Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für Speichermedien mit einem kollektorlosen
Gleichstrommotor und einer Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen mit zur
Drehzahl des Motors proportionaler Frequenz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Kollektorlose Gleichstrommotoren für den Antrieb von Plattenspeichern der Datentechnik
laufen mit Drehzahlen, die im allgmeinen zwischen 3600 und 5000 U/min liegen.
Zur Steuerung der Leseköpfe benötigt man bei solchen Motoren äußerst präzise
Rotorstellungssignale, damit die Daten auf den einzelnen Spuren des Plattenspeichers
richtig eingegeben werden können bzw. aus diesen Spuren richtig, d. h. winkelgerecht,
entnommen werden können. Hierzu sind verschiedene Vorschläge bekannt geworden.
Einen davon zeigt die DE 31 28 417 A1. Dort wird bei einer Antriebsanordnung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 eine speziell magnetisierte Magnetspur
verwendet, der spezielle galvanomagnetische Sensoren zugeordnet sind. Diese Lösung
ist - bei konstanten Betriebstemperaturen - genau, aber aufwendig. Sofern starke
Temperaturschwankungen auftreten, können die Sensoren eine unerwünschte Temperaturempfindlichkeit
zeigen, wodurch die Genauigkeit des Signals leiden kann.
In der älteren Zeitrang aufweisenden DE 33 27 123 A1 ist ferner vorgeschlagen worden,
einen induktiven Sensor in Form einer kleinen Spule in den Motor auf der Innenseite
eines Außenläuferrotors einzubauen. In dieser Spule werden aber auch Signale vom Stator
her induziert, so daß es schwierig ist, präzise, störungsfreie Impulse zu erhalten, mit
denen eine einwandfreie Steuerung des Datenflusses vom und zum Plattenspeicher
möglich ist.
In der gleichfalls zum Stand der Technik gemäß § 3, Abs. 2 PatG gehörenden
DE 33 19 029 A1 wird vorgeschlagen, zum Erzeugen eines Erkennungsimpulses pro
mechanischer Umdrehung des Rotors eines kollektorlosen Gleichstrommotors einen
induktiven Geber vorzusehen, er auf eine Auwerteschaltung mit einem Komparator
arbeitet, der zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist. Als induktiver Geber ist dabei
eine zweipolige Hilfswicklung vorgesehen, die um ein Statorpolpaar des
Statorblechpakets des Motors so gewickelt ist, daß sie in entgegengesetzte
Magnetpolfelder des Rotormagneten des Motors ragt. Mindestens zwei Polgrenzen des
mit mindestens zwei Polpaaren ausgestatteten Rotormagneten sind am Luftspaltumfang
im Abstand von mindestens 360°el so versetzt, daß in zwei Umfangsbereichen eine
gegensätzliche Magnetisierung auftritt. In der Auswerteschaltung ist dem Komparator
ein Integrator vorgeschaltet, dessen Ausgang mit dem einen Komparatoreingang
verbunden ist, während der andere Komparatoreingang unmittelbar an das eine Ende
der Hilfswicklung angeschlossen ist.
Drehstellungsimpulse lassen sich auch mit optischen Licht- oder Reflexschranken relativ
einfach erzeugen. Die optischen Bauteile sind aber vergleichsweise kostspielig, sie altern
und sind auch gegen Schmutz anfällig.
Indeximpulse zur Erkennung einer vorbestimmten Winkellage eines rotierenden
Bauteils werden beispielsweise auch bei Antrieben für Videokopftrommeln benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung zu schaffen, die in
der Lage ist, auf verläßliche und von den Umgebungsbedingungen weitgehend unabhängige
Weise hochpräzise Lageerkennungsimpulse (Indeximpulse) zu erzeugen.
Bei einer Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Auswerteschaltung einen Komparator mit asymmetrischer Hysterese aufweist, zwischen
dessen beiden Eingängen das Ausgangssignal des Gebers anliegt und dessen Hysterese
auf das Geberausgangssignal derart abgestimmt ist, daß der Komparatorausgang
von einem ersten auf ein zweites Potential umspringt, wenn
die Amplitude des Signalimpulses bei vorbestimmter Polari
tät einen vorbestimmten Schaltspannungsbetrag überschrei
tet, sowie von dem zweiten auf das erste Potential zurück
springt, wenn der Signalimpuls seinen Nulldurchgang von
der vorbestimmten zur entgegengesetzten Polarität durch
läuft.
Durch die geschickte Ausnutzung der asymmetrischen Hystere
se des Komparators erreicht man eine äußerst präzise Im
pulsgabe in dem Seitpunkt, in dem der alternierende Span
nungsimpuls den Nulldurchgang zwischen seinen beiden Po
laritäten durchläuft. Da dieser Nulldurchgang unabhängig
von Temperatur und Alterung der Geberbauteile ist, er
gibt seine Erfassung ein von Toleranzen weitgehend freies,
hochpräzises Signal. Da ferner die Signalamplitude bei
niedrigen Drehzahlen nicht ausreicht, um den Komparator
umzuschalten, zeigt die Erzeugung von Impulsen gleich
zeitig an, daß eine bestimmte Drehzahl erreicht ist und
daß zum Beispiel im Falle eines Magnetplattenspeichers
die Schreib-Leseköpfe jetzt ein ausreichendes Luftkissen
erzeugen können.
