DE102007033525A1

DE102007033525A1 - Permanentmagnet-Motor mit magnetisch vorgespanntem Axiallager und Werkzeug zur Herstellung

Info

Publication number: DE102007033525A1
Application number: DE102007033525A
Authority: DE
Inventors: Vladimir V. Dr. Popov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: DE102007033525B4

Abstract

Permanentmagnet-Motor mit magnetisch vorgespanntem Axiallager, bestehend aus einer Basisplatte, auf angeordnet ist, wobei der Basisplatte gegenüberliegend eine Nabe angeordnet ist, die mit einer Welle verbunden ist, die über ein oder mehrere Fluidlager gegenüber einer Lagerbuchse abgestützt ist, wobei die Nabe mindestens einen ringförmigen Hauptrotor-Magneten trägt, der dem Stator-Blechpaket gegenüberliegt, wobei im Bereich zwischen der Nabe und dem feststehenden Teil des Motors eine in axialer Richtung wirkende unter Einwirkung magnetischer Zugkräfte arbeitende Zugeinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich des Hauptrotor-Magneten als getrennter, umlaufender einheitlich polarisierter, in axialer Richtung magnetisierter Magnetbereich ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Motor mit magnetisch vorgespanntem Axiallager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner wird ein Werkzeug als erfindungswesentlich beansprucht, mit dem eine bestimmte Magnetisierung in einem Hauptrotor-Magnet eines Permanentmagnet-Motors erzielt wird.
Stand der Technik ist, bei Permanentmagnet-Motoren ein oder mehrere Fluid-Lager zu verwenden, die als kombinierte Axial- und Radiallager ausgebildet sind.
Zur Erzeugung einer Vorspannung auf das Axiallager ist es bekannt, einen ferromagnetischen Zugring zu verwenden, der im Feldfluss des umlaufenden Rotormagneten eine magnetische Zugkraft auf den umlaufenden Rotor (in der Regel die Nabe) ausübt. Ein anderer Ansatz besteht darin, einen permanentmagnetischen Zugring zu verwenden, der eine Anziehungskraft auf eine gegenüberliegende ferromagnetische Oberfläche ausübt.
Die JP 2005045876 A zeigt einen solchen Zugring, der als Magnet ausgebildet ist und der eine Zugkraft auf die Nabe ausübt.
Die JP 2003/061305 A zeigt einen Zugring, der als ferromagnetischer Ring unmittelbar dem Permanentmagnetring gegenüberliegt und demzufolge eine ebenfalls eine Zugkraft auf diesen ausübt.
Die Nachteile der bekannten Anordnungen liegen darin, dass sich im Falle von separaten und für sich getrennt magnetisierbaren permanentmagnetischen Zugringen die Gesamtkosten eines solchen Motors stark erhöhen. Im Falle der Verwendung von ferromagnetischen Zugringen, die der Unterseite des Rotormagneten gegenüber liegend angeordnet werden, entstehen in diesen zusätzlichen Ringen unerwünschte Wirbelströme, was zusätzliche Verluste bringt. Der Motor muss daher mehr elektrische Leistung aufnehmen, um die gleiche mechanische Leistung abgeben zu können und die dabei entstehenden Wirbelströme vermindern darüber hinaus die Effizient der Kraftwirkung des Zugringes. Um eine ausreichend hohe axiale Zugkraft zu erhalten, muss der Luftspalt zwischen dem Zugring und dem Rotormagneten möglichst klein sein, was wiederum die Wirbelstromverluste erhöht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Permanentmagnet-Motor mit magnetisch vorgespanntem Axiallager so weiterzubilden, dass die magnetische Vorspannung auf wesentlich einfachere und kostengünstigere Weise erzielt werden kann, ohne dass Wirbelströme auftreten. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Bei der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre spielen folgende Erkenntnisse eine Rolle:
Die Kräfte, die auf einen üblichen ferromagnetischen Zugring seitens des Rotormagneten wirken, können in zwei unterschiedliche Komponenten unterteilt werden. Eine erste Komponente besteht aus Reluktanzkräften, welche den Zugring in Richtung auf den Rotor ziehen. Eine zweite Komponente sind Lorentz-Kräfte, die aufgrund von Wirbelströmen in dem Zugring entstehen und die dazu neigen, den Zugring von dem Rotormagneten abzudrücken. Die beiden Kräfte sind gegeneinander gerichtet, wobei die Lorentz-Kräfte die Reluktanzkräfte schwächen.
Die Reluktanzkräfte der ersten Komponente sind abhängig von der Permeabilität des Zugringmaterials.
Die die zweiten Komponente ausübenden Kräfte (Lorentz-Kräfte) hängen grundsätzlich von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials, von der Wechselstärke des Feldes und von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors ab. Die letzt genannten Lorentz-Kräfte, die durch Wirbelströme entstehen, verursachen zusätzliche Schwingungen, was den Motorlauf unruhig gestaltet. Außerdem verursachen diese Wirbelströme zusätzliche elektrische Motorverluste.
