DE69016622T2

DE69016622T2 - Spindelmotor und damit ausgestatteter Diskantrieb.

Info

Publication number: DE69016622T2
Application number: DE69016622T
Authority: DE
Inventors: Garry E Korbel
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 1989-12-15
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: DE69016622D1; JPH06296337A; EP0433037A1; EP0433037B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spindelmotoren, wie sie beispielsweise zur steuerbaren Drehung von Platten bei der Speicherung von Daten auf den Platten oder bei der Wiedergewinnung vorher gespeicherter Daten von den Platten verwendet werden.
Plattenlaufwerke, bei denen eine oder mehrere Platten für eine Drehung auf einer Spindel gehaltert sind, werden häufig in Verbindung mit der Speicherung von magnetischen Daten verwendet. Typischerweise ist ein magnetischer Wandlerkopf in Radialrichtung der Magnetplatte beweglich, wodurch zusammen mit der Drehung der Platte eine selektive Positionierung des Wandlerkopfes gegenüber der Aufzeichnungsoberfläche der Platte ermöglicht wird. In ähnlicher Weise ist im Zusammenhang mit der optischen Aufzeichnung ein Laserstrahl allgemein in Radialrichtung einer rotierenden Platte beweglich, um Informationen auf die Platte zu schreiben oder um vorher geschriebene Informationen zu lesen. In jedem Fall hängt eine befriedigende Betriebsweise des Plattenlaufwerkes von der schnellen und gleichförmigen Beschleunigung der Nabe und der Platten auf eine gewünschte Drehgeschwindigkeit von der Aufrechterhaltung der gewünschten Geschwindigkeit und der nachfolgenden Abbremsung ab, wenn es erwünscht ist, die Platten zu stoppen. Zu diesem Zweck sollte der Spindelmotor ein hohes Anfangsdrehmoment haben, und er sollte weiterhin eine minimale Schwankung des Drehmomentes von einer Winkelposition zur anderen haben, d.h., eine minimale Drehmoment-Welligkeit. Die EP-A-339 765 beschreibt einen Plattenlaufwerk-Spindelmotor der bekannten Art.
Es ist bekannt, daß Drehmoment-Welligkeitseffekte dadurch verringert werden können, daß entweder eine radiale oder in Längsrichtung verlaufende Asymmetrie in den Magneten des Spindelmotors eingeführt wird. Beispielsweise können kleine Magnete mechanisch mit den primären Magneten gekoppelt oder verbunden werden, wobei entgegengesetzte Pole der jeweiligen Magnete benachbart zueinander liegen. Material kann spanabhebend oder auf andere Weise von einem ursprünglich symmetrischen Magneten entfernt werden, um selektive asymmetrische Merkmale zu erzeugen.
Die JP-A-61-98143, die JP-A-61-147761 und die JP-A-57-206267 beschreiben Techniken zur Verringerung der Drehmoment-Welligkeit; in der JP-A-61-98143 sind Ausnehmungen in dem Magneten ausgebildet, wobei die auf diese Weise geschaffenen Luftspalte eine Verringerung der magnetischen Permanenz und damit eine Verringerung der Drehmoment-Welligkeit bewirken. In der JP-A-61- 147761 sind Ausschnitte mit bogenförmiger Form in den Magneten ausgebildet. In der JP-A-57-206267 weist der Magnet einen nichtmagnetisierten Mittelbereich oder einen mit entgegengesetzter Polarität zu der des Pols magnetisierten Mittelbereich auf.
Eine weitere Lösung besteht darin, ein nicht wirksames magnetisches Material dazu zu verwenden, den Magnetfluß von den Wicklungen des Spindelmotor-Stators fort kurzzuschließen. Der Strom, der durch die verschiedenen Wicklungen in dem Stator oder Rotor geliefert wird, kann intermittierend geschaltet oder auf andere Weise geändert werden, wodurch Schwankungen in das Magnetfeld eingeführt werden, die zur Gegenwirkung gegen die Drehmoment-Welligkeit bestimmt sind. Diese Lösungen verringern jedoch den Wirkungsgrad des Magneten und/oder des Stators und verschlechtern damit das Betriebsverhalten des Spindelmotors. Weiterhin ergeben sie einen zusätzlichen Aufwand für den Motor im Hinblick auf das zusätzliche Materialien oder die Zusammenbaukosten.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, einen Spindelmotor zu schaffen, bei dem die Drehmoment-Schwankungen verringert werden, ohne daß eine radiale oder in Längsrichtung verlaufende Asymmetrie bei dem Rotor oder dem Stator erforderlich ist. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, einen Spindelmotor zu schaffen, bei dem ein ringförmiger Magnet selektiv magnetisiert ist, um ein Magnetflußmuster längs eines Luftspaltes zwischen dem Magneten und dem Stator zu schaffen, das besonders für die Verringerung der Drehmoment-Welligkeit geeignet ist.
Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein Spindelmotor geschaffen, der einen kreisringförmigen, in Längsrichtung angeordneten Stator einstückig mit und konzentrisch zu einer Spindelwelle und eine Rotor-Baugruppe einschließt, die einen in Längsrichtung angeordneten kreisringförmigen Magneten einschließt, der mit Abstand von dem Stator angeordnet ist, um einen kreisringförmigen Luftspalt zu bilden, wobei der Magnet in Längsrichtung und in Radialrichtung symmetrisch ist und eine Vielzahl von bogenförmigen und in Längsrichtung angeordneten Polen einschließt, die zueinander hinsichtlich der Größe und Form im wesentlichen identisch sind, wobei der Spindelmotor dadurch gekennzeichnet ist, daß benachbarte der Pole körperlich voneinander durch in Längsrichtung und in Radialrichtung verlaufende Magnetflußspalte getrennt sind, die entlang der Länge des Magnetes verlaufen, wobei jeder der Pole einen in Längsrichtung verlaufenden Mittelbereich und erste und zweite in Längsrichtung verlaufende Endbereiche auf entgegengesetzten Seiten des Mittelbereiches aufweist und jeder der Pole selektiv magnetisiert ist, um einen ersten Magentflußpegel von dem Mittelbereich längs des kreisringförmigen Luftspaltes und einen zweiten Magnetflußpegel, der größer als der erste Pegel ist und die gleiche Polarität wie der erste Pegel aufweist, von jedem der Endbereiche längs des kreisringförmigen Luftspaltes zu schaffen.
Vorzugsweise ist der Stator in Längsrichtung und in Radialrichtung symmetrisch.
Die Rotor-Baugruppe schließt bei einer Ausführungsform ein kreisringförmiges Stützeisenteil mit einer radial nach innen gerichteten Oberfläche ein, die angrenzend an eine radial nach außen gerichtete Oberfläche des Magneten angeordnet ist, wobei das Stützeisenteil in Längsrichtung und in Radialrichtung symmetrisch ist.
Der Mittelbereich jedes Pols kann auf einen ausgewählten Pegel kleiner als die Sättigung magnetisiert sein, während die ersten und zweiten Endbereiche bis an die Sättigung magnetisiert sind.
Der Magnet kann vier der Pole einschließen.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein Plattenlaufwerk mit einem stationären Rahmen, einer bezüglich des Rahmens festgelegten langgestreckten Spindelwelle, die sich in Längsrichtung erstreckt und auf einer längs verlaufenden Spindelachse zentriert ist, eine Nabe, mindestens eine bezüglich der Nabe festgelegte Platte und Einrichtungen zur Befestigung der Nabe für eine Drehung gegenüber der Spindelwelle und um die Spindelachse einschließt, wobei das Plattenlaufwerk durch einen Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet ist, wobei die Nabe einstückig mit der Rotor-Baugruppe ausgebildet ist.
Das Stützeisenteil kann zwischen dem Magneten und der Nabe befestigt sein.
Vorzugsweise sind die Endbereiche jedes Pols auf 75 % bis 95 % der Sättigung oder vorzugsweise auf ungefähr 85 % der Sättigung magnetisiert. Dies führt zu einem jedem Pol zugeordneten Magnetflußmuster, bei dem sich der Spitzen-Magnetfluß nicht mehr am Mittelpunkt des Pols befindet. Vielmehr ist der Mittelpunkt durch eine geringfügige Absenkung des Magnetflusses zwischen im wesentlichen gleichen Spitzenwerten auf gegenüberliegenden Seiten des Mittelpunktes gekennzeichnet. Das Ergebnis dieses Musters ist eine Drehmoment-Welligkeit, die hinsichtlich der Spitzen-Spitzen-Amplitude wesentlich verringert ist.