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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf sich drehende elektrische
Maschinen. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen bürstenlosen
Hochgeschwindigkeits-Miniatur-Gleichstrommotor
mit einer 10-poligen 12-nutigen Anordnung mit minimierter Nettoradialkraft
und niedrigem Rastmoment.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist bekannt, elektronisch kommutierte bürstenlose Gleichstrommotoren
als Direktantriebsspindelmotoren in Plattenlaufwerken zu benutzen.
Eine sehr populäre
Form eines derartigen Spindelmotors ist der sogenannte 8-polige
9-nutige Spindelmotor. Diese Anordnung wurde gegenüber anderen
Anordnungen bevorzugt, weil sie dazu neigte, das Rastmoment (oder „Cogging"-Moment) zu minimieren,
das sich durch rotationsstabile Positionen zwischen dem Permanentmagnetrotor
und der Statoranordnung manifestiert. Bei einigen Anwendungen, wie
beispielsweise der Positionierung von Kopfaktuatoren in Plattenlaufwerken,
wurden Rasten (detents) verwendet, die durch inkrementell positionierende
Schrittmotoren bereitgestellt werden, um eine genaue Kopfpositionierung
bereitzustellen. Für
Plattenlaufwerkspindeln führen
jedoch stabile Positionen zu statischen Kräften, die zusätzlich zu
normalen Startreibungskräften überwunden
werden müssen.
Motorrasten manifestierten sich ebenfalls als unerwünschte Schwingungen
während
der Motorrotation.
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Bei
der 8-poligen 9-nutigen Spindelmotoranordnung, die vielfach in der
Plattenlaufwerkindustrie verwendet wurde, wird ein Permanentmagnetring
polarisiert, um acht abwechselnde Nord-Süd-Pol-Innenflächen aufzuweisen.
Diese Flächen
stehen einer zentralen Statoranordnung direkt gegenüber, die
einen laminierten Statorkern umfasst, der neun Nuten oder Polstücklücken festlegt.
Jedes der neun Polstücke
ist mit einer Drahtspule umwickelt, und die Spulen sind typischerweise
in einer Reihenanordnung von drei Treiberphasen verbunden. Bei einer
durch das US-Patent Nr. 4 774 428 von Konecny für "Compact Three-Phase Permanent Magnet
Rotary Machine Having Low Vibration and High Performance" beispielhaft dargestellten
Vorgehensweise stellten die Wicklungsverbindungsmuster ein hohes
Motorwirkungsgradniveau bereit, wobei sie jedoch ebenfalls eine
hohe Nettoradialkraft während
des Betriebs manifestierten. Diese Nettoradialkraft drehte sich synchron
mit dem Rotor und wurde als eine nicht ausgeglichene Kraft an das
Lagersystem angelegt, was zu Verschleiß der Lager führt. Ein
weiteres Beispiel dieser herkömmlichen
Motorausgestaltung wird durch das US-Patent Nr. 4 847 712 von Crapo
für "Disc Drive Spindle
Motor with Low Cogging Torque" bereitgestellt.
Die Leistung eines herkömmlichen
8-poligen 9-nutigen Plattenlaufwerkspindelmotors wird in der graphischen
Darstellung von 1A gezeigt. Diese Figur stellt
die Abwesenheit einer periodischen Rastkraft dar. 1B stellt eine
graphische Darstellung einer resultierenden Nettoradialkraft dar,
die sich nach unten in Richtung dieser Draufsicht von einer Rotationsachse
basierend auf einer Summe von Kraftvektoren erstreckt, die an jeder
Statorpolarfläche
(zwischen Statornuten) bei einer herkömmlichen 8-poligen 9-nutigen Motorausgestaltung
verteilt sind. Der gekrümmte
Bogen in dieser Figur bezeichnet durch den Stator an den Rotor angelegte
Drehmomentkraft. 1B stellt somit das Problem
der Nettoradialkraft innerhalb eines herkömmlichen 8-poligen 9-nutigen
Spindelmotors dar.
