezeigt, können
bei dieser Ausführung
Rückstellkräfte im Bereich
von vier bis sechs Newton erzielt werden, wobei die Rückstellkräfte abhängig von
dem Design und den Abmessungen der elektrischen Maschine variieren
können
und die Absolutwerte der 2 nur als Beispiele zu verstehen
sind. Wie auch in 2 zu erkennen, weist die Kennlinie
der axialen Rückstellkraft
eine gewisse Unsymmetrie auf, die sich durch den Einfluß der ferromagnetischen
Nabe 16 ergibt.
-
3 zeigt
eine schematische, geschnittene Teilansicht einer elektrischen Maschine
gemäß einer weiteren
Ausführung
der Erfindung. Gleiche Bauteile wie in 1 sind mit
denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Ausführung der 3 unterscheidet
sich von der ersten Ausführung
durch den Aufbau des Axiallagers 30. Das Axiallager 30 ist,
wie in der ersten Ausführung,
als passives Magnetlager ausgebildet und umfaßt einen Blechstapel 38,
dessen Bleche in radialer Richtung orientiert sind. Der Blechstapel
ist vorzugsweise aus laminiertem, elektrischem Stahlblech aufgebaut.
Anstelle des einen Permanentmagnetrings 34 umfaßt die zweite
Ausführung einen
oder mehrere Permanentmagnetringe mit Halbach-Anordnung. 3 zeigt
die einfachste Ausführung
einer solchen Halbach-Anordnung, bei der zwei in axialer Richtung
gegensinnig magnetisierte Permanentmagnetringe 40, 42 vorgesehen
sind. 3a, 3b und 3c zeigen
Abwandlungen dieser Ausführung,
in denen eine Halbach-Anordnung besser angenähert ist.
-
Bei
der in 3 gezeigten Ausführung werden die Feldlinien
in der Mitte des Blechstapels 38 konzentriert und sind
dort dichter als an den Rändern.
Daher kann in der zweiten Ausführung
der Erfindung vorgesehen sein, den Blechstapel 38 so auszubilden,
daß seine
Geometrie über
seine axiale Länge
variiert. Zum Beispiel können
die Bleche in der Mitte des Blechstapels 38 dünner gemacht
werden als an seinem Rand. Auch ist es möglich, die Bleche in der Mitte
und an den äußeren Rändern des
Blechstapels weiter vorstehen zu lassen als in den übrigen Bereichen,
um die Feldlinienkonzentration zu unterstützen. Dadurch ergibt sich die
größte Rückstellkraft des
Magnetlagers in dessen Mitte.
-
4 zeigt
wiederum die Kennlinie der axialen Rückstellkraft über der
Auslenkung in axialer Richtung für
die zweite Ausführung.
In der Ausführung
der 3 und 4 ist ein stärkerer Einfluß der ferromagnetischen
Nabe 16 zu erkennen, durch den sich eine entsprechend unsymmetrische
Kennlinie der axialen Rückstellkraft
ergibt.
-
5 zeigt
in schematischer, teilweise geschnittener Darstellung eine dritte
Ausführung
einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung.
Korrespondierende Teile wie in den vorhergehenden Ausführungen
sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Die
dritte Ausführung
unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungen dadurch, daß das magnetische
Axiallager 30 durch zwei gegenüberliegende Permanentmagnetringe 44, 46 gebildet ist,
welche in radialer Richtung magnetisiert sind und eine Halbach-Anordnung
bilden. In der Ausführung der 5 ist
die Halbachanordnung wiederum in ihrer einfachsten Variante gezeigt,
nämlich
mit zwei in radialer Richtung gegensinnig magnetisierten Permanentmagneten 44', 44'' und 46', 46''.
Die Magnete 44', 44''; 46', 46'' ziehen
einander in radialer Richtung an und halten so den Rotor 18 und
die Nabe 16 relativ zu der Lagerhülse 12 und der Grundplatte 10 in
einem Schwebezustand. Die Stabilisierung in radialer Richtung erfolgt,
wie in den vorhergehenden Ausführungen,
durch die Radiallager 26, 28.
