-
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit Drehgeber nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Ein bürstenloser Gleichstrommotor, insbesondere Spindelmotor, mit optischem Encoder, z. B. für LiDAR-Anwendungen, ist bekannt. Bei solchen Motoren wird auf dem Rotor beispielsweise eine sogenannte Krone mit N-Zähnen und N-Öffnungen angeordnet, wobei die Position der Zähne und Öffnungen durch mindestens einen optischen Sensor erfasst und daraus die Position des Rotors ermittelt werden kann. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, einen Zahn der Krone breiter als die anderen auszubilden, um eine Referenzposition (Nullposition) des Rotors zu erhalten.
-
Die Ausrichtung des verwendeten optischen Encoders für LiDAR-Anwendungen muss auf die Ausrichtung der Facetten des Spiegelpolygons des LiDAR-Systems abgestimmt werden. Hierzu verwendet der optische Encoder die speziell ausgebildete mechanische Krone, die auf dem Rotor des Elektromotors befestigt wird, und einen optischen Sensor. Beide Teile benötigen relativ viel Platz und einen gewissen räumlichen Abstand, damit eine genaue optische Detektion möglich ist. Aus diesem Grund ist es schwierig, die Baugröße des Motors und damit des LiDAR-Systems zu reduzieren. Ferner sind optische Encoder störanfällig, da verschiedene Einflussfaktoren wie Staub, Wasserkondensation und externes Licht, z. B. Sonne, oder eine plötzliche Helligkeitsänderungen der Umgebung die Funktionen des optischen Encoders beeinträchtigen können.
-
Die
US 2021 / 0 408 872 A1 offenbart einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit Drehgeber hinsichtlich Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern und dessen Baugröße und Herstellungskosten zu verringern.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
-
Der erfindungsgemäße Spindelmotor weist einen magnetischen Encoder auf, der anstelle eines optischen Encoders verwendet wird, um den Platzbedarf für den Encoder zu minimieren und die Herstellungskosten zu senken. Ebenfalls können durch die Verwendung eines magnetischen Encoders die oben genannten Einflussfaktoren auf die Funktionsfähigkeit des Encoders verringert bzw. vollständig beseitigt werden. Zudem kann ein magnetischer Encoder in einem größeren Umgebungstemperaturbereich betrieben werden als ein optischer Encoder, was für Anwendungen im Automotive-Bereich vorteilhaft ist.
-
Der magnetische Encoder umfasst mindestens einen Magnetfeldsensor. Als Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein Hallsensor, ein magnetoresistiver Sensor (MR-Sensor) oder ein giant-magnetoresistiver Sensor (GMR-Sensor) verwendet werden. Der Magnetfeldsensor ist gegen einen mehrpoligen, ringförmigen Permanentmagneten positioniert, nachfolgend auch als Sensormagnet bezeichnet. Der Sensormagnet kann axial oder radial magnetisiert sein und ist vorzugsweise am rotierenden Motorbauteil des Spindelmotors angebracht.
-
Der Magnetfeldsensor kann in jedes nicht rotierende Motorbauteil oder auch Gehäusebauteil integriert werden, z. B. in den Motorflansch oder in den elektrischen Stator oder auf einer am Motor oder extern angeordneten elektrischen Leiterplatte angeordnet sein. Der Magnetfeldsensor kann radial außerhalb ab Außendurchmesser des Sensormagneten oder radial innerhalb des Innendurchmessers des Sensormagneten oder axial unterhalb oder oberhalb des Sensormagneten angeordnet sein.
-
Der mehrpolige Sensormagnet ist sektorförmig magnetisiert, wobei die Magnetisierungsform (Form der Flussdichte) des Sensormagneten z. B. rechteckig, sinusförmig oder sogar beliebig ausgebildet sein kann.
-
Die Magnetpolzahl des mehrpoligen Sensormagneten bestimmt unter anderem die Auflösung des Encoders. Seine Auflösung kann 2n Impulse haben, wobei n eine natürliche Zahl ist und die Anzahl der Magnetpolpaare angibt. Die Anzahl der Magnetpolpaare des Sensormagneten ist nur durch die physikalischen Abmessungen/Möglichkeiten des Sensormagneten oder die verwendete Magnetisierungstechnik begrenzt.