Bei dem Geber kann es sich zweckmäßig um einen induktiven
Geber handeln. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung weist der Geber einen dauermagnetischen
Sensormagneten und eine damit zusammenwirkende Sensorspule
auf; der Sensormagnet und die Sensorspule sind dabei mit
einer der Drehzahl des Antriebsmotors entsprechenden Dreh
zahl relativ zueinander derart drehbar, daß sie bei jeder
Umdrehung des Antriebsmotors einmal aneinander vorbeilau
fen. Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der
Erfindung ist der Geber mit einem dauermagnetischen Sensor
magneten, einer mit Bezug auf den Sensormagneten unbewegbar
angeordneten Sensorspule sowie einem weichferromagnetischen
Bauteil mit einer Diskontinuität ausgestattet. In diesem Fal
le sind die aus. Sensormagnet und Sensorspule bestehende Ein
heit und das ferromagnetische Bauteil mit einer der Drehzahl
des Antriebsmotors entsprechenden Drehzahl relativ zueinander
derart drehbar, daß sie bei jeder Umdrehung des Antriebsmo
tors einmal aneinander vorbeilaufen. Die Diskontinuität des
weichferromagnetischen Bauteils führt zu einer Änderung des
magnetischen Leitwertes. Bei beiden Ausführungsformen wird
in der Sensorspule einmal pro Umdrehung ein Signalimpuls der
vorstehend genannten Art erzeugt.
Zur Unterdrückung von höherfrequenten Störsignalen kann zweck
mäßig den Eingängen des Komparators eine Tiefpaß-Siebkette
vorgeschaltet sein.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Komparator läßt sich
besonders einfach aus einem Differenzverstärker und einer die
sem Verstärker zugeordneten Beschaltung zum Erzwingen der
asymmetrischen Hysterese aufbauen. Bei dieser Beschaltung
kann es sich beispielsweise um einen zwischen dem Ausgang
und dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers
liegenden ersten Widerstand, einen zwischen dem Ausgang und
einem Versorgungsspannungsanschluß liegenden zweiten Wider
stand und einen dem nichtinvertierenden Eingang vorgeschal
teten dritten Widerstand handeln. Dabei kann der invertie
rende Eingang des Differenzverstärkers einfach auf Nullpo
tential gelegt sein.
An den Ausgang des Komparators ist vorzugsweise ein mono
stabiler Multivibrator angeschlossen. Dieser erlaubt es,
das Ausgangssignal des Komparators in Indeximpulse umzu
setzen, deren Breite unabhängig von der Drehzahl des An
triebsmotors ist.
Bei dem kollektorlosen Gleichstrommotor kann es sich vorteilhaft um einen
Außenläufermotor mit einem Stator und einer um den Stator
herum angeordneten Rotormagnetanordnung handeln. Dabei
kann der Sensormagnet zweckmäßig an einem axialen Ende
der Rotormagnetanordnung sitzen und mit dieser drehfest
verbunden sein, während die Sensorspule am Stator im Be
reich einer von dem Sensormagneten durchlaufenen Umlauf
bahn angeordnet ist. Um in einem solchen Fall eine Beein
flussung der Sensorspule durch die beispielsweise zwei
oder mehr Polpaare aufweisende Rotormagnetanordnung wei
testgehend auszuschließen, ist vorteilhaft auf das eine
axiale Ende der Rotormagnetanordnung ein Abschirmring
aus weichferromagnetischem Material aufgesetzt; dieser
Abschirmring weist eine Ausnehmung auf, in welcher der
Sensormagnet angeordnet ist.
Ist die Antriebsanordnung für ein magnetisches Speicher
medium, beispielsweise Magnetspeicherplatten, bestimmt,
ist vorzugsweise eine magnetische Abschirmung zwischen
Magnetfelder erzeugenden Antriebsteilen der Antriebsan
ordnung und einem Raum zur Aufnahme des magnetischen Spei
chermediums vorgesehen. Dies sichert gegen Datenverluste
und Störungen bei der Dateneingabe und Datenausgabe. Die
magnetische Abschirmung kann insbesondere eine mit dem
Stator verbundene weichferromagnetische Abschirmplatte
aufweisen, welche dem einen axialen Ende der Rotormagnet
anordnung gegenüberliegt.
Die Sensorspule weist vorteilhaft einen weichferromagneti
schen Kern auf. Dieser kann in einer zu der Ebene der Um
laufbahn des Sensormagneten im wesentlichen senkrechten
Richtung verstellbar sein. Dies erlaubt es, die Größe des
Luftspaltes zwischen Sensorspule und Sensormagnet einzu
stellen. Für diesen Zweck kann einfach in einer Ausnehmung
der Abschirmplatte eine mit einem Innengewinde versehene
Buchse befestigt sein, und der Spulenkern kann ein mit dem
Buchseninnengewinde in Eingriff stehendes Außengewinde tra
gen.
