DE3348445C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor zum Antrieb eines Speichermediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor zum Antrieb eines Spei­ chermediums, mit einem Stator sowie mit einem Rotor, der ein glockenförmiges Rotor­ gehäuse aufweist, an dessen Innenseite eine dauermagnetische Antriebsmagnetanord­ nung angeordnet ist, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen mit zur Drehzahl des Motors proportionaler Frequenz, wobei die Einrichtung einen rotorseiti­ gen dauermagnetischen Sensormagneten und einen damit zusammenwirkenden, stator­ seitigen Geber aufweist, der bei umlaufendem Rotor aufgrund einer durch den Sensor­ magneten bewirkten Magnetfeldänderung einen Impuls pro Rotorumdrehung (einen so­ genannten Indeximpuls) abgibt. Solche Indeximpulse werden beispielsweise für die Steuerung der Leseköpfe von Plattenspeichern der Datentechnik benötigt, damit die Daten auf den einzelnen Spuren des Plattenspeichers richtig eingegeben bzw. aus den Spuren winkelgerecht entnommen werden können. Indeximpulse sind auch bei Antrie­ ben von Videokopftrommeln erforderlich.

Bei einem bekannten Gleichstrommotor der vorstehend genannten Art (DE 31 28 417 A1) ist der statorseitige Geber als magnetfeldabhängig schaltender Drehstellungsdetek­ tor, beispielsweise Hall-IC, ausgebildet, auf den bei laufendem Motor sowohl das Feld des Sensormagneten als auch das im Vergleich dazu wesentlich stärkere Feld der An­ triebsmagnetanordnung einwirken. Dabei ist die Auswertung des auf den Sensormagne­ ten zurückgehenden Signals relativ schwierig und unzuverlässig. Für die Auswertung be­ darf es eines verhältnismäßig hohen Schaltungsaufwandes; gleichwohl kann es unter dem Einfluß des Feldes der Antriebsmagnetanordnung leicht zu Fehlauswertungen kommen. Die Erzeugung von präzisen, störungsfreien Indeximpulsen ist daher proble­ matisch.

Es ist ferner ein bürstenloser Gleichstrommotor mit dreiphasiger Ständerwicklung be­ kannt (DE 31 29 108 A1), bei dem zur Erzeugung der Kommutierungssignale entspre­ chend einer Ausführungsform in großem Axialabstand von einem den Rotor bildenden, zylindrischen, dauermagnetischen Antriebsmagneten eine ferromagnetische Scheibe an­ geordnet ist, die mit der Motorwelle drehfest verbunden ist. Diese Scheibe trägt auf ih­ rer von dem Antriebsmagneten abgewendeten Seite zwei zueinander und zu der Mo­ torwelle konzentrische Magnetspuren, die jeweils mit einem statorseitigigen Stellungs­ detektor, insbesondere einem Hall-Element, zusammenwirken. Die beiden Magnetspu­ ren sind so magnetisiert, daß in bestimmten Winkelbereichen Süd- und Nordpole vorlie­ gen. Die beiden Stellungsdetektoren liefern die Polaritätssprünge zwischen den unter­ schiedlich gepolten Winkelbereichen der Magnetspuren als Spannungssprünge an eine Stromtreiberschaltung aus Differenzstufen, welche die Wicklungsströme über Schalt­ transistoren in den erforderlichen Phasenwinkelbereichen steuern. Bei einer abgewan­ delten Ausführungsform sind die beiden Magnetspuren in nichtmagnetischen Teilen des Antriebsmagneten selbst ausgebildet.