-
Der Sensormagnet kann beispielsweise ein Teil des Rotormagneten des Motorantriebs oder ein separater Permanentmagnet sein, der direkt am oder in der Nähe des Rotormagneten befestigt werden kann. Es können auch ferromagnetische oder nicht ferromagnetische Abstandhalter zwischen Sensormagnet und Rotormagnet verwendet werden.
-
Der Sensormagnet kann nicht nur am Rotormagneten befestigt werden, sondern auch an einer anderen geeigneten Stelle am rotierenden Motorbauteil oder an einem am rotierenden Motorbauteil befestigten Lastbauteil. Er kann sich am Rotoraußendurchmesser oder am Rotorinnendurchmesser oder auf der Oberseite oder der Unterseite des Rotors befinden.
-
Um die Erkennung einer vollen Umdrehung des Rotors zu ermöglichen, ist der Sensormagnet vorzugsweise speziell magnetisiert. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass mindestens ein Magnetpol oder ein Magnetpolpaar nicht denselben Sektorwinkel überstreicht wie die anderen Polpaare des mehrpoligen Sensormagneten.
-
Vorzugsweise weist der Sensormagnet eine Anzahl von 2n Magnetpolen auf, wobei der Sektorwinkel eines Magnetpols α beträgt, und der Sektorwinkel β der verbleibenden 2n-1 Magnetpole berechnet wird zu
-
Vorzugsweise genügt für eine Unterscheidung der Magnetpole mit unterschiedlichem Sektorwinkel durch den Magnetfeldsensor, dass der Differenzwinkel δ zwischen den Sektorwinkeln α und β zwischen 1° bis 4° beträgt, je nach verwendeter Anzahl der Magnetpole des Sensormagneten. In der Regel werden Sensormagnete mit n = 6 bis n = 24 Polpaaren, also 2n = 12 bis 2n = 48 Magnetpolen eingesetzt, wobei dann vorzugsweise gilt:
-
Der von den Sektorwinkeln β abweichende Sektorwinkel α ergibt sich zu
-
Unter Einsetzung der Gleichungen 1 und 2 in die Gleichung 3 ergibt sich
-
Das drehbare Motorbauteil des Spindelmotors kann eine zweiteilige Nabe mit einen inneren Nabenbauteil und einem äußeren Nabenbauteil umfassen, wobei die beiden Nabenbauteile aus einem unterschiedlichen Werkstoff bestehen können. Vorzugswiese besteht das innere Nabenbauteil aus Stahl, da es vorzugsweise ein Funktionsbauteil des fluiddynamischen Lagersystems ist.
-
Das äußere Nabenbauteil besteht aus einem Werkstoff, der vorzugsweise denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie das am äußeren Nabenbauteil befestigte, drehbar anzutreibende Lastbauteil. Durch die gleichartigen Temperaturausdehnungskoeffizienten des äußeren Nabenbauteils und des daran befestigten Lastbauteils werden Verspannungen und Verformungen des Lastbauteils aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur vermieden.
-
Das feststehende Motorbauteil weist eine Motorbasis auf, wobei der Magnetfeldsensor vorzugsweise auf einer an der Motorbasis angeordneten elektrischen Leiterplatte angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor kann sich vorzugsweise durch einen Durchbruch in der Motorbasis hindurch erstrecken und ist gegenüberliegend des an der Nabe befestigten Sensormagneten positioniert.
-
Der erfindungsgemäße Spindelmotor kann bevorzugt zum Antrieb eines optischen Scanners, insbesondere eines LiDAR-Scanners, eingesetzt werden. Ein LiDAR Scanner weist einen durch den Spindelmotor drehbar angetriebenen Polygonspiegel zur Ablenkung eines Laserstrahls auf, wobei der Polygonspiegel an der Nabe des Spindelmotors befestigt und mit der Nabe drehbar angetrieben ist.
-
Vorzugsweise kann die Nabe oder ein äußeres Nabenbauteil einer zweiteiligen Nabe aus einem Werkstoff mit demselben Ausdehnungskoeffizienten bestehen wie der Werkstoff des Polygonspiegels, also insbesondere aus Aluminium.
