-
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb von laseroptischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Laserscanner, Lasertrackingsysteme oder Ähnliches, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Spindelmotoren können für vielfältige Antriebszwecke eingesetzt werden. Beispielsweise werden sie zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder laseroptischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Laserscanner, Lasertrackingsysteme oder Ähnliches eingesetzt.
-
Ein Spindelmotor umfasst im Wesentlichen ein feststehendes Motorbauteil, beispielsweise in Form eines Motorflansches, sowie ein rotierendes Motorbauteil, welches eine Nabe und weitere mit der Nabe verbundene Bauteile aufweist. Es handelt sich in der Regel um einen Permanentmagnetmotor, wobei der Permanentmagnet am Rotor und der elektrische Stator am Motorflansch oder an einem mit dem Motorflansch verbundenen Bauteil angeordnet sind.
-
Bei Laserscannern, Lasertrackingsystemen oder ähnlichen laseroptischen Vorrichtungen wird der Spindelmotor in der Regel dazu verwendet, optische Bauelemente drehend anzutreiben. Ein Laserstrahl, der von einem feststehenden Laser emittiert wird, wird auf das drehend angetriebene optische Bauelement gerichtet und auf diese Weise in seiner Richtung abgelenkt, sodass es möglich ist, den Raum und im Raum befindliche Objekte zeilen- oder rasterartig mit dem Laser abzutasten und zu vermessen.
-
Die optischen Elemente sind an einem Trägerbauteil montiert, das auf der Nabe des Spindelmotors aufgebaut ist. Das Trägerbauteil kann im Vergleich zum Spindelmotor eine erhebliche Bauhöhe aufweisen. Aufgrund der Bauhöhe des Trägerbauteils und der auf dem rotierenden Motorbauteil aufgebauten optischen Elemente, die zudem eine relativ große Masse aufweisen können, wird der Schwerpunkt des rotierenden Motorbauteils weit nach oben verschoben und liegt oftmals außerhalb der Abmessungen der Nabe des Spindelmotors. Diese hohe Schwerpunktlage führt einerseits zu einem hohen Verschleiß der Lager des Spindelmotors und macht es andererseits schwierig, das Rotorsystem exakt auszuwuchten. Ferner kann eine ungünstige Schwerpunktlage die Laufruhe und Laufgenauigkeit des Spindelmotors beeinträchtigen.
-
Die US 2016 / 0359391 A1 offenbart einen Motor zum Antrieb einer Schwungmasse gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Schwerpunkt des drehbaren Motorbauteils ist derart gewählt, dass er im Bereich des Verbindungsbereichs der Welle und der Nabe liegt.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor anzugeben, der insbesondere für den Einsatz in laseroptischen Vorrichtungen geeignet ist. Insbesondere soll die Schwerpunktlage des Rotorbauteils verbessert werden.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Der Spindelmotor, der insbesondere zum Antrieb von laseroptischen Vorrichtungen ausgebildet ist, umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein drehbares Motorbauteil, das mittels eines Lagersystems relativ zu dem feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist, wobei das Lagersystem vorzugsweise ein fluiddynamisches Lagersystem ist. Das drehbare Motorbauteil weist eine Nabe mit einer oberen Stirnfläche auf, wobei der Schwerpunkt des drehbaren Motorbauteils außerhalb des Verbindungsbereichs der Welle mit der Nabe angeordnet ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwerpunkt des drehbaren Motorbauteils in einem Bereich von 0,6 mm unterhalb und 1,0 mm oberhalb der oberen Stirnfläche der Nabe angeordnet.
-
Durch die definierte Lage des Schwerpunkts des drehbaren Motorbauteils im Bereich der oberen Stirnfläche der Nabe werden ein geringer Verschleiß und eine gute Laufruhe und Laufgenauigkeit des Spindelmotors erzielt.
-
Um Verschleiß, Laufruhe und Laufgenauigkeit des Spindelmotors weiter zu optimieren, sind im Bereich der Nabe und/oder an der auf der Nabe angeordneten Trägerbauteils entsprechende Maßnahmen zum Auswuchten des drehbaren Motorbauteils vorgesehen.
-
Beispielsweise sind am drehbaren Motorbauteil Positionen zum Hinzufügen und/oder Abtragen von Ausgleichsmassen vorgesehen, wobei einige dieser Positionen vorzugsweise in einer Ebene mit dem Schwerpunkt des drehbaren Motorbauteils angeordnet sind, vorzugsweise in axialer Richtung höchstens 3,0 mm oberhalb oder 3,0 mm unterhalb des Schwerpunkts des drehbaren Motorbauteils.
-
Erfindungsgemäß können noch eine oder mehrere weitere Ebenen und Positionen zum Hinzufügen und/oder Abtragen von Ausgleichsmassen vorgesehen sein, wobei diese weiteren Ebenen oberhalb oder unterhalb des Schwerpunktes des drehbaren Motorbauteils angeordnet sein können.
