DE102017127666A1

DE102017127666A1 - Spindelmotor

Info

Publication number: DE102017127666A1
Application number: DE102017127666.1A
Authority: DE
Inventors: Chunhui Gu
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: DE102017127666B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und magnetischer Vorspannung, mit einem feststehenden Motorbauteil (10, 14) und einem drehbaren Motorbauteil (12, 16), wobei ein elektromagnetisches Antriebssystem vorgesehen ist, das aus einer am feststehenden Motorbauteil (10) angeordneten Statoranordnung (36) und einem am drehbaren Motorbauteil (16) angeordneten ringförmigen Rotormagneten (38) besteht, und wobei die magnetische Vorspannung durch die Ausgestaltung und/oder gegenseitige Anordnung des Rotormagneten (38) und der Statoranordnung (36) erzielt wird, wobei der Rotormagnet (38) aus zwei einzelnen axial übereinander liegenden Teilabschnitten (38a, 38b) mit unterschiedlich starker Magnetisierung und/oder unterschiedlichem radialen Abstand (D) zum Eisenkern der Statoranordnung (36) besteht. Der Rotormagnet kann auch als einteiliger Rotormagnet mit zwei axial übereinander liegenden Teilabschnitten mit unterschiedlich starker Magnetisierung ausgebildet sein oder als ein einteiliger Rotormagnet mit zwei axial übereinander liegenden Teilabschnitten mit unterschiedlichem radialem Abstand (D) zum Eisenkern der Statoranordnung (36).

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
Spindelmotoren, wie sie zum Antrieb von modernen Festplattenlaufwerken als elektronische Speichermedien eingesetzt werden, sind permanenterregte elektrische Maschinen, die in der Regel mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert sind.
Ein solcher Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil sowie ein drehbares Motorbauteil, welches mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das drehbare Motorbauteil wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben. Das elektromagnetische Antriebssystem besteht aus einer am feststehenden Motorbauteil befestigten elektrischen Statoranordnung und einem am drehbaren Motorbauteil befestigten permanentmagnetischen Rotormagneten. Ein derartiger Spindelmotor ist in der Regel auf einer Basisplatte aufgebaut, welche gleichzeitig ein unteres Gehäusebauteil darstellt, das mittels eines Gehäusedeckels verschließbar ist.
Je nach Bauweise des Spindelmotors besitzt dieser vorzugsweise zwei fluiddynamische Radiallager, aber lediglich ein fluiddynamisches Axiallager, das eine einseitige axiale Lagerkraft auf das drehbare Motorbauteil erzeugt. Somit ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannung notwendig, die das drehbare Motorbauteil axial im Kräftegleichgewicht hält. Es ist bekannt, diese Vorspannung als magnetische Vorspannung auszubilden, die sich wie ein magnetisches Axiallager auswirkt.
Zur Erzeugung der magnetischen Vorspannung auf das Axiallager ist es bekannt, axial unterhalb des Rotormagneten einen ferromagnetischen Zugring am feststehenden Motorbauteil anzuordnen, der im Feldfluss des umlaufenden Rotormagneten eine axiale magnetische Zugkraft auf den Rotormagneten und somit das drehbare Motorbauteil ausübt. Die Nachteile eines ferromagnetischen Zugrings sind jedoch ein erhöhter Stromverbrauch durch Wirbelstromverluste sowie zusätzliche Material- und Fertigungskosten.
Ein anderer bevorzugter Ansatz besteht darin, einen axialen Versatz (magnetischer Offset) zwischen dem Rotormagneten und der Statoranordnung vorzusehen. Der Rotormagnet hat das Bestreben, sich mit seiner magnetischen Mitte zur magnetischen Mitte der Statoranordnung hin zu orientieren, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt. Hat die magnetische Mitte des Rotormagneten einen größeren Abstand von der Basisplatte als die magnetische Mitte der Statoranordnung, wirkt somit auf den Rotor eine axiale magnetische Zugkraft zur magnetischen Mitte der Statoranordnung, also in Richtung der Basisplatte, die der axialen Kraft des fluiddynamischen Axiallagers entgegenwirkt.
