DE102007009996A1

DE102007009996A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102007009996A1
Application number: DE102007009996A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: DE102007009996B4; US20080211329A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Spindelmotor für den Antrieb von Speicherplatten in Festplattenlaufwerken, mit einem feststehenden Lagerbauteil (14), einer im feststehenden Lagerbauteil drehgelagerten Welle (16), einer mit einem Ende der Welle verbundenen Nabe (18) und einem elektromagnetischen Antriebssystem. Der Elektromotor zeichnet sich dadurch aus, dass die Nabe (18) zumindest teilweise aus einer Metalllegierung mit einer hohen spezifischen Dämpfungskapazität besteht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Spindelmotor für den Antrieb von Speicherplattenlaufwerken oder einen Motor zum Antrieb von Lüftern. Der Motor umfasst ein feststehendes Lagerbauteil, eine im feststehenden Lagerbauteil drehgelagerte Welle, eine mit einem Ende der Welle verbundene Nabe und ein elektromagnetisches Antriebssystem.
Stand der Technik
Elektromotoren, insbesondere Spindelmotoren bekannter Bauart besitzen im wesentlichen ein feststehendes Lagerbauteil, ein drehgelagertes Lagerbauteil und mindestens ein zwischen diesen beiden Teilen angeordnetes Lagersystem. Als Lagersystem werden unter anderem fluiddynamische Lagersysteme eingesetzt.
Eine bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der DE 102 39 650 B3 offenbart. Das Lagersystem umfasst eine Welle und eine Lagerbuchse, die eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Welle rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse und bildet zusammen mit dieser ein fluiddynamisches Radiallager. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerbuchse sind durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. Die Welle trägt eine Nabe, auf der z. B. Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der beschriebenen Anordnung entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager verhindert. Die fluiddynamischen Drucklager werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise am Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse und der anderen Stirnfläche die innenliegende Stirnfläche einer Abdeckung zugeordnet ist. Die Abdeckung bildet ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt eindringt. Bei dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges Lagerfluid, beispielsweise ein Lageröl verwendet.
Die Welle und die Nabe sind in vielen Fällen durch eine Pressverbindung, Klebeverbindung oder eine Kombination aus beiden Verbindungsarten miteinander verbunden. Ein Nachteil dieser Verbindungen ist, dass die erzielbaren Verbindungskräfte nicht sehr groß sind und sich Vibrationen als Materialdeformationen im Verbindungsbereich auswirken, die sich bis auf die auf der Nabe angeordneten Speicherplatten übertragen und dort zu Fehlern beim Lesen/Schreiben der Daten führen können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die verwendeten Materialien Stahl und Aluminium ein geringes Dämpfungsverhalten aufweisen.
Gegenstand der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Motor, insbesondere einen Spindelmotor anzugeben, der eine verbesserte Verbindung zwischen Welle und Nabe im Hinblick auf das Dämpfungsverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird ein Motor vorgeschlagen, mit einem feststehenden Lagerbauteil, einer im feststehenden Lagerbauteil drehgelagerten Welle, einer mit einem Ende der Welle verbundenen Nabe und einem elektromagnetischen Antriebssystem. Erfindungsgemäß besteht die Nabe zumindest im Verbindungsbereich mit der Welle aus einer Metalllegierung, die eine unter den gegebenen Betriebsbedingungen, insbesondere dem spezifizierten Temperaturbereich und den auftretenden Vibrationsfrequenzen und Amplituden hohe spezifische Dämpfungskapazität aufweist. Da in diesem Verbindungsbereich von Welle und Nabe die größten Deformationen aufgrund von Vibrationen auftreten, ist in diesem Bereich die höchste Dämpfung wirksam.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Nabe aus einem ersten und einem zweiten Teil bestehen, wobei nur das mit der Welle verbundene erste Teil aus der Metalllegierung mit einer hohen Dämpfungskapazität besteht. Das zweite Teil der Nabe kann in bekannter Weise aus Aluminium oder Stahl bestehen.
Vorzugsweise ist die Dämpfungskapazität der Metalllegierung wesentlich größer als die Dämpfungskapazität von Aluminium oder Stahl und beträgt vorzugsweise mindestens das 10-fache.