Der unruhige Lauf kann kritisch werden, wenn der Motor eine bestimmte Umdrehungszahl erreicht, wobei die zweite Kraftkomponente dominiert und der Rotor angehoben wird. Dies zerstört letzten Endes die Vorspannung in den Fluid-Lagern, was deren Trageigenschaft stark beeinträchtigt.
Die Erfindung hat sich deshalb das Ziel gesetzt, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass mindestens eine Stirnseite, bevorzugt der untere Bereich des Hauptrotor-Magneten, die bevorzugt mindestens teilweise außerhalb des Wirkungsbereiches des Statorpaketes ist, als umlaufend einheitlichin axialer Richtung magnetisierter Magnetbereich ausgebildet ist.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich nun der wesentliche Vorteil, dass der Hauptrotor-Magnet nun nicht mehr allein aus einer Vielzahl von am Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Magnetpolen besteht, die in radialer Richtung abwechselnd magnetisiert sind, sondern dass zusätzlich – erfindungsgemäß – ein Stirnbereich des Hauptrotor-Magneten als eigener unterschiedlich magnetisierter Magnetbereich ausgebildet ist, der auf seiner unteren Stirnseite (umlaufend oder zumindest stückweise) axial magnetisiert ist.
Damit ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nun auf getrennte Magnetringe verzichtet werden kann, wie sie zum Stand der Technik gehören und wie sie bei den eingangs genannten Druckschriften gezeigt wurden. Erfindungsgemäß wird ein solcher Magnetring in das Material des Hauptrotor-Magneten integriert und muss deshalb nicht als gesondertes Teil hergestellt und montiert werden. Damit werden die Herstellungskosten eines solchen Permanentmagnet-Motors im wesentlichen Maße verringert. Aufgrund der an der Stirnseite axialen Magnetisierung des eigenen Magnetbereiches am Stirnende des Hauptrotor-Magneten wird im Übrigen die Wirkung eines ferromagnetischen Zugringes wesentlich verstärkt.
Die axiale bevorzugt nach unten gegen den Zugring gerichtete Magnetisierung im unteren Stirnbereich des Hauptrotor-Magnetes sorgt nun für eine wesentlich bessere Zugkraft und damit wirkt eine wesentlich größere Vorspannung auf die Fluid-Lager als sie beim Stand der Technik gegeben war. Diese Verbesserung gilt insbesondere für Motoren mit Hauptrotor-Magneten, die einen weiteren in axialer Richtung magnetisierten Magnetbereich nicht aufwiesen. Bei diesen war nur eine Magnetisierung in radialer Richtung gegeben und deshalb war die Wirkung auf einen in axialer Richtung darunter angeordneten Zugring gering. Diese Wirkung wurde im Stand der Technik lediglich durch Streuflüsse erbracht, so dass diese Wirkung weit hinter der Wirkung eines eigens im Stirnbereich des Hauptrotor-Magnetes magnetisierten Magnetbereiches zurück bleibt.
Weiterhin musste beim Stand der Technik der Rotormagnet relativ zum Statorpaket mit einem axialen Versatz (Offset) montiert werden, um eine zusätzliche axiale Kraftkomponente zu gewinnen und somit eine ausreichende axiale Vorspannung des fluiddynamischen Axiallagers zu erreichen. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass dieser Offset zu einer Anregung von Schwingungen und somit zu einer Verschlechterung der akustischen Eigenschaften des Motors führt.
Bei dem erfindungsgemäßen im Stirnbereich des Hauptrotor-Magneten angeordneten Magnetbereich handelt es sich um einen unipolar magnetisierten Bereich, der sich ringförmig an der Unterseite des Hauptrotor-Magnetes erstreckt, der rotationssymmetrisch ist und der in seiner Magnetisierrichtung bevorzugt axial nach unten gerichtet ist.
Hierbei wird es bevorzugt, wenn die Feldlinien dieses Bereiches nicht in den Hauptflussbereich des Stators und des Hauptrotor-Magneten hineinragen, um dort eine Beeinträchtigung zu vermeiden.
Ein solcher axial polarisierter Magnetbereich kann deshalb mit einem ferromagnetischen Zugring üblicher Art kombiniert werden.
In einer anderen Ausgestaltung kann der Zugring jedoch auch entfallen. Sofern das dem axial magnetisierten Magnetbereich gegenüberliegende Bauteil, etwa eine Basisplatte oder ein Flansch, auf welcher bzw. welchem der Motor montiert ist, ferromagnetische Eigenschaften hat, entfaltet der in axialer Richtung in Richtung auf dieses Bauteil magnetisierte Magnetbereich ebenfalls eine entsprechende Zugkraft und führt deshalb zu der gewünschten Vorspannung der Fluid-Lager.
