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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, vorzugsweise einen Spindelmotor mit elektromagnetischem Antriebssystem zum Antrieb eines 2,5 Zoll Festplattenlaufwerks mit einer Bauhöhe von 7 mm oder weniger.
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Stand der Technik
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Die
US 8,259,408 B2 offenbart einen Spindelmotor mit elektromagnetischem Antriebssystem mit einem feststehenden Motorbauteil und einem drehbaren Motorbauteil und einem fluiddynamischen Lagersystem zur Drehlagerung des drehbaren Motorbauteils relativ zum feststehenden Motorbauteil. Es ist ein elektromagnetisches Antriebssystem vorhanden, welches eine am feststehenden Motorbauteil angeordnete Statoranordnung und einen am drehbaren Motorbauteil angeordneten Rotormagneten umfasst. Es wird ein Stator mit 10 Nuten und mehreren Phasenwicklungen verwendet. Der Spindelmotor ist insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes mit einem Formfaktor von 2,5 Zoll und einer Bauhöhe von 7 mm geeignet. Der Spindelmotor weist eine sehr geringe Bauhöhe auf. Aufgrund des begrenzten Bauraums ist es schwierig, ein elektromagnetisches Antriebssystem mit ausreichendem Drehmoment zum Antrieb des Festplattenlaufwerkes zu entwickeln. In der
US 8,259,408 B2 wird ein Spindelmotor vorgeschlagen, dessen Drehmomentkonstante zwischen 3 mNm/A und etwa 5 mNm/A beträgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Elektromotor, vorzugsweise einen Spindelmotor zu schaffen, dessen elektromagnetisches Antriebssystem trotz geringer Baugröße eine möglichst hohe Drehmomentkonstante aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Der beschriebene Elektromotor hat einen Statorkern mit 9 Nuten sowie einen Rotormagneten mit 12 Polen (Sechspolpaare) und weist eine Drehmomentkonstante Kt auf die größer als 5 mNm/A ist. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn die Drehmomentkonstante Kt im Bereich von 5 mNm/A bis 6,4 mNm/A liegt.
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Trotz der geringen Baugröße ist der erfindungsgemäße Elektromotormotor sehr kraftvoll und insbesondere sehr effizient, da er eine sehr große Drehmomentkonstante Kt von mehr als 5 mNm/A aufweist.
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Die hohe Drehmomentkonstante des Spindelmotors wird durch entsprechende Auslegung von einem oder mehreren Bauteilen des elektromagnetischen Antriebssystems erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Höhe des Statorkerns in axialer Richtung zwischen 1,6 mm und 2,0 mm, besonders bevorzugt 1,8 mm. Hierbei besteht der Statorkern aus 7–9 gestapelten laminierten magnetischen Stahlblechen, die jeweils eine Dicke von 0,15 mm bis 0,3 mm aufweisen. Bei der Bildung des Statorkerns können mehrere Bleche mit gleicher oder unterschiedlicher Dicke kombiniert werden.
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Auf den Statorzähnen des Statorkerns sind mehrere Phasenwicklungen angeordnet, die über die untere und obere Stirnseite des Statorkerns hinausragen. Dieser Überstand, der als Wickelkopfhöhe H bezeichnet wird, ist erfindungsgemäß kleiner oder gleich 0,7 mm, und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 0,6 mm.
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Die geringe Wickelkopfhöhe H der erfindungsgemäßen Phasenwicklungen wird insbesondere durch einen großen Füllfaktor, das heißt eine große Packungsdichte des Wicklungsdrahtes erreicht. Insbesondere in axialer Richtung wird eine große Packungsdichte des Wicklungsdrahts angestrebt. Erfindungsgemäß wird als Wicklungsdraht ein isolierter Runddraht mit orthozyklischer Wicklungsauslegung verwendet. Die Wickelfensterbreite ist vorzugsweise an die Dicke des Wicklungsdrahtes und die Anzahl der zu wickelnden Windungen je Lage abgestimmt. Die erfindungsgemäß hohe Drehmomentkonstante von > 5 mNm/A wird unter anderem durch den großen Füllfaktor der Statorwicklung, beziehungsweise Phasenwicklungen, und/oder durch eine optimierte axiale Länge des Rotormagneten erreicht.