Bei Spindelmotoren mit geringer Bauhöhe von 7 mm oder weniger ist der Bauraum zur Anordnung eines ferromagnetischen Zugrings oder für den axialen Versatz des Rotormagneten sehr begrenzt, sodass es schwierig ist, die notwendigen axialen Magnetkräfte zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spindelmotor mit magnetisch vorgespanntem Axiallager so zu verbessern, dass auch bei geringer Bauhöhe des Spindelmotors ausreichend große axiale Magnetkräfte erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und magnetischer Vorspannung umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein drehbares Motorbauteil sowie ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Antrieb des drehbaren Motorbauteils, wobei das Antriebssystem aus einer am feststehenden Motorbauteil angeordneten Statoranordnung und einem am drehbaren Motorbauteil angeordneten ringförmigen Rotormagneten besteht. Die axiale magnetische Vorspannung wird vorzugsweise durch die Ausgestaltung und/oder gegenseitige Anordnung des Rotormagneten und der Statoranordnung erzielt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Rotormagnet aus zwei einzelnen, axial übereinander liegenden Magneten mit unterschiedlich starker Magnetisierung.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rotormagnet als einteiliger Magnet ausgebildet und weist zwei axial übereinanderliegende Teilabschnitte mit unterschiedlich starker Magnetisierung auf.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rotormagnet als einteiliger Magnet ausgebildet und weist zwei axial übereinander liegende Teilabschnitte mit unterschiedlichem Querschnitt auf, insbesondere mit unterschiedlicher radialer Dicke (Wandstärke).
Mit Bezug auf die erste Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass der Rotormagnet einen oberen und einen unteren Magneten umfasst, wobei der obere Magnet größer ist, vorzugsweise eine größere axiale Länge aufweist als der untere Magnet, und eine stärkere Magnetisierung aufweist.
In Bezug auf die zweite Ausgestaltung der Erfindung weist der einteilige Rotormagnet einen oberen Teilabschnitt und einen unteren Teilabschnitt auf, wobei der obere Teilabschnitt größer ist, vorzugsweise eine größere axiale Länge aufweist als der untere Teilabschnitt, und eine stärkere Magnetisierung aufweist.
In Bezug auf die dritte Ausgestaltung der Erfindung weist der einteilige Rotormagnet einen oberen Teilabschnitt und einen unteren Teilabschnitt auf, wobei die radiale Dicke des oberen Teilabschnitts größer ist als die radiale Dicke des unteren Teilabschnitts. Ferner kann der obere Teilabschnitt vorzugsweise eine größere axiale Länge aufweisen als der untere Teilabschnitt.
Für alle Ausgestaltungen gilt, dass mit „oben“ der Magnet oder Teilabschnitt des Magneten bezeichnet ist, welcher der Ebene des Axiallagers näher liegt, während mit „unten“ der Magnet oder Teilabschnitt des Magneten bezeichnet ist, welcher der Ebene des Axiallagers entfernter liegt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der dritten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der einteilige Rotormagnet einen oberen Teilabschnitt und einen unteren Teilabschnitt aufweist, wobei der radiale Abstand zwischen der Statoranordnung, insbesondere dem Eisenkern der Statoranordnung, und dem oberen Teilabschnitt des Magneten kleiner ist als der radiale Abstand zwischen der Statoranordnung und dem unteren Teilabschnitt des Magneten. Mit anderen Worten ist der typische Luftspalt zwischen der Statoranordnung und dem oberen Teilabschnitt des Magneten schmaler als der Luftspalt zwischen der Statoranordnung und dem unteren Teilabschnitt des Magneten.
In dieser letztgenannten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Stärke der Magnetisierung des oberen Teilabschnitts des Magneten gleich groß oder größer ist als die Stärke der Magnetisierung des unteren Teilabschnitts des Magneten.
Insbesondere weist der Rotormagnet eine axiale Gesamtlänge (L) auf, die aus der Summe der axialen Länge (L1) des oberen Magneten bzw. des oberen Teilabschnitts eines einteiligen Magneten und der axialen Länge (L2) des unteren Magneten bzw. des unteren Teilabschnitts des einteiligen Magneten besteht, wobei die axiale Mitte des Rotormagneten im Bereich des oberen Magneten bzw. im Bereich des oberen Teilabschnitts des einteiligen Magneten angeordnet ist.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass zur Erzeugung derselben magnetischen Vorspannungskraft der axiale Versatz (magnetischer Offset) zwischen dem Rotormagneten und der Statoranordnung sehr viel geringer ausfallen kann als vergleichsweise beim Stand der Technik - oder auch ganz entfallen kann -, da die notwendige axiale magnetische Vorspannkraft insbesondere durch die vorzugsweise stärkere Magnetisierung des oberen Magneten bzw. des oberen Teilabschnitts des einteiligen Magneten erzielt wird. Je nach Ausgestaltung der Erfindung kann der axiale Versatz sehr gering sein oder auch ganz entfallen.