-
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das drehbare Motorbauteil des Spindelmotors die Nabe, eine mit der Nabe verbundene oder integrierte Welle, einen Rotormagneten und eine an der Nabe angeordnetes Trägerbauteil. Das feststehende Motorbauteil umfasst einen Motorflansch, eine mit dem Motorflansch verbundene oder integrierte Lagerbuchse und einen elektrischen Stator.
-
In einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das drehbare Motorbauteil des Spindelmotors die Nabe, eine mit der Nabe verbundene oder integrierte Lagerbuchse, einen Rotormagneten und ein an der Nabe angeordnetes Trägerbauteil. Das feststehende Motorbauteil umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Motorflansch, eine mit dem Motorflansch verbundene oder integrierte Welle und einen elektrischen Stator.
-
Das auf der Nabe montierte Trägerbauteil umfasst vorzugsweise ein Bauteil, das zur Aufnahme von optischen Bauteilen ausgebildet ist.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
-
1 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem.
-
Der Spindelmotor umfasst einen Motorflansch 10, welcher die Motorbauteile trägt und zur Befestigung des Spindelmotors in einem Gehäuse oder Ähnlichem dient. Der Motorflansch 10 besteht vorzugsweise aus Stahlblech und kann als Stanzteil oder Tiefziehteil ausgebildet sein. Der Motorflansch 10 weist eine angeformte Buchse 10a auf, in welcher eine Lagerbuchse 12 des fluiddynamischen Lagersystems befestigt ist. Die Lagerbuchse 12 weist eine axiale zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 14 um eine Drehachse 44 drehbar aufgenommen ist. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung ist etwas größer als der Außendurchmesser der Welle 14, sodass zwischen Lagerbohrung und Welle 14 ein wenige Mikrometer breiter Lagerspalt 16 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Welle 14 und die Lagerbuchse 12 weisen einander zugeordnete Lagerflächen auf, die zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 ausbilden. Die Lagerflächen der fluiddynamischen Radiallager 22, 24 weisen entsprechende Lagerrillenstrukturen auf, die beispielsweise sinus- oder parabelförmig ausgebildet und auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 14 angeordnet sind. Sobald sich die Welle 14 in der Lagerbuchse 12 dreht, üben die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 16 ausbildet, der die Radiallager 22, 24 tragfähig macht. Solange sich die Welle 14 in der Lagerbohrung dreht, wird diese durch den durch die Lagerrillenstrukturen erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung getrennt durch den Lagerspalt 16.
-
Die Lagerrillenstrukturen des oberen Radiallagers 22 sind vorzugsweise asymmetrisch ausgestaltet, wodurch sie eine unterschiedlich große Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben, die überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 24 gerichtet ist. Das zweite Radiallager 24 umfasst Lagerrillenstrukturen, die vorzugsweise symmetrisch ausgebildet sind und eine gleich große Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 16 erzeugen. Durch die gerichtete Pumpwirkung des oberen Radiallagers 22 ist eine Fließrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt 16 nach unten gegeben. Die beiden Radiallager 22, 24 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem sogenannten Separatorspalt 26, axial voneinander getrennt.
-
An einem Ende der Welle 14 ist eine ringförmige Druckplatte 18 angeordnet, die auf die Welle 14 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 14 ausgebildet ist und zusammen mit der Welle 14 rotiert. Unterhalb der Druckplatte 18 ist die Lagerbuchse 12 durch eine Abdeckplatte 20 verschlossen. Sowohl die Druckplatte 18 als auch die Abdeckplatte 20 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 12 konzentrisch zur Lagerbohrung aufgenommen. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 18 bilden zusammen mit gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 12 bzw. der Abdeckplatte 20 zwei fluiddynamische Axiallager 28, 30 aus. Die fluiddynamischen Axiallager 28, 30 sind durch Axiallagerrillen gekennzeichnet, die auf den Lagerflächen der Druckplatte 18 und/oder der Lagerbuchse 12 beziehungsweise der Abdeckplatte 20 angeordnet sind. Die Axiallagerrillen sind vorzugsweise spiralrillenförmig oder fischgrätenförmig ausgebildet. Es wird hierbei bevorzugt, dass die Axiallagerrillen der Axiallager 28, 30 eine gleich große Pumpwirkung in beide Richtungen der radialen Abschnitte des Lagerspalts 16 erzeugen. Sobald die Welle 14 in der Lagerbuchse 12 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen auf den Axiallagerflächen ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 16 auf, sodass die Axiallager 28, 30 tragfähig werden und die Druckplatte 18 in axialer Richtung im Wesentlichen mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 12 positioniert ist.
-
Das offene Ende des Lagerspalts 16 ist durch eine Dichtung, vorzugsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 34, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 34 ist in axialer Verlängerung des Lagerspalts 16 angeordnet und durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 14 sowie eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 begrenzt. Der Dichtungsspalt 34 weist einen im Wesentlichen konischen Querschnitt auf, der sich ausgehend vom Lagerspalt 16 aufweitet. Der Dichtungsspalt 34 steht lediglich über einen schmalen Luftspalt 32 mit der Außenumgebung in Verbindung. Der schmale Luftspalt 32 bildet eine wirkungsvolle Barriere gegen ein Entweichen von Lagerfluiddampf aus dem Dichtungsspalt 34.