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Andererseits
wurden 12-polige 9-nutige Spindelrmotoranordnungen ebenfalls für Festplattenlaufwerk-Spindelrotationsanwendungen
vorgeschlagen. Ein Beispiel dieser Anordnung wird in dem US-Patent
Nr. 5 218 253 von Morehouse u.a. für "Spin Motor for a Hard Disk Assembly" gefunden. Diese
12-polige 9-nutige Motoranordnung manifestiert wünschenswerterweise eine niedrige
Nettoradialkraft, wobei sie jedoch unerwünschterweise erfassbare hohe
Rastkräfte
zeigt, die sich als sechsunddreißig periodische Spitzen und
Täler über einen
Rotationszyklus des Motors manifestieren, wie in der graphischen
Darstellung von 2 gezeigt ist, die auf einem
1-Hz-Aufspannfehlerversatz abgelagert sind. Wenn diese periodische
1-Hz-Aufspannfehler-Signalverlaufkomponente aus der graphischen
Darstellung von 2 entfernt wird, ist offensichtlich,
dass das Hauptbedenken gegen die Leistung des 12-poligen 9-nutigen
Motors das 36-Hz-Rastdrehmoment ist.
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Während ein
niedriges Rastdrehmoment eine wünschenswerte
Eigenschaft eines Plattenspindelmotors ist, ist eine gleichfalls
wünschenswerte
Eigenschaft die Minimierung der Nettoradialkraft während des
Betriebs. Dies gilt besonders, wenn Plattenspindeln mit ständig zunehmenden
Rotationsgeschwindigkeiten gedreht werden, wobei zehntausend Umdrehungen
pro Minute (10.000 UpM) erreicht und sogar überschritten werden. Mit sehr
hohen Rotationsgeschwindigkeiten werden exotischere Spindellagersysteme,
insbesondere hydrodynamische Lager, vorgeschlagen. Diese Lager sind
sehr empfindlich gegen eine unausgeglichene bzw. Nettoradialkraft
und haben mit den herkömmlichen
8-poligen 9-nutigen Spindelmotorausgestaltungen nicht gut gearbeitet,
die oben erläutert
wurden, weil die Nettoradialkräfte
zu Stiktion oder Schwierigkeiten beim Hochfahren und zu ungleichmäßigem Pumpen
und exzentrischer Rotation mit Verschleiß des Schafts und der Hülse an den
Drehlagern während
des Rotationsbetriebs des Lagersystems führten.
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Somit
gab es einen Bedarf für
einen verbesserten elektronisch kommutierten, mehrphasigen Spindelmotor,
der ein niedriges Rastmoment und ebenfalls eine niedrige Nettoradialkraft
während
des Betriebs manifestiert.
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Das
US 5 006 745 beschreibt
eine große
Anzahl von dreiphasigen Gleichstrommotorkonfigurationen mit variierenden
möglichen
Anzahlen von Polen (P) und Nuten (N) in Verhältnissen, die durch die allgemeine Formulierung
P = 2(4n + 3) und N = 3(2n + 1), wobei n ≥ 1 ist, oder durch die allgemeine
Formulierung P = 2(3n ± 1)
und N = 6n, wobei n ≥ 2
ist, definiert werden. Das
GB
2275811 beschreibt eine Plattenlaufwerkanordnung mit einer
Mehrzahl von Platten an einer gemeinsamen Spindel.
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Zusammenfassung der Erfindung
mit Aufgaben
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Eine
allgemeine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektronisch
kommutierten bürstenlosen Gleichstromspindelmotor
bereitzustellen, der die Bedenken gegen ein hohes Rastmoment überwindet,
das in anderen symmetrischen Motorausgestaltungen vorhanden ist,
wobei gleichzeitig die Bedenken gegen eine große Nettoradialkraft überwunden
werden, die asymmetrischen Motorausgestaltungen zugeordnet ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektromotorausgestaltung
bereitzustellen, die ein sehr niedriges Rastmoment für eine Vielfalt
von Magnetisierungsbedingungen erreicht.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektromotorausgestaltung
bereitzustellen, die Motoren ergibt, die einen reibungslosen Betrieb
mit veränderlichen
Herstellungsbedingungen erzielen, wodurch Massenherstellungsausbeuten
verbessert und Rücklieferungen
der Abnehmer (field returns) verringert werden.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektromotorausgestaltung
bereitzustellen, die für
sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten angepasst und insbesondere
zur Verwendung innerhalb hydrodynamischer Spindellagersysteme geeignet
ist.