Es war im Übrigen bekannt, Wirbelströme dadurch zu vermindern, indem man einen relativ großen Abstand zwischen der Stirnseite eines üblichen Hauptrotor-Magneten und der zugeordneten Fläche der Basisplatte bzw. des Zugringes vorsah. Durch diesen großen Luftabstand sollen Wirbelströme vermindert werden, da aufgrund des größeren Abstandes ein schwächerer magnetischer Feldwechsel stattfindet.
Nachdem erfindungsgemäß aufgrund der Magnetisierung des Stirnbereiches des Hauptrotor-Magnetes als unipolarer Magnetbereich mit in axialer Richtung magnetisierter Feldrichtung nun solche Wirbelströme nicht mehr auftreten, ist es nun erstmals möglich, den Luftspalt in diesem Bereich entscheidend zu verringern. Damit wird die axiale Vorspannungskraft, die hier ausgeübt wird, wesentlich vergrößert. Dadurch ist es nun erstmals möglich, den vorher notwendigen Offset zwischen dem Rotormagneten und dem Stator komplett entfallen zu lassen, was die Dynamik des Motors wesentlich verbessert und insbesondere auch Geräusche in entscheidendem Maße vermindert.
Damit kann der Rotormagnet – magnetisch gesehen – genau zentrisch zum Stator ausgerichtet werden und damit läuft der Motor ruhiger und ohne wesentliche axiale Schwingungen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, dass zusätzlich oder alternativ der obere Stirnbereich des Haupt-Rotormagneten einen axial magnetisierten Bereich aufweist und dass diesem Bereich bzw. diesen Bereichen jeweils ein oder mehrere ferromagnetische Zugringe gegenüberliegend angeordnet sind.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, dass dem axial magnetisierten Stirnbereich des Haupt-Rotormagneten ein entgegengesetzt axial magnetisierter Permanentmagnetring gegenüberliegend angeordnet ist. Dabei kann der Permanentmagnetring auf der Oberseite bzw. auf der Unterseite des Rotormagneten angeordnet sein. Dieses magnetische Axiallager wird durch ein Gegenlager kompensiert. Dieses Gegenlager kann ein axiales Fluidlager oder ein weiteres magnetisches Lager sein, das beispielsweise durch einen axialen Versatz (magnetischen Offset) zwischen dem Rotormagneten und dem Statorpaket gebildet wird. Eine weitere Möglichkeit eines magnetischen Gegenlagers besteht darin, mit zwei auf der Oberseite und der Unterseite des Rotormagneten angeordneten axial gegensinnig magnetisierten Permanentmagnetringen ein rein magnetisches Doppel-Axiallager zu gestalten, wobei der Rotormagnet jeweils auf der Oberseite sowie auf der Unterseite axial magnetisierte Stirnbereiche aufweist.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird gesonderter Schutz für eine Magnetisiervorrichtung beansprucht, die zur Magnetisierung des vorher genannten Magnetbereiches im Stirnbereich des Hauptrotor-Magneten verwendet wird.
Hierbei wird als erfindungswesentlich beansprucht, dass auf dem Spulenschaft einer herkömmlichen Magnetisier-Vorrichtung eine Sonder-Magnetisierspule aufgeschoben wird, die lediglich auf den Stirnbereich des ringförmigen Hauptrotor-Magneten einwirkt. Weiterhin kann die Sonder-Magnetisierspule auch ein integraler Bestandteil der Magnetisiervorrichtung sein.
Auf diese Weise kann in einem einzigen Arbeitsgang sowohl die radiale Magetisierung des Hauptrotor-Magneten nach Nord- und Südpolarisierung durchgeführt werden und gleichzeitig auch die strinseitige Magnetisierung des Hauptrotor-Magneten, der somit in axialer Richtung ringsumlaufend unipolar magnetisiert wird.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
1: vergrößerter Teilschnitt durch einen Permanentmagnet-Motor
2: eine Vergrößerung der 1
3: Perspektivisch eine erste Ausführung eines Hauptrotor-Magneten
4: einen Schnitt durch ein Magnetisier-Werkzeug
5: eine Seitenansicht des Magnetisier-Werkzeuges
6: ein vergrößerter Schnitt durch den Magnetisierbereich des Magnetisier-Werkzeuges
7: der Flussverlauf durch den Hauptrotor-Magneten
8: perspektivisch die Magnetisierspule
9: Schnitt durch die Magnetisierspule nach 8
10: perspektivischer Schnitt durch die Magnetisierspule
11: Schnitt durch einen fluidgelagerten Spindelmotor mit Fluid-Axiallager zwischen Welle und Gegenplatte
12: Schnitt durch einen fluidgelagerten Spindelmotor mit Fluid-Axiallager zwischen Welle und Lagerbuchse
13: Schnitt durch einen fluidgelagerten Spindelmotor mit ferromagnetischen Zugring
14: Schnitt durch einen fluidgelagerten Spindelmotor mit asymmetrischen Radiallager
In 1 ist ein Teilschnitt durch einen Permanentmagnet-Außenläufer-Motor dargestellt, wobei eine Welle 7 drehfest mit einer Nabe 1 verbunden ist und die Welle zwei im Abstand voneinander angeordnete Radiallager 9, 10 in Verbindung mit einem Axiallager 8 aufweist. Die Lager 8, 9, 10 sind in einer Lagerbuchse 6 angeordnet.
