DE4420371A1 - Elektromotor, insbesondere für einen Festplattenantrieb, mit einem Stator und einem Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, insbesondere für einen Festplattenantrieb, mit einem Stator, der eine zylinderförmige, von einer Trägerplatte getragenen Motorwicklung aufweist, und einem Rotor, der an einer umlauffähigen Nabe einen Rotormagneten trägt, der an seiner Außenumfangsfläche ein Feld senkrecht zur Drehachse erzeugt und der mit einem glockenförmigen Nabenteil die Wicklung umschließt, wobei der Motor mit axialen und radialen Lagerungen für die Nabe und mit einem Weicheisenjoch versehen ist.

Aus der EP 0 410 293 B1 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem ein permanentmagnetischer Hohlzylinder auf einer zentralen Achse angeordnet ist, die fest mit einer drehbaren Nabe verbunden ist. Der permanentmagnetische Hohlzylinder wird von einem geblechten Stator umschlossen, der auf einem feststehenden Basisteil angeordnet ist. Der Stator hat eine in Nuten des Eisenblechpaketes eingelegte Spulenwicklung. Die Lagerung der Nabe erfolgt radial und axial mittels hydrodynamischer Lager.

Die Wechselwirkung des genuteten Stators mit dem mehrpolig magnetisierten Permanentmagneten verursacht sogenannte Klebemomente. Dies sind mit der Plattenumdrehung periodische Drehmomente, deren Mittelwert Null ist, die also keinen Beitrag zum Nennmoment liefern. Die Klebemomente verursachen akustische Geräusche, mechanische Schwingungen und Drehzahlschwankungen; sie erhöhen außerdem das erforderliche Anlaufmoment, das vor allem für Festplattenantriebe eine kritische Größe ist.

Es ist bekannt, flächenhafte Motorwicklungen herzustellen, indem man auf Kunststoffolien aufgebrachte Kupferbahnen so ätzt, daß nur noch flächenhafte Spulenwindungen übrigbleiben. Derartige Motorwicklungen sind, wenn die Folien nicht gebogen werden, einwandfrei funktionsfähig und nicht problematisch.

Probleme ergeben sich aber, wenn eine solche Wicklung zu einem Zylinder aufgewickelt wird. Dann führt die sonst so einfache Technik zu Kurzschlüssen zwischen den Leiterbahnen. Außerdem lassen sich derartige Wicklungen nicht ausreichend rund gestalten. Damit müssen aber unnötig breite Luftspalte geschaffen werden. Der exakte Rundlauf wird dadurch beeinträchtigt. Diese Problematik tritt insbesondere bei Kleinmotoren auf, die in Festplatten-Laufwerken zum Einsatz kommen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der mit geringen Toleranzen am Luftspalt und in seiner Lagerung arbeitet, um bei verbesserter Leistung einen guten Gleichlauf zu ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• - die Wicklung auf einer tragenden Kunststoffolie aufgebaut und durch das Abt ragen von Kupfermaterial gebildet ist, mit dem die Kunststoffolie zuvor durchgehend kaschiert wurde,
• - die Wicklung zu einem im wesentlichen gleichmäßig ausgerundeten Zylinder aufgewickelt ist,
• - die Lagerung der Nabe als Spiralrillenlager ausgebildet ist,
• - das Weicheisenjoch, die Wicklung umschließend, am Stator oder Rotor angeordnet ist.

Ein solcher Motor hat eine sauber und gleichmäßig ausgerundete Wicklung, die geringe Luftspalte ermöglicht, und eine exakte Führung an der Nabe. Damit läßt sich bei einem Motor, der als Festplattenantrieb eingesetzt werden soll, die Packungsdichte der Festplatten erhöhen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spiralrillenlager aufgeteilt sind in axial und radial wirkende Lager. Dadurch wird eine einwandfreie Führung erhalten. Die immer vorhandenen Radialkräfte werden in ihrer Wirkung minimiert.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das flächenhafte Gebilde aus Kunststoffolie und darauf haftenden flächenhaften Spulen so mit einem Haftfüllstoff überzogen ist, daß der Haftfüllstoff die durch das Abtragen des Kupfermaterials gebildeten Spalte zwischen den einzelnen Leiterbahnen ausfüllt, und daß das so stabilisierte Gebilde zu einem Zylinder aufgewickelt ist.