Teil des Stators bildet zweckmäßig eine Leiterplatte, die
den Komparator und weitere Schaltungskomponenten tragen
kann, insbesondere z. B. einen Drehzahlregler und/oder
die Kommu
tierungselektronik. Die Leiterplatte kann auf der der Ro
tormagnetanordnung zugewendeten Seite der Abschirmplatte
sitzen und Schaltungskomponenten auf ihrer der Rotormag
netanordnung zugewendeten Seite tragen. Dies ermöglicht
einen besonders gedrängten Aufbau in axialer Richtung,
weil sperrige Schaltungskomponenten so angeordnet wer
den können, daß sie z. B. in Nuten der Statorwicklung pas
sen und damit diesen ohnehin vorhandenen Raum nutzen. Es
ist aber auch möglich, die Leiterplatte auf der von der
Rotormagnetanordnung abgewendeten Seite der Abschirmplat
pe anzuordnen und Schaltungskomponenten auf die von der
Rotormagnetanordnung abgewendete Seite der Leiterplatte
aufzusetzen. Im letztgenannten Fall kann die Sensorspule
an der Leiterplatte gehaltert sein, und die Abschirmplatte
kann eine Ausnehmung aufweisen, in die der Spulenkern
hineinragt. Das Feld der Rotormagnetanordnung wirkt in
einem solchen Fall auf die Sensorspule nur relativ schwach
ein, so daß auf den zusätzlichen Abschirmring gegebenen
falls verzichtet werden kann.
Bei der Ausführungsform, bei welcher die Sensorspule mit
Bezug auf den Sensormagneten unbewegbar angeordnet ,ist,
wird der Sensormagnet vorteilhaft auf das dem weichferro
magnetischen Bauteil zugekehrte Ende des Spulenkerns auf
gesetzt.
Die Rotormagnetanordnung kann vorteilhaft in einem Rotorge
häuse aus weichferromagnetischem Material untergebracht
sein, das die Form einer offenen Glocke hat und die Dis
kontinuität beinhaltet, beispielsweise für diesen Zweck an
ihrem Rand mit einem Schlitz versehen ist.
Wenn es darauf ankommt, die Sensorvorrichtung auf klein
stem Raum unterzubringen und gleichwohl ein hohes Ver
hältnis von Nutzspannung zu Störspannung zu erzielen,
wird der Geber vorteilhaft mit einer Sensorspitze aus
weichmagnetischem Werkstoff versehen, die im Bereich ih
res eines Endes den als Miniatur-Dauermagneten ausgebil
deten Sensormagneten und in einem daran axial anschließen
den Bereich die Sensorspule trägt. Versuche zeigten, daß
sich auf diese Weise Sensoreinheiten aufbauen lassen, die
einen axialen Einbauraum von, nur etwa 1 mm erfordern. Die
so aufgebaute Sensoreinheit hat einen hohen Wirkungsgrad,
d. h. sie wird durch Fremdfelder wenig beeinflußt, und sie
erzeugt einen einwandfrei erkennbaren Signalimpuls dann
und nur dann, wenn die Diskontinuität des weichferromagne
tischen Bauteils vorbeiläuft. Im Interesse einer weiteren
Miniaturisierung der Sensoreinheit ist dabei zweckmäßig
das den Sensormagneten tragende Ende der Sensorspitze ab
gekröpft. Die Größe der Abkröpfung ist vorzugsweise so be
messen, daß die Mittelebene der aus dem Sensormagneten und
dem diesen tragenden Sensorspitzenende bestehenden Anord
nung mit der Mittelebene des die Sensorspule tragenden,
langgestreckten Teiles der Sensorspitze im wesentlichen
fluchtet. Des weiteren ist zweckmäßig in der Ebene, in
welcher die Sensorspitze abgekröpft ist, die Abmessung
der Sensorspule gleich oder kleiner als die Summe der Ab
messungen des Sensormagneten und des ihn tragenden Sen
sorspitzenendes.
Zur Erhöhung der Ansprechgenauigkeit kann der Sensormagnet
an dem von der Sensorspule abgewendeten Ende in der zur
Abkröpfungsebene senkrechten Ebene zugespitzt sein. Die
Sensorspitze ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
zweckmäßig an einem nicht-ferromagnetischen Träger befe
stigt, z. B. mit einem Träger aus Aluminiumblech verklebt,
um Störfeldbeeinflussungen weiter zu verringern.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Aus
führungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden
Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
ersten Ausführungsform einer Einrich
tung zur Erzeugung einer Meßspannung
in einer Sensorspule durch ein vorbei
laufendes Objekt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung
einer zweiten Ausführungsform ei
ner Einrichtung zur Erzeugung ei
ner Meßspannung in einer Sensor
spule durch ein vorbeilaufendes
Objekt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der
in den Sensorspulen nach den Fig.
