DE3153740C2 - Antriebsvorrichtung für Festplattenspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für Fest­ plattenspeicher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei Festplattenspeichern werden Daten darstellende Bits in kreis- oder spiralförmigen Spuren auf Speicherplatten ge­ speichert, die mit relativ hohen Drehzahlen angetrieben werden. Das Einschreiben oder Auslesen der Bits erfolgt mittels eines Schreib- und/oder Lesekopfes, der mit Bezug auf die jeweils zu schreibende oder auszulesende Spur genau positioniert sein muß. Dies bedeutet, daß die Speicherplat­ ten mit hoher Präzision umlaufen müssen.

In der Praxis wurde gefunden, daß insbesondere im Falle von magnetischen Festplattenspeichern gelegentlich Störungen durch Schmutzteilchen beim Einschreiben oder Auslesen der Daten auftreten. Um dem entgegenzuwirken, ist es bekannt (vgl. US 4,054,931), zwischen den Schmutzteilchen abgebenden Antriebsteilen und dem Plattenaufnahmeraum als Sperre eine Labyrinthdichtung anzuordnen, die den Übertritt von Schmutz­ teilchen mindestens herabsetzt. Es zeigte sich nämlich, daß Ursache der geschilderten Störungen Schmutzteilchen sein können, die von dem Antrieb ausgehen. Solche Schmutzteilchen können nicht nur von den Lagern, sondern auch von der Motor­ wicklung mit ihrer stark strukturierten Oberfläche abgegeben werden. Insbesondere können vom Lagersystem Fett- oder Abriebteilchen austreten. Im Vergleich beispielsweise zu Ferrofluidik-Dichtungen, welche eine Dichtwirkung zwischen stehenden und rotierenden Teilchen durch eine kombinierte Wirkung von Magnetfeldern und Schmierstoffemulsionen hervor­ rufen, die magnetisch leitende Partikel enthalten, sind Labyrinthdichtungen besonders einfach und zuverlässig auf zu­ bauen. Die Labyrinthdichtungen ermöglichen es, den Austritt von Schmutzteilchen aus dem Motorinnern in den Bereich der Speicherplatten ganz oder wenigstens zu einem erheblichen Teil zu unterbinden, so daß Störungen beim Einschreiben oder Auslesen der Daten nicht auftreten.

Bei der Antriebsvorrichtung nach US 4,054,931 dient die Labyrinthdichtung zwischen Lager und Reinraum dazu, den Überdruck im Reinraum aufrechtzuerhalten und hierdurch mittelbar das Eindringen von Schmutzteilchen zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dichtungsei­ genschaften dieser Labyrinthdichtung so zu verbessern, daß ohne weitere konstruktive Maßnahmen das Eindringen von Schmutzpartikeln in den Reinraum unmittelbar verhindert wird.

Diese Notwendigkeit ergibt sich vor allem bei einer Antriebsvorrichtung, bei welcher, wie mit der Erfindung vorgeschlagen wird, ein direkt antreibender kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor mit dauermagnetischem Rotor vorgesehen ist, der unmittelbar mit der Nabe verbunden und zusammen mit dieser als Glocke ausgebildet ist, in deren Innenraum Lager und der Stator unter Bildung eines zylindri­ schen Luftspaltes angeordnet sind. Da bei dieser Lösung nicht nur die Lager sondern auch die Schmutzpartikel abge­ benden Statorwicklungen dem Reinraum unmittelbar benachbart sind, kommt es auf eine verbesserte Ausbildung der Laby­ rinthdichtung an. In konstruktiv einfacher Weise wird dies dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung der Rotorglocken­ rand mit einem axialen Bereich in eine ringförmige Ausneh­ mung des Stators zur Bildung einer Labyrinthdichtung, die den Reinraum gegen eindringende Schmutzteilchen abdichtet, koaxial eingreift, wobei die Dicke des Labyrinthspaltes über seiner axialen Erstreckung relativ klein und über seiner radialen Erstreckung relativ groß ist. Bei Erfüllung dieser Dimensionierungsvorschrift wird verhindert, daß sich nicht nach Art des sog. Reibradgebläse-Effektes Druckverhältnisse aufbauen, aufgrund welcher Schmutzpartikel vom Bereich der Lager in den Reinraum befördert werden.

