DE102017002561A1

DE102017002561A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102017002561A1
Application number: DE102017002561.4A
Authority: DE
Inventors: Chunhui Gu; Sergey Avdeev; Junki Matsumoto; Ronald Gönner
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, welcher ein feststehendes Motorbauteil (10, 12, 14) umfasst, ein drehbares Motorbauteil (22, 42), ein fluiddynamisches Lagersystem (18, 20, 34) zur Drehlagerung des drehbaren Motorbauteils relativ zum feststehenden Motorbauteil, eine am feststehenden Motorbauteil (10) angeordnete Statoranordnung (44), und einen am drehbaren Motorbauteil (42) angeordneten Rotormagneten (46), Erfindungsgemäß weist der Rotormagnet (46) sechzehn Magnetpole und die Statoranordnung (44) einen Statorkern (45) mit zwölf Nuten auf.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und vorzugsweise einen Spindelmotor mit elektromagnetischem Antriebssystem zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
Stand der Technik
Die US 8 259 408 B2 offenbart einen Spindelmotor mit elektromagnetischem Antriebssystem mit einem feststehenden Motorbauteil, 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 Rotormagnet kann beispielsweise 8 Magnetpole aufweisen.
Andere bekannte Spindelmotoren haben eine Konfiguration mit 6 Magnetpolen/9 Nuten, 8 Magnetpolen/12 Nuten oder 12 Magnetpolen/9 Nuten. Die letztgenannten Spindelmotoren erzeugen aufgrund ihrer Konfiguration von Magnetpolen und Nuten Vibrationen bei Nenndrehzahl, die zu unerwünschten harmonischen Schwingungen führen.
Insbesondere werden durch die Vibrationen auch unvorteilhafte harmonische Frequenzen erzeugt, wobei insbesondere die Frequenzen, die dem 18-Fachen, 24-Fachen, 36-Fachen und 48-Fachen der Nenndrehzahl des Spindelmotors entsprechen, Probleme bereiten können. Typischerweise beträgt die Motordrehzahl 120 Umdrehungen/Sekunde (7200 U/min).
Die aufgeführten harmonischen Frequenzen können insbesondere bei modernen Festplattenlaufwerken mit hoher Speicherkapazität zu Problemen führen, die durch diese Spindelmotoren angetrieben werden. Festplatten mit hoher Speicherkapazität von einigen Gigabyte haben eine Magnetspurbreite von nur einigen zehn Nanometer. Dementsprechend ist eine hochpräzise und empfindliche Mechanik notwendig um diese Spuren exakt anzusteuern. Diese Mechanik kann durch die oben genannten harmonischen Frequenzen gestört werden.
Ferner sind moderne Festplattenlaufwerke oftmals mit Helium gefüllt, das eine sehr viel geringere Dichte als Luft aufweist. Dadurch wird zwar der Reibungswiderstand der sich drehenden Speicherplatten verringert, jedoch wird auch die Dämpfung der Vibrationen des Festplattenlaufwerks reduziert. Daher sind mit Helium gefüllte Festplattenwerke bezüglich Vibrationen noch empfindlicher.
Darüber hinaus wird mit expandierender Speicherkapazität die Forderung nach einem kleineren Motor größer, was mehr Bauraum für Speicherplatten ermöglicht und gleichzeitig die Kosten reduziert. Bei 3,5-Zoll-Festplattenlaufwerken werden bisher 8 Magnetpole/12 Statornuten oder 6 Magnetpole/9 Statornuten eingesetzt. Aus physikalischer Sicht reduziert sich die Motorgröße bei höheren Polzahlen. Um die Motorgröße zu reduzieren werden erfindungsgemäß 16 Magnetpole/12 Statornuten verwendet. Dadurch wird der Motor deutlich kleiner. Durch Erhöhung der Magnetpole werden – aufgrund der höheren magnetischen Frequenz – die Eisenverluste größer, dies wird jedoch durch eine kleinere Motorgröße und eine optimierte geringere Eisensättigung wieder zum großen Teil ausgeglichen. Der Stromverbrauch des Motors steigt dadurch nur unwesentlich an.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor, vorzugsweise einen Spindelmotor mit geringen Baumaßen, zu schaffen, dessen akustische Frequenzen und insbesondere deren harmonische Frequenzen außerhalb des für die Festplattenmechanik störenden Bereichs liegen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Der beschriebene Elektromotor hat einen Stator mit 12 Nuten und einen Rotormagneten mit 16 Magnetpolen (8 Polpaare). Durch diese Konfiguration werden die unerwünschten harmonischen Frequenzen in höhere Frequenzbereiche verschoben, in denen keine strukturverstärkenden Resonanzen auftreten. Durch die höhere Anzahl der Nuten und Magnetpole werden unter anderem harmonische Frequenzen generiert, die oft doppelt so groß sind wie bei Konfigurationen mit einer geringeren Anzahl an Nuten und Magnetpolen und somit oberhalb der Frequenzbereiche liegen, welche die Festplattenmechanik stören können. Somit wird die Beeinträchtigung der Festplattenmechanik durch Vibrationen wesentlich reduziert.
Die Motorparameter wie die elektrische Spannungskonstante (Ke), der elektrische Widerstand (R), die Gegen-EMK (BEMF), harmonische Verzerrungen (THD) und die Differenz aus der maximalen abzüglich der minimalen Induktivität einer Phasenwicklung (Delta inductance) des beschriebenen Spindelmotors mit 16 Magnetpolen und 12 Nuten können nicht einfach von einem bekannten Spindelmotor mit 8 Magnetpolen und 12 Nuten übernommen werden, da dessen Leistung für den Betrieb eines Festplattenlaufwerks nicht mehr ausreichen würde. Erfindungsgemäß ist ein besonderes Motordesign notwendig, um die benötigten Motorparameter zu erhalten.
Das Design des Statorkerns ist derart gewählt, dass ausreichend Platz für die Wicklungen zur Verfügung steht, sodass man geringe harmonische Verzerrungen und eine geringe Differenz der Induktivitäten der Phasenwicklungen erhält. Durch die hohe Zahl der Polzähne bzw. Nuten des Stators (16/12) wird der magnetische Fluss in den einzelnen Polzähnen gegenüber einem Motor mit beispielsweise nur 8 Polzähnen deutlich verringert. Die elektrische Verlustleistung kann durch geeignete Wahl des Statorblechmaterials verringert werden, was den Stromverbrauch des Spindelmotors senkt. Ein bevorzugtes Material für den Statorkern ist Blech aus magnetischem Stahl, beispielsweise mit einer Dicke zwischen 0,15 mm und 0,35 mm und besonders bevorzugt 0,2 mm und einer spezifischen Verlustrate von vorzugsweise 1,5 Watt/kg, beispielsweise Stahl der Sorte 20HTH1500.
