DE3153747C2 - Plattenspeicher - Google Patents
PlattenspeicherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Plattenspeicher zur Aufnahme
mindestens einer eine Mittelöffnung aufweisenden Speicher
platte der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. Als
Platten eignen sich Festplatten, flexible Magnetspeicher
platten sowie optische Speicherplatten.
Bei Plattenspeichern 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.
Aus DE 29 44 212 A1 ist bekannt, für den Antrieb solcher an
einer Nabe drehfest angebrachter Speicherplatten einen
elektrischen Antriebsmotor anzuordnen, der mit der Nabe über
eine Welle verbunden ist. Eine derartige Anordnung nimmt in
axialer Richtung vergleichsweise viel Platz in Anspruch.
Es ist ferner aus US 4,101,945 bekannt, die Speicherplatte
oberhalb des Motors mit der Motorwelle zu verbinden und
dabei das Lagersystem zwischen die Speicherplatte und den
Motor einzufügen. Eine solche Anordnung ist aber gleichfalls
aufwendig, schwer und platzraubend.
Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich bei der Lösung
nach US 4,062,049, bei welcher die Speicherplatte über eine
ringförmige Nabe am Rotorgehäuse befestigt ist und der
Stator mit seinen Wicklungen innerhalb des Rotorgehäuses
vorgesehen ist. Diese Lösung hat jedoch den entscheidenden
Nachteil, daß die Mittelöffnungen der Speicherplatte und
damit die Speicherplatte selbst nicht beliebig verkleinert
werden können, da dies zwangsläufig zu einer Verkleinerung
des Luftspaltdurchmessers zwischen Rotor und Stator und
folglich zu einer Reduzierung der Antriebsleistung führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ausgehend von dem oben erläuterten Plattenspeicher einen
äußerst platzsparenden, robusten Antrieb zu schaffen, bei
welchem der innerhalb des Speicherplattenraumes angeordnete
Antriebsmotor unabhängig von der Größe der Mittelöffnung der
Speicherplatte dimensionierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1
angegebenen Merkmale gelöst.
Nach dieser Lösung wird eine sehr kompakte und stabile
Einheit aus Antriebsmotor und Speicherplatte oder Speicher
platten erzielt, welche die Verwendung sehr kleiner Spei
cherplatten mit kleinen Mittelöffnungen ohne Reduzierung der
verfügbaren Antriebsleistung erlaubt. Um das Eindringen von
Schmutzteilchen in den die magnetischen Festspeicherplatten
aufnehmenden Raum zu verhindern, ist nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung zwischen den Schmutzteilchen abgeben
den Antriebsteil und dem Plattenaufnahmeraum eine Labyrinth
dichtung vorgesehen, welche von koaxial ineinander greifen
den rotierenden und stehenden Rotorteilen selbst gebildet
ist. Mit dieser Maßnahme erreicht man eine effektive Abdich
tung des die Speicherplatten aufnehmenden Raumes, welcher
Reinraumqualitäten haben muß.
Die Erfindung weiterbildende bzw. begünstigende Merkmale
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 2 ist der Antriebsmotor vorzugsweise als
kollektorloser Gleichstrommotor mit dauermagnetischem Rotor
ausgebildet. Zweckmäßig ist dabei gemäß Anspruch 3 in einem
umlaufenden Rotorgehäuse ein ein- oder mehrteiliger Dauerma
gnetring oder ein ringförmig gebogenes Dauermagnetband mit
annähernd trapezförmiger Radialmagnetisierung über der
Polteilung vorgesehen. Bei dem Dauermagneten kann es sich
insbesondere um einen kunststoffgebundenen Magneten oder
einen sogenannten Gummimagneten handeln. Solche Magnete
bestehen aus Mischungen von Hartferriten und elastischem
Material, insbesondere aus elastomergebundenem Bariumferrit.
Nach dem Vorschlag gemäß Anspruch 4 weist der Stator eine
mindestens einsträngige Statorwicklung auf, und es sind
mindestens ein Drehstellungsdetektor sowie eine Kommutie
rungsvorrichtung zum Verbinden der Wicklung mit einer
Gleichstromquelle in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen
des Drehstellungsdetektors vorgesehen. Ein derartiger, an
sich bekannter Motor hat ein ausgezeichnetes Betriebsverhal
ten und läßt sich kompakter als andere Motoren entsprechen
der Leistung aufbauen. Er läßt sich infolgedessen besonders
gut in die Mittelöffnungen der Speicherplatten integrieren,
während das Lagersystem ausreichend robust ausgeführt sein
kann, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. In diesem
Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß der Öffnungsdurch
messer der Speicherplatten genormt ist. Geringere Gesamtab
messungen des Motors schaffen daher mehr Raum für größere
und robustere Lager.
