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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Festplattenlaufwerke sind in den gängigen Formfaktoren 3,5 Zoll, 2,5 Zoll und 1,8 Zoll bekannt und auf dem Markt erhältlich. Hierbei entsprechen die Zollangaben etwa dem Durchmesser der Speicherplatte(n) des Festplattenlaufwerks, welche üblicherweise durch einen Elektromotor in Form einer permanentmagnetisch erregten Gleichstrommaschine angetrieben wird.
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In mobilen Geräten werden vorzugsweise die kleineren 2,5-Zoll- oder 1,8-Zoll-Festplattenlaufwerke eingesetzt, die in Bauhöhen von etwa 10 mm, insbesondere auch 7 mm oder sogar 5 mm, erhältlich sind und durch entsprechend flache Elektromotoren angetrieben werden.
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Die flache Bauweise der Elektromotoren macht die Konstruktion des elektromagnetischen Antriebssystems schwierig. Trotz geringer Baugröße müssen der Stator eine möglichst große Induktion und der Permanentmagnet eine möglichst starke Magnetisierung aufweisen.
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Zudem muss das Magnetsystem möglichst kostengünstig aufgebaut sein, da es einen großen Anteil an den Gesamtkosten des Elektromotors ausmacht.
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Derart flach gebaute Elektromotoren können aber auch in anderen Anwendungen verwendet werden, beispielsweise zum Antrieb eines sich drehenden Spiegels eines Laserscanners, beispielsweise in einem LiDAR (Light Detection And Ranging)-System, oder zum Antrieb eines kleinen Lüfters.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor mit geringer Bauhöhe hinsichtlich seines elektromagnetischen Antriebssystems zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Elektromotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil, ein mittels eines fluiddynamischen Lagersystems rotierend gelagertes Motorbauteil und ein elektromagnetisches Antriebssystem, das einen elektrischen Stator mit einem Statorkern und Statorwicklungen sowie einen Rotormagneten umfasst. Erfindungsgemäß beträgt die axiale Höhe des Statorkerns je nach Bauhöhe des Elektromotors 1,0 mm bis 4,6 mm, wobei der Statorkern aus mehreren laminierten Statorblechen mit einer Dicke von jeweils größer als 0,2 mm, insbesondere größer oder gleich 0,30 mm, besteht.
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Derartige flache Elektromotoren können insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks zum Einsatz kommen. Bisher wurden bei Elektromotoren zum Antrieb von 2,5-Zoll- oder 1,8-Zoll-Festplattenlaufwerken die Statoren aus Statorblechen mit einer Dicke von 0,1 mm bis höchstens 0,2 mm hergestellt.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass insbesondere bei Elektromotoren für 2,5-Zoll- oder 1,8-Zoll-Festplattenlaufwerke mit kleiner Bauhöhe die Verwendung von Statorblechen mit einer Dicke von mehr als 0,2 mm, vorzugsweise jedoch mindestens 0,3 mm, vorteilhaft ist.
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Statorbleche mit einer bevorzugten Dicke zwischen 0,3 mm und 0,5 mm führen zu einem besseren Stapelfaktor SF und folglich zu einer größeren magnetischen Induktion des Statorkerns. Der Stapelfaktor SF gibt an, wie viel Prozent des theoretisch zur Verfügung stehenden Volumens des Statorkerns tatsächlich von der Masse der Statorbleche ausgefüllt werden. Bei der Verwendung der bisher üblichen Blechdicken von 0,1 mm bis 0,2 mm konnte maximal ein Stapelfaktor SF = 0,95 erreicht werden. Die erfindungsgemäße Verwendung von Blechdicken zwischen 0,3 mm und 0,7 mm ermöglicht nun einen Stapelfaktor SF > 0,96.
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Durch einen hohen Stapelfaktor kann insbesondere die magnetische Sättigung des Statorkerns reduziert werden, wodurch zum Beispiel auch die harmonische Verzerrung (THD, Total Harmonic Distortion) des Antriebssystems reduziert werden kann.
