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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit bevorzugter Betriebslage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere zum Antrieb eines Lüfters, Laserscanners oder dergleichen.
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In der
DE10 2019 1060 64 A1 ist ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 offenbart. Das Lagersystem umfasst ein fluiddynamisches Lagersystem bestehend aus zwei fluiddynamischen Radiallagern und zwei im Bereich einer an der Welle befestigten Druckplatte gegeneinander wirkenden fluiddynamischen Axiallagern. Es sind auch Mittel zur Erzeugung einer permanenten axialen Vorspannungskraft vorgesehen, nämlich durch einen axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung. Dieser axiale Versatz wirkt in der in
1 dargestellten aufrechtstehenden Position des Spindelmotors nach unten in Richtung der Basisplatte, zieht also das drehbare Motorbauteil mit einer zusätzlichen Kraft nach unten. Diese zusätzliche axiale Kraft addiert sich somit zur Gewichtskraft des drehbaren Motorbauteils.
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Der dargestellte Spindelmotor ist für einen Betrieb in beliebiger Betriebslage ausgelegt und umfasst daher zwei gegeneinander wirkende fluiddynamische Axiallager und eine zusätzliche permanente magnetische Vorspannung.
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Bei sehr schnell drehenden Spindelmotoren jenseits von 15.000 U/min werden vorzugsweise Wälzlager eingesetzt, da diese einen sehr geringen Reibungswiderstand aufweisen. Nach und nach sollen die Wälzlager durch fluiddynamische Lagersysteme ersetzt werden, die jedoch einen größeren Reibungswiderstand aufweisen und daher den Energieverbrauch des Spindelmotors erhöhen.
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Bei Anwendungen, die einen aufrechtstehenden Betrieb des Spindelmotors bevorzugen, beispielsweise bei schnell drehenden Lüftern, bei denen aber der Luftstrom nach unten gerichtet ist, wird lediglich eines der beiden fluiddynamischen Axiallager belastet. Das andere fluiddynamische Axiallager erzeugt Reibungsverluste, die den Energieverbrauch des Spindelmotors unnötig erhöhen. Durch ein größeres axiales Spiel der beiden Axiallager lässt sich der Energieverbrauch verringern, was jedoch zu Lasten der Schockfestigkeit und Kippstabilität geht.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor, der für eine bestimmte und bevorzugte Betriebslage konstruiert ist und ein fluiddynamisches Lagersystem aufweist, hinsichtlich seines Stromverbrauchs zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung schlägt einen Spindelmotor mit einer bevorzugten Betriebslage vor, der ein feststehendes Motorbauteil und ein drehbares Motorbauteil aufweist, welches mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist.
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Der Spindelmotor weist ferner Mittel zur Erzeugung einer permanenten axialen Vorspannungskraft auf, welche auf das drehbare Motorbauteil wirken.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die permanente axiale Vorspannungskraft derart ausgerichtet ist, dass die Gewichtskraft des drehbaren Motorbauteils in der bevorzugten Betriebslage des Spindelmotors vollständig oder zumindest zum Großteil kompensiert wird.
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Das bedeutet zum Beispiel bei einem Spindelmotor, der in einer aufrechten Lage betrieben wird, dass die permanente axiale Vorspannungskraft entgegen die auf das drehbare Motorbauteil wirkenden Schwerkraft gerichtet ist und dadurch die Gewichtskraft des drehbaren Motorbauteils vollständig oder größtenteils aufgehoben wird.
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Die permanente axiale Vorspannungskraft kann einerseits durch einen axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung erzeugt werden. Andererseits kann die permanente axiale Vorspannungskraft durch einen ferromagnetischen Ring erzeugt werden, der in Verlängerung der Stirnseite des Rotormagneten am feststehenden Motorbauteil angeordnet ist und durch den Rotormagneten in axialer Richtung magnetisch angezogen wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das fluiddynamische Lagersystem des Spindelmotors lediglich ein fluiddynamisches Axiallager auf, dessen axiale Lagerkraft entgegen der permanenten axialen Vorspannungskraft wirkt.