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Vorzugsweise sind auf jedem Statorzahn zwischen 53 und 64 Windungen des Wicklungsdrahts angeordnet. Der Wicklungsdraht hat einen bevorzugten Durchmesser von 0,12 mm bis 0,15 mm.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Spindelmotor um einen dreiphasigen Gleichstrommotor mit einer drei Phasenwicklungen (Strängen) umfassenden Statorwicklung, wobei jede Phasenwicklung einen elektrischen Widerstand R von höchstens 4,9 Ohm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 4 Ohm, aufweist.
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Erfindungsgemäß beträgt die Motorkonstante Km, die sich aus der Drehmomentkonstante Kt und dem elektrischen Widerstand R des Wicklungsdrahtes zu Km = Kt/√R ergibt, mindestens 2,5 mNm/√W. Für einen dreiphasigen Elektromotor, dessen drei Phasenwicklungen U, V, W in einer Sternschaltung verschaltet sind, wird dabei der Widerstand der Reihenschaltung des Wickeldrahts von jeweils zwei Phasenwicklungen betrachtet. Es wird also der Widerstand der beiden Phasenwicklungen U und V, beziehungsweise V und W, beziehungsweise U und W betrachtet. Bei einer Dreieckschaltung wird entsprechend der Widerstand, der sich aus der Parallelschaltung von einer Phase mit der Reihenschaltung der beiden anderen Phasen ergibt, betrachtet.
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Die axiale Höhe des Rotormagneten ist vorzugsweise deutlich größer als die axiale Höhe des Statorkerns und beträgt vorzugsweise zwischen 2,7 und 3,2 mm.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurz zur Beschreibung der Zeichnungen.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Elektromotor in Form eines Spindelmotors in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
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2 zeigt schematisch eine Aufsicht auf das elektrische Antriebssystem des Spindelmotors.
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3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil der Statoranordnung.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer Lagerbuchse 12 aufweist. Eine Welle 14 ist in einer Bohrung der Lagerbuchse 12 drehbar aufgenommen, wobei die Welle 14 an ihrem aus der Lagerbuchse 12 herausstehenden Ende ein Rotorbauteil 22 trägt.
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Die Lagerbuchse 12 und die Welle 14 sind durch einen axial verlaufenden Lagerspalt 20 voneinander getrennt. Der Lagerspalt ist wenige Mikrometer breit und mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. An der Lagerbuchse 12 und der Welle angeordnete Lagerflächen bilden vorzugsweise zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordnete fluiddynamische Radiallager 24, 26.
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Das Rotorbauteil 22 umfasst eine ebene Unterseite, die einer Stirnseite der Lagerbuchse 12 gegenüberliegt und von dieser durch einen mit Lagerfluid gefüllten radial verlaufenden Lagerspalt 20 getrennt ist, der mit dem axial verlaufenden Lagerspalt verbunden und ebenfalls mit Lagerfluid gefüllt ist. Eine untere Lagerfläche des Rotorbauteils 22 bildet zusammen mit einer Stirnseite der Lagerbuchse 12 ein fluiddynamisches Axiallager 28 aus.
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Die beiden, in einem axialen Abstand zueinander angeordneten fluiddynamischen Radiallager 24, 26 und das fluiddynamische Axiallager 28 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf den jeweils sich gegenüberliegenden Lageroberflächen angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen können lediglich auf einer Lagerfläche oder auf beiden einander zugeordneten Lagerflächen der Radiallager 24, 26 und des Axiallagers 28 angeordnet sein. Der Lagerspalt 20 erstreckt sich zwischen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 und weiter zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 12 und der Unterseite des Rotors 22. Am äußeren Ende seines radial verlaufenden Abschnitts, d. h. radial außerhalb des Axiallagers 28, geht der Lagerspalt 20 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher als Dichtungsspalt 30 und Fluidreservoir wirkt. Dieser Dichtungsspalt 30 setzt sich über den Außenumfang der Lagerbuchse 12 fort und erweitert sich konisch nach außen in Form einer konischen Kapillardichtung. Der Dichtungsspalt verläuft im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 46 des Lagers in Richtung zur Basisplatte 10.
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An ihrem unteren Ende ist die Welle 14 verbreitert und weist einen Stopperring 16 auf, der in dem dargestellten Beispiel einteilig mit der Welle 14 ausgebildet ist, aber auch als separates Bauteil mit der Welle 14 verbunden werden kann. Der Stopperring 16 weist einen größeren Außendurchmesser auf als die Welle 14 und ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 12 angeordnet und von einem mit Lagerfluid gefüllten Spalt 20 umgeben. Der Stopperring 16 hat die Aufgabe einer Sicherung gegen das Herausfallen der Welle 14 aus der Lagerbuchse 12. Das untere Ende der Lagerbuchse 12 ist durch eine Abdeckplatte 18 verschlossen.