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Demgegenüber haben dickere Statorbleche den Nachteil von größeren Eisenverlusten durch Ummagnetisierung sowie höhere Wirbelstromverluste. Bei den erfindungsgemäß vorliegenden Elektromotoren kleiner Baugröße machen sich die höheren Eisen- und Wirbelstromverluste durch die Verwendung der dickeren Statorbleche nur gering bemerkbar, insbesondere aufgrund der relativ niedrigen Drehzahlen der Elektromotoren.
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Es überwiegen die erfindungsgemäßen Vorteile:
- - höhere Induktion des Statorkerns durch größeren Stapelfaktor SF;
- - einfachere Herstellung der Statorbleche, da dickere Bleche leichter verfügbar und kostengünstiger im Einkauf sind;
- - geringerer Abfall beim Stanzvorgang durch kleinere Anzahl der benötigten Bleche;
- - insgesamt geringere Kosten der Herstellung der Statoren.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor ist vorzugsweise ein permanentmagnetisch erregter 3-Phasen-Gleichstrommotor, der elektronisch kommutiert wird. Der erfindungsgemäße Elektromotor weist eine Nenndrehzahl von vorzugsweise kleiner oder gleich 8000 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise kleiner oder gleich 6000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 5400 Umdrehung pro Minute, auf.
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Der Elektromotor wird vorzugsweise verwendet zum Antrieb eines 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerks oder auch von Festplattenlaufwerken mit kleineren Formfaktoren wie z. B. 1,8 Zoll. Der Elektromotor hat eine typische Bauhöhe von höchstens 10 mm, vorzugsweise jedoch 5 mm bis 7 mm, wobei die axiale Höhe des Statorkerns im Bereich von 1,0 mm bis 4,6 mm, vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 2,8 mm oder 3,4 mm bis 4,6 mm liegt.
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In manchen Ausgestaltungen der Erfindung werden Statorkerne mit einer axialen Höhe von 1,4 mm insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks mit einer einzigen Speicherplatte verwendet, wobei vier Statorbleche mit einer Dicke von jeweils 0,35 mm verwendet werden. Andere Ausgestaltungen umfassen einen Statorkern mit einer axialen Höhe von 1,75 mm, wobei sechs Statorbleche mit einer Dicke von jeweils 0,35 mm verwendet werden, und wobei der Elektromotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks mit insgesamt zwei Speicherplatten verwendet wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung umfasst einen Statorkern mit einer axialen Höhe von 3,85 mm, wobei elf Statorbleche mit einer Dicke von jeweils 0,35 mm verwendet werden, wobei dieser Elektromotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks mit mindestens drei Speicherplatten verwendet wird.
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Je nach Bauart weist der Elektromotor ein fluiddynamisches Lagersystem auf, das beispielsweise aus zwei fluiddynamischen Radiallagern und einem fluiddynamischen Axiallager besteht. Da in diesem Fall nur ein einziges fluiddynamisches Axiallager vorhanden ist, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerbauteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann am feststehenden Lagerbauteil ein ferromagnetischer Ring angeordnet sein, der dem Rotormagneten axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der im Betrieb erzeugten Kraft des fluiddynamischen Axiallagers und hält das Lager axial stabil. Die Verwendung eines ferromagnetischen Rings ist jedoch mit erhöhten Kosten verbunden, die für Material und Montage anfallen.
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Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Statoranordnung und der Rotormagnet axial zueinander versetzt angeordnet sind, und zwar derart, dass durch das Magnetsystem des Motors eine permanente axiale Kraft aufgebaut wird, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers wirkt.
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Dadurch kann auf einen ferromagnetischen Ring verzichtet werden und der Elektromotor kann kostengünstiger aufgebaut werden. Zudem wird auch der Stromverbrauch des Motors reduziert, da weniger elektromagnetische Verluste durch Wirbelströme erzeugt werden.
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Moderne Festplattenlaufwerke werden oftmals mit einem Gas geringer Dichte, beispielsweise Helium, befüllt, um die strömungsbedingten Reibungsverluste der sich schnell drehenden Speicherplatten zu reduzieren.
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Helium hat jedoch einen sehr viel größeren Wärmeleitkoeffizienten als beispielsweise Luft, sodass die Verlustwärme der Statoranordnung sehr viel schneller abgeführt wird und die anderen Komponenten des Elektromotors, insbesondere den Rotormagneten, und das Festplattenlaufwerk erwärmt. Wenn der Elektromotor bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 80 °C betrieben wird, so heizt sich der Rotormagnet bei einem mit Luft gefüllten Festplattenlaufwerk beispielsweise auf 100 °C auf.
