DE3233216C2

DE3233216C2 - Elektromotor mit senkrechter Welle

Info

Publication number: DE3233216C2
Application number: DE3233216A
Authority: DE
Inventors: Ryoji Tokio/Tokyo Yamaguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-09-09
Filing date: 1982-09-07
Publication date: 1991-03-28
Also published as: DE3233216A1; JPS5843421A; US4443043A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromotoreinheit (8), bei welcher eine Motorwelle (10) durch zwei Lager (28, 30) des Pfeilverzahnung-Dynamikdrucktyps gelagert ist. Am einen Ende der Motorwelle (10) ist ein Polygonspiegel (6) befestigt, während an ihrem anderen Ende ein magnetisches Schub- bzw. Drucklager (60) angeordnet ist, durch welches die Motorwelle (10) in Axialrichtung getragen wird bzw. gelagert ist. Das magnetische Schub- bzw. Drucklager (60) besteht aus ringförmigen ersten und zweiten Dauermagneten (44 bzw. 52). Die ersten Dauermagnete (44) sind koaxial auf der Motorwelle (10) befestigt, und sie weisen an ihren Außenflächen jeweils einen Magnet-Pol auf. Die in ein Motorgehäuse (24) eingebauten zweiten Dauermagnete (52) stehen mit ihren Innenflächen den Außenflächen der ersten Dauermagnete (44) gegenüber und besitzen an diesen Innenflächen jeweils einen vom betreffenden Magnet-Pol des entsprechenden ersten Dauermagneten (44) verschiedenen Magnet-Pol. Die beiden Dauermagnete (44, 62) ziehen sich gegenseitig an, so daß die Motorwelle (10) durch die Anziehungskraft "freischwebend" gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit senkrechter Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er insbesondere zum Drehen eines Polygonspiegels Anwendung findet.

Ein optischer Deflektor (Ablenkeinheit) des Polygonspiegeltyps ist im allgemeinen mit einem Motor versehen, welcher den Polygonspiegel mit hoher Drehzahl, d. h. mehreren tausend Umdrehungen pro Minute, in Drehung versetzt. Bei einem solchen Motor muß die Reibung zwischen der Motorwelle und den Lagern zur Ermöglichung eines Betriebs mit hoher Drehzahl auf ein Mindestmaß herabgesetzt sein, im Hinblick auf dieses , Erfordernis beschreibt die JP-AS 6 854/78 einen Motor des Kippsegmenttyps, bei dem die Motorwelle durch, dynamische Drucklager radial gelagert ist und zur axialen Lagerung durch eine Abstoßungskraft, die durch einzeln am einen Ende der Motorwelle und einem Motorgehäuse befestigte Dauermagnete erzeugt wird, freibeweglich bzw. »schwimmend« getragen wird. Da hierbei die Motorwelle sowohl radial als auch axial gelagert ist, eignet sich dieser Motor für Betrieb mit hoher Drehzahl, obgleich er noch mit den im folgenden angeführten Mängeln behaftet ist Wegen der »schwimmenden Lagerung« durch die Abstoßungskraft zwischen zwei Dauermagneten kann die Motorwelle infolge externer Schwingung o. dgl. leicht in Schwingung und zudem in eine leicht exzentrische Lage geraten. Außerdem bedingt die Anordnung der Dauermagnete längs der Achse der Motorwelle möglicherweise vergrößerte Abmessungen des Motors.

Bei der Verwendung des mit diesen Mangeln behafteten Motors beim optischen Deflektor des Polygonspiegeltyps treten die folgenden zusätzlichen Probleme auf: Da die Auftreffstellung eines auf den Polygonspiegel fallenden Laserstrahls bei Schwingung der Motorwelle längs ihrer Achse variiert, muß der Polygonspiegel aus- _: reichend groß sein. Hierdurch erhöhen sich Kosten und Gewicht des Polygonspiegels, so daß sich die Dreh(moment)belastung des Motors unter Beeinträchtigung ihres Anlaufverhaltens vergrößert. Bei einem Deflektor, bei dem die Lichtreflexionsflächen des Polygonspiegels unter einem Winkel zur Achse der Motorwelle liegen, variiert die Abtastfrequenz eines mit dem Polygonspiegel abgetasteten Lasers mit einer Änderung der Auftreff- oder Einfallstellung des Laserstrahls infolge von Schwingung der Motorwelle.

