DE19918465A1

DE19918465A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stators für einen Spindelmotor und ein nach dem Verfahren hergestellter Stator

Info

Publication number: DE19918465A1
Application number: DE1999118465
Authority: DE
Inventors: Juergen Oelsch; Hermann Flammer; King Hock Lee
Original assignee: Precision Motors Deutsche Minebea GmbH
Current assignee: MinebeaMitsumi Technology Center Europe GmbH
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-11-02
Also published as: JP2000316240A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen, nicht schichtweise aufgebauten Stators für Spindelmotoren und einen nach diesem Verfahren hergestellten Stator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators für Spindelmotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Spindelmotoren werden zum Antrieb von Festplattenspeichern verwendet und sind Miniaturmotoren, die permanentmagnetisch erregte Synchronmotoren sind.

Derzeitiger Stand der Technik bezüglich der Spindelmotoren wird wie folgt beschrieben:
Der Eisenkern für kleine permanentmagnetische Festplattenmotoren wird durch das Zusammenfügen mehrerer Einzelbleche gefertigt. Das Standardmaterial der benutzten Einzelbleche ist Siliziumeisenblech mit einer Dicke von 0,5, 0,35 oder 0,2 mm. Die übliche Motor-Ausführung besteht in acht Magnet-Polen/12 Blechpaket- Nuten oder 6 bzw. 12 Magnet-Polen/9 Blechpaket-Nuten.

Die Verwendung geschichteter Eisenblechpakete wird durchgeführt, um Wirbelstromverluste zu vermeiden.

Ein Nachteil der derzeitigen Technik liegt darin, daß die Geometrie der Blechpakete nicht optimiert werden kann. So hat z. B. die Höhe eines Pakets an jeder Stelle denselben Wert. Außerdem kann die Stapelhöhe nur ein Vielfaches der gewählten Einzelblechdicke betragen. Weiterhin ist die Höhentoleranz eines solchen Blechpakets relativ groß (Summentoleranz). Bedingt durch den Stanzprozeß ist es nur möglich, scharte Kanten am entsprechenden Blechpaket auszubilden, und die Bereiche für die Klebeverbindung zwischen Paket und Gehäuse sind oft sehr klein.

Die magnetische Sättigung von Siliziumeisenblechen ist zusätzlich nicht besonders hoch. Der Einsatz von besserem Material mit ungefähr 50% Kobalt (wie z. B. Vacoflux 50) könnte die gesamte Motorleistung erheblich verbessern, dieses Material ist jedoch sehr teuer. Ein großer Teil des Materiales bleibt beim Ausstanzen der Statorbleche als Abfall übrig. Dies ist zusätzlich ein kostenträchtiger Nachteil eines solchen Herstellungsverfahrens.

Ein derartiger Stator weist z. B. eine gerade oder ungerade Anzahl von Zähnen auf, die gleichmäßig verteilt am Umfang eines Rückschlußrings befestigt sind, wobei jeder Zahn mit der besagten Wicklung bewickelt ist.

Bei derartigen Miniaturmotoren besteht jedoch das Problem, daß wegen der begrenzten Bauhöhe nur ein- oder zweischichtige Eisenblechpakete verwendet werden können, wodurch es demzufolge nicht mehr so wichtig ist, Wirbelstromverluste zu vermeiden. Bei derartigen Motoren mit geschichteten Eisenblechpaketen besteht aber der Nachteil, daß eine Anpassung des Eisenblechpakets an den Magneten und die Wicklung nur ungenügend erfolgt, weil ja die geschichteten Blechpakete eine derartige Anpassung nicht ermöglichen. Dies führt zu dem Nachteil, daß der magnetische Fluß, welcher von dem gegenüberliegenden Permanentmagneten über den Luftspalt in das Eisenblechpaket eingekoppelt wird, relativ klein ist und daher ein Leistungsverlust in Kauf genommen werden muß.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Stators zu entwickeln, und einen nach dem Verfahren hergestellter Stator so auszubilden, daß ein möglichst großer Magnetfluß im Luftspalt bei einem Spindelmotor der eingangs genannten Art erzielt werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