Ein weiterer Vorteil einer hohen Anzahl an Magnetpolen besteht darin, dass die magnetische Polbreite bzw. der magnetische Widerstand des Magneten geringer ist und demzufolge der Magnet leichter bis zur magnetischen Sättigung magnetisiert werden kann. Infolgedessen kann die Magnetdicke reduziert werden und es wird mehr Raum für den Statorkern oder die Wicklung ermöglicht.
Die nachfolgend angegebenen Werte ohne Maßeinheiten sind relative Maße, die – sofern nicht anders angegeben – auf den besonders bevorzugten Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns bezogen sind. Je nach der Ausgestaltung des Motordesigns beträgt der besonders bevorzugte Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns 18,501 mm, 28,8 mm oder 24 mm.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns vorzugsweise zwischen 17 mm und 20 mm, und besonders bevorzugt 18,501 mm. Der Innendurchmesser (IDS) des Statorkerns beträgt zwischen 11 mm und 13 mm (0,595 bis 0,703 des ODS), besonders bevorzugt 12,05 mm (0,6513 des ODS). Die Höhe des Statorkerns (HS) in axialer Richtung beträgt zwischen 6 mm und 8 mm (0,324 bis 0,433 des ODS), besonders bevorzugt 7 mm (0,378 des ODS). Der Statorkern besteht aus einer Anzahl von gestapelten laminierten magnetischen Stahlblechen, die jeweils eine Dicke zwischen 0,15 mm und 0,35 mm, besonders bevorzugt 0,20 mm, aufweisen. Bei der Anfertigung des Statorkerns können mehrere Bleche mit gleicher oder unterschiedlicher Dicke kombiniert werden, beispielsweise 30 bis 40, besonders bevorzugt 35 Bleche, mit jeweils 0,20 mm Dicke.
Vorzugsweise sind auf jedem Statorzahn des Statorkerns zwischen 20 und 30 Windungen, besonders bevorzugt 24 Windungen, des Wicklungsdrahts der jeweiligen Phasenwicklung angeordnet. Der Wicklungsdraht hat einen bevorzugten Durchmesser von 0,20 mm bis 0,30 mm, und besonders bevorzugt 0,25 mm. Die axiale Höhe (HM) des ringförmigen Rotormagneten ist vorzugsweise deutlich größer als die axiale Höhe (HS) des Statorkerns und beträgt vorzugsweise zwischen 8,0 mm und 10,0 mm, und besonders bevorzugt 8,9 mm. Diese Maße von (HM) entsprechen zwischen 1,143 und 1,429 der bevorzugten Höhe (HS) des Statorkerns und besonders bevorzugt 1,271 der Höhe (HS) des Statorkerns.
Der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten beträgt vorzugsweise zwischen 19,4 mm und 23 mm, besonders bevorzugt 21,03 mm. Diese Maße entsprechen zwischen 1,049 und 1,243 des bevorzugten Außendurchmessers (ODS) des Statorkerns. Der Innendurchmesser IDM des Rotormagneten beträgt zwischen 17,4 mm und 20,6 mm, besonders bevorzugt 19,0 mm. Diese Maße entsprechen zwischen 0,940 und 1,114 des bevorzugten Außendurchmessers (ODS) des Statorkerns. Die axiale Höhe des L-förmigen magnetischen Jochs beträgt vorzugsweise 10,2 mm. Der Innendurchmesser des Jochs im Bereich des langen Schenkels entspricht dem Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten. Die radiale Dicke des Jochs im Bereich des langen Schenkels beträgt vorzugsweise 0,775 mm, im Bereich des kurzen Schenkels vorzugsweise 1,29 mm.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns vorzugsweise zwischen 27 mm und 30 mm, und besonders bevorzugt 28,8 mm. Der Innendurchmesser (IDS) des Statorkerns beträgt zwischen 13 mm und 16 mm (0,451 bis 0,556 des ODS), besonders bevorzugt 15 mm (0,521 des ODS). Die Höhe (HS) des Statorkerns in axialer Richtung beträgt zwischen 2,0 mm und 3,0 mm (0,07 bis 0,104 des ODS), besonders bevorzugt 2,6 mm (0,90 des ODS). Der Statorkern besteht aus einer Anzahl von gestapelten laminierten magnetischen Stahlblechen, die jeweils eine Dicke zwischen 0,15 mm und 0,30 mm, besonders bevorzugt 0,20 mm, aufweisen. Bei der Anfertigung des Statorkerns können mehrere Bleche mit gleicher oder unterschiedlicher Dicke kombiniert werden, beispielsweise 11 bis 15, besonders bevorzugt 13 Bleche, mit jeweils 0,20 mm Dicke.
Vorzugsweise sind auf jedem Statorzahn des Statorkerns zwischen 35 und 45 Windungen, besonders bevorzugt 40 Windungen, des Wicklungsdrahts der jeweiligen Phasenwicklung angeordnet. Der Wicklungsdraht hat einen bevorzugten Durchmesser von 0,22 mm bis 0,35 mm, und besonders bevorzugt 0,28 mm.
Die axiale Höhe (HM) des ringförmigen Rotormagneten ist vorzugsweise deutlich größer als die axiale Höhe (HS) des Statorkerns und beträgt vorzugsweise zwischen 3,2 mm und 4,4 mm, und besonders bevorzugt 3,8 mm. Diese Maße (HM) entsprechen zwischen 1,230 und 1,692 der bevorzugten Höhe (HS) des Statorkerns und besonders bevorzugt 1,462 der Höhe (HS) des Statorkerns.