Aus US 4,135,308 ist es bei einem Festplattenspeicher mit indirektem Antrieb zwar bekannt, die Verschmutzung des Reinraums durch Austreten von Teilchen aus dem Lager durch eine Druckerhöhung im Bereich des Lagers zu erreichen. Allerdings ist hierzu ein relativ großer axialer Spalt vorgesehen, wobei spiralförmige Rillen bei Umlauf der Nabe als Pumpelement wirken sollen. Bei dieser Dimensionierung besteht die Gefahr, daß bei stehender Nabe der im Lagerbe­ reich vorhandene Überdruck in Richtung auf den Reinraum abgebaut wird, wodurch Schmutzpartikel in diesen eingebracht werden können.

Die Erfindung weiterbildende und unterstützende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

So kann zur Verbesserung der Abdichtung gem. Anspruch 2 eine weitere Labyrinthdichtung benachbart dem etwa zur Mitte des Plattenaufnahmeraumes hin orientierten anderen axialen Ende eines die Lager koaxial aufnehmenden Lagerrohrs vorgesehen sein.

Besonders zweckmäßige Dimensionierungen der Labyrinthdich­ tung sind mit Anspruch 3 angegeben.

Zur weiteren Verbesserung der Dichtung können kammartig ausgebildete Labyrinthelemente im Sinne der Ansprüche 4 bis 6 vorgesehen sein.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen schematischen lotrechten Schnitt durch eine Antriebsvorrichtung gem. der Erfindung und

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Detailansicht einer Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Antriebsvorrichtung 44 des Festplattenspeichers ist mit einem kollektorlosen Gleich­ strommotor 45 versehen, der ein mit einer Rotorwelle 46 fest verbundenes und zur Rotorwelle 46 konzentrisches Rotorgehäu­ se 47 aufweist. Zu dem Stator des Motors 45 gehört insbeson­ dere ein Statorblechpaket 48, das eine Statorwicklung 49 trägt. Das Statorblechpaket 48 ist auf ein Lagerrohr 50 aufgeschoben, das Teil einer zentralen Abstützung 51 ist. Die Rotorwelle 46 ist in dem Lagerrohr 50 mit Hilfe von zwei Lagern 52, 53, gelagert, die durch in Abstand voneinander liegende Sicherungsringe 54 gehalten sind. Eine Tellerfeder 55 stützt sich an der Unterseite des Lagers 53 und einem auf der Rotorwelle 46 sitzenden Sicherungsring 56 ab, wodurch die Lager 52, 53 axial gegeneinander verspannt werden. Das Lagerrohr 50 bildet zusammen mit einem Montageflansch 57 ein einstückiges Druckgußteil. Statt dessen kann das Lagerrohr 50 auch mit Preßsitz in einer mit dem Flansch 67 verbundenen Nabe sitzen.

Das Rotorgehäuse 67 umschließt nicht nur unter Bildung eines zylindrischen Luftspalts 58 das Statorblechpaket 48, sondern ist an der von dem Montageflansch 57 abgewandten Seite axial verlängert, wodurch eine Nabe 60 gebildet wird. Die Nabe 60 dient der Lagerung und Mitnahme einer oder mehrerer nicht gezeigter Festspeicherplatten, die eine Mittelbohrung auf­ weisen, deren Durchmesser dem Außendurchmesser der Nabe 60 entspricht. Bei den Festspeicherplatten kann es sich um handelsübliche 5¼′′- oder 8′′-Platten handeln. Die veran­ schaulichte Bauweise erlaubt es, den Durchmesser der An­ triebsnabe 60 der Mittelbohrung der Speicherplatten ohne Rücksicht auf die erforderliche Antriebsleistung des Motors 45 und den daraus resultierenden günstigsten Durchmesser des Luftspalts 58 anzupassen.