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Die
Erfindung stellt einen bürstenlosen
Gleichstrommotor gemäß Anspruch
1 bereit. Eine Statorstruktur darin kann einen Kern aus laminierten
ferromagnetischen Folien umfassen.
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Diese
und weitere Aufgaben, Vorteile, Aspekte und Merkmale der Erfindung
können
von einem Fachmann unter Berücksichtigung
der folgenden ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform vollständiger verstanden
und erkannt werden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
präsentiert wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist eine graphische Darstellung eines
Drehmoments, das über
einer einzigen Rotation eines herkömmlichen 8-poligen 9-nutigen
Plattenlaufwerk-Spindelmotors aufgetragen ist, der ein niedriges
Rastmoment und eine hohe Nettoradialkraft zeigt.
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1B ist
eine graphische Darstellung von Gesamtkräften, die sich bei einem 8-poligen
9-nutigen Plattenlaufwerkspindelmotor ergeben, der eine hohe Nettoradialkraft
veranschaulicht.
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2 ist
eine graphische Darstellung eines Drehmoments, das über einer
einzigen Rotation eines herkömmlichen 12-poligen
9-nutigen Plattenlaufwerkspindelmotors aufgetragen ist, die ein
hohes Rastmoment und eine niedrige Nettoradialkraft zeigt.
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3 ist
eine diagrammatische Seitenschnittansicht eines Festplattenlaufwerks,
die einen Spindelmotor darstellt, der Prinzipien der Erfindung mit
einem herkömmlichen
Kugellagerspindelsystem beinhaltet.
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4 ist
eine diagrammatische Seitenschnittansicht eines anderen Festplattenlaufwerks,
die einen Spindelmotor darstellt, der Prinzipien der Erfindung innerhalb
eines hydrodynamischen Lagerspindelsystems beinhaltet.
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5 ist
eine vergrößerte diagrammatische
Ansicht einer 10-poligen Rotor- und 12-nutigen Statoranordnung.
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6 ist
ein Spulenwicklungsdiagramm für
die "B"-Phase der Statoranordnung
von 5.
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7 ist
eine vergrößerte diagrammatische
Ansicht einer ersten bevorzugten 10-poligen Rotor- und 12-nutigen
Statoranordnung in Übereinstimmung
mit Prinzipien der Erfindung.
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8 ist
ein Spulenwicklungsdiagramm für
die "B"-Phase der Statoranordnung
von 7 in Übereinstimmung
mit einem ersten bevorzugten Wicklungsmuster.
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9 ist
eine vergrößerte diagrammatische
Ansicht einer zweiten bevorzugten 10-poligen Rotor- und 12-nutigen
Statoranordnung in Übereinstimmung
mit Prinzipien der Erfindung.
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10 ist
ein Spulenwicklungsdiagramm für
die "B"-Phase der Statoranordnung
von 9 in Übereinstimmung
mit einem zweiten bevorzugten Wicklungsmuster.
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11 ist
eine vergrößerte diagrammatische
Draufsicht einer dritten bevorzugten 10-poligen Rotor- und 12- nutigen Statoranordnung
in Übereinstimmung
mit Prinzipien der Erfindung.
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12 ist
ein Spulenwicklungsdiagramm für
die "B"-Phase der Statoranordnung
von 11 in Übereinstimmung
mit einem dritten bevorzugten Wicklungsmuster.
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13 ist
eine graphische Darstellung eines Drehmoments, das gegen eine einzige
Rotation einer 10-poligen Rotor- und 12-nutigen Plattenlaufwerkspindelmotors
aufgetragen ist, wie in 4 gezeigt ist, der im wesentlichen
kein Rastmoment und eine wesentlich abgeflachte verringerte Nettoradialkraft
in Übereinstimmung
mit Prinzipien der Erfindung zeigt.
