WO1999061810A1 - Motorlager für schnelldrehende kleinmotoren - Google Patents

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WO1999061810A1
WO1999061810A1 PCT/EP1999/003654 EP9903654W WO9961810A1 WO 1999061810 A1 WO1999061810 A1 WO 1999061810A1 EP 9903654 W EP9903654 W EP 9903654W WO 9961810 A1 WO9961810 A1 WO 9961810A1
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axial
magnetic
motor
radial
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Jürgen Oelsch
Olaf Winterhalter
Manfred Rauer
Helmut Hans
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Precision Motors Deutsche Minebea Gmbh
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the invention relates to an engine mount for high-speed small engines according to the preamble of claim 1.
  • small engines which are operated at speeds of up to 20,000 revolutions per minute, there is a need to achieve a bearing that is as free of play and low-friction as possible.
  • Such motors are preferably used for driving disk memories, but also for driving scanners, copiers and the like. Small devices.
  • the rotor bell is thus set in rotary motion by the magnetic circuit via an appropriately attached rotating field in the stator package.
  • the invention has for its object to develop a small motor with a bearing arrangement of the type mentioned so that in the presence of any radial bearing, the effort for the production of the associated and separate axial bearing is significantly reduced while achieving significantly improved bearing properties.
  • the invention is characterized by the technical teaching of claim 1.
  • An essential feature of the invention is that a magnetic axial bearing is now associated with any radial bearing, which is preferably designed as an air bearing.
  • the active magnetic bearing works on one side against magnetic bias
  • said active magnetic bearing works on both sides against magnetic biases applied from both sides.
  • this axial magnetic bearing according to the invention is arranged on one side, ie on one side of the rotor bell and not on both sides.
  • the active magnetic bearing can either be arranged on the upper inside of the rotor bell - but in another embodiment - on the lower side of the rotor bell. It is important in both embodiments that there is only a single axial magnetic bearing, because it works against bias on both sides, so that it is able to absorb the axial bearing forces acting in both directions. This significantly reduces the manufacturing outlay of such a small motor and, moreover, the rotor bell is stabilized because the rotor bell is protected against tilting by this axial magnetic bearing; There are no mechanical vibrations - as is known with mechanical bearings - and this results in a smoother running. This also results in an improved service life.
  • Yoke ring which is thermally decoupled from the radially arranged air bearing, this coil acting in the axial direction on an armature, which is consequently more or less attracted by this coil in the axial direction.
  • the rotor bell is thus adjusted more or less in the axial direction in the axial direction by appropriate loading of the coil.
  • the axial preload of the rotor bell, against which the coil charged with current works, is achieved in the first exemplary embodiment by two oppositely polarized permanent magnets, which, for example, repel with their two poles of the same name and thereby exert a repulsive effect on the rotor bell, which on the other hand is different from that with current acted upon is counteracted. In this way, the axial bearing play of the rotor bell can be set precisely by the current applied to the coil.
  • a sensor which monitors the axial bearing play and which sensor is connected to the power supply of the coil via an associated control, so that an automatic control of the bearing play is ensured to a constant value.
  • a capacitive or inductive sensor is present which measures the distance in the bearing gap from a fixed surface to the opposite rotating surface and detects it accordingly.
  • the senor is designed optically and the axial bearing play is adjusted via an optical sensor.
  • an inductive sensor can be provided in such a way that the rotating magnet arranged in the rotor bell is opposite a fixed induction coil in which a corresponding induction voltage is induced.
  • the rotating magnet arranged in the rotor bell is opposite a fixed induction coil in which a corresponding induction voltage is induced.
  • the metal disk which is firmly connected to the rotor bell is moved more up or down in the axial direction, and this also adjusts the magnetic bearing accordingly.
  • the disk connected to the rotor is moved more up or down in the axial direction, with a precise regulation of this axial adjustment play also taking place by the aforementioned position sensor and the aforementioned regulation.
  • the combination of an air bearing is also provided with an axial magnetic bearing, but the air bearing does not function as a purely radial bearing, but is able to accommodate both radial and axial bearing components. It is preferred here if this air bearing is designed as a toroid bearing, which - by definition - accommodates both axial and radial bearing components.