Ohne Einschränkung kann die Erfindung entsprechend bei einem Innenläufer-Motor realisiert werden.
Es versteht sich von selbst, dass mindestens auch die Radiallager 9, 10 auf der Welle 7 selbst angeordnet sein können und nicht nur in der Lagerbuchse 6. Weiterhin ist es möglich, andere als die dargestellten herringbone-förmigen Radiallager-Strukturen 9, 10 zu verwenden, etwa sogenannte Lobe-Strukturen nach Art eines Zitronenlagers bzw. eines Mehrflächengleitlagers oder aber ein Gleitlager ohne Radiallager-Strukturen 9, 10 zu verwenden. Ferner kann neben einer Stahl-Lagerbuchse 6 etwa auch eine Lagerbuchse 6 aus Sintermaterial verwendet werden. Ebenso können Axiallagerstrukturen in der Unterseite der Nabe vorgesehen sein, die der Oberseite der Lagerbuchse 6 gegenüberliegen.
Auf einer feststehenden Basisplatte 11 ist ein Statorpaket 4 befestigt, welches im Wesentlichen aus einem Eisenblechpaket und einer dazugehörenden Statorwicklung 5 besteht.
Zur Erzeugung einer magnetischen Axialkraft ist eine Zugvorrichtung vorgesehen, die im Wesentlichen aus einem ferromagnetischen Zugring 3 besteht, der fest mit der Basisplatte 11 verbunden ist. Falls die Basisplatte 11 selbst aus einem ferromagnetischen Material besteht, kann der Zugring 3 entfallen.
Dem Zugring 3 gegenüberliegend ist der Hauptrotor-Magnet 2 angeordnet, der an der Innenseite der umlaufenden Nabe 1 befestigt ist. Die Nabe 1 selbst hat kein zusätzliches Joch, sondern ist selbst ferromagnetisch und bildet so das magnetische Joch.
Für den Fall, dass die Nabe 1 nicht aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist, kann im radial außen liegenden Bereich zum Hauptrotor-Magneten 2 noch ein ferromagnetisches Joch angeordnet sein.
Es ist ein Offset 13 zwischen dem Stator und dem Hauptrotor-Magnet 2 gegeben. Dies bedeutet, dass die magnetische Mittellinie des Stators 4 nicht auf gleicher Höhe liegt wie die magnetische Mittellinie des Hauptrotor-Magneten 2 und dass zwischen diesen beiden Linien ein axialer Versatz (Offset 13) besteht.
Wichtig ist, dass der Stirnbereich des Hauptrotor-Magneten als separat polarisierter Magnetbereich 12 ausgebildet ist, und eine unipolare umlaufende Magnetisierung aufweist. Dies führt dazu – wie später noch anhand der 2 erläutert wird, dass der Luftspalt 14 zwischen der Unterseite des Hauptrotor-Magneten 2 und dem Zugring 3 entscheidend verringert werden kann, wodurch die axiale Zugkraft zwischen dem Haupt-Rotormagnet 2 und dem Zugring 3 verstärkt wird und daher der axiale Offset 13 unnötig wird, was somit zu einer Verminderung des akustischen Geräuschpegels des Motors führt.
In 2 sind weitere Einzelheiten des Feldlinienverlaufes des neuartigen Magnetbereiches 12 dargestellt. Hierbei ist erkennbar, dass ausgehend von der radial außen liegenden (vertikalen) Außenseite 21, die z. B. als Südpol polarisiert ist, sich ein Feldlinienverlauf 15 bogenförmig durch das Material des Magnetbereiches 12 erstreckt.
Die Feldlinien treten an der Unterseite 20 des Magnetbereiches 12 idealerweise senkrecht aus und bilden in Richtung auf die Oberseite des Zugringes die etwa senkrechten Feldlinien 16 aus. Vorzugsweise ist die Grenzfläche 18 der magnetischen Polarisierung des Magnetbereiches 12 so gewählt, dass sie nicht in den Bereich der Wirkfläche 17 zwischen dem Stator 4 und dem in radialer Richtung magnetisierten Bereich des Hauptrotor-Magneten 2 kommt.
Dieser Magnetbereich 12 soll deshalb bevorzugt außerhalb des in radialer Richtung wirkenden Feldlinienbereiches gelegt werden, um den Feldlinienbereich des Hauptmagnetflusses möglichst wenig zu stören.