Ein weiteres Problem des bekannten Motors besteht darin, daß die Motorwelle in Axialrichtung nicht einstellbar ist. Gerade bei der Verwendung für den Antrieb eines Polygonspiegels kann es erforderlich sein, daß zur genauen justierung eines schräg zur Motorachse liegenden Spiegels die Motorwelle verschoben werden soll. Dies ist dort nur möglich, indem der gesamte Motor in umständlicher Weise verschoben wird.

Ein magnetisches Lager ist auch bereits aus »Philips Technische Rundschau«, 1960/61, Seite 252 bis 259, bekannt. Dort wird eine horizontale Welle mittels koaxial angeordneter, sich gegenseitig mit gleichnamigen Polen gegenüberstehender und sich deshalb abstoßender Dauermagneten in Radialrichtung stabil gehalten. In Axialrichtung ist diese bekannte magnetische Lagerung instabil, weshalb dort zusätzliche aufwendige Maßnahmen zur Stabilisierung in Axialrichtung vorgeschlagen werden. Für einen Motor der eingangs genannten Art ist die Anwendung dieser magnetischen Lagerung nicht sinnvoll.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Motorwel-Ie mit einer berührungslosen Lagerung in Axialrichtung auf eine genaue Position einstellbar ist und daß sie in dieser Position auch beim Betrieb sicher und stabil gelagert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mit der Erfindung wird ein Elektromotor mit einem magnetischen Traglager geschaffen, das aus ringförmigen ersten und /weiten Dauermagneten besteht. Der

erste Dauermagnet ist an der Motorwellc des Motors befestigt, während der zweite Dauermagnet in ein Mo- «'orgehäuse eingesetzt und unter Festlegung eines Spalts zum ersten Dauermagneten außerhalb des letzteren angeordnet ist. Der erste Dauermagnet weist an seiner Außenfläche einen Magnet-Pol auf. und -'Jer zweite Dauermagnet trägt an seiner Innenfläche einen vom zuerst genannten Pol des ersten Dauermagneten verschiedenen Magnet-Pol, so daß der erste Dauermagnet durch den zweiten Dauermagneten angezogen wird. Die Motorwelle ist somit durch die Anziehung zwischen den beiden Dauermagneten gelagert bzw. »schwimmend« aufgehängt

Durch die Verstellbarkeit des zweiten Dauermagneten in Axialrichtung kann eine Feineinstellung vorgenommen werden. Wodurch über den ersten Dauermagneten und die Motorwelle eine genaue Positionierung eines an der Motorwelle befestigten Gegenstandes, etwa eines Polygonspiegels vorgenommen wird.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht eines optischen Polygonspiegeldeflektors mit einer Elektromotoreinheit mit Merkmalen nach der Erfindung,

F i g. 2 eine in vergrößertem Maßstab und teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung eines Teils von F i g. 1,

F i g. 3 eine Aufsicht auf die Unterseite der Elektromotoreinheit gemäß F i g. 1 bei abgenommenem Stirndeckel,

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines Drucker systems mit dem optischen Deflektor gemäß F i g. 1 und

F i g. 5 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teildarstellung einer Abwandlung der Motoreinheit nach F ig. 2.

Bei einer optischen Polygonspiegel-Deflektor- bzw. -Ablenkvorrichtung 2 ist ein z. B. acht Lichtreflexionsflächen 4 besitzender Polygonspiegel 6 an der Motorwelle 10 einer Motoreinheit 8 befestigt und dabei zwischen einem auf einem konischen Abschnitt am einen Ende der Motorwelle IO angeordneten Anschlußstück 14 und einer auf einen Gewindeteil 16 der Motorweile 10 aufgesetzten Scheibe 18 gehaltert und mittels einer auf den Gewindeteil 16 aufgeschraubten Mutter 20 verspannt. Die Gewinde vom Gewindeteil 16 und Mutter 20 sind so ausgelegt, daß die Mutter 20 entgegengesetzt zur Drehrichtung der Motorwelle 10 aufschraubbar und festziehbar ist. Die Mutter 20 kann sich daher bei der Drehung der Motorwelle 10 nicht von dieser lösen.