Daher ist die Erfindung insbesondere in Spindelmotoren einsetzbar, die eine sehr geringe Bauhöhe von 7 mm oder weniger aufweisen. Insbesondere ist die Erfindung für Spindelmotoren geeignet, die keinen oder nur geringen Bauraum zur Realisierung eines axialen Versatzes zwischen dem Rotormagneten und der Statoranordnung aufweisen.
Dadurch, dass nur noch ein geringer oder gar kein axialer Versatz (magnetischer Offset) notwendig ist, kann außerdem die axiale Länge des gesamten Rotormagneten vergrößert werden, beispielsweise auf 3 mm oder mehr, sodass sich sogar eine größere Antriebsleistung des Motors erzielen lässt. Ferner kann durch den geringeren oder fehlenden Versatz die axiale Wanddicke der Rotornabe erhöht werden, was eine höhere Stabilität und ein verbessertes akustisches Verhalten bewirkt. Der Offset beträgt beispielsweise zwischen 0 mm bis 0,5 mm.
Das Verhältnis zwischen der axialen Länge des Eisenkerns der Statoranordnung und der axialen Länge des Rotormagneten kann zwischen 0,5 und 0,75 betragen.
In Bezug auf die erste Ausführungsform der Erfindung können zwei Magnete mit unterschiedlicher Magnetisierungsstärke eingesetzt werden. Es können dabei entweder gepresste Magnete aus Magnetpulver, gespritzte Kunststoffmagnete oder aber auch herkömmliche Ferromagnete eingesetzt werden.
In Bezug auf die zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann ein einteiliger Magnet vorgesehen sein, der zwei unterschiedliche Magnetisierungszonen mit unterschiedlicher Magnetisierungsstärke aufweist.
Diese unterschiedlichen Magnetisierungszonen können beispielsweise durch zwei unterschiedliche Press- oder Sintervorgänge erzeugt werden. Es können auch verschiedene magnetische Pulver verwendet werden, die dann zu einer unterschiedlichen Magnetisierungsstärke der Teilabschnitte führen.
In Bezug auf die dritte Ausführungsform der Erfindung kann der Magnet beispielsweise eine gleichbleibende homogene Magnetisierungsstärke aufweisen. Jedoch unterscheidet sich die radiale Dicke (Wandstärke) des Magneten im Bereich des oberen Teilabschnitts im Vergleich zum unteren Teilabschnitt. Die radiale Dicke des oberen Teilabschnitts ist vorzugsweise größer als die radiale Dicke des unteren Teilabschnitts des Magneten.
Insbesondere kann der radiale Luftspalt zwischen der Statoranordnung und dem oberen Teilabschnitt des Magneten kleiner sein als der radiale Luftspalt zwischen der Statoranordnung und dem unteren Teilabschnitt des Magneten, sodass der obere Teilabschnitt eine stärke axiale Kraftkomponente erzeugt als der untere Teilabschnitt und somit eine ausreichend große axiale Vorspannungskraft erzeugt wird.
Auch durch die stärkere Magnetisierung des oberen Magneten bzw. des oberen Teilabschnitts des Rotormagneten im Vergleich zum unteren Magneten bzw. dem unteren Teilabschnitts des Rotormagneten wird eine besonders große axiale Kraftkomponente erzeugt, die die axiale Vorspannung bildet.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der untere Teilabschnitt des Rotormagneten eine geringere radiale Dicke aufweist als der obere Abschnitt und somit eine geringere Magnetkraft erzeugt als der obere Teilabschnitt.
Der Rotormagnet kann demnach in folgenden erfindungsgemäßen Varianten a), b) und c) ausgebildet sein, wobei die Varianten beliebig miteinander kombinierbar sind.