Die 3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines solchen Hauptrotor-Magneten 2, wo erkennbar ist, dass eine Mehrzahl von Magnetpolen 19 gleichmäßig verteilt am Umfang angeordnet sind und stets abwechselnd radial nach innen gerichtet magnetisiert sind.
Erfindungsgemäß bildet der Stirnbereich den umlaufend magnetisierten Magnetbereich 12 aus, wobei zum Beispiel die Außenseite 21 als umlaufender Südpol und die Unterseite 20 als umlaufender Nordpol ausgebildet ist.
Anhand der 4 bis 10 wird eine Magnetisiervorrichtung 22 gesondert als erfindungswesentlich beansprucht, die gesonderten Schutz unabhängig von dem vorher genannten Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 genießen soll. Sie soll aber auch in Kombination mit dem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 Schutz genießen.
Die Magnetisierungsvorrichtung 22 besteht im Wesentlichen aus einem Spulenschaft 23, auf den der zu magnetisierende Hauptrotor-Magnet 2 aufgesteckt wird.
Zur Herstellung einer entsprechenden Magnetisierung sind Magnetisierdrähte 26 im Innenraum schlaufenförmig verlegt. Es erfolgt eine Kontaktierung der Magnetisierdrähte 26 über Kontaktiersockel 25 und einem in der 5 dargestellten Hauptanschlusssockel 27. Im Sockel 24 ist Vergussmasse angeordnet.
In 5 bis 7 sind weitere Einzelheiten erkennbar. Wichtig ist, dass die Sonder-Magnetisierspule 28 auf den Außenumfang des Schaftes 23 aufgeschoben wird und gemäß den 8 bis 10 ein etwa C-förmiges Flussleitstück 31 ausbildet, das die im Innenraum angeordneten Magnetisierungsdrähte 30 umschließt.
Die Stirnseite des Hauptrotor-Magneten 2 wird gemäß 6 in den Innenraum der Sonder-Magnetisierspule 28 eingeschoben, so dass die Stirnseite 34 des C-Profils des Flussleitstückes 31 auf der Außenseite des Hauptrotor-Magneten 2 im Fußbereich aufliegt. Die andere Stirnseite 35 liegt senkrecht zur erstgenannten Stirnseite 34, so dass die beiden Stirnseiten im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Dies ist in 7 gezeigt. Es ist erkennbar, dass die Feldlinien 32 aus dem Flussleitstück 31 aus der Stirnseite 35 etwa senkrecht austreten und etwa zirkular durch das Material des Hauptrotor-Magneten 2 im Magnetbereich 12 hindurchtreten und diesen Magnetbereich in der gezeigten Weise magnetisieren. Sie treten an der gegenüberliegenden Stirnseite wiederum etwa normal aus und treten dann etwa normal in die Oberfläche 34 des Flussleitstückes 31 wieder ein.
Es wird noch hinzugefügt, dass diese Sonder-Magnetisierspule mit eigenen Spulenanschlüssen 33 versehen ist, in die ein separater Magnetisierstrom zugeführt wird.
Alternativ können beide Magnetisierspulen elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden. Weiterhin ist es möglich, zur Strombegrenzung der Sonder-Magnetisierspule 28 eine Drosselspule zu verwenden, die elektrisch in Reihe zur Sonder-Magnetisierspule 28 geschaltet wird.
Mit der Erfindung wird der Vorteil erreicht, dass in einem Hauptrotor-Magneten ohne weitere, separate Zusatzteile ein separater Magnetbereich vorgesehen ist, der in axialer Richtung polarisiert ist und umlaufend ausgebildet ist, um so die Wirkung eines eigenen Magnetringes zu erzeugen und die Wirkungen eines Zugringes zu verbessern.
Es stellt sich der überraschende Effekt ein, dass bei geeigneter Anpassung des durch die Sonder-Magnetisierspule 28 fließenden Magnetisierstromes die somit magnetisierten Rotormagnete 2 auf ihrer radialen Außenseite keinen nennenswerten Magnetpol ausbilden, wodurch dort kein magnetischer Rückschluss mehr benötigt wird.
Die 11 zeigt einen fluidgelagerten Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenspeichers mit einem oberen und einem unteren Radiallager 9, 10 und einem Fluid-Axiallager 8', das zwischen der mit der Welle 7 verbundenen Druckplatte 37 und der Gegenplatte 38 bevorzugt auf der Oberfläche der Gegenplatte 38 angeordnet ist und während des Betriebes eine nach oben gerichtete Kraft auf den Rotor erzeugt. Als Gegenlager wirkt der untere Stirnbereich des Rotormagneten 12, der axial magnetisiert ist und zusammen mit dem mit der Basisplatte 11 verbundenen Zugring 3 eine axiale Kraft in Pfeilrichtung 38 nach unten auf den Rotor erzeugt.