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14 ist
eine maßstabsgetreue
Ansicht in Aufriss und Schnitt einer rechten Hälfte eines symmetrischen 10-poligen und 12-nutigen
Motors, der Prinzipien der Erfindung beinhaltet und ausgestaltet
ist, um für kontinuierliche
Zeitspannen bei sehr hoher Geschwindigkeit von der Größenordnung
von 10.000 UpM zu arbeiten.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Es
sei anfangs 3 betrachtet, bei der ein Festplattenlaufwerk 10 eine
Basis 12, eine an der Basis angebrachte Spindelanordnung 14 und
eine Mehrzahl von rotierenden Datenspeicherplatten umfasst. Ein
Deckel 18 wird durch Schrauben (nicht gezeigt) an einer
peripheren Wand der Basis 12 befestigt und umschließt dadurch
einen Innenraum 20 mit der Spindelanordnung 14 in
einer herkömmlichen
luftundurchlässigen
Dichtungsanordnung, die für
eine ordnungsgemäßen Funktion
eines schwebenden Kopfes oder einer "Winchester"-Plattenlaufwerktechnologie benötigt wird.
Die Spindelanordnung umfasst einen Schaft 22, der an der
Basis 12 durch Druck eingepasst oder mit Klebstoff befestigt
ist. Zwei voneinander beabstandete Kugellagereinheiten 24 und 26 umfassen
innere Laufringe, die an dem festen Schaft 22 befestigt
sind, und äußere Laufringe, die
an einer sich drehenden Nabe 28 befestigt sind. Zwischen
den Platten 16 an der Nabe 28 angeordnete Abstandshalter 30 stellen
eine ordnungsgemäße Planarität und axiale
Ausrichtung der Platten bereit. Eine ringförmige Plattenklammer 32 wird
beispielsweise durch Schrauben 34 an der Nabe 28 befestigt
und dient dazu, die Platten an der Nabe als einen einheitlichen
Stapel zu klemmen. Um der Spindeleinheit zusätzliche Festigkeit zu verleihen,
kann der feste Schaft 22 an dem oberen Deckel durch eine
Schraube 36 befestigt werden.
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Die
Spindelanordnung 14 umfasst einen 12-poligen 10-nutigen bürstenlosen
Direktantrieb-Gleichstromspindelmotor 50, der Prinzipien
der Erfindung beinhaltet. Der Spindelmotor 50 umfasst eine
Rotorstruktur 52 und eine Statorstruktur 54. Die
Rotorstruktur umfasst einen zylindrischen Permanentmagneten 56,
der an einem aus ferromagnetischem Material gebildeten Rückflussring 58 befestigt
ist. Der Rückflussring 58 kann
in dem Fall weggelassen werden, in dem die Nabe 28 aus
ferromagnetischem Material ist, obwohl sie allgemeiner aus einer
Aluminiumlegierung gebildet ist. Die Statorstruktur 54 umfasst
einen ferromagnetischen Kern 60, der beispielsweise durch
Folienlaminierungen eines geeigneten weichen ferromagnetischen Materials
gebildet ist. Spulen 62 sind um 12 Statorpole gewickelt,
die 12 Statornuten und 12 Statorpolflächen 64 festlegen.
Die Polflächen 64 sind
von benachbart gegenüberliegenden
Permanentmagnetpolsegmenten des Permanentmagneten 56 durch
eine schmale Magnetlücke 66 getrennt.
Eine Reihe von Verbindungsstiften 68 wird bereitgestellt,
um eine direkte Verbindung der Spulen 62 mit einer geeigneten
Schaltungsanordnung zu ermöglichen, die
auf einer gedruckten Leiterplatte (nicht gezeigt) getragen wird, die
unter einer unteren Wand der Basis 22 bei einer herkömmlichen
Anordnung angeordnet ist, die nicht direkt die Erfindung betrifft.
Kommutationsströme,
die durch eine herkömmliche
Motortreiberschaltungsanordnung an die Sätze von Spulen 62 geliefert
werden, erzeugen elektromagnetische Felder in dem Stator, und diese
Felder wechselwirken mit den Feldern, die von den Polen der gegenüberliegenden
Permanentmagneten 56 herrühren, um Reaktionsdrehmomentkräfte zu erzeugen,
die zur Rotation der Rotorstruktur 14 führen.
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In 4 wird
eine ähnliche
Motoranordnung innerhalb eines hydrodynamischen Spindellagersystems bereitgestellt,
wobei bemerkenswerte Unterschiede die Bereitstellung von hydrodynamischen
Pumprillen 57 sind, die an einem an der Basis 12 befestigten
zentralen Schaft 23 ausgebildet sind und hydrodynamische
Lager mit einer Hülse 25 bilden.