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Drehmoment-Welligkeit verringert werden kann, ohne daß entweder eine längsgerichtete oder radiale Asymmetrie in der Stator- oder Rotor-Baugruppe erforderlich ist. Entsprechend können der Stator, der Magnet und das Stützeisenteil symmetrische kreisringförmige Bauteile sein, so daß ihre Herstellungskosten verringert werden. Der Stator kann ohne nichtproduktive Bereiche in seinem Volumen hergestellt werden, so daß der Spindelmotor-Wirkungsgrad verbessert wird. Entsprechend sind bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Magnet, das Stützeisenteil und die Spindelwelle kreisringförmig und symmetrisch, sowohl in Radial- als auch in Längsrichtung. Schließlich kann die Drehmoment-Welligkeit ohne ein kompliziertes Wicklungsschalten verringert werden.
Die Erfindung wird lediglich in Form eines Beispiels in den beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Plattenlaufwerkes mit einem Spindelmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Stator des Spindelmotors nach Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Magneten des Spindelmotors nach Fig. 1 ist,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines der Pole des Magneten gemäß Fig. 3 ist,
Fig. 5 eine Darstellung des Spalt-Magnetflusses, des Drehmomentprofils und des resultierenden Drehmomentes eines üblichen Spindelmotors ist, und
Fig. 6 eine Darstellung des Spalt-Magnetflusses, des Drehmomentprofils und des resultierenden Drehmomentes des Spindelmotors nach Fig. 1 ist.
Wenn nunmehr die Zeichnungen betrachtet werden, so ist in Fig. 1 ein Teil eines Magnetplatten-Laufwerks 16 gezeigt. Das Laufwerk schließt einen stationären und starren Rahmen ein, der eine obere Abdeckung 18, eine untere Abdeckung 20 und eine Seitenwand 22 einschließt, die beispielsweise aus Aluminium hergestellt sind. Ein Befestigungsmittel 24 befestigt eine langgestreckte Spindelwelle 26 an der unteren Abdeckung 20. Die Spindelwelle 26 ist in Längsrichtung oder vertikal bei Betrachtung der Fig. 1 angeordnet. Die Spindelwelle 26 ist konzentrisch zu einer vertikalen Spindelachse 28. Ein oberes Kugellager 30 und ein unteres Kugellager 32 sind zur Befestigung einer kreisringförmigen Nabe 34 für eine Drehung gegenüber der Spindelwelle 26 um die Spindelachse 28 vorgesehen. Im einzelnen sind die Innenlagerringe 36, 38 der Lager 30 bzw. 32 einstückig mit der Spindelwelle 26 ausgebildet, während jeweilige Außenlagerringe 40, 42 einstückig mit der Nabe 34 ausgebildet sind. Die Nabe 34 haltert eine Vielzahl von horizontal angeordneten magnetischen Aufzeichnungsplatten 44, die voneinander durch eine Vielzahl von kreisringförmigen Abstandsstücken 46 getrennt sind. Die Platten sind fest mit der Nabe 34 verbunden und drehen sich somit, wenn sich die Nabe dreht. Federn 48 umgeben die Spindelwelle 26 und ergeben eine ausgewählte Vorspannung für die Lager 30, 32.
Ein Spindelmotor ist zur Drehung der Platten 44 und der Nabe 34 gegenüber der Spindelwelle vorgesehen. Der Motor schließt einen Stator 50 ein, der einstückig mit der Spindelwelle 26 verbunden ist, sowie eine Rotor-Baugruppe, die einen kreisringförmigen Magneten 52 und ein kreisringförmiges Stützeisenteil 54 einschließt, die beide einstückig mit der Nabe verbunden sind. Der Stator 50 und der Magnet 52 sind mit Abstand voneinander angeordnet, um einen vorgegebenen kreisringförmigen Luftspalt 56 zu bilden. Der Strom zum Antrieb des Spindelmotors wird über Leitungsdrähte 58, 60 an eine gedruckte Schaltungsplatte 62, die einstückig mit dem Stator 50 ausgebildet ist, und dann an den Stator geliefert.
Wie dies in Fig. 2 zu erkennen ist, schließt der Stator 50 einen kreisringförmigen Kern 64 mit neun in Radialrichtung nach außen gerichteten Vorsprüngen 66 ein, die unter gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. Eine Ausführungsform, bei der der Kern zwölf derartige Vorsprünge aufweist, hat sich als besonders geeignet herausgestellt. Eine Spulenwicklung 68 ist um jeden der Vorsprünge 66 herum gebildet, wobei Spalte 70 zwischen benachbarten Vorsprüngen und Wicklungen vorgesehen sind. Die Vorsprünge weisen eine im wesentlichen identische Größe und Form auf, und sie sind unter gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet, um einen Stator zu bilden, der in Längsrichtung und in Radialrichtung symmetrisch ist.