In der 12 ist ein fluidgelagerter bürstenloser Gleichstrommotor dargestellt mit einem oberen und einem unteren Radiallager 8, 9 sowie einem Fluid-Axiallager 8'', das zwischen der Oberseite der mit der Welle 7 verbundenen Druckplatte 36 und der gegenüberliegenden Seite der Lagerbuchse 6 angeordnet ist. Bei Umdrehung der Welle 7 baut sich ein Fluiddruck auf, welcher den Rotor 1 axial nach unten in Pfeilrichtung 38 drückt. Als Gegenlager zu dieser axialen Lagerung ist ein Zugring 3 vorgesehen, der gebildet wird aus einem permanentmagnetischen Ring, der mit der Basisplatte 11 verbunden ist und der unteren, axial magnetisierten Stirnseite 12 des Rotormagnetringes 2 axial gegenüberliegt und aufgrund der abstoßenden Wirkung der Magnete eine axiale, nach oben gerichtete Gegen-Kraft in Pfeilrichtung 39 auf den Rotor 1 ausübt.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltungs-Variante kann das Fluid-Axiallager fehlen und ersetzt werden durch einen magnetischen Offset 13, d. h. einen axialen Versatz zwischen dem Rotormagneten 2 und dem Statorpaket 4, wobei der Rotormagnet 2 aus seiner magnetischen Mitte heraus axial nach oben relativ zum Stator 4 versetzt angeordnet ist. Hierdurch wird auf den Rotor 1 eine axial nach unten gerichtete Kraft in Pfeilrichtung 38 ausgeübt, die der axial nach oben auf den Rotor 1 wirkenden, abstoßenden Kraft in Pfeilrichtung 39 zwischen dem Rotormagnet 2 und dem permanentmagnetischen Ring 3 entgegengesetzt gerichtet ist.
In der 13 ist ein fluidgelagerter Elektromotor dargestellt, der einen axial unterhalb des Rotormagneten angeordneten ferromagnetischen Zugring 40 aufweist, der mit der Basisplatte 11 verbunden ist und der aufgrund des auf der unteren Stirnseite axial magnetisierten Rotormagneten 2 auf den Rotor 1 eine axial nach unten gerichtete Kraft in Pfeilrichtung 38 ausübt. Als Gegenlager dient ein fluiddynamisches Axiallager, das zwischen der Unterseite der Welle 7 und der das Lager auf der Unterseite verschließenden Gegenplatte 37 angeordnet ist und das bei Umdrehung der Welle 7 eine axial nach oben gerichtete Kraft in Pfeilrichtung 38 auf den Rotor 1 ausübt.
Weiterhin weist dieses Lager einen Rezirkulationskanal 41 auf, der die Oberseite der Lagerbuchse 6, die wiederum durch eine Kappe 42 abgedichtet ist, mit der Unterseite der Lagerbuchse 6 verbindet und am unteren Wellenende austritt. Das Untere Wellenende ist in radiale Richtung verbreitert und liegt in einer entsprechenden Ausformung der Lagerbuchse 6. Diese ist unterhalb des unteren Wellenendes durch eine Druckplatte 36 verschlossen, die bevorzugt die Axiallagerstrukturen aufweist. Alternativ können die Axiallagerstrukturen auf der Unterseite der unteren Wellen- Verbreiterung angeordnet sein. Weiterhin werden zwei separate durch einen radial verbreiterten Lagerspalt, dem sogenannten Separatorbereich 43, getrennte Radiallager 9, 10 vorgesehen, die auf das im Lagerspalt zwischen der Wellenoberfläche und der gegenüber liegenden Innenseite der Lagerbuchse befindliche Öl einen Druck ausüben, wodurch das Lager in radialer Richtung tragfähig wird. Das obere Radiallager 10 ist dabei insofern asymmetrisch ausgebildet, als dass der obere Ast der Radiallager-Strukturen 9, 10 länger ist als der untere Ast, um somit im Lagerinneren, insbesondere auch im Separatorbereich 43 zwischen beiden Radiallagern 9, 10 einen positiven Druck sicherzustellen, der oberhalb des Umgebungsdruckes liegt.
In der 14 ist ein fluidgelagerter Elektromotor dargestellt, der keine fluidische Axiallager aufweist. Dargestellt sind zwei axial beabstandete Radiallager 9, 10, wobei das obere asymmetrisch ausgebildet ist, um eine axial nach unten gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid auszuüben, wodurch im Lagerinneren ein positiver Druck sichergestellt wird.