-
Der Sensormagnet kann vorzugsweise an der Nabe oder an dem Polygonspiegel angeordnet sein.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
- 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 3 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 4 zeigt einen Schnitt durch eine vierte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 5 zeigt einen Schnitt durch eine fünfte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 6 zeigt einen Schnitt durch eine sechste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 7 zeigt einen Schnitt durch eine siebte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 8 zeigt schematisch eine mögliche Art der Magnetisierung des Sensormagneten.
- 9 zeigt schematisch eine andere Art der Magnetisierung des Sensormagneten.
- 10 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 11 zeigt eine Aufsicht auf die Motorbasis des Spindelmotors von 10
- 12 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 13 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
- 14 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
-
In den 1 bis 7 sind verschiedene Ausgestaltungen von Spindelmotoren im Schnitt dargestellt. Die Spindelmotoren sind im Wesentlichen gleichartig aufgebaut und umfassen dieselben Komponenten. Jeder Spindelmotor besteht aus einem feststehenden Motorbauteil und einem drehbaren Motorbauteil, das mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil um eine Drehachse 36 drehbar gelagert ist. Das drehbare Motorbauteil wird von einem elektromagnetischen Antriebssystem drehend angetrieben. Die Spindelmotoren sind vorzugsweise als Außenläufer ausgebildet.
-
Der generelle Aufbau der Spindelmotoren wird anhand von 1 beschrieben. Der beschriebene Grundaufbau gilt auch für die in den 2 bis 7 dargestellten Spindelmotoren.
-
Das feststehende Motorbauteil des Spindelmotors umfasst eine Motorbasis 10 mit einer zylindrischen Aufnahmeöffnung 12, in welcher die Komponenten des fluiddynamischen Lagersystems aufgenommen sind. Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine zylindrische Hülse 14, die in der Aufnahmeöffnung 12 der Motorbasis 10 befestigt ist, beispielsweise mittels einer Pressverbindung und/oder Klebeverbindung.
-
In der zylindrischen Hülse 14 ist eine zylindrische Lagerbuchse 16 aufgenommen, und mittels Pressverbindung und / oder Klebeverbindung in der Hülse 14 befestigt. wobei die Länge der Lagerbuchse 16 etwas kleiner ist als die Länge der Hülse 14. Die Hülse 14 und die Lagerbuchse 16 sind Teil des feststehenden Motorbauteils.
-
Das drehbare Motorbauteil umfasst eine zylindrische Welle 18, die in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse 16 drehbar aufgenommen ist. An einem freien, aus der Lagerbohrung herausstehenden Ende der Welle 18 ist eine Nabe 20 befestigt.
-
An dem anderen Ende der Welle 18 ist eine Druckplatte 22 befestigt, die in einem ringförmigen Freiraum zwischen der Hülse 14, der Lagerbuchse 16 und einem die Hülse 14 verschließenden Deckel 24 angeordnet und zusammen mit der Welle 18 drehbar ist.
-
Die Hülse 14, die Lagerbuchse 16, die Welle 18, die Druckplatte 22 und der Deckel 24 bilden die Komponenten des fluiddynamischen Lagersystems. Ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt 26 trennt die Oberflächen der feststehenden Hülse 14, der feststehenden Lagerbuchse 16 und des feststehenden Deckels 24 von den Oberflächen der drehbaren Welle 18 und der drehbaren Druckplatte 22. Das offene Ende des Lagerspalts 26 ist durch einen kapillaren Dichtungsspalt 28 abgedichtet, um ein Austreten von Lagerfluid aus dem Lagerspalt 26 zu verhindern.
-
Entlang eines sich zwischen der Welle 18 und der Lagerbuchse 16 erstreckenden axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 26 sind zwei fluiddynamische Radiallager 29, 30 in einem gegenseitigen axialen Abstand angeordnet. Die fluiddynamischen Radiallager 29, 30 umfassen Lagerrillenstrukturen, die auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 12 oder auf der äußeren Umfangsfläche der Welle 18 oder auf beiden genannten Umfangsflächen angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen erzeugen bei einer Drehung der Welle 18 in der Lagerbuchse 16 einen hydrodynamischen Druck im axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 26.