Der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten beträgt vorzugsweise zwischen 29,4 mm und 33 mm, besonders bevorzugt 31,65 mm. Diese Maße entsprechen zwischen 1,020 und 1,146, und besonders bevorzugt dem 1,099-Fachen, des bevorzugten Außendurchmessers (ODS) des Statorkerns. Der Innendurchmesser IDM des Rotormagneten beträgt zwischen 27,4 mm und 31,6 mm, besonders bevorzugt 29,29 mm. Diese Maße entsprechen zwischen 0,951 und 1,097, und besonders bevorzugt dem 1,017-Fachen des bevorzugten Außendurchmessers (ODS) des Statorkerns. Die axiale Höhe des L-förmigen magnetischen Jochs beträgt vorzugsweise ca. 4,8 mm. Der Innendurchmesser des Jochs im Bereich des langen Schenkels entspricht dem Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten. Die radiale Dicke des Jochs im Bereich des langen Schenkels beträgt vorzugsweise 0,775 mm, im Bereich des kurzen Schenkels vorzugsweise 0,9 mm.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns vorzugsweise zwischen 22 mm und 26 mm, und besonders bevorzugt 24 mm.
Der Innendurchmesser (IDS) des Statorkerns beträgt zwischen 10 mm und 13 mm (0,417 bis 0,542 des ODS), besonders bevorzugt 12,05 mm (0,502 des ODS). Die Höhe des Statorkerns (HS) in axialer Richtung beträgt zwischen 1,2 mm und 3 mm (0,050 bis 0,125 des ODS), besonders bevorzugt 1,75 mm (0,073 des ODS). Der Statorkern besteht aus einer Anzahl von aufeinander gestapelten und laminierten magnetischen Stahlblechen, die jeweils eine Dicke zwischen 0,15 mm und 0,35 mm, besonders bevorzugt 0,35 mm, aufweisen. Bei der Anfertigung des Statorkerns können mehrere Bleche mit gleicher oder unterschiedlicher Dicke kombiniert werden, beispielsweise 4 bis 15, besonders bevorzugt 5 Bleche, mit jeweils 0,35 mm Dicke.
Vorzugsweise sind auf jedem Statorzahn des Statorkerns zwischen 50 und 70 Windungen, besonders bevorzugt 59 Windungen, des Wicklungsdrahts der jeweiligen Phasenwicklung angeordnet. Der Wicklungsdraht hat einen bevorzugten Durchmesser von 0,18 mm bis 0,26 mm, und besonders bevorzugt 0,224 mm. Die axiale Höhe (HM) des ringförmigen Rotormagneten ist vorzugsweise größer als die axiale Höhe (HS) des Statorkerns und beträgt vorzugsweise zwischen 2,0 mm und 3,4 mm, und besonders bevorzugt 2,4 mm. Diese Maße von (HM) entsprechen zwischen 1,143 und 1,943 der bevorzugten Höhe (HS) des Statorkerns und besonders bevorzugt 1,371 der Höhe (HS) des Statorkerns.
Der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten beträgt vorzugsweise zwischen 24,6 mm und 28,6 mm, besonders bevorzugt 26,6 mm. Diese Maße entsprechen zwischen 1,025 und 1,192 der des bevorzugten Außendurchmessers (ODS) des Statorkerns. Der Innendurchmesser (IDM) des Rotormagneten beträgt zwischen 22,6 mm und 26,6 mm, besonders bevorzugt 24,6 mm. Diese Maße entsprechen zwischen 0,943 und 1,108 des bevorzugten Außendurchmessers (ODS) des Statorkerns. Die axiale Höhe des L-förmigen magnetischen Jochs beträgt vorzugsweise 4 mm. Der Innendurchmesser des Jochs im Bereich des langen Schenkels entspricht dem Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten. Die radiale Dicke des Jochs im Bereich des langen Schenkels beträgt vorzugsweise 1,0 mm, im Bereich des kurzen Schenkels vorzugsweise 1,75 mm.
Bei allen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung handelt es sich bei dem Spindelmotor vorzugsweise um einen dreiphasigen Synchronmotor oder einen bürsenlosen Gleichstrommotor mit drei Phasenwicklungen (Strängen), wobei in den ersten und zweiten bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung jede Phasenwicklung einen elektrischen Widerstand (R) von vorzugsweise zwischen 1,2 Ohm und 2,0 Ohm, und besonders bevorzugt zwischen 1,5 Ohm und 1,8 Ohm, aufweist. In der dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist jede Phasenwicklung einen elektrischen Widerstand (R) von vorzugsweise zwischen 2,3 Ohm und 3,3 Ohm, und besonders bevorzugt zwischen 2,6 Ohm und 2,9 Ohm, auf. Für einen dreiphasigen Elektromotor, dessen drei Phasenwicklungen (U), (V), (W) in einer Sternschaltung verbunden sind, wird dabei der elektrische Widerstand (R) der Reihenschaltung des Wicklungsdrahts von jeweils zwei Phasenwicklungen betrachtet. Es wird also der Widerstand der beiden Phasenwicklungen (U) und (V) beziehungsweise (V) und (W) oder (U) und (W) betrachtet. Bei einer Dreieckschaltung wird entsprechend der elektrische Widerstand (R), der sich aus der Parallelschaltung von einer Phase mit der Reihenschaltung der beiden anderen Phasen ergibt, betrachtet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist am Innenumfang des Statorrückschlusses eine kleine Kerbe in Form einer Einbuchtung angeordnet. Um einen definierten Anfangspunkt für das Bewickeln des Stators zu haben, muss der Stator beim Wickelprozess bezüglich der Wickelmaschine exakt positioniert werden. Die Positionierung des Stators erfolgt mit Hilfe dieser am Innenumfang des Statorrückschlusses angeordneten Kerbe, in welche ein zugeordneter Stift der Wickelmaschine eingreift.
Durch die Kerbe wird jedoch die Form der magnetischen Feldlinien im Stator und dessen Sättigungszustand beeinträchtigt, insbesondere wenn der Statorrückschluss eine geringe radiale Dicke (SYT) von 0,8 mm bis 1 mm aufweist. Die Formänderung der Feldlinien bei einer Kerbe ist asymmetrisch zur Feldlinienform ohne Kerbe, wodurch im Laufe einer Motorumdrehung eine Feldlinienasymmetrie entsteht, die sich durch Mikrovibrationen erkennbar macht. Dadurch kann die Motorleistung verschlechtert werden, und es werden insbesondere Mikrovibrationen erzeugt, welche die Kommutierung stören. Die Kerbe hat typischerweise einen Radius von mindestens 0,4 mm, der durch den Stift an der Wickelmaschine vorgegeben ist und nicht ohne weiteres verringert werden kann. Es ergibt sich dabei ein ungünstiges Verhältnis zwischen dem Radius der Kerbe und der radialen Dicke des Stators von 0,4 mm/0,8 mm = 0,5. Die Struktur des Stators wird geschwächt und der magnetische Fluss gestört.