1 und 2 erzeugten alternierenden
Signalimpulse,
Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Auswerteschal
tung,
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Auswerteschal
tung mit zusätzlicher Siebkette
zum Ausfiltern von Störspannungen,
Fig. 6 einen Schnitt durch einen kollek
torlosen Außenläufer-Gleichstrom
motor zum Antrieb eines Platten
speichers, wobei eine Sensorspule
und ein Sensormagnet entsprechend
Fig. 1 vorgesehen sind,
Fig. 7 einen Schnitt nur durch den Außen
rotor entlang der Linie VII-VII
der Fig. 6, etwa im Vergrößerungs
maßstab 2 : 1,
Fig. 8 Schaubilder zur Erläuterung der
Wirkungsweise der Auswerteschal
tungen nach den Fig. 4 und 5,
Fig. 9 in größerem Maßstab einen Teil
schnitt durch einen Motor ähn
lich Fig. 6 mit abgewandelter
Sensoreinheit,
Fig. 10 einen Teilschnitt entsprechend
Fig. 9, der eine weiter abgewan
delte Ausführungsform der Sensor
einheit erkennen läßt,
Fig. 11 einen Teilschnitt durch einen
Plattenspeicherantrieb gemäß ei
ner weiter abgewandelten Ausfüh
rungsform der Erfindung,
Fig. 12 einen Teilschnitt durch einen
Hartplatten-Speicherantrieb mit
Miniatursensoreinheit und
Fig. 13 eine Draufsicht entlang der Linie
XIII-XIII der Fig. 12.
Fig. 1 zeigt einen feststehenden Stator 10 mit einer Eisen
platte 11, an der ein weichmagnetischer Spulenkern 12 fest
genietet ist, auf dem sich eine Sensorspule 13 befindet. An
einem Rotor 14, der sich in Richtung eines Pfeils 15 bewegt,
befindet sich ein als Dauermagnet ausgebildeter Sensormag
net 16. Bewegt sich der Sensormagnet 16 an der Sensorspule
13 vorbei, wird in dieser ein Signalimpuls u erzeugt, der
zwischen zwei Polaritäten alterniert, wie das Fig. 3 zeigt.
Ein solcher Impuls ist also zum Beispiel zuerst positiv
und geht dann über einen Nulldurchgang in einen negativen
Teilimpuls über. Beide Teilimpulse haben gleiche Spannungs-
Zeit-Flächen; der Gesamtimpuls ist also gleichspannungsfrei.
Fig. 2 zeigt eine Alternative. Hierbei ist in Serie mit dem
Spulenkern 12 ein stationärer Sensormagnet 16 vorgesehen,
und am Rotor 14 (aus Weicheisen) ist eine Diskontinuität
in Form eines Vorsprungs 18 (oder alternativ einer Ausneh
mung 19) vorgesehen. Auch hier wird in der Sensorspule 13
ein alternierender Signalimpuls u (Fig. 3) erzeugt, wenn
entweder der Vorsprung- 18 oder die Ausnehmung 19 an ihr
vorbeilaufen.
Bei beiden Varianten tritt der Nulldurchgang 17 eines Signal
impulses u dann auf, wenn Sensorspule und Gegenstück 16 (Fig. 1)
oder 18 bzw. 19 (Fig. 2) in direkter Opposition sind. Die
ser Nulldurchgang ist folglich ein genaues Maß für die Rotor
stellung, und er ist unabhängig von Temperaturänderungen, un
abhängig von Änderungen der Betriebsspannung, unabhängig von
Abstandsänderungen und unabhängig von Alterungserscheinungen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei erfindungsgemäße Schaltungen
zur präzisen Auswertung dieses Nulldurchgangs.
Entsprechend Fig. 4 sind das eine Ende der Sensorspule 13
über einen Widerstand 21 mit dem nichtinvertierenden Ein
gang und das andere Ende der Sensorspule mit dem invertie
renden Eingang eines Differenzverstärkers 22 und mit Masse
verbunden. Der Ausgang 23 des Differenzverstärkers 22 ist
über einen Widerstand 24 mit einem positiven Speisepoten
tial und über einen Widerstand 25 mit dem nichtinvertie
renden Eingang des Differenzverstärkers 22 verbunden. Der
Differenzverstärker 22 und die aus den Widerständen 21, 24,
25 bestehende Beschaltung dieses Verstärkers bilden einen
Komparator mit asymmetrischer Hysterese, wie dies anhand
der Fig. 8 näher erläutert ist.
Fig. 8A zeigt die Spannung u zwischen den beiden Eingängen
des Komparators 21 bis 25. Diese Spannung ist so gepolt,
daß sie der Schalthysterese des Komparators entspricht, al
so dessen Speichereigenschaften optimal ausnützt. Hierzu
wird der alternierende Signalimpuls u (Fig. 8A) so gepolt,
daß zuerst der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 22
negativer wird als der nichtinvertierende Eingang. Die
Folge ist, daß die untere Schwellenspannung v₁ des Kompa
rators unterschritten wird, die zum Beispiel -40 mV betra
gen kann, so daß der Ausgang 23 des Komparators zum Zeit
punkt t₁ auf Massepotential springt, wie das Fig. 8B zeigt.