-
Auf den beiden Stirnflächen der Druckplatte 22 sind ebenfalls Lagerrillenstrukturen angeordnet, die zusammen mit einer gegenüberliegenden Stirnfläche der Lagerbuchse 16 bzw. einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Deckels 24 jeweils ein fluiddynamisches Axiallager 32, 34 ausbilden. Die fluiddynamischen Axiallager 32, 34 nehmen die axialen Kräfte auf, die entlang der Rotationsachse 36 auf das Lager wirken.
-
Der Spindelmotor ist vorzugsweise als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet, auch bezeichnet als BLDC-(BrushLess DC)-Motor. Das elektromagnetische Antriebssystem umfasst einen ringförmigen und sektorförmig mehrpolig magnetisierten Rotormagneten 38 und eine Statoranordnung 40, die mehrere mit Spulen umwickelte Statorzähne aufweist. Die Spulen werden so angesteuert, dass ein drehendes Erregerfeld (magnetisches Drehfeld) entsteht. Die elektrische Statoranordnung 40 ist am Außenumfang der Aufnahmeöffnung an der Motorbasis 10 befestigt. Die Statoranordnung 40 kann beispielsweise zwölf Pole (Nuten) umfassen, wobei die Erregerwicklungen vorzugsweise an drei Phasen angeschlossen sind.
-
Der Rotormagnet 38 ist als ringförmiger Permanentmagnet ausgebildet und an einer inneren Umfangsfläche der Nabe radial gegenüberliegend der Statoranordnung 40 befestigt. Der Rotormagnet 38 umgibt die Statoranordnung 40 und ist von dieser durch einen radialen Luftspalt getrennt. Der Rotormagnet 38 kann beispielsweise acht Magnetpole (vier Polpaare) aufweisen. Sofern die Nabe 20 aus einem nicht-magnetischen Material besteht, kann der Rotormagnet 38 von einem magnetischen Rückschlussring 42 umgeben sein.
-
Der Spindelmotor weist erfindungsgemäß mindestens einen magnetischen Encoder auf, um die Drehzahl des Spindelmotors und/oder dessen Rotorposition bestimmen zu können. Der magnetische Encoder umfasst einen Magnetfeldsensor 44, der beispielsweise an der Motorbasis 10 axial unterhalb des Rotormagneten 38 angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 44 kann auf einer Leiterplatte 48 angeordnet sein, die an der Motorbasis 10 angeordnet ist.
-
Wenn sich die Nabe 20 dreht, dreht sich der an der Nabe 20 befestigte Rotormagnet 38 über den Magnetfeldsensor 44 hinweg, wobei der Magnetfeldsensor 44 die wechselnde Polarität des Magnetfelds des ihn überstreichenden Rotormagneten 38 erfasst. Der achtpolige Rotormagnet 38 hat acht sektorförmig magnetisierte Magnetpole mit wechselnder Nord-Süd-Magnetisierung. Aus dem wechselnden Magnetfeld erzeugt der Magnetfeldsensor 38 elektrische Ausgangsimpulse mit wechselnder elektrischer Polarität. Anhand der wechselnden Polaritäten der Ausgangssignale können die Drehzahl und die relative Position des Rotormagneten 38 und damit der Nabe 20 ermittelt werden.
-
Bei dem in 1 dargestellten Spindelmotor dient der Rotormagnet 38 nicht nur als Antriebsmagnet zum Antrieb der Nabe 20, sondern zugleich als Sensormagnet 46 zur Erfassung der Position des rotierenden Motorbauteils, insbesondere der Nabe 20.
-
Ein Nachteil der Anordnung von 1 ist, dass der Rotormagnet 38 in der Regel gleichmäßig magnetisiert ist, das heißt dass jeder Magnetpol denselben Sektorwinkel aufweist.
Bei acht Magnetpolen beträgt dieser Sektorwinkel 360° / 8 = 45°.