1. Herstellen einer Gußform für ein Spritzgußteil.
2. Ausbildung der Gußform in Form eines optimalen angepaßten Eisenkerns mit Herstellung eines Wicklungsraumes sowie eines Magnetfluß-Sammlers, der einen maximalen Magnetfluß ergibt, nämlich etwa ein im Querschnitt H-förmiger Eisenkern;
3. Herstellen einer spritzgußfähigen Masse, die aus mit Binder umhülltem, weichmagnetischen Pulver besteht.
4. Einspritzen der erhitzten schmelzviskosen Masse in die Spritzgußform zur Herstellung des Stators mittels einer Spritzgußmaschine;
5. Auskühlen lassen in der Form,
6. Öffnen der Form,
7. Entbindern des Grünlings bei erhöhter Temperatur des Stators, bzw. dessen Metallanteilen;
8. Sintern und Entbindern des Formteils,
9. Auskühlen des Formteils bzw. Metallteils
10. isolierende Beschichtung des Stators,
11. Bewickeln der hergestellten Statorräume mit entsprechenden Wicklungen.

Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist, daß also der Stator als Metall- Spritzgußteil (Metal-Injection-Molding) hergestellt wird. Damit besteht nun erstmals die Möglichkeit, einen nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Stator optimal den jeweiligen Erfordernissen derartiger Spindelmotoren anzupassen. Die Erfordernisse sind dahingehend, daß man einen möglichst H-förmigen Eisenkern- Querschnitt für eine optimale Bewicklung und zudem eine möglichst großflächige Hammerfläche des Hammers benötigt, um einen großen Magnetfluß im Luftspalt zu ermöglichen.

Weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß man den Wickelgrund, d. h. die Flächen, auf denen die Wicklung aufgewickelt wird, möglichst mit runden und/oder verrundeten Radien ausbilden kann, um scharfkantige Übergänge zu vermeiden. Hierdurch werden Beschädigungen an der Wicklung durch scharfe Ecken vermieden.

In der Regel benötigt man laminierte Eisenblechpakete, weil mit sehr hohen Ummagnetisierungsfrequenzen im Luftspalt gearbeitet wird. Ein derartiger Spindelmotor dreht beispielsweise mit Drehzahlen von 5.000 U/min bis maximal 20.000 U/min und besteht zudem aus mehreren Magnetpolen. Nachdem aber ein derartiger Motor miniaturisiert wird, d. h. er besitzt beispielsweise eine axiale Länge von wenigen Millimetern und einen Durchmesser von maximal 30-40 mm, wird bei der Herstellung der Stator auf ein einziges, geschichtetes Laminat reduziert, was einem massiven Teil entspricht. Es wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also ein am Luftspalt relativ hochbauender Stator eingesetzt, so daß ein viel größerer Permanentmagnetfluß im Luftspalt erzeugt werden kann, als vergleichsweise bei der Anwendung geschichteter Blechpakete und zudem der Stator im Bereich der Wicklung relativ niedrig ist, so daß für die Wicklung mehr Raum zur Verfügung steht.

Ein weiterer Vorteil des H-förmigen Eisenkern-Querschnitts, mit einem beidseitig in radialer Richtung abgeschlossenen Wicklungsraum, besteht darin, daß die Wicklung wegen des beidseitigen radialen Abschlusses gegen Beschädigungen geschützt ist, d. h. die darin lagernde Wicklung kann nicht mehr so leicht von der Seite her beschädigt werden. Insbesonders können zum einen bei der Montage des bewickelten Eisenkerns keine Verbindungsdrähte zwischen Einzelwicklungen mehr beschädigt werden, zum anderen können keine Wickeldrähte zwischen Stator und Rotor gefangen und zu einem Streifen des Rotors führen.

Durch die einteilige Ausführung des Stators (d. h. also die ungeschichtete Ausbildung) besteht der weitere Vorteil, daß der Stator in seiner Höhe und insgesamt in seinen geometrischen Abmessungen sehr präzise hergestellt werden kann, weil beispielsweise bei geschichteten Statoren es nicht möglich ist, die Höhe jedes einzelnen Elementes genau auf 1/10 mm einzuhalten.

Es ist nun erstmals mit dem beschriebenen Verfahren möglich, auch Kobalteisen als Metall-Spritzgußteil herzustellen, was mit dem Vorteil verbunden ist, daß kein Abfall entsteht. D. h. also, man kann hochwertiges Material einsetzen, ohne daß man einen Stanzabfall hat, d. h. man kann besser und billiger produzieren.