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Bei einem mit Helium gefüllten Festplattenlaufwerk hat man festgestellt, dass sich bei 80 °C Umgebungstemperatur der Rotormagnet auf bis zu 150 °C aufheizt, da die Verlustwärme des Stators auf den benachbarten Rotormagneten übertragen wird. Bei dieser hohen Temperatur von 150 °C verlieren bereits viele Magnetmaterialien ihre magnetischen Eigenschaften, was zu einer deutlichen Schwächung des Rotormagneten führt.
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Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, ein Magnetmaterial zu verwenden, das auch bei höheren Umgebungstempernaturen als 150°C seine magnetischen Eigenschaften behält. Hierfür können Samarium-Cobalt-Magnete verwendet werden, beispielsweise SmCo5 Magnete oder auch Sm2Co17 Magnete. Diese Magnetmaterialien können bei Temperaturen bis zu 250 °C bzw. 350 °C betrieben werden. Ebenso können Neodym-Eisen-Bohr (Nd-Fe-B) Magnete verwendet werden. Nd-Fe-B-Magnete haben eine Curie-Temperatur von etwa 310°C, die zwar deutlich unter der Curie-Temperatur von Samarium-Cobalt-Magneten liegt (circa 700 °C bis 800 °C), aber trotzdem ausreicht, um bei den genannten Umgebungstemperaturen verwendet werden zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors, wobei der Elektromotor im Beispiel zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks mit einem Formfaktor von kleiner oder gleich 2,5 Zoll verwendet wird.
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Der Elektromotor umfasst eine Basisplatte 10, weiche die Lagerkomponenten und das elektromagnetische Antriebssystem des Elektromotors trägt.
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Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse 14, die in einer Öffnung der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Lagerbuchse 14 weist eine zentrale Lagerbohrung auf, in der eine Welle 12 um eine Rotationsachse 42 drehbar gelagert ist.
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Die Welle 12 trägt an ihrem freien Ende ein Rotorbauteil in Form einer Nabe 16, die sich zusammen mit der Welle 12 dreht. Die Lagerung der Welle 12 erfolgt mittels des fluiddynamischen Lagersystems, welches fluiddynamische Radiallager und fluiddynamische Axiallager aufweist, die entlang eines Lagerspalts 20 angeordnet sind.
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Ein axial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 erstreckt sich parallel zur Rotationsachse 42 zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und einer inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 und entlang eines radial verlaufenden Abschnitts zwischen der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 14 und einer unteren Stirnfläche der Nabe 16. Der Lagerspalt ist einige bis einige 10 Mikrometer breit und mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt.
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An einem unteren Ende der Welle 12 ist eine Verbreiterung in Form eines Stopperrings 12a vorgesehen, der als Ausfallsicherung für die Welle 12 und als Begrenzung des axialen Lagerspiels dient. Der Stopperring 12a ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 14 aufgenommen. Die Aussparung ist mit dem Lagerspalt 20 verbunden, mit Lagerfluid gefüllt und von einer Abdeckung 18 abgedeckt.
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Ein erstes oberes fluiddynamisches Radiallager 22 umfasst im Erscheinungsbild etwa sinusförmige Radiallagerrillenstrukturen, die über den Umfang der Lagerbohrung bzw. über den Umfang der Welle 12 angeordnet sind. Ein unteres fluiddynamisches Radiallager 24 umfasst ebenfalls sinusförmige Radiallagerrillen, die über den Umfang der Lagerbohrung bzw. am Außenumfang der Welle 12 angeordnet sind.
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Sobald sich die Welle 12 in der Lagerbohrung dreht, wird durch die Rillenstrukturen der Radiallager 22, 24 ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 20 erzeugt, welcher die Lager tragfähig macht.
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Das fluiddynamische Axiallager 28 umfasst beispielsweise auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14 angeordnete spiralförmige Rillenstrukturen, die bei Drehung der Nabe 16 relativ zur Lagerbuchse ebenfalls eine Pumpwirkung auf das im radial verlaufenden Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben, so dass die Nabe 16 von der Oberfläche der Lagerbuchse abhebt und axial stabilisiert wird.