  • a cylindrical air bearing or a toroid bearing is used as the radial bearing, while a magnetic bearing is always used as the axial bearing.
  • the bearing pairing is also provided such that the aforementioned radial and essentially cylindrical air bearing is additionally combined with an axial air bearing, which in turn is combined with the aforementioned axial magnetic bearing.
  • An air bearing arrangement consisting of a radial air bearing and an axial air bearing in connection with an axial magnetic bearing is therefore used. This also results in significant advantages because a more precise axial positioning of the rotor bell is possible through a well thought-out arrangement of an additional axial air bearing.
  • This additional axial air bearing then acts as an additional carrier of the
  • Tilting vibrations stabilized and thus leads to a further improved smoothness of the rotor.
  • Figure 1 Section through a first embodiment of a bearing with a radial air bearing and an axial magnetic bearing and permanent magnetic preload
  • Figure 2 Section through a second embodiment of the invention with a radial air bearing and a double-acting axial magnetic bearing
  • Figure 3 Enlarged view according to Figure 2
  • Figure 4 Another embodiment of the invention showing a
  • a central recess 2 is defined in a base flange 1, in which a shaft 3 is fixedly secured by a screw 4.
  • the base flange 1 carries in its recess 5 a stator packet 6, which essentially consists of an inner sleeve 10, from which the core with the stator winding extends in a manner known per se, radially outward.
  • a rotor bell 9 is rotatably arranged on the shaft 3, which carries a ring magnet 7 on its lower inside, which is arranged on the circumference of the rotor bell 9 and is carried along by the rotating field generated in the stator pack 6.
  • the ring magnet 7 is inserted radially outward into a return ring 8, which closes the magnetic circuit in the rotor.
  • a bearing sleeve 11 is rotatably arranged, the radial outside of which is designed as an air bearing 12.
  • the exemplary embodiment shows that the air bearing is designed as a radial bearing and extends over a corresponding axial length of the bearing sleeve 11.
  • the air bearing 12 has a spiral groove structure, not shown, with which it is possible that the air is sucked in independently via the connecting channel 13 when the rotor bell 9 is rotating and is fed into the air bearing 12 under pressure. In this way, a self-sufficient air bearing 12 is realized, which receives a corresponding stiffness with increasing speed.
  • the bearing sleeve 11 On the inside, the bearing sleeve 11 carries thermal insulation 16, which is also designed as a sleeve and consists of a poorly heat-conducting material. Radially inward of the thermal insulation 16 there is an outer yoke ring 17, on the inside of which the coil 18 is arranged.
  • the inner yoke ring 19 is arranged radially inward of the coil 18.
  • the two yoke rings 17, 19 are magnetically connected to one another.
  • an armature 20 which is non-rotatably connected to the rotor bell 9 and which in turn is closed by a cover 21 made of metal.
  • the armature 20 is thus attracted more or less in the axial direction from the end face of the coil 18, depending on the extent to which the coil 18 is supplied with direct current.
  • a magnetic bias which in the exemplary embodiment shown consists of two permanent magnets 22, 23 with the same polarity, the one permanent magnet 22 being arranged in the cover 21 in a rotationally fixed manner and consequently rotating with the rotor bell 9 , while the other permanent magnet 23 is fixedly connected to the inner yoke ring 19.
  • the gap 54 between the end face of the yoke rings 19, 17 and the underside of the armature 20 can thus be set very finely.
  • a position sensor 29 is arranged in the fixed permanent magnet 23, which detects the distance 24 from the opposite, rotating surface and regulates the coil current accordingly.
  • the bearing gap is also continued in the form of the air gap 25. It was mentioned at the beginning in one of the modifications of the invention that an air bearing 26 can be arranged at the location of the bearing gap 25, so that the radial air bearing 12 shown here can still be combined with the air bearing 26 acting in the axial direction.
  • the rotor bell 9 also has the air gaps 27, 28 to the fixed parts of the base flange 1 in order to guarantee free rotation.
  • a controllable magnetic bias can be generated in that two oppositely polarized coils 34, 35 form an air gap 40 between them, in which one magnetically effective metal disc 36 rotates.
  • a lower, fixed coil 35 is arranged on the shaft in a coil yoke 42, which is opposite an upper, also fixed coil 34 in a coil yoke 41.
