DE3118289A1 - Buerstenlose gleichstrommotoranordnung, insbesondere fuer plattenspeicherantriebe - Google Patents

Buerstenlose gleichstrommotoranordnung, insbesondere fuer plattenspeicherantriebe

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Description

DT-546
Papst-Motoren KG
7742 St. Georgen / Schwarzwald
Bürstenlose Gleichstrommotoranordnung, insbesondere für Plattenspeicherantriebe
Die Erfindung betrifft eine bürstenlose Gleichstrommotoranordnung, insbesondere für Plattenspeicherantriebe mit einem Außenrotor und mindestens einem ortsfesten Schaltungsträger, der an feststehenden Teilen der Anordnung abstützend montiert ist.
Bürstenlose Gleichstrommotoren sind typischerweise mit einer elektrischen Schaltungsanordnung versehen, die die Antriebselektronik und die Drehzahlregelschaltung für den Motor bildet. Die Antriebselektronik umfaßt die elektronischen Komponenten, die die Bürsten und Kommutatoren von konventionellen Gleichstrommotoren ersetzen. Die Drehzahiregelschaltung ist beispielsweise mit einem
optischen Tachometer ausgestattet, das die Drehzahl der Motorwelle bestimmt und entsprechende Signale an die Antriebselektronik gibt, um die Drehzahl des Rotors zu regeln. Die optische Baugruppe des Tachometers kann zweckmäßig zugleich als Stellungsgeber herangezogen werden, der die Stellung des Rotors bestimmt, um die Ströme für die Motorwicklungen entsprechend zu schalten. An Stelle eines optischen Tachometers können auch ein Hallgenerator oder ein Hall-IC vorgesehen sein.
Die Antriebselektronik und die Drehzahlregelschaltung waren bisher in einer vom Motor gesonderten Steuereinheit untergebracht. Eine solche Steuereinheit benötigt zusätzlichen Raum und erfordert ein Kabel, über welches die Steuereinheit mit dem Motor, beispielsweise den Feldwicklungen des Motors, verbunden ist.
Bei gewissen Anwendungen ist die Steuereinheit von konventionellen Gleichstrommotoren im Hinblick auf die räumlichen Beschränkungen störend. Beispielsweise sollen Plattenspeicherantriebe so klein und kompakt wie möglich aufgebaut sein und gleichwohl im Hinblick auf den Antrieb der Speicherplatten, insbesondere Magnetplatten, alle Möglichkeiten eröffnen, die sich bei größeren Plattenspeicherantrieben finden. Bürstenlose Gleichstrommotoren eignen
sich für eine solche Anwendung besonders wegen ihrer Verläßlichkeit, des Fehlens von Funkenbildung, wie sie an den Bürsten von konventionellen Gleichstrommotoren auftritt, und der einfachen Betriebsweise, wenn ein solcher Motor mit einer Antriebsnabe gekoppelt wird, die beispielsweise zwei in Abstand voneinander sitzende Magnetplatten trägt. Konventionelle bürstenlose Gleichstrommotoren sind jedoch in einem solchen Fall nicht befriedigend, weil für die zugehörige Steuereinheit entsprechend Platz vorgesehen werden müßte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bürstenlose Gleichstrommotoranordnung zu schaffen, die ohne eine gesonderte, die Antriebselektronik und/oder die Drehzahlregelschaltung aufnehmende Steuereinheit auskommt, die eine einfache Ausbildung des Rotors als Nabe für einen Plattenstapel, insbesondere mit kleinem Durchmesser, ermöglicht und die auch eine hohe Lagergüte gewährleistet.
Ausgehend von einer bürstenlosen Gleichstrommotoranordnung mit einem Außenrotor, insbesondere für Plattenspeicherantriebe, mit mindestens einem ortsfesten Schaltungsträger, c1-an feststehenden Teilen der Anordnung abstützend montiert ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schaltungsträger mit der Antriebselektronik und/ oder der Drehzahlregelschaltung am Stator befestigt und
im Inneren des umlaufenden Rotorgehäuses untergebracht ist.