Der Magnet 52 ist ausführlicher in Fig. 3 gezeigt. Der Magnet schließt vier bogenförmige Pole 72, 74, 76, 78, die hinsichtlich ihrer Größe und Form im wesentlichen identisch sind, in einer abwechselnden N-Pol- und S-Pol-Konfiguration ein. Zwischen den Polen befinden sich in Radialrichtung und in Längsrichtung gerichtete Magnetfluß-Spalte 80, 82, 84, 86. Das stützeisenteil 54 ist kreisringförmig ausgebildet, aus einem einen niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweisenden Stahl hergestellt und weist eine radial nach innen gerichtete Oberfläche auf, die an die radial nach außen gerichtete Oberfläche des Magneten 52 angrenzt. Ähnlich wie der Stator sind der Magnet 52 und das stützeisenteil 54 sowohl in Radialrichtung als auch in Längsrichtung symmetrisch.
In gewisser Hinsicht ist der Magnet 52 in üblicher Weise ausgebildet. Ein magnetisierbares Pulver wird gepreßt und erhitzt, um den gewünschten bogenförmigen Pol zu bilden, und eine Wicklung wird um den Magneten gewickelt und leitet einen ausreichend hohen elektrischen Strom, um den Pol in Richtung auf eine Sättigung zu magnetisieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch jeder Pol nicht vollständig bis zur Sättigung magnetisiert. Vielmehr wird jeder der Pole 72, 74, 76, 78 selektiv so magnetisiert, daß ein Mittelbereich geschaffen wird, der auf einen Pegel magnetisiert ist, der kleiner als die Sättigung ist.
Wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Pol 72 selektiv so magnetisiert, daß drei sich in Längsrichtung erstreckende Bereiche mit unterschiedlicher Magnetisierung ergeben: ein Mittelbereich 88 und Endbereiche 90, 92, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Mittelbereiches geschaffen werden. Genauer gesagt sind die Endbereiche 90, 92 auf die volle Sättigung magnetisiert, während der Mittelbereich 88 auf einen Pegel magnetisiert ist, der kleiner als die Sättigung ist, beispielsweise im Bereich von 75 % bis 95 % oder vorzugsweise auf einen Bereich von 85 % bis 90 % der Sättigung. Ein derartiger Magnet dieser Art ist von der Firma International Magnaproducts, Inc., Valparaiso, Indiana, USA, erhältlich.
Der Vorteil der Verwendung des Magneten 52 in dem Spindelmotor ist aus einer Betrachtung der Fig. 5 und 6 zu erkennen. Fig. 5 zeigt einen Magnetspaltfluß 94, ein Drehmomentprofil 96 und das resultierende Drehmoment 98 für einen kreisringförmigen Spindelmotor-Magneten, der in üblicher Weise magnetisiert ist, d.h., bei oder nahezu bei einer 100 %igen Sättigung über den gesamten Magnetkörper. Das Drehmomentprofil weist Spitzen auf, die dem Mittelpunkt des Mittelbereiches jedes Pols entsprechen. Obwohl lediglich zwei benachbarte Pole dargestellt sind, ist zu erkennen, daß weitere benachbarte Pole das dargestellte Muster wiederholen würden. Das resultierende Drehmoment weist eine erhebliche Spitze-zu-Spitze-Lücke auf, die bei 100 gezeigt ist.
Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 6 einen Magnetspaltfluß 102, der dem Magneten 52 entspricht, wobei sich eine geringfügige Verringerung in dem Mittelbereich jedes Poles ergibt, in jedem Fall auf ungefähr 85 % bis 90 % des Magnetflußpegels an den Endbereichen auf gegenüberliegenden Seiten des Mittelbereiches. Es ergibt sich eine entsprechende Verringerung in dem Drehmomentprofil 104 und ein resultierendes Drehmoment 106, das, wie dies bei 108 zu erkennen ist, zu einer Verringerung der Spitze-zu-Spitze-Amplitude und damit zu einer beträchtlich verringerten Drehmoment-Welligkeit führt.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Drehmoment- Welligkeit ohne die zusätzlichen Kosten für asymmetrische Magnete oder Statoren verringert und weiterhin ohne irgendein kompliziertes Schema des Stromumschaltens zwischen den Stator- oder Rotorwicklungen. Damit werden die Kosten für den Zusammenbau des Spindelmotors verringert, während sein Wirkungsgrad vergrößert wird.