Zur Lagerung des Rotors auf dem Stator sind gemäß Anspruch 5
zweckmäßig zwei Lager vorgesehen, die in Richtung der Dreh
achse des Rotors in Abstand voneinander angeordnet sind. Sie
können vorzugsweise gegeneinander axial verspannt sein.
Konstruktiv, einfach und stabil ist eine derartige Anord
nung, wenn gemäß Anspruch 6 zur Aufnahme der Lager ein
gemeinsames Lagerrohr oder dergleichen vorgesehen ist,
welches mit einem Montageflansch ein einstückiges Gußteil
bildet.
Besonders wirksame Labyrinthdichtungen ergeben sich, wenn
diese nach den Vorschlägen gemäß Anspruch 7 bis 13 ausgebil
det bzw. dimensioniert sind.
Der Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Aus
führungsbeispielen näher erläutert. In der beiliegenden
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen schematischen lotrechten Schnitt durch
eine Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 in größerem Maßstab eine Detailansicht einer
Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 1.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Ausführungsform des Platten
speicherantriebs 44 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 57 verbundenen
Nabe sitzen.
Das Rotorgehäuse 47 umschließt nicht nur unter Bildung eines
zylindrischen Luftspalts 58 das Statorblechpaket 48, sondern
ist an der von dem Montageflansch 57 abgewandten Seite axial
verlängert. Dadurch wird eine Nabe 60 erhalten. Die Nabe 60
dient der Lagerung und Mitnahme einer oder mehrerer (nicht
gezeigter) Festspeicherplatten, die eine Mittelbohrung
aufweisen, deren Durchmesser dem Außendurchmesser der Nabe
60 entspricht. Bei den Festspeicherplatten kann es sich um
handelsübliche 5¼′′ oder 8′′-Platten handeln. Die veranschau
lichte Bauweise erlaubt es, den Durchmesser der Antriebsnabe
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
Bauelemententoleranzen 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 gegenüberliegenden Innenfläche des Rotorgehäuses 47
ist eine Mehrzahl von Dauersegmentstücken oder ein einteili
ger Dauermagnet 69 befestigt. Der Dauermagnet 69 besteht
vorzugsweise aus einer Mischung von Hartferrit, z. B. Ba
riumferrit, und elastischem Material. Es handelt sich also
um einen sogenannten Gummimagneten. Dieser ist über der
Polteilung trapezförmig oder annähernd trapezförmig bei
relativ kleiner Pollücke radial magnetisiert. Ein magneti
scher Rückschlußring 70 befindet sich zwischen dem Rotorge
häuse 47 und dem Dauermagneten 69. Der magnetische Rück
schlußring 70 ist gleichzeitig Teil einer magnetischen
Abschirmung. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Rotorge
häuse 47 aus magnetisch leitendem Werkstoff, insbesondere
Weicheisen, herzustellen und beispielsweise als Tiefziehteil
zu fertigen. In einem solchen Fall kann ein besonderer
Weicheisenrückschlußring 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 Feldspeicherplatten
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 durch flächenhafte, satte Anlage wärme
leitend verbunden sind. Die Kühlkörper der Endstufentransi
storen 64 können erforderlichenfalls gegenüber dem Abschirm
ring 72 z. B. mittels einer Glimmerscheibe oder dergleichen
elektrisch isoliert sein. Es ist auch möglich, den Abschirm
ring 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 5 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.
Eine andere oder weitere Labyrinthdichtung ist in Fig. 2
veranschaulicht. Diese Labyrinthdichtung wird von mehreren
an der Innenseite des Rotors 1 befindlichen Ringnuten 22 und
einer entsprechenden Anzahl von Rippen 23 gebildet, die
ausgehend vom Stator 2 in die Ringnuten 22 hineinragen. Die
Rippen 23 stehen mit den Begrenzungswänden der Ringnuten 22
nicht in Kontakt. Während in Fig. 2 die Labyrinthdichtung
radial außerhalb der Wicklung 3 veranschaulicht ist, ver
steht es sich, daß solche Labyrinthdichtungen radial inner
halb und radial außerhalb der Wicklung vorgesehen werden
können, um die Abdichtungswirkung weiter zu verbessern.
Ferner können Labyrinthelemente zusätzlich oder alternativ
z. B. ähnlich Fig. 2 von einer Wickelkopfabdeckung aus
kammartig in in ihrer Form umgekehrt ausgebildeten Vertie
fungen im Boden eines glockenförmigen Außenrotorgehäuses
eintauchen. Prinzipiell gilt auch hier, daß die axiale
Erstreckung a der Labyrinthspalte parallel zur Rotorachse
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.