Bei der bürstenlosen Gleichstrommotoranordnung nach der Erfindung kann also die Antriebselektronik (gegebenenfalls samt Drehzahlregelschaltung) einen Teil des Motors im wesentlichen ohne zusätzlichen Raumbedarf bilden. Durch den Wegfall der gesonderten Steuereinheit wird eine besonders kompakte Baueinheit erhalten, die sich für viele Zwecke, insbesondere aber für Plattenpeicherantriebe, eignet. Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine mit dem Außenrotor verbundene Antriebswelle von einer hülsenartigen Abstützung umgeben, welche im Bereich des Schaltungsträgers axial verlängert ist und Lager zur drehbaren Lagerung der Antriebswelle haltert. Durch den auf diese Weise möglichen größeren axialen Lagerabstand wird das Lagerungssystem verbessert, was bei Antrieben von Magnetplattenspeichern besonders wichtig ist. Die Abstützung ist mit dem im Motorgehäuse untergebrachten Schaltungsträger verbunden, der vorzugsweise als ringförmiges, plattenartiges Bauteil ausgebildet sein kann, auf dessen einer oder beiden Stirnflächen die Antriebselektronik und/oder die Drehzahlregelschaltung sitzen. Der ringförmige Schaltungsträger ist zweckmäßig hinsichtlich seiner Abmessungen an das Motorgehäuse .angepaßt. Insbesondere bei Plattenspeicheran-
trieben können je nach Plattenstapelhöhe, d.h. je nach axialem Einbauraum, auch mehrere solche Bauteile übereinander angeordnet sein. Die Motoranordnung bildet auf diese Weise eine in sich geschlossene Einheit, von der lediglich Leitungen zum Anschluß an eine externe Stromquelle abgehen. Die raumsparende Gesamtanordnung bleibt im Betrieb verläßlich. Vorzugsweise ist sie auch mit Wärmeableitmitteln ausgestattet.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der beiliegenden Zeichnung zeigt:
Fig. 1 . im Schnitt eine Seitenansicht
einer bürstenlosen Gleichstrommotoranordnung nach der Erfindung, und
Fig. 2 in Draufsicht eine auseinander
gezogene schematische Darstellung des Anschlusses der Statorwicklung an den Schaltungsträger.
Die Gleichstrommotoranordnung 10 weist einen bürstenlosen Gleichstrommotor 11 mit Außenrotor 14 auf, der mit einer drehbaren Antriebswelle 12 versehen ist und die Motorspulen, den Stator und die Dauermagnete umschließt. Die vorstehend genannten Komponenten des Motors 11 sind als solche bekannt. Sie bilden zusammen mit einer Antriebselektronik und einer Drehzahlregelschaltung einen herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotor.
Mit einer feststehenden zentralen Abstützung oder Halterung 22 des Motors 11 ist ein ringförmiger Schaltungsträger 20 verbunden, auf dem die Antriebselektronik und die Drehzahlregelschaltung montiert sind, so daß diese gemeinsam mit dem Motor 11 eine kompakte Einheit bilden und eine vom Motor gesonderte Steuereinheit entfällt.
Entsprechend Fig. 1 sind die verschiedenen Komponenten der Antriebselektronik und der Drehzahlregelschaltung, z.B. Endstufentransistoren 61, ein Potentiometer 64 und ein Hall-IC 35, der Schaltungsträger 20 und ein Kühlelement 60 in einem Raum 26 zwischen dem Boden 40 des Rotorgehäuses 14 und der Statorwicklung 2? untergebracht. Vom Schaltungsträger 20 gehen Leitungen 31 ab, die an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden können.
Die Welle 12 ist mit dem Boden 40 des Gehäuses 14 fest verbunden. Das Gehäuse 14 ist einseitig offen, so daß eine die Welle 12 umgebende, mittig angeordnete Hülse 44 aus dem Gehäuse herausragen kann. Die Hülse 44 bildet einen Teil der zentralen Halterung 22; sie sitzt entweder mit Preßsitz in einer mit einem Flansch 30 verbundenen Nabe oder bildet zusammen mit dem Flansch 30 ein einstückiges Druckgußteil. Die Welle 12 ist in der Hülse 44 über zwei Lager 48, 48' drehbar gelagert, so daß die Welle 12 und das Gehäuse 14 gegenüber der Hülse 44 und dem Flansch 30 rotieren, wenn der Flansch in fester Lage mit Bezug auf benachbarte Bauteile montiert ist, wie dies im folgenden näher erläutert ist. Zwei in Abstand voneinander liegende Sicherungsringe 50 halten die Lager an Ort und Stelle. Von einem weiteren Sicherungsring 54 gehaltene Tellerfedern 52 verspannen die Lager 48, 48' axial gegeneinander.