Ähnlich wie bei einem bisherigen Motor, sitzt auf der Motorwelle 10 ein Läufer 22, um den herum ein innerhalb eines Motorgehäuses 24 befestigter Ständer 26 angeordnet irt. Läufer 22 und Motorwelle 10 werden durch den Ständer 26 in Drehung versetzt. Das Motorgehäuse 24 weist Fühmngslager 28 und 30 auf, welche die Motorwelle 10 zur Drehung radial tragen. Die Lager 28 und 30 sind von einem Pfeilverzahnung-Dynamikdrucktyp, wobei in den Lagerteilen 32 und 34 der Motorwelle 10, die in Lagerbüchsen 40 bzw. 42 eingesetzt sind, Pfeilverzahnung^ b'tv. schräg verlaufende Nuten 36 bzw. 38 ausgebildet sild- Zwischen den Lagerteilen 32 und 34 und ihren zugeordneten Lagerbüchsen 40 bis 42 sind außerordentlich kleine, gleichmäßige Zwischenräume in der Größenordnung von einigen Mikrometern vorhanden.

Gemäß F i g. 2 sind rtn' anderen Endabschnitt der Motorwelle 10 mittels (iinef Scheibe 48 und eines Schraubbolzens 46 vier ringförmige innere Dauermagnete 44 mit z. B. Süd- und Nord-Polen an Außen- bzw Innenflächen in einer Stapelanordnung befestigt. Ein ringförmiger Träger 50 ist in eine im unteren Abschnitt des Motorgehäuses 24 ausgebildete Ausnehmung so eingesetzt, daß er längs der Achse der Motorweile 10 verschiebbar ist. Im Ringträger 50 sind vier ringförmige äußere Dauermagnete 52 befestigt, die beispielsweise Nord- und Süd-Pole an Innen- bzw. Außenflächen besitzen. Innerhalb der äußeren Dauermagnete 52 befinden sich die an

ίο der Motorwelle 10 befestigten inneren Dauermagnete 44. Zwischen den Innenflächen der äußeren Dauermagnete 52 und den Außenflächen der inneren Dauermagnete 44 ist ein gleichmäßiger Zwischenraum einer Größe entsprechend einem Mehrfachen von 100 Mikrometern festgelegt. Zwischen die Innenfläche der Ausnehmung des Motorgehäuses 24 und den Ringträger 50 ist eine Tellerfeder 54 eingefügt Ein EinsteHring 58 ist in einem an der Innenfläche der Ausnehmung im Motorgehäuse 24 ausgebildeten Gewindeteil 56 so eingeschraubt, daß der Ringträger 50 durch die Tellerfeder 54 gegen den EinsteHring 58 angedrückt wird und dabei im Motorgehäuse 24 festgelegt ist. Die genannten Teile 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56 und 58 bilden ein magnetisches Traglager 60 zur axialen Lagerung der Motorwelle 10.

An der Unterseite des Motorgehäuses 24 ist gemäß F i g. 1 ein abnehmbarer Gehäusedeckel 64 angebracht, an dessen Innenfläche ein erstes Dämpferelement 62 befestigt ist, welches dem in das Ende der Motorwelle 10 eingeschraubten Schraubbolzen 46 zugewandt ist.

An der Lagerbüchse 42 ist ein den inneren Dauermagneten 44 zugewandtes zweites Dämpferelement 63 befestigt. In der Außenfläche des Einstellrings 58 sind gemäß F i g. 3 Nuten 66 ausgebildet, um den Einstellring 58 (mit Hilfe eines geeigneten Werkzeugs) in die Ausneh-

j5 mung des Motorgehäuses 24 einschrauben zu können.

Wenn beim beschriebenen optischen Polygonspiegeldeflektor der Ständer 26 der Motoreinheit 8 mit elektrischem Strom beschickt wird, werden der Läufer 22 und damit die von den Lagern 28 und 30 getragene Motorwelle 10 in Drehung versetzt. Bei der Drehung der Motorwelle 10 saugen die in den Lagerteilen 32 und 34 ausgebildeten Pfeilverzahnungen bzw. Schrägnuten 36 bzw. 38 Außenluft in die äußerst kleinen Zwischenräume zwischen den Lagerteilen 32 und 34 und den Lagerbüchsen 44 bzw. 42 an, so daß ein Luftstrom in diesen Zwischenräumen entsteht. Infolgedessen steigt der Druck innerhalb dieser sehr feinen Zwischenräume, insbesondere im Bereich über den Mittelabschnitten der Lagerbüchsen 40 und 42 an, so daß die Motorwelle 10 einer radial gerichteten Kraft ausgesetzt ist und von dem in den Zwischenräumen herrschenden Druck getragen wird. Beim magnetischen Traglager fiO sind die ringförmigen äußeren und inneren Dauermagnete 52 bzw. 44 bestrebt, einander anzuziehen. Gemäß F i g. 2 ziehen dabei die Süd- und Nord-Pole an den Außenflächen der inneren Dauermagnete 44 die Nord- bzw. Süd-Pole an den Innenflächen der Außenmagnete 5?. an. Die inneren Dauermagnete 44 befinden sich damit in einer Gleichgewichtsstellung, die von der Anziehungskraft