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In der Lagerbuchse 12 ist vorzugsweise ein Rezirkulationskanal 32 vorgesehen, der die Lagerbuchse 12 in Längsrichtung durchläuft und einen an das radial äußere Ende des Axiallagers 28 angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts 20 mit einem an den Stopperring 16 angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts 20 miteinander verbindet. Dadurch kann das Lagerfluid im Lager in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren. Ferner sorgt der Rezirkulationskanal für einen Druckausgleich zwischen den durch den Rezirkulationskanal 32 verbundenen Abschnitten des Lagers.
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Der Spindelmotor umfasst ein elektromagnetisches Antriebsystem, das aus einer an der Basisplatte 10 angeordneten Statoranordnung 34 sowie einem am Rotorbauteil 22 angeordneten permanentmagnetischen Rotormagneten 40 besteht. Die Statoranordnung 34 liegt dem Rotormagneten 40 radial gegenüber und ist von diesem durch einen Luftspalt 42 getrennt. Die Statoranordnung 34 besteht aus einem Statorkern 36 auf dem mehrere Phasenwicklungen 38 angeordnet sind. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen 38 der Statoranordnung 34 ergibt sich ein elektromagnetisches Drehfeld, welches auf den Rotormagneten 40 wirkt und das Rotorbauteil 22 in Drehung versetzt.
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Als Gegenlager zum fluiddynamischen Axiallager 28 ist ein magnetisches Lager vorgesehen, welches aus dem Rotormagneten 40 und einem axial unterhalb des Rotormagneten 40 angeordneten ferromagnetischen Ring 44 besteht. Der ferromagnetische Ring 44 wird durch den Rotormagneten magnetisch angezogen. Demnach wirkt auf den Rotor eine axiale Kraft in Richtung der Basisplatte, die der axialen Kraft des fluiddynamischen Axiallagers entgegen wirkt.
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Anstelle des ferromagnetischen Rings 44 oder zusätzlich zum ferromagnetischen Ring 44 kann ein axialer Versatz OFF zwischen dem Rotormagneten 40 und der Statoranordnung 34 (sogenannter magnetischer Offset) vorgesehen sein. Hierbei hat die magnetische Mitte des Rotormagneten einen größeren Abstand von der Basisplatte 10 als die magnetische Mitte der Statoranordnung, so dass auf den Rotor eine axiale Kraft in Richtung der Basisplatte 10 wirkt, die der axialen Kraft des fluiddynamischen Axiallagers entgegen wirkt. In manchen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung liegt der axiale Versatz OFF im Bereich von 0,13 mm bis 0,4 mm.
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In 1 ist dargestellt, dass die axiale Höhe HM des Rotormagneten 40 deutlich größer ist, als die axiale Höhe HS des Statorkerns 36. Die Höhe HM des Rotormagneten 40 beträgt vorzugsweise zwischen 2,7 und 3,2 mm. Die Höhe HS des Statorkerns 36 beträgt vorzugsweise zwischen 1,6 mm und 2,0 mm.
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2 zeigt eine schematische Aufsicht auf das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors. Man erkennt innen liegend die Statoranordnung 34, die aus dem Statorkern 36 besteht, der einen inneren Rückschlussring 36a umfasst, von dem mehrere Statorzähne 36b radial nach außen abragen. Die Statorzähne sind mit entsprechenden Phasenwicklungen 38 gewickelt. Die Statorzähne 36b sind jeweils durch Nuten 36c getrennt, welche den Wicklungsraum für die Phasenwicklungen 38 bilden. Die Statoranordnung 34 ist an einem feststehenden Motorbauteil angeordnet, vorzugsweise an der Basisplatte 10 des Spindelmotors (vgl. 1).