An der Innenfläche des Gehäuses 14 sind ein einteiliger Dauermagnetring 56 oder eine Anzahl von Dauermagneten befestigt, die sich zusammen mit dem Gehäuse 14 drehen. Der Dauermagnetring 56 besteht vorzugsweise aus einer MiscF" von Hartferrit, z.B. Bariumferrit, und elastischem Material. Es handelt sich also um einen sogenannten Gummimagneten. Dieser ist über der Polteilung trapezförmig oder
annähernd trapezförmig bei relativ kleiner Pollücke radial magnetisiert. Das Gehäuse 14 ist vorzugsweise ein Druckgußteil aus einer Aluminiumlegierung. Dieses Material ist als magnetischer Rückschluß ungeeignet. Für den magnetischen Rückschluß ist daher ein Weicheisenring 57 vorgesehen. Bei einem aus ferromagnetischem Werkstoff tiefgezogenen Gehäuse 14 ist ein solcher Ring nicht erforderlich .
Aus Montagegründen ist bei der veranschaulichten Ausführungsform der Außendurchmesser des ringförmigen Schaltungsträgers 20 gleich oder kleiner als derjenige des Wicklungskerns 58. Der Schaltungsträger 20 liegt damit radial innerhalb des Stators und bildet zusammen mit diesem eine über die Hülse 44 gehalterte kompakte Einheit.
Die Hülse 44 ist für die Unterbringung der elektronischen Bauelemente von Antriebselektronik und Drehzahlregelschaltung über die Statorwicklung 58 hinaus axial verlängert. Außer für die Unterbringung der Bauelemente ist auch für die sachgerechte Wärmeabfuhr, z.B. für die Endstufentransistoren 61 der Antriebselektronik, zu sorgen. Hierfür ist ein scheibenförmiges Stanzbiegeteil als Kühlelement 60 vorhanden, mit dem die Kühlkörper der Endstufentransistoren durch flächenhafte, satte Anlage wärmeleitend verbunden sind. Das Kühlelement 60 selbst kann zweckmäßig ein ca.
0,6 bis 1 mm starkes Weißblechteil sein, das mittels Stützen 62 mit dem Schaltungsträger 20 verbunden sein kann.
Die Anordnung der elektronischen Bauteile erfolgt vorteilhaft in der in Fig. 1 dargestellten Art, da so sämtliche Lötverbindungen 65 in einem Arbeitsgang, z.B. im Tauchlötverfahren, herstellbar sind. Auch der Einsatz des Potentiometers 64, das beispielsweise zur Einstellung unterschiedlicher Arbeitspunkte oder zum Ausgleich von Bauelemententoleranzen dient, stört nicht. Das Potentiometer 64 ist mittels Schraubenzieher über eine nicht dargestellte Bohrung im Flansch 30, eine damit fluchtende Öffnung des Kühlelements 60 und eine der Nuten im Kern 58 einstellbar. Die Einstellschraube des Potentiometers 64, die Bohrung im Flansch 30 und die Nut im Kern 58 liegen hierfür annähernd auf einer Geraden.
Bei einem einstückigen Stanzbiegeteil als Kühlelement 60 müssen die Kühlkörper der Endstufentransistoren 61 elektrisch isoliert mit dem Kühlelement 60 verbunden sein. Vorteilhaft wird das Kühlelement 60 daher entsprechend de Zahl der Endstufentransistoren 61 unterteilt, so daß die Isolierung entfallen kann. Dies erspart Montagezeit und verschiedene Isolierteile bei gleichzeitig verbesserter Wärmeabfuhr.
Das bzw. die Kühlelemente 60 sind mit dem Schaltungsträger 20 verbunden, vorzugsweise über die Stützen 62 mit dem Schaltungsträger 20 verlötet. Das Verlöten der Kühlelemente 60 mit dem Schaltungsträger 20 erfolgt gleichzeitig mit dem Verlöten der übrigen Bauelemente. Bei Bedarf ist das Kühlelement 60 zusätzlich mit festen Teilen des Stators verbunden, z.B. durch Befestigungselemente oder Klebeverbindungen 66 an der Hülse 44 oder im Bereich eines Kragens oder über nicht dargestellte Zapfen einer Endscheibe 67. Diese Verbindungen verringern die Schwingmöglichkeit des Kühlelements 60.