Der Rotormagnet 2 weist einen oberen sowie einen unteren Stirnbereich 12 auf, die jeweils axial magnetisiert sind, während der mittlere Bereich des Rotormagneten 2, der dem Stator 4 gegenüber liegt, abwechselnd radial magnetisiert ist, um einen elektromotorischen Antrieb zu erzeugen. Oberhalb bzw. unterhalb der beiden Stirnseiten des Rotormagneten 2 sind jeweils gegensinnig axial magnetisierte permanentmagnetische Ringe 3, 3' vorgesehen, die mit stehenden Teilen des Motors, etwa der Lagerbuchse 6 und der Basisplatte 11, verdrehfest verbunden sind und jeweils abstoßenden Kräfte auf den Rotor 1 ausüben, wodurch ein rein magnetisches Axiallager realisiert ist.

1: Nabe (Rotor)
2: Hauptrotor-Magnet
3: Zugring 3'
4: Statorpaket
5: Statorwicklung
6: Lagerbuchse
7: Welle
8: Axiallager 8', 8''
9: Radiallager
10: Radiallager
11: Basisplatte
12: Magnetbereich
13: Offset (Stator-Magnet)
14: Luftspalt
15: Feldlinien-Verlauf
16: Feldlinie
17: Wirkfläche
18: Grenzfläche
19: Magnetpole
20: Unterseite (z. B. N)
21: Außenseite (z. B. S)
22: Magnetisier-Vorrichtung
23: Spulenschaft
24: Sockel
25: Kontaktiersockel
26: Magnetisierdrähte
27: Hauptanschlusssockel
28: Sonder-Magnetisierspule
29: Nutisolation
30: Magnetisierungsdraht
31: Flussleitstück
32: Feldlinie
33: Spulenanschluss
34: Stirnseite
35: Stirnseite
36: Druckplatte
37: Gegenplatte
38: Pfeilrichtung
39: Pfeilrichtung
40: Zugring, ferromagnetisch
41: Rezirkulationskanal
42: Kappe
43: Separatorbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2005045876 A [0004]
- JP 2003/061305 A [0005]

Claims

Permanentmagnet-Motor mit magnetisch vorgespanntem Axiallager, bestehend aus einer Basisplatte (11) auf der ein Stator-Blechpaket (4) mit Statorwicklungen (5) angeordnet ist, wobei der Basisplatte (11) gegenüberliegend eine Nabe (1) angeordnet ist, die mit einer Welle (7) verbunden ist, die über ein oder mehrere Fluidlager (8–10) gegenüber einer Lagerbuchse (6) abgestützt ist, wobei die Nabe (1) mindestens einen ringförmigen Hauptrotor-Magneten (2) trägt, der dem Stator-Blechpaket (4) gegenüberliegt, wobei im Bereich zwischen der Nabe (1) und dem feststehenden Teil des Motors eine in axialer Richtung wirkende unter Einwirkung magnetischer Axialkräfte arbeitende Einrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stirnbereich (12) des Hauptrotor-Magneten (2) als getrennter, umlaufender, einheitlich polarisierter, in axialer Richtung magnetisierter Magnetbereich ausgebildet ist.
Permanentmagnet-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirnbereich des Hauptrotor-Magneten (2) als eigener unterschiedlich magnetisierter Magnetbereich (12) ausgebildet ist, der auf seiner unteren Seite axial. magnetisiert ist.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldlinien dieses Magnetbereiches (12) außerhalb des Hauptflussbereiches des Stators und des Hauptrotor-Magneten verlaufen.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Feldlinien-Verlauf (15) des fußseitigen Magnetbereiches (12) ausgehend von der radial außen liegenden (vertikalen) Außenseite (21), die z. B. als Südpol polarisiert ist, bogenförmig durch das Material des Magnetbereiches (12) erstreckt.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldlinien an der Unterseite (20) des Magnetbereiches (12) etwa senkrecht austreten und in Richtung auf die Oberseite eines in einer gegenüberliegenden Anordnung angeordneten Zugringes (3) die etwa senkrechten Feldlinien (16) ausbilden.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche (18) der magnetischen Polarisierung des Magnetbereiches (12) so gewählt ist, dass sie außerhalb des Bereiches der Wirkfläche (17) zwischen dem Stator (4) und dem abwechselnd in radialer Richtung polarisierten Bereich des Hauptrotor-Magneten (2) liegt.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Fluid-Axiallager (8) aufweist, welches zwischen der mit der Welle (7) verbundenen Druckplatte (36) und der Gegenplatte (37) bevorzugt auf der Oberfläche der Gegenplatte (36) angeordnet ist und während des Betriebes eine nach oben gerichtete Kraft auf den Rotor erzeugt, wobei der untere Stirnbereich des Rotormagneten (12) axial magnetisiert ist und zusammen mit dem mit der Basisplatte (11) verbundenen Zugring (3) eine axiale Kraft in Pfeilrichtung (38) nach unten auf den Rotor erzeugt und ein Gegenlager ausbildet.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Fluid-Axiallager (8', 8'') aufweist, welches zwischen der Oberseite der mit der Welle (7) verbundenen Druckplatte (36) und der gegenüberliegenden Seite der Lagerbuchse (6) angeordnet ist und bei Umdrehung der Welle (7) einen Fluiddruck aufbaut, der den Rotor (1) axial nach unten in Pfeilrichtung (38) drückt und ein axiale Lagerung ausbildet.