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Im Ruhezustand des in aufrechter Lage betriebenen Spindelmotors, also im Stillstand, werden die Lagerflächen des vorhandenen fluiddynamischen Axiallagers durch die permanente axiale Vorspannungskraft aufeinandergedrückt und liegen aneinander. Beginnen sich der Spindelmotor und das Lager zu drehen, erzeugen Rillenstrukturen auf den Lagerflächen des fluiddynamischen Axiallagers einen hydrodynamischen Druck zwischen den Lagerflächen des Axiallagers, der die beiden Lagerflächen des Axiallagers entgegen der permanenten axialen Vorspannungskraft auseinanderdrückt und dadurch das Lagersystem in axialer Richtung stabilisiert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Spindelmotor ein axiales Zapfenlager aufweisen, das eine axiale Verschiebung der Welle in Richtung der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers begrenzt. Der Zapfen des Zapfenlagers ist in axialer Richtung entlang der Rotationsachse entweder auf dem feststehenden Motorbauteil oder einem drehbaren Motorbauteil angeordnet und stützt sich auf einer Lagerfläche des drehbaren Motorbauteils bzw. des feststehenden Motorbauteils ab, falls es zu einer übermäßigen axialen Bewegung des drehbaren Motorbauteils kommt. Im Normalbetrieb berühren sich die Lagerflächen des Zapfenlagers nicht, sodass das Zapfenlager hinsichtlich Lagerreibung keinen Beitrag leistet und dadurch der Energieverbrauch des Spindelmotors geringgehalten wird. Das Lagerspiel im Bereich des Zapfenlagers ist dimensioniert, dass nur ein geringer Strömungswiderstand erzeugt wird.
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Je nach Anwendung des Spindelmotors und Art der anzutreibenden Last, beispielsweise ein Lüfterrad oder eine optische Komponente eines Laserscanners, kann die bevorzugte Betriebslage des Spindelmotors die aufrechte Position, das heißt mit drehbarem Motorbauteil auf der Oberseite, oder die kopfstehende Position, also mit drehbarem Motorbauteil auf der Unterseite des Spindelmotors, oder die horizontale Position sein.
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Für manche Anwendungsfälle kann es notwendig sein, dass das fluiddynamische Lagersystem durch ein zweites fluiddynamisches Axiallager ergänzt wird, dessen Lagerkraft entgegengesetzt zu der Lagerkraft des ersten fluiddynamischen Axiallagers gerichtet ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors für aufrechte Betriebslage.
- 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Spindelmotors von 1 im Bereich des Zapfenlagers.
- 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Zapfenlagers.
- 4 zeigt wiederum eine alternative Ausgestaltung des Zapfenlagers.
- 5 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors bevorzugt für aufrechte Betriebslage.
- 6 zeigt einen Schnitt durch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors bevorzugt für kopfstehende Betriebslage.
- 7 zeigt einen Schnitt durch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors bevorzugt für kopfstehende Betriebslage.
- 8 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors bevorzugt für aufrechtstehende Betriebslage.
- 9 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors bevorzugt für kopfstehende Betriebslage.
- 10 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors bevorzugt für kopfstehende Betriebslage.
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In 1 ist ein Spindelmotor im Schnitt dargestellt, der zum Antrieb eines Lüfterrades verwendet wird. Der Spindelmotor ist für eine aufrechte Betriebslage gemäß der Abbildung ausgelegt.
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Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10, welche Teil eines Gehäuses 50 des anzutreibenden Lüfters ist. In einer Öffnung der Basisplatte 10 ist eine Haltebuchse 12 bzw. ein Halteflansch befestigt, in welchem eine Lagerhülse 14 des fluiddynamischen Lagersystems befestigt ist. In der Lagerhülse 14 ist eine Lagerbuchse 16 gehalten, in deren Lagerbohrung eine Welle 18 drehbar gelagert ist. An einem Ende der Welle 18 ist eine Druckplatte 20 befestigt, deren Durchmesser etwas geringer ist als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 16. Die Druckplatte 20 ist in einer Aussparung drehbar gelagert, wobei die Aussparung durch eine Stirnseite der Lagerbuchse 16, eine innere Umfangsfläche der Lagerhülse 14 und einen die Lagerhülse 14 verschließenden Deckel 22 begrenzt wird.