Claims

1. Spindelmotor mit einem kreisringförmigen, in Längsrichtung angeordneten Stator (50), der einstückig mit und konzentrisch zu einer Spindelwelle (26) ist, und mit einer Rotor-Baugruppe (52, 54, 56), die einen in Längsrichtung angeordneten kreisringförmigen Magneten (52) einschließt, der mit Abstand von dem Stator angeordnet ist, um einen kreisringförmigen Luftspalt (56) zu bilden, wobei der Magnet (52) in Längsrichtung und in Radialrichtung symmetrisch ist und eine Vielzahl von bogenförmigen und in Längsrichtung angeordneten Polen (72, 74, 76, 78) einschließt, die hinsichtlich ihrer Größe und Form im wesentlichen identisch zueinander sind, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte der Pole körperlich voneinander durch in Längsrichtung und in Radialrichtung verlaufende Magnetflußspalte (80, 82, 84, 86) getrennt sind, die entlang der Länge des Magneten verlaufen, daß jeder der Pole einen sich in Längsrichtung erstreckenden Mittelbereich (88) und erste und zweite sich in Längsrichtung erstreckende Endbereiche (90, 92) auf gegenüberliegenden Seiten des Mittelbereiches aufweist, daß jeder der mittleren und Endbereiche die Länge des kreisringförmigen Spaltes (56) überspannt, daß jeder der Pole selektiv magnetisiert ist, um einen ersten Magnetflußpegel von dem Mittelbereich (88) längs des kreisringförmigen Luftspaltes (56) und einen zweiten Magnetflußpegel, der größer als der erste Pegel ist und die gleiche Polarität wie der erste Pegel aufweist, von jedem der Endbereiche (90, 92) längs des kreisringförmigen Luftspaltes zu schaffen.

2. Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (50) in Längsrichtung und Radialrichtung symmetrisch ist.

3. Spindelmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Baugruppe weiterhin ein kreisringförmiges Stützeisenteil (54) mit einer radial nach innen gerichteten Oberfläche einschließt, die an eine radial nach außen gerichtete Oberfläche des Magneten (52) angrenzt, und daß das Stützeisenteil (54) in Längsrichtung und in Radialrichtung symmetrisch ist.

4. Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich (88) jedes Pols (72, 74, 76, 78) auf einen ausgewählten Pegel kleiner als die Sättigung magnetisiert ist, und daß die ersten und zweiten Endbereiche (90, 92) bis zur Sättigung magnetisiert sind.

5. Spindelmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (52) vier der Pole (72, 74, 76, 78) einschließt.

6. Spindelmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Pegel der Magnetisierung des Mittelbereiches (88) im Bereich von 75 % bis 95 % der Sättigung liegt.

7. Spindelmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Pegel der Magnetisierung des Mittelbereiches (88) im Bereich von 85 % bis 90 % der Sättigung liegt.

8. Magnetplatten-Laufwerk mit einem stationären Rahmen (18, 20, 22), einer langgestreckten, bezüglich des Rahmens festgelegten Spindelwelle (26), die sich in einer Längsrichtung erstreckt und auf einer in Längsrichtung verlaufenden Spindelachse (28) zentriert ist, mit einer Nabe (34), mit zumindest einer bezüglich der Nabe festgelegten Platte (44) und mit Einrichtungen (30, 32, 34, 36, 38, 40, 42) zur Befestigung der Nabe 34 für eine Drehung gegenüber der Spindelwelle und um die Spindelachse, gekennzeichnet durch einen Spindelmotor, wie er in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, wobei die Nabe (34) einstückig mit der Rotor-Baugruppe (52, 54, 56) ausgebildet ist.

9. Plattenlaufwerk nach Anspruch 8 unter Rückbeziehung auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützeisenteil (54) zwischen dem Magneten (52) und der Nabe (34) befestigt ist.