Als Metalllegierungen eignen sich insbesondere Legierungen mit beweglichen Zwillings- oder Phasengrenzen. Neben Sonoston, einer Mangan-Kupfer-Legierung, Incramute (58 Cu, 40 Mn, 2 Al), Proteus (Cu-Zn-Al) und Nitinol (55Ni-45Ti) kommen sogenannte Formgedächtnislegierungen, insbesondere eine Kupfer-Aluminium-Mangan-Legierung mit der Bezeichnung „Maxidamp" in Frage. Maxidamp wurde in Deutschland von der Technischen Universität Clausthal entwickelt und besitzt eine spezifische Dämpfungskapazität von bis zu 80 Prozent. Der Verlustfaktor (loss tangent) beträgt tanδ = 0,127 (vgl. auch DE 10 2005 035 709 A1 ).
Die Verbindung zwischen der Nabe bzw. dem ersten Teil der Nabe und der Welle kann in bekannter Weise durch eine Pressverbindung, eine Klebeverbindung oder eine (Laser-)Schweißverbindung oder eine Kombination dieser drei Verbindungsarten realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
2: zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
3: zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10, an der eine ringförmige Statoranordnung 12 als Teil eines elektromagnetischen Antriebssystems angeordnet ist. Eine Lagerbuchse 14 ist in einer hülsenförmigen Ausnehmung der Basisplatte 10 befestigt. Die Lagerbuchse 14 weist eine axiale zylindrische Bohrung auf, in welcher eine Welle 16 drehbar aufgenommen ist.
Der Spindelmotor umfasst eine fluiddynamische Lageranordnung. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbuchse 14 und dem Außendurchmesser der Welle 16 ist ein Lagerspalt 22 definiert, der mit einem Schmiermittel gefüllt ist. Die fluiddynamische Lageranordnung umfasst zwei Radiallagerbereiche, die durch eine Oberflächenstruktur gekennzeichnet sind, die auf der Oberfläche der Welle 16 oder der Lagerbuchse 14 vorgesehen ist. Sobald die Nabe 18, und somit auch die Welle 16, in Rotation versetzt werden, baut sich aufgrund der Oberflächenstruktur ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 22 bzw. im darin befindlichen Schmiermittel auf, so dass das Lager tragfähig wird. Am unteren Ende der Welle ist ein fluiddynamisches Drucklager vorgesehen. Das Drucklager umfasst eine am unteren Ende der Welle angeordnete Druckplatte 24 und eine Gegenplatte 26, die das untere Ende der Lagerbuchse 14 verschließt, so dass kein Schmiermittel aus dem Lagerspalt 22 austreten kann. Das Drucklager nimmt die axialen Kräfte der Lageranordnung auf. Die Gegenplatte 26 bildet ein Gegenlager zur Druckplatte 24. Sowohl die Druckplatte 24 als auch die Gegenplatte 26 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 14 aufgenommen.
Das freie Ende der Welle 16 trägt eine Nabe 18, auf der eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt sind. An dem inneren, unteren Rand der Nabe 18 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 20 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, welcher der Statoranordnung 12 gegenüberliegt. Die Statoranordnung 12 ist durch einen Arbeitsluftspalt von dem Permanentmagneten 20 getrennt und wird mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt, so dass der Rotor des Motors, bestehend aus der Nabe 18 und der Welle 16, in Drehung versetzt wird.
Erfindungsgemäß besteht die Nabe 18 aus einem Gusswerkstoff in Form einer Metalllegierung mit einer hohen spezifischen Dämpfungskapazität. Die Metalllegierung ist vorzugsweise eine Mangan-Kupfer Legierung (Sonoston) oder eine Kupfer-Aluminium-Mangan-Legierung, die auch unter dem Namen „Maxidamp" bekannt ist. Die Kupfer-Aluminium-Mangan-Legierung ist eine Formgedächtnislegierung, die martensitisch umwandelt. Die Vorteile des Werkstoffs „Maxidamp" liegen darin, dass dessen Dämpfungskapazität an den jeweiligen Anwendungsbereich angepasst werden kann und bis zu 80 Prozent erreicht. Zum Vergleich hat Aluminium je nach Dehnung nur eine spezifische Dämpfungskapazität von etwa 1 bis 4 Prozent. Durch die Entkopplung des Rotormagneten 20 und der Nabe 18 von der Welle 16 reduzieren sich auf die Nabe 18 übertragene Vibrationen und die Geräuschemission des Motors. Weiterhin ist es möglich, die Oberfläche 17 der Nabe 18 etwa mittels Laserbestrahlung oder Induktionsheizung einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um die Dämpfungseigenschaft zu verbessern.