Eine gedruckte Leiterplatte 61 ist in dem freien Raum 62 im Inneren der Nabe 60 untergebracht. Die Leiterplatte 61 ist ringförmig ausgebildet und mit der zentralen Abstützung 51 verbunden. Auf der Leiterplatte 61 sitzen die Antriebselek­ tronik und eine Drehzahlregelschaltung, zu denen u. a. ein als Drehstellungsdetektor vorgesehener Hall-IC 63, Endstu­ fentransistoren 64 und ein Potentiometer 65 gehören. Die zweckmäßig in einem Arbeitsgang, z. B. im Tauchlötverfahren, hergestellten Lötverbindungen der Schaltungskomponenten der Antriebselektronik und der Drehzahlregelschaltung sind bei 66 angedeutet. Das Potentiometer 65 kann u. a. der Einstel­ lung unterschiedlicher Arbeitspunkte oder dem Ausgleich von Bauelementetoleranzen dienen. Es kann mittels Schraubenzie­ her über eine nicht dargestellte Bohrung im Flansch 57 und eine der Nuten des Statorblechpakets 48 verstellt werden.

Eine zu der Leiterplatte 61 führende Leitung 67 ist an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die die Lötverbindungen 66 tragende Seite der Leiterplatte 61 ist dem Boden 68 des Rotorgehäuses 47 zugewandt.

Das Rotorgehäuse 47 besteht bei dieser Ausführungsform aus einem magnetisch nicht oder schlecht leitenden Werkstoff. Beispielsweise ist das Rotorgehäuse als Druckgußteil aus einer Aluminiumlegierung aufgebaut. An der dem Statorblech­ paket 48 gegenüberstehenden Innenfläche des Rotorgehäuses 47 ist eine Mehrzahl von Dauermagnetsegmentstücken oder ein einteiliger Dauermagnet 69 befestigt. Der Dauermagnet 69 besteht vorzugsweise aus einer Mischung von Hartferrit, z. B. Bariumferrit, und elastischem Material. Es handelt sich also um einen sog. Gummimagneten. Dieser ist über der Pol­ teilung trapezförmig oder annähernd trapezförmig bei relativ kleiner Pollücke radial magnetisiert. Ein magnetischer Rückschlußring 70 befindet sich zwischen dem Rotorgehäuse 47 und dem Dauermagneten 69. Der magnetische Rückschlußring 70 ist gleichzeitig Teil einer magnetischen Abschirmung. Grund­ sätzlich ist es auch möglich, das Rotorgehäuse 47 aus magne­ tisch leitendem Werkstoff, insbesondere Weicheisen, herzu­ stellen und beispielsweise als Tiefziehteil zu fertigen. In einem solchen Fall kann ein besonderer Weicheisenrückschluß­ ring entfallen.

Der eine Rundung 71 aufweisende Rückschlußring 70 und ein feststehender Abschirmring 72 umschließen glockenförmig den magnetisch aktiven Teil des Speicherantriebs 44. Dadurch wird die Ausbreitung von magnetischen Streufeldern in den Bereich der auf der Nabe 60 sitzenden Festspeicherplatten wirkungsvoll unterbunden. Durch den Ringspalt zwischen der Rundung 71 und dem Abschirmring 72 und Ausnehmungen des Abschirmringes 72 für den Durchtritt des Hall-IC 63 oder mehrerer derartiger Hall-ICs kann das Streufeld nicht in nennenswertem Umfang durchdringen, da die weichmagnetischen Abschirmringe dieses Feld auf sich ziehen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Abschirmring 72 gleichzeitig als Kühlblech für die Endstufentransistoren 64 genutzt, die mit dem Abschirmring 72 verbunden sind. Die Kühlkörper der Endstufentransistoren 64 können erforderlichenfalls gegen­ über dem Abschirmring 72 z. B. mittels einer Glimmerscheibe oder dergleichen elektrisch isoliert sein. Es ist auch möglich, den Abschirmring 72 entsprechend der Zahl der Endstufentransistoren 64 zu unterteilen, um eine derartige elektrische Isolierung zu vermeiden.