bo zwischen den Dauermagneten 52 und 54 und dem Gewicht der Motorwelle 10 sowie der davon getragenen Teile abhängt, so daß die Motorwelle 10 in einer Art »Schwebezustand« gehalten wird. Bei ihrer Drehung steht die Motorwelle 10 demzufolge weder in Radiainoch in Axialrichtung mit irgendwelchen Teilen in Berührung, so daß der Polygonspiegel 6 mit hoher Drehzahl in Drehung versetzt werden kann.

Bei Anordnung in einem in F i g. 4 dargestellten Druk-

kersystem arbeitet der optische Deflektor 2 gemäß F i g. 1 wie folgt: Beim Druckersystem gemäß F i g. 4 wird ein durch Informationen oder Daten in seiner Intensität modulierter Laserstrahl von einer Lasereinheit 68, beispielsweise einem Halbleiter-Laser, über eine Projektionslinse 71 auf den Polygonspiegel 6 geworfen. Da der Polygonspiegel 6 durch die Motoreinheit 8 mit hoher Drehzahl in Drehung versetzt wird, wird der von den Lichtreflexionsflächen 4 des Polygonspiegels 6 reflektierte Laserstrahl in einem gewissen Ausbreitungswinkel abgelenkt. Der abgelenkte Laserstrahl wird durch eine Konvergenzlinse 70 konvergiert und durch einen Spiegel 72 reflektiert. Der vom Spiegel 72 reflektierte Laserstrahl wird sodann auf eine lichtempfindliche Trommel 74 geworfen, die sich in der durch den Pfeil 76 in F i g. 4 angedeuteten Richtung dreht. Die lichtempfindliche Trommel 74 wird somit zur Ausbildung eines Latentbildes auf ihr mit dem Laserstrahl abgetastet. Wenn beim System gemäß Fig.4 der Laserstrahl auf eine von den Lichtreflexionsflächen des Polygonspiegels 6 abweichende Stelle fällt oder nicht auf einen vorgesehenen Bereich der Lichtreflexionsflächen 4 auftritt, kann die Motorwelle 10 der Motoreinheit 8 zur Lageneinstellung des Polygonspiegels 6 auf die im folgenden beschriebene Weise axial verschoben werden. Zunächst wird der Stirndeckel 64 vom Motorgehäuse 24 abgenommen (vgl. F i g. 3). worauf ein Werkzeug, etwa ein Schraubendreher, in die Nuten 66 des Einstellrings 58 eingeführt und letzterer auf die durch den Pfeil 77 in F i g. 2 angedeutete Weise in das Motorgehäuse hinein oder aus ihm herausgedreht wird. Der Ringträger 50 verschiebt sich dabei, wie durch den Pfeil 78 angedeutet, längs der Achse der Motorwelle 10. Wenn sich die am Ringträger 50 befestigten äußeren Dauermagnete 52 mit dem Ringträger 50 längs der Achse der Motorwelle 10 verschieben, verlagern sich die durch die äußeren Dauermagneten 52 in der Gleichgewichtsstellung gehaltenen inneren Dauermagnete 44, wie durch den Pfeil 80 angedeutet, ebenfalls in Richtung der Achse der Motorwelle 10. Infolgedessen verschiebt sich die die inneren Dauermagnete 44 tragende Motorwelle 10 zur Einstellung der Höhenlage des Polygonspiegels 6 längs ihrer eigenen Achse, so daß der Laserstrahl auf die vorgesehenen Bereiche der Lichtreflexionsflächen 4 fallen kann. Wenn sich die Motorwelle 10 zu weit axial bewegt oder unter einem von außen einwirkenden Schlag bzw. Stoß längs ihrer Achse verschoben wird, während die Motoreinheit 8 getragen wird oder in Betrieb steht, stoßen die inneren Dauermagnete 44 oder der Schraubbolzen 46 gegen erstes bzw. zweites Dämpferelement 62 bzw. 63 an. Die Dämpferelemente 62 und 63 nehmen dabei unter Verhinderung einer Beschädigung der Bauteile der Motoreinheit 8 den Stoß auf.