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Die um die Drehachse 48 drehbare Welle 18 und die daran befestigte Druckplatte 20 sind von den feststehenden Lagerbauteilen, sprich der Lagerbuchse 16, der Lagerhülse 14 und dem Deckel 22, durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 24 getrennt.
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Entsprechende Lagerflächen der Welle 18 und der Lagerbuchse 16 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 26, 28, die in einem axialen Abstand entlang eines axial verlaufenden Abschnitts 24a des Lagerspalts 24 angeordnet sind. Die Lagerflächen der beiden fluiddynamischen Radiallager 26, 28 weisen Rillenstrukturen auf, die bei Drehung der Welle 18 in der Lagerbuchse 16 das Lagerfluid im Lagerpalt 24 verdrängen, wodurch sich ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 24 aufbaut.
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Die ringförmige Druckplatte 20 bildet mit ihrer oberen Stirnseite zusammen mit einer unteren Stirnseite der Lagerbuchse 16 ein fluiddynamisches Axiallager 30, das ebenfalls Lagerrillenstrukturen aufweist, die einen fluiddynamischen Druck in einem radial verlaufenden Abschnitt 24b des Lagerspalts 24 zwischen Druckplatte 20 und Lagerbuchse 16 erzeugen. Zwischen der Unterseite der Druckplatte 20 und der Welle sowie dem gegenüberliegenden Deckel 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kein Axiallager vorgesehen, sondern es ist lediglich ein zum Lagerspalt 24 relativ breiter, mit Lagerfluid gefüllter axial verlaufender Spalt 25 vorgesehen.
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Am oberen, aus der Lagerbuche 14 herausstehenden Ende der Welle 18 ist beispielsweise mittels einer Schraube eine Nabe 34 befestigt, an welcher ein glockenförmiges, metallisches Rotorbauteil 36 befestigt ist. Das Rotorbauteil 36 trägt die anzutreibende Last, beispielsweise ein Lüfterrad 38.
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Der Antrieb des Spindelmotors erfolgt durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, bestehend aus einer Statoranordnung 40, welche vorzugsweise an der äußeren Umfangsfläche der Lagerhülse 14 befestigt ist. Radial außerhalb und gegenüberliegend der Statoranordnung 40 ist ein Rotormagnet 42 an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 36 befestigt. Die Statoranordnung 40 erzeugt bei entsprechender Kommutierung ein elektromagnetisches Feld, welches den Rotormagneten 42 zusammen mit den drehbaren Motorbauteilen 18, 20, 34, 36, 38 in Drehung versetzt.
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Bei Stillstand des Spindelmotors ist das fluiddynamische Lagersystem wirkungslos, sodass die Welle 18 durch ihr Eigengewicht und das Eigengewicht der daran befestigten drehbaren Motorbauteile 20, 34, 36, 38, 42 durch die Schwerkraft in der Bildebene von 1 nach unten gezogen wird, sodass die Unterseite der Welle 18 bzw. der daran befestigten Druckplatte 20 auf dem Deckel 22 aufsitzen würde.
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Erfindungsgemäß wird dies jedoch verhindert, indem Mittel zur Erzeugung einer permanenten axialen Vorspannungskraft vorgesehen sind, welche die Gewichtskraft des drehbaren Motorbauteils vorzugsweise komplett oder zumindest zum größten Teil kompensieren.
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Durch diese permanente axiale Vorspannungskraft wird das drehbare Motorbauteil gemäß dem Kraftvektor 46 entgegen der Schwerkraft nach oben gedrückt, sodass die Lagerflächen des Axiallagers 30 aneinander gedrückt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die permanente axiale Vorspannungskraft erzeugt durch einen axialen Versatz zwischen der magnetischen Mitte 40a der Statoranordnung 40 und der magnetischen Mitte 42a des Rotormagneten 42. Durch diesen axialen Versatz s wird eine axiale magnetische Kraft in Richtung des Kraftvektors 46 erzeugt, die das Rotorbauteil nach oben drückt, sodass die Oberseite der Druckplatte 20 an der Unterseite der Lagerbuchse 14 anliegt. Sobald das Lagersystem bzw. der Motor in Rotation versetzt wird, erzeugt das Axiallager 30 eine axiale Lagerkraft in Richtung des Kraftvektors 44, sodass die Lagerflächen des Axiallagers 30 voneinander getrennt werden und die Druckplatte berührungslos in der vorgesehenen Aussparung rotiert.