Entsprechend der axialen Verlängerung der Hülse 44 ist auch das Gehäuse 14 axial verlängert. Der dadurch entstehende Ansatz läßt sich als Antriebsnabe 70 nutzen, die im Falle eines Plattenspeicherantriebs in die Mittelbohrung einer oder mehrerer Magnetplatten 37 ragt. Es ergibt sich somit vorteilhaft, daß der Durchmesser der Antriebsnabe 70 der Größe der Mittelbohrung ohne Rücksicht auf die erforderliche Antriebsleistung des Motors und dem daraus resultierenden günstigsten Luftspaltdurchmesser angepaßt werden kann, Der freie Raum 26 im Inneren der Antriebsnabe 70 dient der beschriebenen Unterbringung des Schaltungsträgers 20 einschließlich der elektronischen Bauteile und des Kühlelements 60.
Bei einem Antriebsmotor für einen Plattenspeicher sind das Gehäuse 14 einschließlich Antriebsnabe 70 und der Boden 40 zum Motorinneren geschlossen. Dadurch wird ein Vordringen von Schmutzteilchen aus dem Motorinneren zu den Magnetplatten verhindert. Die einzige direkte Verbindung zur Luft im Motorinneren erfolgt über einen Spalt 71 zwischen Gehäuse 14 und Flansch 30. Durch entsprechende Länge des Spaltes 71 ist sichergestellt, daß der mögliche Austritt von Schmutzteilchen sehr gering und eine Störung der Betriebssicherheit des Plattenspeichers nicht gegeben ist. Eine abgebrochen gezeichnete Platte 72 trennt den Raum höchster Reinheit vom übrigen Geräteinnern, so daß aus dem Lager 48' austretende Schmutzteilchen nicht stören.
Der Motor 11 eignet sich auch für andere Anwendungen. In diesem Fall ist die Forderung nach Sauberkeit nicht so extrem hoch, so daß bei Bedarf auch Öffnungen in der Rotorglocke vorhanden sein können. Diese Öffnungen dienen dann der Wärmeabfuhr oder zur Einstellung eines Potentiometers. Solche Motoren können über die Antriebswelle 12 direkt zum Antrieb von Geräten oder von Gebläsen dienen. Für einen Lüfterantrieb können Lüfterräder oder Lüfterflügel auch direkt auf das Gehäuse 14 und/oder die Antriebsnabe 70 aufgebracht oder aufgeschweißt sein.
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Im Anwendungsfall als Plattenspeicherantrieb ist am freien Wellenende der Antriebsachse 12 zweckmäßig ein Lüfter 32 mit einer Anzahl Lüfterflügeln 33 befestigt. Die intensive Luftbewegung im Bereich des Flansches 30 kühlt diesen, so daß über die Hülse 44 die Verlustwärme aus dem Motor 11 wirkungsvoll nach außen abgeleitet wird. Um eine störende elektrische Aufladung der Rotorglocke auszuschliessen, ist die Antriebswelle 12 vorzugsweise über eine metallische Kugel 34 und einen nicht dargestellten Federkontakt mit dem Gerätechassis elektrisch leitend verbunden .
Wie in Fig. 2 angedeutet ist, ist die Statorwicklung 29 vorzugsweise bifilar ausgeführt, wie dies im einzelnen aus der DE-OS 28 35 210 bekannt ist. Die b'ifilare Bewicklung führt zu einer starken Streuflußreduzierung, was bei Plattenspeicherantrieben von besonderem Vorteil ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind vier Statorpole vorgesehen. Die Statorwicklung wird zweipulsig betrieben. Der Motor ist so ausgelegt, daß er ein Reluktanzhilfsmoment entwickelt. Zur Erzeugung des Reluktanzhilfsmoments ist der magnetische Widerstand des Stators über den Drehwinkel des Rotors vorzugsweise kontinuierlich variabel. Die Änderung des magnetischen Widerstandsanteils im Stator über den Rotordrehwinkel wird zweckmäßig so reali-
siert, daß sich der Durchmesser des Statoreisens über den Drehwinkel verändert, wie dies im einzelnen aus der DE-OS 29 1? 581 bzw. der DE-Patentanmeldung P 30 4? 494.1 hervorgeht .
Der Hall-IC kann zweckmäßig an dem Kühlelement 60 gesichert sein, um eine definierte Position dieses Bauelements mit Bezug auf die Rotorumlaufbahn zu gewährleisten.