  • metal disk 36 is connected to the rotor bell in a rotationally fixed manner.
  • a special arrangement is provided for connecting the metal disk 36 to the rotor bell, for which separate protection of the invention is claimed within the scope of the present invention.
  • the rotor bell is connected to a cover 21.
  • a recess is arranged on the inside of the cover, in which a magnet 37 is fastened in a fastening 38. The magnet 37 thus rotates together with the cover and the rotor bell.
  • the inner circumference of the disk 36 lies against a centering bevel 39 on the cover 21, so that the metal disk 36 is centered exactly in the center of the center line 45.
  • the magnet 37 magnetically attracts and takes on this metal disc 36 this with.
  • the metal disk is centered precisely on the center line 45 both in the axial direction and in the radial direction due to this magnetic driver.
  • a magnetic bearing is now proposed because the two coils 34, 35 are each supplied with power separately and generate a magnetic field between them in the air gap 40, which moves the metal disk 36 more or less in the axial direction upwards or downwards.
  • the two coils 34, 35 are supplied with current in such a way that the metal disk is automatically held in an approximately central region in the air gap 40 (if the regulation is omitted).
  • a control is superimposed, which ensures fine adjustment of the metal disc 36 in the air gap 40.
  • a position sensor 43 which is arranged in a stationary manner, is again provided, which, with its end edge, detects an opposite edge 46 on the rotating rotor bell over a distance 44.
  • This distance 44 is thus continuously detected by the position sensor 43 and a control system is input as the actual value.
  • a driver in the form of a spring 33 is provided, which is supported on the one hand on the cover 21 and on the other hand on the top of the disk-shaped data carrier.
  • the aforementioned magnetic bearing also can be combined with a toroidal air bearing.
  • Such an air bearing 47 is shown in Figure 4. It can be seen there that this air bearing can accommodate both axial bearing components and radial bearing components and is also combined with an additional magnetic axial bearing.
  • a stator 48 is present, in which there is at least one coil 51 which acts on an opposing pole 50, which in turn lies opposite a permanent magnet 49 with its end face, so that here again a load-bearing capacity is generated in that an attractive force is generated in the arrow direction 53 in the air gap, while a repulsive force is generated in the arrow direction 52 by the aforementioned toroidal air bearing.
  • the distance in the air gap 40 can be regulated very finely by a corresponding, assigned control.
  • the present invention is not restricted to the combination of a radial air bearing with an axial magnetic bearing, but rather the combination of a radial and additionally an axial air bearing in connection with an axial magnetic bearing can be realized.
  • hydrodynamic bearing means an air bearing or a fluid bearing. In the case of a fluid bearing, a liquid is used instead of air as the storage medium.

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Abstract

Motorlager für schnelldrehende Kleinmotoren bestehend aus radialen und axialen Lagerkomponenten, wobei das axiale Lager als magnetisches Lager und das radiale Lager als Luftlager ausgeführt ist.

Description

Motorlager für schnelldrehende Kleinmotoren
Die Erfindung betrifft ein Motorlager für schnelldrehende Kleinmotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei derartigen Kleinmotoren, die auf Drehzahlen bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden besteht das Bedürfnis, ein möglichst spielfreies und reibungsarmes Lager zu erzielen. Derartige Motoren werden bevorzugt für den Antrieb von Plattenspeichem eingesetzt, aber auch noch für den Antrieb von Scannern, Kopiergeräten und dgl. Kleingeräte mehr.
Allen Motorausführungen ist gemeinsam, daß auf einem feststehenden Basisflansch eine drehend angetriebene Rotorglocke angeordnet ist, welche mit entsprechenden axialen und radialen Lagern auf dem Basisflansch abgestützt ist. Als Antriebsprinzip ist es bekannt, auf dem Basisflansch ein Statorpaket anzuordnen, welches über einen Luftspalt mit einem an der Innenseite des angetriebenen Rotors angeordneten Magneten zusammen wirkt, also mit der sogenannten Rotorglocke.
Über ein entsprechend angebrachtes Drehfeld im Statorpaket wird somit die Rotorglocke durch den magnetischen Schluß in Drehbewegung versetzt.