Der Montageflansch 57 gestattet es, den Speicherantrieb 44 in der in Fig. 1 dargestellten Weise an einer Trennwand 73 des Festplattenspeichers anzubringen. Die Trennwand 73 trennt den zur Aufnahme der Festspeicherplatten bestimmten Raum höchster Reinheit vom übrigen Geräteinnern ab. Aus dem Lager 52 gegebenenfalls austretende Schmutzteilchen, Fett­ dämpfe oder dergleichen werden durch Labyrinthdichtungen 90, 91 zurückgehalten. Die Labyrinthdichtungen werden von fest­ stehenden und umlaufenden Teilen gebildet, die im Inneren der Antriebsvorrichtung jeweils koaxial ineinandergreifen.

Die Labyrinthdichtung 90 wird dadurch erhalten, daß der Boden 68 beim Lager 52 als zylinderförmige Buchse 92 ausge­ bildet ist, die in das Lagerrohr 50 hineinreicht. Nur ein sich axial möglichst weit erstreckender, schmaler Spalt 94 verbleibt für einen Austritt von Schmutzteilchen aus dem Lager 52, wobei die Wirkung der Labyrinthdichtung 90 durch einen Spalt 95 noch verstärkt wird, der von einem am Boden 68 angeformten Ring 93 und dem Lagerrohr 50 begrenzt ist.

In ähnlicher Weise bildet der Rückschlußring 70 die weitere Labyrinthdichtung 91. Dadurch, daß der Rückschlußring 70 in eine umlaufende Ausnehmung des Flansches 57 greift, entste­ hen auch hier enge, aber in axialer Richtung lange Spalte 96, 97, die den Austritt von Schmutzteilen aus dem Motor­ innern verhindern.

Um die Wirkung der Labyrinthdichtungen 90, 91 beim Zurück­ halten der Schmutzteilchen zu erhöhen, sind die axial ge­ richteten Spalte 94, 95, 96, 97 jeweils möglichst schmal gehalten, d. h. sie sind in radialer Richtung klein, etwa 1 bis 2 mm groß, jedoch in ihrer axialen Erstreckung möglichst lang, also z. B. 5 bis 20 mm groß. Die Spaltgröße oder Spaltdicke in radialer Richtung darf jedoch nicht beliebig klein werden, weil dies Fertigungsaufwand und vor allem Luftreibungsverluste bedeutet. Letztere können je nach Beschaffenheit der angrenzenden Oberflächen beträchtlich sein, weil die Speicherdirektantriebe mit hoher Drehzahl, z. B. mit 5000 U/min., betrieben werden. Dagegen sind die radial gerichteten Spalte relativ breit, z. B. axial 3 bis 5 mm dick, und kurz, d. h. radial zweckmäßig kürzer als 10 mm. Die genannten Werte beziehen sich auf eine Motorgröße, die im Durchmesser halb so groß ist, wie es der Größe in der Darstellung in Fig. 1 entspricht.

Zusätzlich sind weitere Dichtungsspalte möglich. So können zusätzliche Labyrinthelemente 23 von einer Wickelkopfab­ deckung eines Stators 2 aus kammartig in in ihrer Form umgekehrt ausgebildete Vertiefungen 22 im Boden eines glockenförmigen Außenrotorgehäuses 1 eintauchen, wie Fig. 2 veranschaulicht. Die Rippen 23 stehen mit den Begrenzungs­ wänden der Ringnuten 22 hierbei nicht in Kontakt. Während in Fig. 2 die Labyrinthdichtung radial außerhalb der Wicklung 3 veranschaulicht ist, versteht es sich, daß solche Labyrinth­ dichtungen radial innerhalb und radial außerhalb der Wick­ lung vorgesehen werden können, um die Abdichtungswirkung weiter zu verbessern. Prinzipiell gilt auch hier, daß die axiale Ersteckung a der Labyrinthspalte parallel zur Rotor­ achse größer als ihre radiale Erstreckung r sein soll und daß die Dicke d der Labyrinthspalte über ihren axialen Erstreckungen klein sowie über ihren radialen Erstreckungen groß sein soll, wobei zweckmäßig a/d < 10 und r/d 2 ist.