An dem freien, von der Nabe 60 abliegenden Ende der Rotor
welle 46 ist ein Lüfter 76 mit Lüfterflügeln 77 befestigt.
Der Lüfter 76 bewirkt eine intensive Luftbewegung im Bereich
des Montageflansches 57, wodurch der Flansch gekühlt wird.
Über das Lagerrohr 50 und den Flansch 57 wird auf diese
Weise Verlustwärme aus dem Motor 45 wirkungsvoll nach außen
geleitet.
Um eine die Betriebssicherheit des Plattenspeichers störende
elektrische Aufladung der Rotorglocke auszuschließen, 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 Speicherplattenantrieb eignet sich für alle
Arten von Plattenspeichern, unabhängig vom Durchmesser der
Mittelöffnung der Speicherplatten.
Claims (13)
1. Plattenspeicher zur Aufnahme mindestens einer eine
Mittelöffnung aufweisenden Speicherplatte mit einem
Außenläufermotor mit zylindrischem Luftspalt, der einen
Stator mit Flansch und einen Rotor mit einem Rotorgehäu
se besitzt, an welchem eine Nabe zum drehfesten Verbin
den der Speicherplatte mit dem Rotor vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (60) auf der dem
Flansch (57) gegenüberliegenden Seite in axialer Verlän
gerung des Rotorgehäuses (45) oberhalb des Luftspaltes
(58) angeordnet ist, so daß der Durchmesser der Nabe
(60) unabhängig vom Durchmesser des Luftspaltes (58)
dimensionierbar ist, und daß rotierende und stehende
Motorteile (92, 93, 51; 47, 70, 69, 57) koaxial ineinan
der greifende Labyrinthdichtungselemente (94 bis 97)
bilden.
2. Plattenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Antriebsmotor (45) als kollektorloser Gleich
strommotor mit dauermagnetischem Rotor (69) ausgebildet
ist.
3. Plattenspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der dauermagnetische Rotor (69) in Umfangsrichtung
trapezförmig magnetisiert ist und die Pollücken zwischen
den Rotorspulen klein sind.
4. Plattenspeicher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Stator (48, 49) eine mindestens ein
strängige Statorwicklung aufweist und daß mindestens ein
mit dem Permanentmagneten (69) zusammenwirkender Dreh
stellungsdetektor (63) sowie eine Kommutierungsvorrich
tung zum Verbinden der Wicklung mit einer Gleichstrom
quelle in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des
Drehstellungsdetektors (63) vorgesehen sind.
5. Plattenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung des Rotors (46,
47, 69) auf dem Stator (48, 49) zwei Lager (52, 53)
vorgesehen sind, die in Richtung der Drehachse des
Rotors (46, 47, 69) in Abstand voneinander angeordnet
und axial gegeneinander verspannt sind.
6. Plattenspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Aufnahme der Lager (52, 53) ein gemeinsames
Lagerrohr (50) vorgesehen ist, welches mit einem Monta
geflansch (57) ein einstückiges Druckgußteil bildet.
7. Plattenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß benachbart dem etwa zur
Mitte des Plattenaufnahmeraumes hin orientierten einen
axialen Ende eines die Lager (52, 53) koaxial aufnehmen
den Lagerrohrs (50) eine Labyrinthdichtung (90) und im
Bereich des anderen axialen Endes des Lagerrohres nahe
einem Montageflansch (57) eine weitere Labyrinthdichtung
vorgesehen sind.
8. Plattenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Erstreckung (a)
der Labyrinthspalte (94, 95, 96, 97) parallel zur Rotor
achse größer als ihre radiale Erstreckung (r) ist.
9. Plattenspeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (d) des Labyrinthspalts (94, 95, 96, 97)
über seinen axialen Erstreckungen (a) relativ klein und
über seinen radialen Erstreckungen (r) relativ groß ist.
10. Plattenspeicher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß a/d 10 und r/d 2 ist.
11. Plattenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß statorseitige kammartige
Elemente (23) in den Boden oder den Rand einer Rotor
glocke so eintauchen, daß zwischen die statorseitigen
kammartigen Elemente rotorseitige kammartige Vorsprünge
ragen.
12. Plattenspeicher nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeich
net, daß die kammartigen Vorsprünge ungleiche Abstände
haben.
13. Plattenspeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorsprünge statorseitig und rotorseitig
unterschiedliche Dicke haben.
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