-
Daher ist es nicht ohne weiteres möglich, durch den Magnetfeldsensor 44 die absolute Position des rotierenden Motorbauteils relativ zum feststehenden Motorbauteil zu erfassen, da keine Referenzposition oder Nullposition des Sensormagneten 46 relativ zum Magnetfeldsensor 44 definiert werden kann, welche durch den Magnetfeldsensor 44 wiederholt erfasst werden könnte.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein separater Sensormagnet 46 zur Ansteuerung des Magnetfeldsensors 44 verwendet wird. Der Sensormagnet 46 ist direkt axial unterhalb und angrenzend an den Rotormagneten 38 an der inneren Umfangsfläche der Nabe 20 befestigt. Vorzugsweise ist der Sensormagnet 46 in axialer Richtung und sektorförmig magnetisiert und weist vorzugsweise eine deutlich höhere Anzahl von Magnetpolen auf als der Rotormagnet 38. Beispielsweise kann der Sensormagnet 12, 16 oder 24 Magnetpole aufweisen. Je höher die Anzahl der Magnetpole des Sensormagneten 46 ist, desto höher ist die erreichbare Winkelauflösung des Encoders. Der Magnetfeldsensor 44 ist wie in 1 axial unterhalb des Sensormagneten 46 auf der Motorbasis 10 angeordnet.
-
Der Sensormagnet 46 besitzt vorzugsweise eine spezielle Magnetisierung, die es erlaubt, durch den Magnetfeldsensor 44 eine absolute Position des Sensormagneten 46 und damit auch der Nabe 20 wiederholbar zu erfassen.
-
Eine mögliche Magnetisierung des Sensormagneten 46 ist in 8 dargestellt. Der Sensormagnet ist sektorförmig magnetisiert und hat beispielsweise insgesamt 12 Magnetpole und damit 6 Magnetpolpaare. Die Magnetpolpaare überstreichen jeweils einen gleich großen Sektorwinkel von 360° / 6 = 60°.
Mit Ausnahme eines Magnetpolpaars sind die jeweiligen Nordpole und Südpole der Magnetpolpaare ebenfalls in gleiche große Sektorwinkel von 60° / 2 = 30° aufgeteilt.
-
Bei einem Magnetpolpaar des Sensormagneten 46 ist der Sektorwinkel des Nordpols deutlich kleiner als der Sektorwinkel des Südpols oder umgekehrt. Der Nordpol hat beispielsweise einen Sektorwinkel von 20°, während der Südpol einen Sektorwinkel von 40° aufweist. Die unterschiedlichen Sektorwinkel von 20° bzw. 40° der Magnetpole dieses Magnetpolpaars werden durch den Magnetfeldsensor 44 erfasst und unterscheiden sich von den restlichen Magnetpolen bzw. Magnetpolpaaren, die alle einen Sektorwinkel von 30° bzw. 60° aufweisen. Folglich unterscheidet sich die Periodendauer der von diesen Magnetpolen mit unterschiedlichen Sektorwinkel erzeugten Ausgangsimpulse des Magnetfeldsensors 44 von der Periodendauer der von den anderen Magnetpolen erzeugten Ausgangsimpulse des Magnetfeldsensors 44. Daraus lässt sich eine Referenzposition (Nullposition) des Sensormagneten 46 definieren, die bei jeder Umdrehung des Rotors wiederholt erfassbar ist.
-
In 9 ist eine andere Art der Magnetisierung des Sensormagneten 46 dargestellt, der insgesamt 12 Magnetpole aufweist. Hier unterscheidet sich der Sektorwinkel nur eines Magnetpols, beispielsweise eines Nordpols, von den Sektorwinkeln aller anderen Magnetpole, sodass anhand des unterschiedlichen Ausgangsimpulses des Magnetfeldsensors 44 diese „Referenzposition“ des Nordpols des Sensormagneten 44 erkannt werden kann. Während ein Magnetnordpol einen Sektorwinkel α aufweist, wird der Restwinkel gleichmäßig auf die Anzahl der verbleibenden Magnetpole aufgeteilt.