Eine derartige Motorwicklung läßt sich ausreichend rund gestalten. Es ergeben sich keine Kurzschlüsse zwischen einzelnen Windungen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der die Spalten ausfüllende Haftfüllstoff eine solche Stabilität hat, daß die flächenhaften Leitungszüge der Spulen durch ihn so formstabil miteinander verbunden werden, als wären die Spalten noch mit dem abgetragenen Kupfer gefüllt. Mit diesem Trick verhält sich eine geätzte Folie wie eine nicht geätzte Folie. Da eine nicht geätzte Folie einwandfrei rund aufwickelbar ist, gilt dies auch für die nach der Erfindung präparierte Folie.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Haftfüllstoff ein aushärtender Kleber verwendet wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Aufbringen des Haftfüllstoffes durch Siebdruck oder Roller-Coating.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen Spindelmotor für einen Festplattenantrieb mit einer eisenlosen Spulenkonfiguration und einem die Spulenkonfiguration umschließenden mantelförmigen weichmagnetischen Joch, das mit der Spulenkonfiguration fest verbunden ist,

Fig. 1b eine Abwandlung des Spindelmotors nach Fig. 1a, bei der das Joch mit der Nabe verbunden ist,

Fig. 2 eine Folie mit flächenhaften Spulenwicklungen,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil einer Folie mit aufkaschierten Kupferwicklungen längs der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 die aufgewickelte Wicklung, bestehend aus drei Wicklungsstreifen nach Fig. 2, in schaubildlicher Darstellung,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus der gekrümmten Wicklung zur Demonstration der absoluten Rundheit.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Spindelmotor 1a, der insbesondere als Antriebsmotor für Festplatten in Datenverarbeitungsmaschinen vorgesehen ist. Eine Motorachse 2 dieses Spindelmotors 1a ist mit einer Platte 3 eines nicht dargestellten Festplattengehäuses fest verbunden. Zwei hydrodynamische Axiallager 5a und 5b lagern im von der Platte 3 abliegenden Achsteil an der Motorachse 2 eine Nabe 6. Ein weiteres hydrodynamisches Spirallager 4 befindet sich nahe einer Trägerplatte 8. Die auf der Motorachse 2 umlauffähig gelagerte Nabe 6 hat einen die Motorachse 2 umschließenden inneren Nabenteil 6a, auf dem an seiner Außenseite 6b ein permanentmagnetischer Rotormagnet 7 befestigt ist. Das vom Rotormagneten 7 erzeugte, an dessen Außenseite 7a befindliche Feld steht senkrecht zur Drehachse 16. An der Motorachse 2 ist eine Trägerplatte 8 angeordnet. Diese trägt außenseitig eine zum Stator des Motors gehörige noch zu beschreibende Spulenkonfiguration 9 und ein noch zu beschreibendes Joch 10. Die Nabe 6 weist weiterhin einen äußeren Nabenteil 6c auf, der seinerseits das Joch 10 glockenförmig umschließt.

Die Spulenkonfiguration 9 besteht aus einer gebogenen Folienwicklung, die später näher beschrieben wird. Die Trägerplatte 8 trägt bei diesem Motoraufbau auf der Außenseite 9a der Spulenkonfiguration 9 das mantelförmige Joch 10 aus weichmagnetischem Material. Bei diesem Aufbau bilden sich zwei Luftspalte 11 und 12 aus, von denen der eine Luftspalt 11 das Joch 10 von der Nabe 6 und der andere Luftspalt 12 den Rotormagneten 7 von der Spulenkonfiguration 9 trennt.

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Spindelmotor 1b einer anderen Ausführungsform. Der Spindelmotor nach Fig. 2 entspricht in vielen Teilen dem Spindelmotor 1a nach Fig. 1. Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Motorachse 2 des Spindelmotors 1b nach Fig. 2 ist mit der Platte 3 des nicht dargestellten Festplattengehäuses fest verbunden. Zwei hydrodynamische Axiallager 5a und 5b lagern an von der Platte 3 abliegenden Achsteil der Motorachse 2 die Nabe 6. Ein weiteres hydrodynamisches Spirallager 4 befindet sich nahe einer Trägerplatte 8. Auf der Nabe 6 ist ein permanentmagnetischer Rotormagnet 7 befestigt.

An der Motorachse 2 ist die Trägerplatte 8 vorgesehen, die die Spulenkonfiguration 9 trägt, welche aus einer gebogenen Folienwicklung besteht und später näher beschrieben wird. Die Außenseite 9a der Spulenkonfiguration 9 liegt an einem Luftspalt 13. Außenseitig wird der Luftspalt 13 begrenzt von einem mantelförmigen Joch 10 aus weichmagnetischem Material. Dieses Joch 10 ist an der Innenseite 14 der ebenfalls mantelförmigen Nabe 6 fest angeordnet. Bei diesem Aufbau ergeben sich also wieder zwei Luftspalte und zwar die Luftspalte 12 und 13, von denen der eine Luftspalt 13 das Joch 10 von der Spulenkonfiguration 9 und der andere Luftspalt 12 den Rotormagneten 7 von der Spulenkonfiguration 9 trennt.

Am äußeren Nabenteil 6c ist Platz für das Anbringen von einer oder mehreren Festplatten.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht drei Folienwicklungen 20, 21, 22. Diese drei Folien sollen aufgerollt eine Dreiphasen-Wicklung für den Festplattenmotor werden. Der aufgerollte Zustand ist in Fig. 4 schaubildlich dargestellt. Jede einzelne Folie besteht, wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, aus einer mittleren Kunststoffolie 23, auf deren beiderseitige Oberflächen 23a und 23b Kupferfolien 24 und 25 aufkaschiert sind. Durch ein allgemein bekanntes Ätzverfahren sind die Kupferfolien 24 und 25 so geätzt, daß sich Spalte 26 ergeben, die einzelne Kupferleiterbahnen 27 voneinander trennen, wie es aus Fig. 3 zu erkennen ist. Auf diese Weise sind auf der Folie 23 beiderseits flächenhafte Wicklungsspulen 28 gebildet, die der Motorerregung dienen sollen. Die Spulen der beiden Folienseiten werden von oben nach unten durchkontaktiert.