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Gleichzeitig erzeugen die beiden fluiddynamischen Radiallager 26, 28 einen hydrodynamischen Druck im axial verlaufenden Abschnitt 24a des Lagerspalts 24 und halten die Welle 18 berührungslos in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 16.
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Diese allgemeine Beschreibung des Spindelmotors und seiner Funktionsweise gilt im Wesentlichen für alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Die Konstruktion des Lagers mit nur einem fluiddynamischen Axiallager 30 bietet noch keinen ausreichenden Schutz gegen auftretende Schockeinwirkungen auf das Lager in axialer Richtung, da das axiale Lagerspiel zu groß ist, wodurch eine ungehinderte axiale Bewegung der Druckplatte 20 und der Welle 18 nach unten ermöglicht wird und diese Bauteile dann am Deckel 22 anschlagen würden.
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Um dies zu verhindern, ist zwischen der Welle 18 bzw. der Druckplatte 20 und dem Deckel 22 ein Zapfenlager vorgesehen.
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2 zeigt eine erste Ausgestaltung eines solchen Zapfenlagers im Schnitt, wobei man erkennt, dass der Deckel 22 einen entlang der Drehachse 48 axial nach oben gerichteten kurzen Zapfen 22a aufweist. Im Detail X ist dies deutlicher dargestellt. Die Oberseite des Zapfens 22a hat nur einen geringen Abstand zur Unterseite der Welle 18, beispielsweise einige 10 Mikrometer. Somit bestimmt der Zapfen 22a das axiale Lagerspiel. Bei auftretenden Schockkräften im Stillstand oder während der Rotation des Spindelmotors werden diese Kräfte entweder durch das fluiddynamische Axiallager 30 oder den Zapfen 22a abgefangen. Unterhalb der Welle 18 und der Druckplatte 20, zwischen Welle 18, Druckplatte 20 und dem Deckel 22, verbleibt ein relativ großer radial verlaufender Spalt 25 mit mehreren 10 µm Spaltbreite, um den Strömungswiderstand der sich im Lagerfluid drehenden Welle 18 und der Druckplatte 20 zu minimieren.
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Zwischen dem Außenumfang der Welle 18 und dem Innenumfang der daran befestigten Druckplatte 20 sind vorzugsweise ein oder mehrere axiale Rezirkulationskanäle 20a vorgesehen, die eine Zirkulation des Lagerfluids zwischen dem Lagerspalt 24 und dem unteren Spalt 25 und um die Druckplatte 20 herum ermöglichen.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher der Zapfen 18a des Zapfenlagers auf der unteren Stirnseite der Welle 18 angeordnet ist und mit einer gegenüberliegenden Fläche des Deckels 22 zusammenwirkt. Näheres ist im Detail Y von 3 dargestellt.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Zapfenlagers, bei dem die untere Stirnfläche der Welle 18 den Zapfen bildet. Hierbei ist die Unterseite der Welle 18 abgerundet und/oder ballig ausgebildet. Dadurch wird die Berührungsfläche zwischen Welle 18 und Deckel 22 möglichst gering gehalten.