Um die genannten Einflüsse der Kerbe auf die magnetischen Eigenschaften des Stators möglichst gering zu halten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Mittelpunkt des Radius der Kerbe nicht auf der inneren Umfangslinie des Statorrückschlusses liegt, sondern um beispielsweise 0,2 mm radial weiter nach innen angeordnet ist. Dadurch hat die Kerbe nicht die Form einer halbkreisförmigen Einbuchtung sondern die Form eines Kreisabschnitts. Die Kerbe mit beispielsweise einem Radius von 0,4 mm erstreckt sich somit nicht mehr 0,4 mm sondern lediglich 0,2 mm in den Stator hinein. Folglich werden die Struktur und die magnetischen Eigenschaften des Stators nur unwesentlich beeinträchtigt, und dennoch ist eine gute Positionierung des Stators mittels des Stiftes der Wickelmaschine möglich,
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus der Beschreibung und den Zeichnungen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch einen Elektromotor in Form eines Spindelmotors in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Elektromotor in Form eines Spindelmotors in einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
3 zeigt schematisch einen vergrößerten Teilschnitt durch das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors.
4 zeigt schematisch eine Aufsicht eines Ausschnitts des Statorkerns.
5 zeigt einen Schnitt durch einen Elektromotor in Form eines Spindelmotors in einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
6 zeigt eine Aufsicht durch den Statorkern des Motors von 5.
7 zeigt als Detail X aus 6 eine vergrößerte Ansicht eines Statorzahns.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein topfförmiges Bauteil 12 aufgenommen ist. Das topfförmige Bauteil 12 umfasst eine zentrale Bohrung, in welcher eine Welle 14 befestigt ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 14, im axialen Abstand zum Bauteil 12, ist ein ringförmiges Bauteil 16 angeordnet, das vorzugsweise einteilig mit der Welle 14 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 14 und 16 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems. Das Lager umfasst eine Lagerbuchse 22, an welcher eine Nabe 42 befestigt ist. Die Lagerbuchse 22 und die Nabe 42 können auch einteilig ausgeführt sein. Die Lagerbuchse 22 ist in einem durch die Welle 14 und die beiden Bauteile 12 und 16 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar um eine Drehachse 50 angeordnet. Das obere ringförmige Bauteil 16 wird auch als Stopperbauteil bezeichnet und ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 22 aufgenommen. Das Stopperbauteil 16 limitiert eine Bewegung des Rotorbauteils 22, 42 in axialer Richtung und verhindert somit insbesondere eine Demontage des Lagers im Schockfall. Am radial außen gelegenen Rand der ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 22 ist in der Lagerbuchse 22 eine umlaufende Rille 23 angeordnet, die das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter Schock verbessert. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 14, der Lagerbuchse 22 und der beiden Bauteile 12 und 16, die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können, sind in der Regel durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 24 voneinander getrennt. Der Lagerspalt 24 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Wenn der Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird, trägt die Nabe 42 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt).
Die Lagerbuchse 22 hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei in einem Abstand voneinander angeordnete zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet sind. Die Radiallagerflächen umschließen die stehende Welle 14 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 24. Die Radiallagerflächen sind mit geeigneten Radiallagerrillen, die beispielsweise sinus-, chevron- oder parabelförmig ausgebildet sein können, versehen, so dass sie mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 14 zwei fluiddynamische Radiallager 18, 20 ausbilden. Die Radiallager 18 und 20 sind durch einen dazwischen angeordneten Separatorspalt 40 voneinander getrennt. Das obere Radiallager 18 ist weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der oberhalb des Apex angeordnet ist, etwa genauso lang ausgebildet ist wie der untere Teil der Lagerrillen. Es gibt aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen keine generierte resultierende Pumprichtung, die auf das Lagerfluid wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 20 asymmetrisch insofern ausgebildet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen unterhalb des Apex länger ausgebildet ist als der obere Teil der Radiallagerrillen. Hierdurch wird eine resultierende Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 18 befördert.
An das untere Radiallager 20 schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 24 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 22 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Bauteiles 12 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden das fluiddynamische Axiallager 34 in Form eines zur Rotationsachse 50 senkrechten Kreisringes. Das fluiddynamische Axiallager 34 ist beispielsweise durch spiralförmige Axiallagerrillen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 22, der Innenseite des Bauteils 12 oder auf beiden Bauteilen angebracht sind. In einer anderen Ausgestaltung des Axiallagers kann dieses eine fischgrätenartige Lagerrillenstruktur (Herringbone) aufweisen. Die Axiallagerrillen des Axiallagers 34 sind so ausgebildet, dass sie auf das im radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 24 befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung radial nach innen in Richtung des Radiallagers 20 erzeugen. Dadurch nimmt der Fluiddruck von einer radial äußeren zu einer radial inneren Position des Axiallagerspalts kontinuierlich zu.
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 24 im Bereich des Axiallagers 34 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 26 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 22 und des topfförmigen Bauteils 12 gebildet wird. Der Dichtungsspalt 26 dichtet den Lagerspalt 24 an diesem Ende ab. Der Dichtungsspalt 26 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 24 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden, nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 22 und einer inneren Umfangsfläche des topfförmigen Bauteils 12 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 26 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 26 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 22 und des topfförmigen Bauteils 12 können jeweils relativ zur Drehachse 50 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0 Grad und 5 Grad. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 22 größer als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des topfförmigen Bauteils 12, wodurch sich eine konische Erweiterung des Dichtungsspalts 26 ergibt. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung Lagerspalt 24 gedrückt.
Das Lagersystem weist einen Rezirkulationskanal 32 auf, der als schräge Bohrung innerhalb der Lagerbuchse 22 ausgebildet ist. Der Rezirkulationskanal 32 verbindet einen Abschnitt des Lagerspalts 24 radial außerhalb des Axiallagers 34 direkt mit einem Abschnitt des Lagerspalts 24 unterhalb des Bauteils 16 miteinander. An seinem oberen Ende bricht der Rezirkulationskanal 32 in die umlaufende Rille 23 durch. Dieser Rezirkulationskanal 32 dient insbesondere dem Druckausgleich zwischen den voneinander entfernten Enden des Lagerspalts 24 und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 24.