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Basisplatte (11) verbundene Zugring (3) in einer gegenüberliegenden Anordnung zur axial magnetisierten Stirnseite (12) der Rotormagnetringes (2) angeordnet ist und aufgrund der abstoßenden Wirkung der beiden Magnete eine axiale, nach oben gerichtete Gegenkraft in Pfeilrichtung (39) auf den Rotor (1) ausbildet.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotormagneten (2) und Statorpaket (4) ein Offset (13) ausgebildet ist, welcher mittels einem axialen Versatz zwischen dem Rotormagneten (2) und dem Statorpaket (4) gebildet ist, wobei der Rotormagnet (2) aus seiner magnetischen Mitte heraus axial nach oben relativ zum Stator (4) versetzt angeordnet ist, wodurch auf den Rotor (1) eine axial nach unten gerichtete Kraft in Pfeilrichtung (38) ausgebildet ist, die der axial nach oben auf den Rotor (1) wirkenden, abstoßenden Kraft in Pfeilrichtung (39) zwischen dem Rotormagnet (2) und dem permanentmagnetischen Ring (3) entgegengesetzt gerichtet ist.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor einen mit der Basisplatte (11) verbundenen ferromagnetischen Zugring (40) aufweist, welcher aufgrund des auf der unteren Stirnseite des Rotormagneten (2) auf den Rotor (1) eine axial nach unten gerichtete Kraft in Pfeilrichtung (38) ausbildet, wobei ein zwischen der Unterseite der Welle (7) und der das Lager verschließenden Gegenplatte (37) gebildetes Gegenlager bei Umdrehung der Welle (7) eine axial nach oben gerichtete Kraft in Pfeilrichtung (38) auf den Rotor (1) ausbildet.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein angeordneter Rezirkulationskanal (41) die Oberseite der Lagerbuchse (6) mit der Unterseite verbindet, wobei das untere Wellenende eine radiale Verbreiterung aufweist, welche in einer entsprechenden Ausformung der Lagerbuchse (6) liegt, die mittels einer angeordneten Druckplatte (36) verschlossen ist und vorzugsweise Axiallagerstrukturen aufweist und auf der Oberfläche der Welle (7) zwei separate Radiallager (9, 10) ausgebildet sind, welche einen radial verbreiterten Separatorbereich (43) aufweisen und auf das im Lagerspalt zwischen der Wellenoberfläche und der gegenüber liegenden Innenseite der Lagerbuchse befindliche Öl einen Druck ausbilden, wodurch das Lager in radialer Richtung tragfähig wird und wobei das obere Radiallager (10) asymmetrisch ausgebildet ist und im Lagerinneren, insbesondere auch im Separatorbereich (43) zwischen beiden Radiallagern (9, 10) einen positiven Druck ausbildet, welcher oberhalb des Umgebungsdruckes liegt.
Permanentmagnet-Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (2) einen oberen und unteren magnetisierten Bereich (12) aufweist und der mittlere, dem Stator (4) gegenüberliegende Bereich abwechselnd magnetisiert ist, wobei jeweils dem oberen und unteren Bereich des Rotormagneten (2) axial permanent magnetisierte Ringe (3, 3', 40) angeordnet sind, welche zum Beispiel mit der Lagerbuchse (6) und der Basisplatte (11) verdrehfest verbunden sind und jeweils abstoßende Kräfte auf den Rotor (1) bilden und ein magnetisches Axiallager ausbilden.
Magnetisier-Vorrichtung zur Magnetisierung von ferromagnetischen Teilen eines Permanentmagnet-Motors, bestehend aus einem Spulenschaft (23), auf den der zu magnetisierende Hauptrotor-Magnet (2) aufgesteckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Sonder-Magnetisierspule (28) an dem Außenumfang des Schaftes (23) angeordnet ist und ein etwa C-förmiges Flussleitstück (31) ausbildet und dass die Stirnseite des Hauptrotor-Magneten (2) in den Innenraum der Sonder-Magnetisierspule (28) eingeschoben ist, wobei eine erste Stirnseite (34) des C-Profils des Flussleitstückes (31) auf der unteren Stirnseite (20) des Haupt-Rotormagneten (2) aufliegt und dass eine zweite Stirnseite (35) des C-Profils des Flussleitstückes (31) auf der Außenseite (21) des Hauptrotor-Magneten (2) aufliegt.
Magnetisier-Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldlinien (32) aus dem Flussleitstück (31) aus der Stirnseite (35) etwa normal austreten und etwa zirkular durch das Material des Hauptrotor-Magneten (2) im Magnetbereich (12) hindurch treten.
Magnetisier-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Magnetisierung eines Hauptrotor-Magneten (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 geeignet ist.