Eine Axiallagerplatte 31 stellt ebenfalls hydrodynamische
Axiallageroberflächen mit
der Hülse 25 und
mit einer oberen Axiallagerplatte 33 bereit. Der Magnetrückflussring 58 kann
einen unteren nach außen
aufgeweiteten Abschnitt 59 umfassen, um Flusspfadmigration
zu der unteren Datenspeicheroberfläche der untersten Platte 16 hin
zu verhindern. Ansonsten ist die in 4 gezeigte
Spindelanordnung im Wesentlichen der Spindelanordnung 14 gleichwertig,
die in 3 dargestellt und dort erläutert wurde; und die gleichen
Bezugsziffern werden sowohl bei 3 als auch 4 verwendet,
um auf gemeinsame Strukturelemente Bezug zu nehmen, die in beiden
Spindelanordnungen gefunden werden.
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In 5 ist
nun der Schaft 22 gezeigt, der symmetrisch um eine Rotationsachse 11 der
Spindelanordnung 14 angeordnet ist. Der Permanentmagnetring 56 legt
zehn Polsegmente 56a, 56b, 56c, 56d, 56e, 56f, 56g, 56h, 56i und 56j (in
einer Rotationsrichtung in Uhrzeigersinn) fest. Polsegmente 56a, 56c, 56e, 56g und 56i umfassen
Nordpole, die dem Statorkern 60 gegenüberliegen, während Polsegmente 56b, 56d, 56f, 56h und 56j Südpole aufweisen,
die dem Statorkern gegenüberliegen.
Der Statorkern umfasst 12 Nuten 65, die zwölf Statorpole
bilden, und Polflächen 64a, 64b, 64c, 64d, 64e, 64f, 64g, 64h, 64i, 64j, 64k und 641 (ebenfalls in
einer Rotationsrichtung in Uhrzeigersinn), die den zehn Permanentmagnetpolsegmenten 56a–j benachbart gegenüberliegen
und durch schmale Magnetlücken 66 getrennt
sind. Eine Spule 62 wird um jeden Statorpol 64 gewickelt
und belegt bis etwa zur Hälfte
eines innen aufgeweiteten Abschnitts der beiden benachbarten Lücken 65 an
jeder Seite der Spule 62.
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Bei
dem vorliegenden Beispiel sind die zwölf Spulen 62 in drei
Reihen von vier Spulen angeordnet und elektrisch verbunden, wobei
es eine A-Phase, eine B-Phase und eine C-Phase gibt. 6 stellt
ein beispielhaftes Wicklungsmuster, das keinen Teil der Erfindung
bildet, zum Wickeln der Spulen 62 um die Statorpole 64 als
A, A', B, B', C', C, A, A', B', B, C und C' dar. Der Apostroph
gibt beispielsweise ein Spulenwicklungsmuster in entgegengesetztem
Uhrzeigersinn an, wo hingegen die Abwesenheit eines Apostroph neben
einem Buchstaben beispielsweise ein Spulenwicklungsmuster in Uhrzeigerrichtung
für die
durch den Großbuchstaben
gekennzeichnete bestimmte Spule bezeichnet. Dieses bestimmte Wicklungsmuster
erzeugt einen höchsten
Wirkungsgrad oder konstanten Motorpegel (Eins), der als Leistungsverlust
geteilt durch das resultierende Drehmoment festgelegt ist. Außerdem erzeugt
es einen niedrigsten Pegel der Ausgabe von akustischer Energie und
ist daher die bevorzugteste der vorliegenden Ausführungsformen.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Wicklungsmuster mit ebenso
zufriedenstellenden Ergebnissen in der Reihenfolge umgekehrt werden
können. 6 stellt
eine linearisierte Darstellung der Wicklungsmuster für die B-Phasen-Spulen
(Statorpole 64c, 64d, 64i und 64j) dar,
wobei zu verstehen ist, dass die angegebenen Wicklungsmuster ebenfalls
für die
A- und C-Phasenspulen auf eine ähnlich
angegebene Art und Weise bereitgestellt werden.
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7 und 8 veranschaulichen
ein erstes bevorzugtes Wicklungsmuster A, B, B', B, C, A, A', A, B, C, C', C, das zu einem geringfügig kleineren
Wirkungsgrad (0,97) mit einem geringfügigen Anstieg der akustischen
Energieemissionen (Motorlärm)
führt.