Der entlang dem Axiallager 34 verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 24 weist radial außerhalb des Axiallagers 34 im Bereich der Einmündung des Rezirkulationskanals 32 eine wesentlich größere Spaltbreite im Vergleich zum Lagerspalt 24 auf. Dieser verbreitete Spalt kann durch eine ringförmige Aussparung oder Stufe am Bauteil 12 und/oder der Lagerbuchse 22 gebildet werden. Durch diesen Abschnitt mit vergrößerter Spaltbreite wird die Gesamtreibung des Lagers reduziert und eine bessere Ausleitung von im Lagerfluid gelösten Luftbläschen aus dem Lagerspalt 24 erreicht. Zwischen der Basisplatte 10 und der Lagerbuchse 22 ist ein enger Luftspalt 38 angeordnet, durch den das Entweichen, beispielsweise durch Abdampfen, von Lagerfluid aus dem Lager minimiert wird.
Auf der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 22 im Anschluss an das obere Radiallager 18 so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Bauteils 16 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 30 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abdichtet. Der Dichtungsspalt 30 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 22 und des ringförmigen Bauteils 16 begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Entlang dem Dichtungsspalt 30 ist vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 28 angeordnet, die durch Pumprillenstrukturen auf der Oberfläche der Lagerbuchse 22 und/oder des Stopperbauteils 16 gekennzeichnet ist. Die dynamische Pumpdichtung 28 reicht im axialen Verlauf nicht bis in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 24, da zwischen der Pumpdichtung 28 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 24 eine sogenannte Ruhezone benötigt wird, um zu vermeiden, dass Luft in das Lager gelangt. Während sich das Lager dreht, erzeugen die Rillenstrukturen der Pumpdichtung 28 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 30 befindliche Lagerfluid. Diese Pumpwirkung ist in das Innere des Lagerspalts 24, also in Richtung des oberen Radiallagers 18, gerichtet.
Der obere Dichtungsspalt 30 ist durch eine Abdeckung 36, die als flache L-förmige Ringscheibe ausgebildet ist, abgedeckt. Die Abdeckung 36 ist beispielsweise auf einem Rand der Lagerbuchse 22 befestigt. Ein innerer Rand der Abdeckung 36 bildet zusammen mit dem Außenumfang des ringförmigen Bauteils 16 einen Luftspalt als Spaltdichtung. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 30 bzw. verringert ein Abdampfen des Lagerfluids und erhöht somit die Lebensdauer des Fluidlagers.
Der Spindelmotor umfasst ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte 10 angeordneten Statoranordnung 44 sowie einem an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 42 angeordneten permanentmagnetischen Rotormagneten 46 besteht, der von einem Joch 48 umgeben ist, das als magnetischer Rückschluss dient. Die Statoranordnung 44 liegt dem Rotormagneten 46 radial gegenüber und ist von diesem durch einen Luftspalt 54 getrennt. Die Statoranordnung 44 besteht aus einem Statorkern 45, auf dem mehrere Phasenwicklungen 56 angeordnet sind. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen 56 der Statoranordnung 44 ergibt sich ein elektromagnetisches Drehfeld, welches auf den Rotormagneten 46 wirkt und das Rotorbauteil in Drehung versetzt.
Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 34 aufweist, das auf die Lagerbuchse 22 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 16 erzeugt, ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannung notwendig, die das Rotorbauteil mit der Lagerbuchse 22 axial im Kräftegleichgewicht hält. Die magnetische Vorspannung wird mit Hilfe des elektromagnetischen Antriebssystems erzeugt und/oder durch einen ferromagnetischen Zugring 52, der unterhalb des Rotormagneten 46 an der Basisplatte 10 angeordnet ist und von diesem in axialer Richtung magnetisch angezogen wird.
2 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit zwei konischen Lagern, wie er beispielsweise in der DE 10 2013 009 491 A1 offenbart wurde. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen sind mit denselben Bezugszeichen versehen, wie sie in 1 verwendet werden und beschrieben sind. Es sind zwei voneinander getrennte konische fluiddynamische Lager vorhanden, wobei jedes konische Lager aus einem an der feststehenden Welle 14 befestigten Lagerkonus 17 mit einer konischen Lagerfläche und einer zugeordneten Lagerbuchse 22 mit einer korrespondierenden konischen Lagerfläche besteht. Die Lagerbuchsen 22 sind mit der Nabe 42 verbunden. Die beiden konischen Lager nehmen sowohl radiale als auch axiale Kräfte auf, so dass im Gegensatz zu 1 eine axiale magnetische Vorspannung des Lagers nicht notwendig ist. Die Statoranordnung 44 ist an der Basisplatte 10 des Motors befestigt, während Rotormagnet 46 und Joch 48 an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 42 angeordnet sind.
Während der Motor von 2 zum Antrieb eines 3,5-Zoll-Festplattenlaufwerks vorgesehen ist und der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns 45 und der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten 46 relativ groß sind, beispielsweise vorzugsweise 28,8 mm bzw. 31,65 mm, jedoch die Höhe (HS) des Statorkerns 45 und die Höhe (HM) des Rotormagneten 46 im Vergleich dazu relativ klein sind, beispielsweise bevorzugt 2,6 mm bzw. 3,8 mm, ist der Motor von 1 zum Antrieb eines 2,5 Zoll Festplattenlaufwerks ausgebildet.
Beim Motor von 2 sind der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns 45 und der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten 46 kleiner als bei 1, beispielsweise bevorzugt 18,501 mm bzw. 21,03 mm, während die Höhe HS des Statorkerns 45 und die Höhe (HM) des Rotormagneten 46 vergleichsweise groß sind, beispielsweise bevorzugt 7 mm bzw. 8,9 mm.