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Das beschriebene Lager der 1 mit einem der in 2 bis 4 beschriebenen Zapfenlager eignet sich auch für den Betrieb in horizontaler Betriebslage. Hierbei wird die magnetische Vorspannung benötigt, damit der Rotor in der Anlaufphase und bei niedriger Drehzahl gegen das Axiallager 30 gedrückt wird und dadurch das Zapfenlager nicht belastet wird. Die magnetische Vorspannung darf jedoch nicht zu groß gewählt werden, damit das Axiallager 30 auch bei niedrigen Drehzahlen genügend Druck erzeugen kann und die beiden Lagerflächen des Axiallagers 30 sich voneinander trennen können. Bei hohen Drehzahlen, beispielsweise 35000 U/min, erzeugt das Axiallager 30 eine axiale Kraft, die die magnetische Vorspannung selbst bei einem maximal möglichen Lagerspalt überschreitet. Der maximal mögliche Lagerspalt entspricht dem Axiallagerspiel des Lagers. Dadurch würde der Rotor auf das Zapfenlager gedrückt. Da jedoch eine vom Lüfterrad erzeugte Luftströmung ebenfalls eine axiale Kraft in Richtung der magnetischen Vorspannung erzeugt, beispielsweise 2,5 N bei 35000 U/min, bleibt das Zapfenlager unbelastet. Bei der Auslegung ist zu beachten, dass die magnetische Vorspannung und die durch die Luftströmung erzeugte axiale Kraft über den gesamten Drehzahl- und Temperaturbereich groß genug ist, sodass der axiale Lagerspalt, der sich durch das Axiallager 30 bei Rotation bildet, kleiner bleibt als das Axiallagerspiel des Rotors. Dabei sollte der Abstand des Zapfenlagers zur gegenüberliegenden Fläche den Abstand von 2 µm niemals unterschreiten, um mögliche Unebenheiten, Rauhigkeiten usw. der Bauteile zu kompensieren. Andererseits darf die magnetische Vorspannung zusammen mit der Rückstellkraft der Luftströmung nicht zu groß gewählt werden, damit der Druck, der durch das Axiallager erzeugt wird, auch bei niedrigen Drehzahlen groß genug ist, die beiden Axiallagerflächen voneinander zu trennen. Auch in diesem Fall sollte der sich einstellende Lagerspalt im gesamten Drehzahlsowie Temperaturbereich größer als 2 µm sein.
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5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Schnittes durch einen Spindelmotor mit anderer Konstruktionsweise. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110, in welcher eine Haltebuchse 112 eingesetzt ist, in deren zentraler Öffnung eine Lagerbuchse 116 gehalten ist. In einer Lagerbohrung der Lagerbuchse 116 ist eine Welle 118 drehbar aufgenommen, die an ihrer Unterseite einen T-förmigen Flansch aufweist, der eine Druckplatte 120 bildet, die in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 116 zusammen mit der Welle 118 drehbar gelagert ist. Unterhalb der Druckplatte 120 ist die Lagerbuchse 116 durch einen Deckel 122 verschlossen.
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Das aus der Lagerbuchse 116 herausstehende obere Ende der Welle 118 ist mit einem glockenförmigen Rotorbauteil 136 verbunden, welches die anzutreibende Last 138, beispielsweise ein Lüfterrad oder Komponenten eines Laserscanners, trägt. Zwischen der Lagerbuchse 116 und der Welle 118 sind in einem axialen Abstand zwei fluiddynamische Radiallager 126, 128 ausgebildet. Die obere Stirnfläche der Druckplatte 120 bildet zusammen mit einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 116 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 130. Zwischen einem zweiten fluiddynamischen Axiallager 132, das zwischen der oberen Stirnfläche der Lagerbuchse 116 und einer unteren Stirnfläche des Rotorbauteils 136 gebildet ist, befindet sich ein mit Lagerfluid gefüllter radialer Abschnitt 124c des Lagerspalts 124.
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Um die Lagereigenschaften des Spindelmotors in der bevorzugten Betriebslage, das heißt der hier dargestellten aufrechten Betriebslage, zu verbessern, ist eine zusätzliche permanente axiale Vorspannung vorgesehen, die durch einen axialen Versatz s zwischen der magnetischen Mitte 142a des Rotormagneten und der magnetischen Mitte 140a der Statoranordnung 140 erzielt wird. Durch die permanente axiale Vorspannung wird die auf das drehbare Motorbauteil wirkende Gewichtskraft kompensiert, da der Kraftvektor 46 der axialen Vorspannung entgegen der Schwerkraft nach oben wirkt.
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Durch das „Anheben“ des drehbaren Motorbauteils werden die Lagerflächen des ersten fluiddynamischen Axiallagers 130 bei Stillstand des Motors aneinander gedrückt. Sobald der Motor um die Drehachse 148 in Drehung versetzt wird, entfalten die beiden Radiallager 126, 128 sowie die beiden Axiallager 130, 132 ihre hydrodynamische Wirkung und stabilisieren das Lagersystem in radialer und axialer Richtung.