Um während des Transports der Motoreinheit 8 eine Beschädigung ihrer Bauteile durch von außen einwirkende Stöße und Schläge zu verhindern, ist der Stirndeckel 64 vorzugsweise gemäß F i g. 5 mit einem Schraubeneiement 80 zur Festlegung der Motorwelle 10 versehen. Für den Transport oder Versand der Motoreinheit 8 wird das Schraubenelemeni 80 in eine zentrale Gewindebohrung im Stirndeckel 64 eingeschraubt, so daß es über dessen Innenseite hinausragt und mit der Spitze an dem in die Motorwelle 10 eingeschraubten Schraubbolzen 46 anliegt. Dabei wird die Motorwelle 10 durch das Schraubenelement 80 radial verschoben, wobei die inneren Dauermagnete 44 gegen das an der Lagerbüchse 42 befestigte zweite Dämpferelement 63 angedrückt werden. Die inneren Dauermagnete 44 sind sodann zwischen dem zweiten Dämpferelement 63 und dem Schraubenelement 80 verspannt. Während des Transports oder Versands ist somit die Motorwelle 10 in der Motoreinheit 8 unbeweglich festgelegt. Nach dem Einbau der Motoreinheit 8 in das System gemäß F i g. 4 wird das Schraubenelement 80 herausgedreht, so daß die inneren Dauermagnete 44 sich in ihre Gleichgewichtsstellung verlagern und damit die Motorwelle 10 in

ίο einem »Schwebezustand« halten.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das magnetische Traglager 60 auf eine Motoreinheit des Pfeilverzahnungstyps angewandt. Wahlweise kann es jedoch auch auf eine Motoreinheit des Kippsegmenttyps oder des Schwebebüchsentyps angewandt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromotor mit senkrechter Welle, dessen Läufer über zwei Führungslager und ein Traglager berührungslos gelagert ist, wobei das Traglager zumindest einen an der Motorwelle befestigten ersten Dauermagneten und zumindest einen dem ersten Dauermagneten gegenüberstehend am Gehäuse befestigten zweiten Dauermagneten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dauermagnet (44) ringförmig ausgebildet Ut, mit seiner Innenumfangsfläche koaxial an der Motorwelle (10) befestigt ist und an seiner Außenumfangsfläche einen Magnetpol aufweist, daß der zweite Dauermagnet (52) ebenfalls ringförmig ausgebildet und koaxial zum ersten Dauermagneter (44) im Motorgehäuse (24) angeordnet ist, mit seiner Innenumfangsfläche der Außenumfangsfläche des ersten Dauermagneten (44) gegenübersteht und an dieser Innenumfangsfläche einen vom Magnetpol an der Außenumfangsfläche des ersten Dauermagneten (44) verschiedenen Magnetpol aufweist, daß der zweite Dauermagnet in Axialrichtung der Motorwelle (10) verschiebbar im Motorgehäuse (24) angeordnet ist und daß weiterhin Mittel (50,54,56,58,66) zur Einstellung der Axialstellung des zweiten Dauermagneten (52) vorgesehen sind.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste (44) und zweite (52) Dauermagneten in Axialrichtung aufeinanderliegend angeordnet sind, wobei die jeweils benachbarten Dauermagnete entgegengesetzte Polarisierungen aufweisen.

3. Elektromotoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (50, 54, 56, 58, 66) einen fest mit dem bzw. den zweiten Dauermagneten (52) verbundenen und verschiebbar in das Motorgehäuse (24) eingesetzten Ringträger (50), ein in das Motorgehäuse (24) eingeschraubtes Schrauben- bzw. Gewindeelement (56, 58) zur Verschiebung des Ringträgers (50) längs der Achse der Motorwelle (10) und ein elastisches Element (54), welches den Ringträger (50) gegen das Gewindeelcment (56,58) andrückt, umfassen.

4. Elektromotoreinheit nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpferelemente (62,63) zur Begrenzung des Axialbewegungsbereichs der Motorwelle (10) vorgesehen sind.

5. Elektromotoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (80) zum Andrücken des an der Motorwelle (10) befestigten ersten Dauermagneten (44) gegen das Dämpferelement (63) zwecks Begrenzung der Axialbewegung der Motorwelle (10) vorgesehen ist.