-
Das obere freie Ende der Welle 14 ist mit einer Nabe 36 verbunden. Die Nabe 36 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet. Der in 1 dargestellte Spindelmotor wird beispielsweise zum Antrieb von optischen Komponenten einer laseroptischen Vorrichtung verwendet, wobei auf der oberen Stirnseite 36a der Nabe 36 beispielsweise ein Trägerbauteil 46 angeordnet ist, das die optischen Komponenten aufnimmt und von dem Spindelmotor drehend angetrieben wird.
-
An einem inneren unteren Rand der Nabe 36 ist ein ringförmiger Rotormagnet 42 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet. Der Rotormagnet 42 liegt an einem Rückschlussring 40 an. Gegenüberliegend des Rotormagneten ist am Außenumfang der Buchse 10a des Motorflansches 10 eine Statoranordnung 38 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt vom Rotormagneten 42 getrennt ist. Die Statoranordnung 38 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend bestromt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, sodass der Rotor, bestehend aus der Nabe 36 und der Welle 14, in Drehung versetzt wird. Ist die Nabe 36 aus magnetischem Stahl gefertigt, kann der Rückschlussring 40 entfallen, da die Nabe 36 selbst den magnetischen Rückschluss bildet.
-
Das drehbare Motorbauteil umfasst die Welle 14, die Druckplatte 18, die Nabe 36, den Rotormagneten 42, den Rückschlussring 44 und das auf der Nabe 36 befestigte Trägerbauteil 46. Jedes der vorstehend genannten Bauteile hat eine Masse und trägt zur Gesamtmasse des drehbaren Motorbauteils bei.
-
Um den Verschleiß des Spindelmotors und des Lagersystems gering zu halten und eine möglichst gute Laufruhe des Spindelmotors zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn der Schwerpunkt (SP) des drehbaren Motorbauteils möglichst nahe an den fluiddynamischen Radiallagern 22, 24, insbesondere dem oberen fluiddynamischen Radiallager 22, angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Schwerpunkt (SP) des drehbaren Motorbauteils im Bereich der oberen Stirnfläche 36a der Nabe liegt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwerpunkt des drehbaren Motorbauteils in einem Bereich von a = 0,6 mm unterhalb bis b = 1,0 mm oberhalb der oberen Stirnfläche 36a der Nabe 36 angeordnet.
-
Um diese gewünschte Lage des Schwerpunkts (SP) des drehbaren Motorbauteils zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Welle 14, die Druckplatte 18, die Nabe 36, der Rotormagnet 42 und der Rückschlussring 44 aus Metall oder Metall enthaltenden Werkstoffen und das auf der Nabe 36 befestigte Trägerbauteil 46 aus einem Werkstoff mit geringerer Dichte, beispielsweise Kunststoff oder Leichtmetall, ausgebildet sind.
-
Zum Auswuchten des drehbaren Motorbauteils sind im Bereich der Nabe und/oder im Bereich des auf der Nabe angeordneten Trägerbauteils entsprechende Maßnahmen vorgesehen.
-
Beispielsweise sind an der Nabe 36 oder dem Trägerbauteil 46 mehrere Positionen 48, 50, 52 zum Hinzufügen und/oder Abtragen von Ausgleichsmassen 54 vorgesehen.
-
Einige dieser Positionen 48 sind vorzugsweise etwa in einer Ebene mit dem Schwerpunkt (SP) des drehbaren Motorbauteils angeordnet. Vorzugsweise befinden sich die Positionen in einem axialen Abstand (a), (b) zum Schwerpunkt des drehbaren Motorbauteils, jedoch höchstens a = 3,0 mm unterhalb oder b = 3,0 mm oberhalb des Schwerpunkts (SP) des drehbaren Motorbauteils.
-
Die eine oder mehreren weiteren Ebenen und Positionen 50, 52 zum Hinzufügen und/oder Abtragen von Ausgleichsmassen 54 können in einem größeren Abstand oberhalb oder unterhalb des Schwerpunkts (SP) des drehbaren Motorbauteils angeordnet sein. Die Ausgleichsmassen 54 dienen dabei der Auswuchtung des drehbaren Motorbauteils, die idealerweise an mehreren Positionen entlang der Drehachse 44 angeordnet werden, um ein dynamisches Auswuchten zu ermöglichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Motorflansch
- 10a
- Buchse
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Druckplatte
- 20
- Abdeckplatte
- 22
- Radiallager
- 24
- Radiallager
- 26
- Separatorspalt
- 28
- Axiallager
- 30
- Axiallager
- 32
- Luftspalt
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Nabe
- 36a
- obere Stirnfläche der Nabe
- 38
- Statoranordnung
- 40
- Rückschlussring
- 42
- Rotormagnet
- 44
- Drehachse
- 46
- Trägerbauteil
- 48
- Position
- 50
- Position
- 52
- Position
- 54
- Ausgleichsmasse
- SP
- Schwerpunkt
- a
- Bereich
- b
- Bereich