Auf ähnliche
Weise weisen die in 9 und 10 gezeigten Wicklungsmuster
und die in 11 und 12 gezeigten
Wicklungsmuster ebenfalls Zunahmen in akustischer Energieemission
sowie auch einen abnehmenden Motorwirkungsgrad auf. Das Wicklungsmuster
von 9 und 10 A, B, C, A, C, A, B, C, B,
C, A, B weist einen Motorwirkungsgrad von (0,87) auf. Das Wicklungsmuster
von 11 und 12 A,
C', C, A, C, B', B, C, B, A', A, B weist einen
Motorwirkungsgrad von (0,84) auf.
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13 stellt
eine graphische Auftragung des Drehmoments als eine Funktion des
Winkelversatzes dar, der mit einer Rotationsrate von (0,8) Umdrehungen
pro Minute gemessen wurde, der sich in einem Plattenlaufwerkspindelmotor
entwickelte, der 10 Permanentmagnetrotorpole und 12 Statornuten
in einer Anordnung aufweist, die der ähnlich ist, die in der oben
erläuterten 4 dargestellt
ist. Während
bei diesem Beispiel gezeigt wird, dass eine Nettoradialkraft aufgrund
einer Aufspannung vorhanden ist (und durch einen Ort gestrichelter
Linien in 13 gezeigt wird), ist bei diesen
Daten auffällig,
dass, wenn der 1 Hz Befestigungsversatz weggelassen wird, die Nettoradialkraft
viel gleichmäßiger über den
Rotationsort des gemessenen Motors verteilt ist.
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Die
folgende Tabelle 1 stellt einen qualitativen Vergleich von bürstenlosen
Gleichstrommotor-Pol-Nuten-Konfigurationen
dar, die als Plattenlaufwerkspindelmotoren verwendet wurden oder
für diese
geeignet sind.
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Es
wurde herausgefunden, dass sich das Rastmoment eines Permanentmagnetenmotors
direkt auf das kleinste gemeinschaftliche Vielfache (LCM) der Pole
und Nuten des Motors bezieht. Im allgemeinen gilt, je höher das
LCM ist, desto niedriger ist das Rastmoment. Das LCM beschreibt,
wie viele Rastspitzen bei einer einzigen Umdrehung des Motors vorhanden
sind. Es ist durch Inspektion der graphischen Darstellung des 12-poligen
9-nutigen Permanentmagnetmotors in 2 offensichtlich,
dass das LCM für
diese Anordnung aufgrund der 36 klar festgelegten Rastspitzen gleich
36 ist.
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Motorsymmetrie
wird erkannt, wenn das Produkt der Anzahl von Polen und der Anzahl
von Nuten geteilt durch das LCM größer als Eins ist. Dieses Produkt
zeigt die Anzahl von Stellen innerhalb der Motorgeometrie auf, bei
denen sich eine bestimmte Magnetflusswechselwirkung wiederholt.
Die gemeinsamen Wechselwirkungen sind immer gleichmäßig über den
Umfang des Motors verteilt. Wenn der Motor angetrieben wird, gilt
das obige ebenfalls mit der Ausnahme, dass die Amplituden der Nettoradialkräfte für die asymmetrischen Ausgestaltungen
sogar größer sind.
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Die
folgende Tabelle 2 legt die Motor-Pol/Nuten-Kombinationen als symmetrisch oder asymmetrisch durch
Berechnen des Quotienten des Produkts der Pole und Nuten (P*S) geteilt
durch das LCM für
die bestimmte Motorausgestaltung fest:
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Tabelle
2 legt fest, dass alle von der 8-poligen 9-nutigen Motorausgestaltung verschiedenen
Pol/Nuten-Kombinationen
symmetrisch sind.