a) Der Rotormagnet besteht aus zwei axial übereinander liegenden einzelnen Magneten, einem oberen Magneten und einem unteren Magneten, oder aus einem einteiligen Magnet mit zwei axial übereinander liegenden Teilabschnitten, einem oberen Teilabschnitt und einem unteren Teilabschnitt. Die Länge (L1) des oberen Magneten oder des oberen Teilabschnitts ist größer als die axiale Länge (L2) des unteren Magneten oder des unteren Teilabschnitts.
b) Der obere Magnet bzw. der obere Teilabschnitt des einteiligen Magneten weist eine gleich starke oder vorzugsweise eine stärkere Magnetisierung auf als der untere Magnet bzw. der untere Teilabschnitt des einteiligen Magneten.
c) Der obere Magnet bzw. der obere Teilabschnitt des einteiligen Magneten weist eine gleich große oder vorzugsweise größere radiale Dicke (Wandstärke) auf als der untere Magnet bzw. der untere Teilabschnitt des einteiligen Magneten.

Erfindungsgemäß kann auch ein gesinterter bzw. pulvergepresster Magnet mit einem Ferromagneten kombiniert werden, wobei beispielsweise der obere Magnet ein gesinterter oder pulvergepresster Magnet ist, während der untere Magnet als Ferromagnet ausgebildet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

1 zeigt einen (Halb) Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem und einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Rotormagneten.
2 zeigt einen Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Rotormagneten.
3 zeigt einen Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Rotormagneten.
4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Rotormagneten.

In 1 ist ein Teilschnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager dargestellt. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche die Lagerkomponenten und das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors trägt. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse 14, die in einer Öffnung der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Lagerbuchse weist eine zentrale Lagerbohrung auf, in der eine Welle 12 um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Die Umfangsfläche der Welle 12 ist durch einen wenige Mikrometer breiten Lagerspalt 20 von der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung getrennt. Der Lagerspalt 20 ist mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt.
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 zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 und ein fluiddynamisches Axiallager 28 aufweist.
Der Lagerspalt 20 erstreckt sich parallel zur Rotationsachse zwischen einem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 und entlang eines radial verlaufenden Abschnitts zwischen einer Stirnseite der Lagerbuchse 14 und einer unteren Stirnfläche der Nabe 16. Entlang des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 sind die beiden fluiddynamischen Radiallager 22, 24 angeordnet und entlang des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 das fluiddynamische Axiallager 28.
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.
Das erste obere fluiddynamische Radiallager 22 umfasst im Erscheinungsbild etwa sinusförmige Radiallagerrillenstrukturen, die über dem Umfang der Lagerbohrung bzw. über dem Umfang der Welle 12 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen sind asymmetrisch ausgebildet und erzeugen beim Betrieb des Lagers eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren, d. h. in Richtung des zweiten unteren fluiddynamischen Radiallagers 24.
Das zweite untere fluiddynamische Radiallager 24 umfasst ebenfalls sinusförmige Radiallagerrillen, die am Umfang der Lagerbohrung bzw. am Außenumfang der Welle 12 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen sind symmetrisch ausgebildet und erzeugen bei idealer Lagerbauteilgeometrie, das heißt für eine Welle 12 ohne Abweichung von der zylindrischen Form sowie für eine Bohrung innerhalb der Lagerbuchse 14 zur Aufnahme der Welle 12 ohne Abweichung von der hohlzylindrischen Form, beim Betrieb des Lagers keine gerichtete Pumpwirkung.
Sobald sich die Welle 12 in der Lagerbohrung dreht, wird durch die Rillenstrukturen der fluiddynamischen Radiallager 22, 24 ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 20 erzeugt, welcher die Lager tragfähig macht.
Zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern 22, 24 befindet sich ein Separatorspalt 26, der eine größere Spaltbreite aufweist, als vergleichsweise der Lagerspalt 20.
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, sodass die Nabe 16 von der Oberfläche der Lagerbuchse 14 abhebt und axial stabilisiert wird.
Das offene Ende des Lagerspalts 20 im Bereich des horizontalen Abschnitts 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 und zur Abdichtung des Lagersystems.
Der Dichtungsspalt 32 ist mit der Außenatmosphäre über einen Luftspalt 34 verbunden. Der Luftspalt 34 hat vorzugsweise eine kleine Spaltbreite, damit ein Entweichen von verdampftem Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32 verringert wird.