Bei derartigen Kleinmotoren ist es also üblich, den mit hoher Drehzahl rotierenden Rotor also die Rotorglocke mit einem radialen und axialen Lager auszurüsten. Die Lager sollen möglichst reibungsarm sein. Ein typischer Aufbau für eine derartige Lageranordnung besteht darin, daß ein Rillenkugellager verwendet wird, welches sowohl als radiales Lager als auch als axiales Lager wirkt. Derartige Kugellager haben den Nachteil, daß sie geschmiert werden müssen und gegebenenfalls mechanische Vibrationen auslösen, die unerwünscht sind und die Lebensdauer eines derartigen Motors herabsetzen. Ferner wird der auf der Rotorglocke angeordnete Gegenstand, z.B. ein Datenspeicher (Festplatte) durch diese Erschütterungen nachteilig beeinflußt, so daß die Lese- und Schreibgenauigkeit hierdurch beeinträchtigt wird.
Es ist ferner bekannt, die radiale Lagerkomponente von der axialen Lagerkomponente zu trennen, indem man zwei unterschiedliche Lager anordnet, von denen jedes eine Lageraufgabe übernimmt. Als radiales Lager ist es bekannt ein sogenanntes Nadel- oder Rollenlager zu verwenden, welches die radiale Lagerkomponente aufnimmt, während es ferner bekannt ist, als axiales Lager ein Kugellager oder ein Fluidlager zu verwenden.
BESΓATIGUVGSKOPIE Ferner ist die Lagerkombination aus zwei Luftlagern oder zwei Fluidlagern bekannt. Hierbei ist es bekannt, ein Luftlager sowohl zur Aufnahme der radialen Lagerkomponenten als auch ein zweites Luftlager zur Aufnahme der axialen Lagerkomponenten vorzusehen.
Die Anordnung eines Luftlagers zur Aufnahme axialer Lagerkomponenten ist relativ schwierig und aufwendig, weil die notwendigen Toleranzen in diesem axialen Lagerspiel sehr eng gehalten werden müssen, was die Herstellungskosten eines derartigen Lagers stark erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Kleinmotor mit einer Lageranordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei Vorhandensein eines an sich beliebigen radialen Lagers, der Aufwand für die Herstellung des dazugehörenden und davon getrennten axialen Lagers wesentlich vermindert wird bei gleichzeitiger Erreichung wesentlich verbesserter Lagereigenschaften.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß nun einem an sich beliebigen radialen Lager, welches jedoch bevorzugt als Luftlager ausgebildet ist, ein magnetisches Axiallager zugeordnet ist.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß nun als axiales Lager ein Magnetlager verwendet wird, welches bevorzugt als aktives Magnetlager ausgebildet ist.
In einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, daß das aktive Magnetlager einseitig gegen eine magnetische Vorspannung arbeitet, während in einem zweiten Ausführungsbeispiel das besagte aktive Magnetlager zweiseitig gegen von beiden Seiten her angelegte magnetische Vorspannungen arbeitet. Weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß dieses erfindungsgemäße axiale Magnetlager einseitig angeordnet ist, d.h. also an der einen Seite der Rotorglocke und nicht beidseitig.
Damit besteht der wesentliche Vorteil, daß der Lageraufwand wesentlich geringer wird, denn dank dieser Anordnung ist nun das axiale Magnetlager in der Lage, sowohl in der einen als auch in der anderen Richtung die wirkenden axialen Lagerkräfte aufzunehmen, obwohl nur ein einziges Lager vorhanden ist.
Damit ergibt sich der weitere Vorteil, daß eine leichte Demontage möglich ist, denn die Rotorglocke kann einfach nach oben abgenommen werden, wodurch das an der Innenseite der Rotorglocke angeordnete axiale Magnetlager getrennt wird.
Es bedarf also nicht der Demontage eines zweiten, (hier nicht vorhandenen,) Lagers, wie es im Stand der Technik eventuell bekannt ist.