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Die Lagerrillen der fluiddynamischen Radial- und Axiallager können aber prinzipiell eine beliebige Form aufweisen und beispielsweise spiralförmig, sinusförmig oder fischgrätenartig (herringbone) sein.
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Das offene Ende des Lagerspalts 20 im Bereich des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts verbreitert sich im Bereich des äußeren Durchmessers der Lagerbuchse 14, knickt etwa im rechten Winkel ab und geht über in einen kapillaren Dichtungsspalt 32, dessen Spaltbreite sich in Richtung seiner Öffnung vergrößert. Der kapillare Dichtungsspalt 32 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und dient als Reservoir für das Lagerfluid sowie zur Abdichtung des Lagersystems.
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Der Dichtungsspalt 32 ist mit der Außenatmosphäre über einen Luftspalt 34 verbunden, der zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Basisplatte 10 und der Nabe 16 gebildet ist. Der Luftspalt 34 hat vorzugsweise eine möglichst kleine Spaltbreite, damit ein Entweichen von verdampftem Lagerfluid aus den Dichtungsspalt 32 verringert wird.
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Um eine ständige Zirkulation des Lagerfluids im Lager zu gewährleisten, ist in der Lagerbuchse 14 ein Rezirkulationskanal 30 vorgesehen, der die Aussparung im Bereich des Stopperrings 12a direkt mit dem Ende des Lagerspalts 20 radial außerhalb des Axiallagers 28 direkt verbindet. Der Rezirkulationskanal 30 ist vollständig mit Lagerfluid gefüllt und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids durch das Lager.
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Der Antrieb des Elektromotors erfolgt über ein elektromagnetisches Antriebssystem, welches eine Statoranordnung 36 umfasst, die an der Basisplatte 10 fest angeordnet ist. Radial gegenüberliegend der Statoranordnung 36 ist ein Rotormagnet 38 vorgesehen, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 befestigt ist. Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen der Statoranordnung wird der Rotormagnet mitsamt der Nabe 16 und der Welle 12 in Drehung versetzt.
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Eine axiale Vorspannung für das fluiddynamische Axiallager 28 wird magnetisch erzeugt, indem die Statoranordnung 36 und der Rotormagnet 38 axial zueinander versetzt angeordnet sind, derart, dass die Mitte der Statoranordnung 36 näher an der Basisplatte 10 liegt als die Mitte des Rotormagneten 38. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine permanente axiale Kraft in Richtung der Basisplatte 10 aufgebaut, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 28 wirkt.
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Die Statoranordnung 36 umfasst einen ringförmigen Statorkern 36a, der aus einer Anzahl von übereinander gestapelten laminierten Statorblechen 36b besteht. Der Statorkern 36a ist mit Statorwicklungen 36c bewickelt. Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen 36c der Statoranordnung 36 wird ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 38 wirkt und den Rotor 16 in Drehung versetzt.
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Die laminierten Statorbleche 36b bestehen aus sogenanntem Elektroblech, vorzugsweise einer Eisen-Silizium-Legierung. Die Statorbleche 36b werden in Form des Statorquerschnitts ausgeschnitten oder ausgestanzt, mit einer elektrischen Isolierung versehen (z. B. Lackbeschichtung) und übereinander zu dem Statorkern 36a gestapelt. Erfindungsgemäß beträgt die Dicke der einzelnen Statorbleche 36b mindestens 0,2 mm.