Des weiteren ist ein kollektorloser Gleichstrommotor bekannt (WO 82/02803 A1), der zwei axial in Abstand voneinander liegende, scheibenförmige, dauermagnetische Rotor- Antriebsmagnetanordnungen aufweist, zwischen denen eine statorseitige Scheibenwick­ lung sitzt und die jeweils an der von der Scheibenwicklung abliegenden Seite von einem ferromagnetischen Tragring abgestützt sind. An der in Axialrichtung von der zugehöri­ gen Antriebsmagnetanordnung abliegenden Seite des einen Tragringes befindet sich eine mit dem Rotor drehfest verbundene Blende, die an ihrem Außenrand eine Mehr­ zahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Nuten aufweist. Der genutete Außenrand der Blende läuft an einem Drehstellungssensor in Form einer Fotozelle oder einer Hall-Anordnung vorbei, um bei jeder Rotorumdrehung eine der Anzahl der Nuten entsprechende Anzahl von Drehstellungssignalen zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor zum Antrieb eines Speichermediums zu schaffen, der in der Lage ist, auf zuverlässige und von den Umgebungsbedingungen weitgehend unabhängige Weise hochpräzise Lageer­ kennungsimpulse (Indeximpulse) zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die magnetische Abschirmung aus weichferromagnetischem Material wird eine Beeinflussung des statorseitigen Gebers durch die beispielsweise zwei oder mehr Pol­ paare aufweisende Antriebsmagnetanordnung weitestgehend ausgeschlossen. Zugleich ist für eine einfache und platzsparende Halterung der Sensormagneten gesorgt.

Als magnetische Abschirmung kann ein Abschirmring vorgesehen sein, der auf das auf der offenen Seite des glockenförmigen Rotorgehäuses liegende axiale Ende der An­ triebsmagnetanordnung aufgesetzt ist.

Der statorseitige Geber kann eine Sensorspule mit weichferromagnetischem Spulenkern aufweisen, der vorteilhaft in einer zu der Ebene der Umlaufbahn des Sensormagneten im wesentlichen senkrechten Richtung verstellbar ist. Dies erlaubt es, die Größe des Luftspaltes zwischen Sensorspule und Sensormagnet einzustellen. Für diesen Zweck kann insbesondere der Spulenkern ein Außengewinde tragen, das mit einem Innenge­ winde einer Buchse in Eingriff steht, die in einer Ausnehmung einer weichferromagneti­ schen Abschirmplatte befestigt ist, die mit dem Stator verbunden ist und dem auf der of­ fenen Seite des Rotorgehäuses befindlichen axialen Ende der Antriebsmagnetanord­ nung gegenüberliegt. Bei einem Einsatz des kollektorlosen Gleichstrommotors für den Antrieb eines magnetischen Speichermediums, beispielsweise Magnetspeicherplatten, bietet die zweckmäßig zwischen der Antriebsmagnetanordnung und einem Raum zur Aufnahme des magnetischen Speichermediums angeordnete Abschirmplatte Schutz ge­ gen Datenverluste und Störungen bei der Dateneingabe und -ausgabe.

Die Sensorspule kann vorteilhaft an einer Leiterplatte gehaltert sein, die auf der der Antriebsmagnetanordnung zugewendeten Seite der Abschirmplatte sitzt. Eine solche Leiterplatte kann zusätzlich zu der Sensorspule weitere Schaltungskomponenten, z. B. einen Drehzahlregler und/oder die Kommutierungselektronik des Motors tragen und für eine einfache, kompakte und kostensparende Verbindung der Sensorspule mit den weiteren Schaltungskomponenten sorgen. Die Sensorspule kann - gegebenenfalls zu­ sammen mit weiteren Schaltungskomponenten - axial zwischen der Rotormagnetanord­ nung und der Abschirmplatte angeordnet sein. Dies ermöglicht einen besonders ge­ drängten Aufbau in axialer Richtung, weil sperrige Schaltungskomponenten so angeord­ net werden können, daß sie z. B. in Nuten der Statorwicklung passen und damit diesen ohnehin vorhandenen Raum nutzen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der beilie­ genden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen kollektorlosen Außenläufer-Gleichstrom-Motor zum Antrieb eines Plattenspeichers,

Fig. 2 einen Schnitt nur durch den Außenrotor entlang der Linie II-II der Fig. 1, etwa im Vergrößerungsmaßstab 2 : 1

Fig. 3 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise der Auswerteschaltungen nach den Fig. 4 und 5,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Auswerteschaltung zum Auswerten der Meß­ spannung,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Auswerteschaltung mit zusätzlicher Sieb­ kette zum Ausfiltern von Störspannungen, und

Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen Plattenspeicherantrieb gemäß einer weiter abge­ wandelten Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen als Antrieb für einen Plattenspeicher einen als Außenläufermo­ tor ausgebildeten kollektorlosen Gleichstrommotor 40, bei dem man - ohne Vergröße­ rung des Motors - störarme Signalimpulse erzeugen kann. Dieser Motor hat ein Lager­ tragrohr 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 Antriebswelle 46 lagern. Der Innenring des oberen Kugellagers 44 ist mit der Welle 46 z. B. durch Kleben fest verbunden. Der Mittenabstand der beiden Lager 44, 45 ent­ spricht etwa dem Durchmesser der Welle 46. Der Innenring des unteren Lagers 45 ist auf der Welle 46 verschiebbar.

Am oberen Ende der Welle 46 ist eine Nabe 52 befestigt, welche der Auf- und Mit­ nahme einer nicht dargestellten Speicherplatte dient, deren Mittelbohrung einen Durchmesser hat, welcher dem Außendurchmesser der Nabe 52 entspricht. Diese Nabe 52 hat einen nach innen ragenden Kragen 53, und dieser bildet den inneren Teil einer Magnetflüssigkeitsdichtung, deren Außenteil von einem Magnetring 54 gebildet wird, der in das Lagertragrohr 41 fest eingesetzt ist. Zwischen diesem Magnetring 54 und dem Kragen 53 liegt eine magnetische Dichtflüssigkeit bekannter Art (vgl. Scientific Ameri­ can, Oktober 1982, Seiten 124-133).

Auf dem unteren Ende der Welle 46 ist mit Preßsitz ein tiefgezogenes, schalenförmiges Rotorgehäuse 56 aus einem magnetisch leitenden Werkstoff aufgesetzt. Fig. 1 zeigt hier­ für zwei Versionen. In den Außenrand 58 des Rotorgehäuses 56 ist ein durchgehender Magnetring als Antriebsmagnetanordnung 59 eingesetzt, z. B. ein sogenannter "Gummimagnet". Dieser kann je nach Motortyp z. B. 4polig radial magnetisiert sein, und zwar bevorzugt mit einem etwa tra­ pezförmigen Induktionsverlauf entsprechend der DE 23 46 380 C2. Der Magnetring 59 ist durch einen zylindrischen Luftspalt 62 getrennt von einer Statoranordnung 63. Letz­ tere enthält ein Blechpaket als Stator 64, z. B. mit 4 T-Ankern, also vier Nuten, und auf dessen En­ den sind abgewinkelte Elemente 65, 66 aufgesetzt. Die abgewinkelten Enden dieser Elemente 65, 66 bilden eine Verlängerung der Luftspalts 62, d. h. ihr radialer Abstand von der Innenfläche des Magnetrings 59 ist identisch mit dem radialen Abstand des Blechpakets 64 in derselben Schnittebene. Auf den Elementen 65, 66 ist eine Iso­ lierschicht 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 Motors 40 angeordnet sind, z. B. die Schaltungskomponenten der Fig. 4 und 5, und als Stellungssensor für die Kommu­ tierung ein Hall-IC, der in eine Nut des Blechpakets 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 Lager 44 und 45 gegeneinander ver­ spannt. Ein solcher Motor ist Gegenstand der DE 32 27 948 A1.

Oberhalb des Magnetrings 59, und noch innerhalb des oberen Randes des Außenrandes 58, befindet sich ein Abschirmring als Abschirmung 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 81 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 40 polarisiert ist, also z. B. in Fig. 2 auf seiner sichtbaren Oberseite einen Nordpol und auf seiner unsichtbaren Seite einen Südpol hat.

In der Abschirmplatte 72 ist ein Bolzen 83 aus weichferromagnetischem Werkstoff so festgenietet, daß er zum Sensormagneten 82 hin ragt und von diesem nur einen kleinen Abstand hat, wenn sich dieser Sensormagnet 82 unter ihm befindet, wie das Fig. 1 zeigt. Auf dem Bolzen 83 ist eine Sensorspule als Geber 84 befestigt, deren Anschluß mit 85 bezeichnet ist.