Um eine ständige Zirkulation des Lagerfluids im Lager zu gewährleisten, ist in der Lagerbuchse 14 ein Rezirkulationskanal 30 vorgesehen, der einen Spalt radial außerhalb der Aussparung für den Stopperring 12a direkt mit dem Ende des Lagerspalts 20 im Bereich des Dichtungsspalts 32 verbindet. Der Rezirkulationskanal 30 ist vollständig mit Lagerfluid gefüllt und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids durch das Lagersystem.
Der Antrieb des Spindelmotors erfolgt über ein elektromagnetisches Antriebssystem, welches eine Statoranordnung 36 umfasst, die an der Basisplatte 10 fest angeordnet ist. Radial gegenüberliegend der Statoranordnung 36 und getrennt durch einen Luftspalt ist ein Rotormagnet 38 vorgesehen, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 befestigt ist. Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen der Statoranordnung 36 wird der Rotormagnet 38 mitsamt der Nabe 16 und der Welle 12 in Drehung versetzt.
Eine axiale Vorspannung für das fluiddynamische Axiallager 28 wird magnetisch erzeugt und wird durch die Ausgestaltung und/oder gegenseitige Anordnung des Rotormagneten 38 zu der Statoranordnung 36 erzielt, indem ein axialer Versatz (OFF) zwischen der axialen Mitte (M_S ) der Statoranordnung 36 und der axialen Mitte (M_M ) des Rotormagneten 38 vorgesehen ist.
Die Mitte (M_M ) des Rotormagneten 38 ist gegenüber der Mitte (M_S ) der Statoranordnung 36 in axialer Richtung in Richtung der Nabe 20 um den Betrag des Offsets (OFF) nach oben verschoben. Aufgrund dieses Offsets (OFF) ergibt sich eine permanente axial gerichtete magnetische Kraftkomponente in Richtung der Basisplatte 10, die der Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 28 entgegenwirkt und das Lager in axialer Richtung stabilisiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotormagnet 38 als zweiteiliger Magnet ausgebildet und besteht aus einem oberen Magneten 38a und einem axial darunterliegenden unteren Magneten 38b. Der obere Magnet 38a ist größer als der untere Magnet 38b, insbesondere weist er eine größere axiale Länge (L1) auf, die größer ist als die axiale Länge (L2) des unteren Magneten 38b. Der Rotormagnet 38 hat eine Gesamtlänge (L).
Der obere Magnet 38a hat erfindungsgemäß eine stärkere Magnetisierung als der untere Magnet 38b. Daher erzeugt der obere Magnet 38a eine sehr viel größere axiale Rückstellkraft als der unter Magnet 38b, sodass sich eine axiale magnetische Vorspannung durch den Offset (OFF) des Rotormagneten 38 in Bezug auf die Statoranordnung 36 ergibt, die in Richtung der Basisplatte 10 gerichtet ist, also der axialen Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 28 entgegenwirkt.
In 1 ist die Mitte des Rotormagneten 38 bezeichnet durch den Punkt (M_M ), der in axialer Richtung weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet ist als die Mitte der Statoranordnung 36 bezeichnet durch den Punkt (M_S ).
Es ergibt sich der axiale Versatz (OFF) zwischen der Mitte (M_M ) des Rotormagneten 38 und der Mitte (M_S ) der Statoranordnung 36. Dieser axiale Versatz erzeugt die magnetische axiale Kraft in Verbindung mit der unterschiedlich starken Magnetisierung der beiden Magnete 38a und 38b.
2 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausgestaltung des Rotormagneten 138, der in diesem Fall als einteiliger Magnet ausgebildet ist. Dieser einteilige Magnet weist einen oberen Teilabschnitt 138a sowie einen unteren Teilabschnitt 138b auf, die durch eine unterschiedlich starke Magnetisierung gekennzeichnet sind. Ferner ist die axiale Länge (L1) des oberen Teilabschnitts 138a deutlich größer als die axiale Länge (L2) des unteren Teilabschnitts 138b. Dieser Magnet 138 wird in der entsprechend versetzten Lage mit dem Offset (OFF) in den Motor eingebaut, wie es in 1 dargestellt ist.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Rotormagneten 238 im Schnitt, wobei der Rotormagnet 238 einen oberen Teilabschnitt 238a sowie einen unteren Teilabschnitt 238b aufweist. Die axiale Länge (L1) des oberen Teilabschnitts 238a ist größer als die axiale Länge (L2) des unteren Teilabschnittes 238b. Ferner ist der radiale Abstand (D1) des oberen Teilabschnitts 238a zum Eisenkern der Statoranordnung 36 kleiner als der radiale Abstand (D2) des unteren Teilabschnitts 238b. In 3 ist die Magnetisierung des oberen Abschnitts 238a und des unteren Abschnitts 238b beispielsweise gleich groß. Es kann aber eine unterschiedlich große Magnetisierung der beiden Teilabschnitte vorgesehen sein, wobei der obere Teilabschnitt 238a dann vorzugsweise eine stärkere Magnetisierung aufweisen sollte als der unter Teilabschnitt 238b.