Dabei ist Voraussetzung, daß die induzierte Spannung u eine
Amplitude hat, deren Betrag größer ist als v₁. Ist diese
Amplitude kleiner, so werden keine Signale erzeugt, d. h.
bei zu niedriger Drehzahl erhält man am Ausgang 23 keine
Impulse, und das Auftreten dieser Impulse kann somit als
Maß für das Überschreitcn einer Mindestdrehzahl verwendet
und z. B. zum Steuern der Leseköpfe eines Magnetplatten
speichers genutzt werden. Wenn der alternierende Signal
impuls u die Nullinie v₂ am Nulldurchgang 17 wieder von
negativen nach positiven Werten überschreitet, springt
zum Zeitpunkt t2 der Ausgang 23 zurück auf ein positi
ves Potential, wie das Fig. 8B zeigt, und dieser Poten
tialsprung triggert den monostabilen Multivibrator 26, der gemäß
Fig. 8C einen kurzen Signalimpuls 30 der festen Zeit
dauer τ abgibt.
Die Genauigkeit des Umschaltpunktes t2 hängt nur von der
Größe der Offset-Spannung des Komparators ab.
Der beschriebene Vorgang wiederholt sich dann periodisch
mit der Rotationsfrequenz des überwachten Motors. Der Ab
stand T (Fig. 8C) zwischen zwei Impulsen 30 ist dabei ein
hochgenaues Maß für die jeweilige Drehzahl, und die Lage
der Impulse 30 ist ein hochgenaues Maß für die au
genblickliche Winkelstellung des Rotors.
Positive Störimpulse 31, die von der Kommutierung des Mo
tors herrühren, stören nicht, da ja der Ausgang 23 bereits
positiv ist. Negative Störimpulse 32 stören ebenfalls nicht,
sofern sie dem Betrag nach kleiner sind als die untere
Schwellenspannung v₁, die entsprechend gewählt werden
kann. Auf diese Weise wird die Asymmetrie des Schaltver
haltens des Komparators 21 bis 25 sehr geschickt ausge
nutzt.
Muß mit starken Störimpulsen, 31, 32 gerechnet werden, kann
gemäß Fig. 5 die Eingangsspannung u gefiltert werden. Hier
zu dient eine Siebkette, die aus einem Widerstand 33, ei
nem Kondensator 34 und dem Widerstand 21 besteht. Man er
hält hierdurch jedoch eine Phasenverschiebung der Span
nung u in Richtung spät, d. h. der Komparator wird später
eingeschaltet, was in der nachfolgenden Elektronik berück
sichtigt werden muß. Bei der Auslegung von Fig. 5 geht man
vorteilhaft so vor, daß der Wert des Widerstands 33 etwa
ein Zehntel des Widerstands 21 beträgt, während der Rück
führ-Widerstand 25 etwa das 50fache des Widerstands 21 be
tragen sollte. Auch hier ist wichtig, daß der Abschnitt
negativer Polarität des Signalimpulses u als erster zum
Komparator gelangt und dessen Ausgang sperrt, damit an
schließend - beim Nulldurchgang 17 zum Abschnitt positiver
Polarität - der Ausgang 23 auf einen positiven Wert springen
und den monostabilen Multivibrator 26 triggern kann. Sofern störarme
Signalimpulse u verwendet werden, können die Filterelemente
33, 34 klein gehalten werden oder ganz entfallen.
Die Fig. 6 und 7 zeigen als Antrieb für einen Plattenspeicher
einen als Außenläufermotor ausgebildeten kollektorlosen Gleichstrommotor
40, bei
dem man - ohne Vergrößerung des Motors - störarme Signalimpulse
erzeugen kann. Dieser Motor hat ein Lagertragrohr
41 mit einem Tragflansch 42. Im Lagertragrohr 41 sind,
durch einen radialen Vorsprung 43 im Abstand voneinander
gehalten, zwei Kugellager 44, 45 angeordnet, die eine
Welle 46 lagern. Der Innenring des oberen Kugellagers
44 ist mit der Welle 46 fest verbunden, z. B. durch
Kleben. Der Mittenabstand der beiden Kugellager 44, 45 entspricht
etwa dem Durchmesser der Welle 46. Der Innenring
des unteren Kugellagers 45 ist auf der Welle 46 verschiebbar.
Am oberen Ende der Welle 46 ist eine Nabe 52 befestigt,
welche der Auf- und Mitnahme einer nicht dargestellten
Speicherplatte dient, deren Mittelbohrung einen Durch
messer hat, welcher dem Außendurchmesser der Nabe 52
entspricht. Diese Nabe 52 hat einen nach innen ragen
den Kragen 53, und dieser bildet den inneren Teil ei
ner Magnetflüssigkeitsdichtung, deren Außenteil von
einem Magnetring 54 gebildet wird, der in das Lager
tragrohr 41 fest eingesetzt ist. Zwischen diesem Mag
netring 54 und dem Kragen 53 liegt eine magnetische
Dichtflüssigkeit.