2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks. Der Spindelmotor in 2 ist nahezu identisch mit dem Spindelmotor von 1, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Im Unterschied zu 1 ist die Nabe 118 in 2 zweiteilig ausgebildet. Die Nabe 118 umfasst ein erstes ringförmiges Teil 118a, das in eine Bohrung eines zweiten, glockenförmigen Teils 118b eingesetzt ist. Das erste Teil 118a ist mit der Welle 16 verbunden und besteht aus einer Metalllegierung mit einer hohen spezifischen Dämpfungskapazität, beispielsweise Kupfer-Aluminium-Mangan-Legierung, die auch unter dem Namen „Maxidamp" bekannt ist. Das zweite Teil 118b der Nabe besteht beispielsweise aus Aluminium oder aus Stahl. Aufgrund der Dämpfungseigenschaften des Materials des ersten Teils 118a der Nabe wird der übrige Teil 118b der Nabe 118 von der Welle 16 entkoppelt. Dadurch reduzieren sich auf die Nabe 118 übertragene Vibrationen und die Geräuschemission des Motors. Dabei kann das Teil 118a, das zwischen der Welle 16 und der Nabe 18 angeordnet ist, lediglich aus einer dünnen Schicht bzw. Beschichtung aus dämpfendem Material bestehen.
3 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks. Der Spindelmotor in 3 ist nahezu identisch mit dem Spindelmotor von 1, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Im Unterschied zu 1 ist die Nabe 218 in 3 zweiteilig ausgebildet. Die Nabe 218 umfasst ein erstes ringförmiges Teil 218a, das in eine abgestufte Aussparung eines zweiten, glockenförmigen Teils 218b eingesetzt ist. Das erste Teil 218a ist mit der Welle 16 verbunden und besteht aus einer Metalllegierung mit einer hohen spezifischen Dämpfungskapazität, beispielsweise Kupfer-Aluminium-Mangan-Legierung, die auch unter dem Namen „Maxidamp" bekannt ist. Das zweite Teil 218b der Nabe besteht beispielsweise aus Aluminium oder aus Stahl. Aufgrund der Dämpfungseigenschaften des Materials des ersten Teils 218a der Nabe wird der übrige Teil 118b der Nabe 118 von der Welle 16 entkoppelt. Dadurch reduzieren sich auf die Nabe 118 übertragene Vibrationen und die Geräuschemission des Motors.

10: Basisplatte
12: Statoranordnung
14: Lagerbuchse
16: Welle
17: Oberfläche der Nabe
18: Nabe
20: Permanentmagnet
22: Lagerspalt
24: Druckplatte
26: Gegenplatte
118: Nabe
118a: erstes Teil der Nabe
118b: zweites Teil der Nabe
218: Nabe
218a: erstes Teil der Nabe
218b: zweites Teil der Nabe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10239650 B3 [0003]
- DE 102005035709 A1 [0011]

Claims

Elektromotor, insbesondere für den Antrieb von Lüftern oder von Speicherplatten in Festplattenlaufwerken, mit einem feststehenden Lagerbauteil (14), einer im feststehenden Lagerbauteil drehgelagerten Welle (16), einer mit einem Ende der Welle verbundene Nabe (18; 118; 218) und einem elektromagnetischen Antriebssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (18; 118; 218) zumindest teilweise aus einer Metalllegierung mit einer hohen spezifischen Dämpfungskapazität besteht.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (18; 118; 218) aus einem ersten (118a; 218a) und einem zweiten Teil (118b; 218b) besteht, wobei das erste Teil (118a; 218a) mit der Welle (16) verbunden ist und aus der Metalllegierung mit einer hohen spezifischen Dämpfungskapazität besteht.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Nabe (18) und der Welle (16) eine dünne Schicht bzw. Beschichtung angeordnet ist, die aus einer Metalllegierung mit einer hohen spezifischen Dämpfungskapazität besteht.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Dämpfungskapazität der Metalllegierung mindestens 50% beträgt.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Dämpfungskapazität der Metalllegierung mindestens das 10-fache von Aluminium bzw. von Stahl aufweist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Formgedächtnislegierung ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Kupfer-Aluminium-Mangan-Legierung oder eine Mangan-Kupfer-Legierung ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (118b; 218b) der Nabe (18; 118; 218) aus Aluminium oder Stahl besteht.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (18; 118; 218) oder das erste Teil (118a; 218a) der Nabe durch eine Pressverbindung und/oder Klebeverbindung und/oder Schweißverbindung mit der Welle (16) verbunden ist.