3 zeigt schematisch einen vergrößerten Schnitt durch die Komponenten eines elektromagnetischen Antriebssystems. Der ringförmige Statorkern 45 der Statoranordnung ist von dem ringförmigen Rotormagneten 46 umgeben, der am Innenumfang des ringförmigen Jochs 48 (Rückschlussring) angeordnet ist. Das Joch 48 ist an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 42 befestigt. Der Außenumfang (ODS) der Statoranordnung 44 ist vom Innenumfang IDM des Rotormagneten 46 durch einen ringförmigen Luftspalt 54 getrennt. Die Breite des Luftspalts 54 beträgt vorzugsweise nur wenige Zehntel Millimeter. Der Rotormagnet 46 besitzt 8 Polpaare, bestehend aus 8 magnetischen Südpolen und 8 magnetischen Nordpolen, die entlang des Umfangs des Rotormagneten 46 abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Jeder Magnetpol erstreckt sich über einen Umfangswinkel von 360°/16 = 22,5°.
Der ferromagnetische Zugring 52 (vgl. 1) ist axial unterhalb des Rotormagneten 46, beispielsweise an der Basisplatte, angeordnet. Anstelle des ferromagnetischen Zugrings 52 oder zusätzlich zum ferromagnetischen Zugring 52 kann ein axialer Versatz OFF (magnetischer Offset) zwischen dem Rotormagneten 46 und der Statoranordnung 44 vorgesehen sein. Hierbei hat die magnetische Mitte des Rotormagneten 46 einen größeren Abstand von der Basisplatte 10 als die magnetische Mitte der Statoranordnung 44, so dass auf den Rotor eine axiale Kraft in Richtung der Basisplatte 10 wirkt, die der axialen Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 34 entgegenwirkt. In manchen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung liegt der axiale Versatz im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm.
Ferner ist der axiale Abstand zwischen dem ferromagnetischen Zugring 52 und der Unterseite des Rotormagneten 46 derart gewählt, dass die magnetische Kraft des Rotormagneten 46 einerseits auf den ferromagnetischen Zugring 52 möglichst groß ist und zum anderen möglichst wenig Wirbelströme induziert werden, um die Reibungsverluste des Motors gering zu halten. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der ferromagnetische Zugring in einer geringfügigen Aussparung der Basisplatte 10 angeordnet. Der ferromagnetische Zugring 52 liegt mit seinem Außendurchmesser an einer Wand der Aussparung an, während sein Innendurchmesser frei liegt. Somit kann die Größe des ferromagnetischen Zugrings 52, insbesondere sein Innendurchmesser (IDAP), je nach Anforderungen an die axiale Vorspannung des Lagers und/oder an die akustischen Eigenschaften des Elektromotors und/oder den Wirkungsgrad eingestellt werden, ohne dass eine Änderung an der Basisplatte oder an der Statoranordnung 44 des Elektromotors notwendig ist.
4 zeigt eine schematische Aufsicht auf den Statorkern 45. Der Statorkern 45 umfasst einen inneren Rückschlussring 45a, von dem mehrere Statorzähne 45b radial nach außen abragen. Die Statorzähne 45b sind mit entsprechenden Phasenwicklungen 56 bewickelt. Die Statorzähne 45b sind jeweils durch Nuten 45c getrennt, welche den Wicklungsraum für die Phasenwicklungen 56 bilden. Die radiale Dicke (SYT) des Rückschlussrings beträgt beim Statorkern 45 von 1 beispielsweise zwischen 1,85 mm bis 2,15 mm, und beim Statorkern von 2 zwischen 0,8 mm und 1 mm.
Beim Spindelmotor von 2 beträgt die Breite (TW) der Statorzähne 45b vorzugsweise zwischen 1,2 mm und 1,65 mm, besonders bevorzugt 1,36 mm. Die radiale Dicke (TTT) der T-förmigen Enden der Statorzähne 45b beträgt vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,7 mm, besonders bevorzugt 0,4925 mm. Die kleinste Breite (SO) der Nuten 45c zwischen den Statorzähnen 45b beträgt vorzugsweise 0,9 mm.
Beim Spindelmotor von 1 beträgt die Breite TW der Statorzähne 45b vorzugsweise zwischen 1,6 mm und 2,0 mm, besonders bevorzugt 1,8 mm. Die radiale Dicke (TTT) der T-förmigen Enden der Statorzähne 45b beträgt vorzugsweise zwischen 1,25 mm und 1,55 mm, besonders bevorzugt 1,4 mm. Die kleinste Breite (SO) der Nuten 45c zwischen den Statorzähnen 45b beträgt vorzugsweise 0,9 mm.
Der Statorkern 45 beider oben beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung besteht aus mehreren übereinander gestapelten laminierten Blechen aus magnetischem Stahl. Die Stahlbleche haben eine Dicke von 0,15 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Die Statorbleche eines Stapels können entweder alle dieselbe Dicke aufweisen oder jeweils eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
5 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10 mit einer zylindrischen Öffnung, in welcher ein erstes Lagerbauteil 12 in Form einer zylindrischen Lagerhülse befestigt ist. In der Lagerhülse 12 ist eine zylindrische Lagerbuchse 122 gehalten, die eine axiale zylindrische Lagerbohrung aufweist, in welcher eine Welle 114 drehbar aufgenommen ist. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 114 verbleibt ein einige Mikrometer breiter Lagerspalt 24, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Einander entsprechende Lagerflächen der Lagerbuchse 122 und der Welle 114 bilden zusammen ein erstes fluiddynamisches Radiallager 18 und ein zweites fluiddynamisches Radiallager 20, die durch entsprechende Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Die Lagerrillenstrukturen sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 114 angeordnet.
Sobald sich die Welle 114 in der Lagerbuchse 122 dreht, üben die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das in einem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 24 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt 24 ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 24 ausbildet, der die Radiallager 18, 20 tragfähig macht. Solange sich die Welle 114 in der Lagerbohrung dreht, wird die Welle 114 durch den durch die Radiallager erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung getrennt durch den Lagerspalt 24. Die beiden Radiallager 18, 20 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem so genannten Separatorspalt 40, axial voneinander getrennt.
Die Lagerrillenstrukturen der beiden fluiddynamischen Radiallager 18, 20 können sinus-, fischgrät- oder chevronförmig sein und sind vorzugsweise auf der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 122 angeordnet, während die Oberfläche der Welle 114 vorzugsweise nicht strukturiert ist. Die Lagerrillenstrukturen des ersten Radiallagers 18 sind beispielsweise sinusförmig ausgebildet und vorzugsweise asymmetrisch geformt. Dadurch erzeugen sie keine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 24, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die das Lagerfluid überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 20 fördert. Das zweite Radiallager 20 umfasst ebenfalls sinusförmige Lagerrillenstrukturen, die vorzugsweise symmetrisch ausgebildet sind, so dass das zweite Radiallager 20 eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 24 erzeugt. Durch den Einfluss des ersten Radiallagers 18 ist eine Druckrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt 24 nach unten in Richtung der Basisplatte 10 gegeben.
