DE102006060047A1 - Elektrische Maschine mit Hybridlager - Google Patents

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Abstract

Elektrische Maschine mit einem Hybridlager zur Lagdas Hybridlager ein Radiallager, das als fluiddynamisches Lager ausgebildet ist, und ein Axiallager, das durch magnetische Elemente gebildet ist, aufweist, wobei die magnetischen Elemente wenigstens einen Permanentmagneten und ein Flußleitstück umfassen, die so angeordnet sind, daß sie einander in radialer Richtung gegenüberliegen.

Description

  • 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

Claims (19)

  1. Elektrische Maschine mit einem Hybridlager zur Lagerung eines Rotors relativ zu einem Stator, wobei das Hybridlager ein Radiallager (26, 28), das als fluiddynamisches Lager ausgebildet ist, und ein Axiallager (30), das durch magnetische Elemente gebildet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Elemente wenigstens einen Permanentmagneten (34; 40, 42; 44) und ein Flußleitstück (32; 38; 46) umfassen, die so angeordnet sind, daß sie einander in radialer Richtung gegenüberliegen.
  2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hybridlager eine Lagerhülse (54) aufweist, in der eine Welle (56) aufgenommen ist, und daß eines der magnetischen Elemente (76; 80; 86) auf dem Umfang der Lagerhülse (54) angeordnet ist und das andere der magnetischen Elemente (74; 78; 84) mit der Welle (56) verbunden ist.
  3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hybridlager eine Lagerhülse (12) aufweist, in der eine Welle (14) aufgenommen ist, und daß die Welle mit einer Nabe (16) gekoppelt ist und eines der magnetischen Elemente (32; 38; 46) auf dem Außenumfang der Lagerhülse (12) angeordnet ist und das andere der magnetischen Elemente (34; 40, 42; 44) mit der Nabe (16) verbunden ist.
  4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe die Lagerhülse (12) umgreift, wobei ein Raum zur Aufnahme der magnetischen Elemente zwischen der Lagerhülse (12) und dem Innenumfang der Nabe (16) gebildet ist, und daß das andere der magnetischen Elemente (34; 40, 42; 44) an dem Innenumfang der Nabe (16) angeordnet ist.
  5. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Elemente in radialer Richtung im wesentlichen miteinander fluchten.
  6. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Elemente ringförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander ausgerichtet sind.
  7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Elemente in axialer Richtung ungefähr die gleichen Abmessungen haben.
  8. Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußleitstück durch einen Blechstapel (32; 38; 74; 78) gebildet ist, dessen Bleche in radialer Richtung orientiert sind.
  9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet einen Ringmagneten (34; 40, 42; 76; 80, 82) umfaßt, der in axialer oder radialer Richtung magnetisiert ist.
  10. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet zwei Ringmagnete (40, 44; 80, 82) umfaßt, die in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind.
  11. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet einen oder mehrere Ringmagnete umfaßt, die in axialer Richtung gemäß einer Halbachanordnung magnetisiert sind.
  12. Elektrische Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche des Blechstapels (38; 78) des Flußleitstücks über die axiale Länge des Blechstapels unterschiedliche Abmessungen haben.
  13. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche des Blechstapels (38, 78) in der Mitte des Blechstapels schmaler sind als am Rand des Blechstapels.
  14. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche des Blechstapels (38, 78) in der Mitte des Blechstapels breiter sind als am Rand des Blechstapels.
  15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche des Blechstapels (32; 38; 74; 78) des Flußleitstücks aus elektrischem Stahl hergestellt sind.
  16. Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußleitstück und der Permanentmagnet jeweils zwei Ringmagnete (44, 46; 84, 86) aufweisen, die in radialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind.
  17. Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußleitstück und der Permanentmagnet jeweils einen oder mehrere Ringmagnete umfassen, die in radialer Richtung gemäß einer Halbachanordnung magnetisiert
  18. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 oder 3 und einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Permeabilität des Flußleitstücks (32; 38; 46) größer ist als die magnetische Permeabilität der Lagerhülse (12) und der Welle (14).
  19. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 und einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (16) aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist.
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