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Nettoradialkräfte zwischen
dem Stator und Rotor eines Motors stellen eine Last dar, die das
Lagersystem tragen muss. Wenn sich die Nettoradialkraft ebenfalls
mit der Zeit dreht, können
schlechte Motor/Spindelsystemschwingungen und unerwünschte übermäßige akustische
Energieemission resultieren. Wenn eine Nettoradialkraft existiert,
bewegt sie sich im allgemeinen ebenfalls mit der Zeit. Beispielsweise
dreht sich eine 8-polige 9-nutige Nettoradialkraft entgegengesetzt
der Rotorrichtung mit der achtfachen Spindelgeschwindigkeit. Eine
Nettoradialkraft an dem Stator und Rotor kann aus zwei Quellen kommen:
der Stator-zu-Rotor-Magnetanziehung
und der Spulenstrom-zu-Magnetwechselwirkung. Diese Kräfte existieren
immer, wobei sie sich jedoch gegenseitig neutralisieren können, wenn
es geometrische Symmetrie innerhalb der Motorausgestaltung gibt.
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Die
bei weitem größten Kräfte in einem
Motor der beschriebenen Art beruhen auf den Magnet/Stahl-Anziehungen.
Sie sind diejenigen, die zuerst durch eine geeignete Pol/Nuten-Kombination
neutralisiert werden müssen.
Indem bei neuen Motorausgestaltungen Magnete stärker und geometrische Abstände kleiner
werden, nehmen diese Kräfte
zu. Ein symmetrisches Pol/Nuten-Verhältnis, das einen größten gemeinsamen
Faktor größer als
Eins aufweist, wird sicherstellen, dass sich radiale Stator-zu-Magnet-Anziehungskräfte auf
Null summieren.
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Symmetrisches
Aktivieren der Spulen wird null Radialkraftbeiträge von der elektrischen Kommutation gewährleisten
und kann durch geeignete Wicklungsmuster erreicht werden. Das verteilte
Wicklungsmuster des vorbekannten 8-poligen 9-nutigen Motors mit
einem verschachtelten Spulenverbindungsmuster von ACABABCBC stellt
einen Versuch dar, sich der Symmetrie auf Kosten des Motorleistungsgrades über ein
allgemeineres angetroffenes Spulenverbindungsmuster von AAABBBCCC
zu nähern.
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Ein
vorbekannter 8-poliger 9-nutiger Gleichstrommotor mit einem ABC,
etc. Wicklungsmuster erfüllt alle
obigen Anforderungen, wobei er jedoch für niedrige Rastmomente schwierig
auszugestalten ist. Ein 10-polige 12-nutiger Motor in Übereinstimmung
mit Prinzipien der Erfindung erfüllt
die obigen Anforderungen und ist außerdem für niedrige Rastmomente einfach
auszugestalten.
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14 stellt
einen (in Millimeter) Spindelmotor 51 mit seinen physikalischen
Abmessungen für
eine Plattenlaufwerkspindelanordnung dar. Der Motor 10 umfasst
eine 10-polige 12-nutige Konfiguration in Übereinstimmung mit den Prinzipien
der Erfindung. Die beim Beschreiben der gleichen Funktionselemente
in 3 angewendeten Bezugsziffern werden ebenfalls
auf entsprechende Elemente in 14 angewendet.
Dieser Spindelmotor 51 erreicht eine kontinuierliche Nennrotationsgeschwindigkeit
von 10.000 UpM und ist zum Drehen von beispielsweise sechs Speicherplatten 16,
wobei jede Platte einen Durchmesser von ungefähr dreieinhalb Zoll (95 mm)
bei einem herkömmlichen
3,5 Zoll Festplattenlaufwerkformfaktor voller Höhe aufweist. Die Spindelanordnung
verwendet NSK-Lagereinheiten des Typs B5-39, 5 × 13 × 3, mit einer Lagervorlast
von 1,2 kg und einem Lagerabstand (Mitte-zu-Mitte) von 8,31 mm.
Bei diesem Beispiel 51 wird die Nabe 28a ebenfalls aus
einem ferromagnetischen Material gebildet, und es gibt keinen Rückflussring 58.
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Für einen
Fachmann sind viele Änderungen
und Modifikationen ohne Weiteres unter Berücksichtigung der vorhergehenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ohne Abweichung
von der Erfindung offensichtlich, wobei der Schutzumfang durch die
folgenden Ansprüche
festgelegt ist. Die Beschreibungen und die Offenbarungen sind lediglich
beispielhaft und sollten nicht als den Schutzumfang der Erfindung
begrenzend verstanden werden, der genauer durch die folgenden Ansprüche hervorgehoben
wird.