Durch diese unterschiedlichen radialen Abstände (D1), (D2) ergibt sich ein unterschiedlich breiter Luftspalt zwischen den beiden Teilabschnitten 238a und 238b des Rotormagneten 238 und der Statoranordnung 36, wobei der Luftspalt im Bereich des oberen Teilabschnitts 238a kleiner ist als im Bereich des unteren Teilabschnitts 238b. Damit ergeben sich unterschiedlich starke axiale magnetische Rückstellkräfte. Dieser Magnet 238 wird in der entsprechend versetzten Lage und dem Offset (OFF) in den Motor eingebaut, wie es in 1 dargestellt ist.
4 zeigt einen Schnitt durch einen Rotormagneten 338, der aus zwei Teilmagneten, einem oberen Magneten 338a sowie einem unteren Magneten 338b besteht. Der obere Magnet 338a ist im Querschnitt größer und hat eine größere axiale Länge (L1) als die axiale Länge (L2) des unteren Magneten 338b.
Beispielsweise kann der obere Magnet 338a als Pulvermagnet, gepresster oder gesinterter Magnet ausgebildet sein, während der untere Magnet 338b als Ferromagnet ausgebildet sein kann. Der umgekehrte Fall ist ebenfalls möglich. Der untere Magnet 338b kann auch einen größeren radialen Abstand (D2) zum Eisenkern der Statoranordnung 36 aufweisen als der obere Magnet, der einen Abstand (D1) aufweist. Dadurch ist der Luftspalt zwischen dem oberen Magneten 338a und der Statoranordnung 36 kleiner als der Luftspalt zwischen dem unteren Magneten 338b und der Statoranordnung 36. Dieser Magnet 338 wird in der entsprechend versetzten Lage und dem Offset (OFF) in den Motor eingebaut, wie es in 1 dargestellt ist.
Durch die Ausgestaltung und Anordnung des Rotormagneten kann eine magnetische axiale Kraft zwischen dem Rotormagneten 38, 138, 238, 338 und der Statoranordnung 36 erzeugt werden, ohne dass hierzu ein übermäßig großer axialer Versatz (OFF) zwischen dem Rotormagneten 38, 138, 238, 338 und der Statoranordnung 36 vorgesehen werden muss. Im äußersten Fall kann der axiale Versatz (OFF) auch ganz entfallen, wobei die axiale magnetische Kraft lediglich durch die Formgebung bzw. unterschiedlich starke Magnetisierung der beiden Teilmagnete bzw. der beiden Teilabschnitte des Rotormagneten erzeugt wird.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Rotormagneten 38, 138, 238, 338 ist der axiale Platzbedarf für den Rotormagneten wesentlich geringer als beim Stand der Technik, da nur ein geringer Versatz (OFF) bzw. gar kein Versatz (OFF) zwischen Rotormagnet 38, 138, 238, 338 und der Statoranordnung 36 vorgesehen werden muss, um die benötigte axiale Vorspannkraft für das fluiddynamische Axiallager 28 zu erzeugen.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass eine große axiale magnetische Kraft erzeugt wird, während die Antriebskraft, die radial zum Stator wirkt, nicht verringert wird sondern aufgrund des geringen Versatzes des Rotormagneten sogar größer wird.