-
Beispielsweise weist ein Magnetnordpol einen Sektorwinkel α von 19° auf. Der verbleibende Restwinkel von 360° - 19° = 341° wird gleichmäßig auf die restlichen 11 Magnetpole aufgeteilt, so dass jeder restliche Magnetpol einen Sektorwinkel β = 341° / 11 = 31° aufweist. Allgemein gilt somit β = (360° - α) / (2n-1), wobei der Sensormagnet (46) eine Anzahl von 2n Magnetpolen aufweist. Im vorliegenden Beispiel wurde eine relativ großer Differenzwinkel δ = β - α = 12° gewählt, um für die Sektorwinkel α und β ganze Zahlen zu erhalten und die zeichnerische Darstellung zu vereinfachen. In der Praxis kann der Differenzwinkel δ jedoch vorzugsweise wesentlich kleiner gewählt und beträgt zwischen 1° und 4°.
-
Der Sensormagnet 46 kann sowohl in radialer als auch axialer Richtung magnetisiert sein, je nachdem, ob der Magnetfeldsensor 44 axial oder radial bezüglich des Sensormagneten positioniert ist.
-
3 zeigt eine Ausgestaltung des Spindelmotos, bei der der Sensormagnet 46 radial außerhalb des Rotormagneten 38 in einer Aussparung der Nabe 20 angeordnet ist. Der Sensormagnet 46 ist sektorförmig und in axialer Richtung magnetisiert. Der Magnetfeldsensor 44. ist axial unterhalb des Sensormagneten 46 auf einer Leiterplatte 48 an der Motorbasis 10 angeordnet.
-
Bei Spindelmotor von 4 ist der Sensormagnet 46 radial außerhalb des Rotormagneten 38 an der äußeren Umfangsfläche der Nabe 20 angeordnet. Der Sensormagnet 46 ist sektorförmig und in radialer Richtung magnetisiert. Der Magnetfeldsensor 44 ist radial außerhalb des Sensormagneten 46 an einer relativ zum feststehenden Motorbauteil des Spindelmotors feststehenden Oberfläche, beispielsweise an einem Gerätegehäuse 50, angeordnet.
-
5 zeigt einen Spindelmotor, bei dem der Sensormagnet 46 an der Oberseite und dem äußeren Rand der Nabe 20 angeordnet ist. Der Sensormagnet 46 ist sektorförmig und in axialer Richtung magnetisiert. Der Magnetfeldsensor 44 ist axial oberhalb des Sensormagneten 46 an einer relativ zum feststehenden Motorbauteil des Spindelmotors feststehenden Fläche, beispielsweise an einem Gerätegehäuse 50, angeordnet.
-
In 6 ist dargestellt, dass der Sensormagnet 46 radial innenliegend an der Oberseite der Nabe 20 angeordnet ist. Der Sensormagnet 46 ist sektorförmig und in axialer Richtung magnetisiert. Der Magnetfeldsensor 44 ist axial oberhalb des Sensormagneten 46 an einer relativ zum feststehenden Motorbauteil des Spindelmotors feststehenden Fläche, beispielsweise an einem Gerätegehäuse 50, angeordnet.
-
7 zeigt eine identische Positionierung des Sensormagneten 46 wie 6 an der Oberseite der Nabe 20. Der Sensormagnet 46 ist sektorförmig und in radialer Richtung magnetisiert. Der Magnetfeldsensor 44 ist radial gegenüberliegend des Sensormagneten 46 an einer relativ zum feststehenden Motorbauteil des Spindelmotors feststehenden Fläche, beispielsweise an einem Gerätegehäuse 50, angeordnet.
-
Die 10 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors, dessen Lagerbuchse 16 in einer Aufnahmeöffnung der Motorbasis 10 befestigt ist.
-
Die Welle 18 des Spindelmotors ist mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert, welches zwei fluiddynamische Radiallager 29, 30 aufweist, die zwischen der äußeren Umfangsfläche der Welle 18 und der inneren Umfangsfläche der Bohrung der Lagerbuchse 16 angeordnet sind. Ferner bilden eine obere Stirnfläche der Lagerbuchse 16 zusammen mit einer unteren Stirnfläche der Nabe 20 ein fluiddynamisches Axiallager 32.