Auf dem unteren Ende der Welle 46 ist mit Preßsitz ein
tiefgezogenes, schalenförmiges Rotorgehäuse 56 aus einem
magnetisch leitenden Werkstoff aufgesetzt. Fig. 6 zeigt
hierfür zwei Versionen. In den Außenrand 58 des Rotorge
häuses 56 ist ein durchgehender Magnetring 59 eingesetzt,
z. B. ein sogenannter "Gummimagnet". Dieser kann je nach
Motortyp z. B. 4polig radial magnetisiert sein, und zwar
bevorzugt mit einem etwa trapezförmigen Induktionsver
lauf ,entsprechend der DE-PS 23 46 380. Der Magnetring
59 ist durch einen zylindrischen Luftspalt 62 getrennt
von einer Statoranordnung 63. Letztere enthält ein
Statorblechpaket 64, z. B. mit 4 T-Ankern, also vier Nuten,
und auf dessen Enden sind abgewinkelte Elemente 65, 66 auf
gesetzt. Die abgewinkelten Enden dieser Elemente 65, 66
bilden eine Verlängerung des Luftspalts 62, d. h. ihr radia
ler Abstand von der Innenfläche des Magnetrings 59 ist
identisch mit dem radialen Abstand des Statorblechpakets
64 in derselben Schnittebene. Auf den Elementen 65, 66
ist eine Isolierschicht 67 aufgebracht, und auf diese ist
die Statorwicklung 68 gewickelt. Je nach Motorbauart kann
dies z. B. eine ein-, zwei- oder dreisträngige Wicklung sein.
Oberhalb des Magnetrings 59 ist zur magnetischen Abschirmung
eine etwa ringförmige Abschirmplatte 72 aus magnetisch leitendem
Werkstoff befestigt, und direkt unter ihr liegt eine Leiterplatte
73, auf der elektronische Bauelemente des Außenläufermotors 40
angeordnet sind, z. B. die Schaltungskomponenten der Fig. 4
oder 5 und als Stellungssensor für die Kommutierung ein
Hall-IC, der in eine Nut des Statorblechpakets 64 ragt. Ein
Kabel 76 dient als Anschluß der Leiterplatte 73.
Zwischen dem Boden des Rotorgehäuses 56 und dem Innenring
des Kugellagers 45 ist eine Tellerfeder 77 angeordnet, welche
die beiden Kugellager 44 und 45 gegeneinander verspannt. Ein
solcher Motor ist Gegenstand der DE 33 27 123 A1.
Oberhalb des Magnetrings 59, und noch innerhalb des oberen
Randes des Außenrandes 58, befindet sich ein Abschirmring 80
aus weichferromagnetischem Material. Dieser Abschirmring 80 kann z. B.
eine Dicke von 0,5 mm haben; er weist eine Ausnehmung 81 auf,
und in dieser Ausnehmung ist auf dem Magnetring 59 ein Kobalt-
Samarium-Sensormagnet 82 befestigt, der z. B. eine Höhe von
1 mm haben kann und der in Achsrichtung des Motors polari
siert ist, also z. B. in Fig. 7 auf seiner sichtbaren Ober
seite einen Nordpol und auf seiner unsichtbaren Unterseite
einen Südpol hat.
In der Abschirmplatte 72 ist ein Bolzen 83 aus weichferromag
netischem Werkstoff so festgenietet, daß er zum Sensormagne
ten 82 hin ragt und von diesem nur einen kleinen Abstand hat,
wenn sich dieser Magnet 82 unter ihm befindet, wie das Fig. 6
zeigt. Auf dem Bolzen 83 ist eine Sensorspule 84 befestigt,
deren Anschluß mit 85 bezeichnet ist und der der Sensorspule
13 in Fig. 1 entspricht.
Wenn sich im Betrieb der Rotor dreht, induziert der Sen
sormagnet 82 bei jeder Umdrehung einen alternierenden Sig
nalimpuls in der Sensorspule 84. Dieser Signalimpuls hat
die in Fig. 8A dargestellte Form, und er ist weitgehend
unabhängig von der Temperatur und anderen Einflüssen. Die
ser Meßimpuls wird dann mittels einer der Schaltungen nach
Fig. 4 oder 5 ausgewertet, um hochpräzise Stellungssignale
zu erhalten.
Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 9 sitzt
die Leiterplatte 73 auf der von dem Magnetring 59 abgewende
ten Seite der Abschirmplatte 72. Auf der von dem Magnetring
59 abgewendeten Seite der Leiterplatte 73 sind eine den Dif
ferenzverstärker 22 bildende integrierte Schaltung und der Wi
derstand 21 angedeutet. Es versteht sich, daß die Leiterplat
te 73 zusätzliche Schaltungskomponenten tragen kann, unter
anderem auch einen Drehstellungssensor für die Kommutierung.