Wichtig ist also, daß das aktive Magnetlager entweder an der oberen Innenseite der Rotorglocke - in einer anderen Ausführungsform aber - an der unteren Seite der Rotorglocke angeordnet sein kann. Wichtig bei beiden Ausführungsbeispielen ist, daß lediglich ein einziges axiales Magnetlager vorhanden ist, - weil es gegen Vorspannungen auf beiden Seiten arbeitet - so daß es in der Lage ist, die in beiden Richtungen wirkenden axialen Lagerkräfte aufzunehmen. Damit wird der Herstellungsaufwand eines derartigen Kleinmotors wesentlich verringert und es kommt im Übrigen zu einer Stabilisierung der Rotorglocke, weil die Rotorglocke durch dieses axiale Magnetlager gegen Verkippen geschützt ist; es werden keine mechanischen Vibrationen - wie bei mechanischen Lagern bekannt - eingetragen und dadurch ergibt sich eine größere Laufruhe. Hieraus resultiert im Übrigen eine verbesserte Lebensdauer.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das axiale Magnetlager im wesentlichen besteht aus einer Spule mit
Rückschlußring, welcher thermisch entkoppelt zum radial angeordneten Luftlager ist, wobei diese Spule in axialer Richtung auf einen Anker wirkt, der demzufolge in axialer Richtung von dieser Spule mehr oder weniger angezogen wird. Nachdem der Anker fest mit der Rotorglocke verbunden ist wird somit die Rotorglocke in axialer Richtung durch entsprechende Beaufschlagung der Spule mehr oder weniger in axialer Richtung eingestellt. Die axiale Vorspannung der Rotorglocke, gegen welche die mit Strom beaufschlagte Spule arbeitet, wird im ersten Ausführungsbeispiel durch zwei gegensätzlich gepolte Permanentmagneten erreicht, die z.B. mit ihren beiden gleichnamigen Polen sich abstoßen und hierdurch eine Abstoßungswirkung auf die Rotorglocke ausüben, welche andererseits von der mit Strom beaufschlagten entgegengewirkt wird. Auf diese Weise kann durch die Strombeaufschlagung der Spule das axiale Lagerspiel der Rotorglocke genauestens eingestellt werden.
Um ein bestimmtes Maß einzustellen wird es bevorzugt, wenn ein Sensor verwendet wird, welcher das axiale Lagerspiel überwacht und welcher Sensor über eine zugeordnete Regelung mit der Stromversorgung der Spule verbunden ist, so daß eine automatische Regelung des Lagerspiels auf eine konstanten Wert gewährleistet wird.
Selbstverständlich ist vorgesehen, daß dieses Lagerspiel einstellbar ausgebildet ist.
Als Positionssensor können hier verschiedene Ausführungen verwendet werden. In einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß ein kapazitiv oder induktiv wirkender Sensor vorhanden ist, der den Abstand im Lagerspalt von einer feststehenden Fläche zu der gegenüberliegenden rotierenden Fläche mißt und entsprechend erfaßt.
In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, daß der Sensor optisch ausgebildet ist und die Einstellung des axialen Lagerspiels über einen optischen Sensor erfolgt.
In einer dritten Ausführungsform kann ein induktiver Sensor in der Weise vorgesehen werden, daß dem in der Rotorglocke angeordneten, rotierenden Magneten eine feststehende Induktionsspule gegenüberliegt, in welcher eine entsprechende Induktionsspannung induziert wird. Je nach Größe des axialen
Luftspaltes zwischen diesen beiden Teilen wird somit eine mehr oder weniger Große Induktionsspannung in der Induktionsspule induziert, die direkt proportional zu dem axialen Lagerspiel ist. Auf diese Weise kann ebenfalls das Lagerspiel sehr genau geregelt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, daß statt einer permanentmagnetischen Vorspannung der Rotorglocke in axialer Richtung eine aktiver Vorspannung durch zwei gegeneinander gerichtete Spulen erfolgt, die zwischen sich einen Luftspalt ausbilden, in dem eine drehfest mit der Rotorglocke verbundene Scheibe rotiert.
Je nach Strombeaufschiagung der oberen oder der unteren Spule wird somit die mit der Rotorglocke fest verbundene Metallscheibe in axialer Richtung mehr nach oben oder unten bewegt und hierdurch wird ebenfalls das Magnetlager entsprechend eingestellt.