-
Wie
sich aus der Kennlinie der 6 ergibt, erzeugt
die dritte Ausführung
eine wesentlich höhere Rückstellkraft
als die ersten beiden Ausführungen, die
designabhängig
deutlich über
10 Newton, beispielsweise bis zu 40 Newton und mehr, betragen kann.
Ferner ist die Kennlinie der axialen Rückstellkraft über der
axialen Auslenkung bei dieser Ausführung im wesentlichen linear.
-
Die
weiteren Erläuterungen,
die oben in bezug auf die erste Ausführung gemacht wurden, gelten auch
für die
zweite und die dritte Ausführung.
Ferner gilt für
alle Ausführungen
der Erfindungen, daß das Magnetlager 30 in
axialer Richtung möglichst
mittig zur Lagerhülse 12 ausgerichtet
wird, um ein Kippen des Lagers weitgehend zu verhindern. Auch sollte der
Luftspalt zwischen der Lagerhülse 12 und
der Welle 14, also der Luftspalt des fluiddynamischen Lagers,
möglichst
kleiner sein als der Luftspalt zwischen den Magneten, um eine Beschädigung der Magnete
bei Kippbewegungen des Lagers zu vermeiden. Das Vorsehen von Öl in dem
fluiddynamischen Lager kann Kippbewegungen weiter dämpfen.
-
Die
Ausführung
der 5 unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungen
weiter dadurch, daß die
Lagerhülse 12 an
ihrem geschlossenen Ende durch eine Gegenplatte 48 verschlossen
ist und daß auf
das entsprechende Stirnende der Welle 14 ein separater
Ring aufgesetzt ist, der die Welle 14 gegen Herausfallen
aus der Hülse 12 sichert.
Diese Unterschiede sind für
die Erfindung jedoch nicht relevant.
-
Die 7, 8 und 9 zeigen
jeweils Abwandlungen der ersten, zweiten bzw. dritten Ausführung der
Erfindung. Sie unterscheiden sich von den oben beschriebenen Ausführungen
durch die relative Anordnung von Stator und Rotor sowie durch die
Anordnung des magnetischen Axiallagers.
-
Die
elektrische Maschine gemäß den Ausführungen
der 7 bis 9 umfaßt jeweils eine Grundplatte 52,
in der eine mehrteilige Lagerhülse 54 aufgenommen
ist. Die Lagerhülse 54 umfaßt eine
innere Hülse 54' und eine äußere Hülse 54'', die an ihrem Stirnende durch
eine Gegenplatte 54''' verschlossen sind. Eine Welle 56 ist
in der Lagerhülse 54 aufgenommen
und mit einer Nabe 58 verbunden. Die Nabe trägt einen
Rotormagneten 60. Ein Stator 62 mit einem Stator-Blechpaket 64 und
Wicklungen 66 ist mit dem Außenumfang der äußeren Hülse 54'' und somit mit der Grundplatte 52 verbunden.
Zwischen der inneren Hülse 54' und der Welle 56 sind zwei
Radiallager 68, 70 gebildet, die im wesentlichen wie
die Radiallager 26, 28 der ersten bis dritten
Ausführung
(1, 3 und 5) arbeiten.
Das magnetische Axiallager 72 der 7 wird,
abweichend von der ersten Ausführung,
durch einen Blechstapel 74 und einen zugeordneten, radial
oder axial magnetisierten Permanentmagneten 76 gebildet,
wobei die Bleche zum Zentrum des Stapels in radialer Richtung schmaler
werden. Somit ist der Abstand des Blechs zum Magneten an den beiden äußeren Enden
des Stapels am geringsten. Da hier die Feldkonzentration am stärksten ist,
ist bei dieser Anordnung die Rückstellkraft
besonders groß.
Die Arbeitsweise der elektrischen Maschine der 7 ist
wie mit Bezug auf die 1 beschrieben; insofern wird
auf die Beschreibung der 1 Bezug genommen.