An einem unteren Ende der Welle 114 ist ein zweites Lagerbauteil 16 in Form einer Druckplatte angeordnet, die auf die Welle 114 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 114 ausgebildet ist. Die Druckplatte 16 ist drehbar in einem Zwischenraum aufgenommen, der durch die Lagerbuchse 122 und eine Abdeckung 36 gebildet ist, wobei die Abdeckung 36 die untere Öffnung der Lagerbuchse 122 verschließt. Die Abdeckung 36 ist in einer entsprechenden Senkung der Lagerbuchse 122 konzentrisch zur Lagerbohrung aufgenommen. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 16 bilden zusammen mit gegenüberliegenden Stirnflächen der Lagerbuchse 122 und der Abdeckung 36 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 34 und ein zweites fluiddynamisches Axiallager 35 aus. Die beiden Axiallager 34, 35 sind durch Axiallagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf den Lagerflächen der Druckplatte 16 oder der Lagerbuchse 122 beziehungsweise der Abdeckung 36 angeordnet sind. Die Axiallagerrillenstrukturen sind vorzugsweise spiralrillenförmig oder aber auch fischgrätenförmig ausgebildet. Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Axiallagerrillenstrukturen der Axiallager 34, 35 eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen der radialen Abschnitte des Lagerspalts 24 erzeugen.
Sobald die Welle 114 zusammen mit der Druckplatte 16 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen der beiden Axiallager 34, 35 ein hydrodynamischer Druck in radial verlaufenden Abschnitten des Lagerspalts 24 auf, so dass die Axiallager 34, 35 tragfähig werden und die Druckplatte 16 durch den hydrodynamischen Druck im Wesentlichen axial mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 122 positioniert wird.
Ein oberes offenes Ende des Lagerspalts 24 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 26, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 26 ist durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 114 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 122 begrenzt. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 122 ist vorzugsweise abgeschrägt, so dass der Dichtungsspalt 26 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsspalt 26 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 24 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
Das freie Ende der Welle 114 ist mit einer Nabe 42 verbunden. Die Nabe 42 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet. Ist der Spindelmotor als Antrieb in ein Festplattenlaufwerk eingebaut, sind auf der Nabe 42 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten des Festplattenlaufwerks angeordnet.
An einem inneren unteren Rand der Nabe 42 ist ein ringförmiger Rotormagnet 46 angeordnet. Der Rotormagnet 46 besitzt 8 Polpaare, bestehend aus 8 magnetischen Südpolen und 8 magnetischen Nordpolen, die entlang des Umfangs des Rotormagneten 46 abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Jeder Magnetpol erstreckt sich über einen Umfangswinkel von 360°/16 = 22,5°. Der Rotormagnet 46 liegt an einem magnetischen Joch 48 an.
Dem Rotormagneten 46 gegenüberliegend ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 44 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt 54 von dem Rotormagneten 46 getrennt ist. Die Breite des Luftspaltes 54 beträgt vorzugsweise nur wenige Zehntel Millimeter, vorzugsweise 0,4 mm oder weniger. Die Statoranordnung 44 weist einen Statorkern 45 auf, der mit Statorwicklungen 56 bewickelt ist, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass die Rotoreinheit in Drehung versetzt wird. Die Rotoreinheit besteht aus dem Rotorbauteil, das die rotierende Welle 114, die mit der Welle 114 verbundene Nabe 42, den Rotormagneten 46 und das Joch 48 umfasst.
6 zeigt eine Aufsicht auf den Statorkern 45. Der Statorkern 45 umfasst einen inneren Rückschlussring 45a, von dem zwölf Statorzähne 45b radial nach außen abstehen. Die Statorzähne 45b sind mit entsprechenden Phasenwicklungen 56 bewickelt. Die Statorzähne 45b sind jeweils durch Nuten 45c getrennt, welche den Wicklungsraum für die Phasenwicklungen 56 bilden. Die radiale Dicke (SYT) des Rückschlussrings 45a des Statorkerns 45 beträgt beispielsweise zwischen 0,80 mm bis 1,20 mm, und besonders bevorzugt 1,0 mm.
7 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Statorzahns 45b als Detail X von 6. Die Breite (TW) der Statorzähne 45b beträgt vorzugsweise zwischen 1,6 mm und 2,0 mm, besonders bevorzugt 1,85 mm. Die radiale Dicke (TTT) der T-förmigen Enden der Statorzähne 45b beträgt vorzugsweise zwischen 1,0 mm und 1,4 mm, besonders bevorzugt 1,175 mm. Die kleinste Breite (SO) der Nuten 45c zwischen den Statorzähnen 45b beträgt vorzugsweise mindestens 0,9 mm.
Der Statorkern 45 beider oben beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung besteht aus mehreren übereinander gestapelten laminierten Blechen aus magnetischem Stahl, vorzugsweise aus fünf Stahlblechen. Die Stahlbleche haben eine Dicke von 0,15 mm bis 0,35 mm, vorzugsweise 0,35 mm. Die Statorbleche eines Stapels können entweder alle dieselbe Dicke aufweisen oder jeweils eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Die Gesamthöhe des Statorkerns 45 beträgt zwischen 1,2 mm und 3 mm, besonders bevorzugt 1,75 mm.