Während also im erst genannten Ausführungsbeispiel eine stromdurchflossene Spule und eine paarweise angeordnete permanent Magnetanordnung vorhanden war, wird im zweiten Ausführungsbeispiel zwei stromdurchflossene Spulen vorgeschlagen, welche zwischen sich einen Luftspalt ausbilden, indem eine metallische und magnestisch aktive Scheibe rotiert, welche drehfest mit der Rotorglocke verbunden ist.
Je nach Stromfluß der oberen und der unteren Spule wird somit die mit dem Rotor verbundene Scheibe in axialer Richtung mehr nach oben oder unten bewegt, wobei ebenfalls eine genaue Regelung dieses axialen Einstellspiels durch den vorher erwähnten Positionsensor und die vorher erwähnte Regelung stattfindet.
In einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Kombination eines Luftlagers ebenfalls mit einem axialen Magnetlager vorgesehen, wobei jedoch das Luftlager nicht als rein radiales Lager funktioniert, sondern in der Lage ist, sowohl radiale als auch axiale Lagerkomponenten aufzunehmen. Hierbei wird es bevorzugt, wenn dieses Luftlager als Toroid-Lager ausgebildet ist, welches - definitionsgemäß - sowohl axiale als auch radiale Lagerkomponenten aufnimmt.
Bei der Ausbildung des aktiven Magnetlagers, als axiales Lager sind wieder die beiden vorher genannten Ausführungsformen möglich.
Dies bedeutet, daß erfindungsgemäß es bevorzugt wird, wenn als radiales Lager ein zylindrisches Luftlager oder ein Toroid-Lager verwendet wird, während als axiales Lager stets ein Magnetlager verwendet wird. In einer anderen Ausgestaltung ist auch die Lagerpaarung vorgesehen, daß das vorher erwähnte radiale und im wesentlichen zylindrisch ausgebildete Luftlager noch zusätzlich mit einem axialen Luftlager kombiniert wird, welches seinerseits mit dem vorher erwähnten axialen Magnetlager kombiniert ist. Es findet also eine Luftlageranordnung bestehend aus einem radialen Luftlager und einem axialen Luftlager in Verbindung mit einem axialen Magnetlager Anwendung. Hierdurch ergeben sich ebenfalls wesentliche Vorteile, weil durch eine durchdachte Anordnung eines zusätzlichen axialen Luftlagers eine genauere axiale Positionierung der Rotorglocke möglich ist.
Dieses zusätzliche axiale Luftlager wirkt dann als zusätzlicher Träger der die
Kippschwingungen stabilisiert und damit noch zu einer weiter verbesserten Laufruhe des Rotors führt.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
Figur 1 : Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Lagers mit einem radialen Luftlager und einem axialen Magnetlager und permanentmagnetischer Vorspannung
Figur 2: Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem radialen Luftlager und einem doppelt wirkendem axialen Magnetlager Figur 3: Vergrößerte Darstellung nach Figur 2
Figur 4: Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit Darstellung eines
Toroid-Luftlagers in Verbindung mit einem axialen Magnetlager
In Figur 1 ist in einem Basisflansch 1 eine mittlere Ausnehmung 2 definiert, in welcher eine Welle 3 fest über eine Schraube 4 befestigt ist. In an sich bekannter Weise trägt der Basisflansch 1 in seiner Ausnehmung 5 ein Statorpaket 6, welches im Wesentlichen aus einer inneren Hülse 10 besteht, von der radial auswärts sich, in an sich bekannter Weise, der Kern mit der Statorbespulung erstreckt.
Auf der Welle 3 ist eine Rotorglocke 9 drehbar angeordnet, die an ihrer unteren Innenseite einen Ringmagnet 7 trägt, der am Umfang der Rotorglocke 9 angeordnet ist und von dem im Statorpaket 6 erzeugten Drehfeld mitgenommen wird.
Der Ringmagnet 7 ist radial auswärts in einen Rückschlußring 8 eingesetzt, welcher den magnetischen Kreis im Rotor schließt.
Auf der Welle 3 ist eine Lagerhülse 11 drehfest angeordnet deren radiale Außenseite als Luftlager 12 ausgebildet ist.