Wegen der präzisen Fertigung des Stators ist es im übrigen auch möglich, daß man den Stator jetzt z. B. an seinem Innenumfang im Paßsitz auf zugeordnete Befestigungsteile aufsetzt, weil eben die notwendige Präzision bereits schon durch den Spritzgußvorgang und den kontrollierten Schrumpfprozeß beim Sintern hier erreicht wird. Ein nach dem Verfahren hergestellter Stator zeichnet sich dadurch aus, daß er eine etwa H-förmige Profilgebung aufweist und daß demzufolge der Wicklungsraum durch zwei radial beabstandete Flansche abgegrenzt ist und dazwischen der Wicklungsraum gebildet wird.

Wegen der hohen Präzision des Stators ist es beispielsweise auch möglich, im Innenraum des Stators direkt einen Kugellagersitz anzuspritzen.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert vergrößert einen Teilschnitt durch einen bewickelten Stator mit einem gegenüberliegenden umlaufenden Permanentmagneten,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Stator in Richtung der Linie II-II,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Stator entlang der Linie III-III in Fig. 4,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Stator in Richtung des Pfeiles IV in Fig. 3.

Der Aufbau des Stators wird zunächst anhand der Fig. 3 und 4 erläutert.

Der Stator 1 besteht im Wesentlichen aus einem inneren Ring 2, an dem der Rückschlußring 6 angeformt ist. Der Innenraum 16 des Stators 1 ist leer, d. h. in diesen Innenraum 16 können beliebige Befestigungsteile, wie z. B. Lagersitze oder dergleichen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angespritzt werden.

Vom Rückschlußring 6 ausgehend sind werkstoffeinstückig Zähne 3 an den Rückschlußring 6 angeformt, welche wiederum werkstoffeinstückig in radial auswärts liegende Hämmer 4 ausgeformt sind. Am Umfang verteilt sind hierbei eine gerade oder eine ungerade Anzahl von derartigen Zähnen werkstoffeinstückig am Rückschlußring 6 angeformt, die wiederum werkstoffeinstückig mit den Hämmern 4 verbunden sind. Das gesamte Teil des Stators 1 besteht also aus einem einzigen Metall-Spritzgußteil, welches z. B. aus einem Kobalteisen besteht. Es können jedoch auch andere gieß- oder spritzbare Legierungen verwendet werden. Es ist sogar möglich, entsprechende Kunststoffe zu verwenden, die mit entsprechenden ferromagnetischen Teilchen versetzt sind.

Zwischen den Hämmern 4 sind entsprechende Nuten 5 angeordnet. Der Stator 1 weist eine zentrale geometrische Mittellinie 7 auf.

Die Fig. 1 zeigt nun vergrößert einen Schnitt durch einen Zahn, der bereits schon bewickelt ist. Es ist erkennbar, daß der Wicklungsraum durch zwei radial jeweils auswärts gerichtete und parallelen Abstand zueinander einnehmende Flansche 14, 15 begrenzt ist und der Zahn an seinem Grund mit einer entsprechenden Wicklung 9 bewickelt ist, die in den Wicklungsraum 8 hineingewickelt ist. Es ist möglich, daß die jeweiligen oberen Stirnseiten der Flansche 14, 15 etwas über die Wicklung hinausragen, um diese gegen Beschädigungen zu schützen und den Wickelprozeß zu erleichtern.

Wegen der großflächigen Ausbildung der Flansche 14, 15 in axialer Richtung gemäß Fig. 1 ergibt sich damit eine großflächige Verteilung der Feldlinien 10, 11 im Luftspalt in Richtung zu dem gegenüberliegenden, an einem Rotor befestigten Magneten 12.

Wichtig ist, daß der Wicklungsraum 8 nun mit entsprechenden Verrundungen versehen ist, wie dies an Hand der Rundung 13 in Fig. 2 dargestellt ist.

Neben den Rundungen 13 nach Fig. 2 sind auch Rundungen 18 an den Flanschen 14, 15 angeformt, die insgesamt für eine verletzungsfreie Wicklung 9 in den Wicklungsraum 8 sorgen.

Die Fig. 3 zeigt nun als Ausführungsbeispiel eines derartigen Stators 1, daß der Wicklungsraum relativ klein ausgeführt ist, wobei der Stator 1 einen Außendurchmesser von 11 mm aufweist und der Innendurchmesser (Innenraum 16) einen Durchmesser von etwa 6 mm aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im englischen Sprachraum als "Metal- Injection-Moulding" (MIM - Metallpulver-Spritzguß-Verfahren) bezeichnet. Hierbei wird ein Metallpulver mit flüssigem Kunststoff gemischt, wobei sich die festen Metallteilchen in der Kunststoffmasse verteilen. Der Kunststoff ist hierbei der Binder.