-
Der durchgehende Lagerspalt 26, der zwischen den Lagerflächen der beiden Radiallager 29, 30 und des Axiallagers 32 angeordnet ist, ist mit einem Lagerfluid gefüllt und durch einen kapillaren Dichtungsspalt 28 abgedichtet. Der kapillare Dichtungsspalt 28 wird durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 und eine innere Umfangsfläche eines axial verlaufenden Rades der Nabe 20 begrenzt.
-
Der Sensormagnet 46 ist an einer äußeren Umfangsfläche der Nabe 20 gegenüberliegend der Oberseite der Motorbasis 10 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 44 ist axial unterhalb des Sensormagneten 46 am feststehenden Motorbauteil angeordnet. Der Magnetfeldsensor 44 ist auf einer Leiterplatte 48 angeordnet, die auf der Unterseite der Motorbasis 10 befestigt ist und ragt durch einen Durchbruch 52 in der Motorbasis 10 hindurch nach oben bis unterhalb des Sensormagneten 46. An der Leiterplatte 48 sind ebenfalls die Anschlussdrähte 54 für die Motorwicklungen der Statoranordnung 50 elektrisch kontaktiert, welche durch den Durchbruch 52 und Bohrungen 56 in der Motorbasis 10 bis zur Leiterplatte 48 geführt werden. Auf der Leiterplatte 48 können noch weitere elektronische Komponenten 58 angeordnet sein.
-
Die Nabe 20 des Spindelmotors ist durch das elektromagnetische Antriebssystem, bestehend aus Statoranordnung 40 und Rotormagnet 38, drehend antreibbar und trägt eine Last, die beispielsweise ein sogenannter Polygonspiegel 60 eines Laserscanners sein kann. Der Polygonspiegel 60 sitzt auf einem horizontalen Flansch an der äußeren Umfangsfläche der Nabe 20 auf und wird mittels einer Klammer 62 auf der Nabe 20 klemmend gehalten, welche durch Schrauben 64 an der Oberseite der Nabe 20 befestigt ist.
-
11 zeigt eine Aufsicht auf die Motorbasis des Spindelmotors von 10, wobei man den Durchbruch 52 in der Motorbasis 10 und die darunter angeordnete Leiterplatte 48 erkennt, auf deren Oberseite der Magnetfeldsensor 44 angeordnet ist, welcher durch den Durchbruch 52 hindurch ragt.
-
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der Spindelmotor eine Nabe 20 aufweist, die aus zwei Nabenbauteilen 20a und 20b besteht. Ein inneres Nabenbauteil 20a ist an der Welle 18 befestigt und vorzugsweise aus Stahl gefertigt. Das innere Nabenbauteil 20a bildet zusammen mit der Lagerbuchse 16 ein fluiddynamischen Axiallager 32 des fluiddynamischen Lagersystems und den kapillaren Dichtungsspalt 28 zur Abdichtung des Lagerspalts 26. Ferner trägt das innere Nabenbauteil 20a an einer radial innenliegenden Umfangsfläche den Rotormagneten 38 und dient als magnetischer Rückschluss, da es aus magnetischem Stahl gefertigt ist.
-
Das ringförmige äußere Nabenbauteil 20b ist mittels einer Pressverbindung und/oder Klebeverbindung am Außenumfang der inneren Nabenbauteils 20a befestigt und besteht vorzugsweise aus Aluminium, genauso wie der auf dem äußeren Nabenbauteil 20b befestigte Polygonspiegels 60. Durch die Verwendung von Aluminium für das äußere Nabenbauteil 20b und des daran befestigten Polygonspiegels 60 haben diese Komponenten denselben Temperaturausdehnungskoeffizienten, sodass Verspannungen und Verformungen aufgrund von ungleicher Temperaturausdehnung der Materialien vermieden werden. Das äußere Nabenbauteil 20b und der Polygonspiegel 60 können aber auch aus einer anderen Metalllegierung oder aus Glas oder einem geeigneten Kunststoff bestehen.
-
Der Polygonspiegel 60 sitzt auf einem horizontalen Flansch an der äußeren Umfangsfläche des äußeren Nabenbauteils 20b auf und wird mittels einer Klammer 62 auf dem äußeren Nabenbauteil 20b klemmend gehalten, welche Klammer 62 durch Schrauben 64 an der Oberseite des äußeren Nabenbauteils 20b befestigt ist.