Wenn sich im Betrieb der Rotor dreht, induziert der Sensormagnet 82 bei jeder Um­ drehung einen alternierenden Signalimpuls in der Sensorspule 84. Dieser Signalimpuls hat die in Fig. 3A dargestellte Form und er ist weitgehend unabhängig von der Tempe­ ratur und anderen Einflüssen. Dieser Meßimpuls wird dann mittels einer der Schaltun­ gen nach Fig. 4 oder 5 ausgewertet, um hochpräzise Stellungssignale zu erhalten.

Entsprechend Fig. 4 sind das eine Ende der Sensorspule 84 über einen Widerstand 21 mit dem nichtininvertierenden Eingang und das andere Ende der Sensorspule mit dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 22 und mit Masse verbunden. Der Ausgang 23 des Differenzverstärkers 22 ist über einen Widerstand 24 mit einem positi­ ven Speisepotential und über einen Widerstand 25 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 22 verbunden. Der Differenzverstärker 22 und die aus den Wi­ derständen 21, 24, 25 bestehende Beschaltung dieses Verstärkers bilden einen Kompa­ rator mit asymmetrischer Hysterese, wie dies anhand der Fig. 3 näher erläutert ist.

Fig. 3A zeigt die Spannung u zwischen den beiden Eingängen des Komparators 21 bis 25. Diese Spannung ist so gepolt, daß sie der Schalthysterese des Komparators ent­ spricht, also dessen Speichereigenschaften optimal ausnützt. Hierzu wird der alternie­ rende Signalimpuls u (Fig. 3A) so gepolt, daß zuerst der invertierende Eingang des Verstärkers 22 negativer wird als der nichtinvertierende Eingang. Die Folge ist, daß die untere Schwellenspannung v₁ des Komparators unterschritten wird, die zum Beispiel -40 mV betragen kann, so daß der Ausgang 23 des Komparators zum Zeitpunkt t₁ auf Massepotential springt, wie dies Fig. 3B zeigt. Dabei ist Voraussetzung, daß die indu­ zierte Spannung u eine Amplitude hat, deren Betrag größer ist als v₁. Ist diese Ampli­ tude 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 Überschreiten einer Mindestdrehzahl verwendet werden und z. B. zum Steuern der Leseköpfe eines Magnetplattenspeichers genutzt werden. Wenn der alternierende Signalimpuls u die Nullinie v₂ am Nulldurchgang 17 wieder von negativen nach positiven Werten überschreitet, springt zum Zeitpunkt t₂ der Ausgang 23 zurück auf ein positives Potential, wie das Fig. 3B zeigt, und dieser Potentialsprung triggert den Multivibrator 26, der gemäß Fig. 3C einen kurzen Signalimpuls 30 der festen Zeitdauer T 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 Abstand T (Fig. 3C) zwischen zwei Impulsen 30 ist dabei ein hochgenaues Maß für die jeweilige Drehzahl, und die Lage der Indeximpulse 30 ist ein hochgenaues Maß für die augenblickliche Winkelstellung des Rotors.

Positive Störimpulse 31, die von der Kommutierung des Motors herrühren, stören nicht, da ja der Ausgang 23 bereits positiv ist. Negative Impulse 32 stören ebenfalls nicht, so­ fern sie dem Betrag nach kleiner sind als die untere Schwellenspannung v₁, die entspre­ chend gewählt werden kann. Auf diese Weise wird die Asymmetrie des Schaltverhaltens des Komparators 21 bis 25 sehr geschickt ausgenutzt.