Bei magnetischen Festplattenspeichern führen vom Antriebsmotor ausgehende Magnetfelder zuweilen zu Verlusten von eingespeicherten Daten und/oder zu Störungen beim Einschreiben oder Auslesen der Daten. Insbesondere kann es zu einer Entmagnetisierung der Magnetschicht der Festspeicherplatten kommen. Um dem entgegenzuwirken, wird bei einem Plattenspeicherantrieb der vorliegend betrachteten Art vorzugsweise zwischen den Magnetfelder erzeugenden Antriebsteilen und dem für die Unterbringung der Festspeicherplatte bestimmten Bereich eine magnetische Abschirmung angeordnet. Bestehen das oder die Kühlelemente 60 aus magnetisch leitendem Werkstoff, können sie Teil einer solchen magnetischen Abschirmung sein. Zusätzlich kann für diesen Zweck insbesondere die Innenwand der Antriebsnabe 70 mit einer magnetisch abschirmenden Auskleidung versehen sein.

Claims (12)

a * « i Λ W » PATENTANWALT*DI'?'L-1"nL·.'CiRU1AUD SCHWAN ELFENSTRASSE 32 ■ D-8000 MÜNCHEN 83 DT-546 Papst-Motoren KG 7742 St. Georgen / Schwarzwald Ansprüche
1. j Bürstenlose Gleichstrommotoranordnung mit einem Außenrotor, insbesondere für Plattenspeicherantriebe, mit mindestens einem ortsfesten Schaltungsträger, der an feststehenden Teilen der Anordnung abstützend montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungsträger (20) mit der Antriebselektronik und/oder der Drehzahlregelschaltung am Stator (29, 58) befestigt und im Inneren des umlaufenden Rotorgehäuses (14) untergebracht ist.
2. Gleichstrommotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Außenrotor koaxiale, einen Teil des Stators (29, 58) bildende Hülse (44) im Bereich des Schaltungsträgers (20) über den Stator hinaus axial verlängert und der Schaltungsträger (20) über HaXterungselemente (22) an dieser Hülse befestigt ist.
FERNSPRECHER: 089/6012039 · TELEX: SZ2589 elp* i ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN
3. Gleichstrommotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorgehäuse (14) glockenförmig ausgebildet und auf der Bodenseite über den magnetisch wirksamen Rotorteil (56) hinaus axial.verlängert ist und dort eine Antriebsnabe (70) bildet, deren Außendurchmesser unabhängig vom Luftspaltdurchmesser des Motors frei wählbar ist.
4. Gleichstrommotoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Antriebsnabe (70) dem Bohrungsdurchmesser von Magnetplatten (37) angepaßt ist und daß wenigstens eine Magnetplatte auf der Antriebsnabe (70) angeordnet ist.
5. Gleichstrommotoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsnabe (70) radiale, nach innen durchgehende Ausnehmungen für den Durchtritt einer gerichteten Strömung aufweist, die durch Ausnehmungen des Bodens (40) der Rotorglocke (14) oder durch einen Statorflansch (30) eintritt.
6. Gleichstrommotoranordnung nach einem der Ansprüche 2
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (44) gleichzeitig, vorzugsweise in ihren axialen Endbereichen, Lagerungselemente (48, 48') für den Außenrotor trägt.
7. Gleichstrommotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche^bei der die Antriebselektronik und/oder die Drehzahlregelschaltung Endstufentransistoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper der Endstufentransistoren (61) durch flächenhafte, satte Auflage mit einem Kühlelement (60) wärmeleitend verbunden sind.
8. Gleichstrommotoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Endstufentransistor (61) ein Kühlelement (60) vorhanden ist.
9. Gleichstrommotoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (60) mit dem Schaltungsträger (20) fest verbunden ist.
10. Gleichstrommotoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (60) ein Stanzbiegeteil aus Weißblech oder Messingblech ist und Stützen (62) aufweist, die sich zum Schaltungsträger (20) hin erstrecken und mit diesem verlötet sind.
11. Gleichstrommotoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kühlelemente (00) mittels Befestigungselementen, Klebeverbindungen (66) an der Hülse (44) oder im Bereich eines Kragens (68) oder Zapfens einer Endscheibe (67) mit feststehenden Teilen des Motors verbunden sind.
12. Gleichstrommotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rotorgehäuse (14) und/oder der Antriebsnabe (70) und/oder einer mit dem Rotorgehäuse verbundenen Antriebswelle (12) ein Lüfterrad (32) oder Lüfterflügel angebracht ist.
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