Diese Mischung wird in eine Druckgußform eingespritzt und ausgehärtet. Nach dem Entformen wird der Kunststoffbinder wieder entfernt, die Entfernung erfolgt durch Vergasung des Kunststoffes oder durch chemisches Lösen der Kunststoffmasse. Das fertige Teil ist porös. Es wird danach im Ofen gesintert, wobei der Rohling um etwa 15% schrumpft und hat dann einen Metallfestkörperanteil von 95-98%.

Zeichnungslegende

1

Stator

2

Ring

3

Zahn

4

Hammer

5

Nut

6

Rückschlußring

7

Mittellinie

8

Wicklungsraum

9

Wicklung

10

Feldlinie

11

Feldlinie

12

Magnet

13

Rundung

14

Flansch

15

Flansch

16

Innenraum

17

Luftspalt

18

Rundung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Stators für Spindelmotoren dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) in einem Spritzgußverfahren hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) als Kunststoffspritzgußteil hergestellt wird, wobei der Kunststoff durch Folgeprozesse wieder entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) als Kobalteisen-Spritzgußteil hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) als Kunststoff-Spritzgußteil mit magnetisch leitfähigen Metallanteilen hergestellt wird, wobei der Kunststoff im Spritzgußteil verbleibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Herstellen einer Gußform für ein Spritzgußteil.
b) Ausbildung der Gußform in Form einer optimalen angepaßten Geometrie mit flachen Nutzähnen und hohen Randzonen, die einen optimalen Wicklungsraum und einen maximalen Permanentmagnetfluß ergeben, nämlich etwa im Querschnitt H-förmiges Profil.
c) Einspritzen von flüssigem Werkstoff in die Spritzgußform zur Herstellung des Stators.
d) Auskühlen lassen der Form.
e) Öffnen der Form.
f) Entbindern.
g) Sintern.
h) Auskühlen des Stators bzw. dessen Metallanteile.
i) Isolierende Beschichtung des Stators.
j) Bewickeln der hergestellten Statorräume mit entsprechenden Wicklungen.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein möglichst H-förmiger Wicklungsraum (8) für die Aufnahme der Statorwicklung (9) ausgeformt wird und eine möglichst großflächige Hammerfläche des Hammers (4) zwecks großem Permanentmagnetfluß im Luftspalt (17) zu erreichen.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wickelgrund, also die Flächen, auf denen die Wicklung (9) aufgewickelt wird, möglichst mit runden und verrundeten Radien ausgebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (4) insgesamt in seinen geometrischen Abmessungen sehr präzise hergestellt werden kann, wobei die Höhe jedes einzelnen Elementes in einem Bereich von 1/10 mm genau gefertigt werden kann.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Spritzgießen an den Innenumfang und/oder Außenumfang des Stators Paßsitze für zugeordnete Befestigungsteile mit der notwendigen Präzision ohne Nachbearbeitung ausgeformt werden.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Stators direkt ein Kugellagersitz angespritzt wird.

11. Stator eines Spindelmotors, bestehend im Wesentlichen aus Rückschlußring, Zahn, Wicklungsraum, Hammer und Nut, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) aus einem werkstoffeinstückigen Teil besteht.

12. Stator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Rückschlußring (6) werkstoffeinstückig Zähne (3) angeformt sind, an welche wiederum werkstoffeinstückig radial auswärts liegende Hämmer (4) angeformt sind.

13. Stator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (3) des Stators (1) eine etwa H-förmige Profilgebung aufweisen.

14. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsraum (8) durch zwei axial jeweils auswärts gerichtete und parallelen Abstand zueinander einnehmende Flansche (14, 15) begrenzt ist.

15. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsraum (8) durch zwei axial, jeweils auswärts gerichtete, leicht konisch sich in axialer Richtung erweiternde Flansche (14, 15) begrenzt ist.

16. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen oberen Stirnseiten der Flansche (14, 15) über die Wicklung hinausragen, um diese gegen Beschädigungen zu schützen.

17. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (3) des Stators (1) eine rundprofilierte Kontur aufweisen.

18. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsraum (8) mit entsprechenden Verrundungen (13, 18) versehen ist.

19. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (16) des Stators (1) eine zentrale, bevorzugt runde, kreisförmige Aussparung besitzt.

20. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hämmern (4) entsprechend ausgeformte Nuten (5) angeordnet sind.

21. Stator nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlußring außen am Stator angeordnet ist (Innenläufer-Motor, Permanentmagnet innerhalb des Stators angeordnet).