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Die Statoranordnung 34 ist von einem Rotormagnet 40 umgeben, der an dem Innenumfang des Rotorbauteils 22 angeordnet ist. Der Außenumfang der Statoranordnung 34 ist vom Innenumfang des Rotormagneten 40 durch einen Luftspalt 42 getrennt. Die Breite des Luftspaltes 42 beträgt vorzugsweise nur wenige zehntel Millimeter. Der Rotormagnet 40 besitzt 6 Polpaare bestehend aus 6 magnetischen Südpolen 40a und 6 magnetischen Nordpolen 40b die entlang des Umfangs des Rotormagneten 40 abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Jeder Magnetpol 40a, 40b schließt einen Umfangswinkel von 30° ein. Der Rotormagnet 40 hat vorzugsweise einen Außendurchmesser zwischen 18,8 mm und 19,2 mm.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Statorkern 36, der aus mehreren übereinander gestapelten laminierten Blechen 37 aus magnetischem Stahl besteht. Die Stahlbleche 37 haben eine Dicke von 0,15 mm bis 0,3 mm. Die Statorbleche 37 eines Stapels können sowohl alle dieselbe Dicke aufweisen als auch eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
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Auf den Statorzähnen 36b des Statorkerns 36 sind die Phasenwicklungen 38 angeordnet, welche über die untere und obere Stirnseite des Statorkerns 36 hinausstehen. Auf jedem Statorzahn sind 53 bis 64 Windungen des Wicklungsdrahts angeordnet. Der Überstand der Phasenwicklungen 38 über den Statorkern 36 wird als Wickelkopfhöhe HW bezeichnet und beträgt erfindungsgemäß höchstens 0,7 mm, und besonders bevorzugt höchstens 0,6 mm. Durch die kleine Wickelkopfhöhe HW kann die Statoranordnung 34 insgesamt mit sehr geringer Bauhöhe ausgeführt werden. Insbesondere ist die Höhe des Statorkerns im Vergleich zur Gesamthöhe der Statoranordnung 34 relativ groß. Im dargestellten Beispiel besteht der Statorkern 36 aus 8 Statorblechen 37 mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 mm, so dass sich eine Höhe HS des Statorkerns von beispielsweise 1,6 mm ergibt.
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Der axiale Versatz OFF zwischen dem Rotormagneten 40 und der Statoranordnung ist erfindungsgemäß möglichst klein gewählt. Je kleiner der axiale Versatz ist, desto größer ist die Drehmomentkonstante Kt.
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Ferner ist der axiale Abstand zwischen dem ferromagnetischer Ring 44 und der Unterseite des Rotormagnetes 40 derart gewählt, so dass die magnetische Kraft des Rotormagneten 40 auf den ferromagnetischen Ring 44 möglichst groß gehalten wird und zum Anderen möglichst wenig Wirbelströme induziert werden, um eine möglichst große Drehmomentkonstante Kt zu erhalten. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist relativ wenig Bauraum vorhanden, so dass sich ein relativ geringer Abstand zwischen dem ferromagnetischen Ring 44 und dem Rotormagnet 40 ergibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der ferromagnetische Ring 44 daher in eine Ausnehmung der Basisplatte eingebracht, wodurch ein zu geringer Abstand zum Rotormagnet 40 vermieden wird. Der Außendurchmesser der Ausnehmung hat einen größeren Anstand zur Rotationsachse als der Außendurchmesser des Rotormagneten 40. Ebenso hat der Innendurchmesser der Ausnehmung einen kleineren Abstand zur Rotationsachse als der Innendurchmesser des Rotormagneten 40. Der ferromagnetische Ring 44 ist nun mit seinem Außendurchmesser an einer Wand der Ausnehmung angeordnet, während sein Innendurchmesser frei liegt. Somit kann die Größe des ferromagnetischen Rings 44, insbesondere sein Innendurchmesser, je nach Anforderungen an die axiale Vorspannung des Lagers und/oder an die akustischen Eigenschaften des Elektromotors und/oder den Wirkungsgrad, beziehungsweise die Drehmomentkonstante, eingestellt werden, ohne dass eine Änderung an der Basisplatte oder an der Statoranordnung des Elektromotors notwendig ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16
- Stopperring
- 18
- Abdeckplatte
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Rotorbauteil
- 24
- Radiallager
- 26
- Radiallager
- 28
- Axiallager
- 30
- Dichtungsspalt
- 32
- Rezirkulationskanal
- 34
- Statoranordnung
- 36
- Statorkern
- 36a
- Stator-Rückschluss
- 36b
- Statorzahn
- 36c
- Nut
- 37
- Statorblech
- 38
- Phasenwicklung
- 40
- Rotormagnet
- 40a
- Magnetpol
- 40b
- Magnetpol
- 42
- Luftspalt
- 44
- ferromagnetischer Ring
- 46
- Rotationsachse
- 48
- Luftspalt
- HS
- Höhe Statorkern
- HM
- Höhe Rotormagnet
- HW
- Wickelkopfhöhe
- OFF
- Magnetischer Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8259408 B2 [0002, 0002]