Muß mit starken Störimpulsen 31, 32 gerechnet werden, kann gemäß Fig. 5 die Ein­ gangsspannung u gefiltert werden. Hierzu dient eine Siebkette, die aus einem Wider­ stand 33, einem Kondensator 34 und dem Widerstand 21 besteht. Man erhält hierdurch jedoch eine Phasenverschiebung der Spannung u in Richtung spät, d. h. der Komparator wird später eingeschaltet, was in der nachfolgenden Elektronik berücksichtigt werden muß. Bei der Auslegung von Fig. 5 geht man vorteilhaft so vor, daß der Wert des Wi­ derstands 33 etwa ein Zehntel des Widerstands 21 beträgt, während der Rückführwi­ derstand 25 etwa das 50fache des Widerstandes 21 betragen sollte. Auch hier ist wichtig, daß der Abschnitt negativer Polarität des Signalimpulses u als erster zum Komparator gelangt und dessen Ausgang sperrt, damit anschließend - beim Nulldurchgang 17 zum Abschnitt positiver Polarität - der Ausgang 23 auf einen positiven Wert springen und den Multivibrator 26 triggern kann. Sofern störarme Signalimpulse u verwendet werden, können die Filterelemente 33, 34 klein gehalten werden oder ganz entfallen.

Im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6, das weitgehend demjenigen der Fig. 1 ähnlich ist, ist in eine Ausnehmung der Abschirmplatte 72 eine Buchse 88 aus Stahl einge­ setzt. Die Buchse 88 weist ein Innengewinde auf, das mit dem Außengewinde eines ver­ stellbaren Spulenkerns 89 zusammenwirkt. Mit dem Spulenkern 89 ist eine Ausnehmung 47 des Tragflanschs 42 axial ausgerichtet. Durch die Ausnehmung 47 hindurch ist der beispielsweise mit einem Schraubenschlitz 48 versehene Spulenkern 89 zugänglich. Der Spulenkern 89 kann auf diese Weise in Axialrichtung verstellt werden, um den zwischen dem Sensormagneten 82 und der ihm zugekehrten Stirnfläche des Spulenkerns 89 vor­ handenen Luftspalt einzustellen.

Claims (7)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor (40) zum Antrieb eines Speichermediums, mit einem Stator (64) sowie mit einem Rotor, der ein glockenförmiges Rotorgehäuse (56) aufweist, an dessen Innenseite eine dauermagnetische Antriebsmagnetanord­ nung (59) angeordnet ist, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen mit zur Drehzahl des Motors proportionaler Frequenz, wobei die Einrichtung ei­ nen rotorseitigen dauermagnetischen Sensormagneten (82) und einen damit zu­ sammenwirkenden, statorseitigen Geber (84) aufweist, der bei umlaufendem Ro­ tor aufgrund einer durch den Sensormagneten (82) bewirkten Magnetfeldänderung einen Impuls pro Rotorumdrehung abgibt, und zwischen dem statorseitigen Geber (84) und der Antriebsmagnetanordnung (59) eine magnetische Abschirmung (80) aus weichferromagnetischem Material angeordnet ist, die eine Beeinflussung des statorseitigen Gebers (84) durch die Antriebsmagnetanordnung (59) weitestge­ hend ausschließt, und der Sensormagnet (82) in eine Ausnehmung (81) der ma­ gnetischen Abschirmung (80) eingesetzt ist.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetische Abschirmung (80) ein Abschirmring vorgesehen ist, der auf das auf der offenen Seite des glockenförmigen Rotorgehäuses (56) liegende axiale Ende der Antriebsmagnetanordnung (59) aufgesetzt ist.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der statorseitige Geber (84) eine Sensorspule mit weichferromagneti­ schem Spulenkern (89) aufweist.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (89) in einer zu der Ebene der Umlaufbahn des Sensormagneten (82) im wesentlichen senkrechten Richtung verstellbar ist.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (89) ein Außengewinde trägt, das mit einem Innengewinde einer Buchse (88) in Eingriff steht, die in einer Ausnehmung einer weichferromagneti­ schen Abschirmplatte (72) befestigt ist, die mit dem Stator (64) verbunden ist und dem auf der offenen Seite des Rotorgehäuses (56) befindlichen axialen Ende der Antriebsmagnetanordnung (59) gegenüberliegt.

6. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sensorspule (84) an einer Leiterplatte (73) gehaltert ist, die auf der der Antriebsmagnetanordnung (59) zugewendeten Seite der Abschirmplatte (72) sitzt.

7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sensorspule (84) axial zwischen der Antriebsmagnetanordnung (59) und der Abschirmplatte (72) angeordnet ist.