Der Rotormagnet 38, 138, 238, 338 ist in bekannter Weise als ringförmiger Magnet mit mehreren Magnetpolen ausgebildet, wobei die Magnetisierung der einzelnen Magnetpole radial erfolgt, d. h. der jeweils eine Magnetpol ist der Statoranordnung 36 zugewandt, während der andere Magnetpol der Statoranordnung abgewandt ist. Über den Umfang des Rotormagneten 38, 138, 238, 338 gesehen wechseln sich jeweils Nord- und Südpole ab, d. h. ein achtpoliger Magnet hat vier Nordpole und vier Südpole die abwechselnd über den Umfang des Rotormagneten 38, 138, 238, 338 angeordnet sind. Hierbei sind die Pole jeweils der Statoranordnung zugewandt, während die Gegenpole von der Statoranordnung 36 abgewandt sind.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: Welle
12a: Stopperring, Stopperbauteil
14: Lagerbuchse
16: Nabe (Rotor)
18: Abdeckung
20: Lagerspalt
22: Radiallager
24: Radiallager
26: Separatorspalt
28: Axiallager
30: Rezirkulationskanal
32: Dichtungsspalt
34: Luftspalt
36: Statoranordnung
38: Rotormagnet
38a: oberer Teilabschnitt
38b: unterer Teilabschnitt
138: Rotormagnet
138a: oberer Teilabschnitt
138b: unterer Teilabschnitt
238: Rotormagnet
238a: oberer Teilabschnitt
238b: unterer Teilabschnitt
338: Rotormagnet
338a: oberer Teilabschnitt
338b: unterer Teilabschnitt

Claims

Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und magnetischer Vorspannung, mit einem feststehenden Motorbauteil (10, 14) und einem drehbaren Motorbauteil (12, 16), wobei ein elektromagnetisches Antriebssystem vorgesehen ist, das aus einer am feststehenden Motorbauteil (10) angeordneten Statoranordnung (36) und einem am drehbaren Motorbauteil (16) angeordneten ringförmigen einteiligen Rotormagnet (138, 238) mit zwei oder mehreren Teilabschnitten (138a, 138b, 238a, 238b) oder aus einem zwei- oder mehrteiligen, einzelnen axial übereinander liegenden Teilabschnitten (38a, 38b, 338a, 338b) gebildeten Rotormagneten (38, 338) besteht, und wobei die magnetische Vorspannung durch die Ausgestaltung und/oder gegenseitige Anordnung des Rotormagneten (38, 138, 238, 338) und der Statoranordnung (36) erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte (38a, 38b, 138a, 138b, 238a, 238b, 338a, 338b) mit unterschiedlich starker Magnetisierung und/oder unterschiedlichem radialen Abstand (D1), (D2) zum Eisenkern der Statoranordnung (36) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (38, 138, 238, 338) einen oberen Teilabschnitt (38a, 138a, 238a, 338a) und einen unteren Teilabschnitt (38b, 138b, 238b, 338b) aufweist, wobei der obere Teilabschnitt (38a, 138a, 238a, 338a) eine größere Länge (L1) als der untere Teilabschnitt (38b, 138b, 238b, 338b) mit Länge (L2) aufweist und eine stärkere Magnetisierung aufweist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet ((38, 138, 238, 338) einen oberen Teilabschnitt (38a, 138a, 238a, 338a) und einen unteren Teilabschnitt (38b, 138b, 238b, 338b) aufweist, wobei der radiale Abstand (D1) des oberen Teilabschnitts (38a, 138a, 238a, 338a) zum Eisenkern der Statoranordnung (36) größer ist als der radiale Abstand (D2) zum Eisenkern der Statoranordnung (36) des unteren Teilabschnitts (38b, 138b, 238b, 338b).
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Magnetisierung des oberen Teilabschnitts (38a, 138a, 238a, 338a) gleich groß oder größer ist als die Stärke der Magnetisierung des unteren Teilabschnitts (38b, 138b, 238b, 338b).
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (38, 138, 238, 338) eine axiale Gesamtlänge (L) aufweist, die aus der Summe der axialen Länge (L1) des oberen Teilabschnitts (38a, 138a, 238a, 338a) und der axialen Länge (L2) des unteren Teilabschnitts (38b, 138b, 238b, 338b) besteht, wobei die Mitte (M_M) des Rotormagneten (38, 138, 238, 338) im Bereich des oberen Teilabschnitts (38a, 138a, 238a, 338a) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte (M_M) des Rotormagneten (38, 138, 238, 338) einen größeren Abstand zur Basisplatte (10) aufweist als die Mitte der Statoranordnung (M_S), sodass sich zwischen der Mitte (M_M) des Rotormagneten (38, 138, 238, 338) und der Mitte der Statoranordnung (M_S) ein axialer Versatz (OFF) ergibt.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Lüfter mit einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Laserscanner mit einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.