Letzterer kann von einem Hall-IC gebildet sein, das durch
eine entsprechende Ausnehmung der Abschirmplatte 72 nach un
ten absteht, um von dem Feld des Magnetrings 59 beeinflußt
zu werden. Die Sensorspule 84 sitzt auf einem Spulenkörper
86, der in Ausnehmungen der Platten 72, 73 eingesetzt ist.
Durch den Spulenkörper 86 ragt ein im Querschnitt T-förmiger
Spulenkern 87 hindurch. Sein in Fig. 9 unteres Ende ist mit
der Umlaufbahn des Sensormagneten 82 ausgerichtet, der auf
die der Abschirmplatte 72 zugewendete Stirnseite des Magnet
rings 59 aufgesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform hat die
Sensorspule 84 von dem Magnetring 59 einen größeren axialen
Abstand. Außerdem ist die Sensorspule 84 gegenüber dem von
dem Magnetring 59 ausgehenden Feld durch die Abschirmplatte 72 in
gewissem Umfang abgeschirmt. Es kann daher in der Regel auf
den Abschirmring 80 der Ausführungsform nach Fig. 6 verzich
tet werden. Im übrigen versteht es sich, daß die Lösung ge
mäß Fig. 9 entsprechend dem Funktionsprinzip der Fig. 1 ar
beitet.
Bei der weiter abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 10
stimmt die statorseitige Ausbildung mit derjenigen nach Fig. 9
überein, mit der Ausnahme, daß der Sensormagnet 82 an dem dem
Außenrand 58 des Rotorgehäuses zugewendeten Ende des Spu
lenkerns 87 angeordnet ist. Der Außenrand 58 ist in radialer
Richtung auf den Sensormagneten 82 ausgerichtet und an ei
ner Stelle seines Umfangs mit einer Ausnehmung 19 versehen,
wie sie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet ist. Die Funk
tionsweise der Ausführungsform nach Fig. 10 entspricht der
jenigen der Prinzipdarstellung nach Fig. 2.
Im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 11, das weitgehend
demjenigen der Fig. 6 ähnlich ist, ist in eine Ausnehmung
der Abschirmplatte 72 eine Stahlbuchse 88 eingesetzt. Die
Stahlbuchse 88 weist ein Innengewinde auf, das mit dem Außengewin
de eines verstellbaren Spulenkerns 89 zusammenwirkt. Mit
dem Spulenkern 89 ist eine Ausnehmung 47 des Tragflansches 42
axial ausgerichtet. Durch die Ausnehmung 47 hindurch ist der
beispielsweise mit einem Schraubenschlitz 48 versehene Spu
lenkern 89 zugänglich. Der Spulenkern 89 kann auf diese Wei
se in Axialrichtung verstellt werden, um den zwischen dem
Sensormagneten 82 und der ihm zugekehrten Stirnfläche des Spu
lenkerns 89 vorhandenen Luftspalt einzustellen.
Es versteht sich, daß in entsprechender Weise auch der Spu
lenkern 87 axial verstellbar gemacht werden kann.
Der Magnetplatten-Speicherantrieb gemäß Fig. 12 ist auf ei
nem Flansch 90 montiert. Es ist ein kollektorloser Gleich
strom-Außenläufermotor vorgesehen, dessen Statorblechpaket
bei 91 angedeutet ist und eine Statorwicklung 92 trägt. Der
Stator ist von einem topfförmigen Außenläuferrotor 93 aus
weichmagnetischem Werkstoff übergriffen. In dem Außenläufer
rotor 93 ist ein über die Polteilung zweckmäßig trapezför
mig oder nahezu trapezförmig magnetisierter Magnetring
94 angebracht. Der Außenläuferrotor 93 ist in nicht näher
dargestellter Weise um seine Mittelachse drehbar gelagert.
Er trägt an der vom Stator abgewendeten Seite seines Bodens
95 ein Kupplungsstück 96, in das ein Haltemagnet 97 einge
lassen ist. Der Haltemagnet 97 wirkt mit einem Kupplungsge
genstück 98 zusammen, das die Nabe für eine magnetische
Hartspeicherplatte 99 bildet und aus ferromagnetischem Werk
stoff, vorzugsweise Weicheisen, gefertigt ist. Die Speicher
platte 99 sitzt in einer Kunststoffkassette 100. Das Kupplungsstück
96 bildet zusammen mit dem Kupplungsgegenstück 98 eine
Kupplung, die den wahlweisen Austausch der Hartspeicherplatte
99 samt Kunststoffkassette 100 gestattet. Zwischen dem Außenläuferrotor
93 und der Hartspeicherplatte 99 besteht infolgedessen
keine fest vorgegebene Winkelbeziehung.