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6 betrifft einen Spindelmotor mit im Wesentlichen gleichem Aufbau wie der Spindelmotor in 5, der jedoch für den Betrieb über Kopf optimiert ist. Das heißt, der Motor wird in der kopfstehenden Stellung betrieben, wobei die Basisplatte 110 in der Bildebene auf der Oberseite zu liegen kommt und das Rotorbauteil 136 mit der darauf angeordneten Last 138 unten zu liegen kommt und von der Schwerkraft nach unten gezogen wird. Um die Gewichtskraft des drehbaren Motorbauteils, bestehend aus Welle 118 mit Druckplatte 120, dem Rotorbauteil 136 und dem darin angeordneten Rotormagneten 142 sowie der Last 138, zu kompensieren, ist eine permanente axiale Vorspannung vorgesehen, die durch einen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten 142a relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 140a erzielt wird.
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Durch Kompensation der Gewichtskraft der drehbaren Motorkomponenten samt Last wird das fluiddynamische Lagersystem in der bevorzugten Betriebslage des Motors entlastet, sodass sich die Stabilität der Lagerung, insbesondere das axiale Gleichgewicht verbessert.
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7 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel wie in 6, wobei als einziger Unterschied gemäß Bildorientierung auf der Unterseite der Basisplatte 110 axial oberhalb der oberen Stirnseite des Rotormagneten 142 ein ferromagnetischer Ring 152 befestigt ist.
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Zusätzlich oder alternativ zum Versatz zwischen der magnetischen Mitte des Rotormagneten 142a und der magnetischen Mitte der Statoranordnung 140a, welcher eine magnetische Vorspannungskraft in Richtung des Kraftvektors 146 erzeugt, wird der ferromagnetische Ring 152 in axialer Richtung durch den Rotormagneten 142 magnetisch angezogen und erzeugt ebenfalls eine magnetische Vorspannungskraft in Richtung des Kraftvektors 146. Die Kräfte der permanenten axialen Vorspannung, hervorgerufen durch den Versatz s der Magnetkomponenten und/oder dem ferromagnetischen Ring 152, dienen zur Kompensation der nach unten gerichteten Gewichtskraft der drehbaren Motorbauteile.
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8 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Spindelmotors gemäß der Erfindung, dessen fluiddynamisches Lagersystem ähnlich aufgebaut ist wie bei dem Spindelmotor von 1. Es werden daher für gleiche oder gleichartige Bauteile dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
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Der Motor wird in aufrechtstehender Position betrieben und weist eine in einer Lagerbuchse 16 drehbar gelagerte Welle 18 auf, die an einem Ende eine Druckplatte 20 aufweist, die vorzugsweise einteilig mit der Welle 18 ausgebildet und in einer Aussparung der Lagerbuchse 16 zusammen mit der Welle 18 drehbar gelagert ist. Unterhalb der Druckplatte 20 ist die Lagerbuchse mit einem Deckel 22 verschlossen. Zwischen der Lagerbuchse 16 und der Welle 18 sind in einem axialen Abstand zwei fluiddynamische Radiallager 26, 28 gebildet. Die obere Stirnfläche der Druckplatte 20 bildet zusammen mit einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 16 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 30, und die untere Stirnfläche der Druckplatte 20 bildet zusammen mit der gegenüberliegenden Stirnfläche des Deckels 22 ein zweites fluiddynamisches Axiallager 32.
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Die Welle 18 ist als Hohlwelle ausgebildet, in welche ein Fortsatz des an der Welle befestigten Rotorbauteils 36 eingreift. Auf dem Rotorbauteil 36 ist die anzutreibende Last 38, beispielsweise ein Lüfterrad oder Komponenten eines Laserscanners, befestigt. An einer Haltebuchse 12, welche die Lagerbuchse 16 hält, ist die elektromagnetische Statoranordnung 40 befestigt. Radial gegenüberliegend dem Außenumfang der Statoranordnung 40 ist ein Rotormagnet 42 an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 36 befestigt. Die magnetische Mitte 42a des Rotormagneten 42 liegt unterhalb der magnetischen Mitte 40a der Statoranordnung 40, sodass sich ein axialer Versatz s ergibt. Dieser axiale Versatz s der elektromagnetischen Komponenten erzeugt eine axiale Kraft in Richtung des Kraftvektors 46, welche entgegen der Schwerkraft wirkt und die Gewichtskraft der drehbaren Motorbauteile vorzugsweise vollständig kompensiert. Dadurch wird das fluiddynamische Lagersystem in der bevorzugten Betriebsposition, also der dargestellten aufrechten Position, nicht durch die anzutreibende Last belastet und liefert über den gesamten Drehzahlbereich des Spindelmotors optimale Leistung.