Wie Fig. 1 ferner zeigt, ist an dem freien, von der Nabe 60 abliegenden Ende der Rotorwelle ein Lüfter 76 mit Lüfterflü­ geln 77 befestigt. Der Lüfter 76 bewirkt eine intensive Luftbewegung im Bereich des Montageflanschs 57, wodurch der Flansch gekühlt wird. Über das Lagerrohr 50 und den Flansch 57 wird auf diese Weise Verlustwärme aus dem Motor 45 wir­ kungsvoll nach außen geleitet.

Um eine die Betriebssicherheit des Festplattenspeichers störende elektrische Aufladung der Rotorglocke auszu­ schließen, ist die Rotorwelle 46 über eine Lagerkugel 78 und einen nicht dargestellten Federkontakt zweckmäßig mit dem Gerätechassis elektrisch leitend verbunden.

Die Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors kann bei 5800 U/min und die Nenndrehzahl bei beispielsweise 3600 U/min liegen. Der Stator hat vorteilhaft vier ausgeprägte, bewickelte Pole, deren Polhörner so deformiert sind, daß sich die Breite des Luftspalts 58 im Bereich der Polhörner ändert und dadurch das Reluktanzhilfsmoment erzeugt wird.

Der erläuterte Festspeicherplattenantrieb eignet sich für alle Arten von Festplattenspeichern, unabhängig vom Durch­ messer der Mittelöffnung der Speicherplatten.

Claims (6)

1. Antriebsvorrichtung für Festplattenspeicher mit einem Motor zum Antreiben einer Nabe, auf der mindestens eine Festspeicherplatte befestigt ist, wobei die Nabe inner­ halb eines die Festspeicherplatte aufnehmenden Rein­ raumes liegt und wobei zwischen den Schmutzteilchen abgebenden Antriebsteilen und den für die Unterbringung der Festspeicherplatte bestimmten Reinraum Labyrinth­ dichtungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein direkt antreibender kollektorloser Gleichstrom- Außenläufer-Motor (45) mit dauermagnetischem Rotor (69, 70, 71) vorgesehen ist, der unmittelbar mit der Nabe (60) verbunden und zusammen mit dieser als Glocke ausge­ bildet ist, in deren Innenraum das Lager (52, 53) und der Stator (48, 49, 50, 57) unter Bildung eines zylin­ drischen Luftspaltes (58) angeordnet sind, wobei der Rotorglockenrand mit einem axialen Bereich in eine ringförmige Ausnehmung (91) des Stators (57) zur Bildung einer Labyrinthdichtung, die den Reinraum gegen eindrin­ gende Schmutzteilchen abdichtet, koaxial eingreift und die Dicke (d) des Labyrinthspaltes (97) über seiner axialen Erstreckung (a) relativ klein und über seiner radialen Erstreckung (r) relativ groß ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß benachbart dem etwa zur Mitte des Platten­ aufnahmeraumes hin orientierten einen axialen Ende eines die Lager (52, 53) koaxial aufnehmenden Lagerrohrs (50) eine weitere Labyrinthdichtung vorgesehen ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß a/d 10 und r/d 2 ist.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß statorseitige kammarti­ ge Labyrinthelemente (23) in Vertiefungen (22) des Bodens oder des Randes der Rotorglocke eintauchen, wobei zwischen den Vertiefungen (22) rotorseitig kammartige Vorsprünge gebildet sind.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kammartigen Labyrinthelemente (23) ungleiche Abstände haben.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge unterschiedliche Dicke haben.