Die mit der Hartspeicherplatte 99 zusammenwirkende Elektronik benötigt
aber einen Index-Impuls entsprechend einer vorgegebenen
Winkelposition der Hartspeicherplatte 99. Eine insgesamt mit
102 bezeichnete Sensorvorrichtung dient der Erzeugung eines
solchen Index-Impulses. Aufgrund der räumlichen Gegebenheiten
ist bei dieser Ausführungsform die Ermittlung der Win
kelstellung praktisch nur an einem Flansch 103 des Kupp
lungsgegenstücks 98 möglich. Dabei muß eine Sensoreinheit
104 der Sensorvorrichtung 102 in den Zwischenraum zwischen
den Boden 95 des Außenläuferrotors 93 und den Flansch 103
eingreifen. Dieser Raum hat jedoch in Axialrichtung nur
eine Abmessung von etwa 1 mm. Um trotz dieser äußerst be
engten Raumverhältnisse eine. sichere Nutzsignalerkennung
zu gewährleisten und den Einfluß von Störfeldern zu mini
mieren, weist die Sensoreinheit 104 eine dünne, schmale
Sensorfahne oder Sensorspitze 106 auf, die an ihrem freien
Ende 108 einen Sensormagneten 107 in Form eines Miniatur-
Dauermagneten trägt. Bei dem Sensormagneten 107 handelt es
sich im veranschaulichten Ausführungsbeispiel um ein kera
misches Magnetplättchen das z. B. 0,8 mm dick, 1 mm lang
und 1,5 mm ′breit ist. Der Sensormagnet 107 ist, wie aus
Fig. 13 hervorgeht, zugespitzt. Die Magnetisierungsrichtung
verläuft senkrecht zur Längserstreckung der Sensorspitze,
d. h. in Fig. 12 liegt der eine Pol, z. B. der Nordpol, oben
und der andere Pol, z. B. der Südpol, unten. Auf der Sensor
spitze 106 ist in dem an das Ende 108 axial anschließenden
geradlinigen, langgestreckten Bereich 109 eine Sensorspule
110 aufgewickelt. Das Ende 108 der Sensorspitze ist gegenüber
dem langgestreckten Teils 109 in der mit der Bildebene der
Fig. 12 übereinstimmenden Ebene nach unten abgekröpft. Die
Größe der Abkröpfung ist so bemessen, daß die Mittelebene
111 der aus Sensormagnet 107 und Sensorspitzenende 108 be
stehenden Anordnung mit der Mittelebene 112 des die Sensor
spule 110 tragenden Teils 109 der Sensorspitze 106 im wesent
lichen fluchtet. Die Abmessung der Sensorspule 110 in der
Abkröpfungsebene (Zeichenebene der Fig. 12) ist gleich oder
kleiner als die Summe der Abmessungen von Sensormagnet. 107
und Ende 108 in dieser Ebene. Dadurch benötigt die Sensor
einheit 104 ein Minimum an Einbauraum in der Axialrichtung
von Außenläuferrotor 93 und Kupplungsgegenstück 98. Auf der
vom Ende 108 abliegenden Seite verbreitert sich die Sensor
spitze 106 im Anschluß an die Sensorspule 110, und sie geht
dabei in einen um 90° abgewinkelten Steg 113 über, der die
Halterung der Sensorspitze an einem nicht ferromagnetischen,
winkelförmigen Träger 114 gestattet. Der Träger 114 kann bei
spielsweise aus Aluminiumblech bestehen und mit der Sensor
spitze verklebt sein. Er ist seinerseits an dem Flansch 90
angebracht.
In dem Flansch 103 des Kupplungsgegenstücks 98 ist eine mit
dem Sensormagneten 107 radial ausgerichtete, sich zum Außenum
fang des Flanschs 103 öffnende Nut 116 vorgesehen. Diese Nut
116 stellt eine Diskontinuität dar, die beim Vorbeilauf an der
Sensorspitze 106 eine Magnetfeldänderung und aufgrund dessen
die Induktion eines Spannungsimpulses in der Sensorspule 110
bewirkt, wie dies in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Stör
felder, beispielsweise aus dem Spalt zwischen dem Flansch 90
und dem Außenläuferrotor 93 ausdringende Störfelder, haben auf
die Sensoreinheit 104 nur einen minimalen Einfluß. Dazu tragen
der geschilderte Aufbau der Sensorspitze und die Abstützung
derselben auf dem nichtferromagnetischen Träger 114 bei.
Es versteht sich, daß zahlreiche Abwandlungen der erläuterten
Ausführungsbeispiele möglich sind. Beispielsweise kann bei der
Anordnung nach den Fig. 12 und 13 das weichmagnetische Bau
teil 98, 103 statt mit der Nut 116 auch mit einem Höcker oder
einer radial vorspringenden, mit dem Sensormagneten 107 radial
ausgerichteten Spitze versehen sein. Mehrere Nuten oder Höcker
können um den Umfang des weichmagnetischen Bauteils 98, 103
verteilt sein, wenn pro Umdrehung mehrere Impulse benötigt
werden. Beispielsweise kann das weichmagnetische Bauteil
auch eine Außenverzahnung tragen, wodurch in der Sensor
spule 110 eine kontinuierliche Folge von Impulsen indu
ziert wird.