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1 zeigt einen Elektromotor mit einer Bauhöhe von ca. 5 mm. Der Statorkern 36a hat eine Höhe von ca. 1,4 mm und umfasst daher 4 Statorbleche 36b mit jeweils 0,35 mm Höhe. Die Höhe des Statorkerns 36a kann in anderen Ausgestaltungen auch leicht von der gezeigten Variante abweichen und im Bereich von 1,2 mm bis 1,6 mm liegen. Der gezeigte Elektromotor hat 9 Statorpole und einen Rotormagneten 38 mit 12 Rotormagnetpolen. Der Außendurchmesser des Rotormagneten 38 liegt im Bereich 18 mm bis 19,2 mm und die Höhe des Rotormagneten 38 liegt im Bereich 2,7 mm bis 3,1 mm. Der Wicklungsdraht der Statorwicklungen hat einen nominalen Durchmesser im Bereich von 0,13 mm bis 0,15 mm. Die Anzahl der Windungen auf jedem Statorpol kann im Bereich von 51 bis 62 Windungen liegen. Zur elektrischen Kontaktierung sind die Wicklungsdrähte der Statorwicklungen 36c an einer elektrischen Anschlussplatine 40 angeschlossen und mit Strom versorgt. Der elektrische Widerstand der Phasenwicklungen nimmt bei 25 °C, zwischen zwei Phasen gemessen, einen Wert im Bereich von 3 Ω und 3,7 Ω an.
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Durch einen magnetischen Offset, der den axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten mit der magnetischen Mitte des Statorkerns beschreibt, kann eine axiale magnetische Vorspannung des fluiddynamischen Lagers erreicht werden. Im Beispiel liegt der magnetische Offset im Bereich von 0,3 mm bis 0,7 mm. Dadurch kann auf einen in axialer Richtung unterhalb des Magneten angeordneten ferromagnetischen Zugring verzichtet werden. Die Drehmomentkonstante Kt eines solchen Elektromotors kann insbesondere im Bereich von 3,6 mNm/A bis 4,9 mNm/A liegen.
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Der Elektromotor von 1 kann in identischer oder ähnlicher Ausführungsform mit einer größeren Bauhöhe von beispielsweise 7 mm oder 10 mm ausgebildet sein.
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In dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung hat der Statorkern 36a beispielsweise eine Höhe von 3,85 mm und umfasst elf Statorbleche 36b mit jeweils 0,35 mm Dicke, oder alternativ neunzehn Statorbleche mit 0,2 mm Dicke, so dass der Statorkern 36a eine Höhe von 3,8 mm aufweist. Die Höhe des Statorkerns 36a kann in anderen Ausgestaltungen auch leicht von diesen Werten abweichen und im Bereich von 3,4 mm bis 4,6 mm liegen. Ein solcher Elektromotor kann ebenfalls 9 Statorpole und einen Rotormagneten 38 mit 12 Rotormagnetpolen aufweisen. Der Außendurchmesser des Rotormagneten 38 liegt im Bereich von 17 mm bis 20,9 mm, vorzugsweise 19 mm, und die Höhe des Rotormagneten 38 liegt im Bereich 4,5 mm bis 6,2 mm, vorzugsweise 5,2 mm. Der Wicklungsdraht der Statorwicklungen hat einen nominalen Durchmesser im Bereich von vorzugsweise 0,18 mm bis 0,22 mm. Die Anzahl der Windungen des Wicklungsdrahts auf jedem Statorpol kann im Bereich von 30 bis 50 Windungen, vorzugsweise 37 Windungen, liegen.
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Durch einen magnetischen Offset, der den axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten 38 von der magnetischen Mitte des Statorkerns 36a beschreibt, kann eine axiale magnetische Vorspannung für das fluiddynamische Axiallager 28 erreicht werden. Im Beispiel liegt der magnetische Offset im Bereich von 0,45 mm bis 0,80 mm, vorzugsweise 0,57 mm. Dadurch kann auf einen in axialer Richtung unterhalb des Rotormagneten 38 angeordneten ferromagnetischen Zugring verzichtet werden. Die elektromotorische Kontante Ke eines solchen Elektromotors kann insbesondere im Bereich von 4,5 mVs/rad bis 8,0 mVs/rad, vorzugsweise bei 6 mVs/rad liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 12a
- Stopperring
- 14
- Lagerbuchse
- 16
- Nabe (Rotor)
- 18
- Abdeckung
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Radiallager
- 24
- Radiallager
- 26
- Separatorabschnitt
- 28
- Axiallager
- 30
- Rezirkulationskanal
- 32
- Dichtungsspalt
- 34
- Luftspalt
- 36
- Statoranordnung
- 36a
- Statorkern
- 36b
- Statorbleche
- 36c
- Statorwicklung
- 38
- Rotormagnet
- 40
- Anschlussplatine
- 42
- Rotationsachse