-
Der Sensormagnet 46 ist an einer inneren Umfangsfläche des äußeren Nabenbauteils 20b befestigt, und zwar an einem unteren Rand des äußeren Nabenbauteils 20b, welcher der Motorbasis 10 gegenüberliegt.
Der Magnetfeldsensor 44 ist axial unterhalb des Sensormagneten 46 angeordnet und erstreckt sich durch einem Durchbruch 52 in der Motorbasis 10. Der Magnetfeldsensor 44 ist auf einer Leiterplatte 48 befestigt, die an der Unterseite der Motorbasis 10 angeordnet ist und mit weiteren elektronischen Komponenten 58 bestückt sein kann. An der Leiterplatte 48 sind auch die Wicklungsdrähte 54 der Statoranordnung 40 elektrisch kontaktiert, welche durch den Durchbruch 52 der Motorbasis 10 hindurchgeführt sind.
-
13 zeigt eine ähnliche Ausführungsform der Erfindung wie die 12, mit dem Unterschied, dass das mit der Welle 18 verbundene innere Nabenbauteil 20a einen kleineren Durchmesser aufweist und zusammen mit der Lagerbuchse 16 ein fluiddynamischen Axiallager 32 des fluiddynamischen Lagersystems und den kapillaren Dichtungsspalt 28 zur Abdichtung des Lagerspalts 26 bildet. Das innere Nabenbauteil 20a ist vorzugsweise aus Stahl gefertigt.
-
Das ringförmige äußere Nabenbauteil 20b ist mittels einer Pressverbindung und/oder Klebeverbindung an der äußeren Umfangsfläche des inneren Nabenbauteils 20a befestigt. Der Rotormagnet 38 ist zusammen mit einem magnetischen Rückschlussring 42 an einer radial innenliegenden Umfangsfläche des äußeren Nabenbauteil 20b befestigt. Der magnetischer Rückschluss 42 ist notwendig, da das äußere Nabenbauteil 20b vorzugsweise nicht aus einem ferromagnetischen Werkstoff gefertigt ist und beispielsweise aus Aluminium besteht.
-
14 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotor mit einteiliger Nabe 20 ähnlich dem Spindelmotor von 10.
-
Im Unterschied zu 10 ist der Sensormagnet nicht an der Nabe 20 des Spindelmotors angeordnet, sondern an dem auf der Nabe 20 befestigten Lastbauteil, beispielsweise einem Polygonspiegel 60. Der Sensormagnet 46 ist auf der Unterseite des Polygonspiegels 60 angeordnet, wobei der Magnetfeldsensor 44 beispielsweise radial gegenüberliegend des Sensormagneten 46 angeordnet sein kann.
-
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Sensormagnet 46 außerhalb des Spindelmotors angeordnet ist und der Magnetfeldsensor 44 ebenfalls außerhalb des Motorraums an der Motorbasis oder auf einer externen Leiterplatte angeordnet werden kann. Es sind somit keine Modifikationen des Spindelmotors notwendig.
-
Liste der Bezugszeichen
-
- 10
- Motorbasis
- 12
- Aufnahmeöffnung
- 14
- Hülse
- 16
- Lagerbuchse
- 18
- Welle
- 20
- Nabe
- 22
- Druckplatte
- 24
- Deckel
- 26
- Lagerspalt
- 28
- kapillarer Dichtungsspalt
- 29
- fluiddynamisches Radiallager
- 30
- fluiddynamisches Radiallager
- 32
- fluiddynamisches Axiallager
- 34
- fluiddynamisches Axiallager
- 36
- Drehachse
- 38
- Rotormagnet
- 40
- Statoranordnung
- 42
- Rückschlussring
- 44
- Magnetfeldsensor
- 46
- Sensormagnet
- 48
- Leiterplatte
- 50
- Gerätegehäuse
- 52
- Durchbruch (Leiterplatte)
- 54
- Anschlussdraht
- 56
- Bohrung
- 58
- Komponenten
- 60
- Polygonspiegel, Lastbauteil
- 62
- Klammer
- 64
- Schraube
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2021 / 0 408 872 A1 [0004]