-
Die
Ausführungen
der 8 und 9 sind grundsätzlich aufgebaut
wie die Ausführung
der 7, wobei entsprechende Komponenten mit den Bezugszeichen
bezeichnet und nicht nochmals beschrieben sind. Diese Ausführungen
unterscheiden sich nur durch den Aufbau des magnetischen Axiallagers,
wobei das Axiallager der 8 dem der 3 und
das Axiallager der 9 dem der 5 entspricht.
Insofern wird Bezug genommen auf die Beschreibung dieser Figuren.
-
In 8 wird
somit das magnetische Axiallager durch einen Blechstapel 78 und
zwei zugeordnete Permanentmagnetringe 80, 82,
die in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind, gebildet.
Die Wirkungsweise ist wie mit Bezug auf 3 beschrieben.
Auch in der Ausführung
der 8 variiert die Breite der Bleche in axialer Richtung,
hier aber so, daß ausgehend
vom Zentrum des Stapels die Bleche nach Außen hin in radialer Richtung
schmaler werden. So ist der Abstand von Blech zum Magneten im Zentrum
am geringsten, dort wo auch die Feldkonzentration am größten ist.
Auch diese Anordnung bewirkt, dass die Rückstellkräfte besonders groß sind.
-
In
der Ausführung
der 9 wird das magnetische Axiallager, wie in der
Ausführung
der 5, durch zwei einander gegenüberliegende, in radialer Richtung
magnetisierte Permanentmagnetringpaare 84, 86 gebildet.
Die Arbeitsweise dieses magnetischen Axiallagers ist wie mit Bezug
auf 5 beschrieben.
-
Auch
für die 8 und 9 gilt,
daß die Permanentmagnetringe 80, 82 bzw.
die Permanentmagnetringpaare 84, 86 die einfachste
Form einer angenäherten
Halbach-Anordnung darstellen und durch eine Magnetanordnung ersetzt
werden können,
welche die Halbach-Anordnung besser annähert, wie beispielsweise in 3a und 3b gezeigt.
-
Soweit
in der obigen Beschreibung auf verwendete Materialien, absolute
oder relative Abmessungen und Funktionsweisen des Radiallagers und des
Axiallagers Bezug genommen wird, so können diese Angaben grundsätzlich für sämtliche
Ausführungen
gelten, wobei es designabhängig
zu Abweichungen kommen kann.
-
Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine eignet sich besonders als Spindelmotor für Mini-Disk-Drives, bei
denen der Außenumfang
der Nabe einen Durchmesser von etwa 7 bis 8 mm oder sogar darunter,
beispielsweise 4,5 mm hat. Die Dicke der Magnetringe sowie des Blechstapelrings
liegen im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm, wobei die Bleche beispielsweise
aus elektrischem Stahl und die Permanentmagnete aus gesintertem
Neodym bestehen können.
Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
-
- 10
- Grundplatte
- 12
- Lagerhülse
- 14
- Welle
- 16
- Nabe
- 18
- Rotormagnet
- 20
- Stator
- 22
- Stator-Blechpaket
- 24
- Wicklung
- 26,
28
- Radiallager
- 30
- Axiallager
- 32
- Blechstapel
- 34
- Permanentmagnet
- 38
- Blechstapel
- 40,
42
- Permanentmagnetringe
- 44,
46
- Permanentmagnetringe
- 44', 44''
- Permanentmagnetringe
- 46', 46''
- Permanentmagnetringe
- 48
- Gegenplatte
- 50
- Ring
- 52
- Grundplatte
- 54
- Lagerhülse
- 54'
- innere
Hülse
- 54''
- äußere Hülse
- 54'''
- Gegenplatte
- 56
- Welle
- 58
- Nabe
- 60
- Rotormagnet
- 62
- Stator
- 64
- Stator-Blechpaket
- 66
- Wicklung
- 68,
70
- Radiallager
- 72
- Axiallager
- 74
- Blechstapel
- 76
- Permanentmagnet
- 78
- Blechstapel
- 80,
82
- Permanentmagnetringe
- 84,
86
- Permanentmagnetringpaare