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9 zeigt den Spindelmotor von 8, der jedoch hier für den Über-Kopf-Betrieb optimiert ist, das heißt die Basisplatte 10 ist oben liegend, eingebaut und die drehbaren Motorbauteile sind unten liegend. Der Unterschied zum Spindelmotor von 8 besteht darin, dass die permanente axiale Vorspannung, die hier auch durch das elektromagnetische Antriebssystem erzeugt wird, in Richtung der oben liegenden Basisplatte 10 wirkt, um die Gewichtskraft der drehbaren Motorbauteile möglichst zu kompensieren, damit das Lagersystem insbesondere bei geringen Drehzahlen nicht durch die anzutreibende Last belastet wird. Auch in diesem Fall liegt die magnetische Mitte der Statoranordnung 40 höher als die magnetische Mitte 42a des Rotormagneten 42, sodass sich eine axiale Vorspannung auf die drehbaren Motorbauteile entgegen deren Gewichtskraft ergibt und zwar in Richtung des Kraftvektors 46.
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10 zeigt einen Spindelmotor für den bevorzugten kopfstehenden Betrieb, welcher mit dem Spindelmotor von 9 identisch ist. Zusätzlich oder alternativ zu einer magnetischen axialen Vorspannung, die durch das elektromagnetische Antriebssystem erzeugt wird, ist auf der Unterseite der oben liegenden Basisplatte 10 ein ferromagnetischer Ring 52 angeordnet, der axial oberhalb des ringförmigen Rotormagneten 42 positioniert ist und von dem Rotormagneten 42 magnetisch angezogen wird. Dadurch wird eine axiale Kraftkomponente in Richtung des Kraftvektors 46 erzeugt. Vorzugsweise werden beide Arten der magnetischen axialen Vorspannung kombiniert, sodass sich die vom ferromagnetischen Ring 52 erzeugte axiale Kraftkomponente in Richtung des Kraftvektors 46 zu der von dem elektromagnetischen Antriebssystem erzeugten axialen Kraftkomponente addiert und insbesondere bei schweren anzutreibenden Lasten eine Kompensation der Gewichtskraft des drehbaren Motorbauteils erlaubt.
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Bei den Spindelmotoren der 8 bis 10 weist die Druckplatte 20 im Bereich des Außenumfangs bzw. Durchmessers der Welle 18 axial verlaufende Rezirkulationskanäle 20a auf, die beispielsweise als durchgehende Bohrungen ausgebildet sind und eine Zirkulation des Lagerfluids im Bereich des Lagerspalts 24 um die Druckplatte 20 herum erlauben.
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Liste der Bezugszeichen
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- 10, 110
- Basisplatte
- 12, 112
- Haltebuchse
- 14
- Lagerhülse
- 16, 116
- Lagerbuchse
- 18,118
- Welle
- 18a
- Zapfen
- 20, 120
- Druckplatte
- 20a
- Rezirkulationskanal
- 22, 122
- Deckel
- 22a
- Zapfen
- 24, 124
- Lagerspalt
- 24a, 124a
- axialer Abschnitt des Lagerspalts
- 24b, 124b
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 24c, 124c
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 25
- Spalt
- 26, 126
- Radiallager
- 28, 128
- Radiallager
- 30, 130
- Axiallager
- 32, 132
- Axiallager
- 34
- Nabe
- 36, 136
- Rotorbauteil
- 38, 138
- Last/Lüfterrad
- 40, 140
- Statoranordnung
- 40a, 140a
- magnetische Mitte des Stators
- 42, 142
- Rotormagnet
- 42a, 142a
- magnetische Mitte des Rotormagneten
- 44, 144
- Kraftvektor Axiallager
- 46, 146
- Kraftvektor Vorspannung
- 48, 148
- Drehachse
- 50
- Gehäuse
- 52,152
- ferromagnetischer Ring
- s
- Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019106064 A1 [0002]