In einem Siebdruck- oder Roller-Coating-Verfahren werden die Spalte 26 mittels eines Haftfüllstoffes ausgefüllt. Der Haftfüllstoff ist ein aushärtender Kleber. Der Haftkleber hat die Eigenschaft, die flächenhaften Leitungszugteile 29a, 29b, 29c, 29d, 29e, 29f so stabil miteinander zu verbinden, daß die flächenhaften Leitungszüge 29 der Spule durch ihn wieder so formstabil miteinander verbunden werden, als wären die Spalte 26 noch mit dem abgetragenen Kupfer gefüllt. Das Kupfer hätte sich ungeätzt in durchgehender Bahn einwandfrei rund ausformen lassen. Dies ist nun durch das Ausfüllen der Spalte 26 mittels des Haftfüllklebers wieder erreicht. Fig. 4 zeigt schaubildlich, wie die drei Folienwicklungen 20, 21 und 22 zu einer Dreiphasen-Wicklung einwandfrei rund aufgerollt sind. Fig. 5 zeigt zur Verbesserung der Darstellung einen Schnitt, der die einwandfreien Rundungen der Folien 20, 21 und 22 noch deutlicher wiedergibt.

Durch die einwandfreie Rundung ist es möglich, die Luftspalte des Motors klein zu machen. Weiterhin ist durch die Ausbildung der hydrodynamischen Spiralrillenlager 5a, 5b und 5c eine sehr gute Radialführung erreicht. Einwandfrei runde Wicklung und der Einsatz der Spiralrillenlager minimieren die vom Motor erzeugten radialen Lagerkräfte und damit die Auslenkung der Rotorachse. Das hat zur Folge, daß der Motor eine längere Lebensdauer und/oder die Zulassung größerer Fertigungstoleranzen erlaubt. Weiter wird dadurch eine höhere Packungsdichte der Festspeicherplatten ermöglicht.

Zur Dimensionierungsorientierung kann angegeben werden, daß die Folie zwischen den Kupferbahnen eine Dicke von ca. 20 µm hat und die Kupferfolien auf etwa 110 µm Dicke bemessen sind.

Claims (7)

1. Elektromotor, insbesondere für einen Festplattenantrieb, mit einem Stator, der eine zylinderförmige, von einer Trägerplatte getragenen Motorwicklung aufweist, und einem Rotor, der an einer umlauffähigen Nabe (6) einen Rotormagneten trägt, der an seiner Außenumfangsfläche (7a) ein Feld senkrecht zur Drehachse (16) erzeugt und der mit einem glockenförmigen Nabenteil die Wicklung umschließt, wobei der Motor (1) mit axialen und radialen Lagerungen (4, 5a, 5b) für die Nabe (6) und mit einem Weicheisenjoch (10) versehen ist, dadurch gekennzeichnet,

• - die Wicklung (9) auf einer tragenden Kunststoffolie aufgebaut und durch das Abtragen von Kupfermaterial gebildet ist, mit dem die Kunststoffolie (23) zuvor durchgehend kaschiert wurde,
• - die Wicklung zu einem im wesentlichen gleichmäßig ausgerundeten Zylinders aufgewickelt ist,
• - die Lagerung der Nabe (6) als Spiralrillenlager (5a, 5b, 5c) ausgebildet ist,
• - das Weicheisenjoch (10), die Wicklung (9) umschließend, am Stator oder Rotor angeordnet ist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, daß die Spiralrillenlager aufgeteilt sind in axial (5a, 5b) und radial (5c) wirkende Lager.

3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flächenhafte Gebilde aus tragender Kunststoffolie (23) und darauf haftenden flächenhaften Spulen (28) so mit einem Haftfüllstoff (30) überzogen ist, daß der Haftfüllstoff (30) die durch das Abtragen des Kupfermaterials gebildeten Spalte (26) zwischen den einzelnen Leiterbahnen ausfüllt, und daß das so stabilisierte Gebilde zu einem gleichmäßig ausgerundeten Zylinder aufgewickelt ist.

4. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spalten ausfüllende Haftfüllstoff (30) eine solche Stabilität hat, daß die flächenhaften Leitungszüge (27) der Spulen (28) durch ihn wieder so formstabil miteinander verbunden werden, als wären die Spalten (26) noch mit dem abgetragenen Kupfer gefüllt.

5. Wicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftfüllstoff (30) gleichzeitig auch die Oberflächen der flächenhaften Spulen (28) mit einer Schicht überdeckt.

6. Wicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß als Haftfüllstoff ein aushärtender Kleber ist.

7. Wicklung einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftfüllstoff durch Siebdruck oder Roller-Coating aufgetragen ist.