Am Innenumfang des Rückschlussrings 45a des Statorkerns 45 ist mindestens eine kleine Kerbe 58 in Form einer Einbuchtung angeordnet. Die Kerbe 58 dient zur Positionierung des Stators in einer Wickelmaschine. Die Kerbe 58 hat typischerweise einen Radius (r) von mindestens 0,4 mm. Erfindungsgemäß liegt der Mittelpunkt 58a des Radius (r) der Kerbe 58 nicht auf der inneren Umfangslinie des Rückschlussrings 45a, sondern ist um eine Strecke von beispielsweise 0,2 mm radial nach innen angeordnet. Dadurch hat die Kerbe 58 nicht die Form einer halbkreisförmigen Einbuchtung sondern die Form eines Kreisabschnitts, der sich lediglich um 0,2 mm in das Material des Rückschlussrings 45a des Statorkerns 45 hinein erstreckt.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems und Motors beschränkt. Sie eignet sich sowohl für Motoren und fluiddynamische Lagersysteme mit stehender Welle, wie sie in den Ausführungsbeispielen beschrieben sind, als auch für Motoren und fluiddynamische Lagersysteme mit rotierender Welle, bei denen die Welle zusammen mit der Nabe rotiert und die Lagerbuchse ein feststehendes Motorbauteil bildet.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: erstes Lagerbauteil
14, 114: Welle
16: zweites Lagerbauteil
17: Lagerkonus
18: Radiallager
20: Radiallager
22, 122: Lagerbuchse
23: Rille
24: Lagerspalt
26: Dichtungsspalt
28: Pumpdichtung
30: Dichtungsspalt
32: Rezirkulationskanal
34: Axiallager
35: Axiallager
36: Abdeckung
38: Luftspalt
40: Separatorspalt
42: Nabe
44: Statoranordnung
45: Statorkern
45a: Statorrückschluss
45b: Statorzahn
45c: Nut
46: Rotormagnet
48: Joch
50: Drehachse
52: Zugring
54: Luftspalt
56: Wicklungsdraht
58: Kerbe
58a: Mittelpunkt d. Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8259408 B2 [0002]
DE 102013009491 A1 [0049]

Claims

Elektromotor, welcher umfasst: ein feststehendes Motorbauteil (10, 12, 14, 122), ein drehbares Motorbauteil (22, 42, 114), ein fluiddynamisches Lagersystem (18, 20, 34, 35) zur Drehlagerung des drehbaren Motorbauteils (22, 42, 114) relativ zum feststehenden Motorbauteil (10, 12, 14, 122), eine am feststehenden Motorbauteil (10) angeordnete Statoranordnung (44), einen am drehbaren Motorbauteil (42) angeordneten Rotormagneten (46), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (46) sechzehn Magnetpole und die Statoranordnung (44) einen Statorkern (45) mit zwölf Statorzähnen (45b) und zwölf Nuten (45c) aufweist.
Elektromotor, welcher umfasst: ein feststehendes Motorbauteil (10, 12, 14, 122), ein drehbares Motorbauteil (22, 42, 114), ein fluiddynamisches Lagersystem (18, 20, 34, 35) zur Drehlagerung des drehbaren Motorbauteils (22, 42, 114) relativ zum feststehenden Motorbauteil (10, 12, 14, 122), eine am feststehenden Motorbauteil (10) angeordnete Statoranordnung (44), einen am drehbaren Motorbauteil (42) angeordneten Rotormagneten (46), wobei die Statoranordnung (44) einen Statorkern (45) aufweist, an dessen innerer Umfangsfläche mindestens eine Kerbe (58) mit einem Radius (r) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (58a) des Radius (r) der Kerbe (58) nicht auf der inneren Umfangsfläche des Statorkerns (45) liegt, sondern um eine Strecke radial weiter nach innen angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns (45) zwischen 17 mm und 20 mm und der Innendurchmesser (IDS) des Statorkerns (45) zwischen 11 mm und 13 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (HS) des Statorkerns (46) in axialer Richtung zwischen 6 mm und 8 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern (45) aus 30 bis 40 laminierten magnetischen Stahlblechen besteht, die jeweils eine Dicke von 0,15 mm bis 0,35 mm aufweisen.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten (46) zwischen 19,4 mm und 23 mm beträgt und der Innendurchmesser (IDM) des Rotormagneten (46) zwischen 17,4 mm und 20,6 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (HM) des Rotormagneten (46) zwischen 8,0 mm und 10 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Statorzahn (45b) zwischen 20 und 30 Windungen des Wicklungsdrahts (56) angeordnet sind.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns (45) zwischen 27 mm und 30 mm beträgt und der Innendurchmesser (IDS) des Statorkerns (45) zwischen 13 mm und 16 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (HS) des Statorkerns (46) in axialer Richtung zwischen 2,0 mm und 3 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern (45) aus 11 bis 15 laminierten magnetischen Stahlblechen besteht, die jeweils eine Dicke von 0,15 mm bis 0,35 mm aufweisen.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten (46) zwischen 29,4 mm und 33 mm beträgt und der Innendurchmesser (IDM) des Rotormagneten (46) zwischen 27,4 mm und 31,6 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (HM) des Rotormagneten (46) zwischen 3,2 mm und 4,4 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Statorzahn (45b) zwischen 35 und 45 Windungen des Wicklungsdrahts (56) angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht (56) der Phasenwicklungen (38) einen Durchmesser von 0,2 mm bis 0,3 mm aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R) jeder Phasenwicklung im Bereich zwischen 1,2 Ohm ≤ R ≤ 2,0 Ohm liegt.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns (45) zwischen 22 mm und 26 mm, beträgt, und der Innendurchmesser (IDS) des Statorkerns (45) zwischen 10 mm und 13 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (HS) des Statorkerns (46) in axialer Richtung zwischen 1,2 mm und 3 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern (45) aus 4 bis 20 laminierten magnetischen Stahlblechen besteht, die jeweils eine Dicke von 0,15 mm bis 0,35 mm aufweisen.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (ODM) des Rotormagneten (46) zwischen 24,6 mm und 28,6 mm beträgt, und der Innendurchmesser (IDM) des Rotormagneten (46) zwischen 22,6 mm und 26,6 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (HM) des Rotormagneten (46) zwischen 2,0 mm und 3,4 mm beträgt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Statorzahn (45b) zwischen 50 und 70 Windungen des Wicklungsdrahtes (56) angeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht (56) der Phasenwicklungen einen Durchmesser von 0,18 mm bis 0,26 mm aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R) jeder Phasenwicklung im Bereich zwischen 2,3 Ohm ≤ R ≤ 3,3 Ohm liegt.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (54) zwischen dem Außendurchmesser (ODS) des Statorkerns (45) und dem Innendurchmesser (IDM) des Rotormagneten (46) kleiner oder gleich 0,4 mm beträgt.
Festplattenlaufwerk angetrieben von einem Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25.
Lüftermotor angetrieben von einem Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25.
Laserscanner angetrieben von einem Elektromotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25.