Im Ausführungsbeispiel ist dargestellt, daß das Luftlager als radiales Lager ausgebildet ist und sich über eine entsprechende axiale Länge der Lagerhülse 11 erstreckt. Es sind ferner von einem Anschlußkanal 15 ausgehende Luftkanäle 14 vorhanden, die ihrerseits in Anschlußkanäle 13 führen, welche das gesamte Luftlager 12 mit von außen her zugeführter Luft versorgen.
Wichtig hierbei ist, daß das Luftlager 12 eine nicht näher dargestellte Spiralrillenstruktur aufweist, mit welcher es möglich ist, daß bei sich drehender Rotorglocke 9 die Luft selbständig über den Anschlußkanal 13 angesaugt wird und unter Druck in das Luftlager 12 eingespeist wird. Auf diese Weise wird ein sich selbst versorgendes Luftlager 12 verwirklicht, welches bei steigender Drehzahl eine entsprechende Steifigkeit erhält.
Innenseitig trägt die Lagerhülse 11 eine thermische Isolierung 16, die ebenfalls als Hülse ausgebildet ist und aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht. Radial einwärts der thermischen Isolierung 16 ist ein äußerer Rückschlußring 17 angeordnet, an dem wiederum innenseitig die Spule 18 angeordnet ist.
Radial einwärts der Spule 18 ist der innere Rückschlußring 19 angeordnet. Die beiden Rückschlußringe 17,19 sind miteinander magnetisch verbunden.
Durch Strombeaufschlagung der Spule 18 mit einem Gleichstrom wirkt diese in axialer Richtung stirnseitig auf einen Spalt 54.
In geringem Abstand zu der oberen Stirnseite der Spule 18 ist hierbei nämlich ein Anker 20 angeordnet, welcher drehfest mit der Rotorglocke 9 verbunden ist und der seinerseits von einem aus Metall bestehenden Deckel 21 abgeschlossen ist.
Der Anker 20 wird also in axialer Richtung mehr oder weniger von der Stirnseite der Spule 18 angezogen, je nachdem in welchem Maße die Spule 18 mit Gleichstrom versorgt wird.
Im Gegensatz zu der Anziehungswirkung der Spule 18 auf den Anker 20 ist eine magnetische Vorspannung vorgesehen, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei gleichsinnig gepolten Permanentmagneten 22,23 besteht, wobei der eine Permanentmagnet 22 im Deckel 21 drehfest angeordnet ist und demzufolge mit der Rotorglocke 9 rotiert, während der andere Permanentmagnet 23 feststehend mit dem inneren Rückschlußring 19 verbunden ist.
Zwischen den beiden Permanentmagneten 22,23 wird also im Bereich des Abstandes 24 eine Abstoßungskraft erzeugt, welche der Anziehungskraft der Spule
18 auf den Anker 20 entgegenwirkt.
Damit kann der Spalt 54 zwischen der Stirnseite der Rückschlußringe 19,17 und der Unterseite des Ankers 20 sehr fein eingestellt werden.
Zur Regelung dieses Abstandes ist es ferner vorgesehen, daß im feststehenden Permanentmagnet 23 ein Positionssensor 29 angeordnet ist, welcher den Abstand 24 zu der gegenüberliegenden, rotierenden Fläche erfaßt und den Spulenstrom entsprechend regelt.
Der Lagerspalt wird im Übrigen in Form des Luftspalts 25 fortgesetzt. Es wurde eingangs bei einer der Modifikationen der Erfindung erwähnt, daß an der Stelle des Lagerspaltes 25 ein Luftlager 26 angeordnet sein kann, so daß also das hier gezeigt radiale Luftlager 12 noch mit dem in axialer Richtung wirkenden Luftlager 26 kombinierbar ist.
Im Übrigen weist die Rotorglocke 9 noch zu den feststehenden Teilen des Basisflansches 1 die Luftspalte 27,28 auf, um ein freies Drehen zu garantieren.
In den Figuren 2 und 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, daß anstatt der Erzeugung einer permanentmagnetischen Vorspannung auf die Rotorglocke 9 eine regelbare magnetische Vorspannung dadurch erzeugt werden kann, daß zwei gegensätzlich gepolte Spulen 34,35 einen Luftspalt 40 zwischen sich ausbilden, in dem eine magnetisch wirksame Metallscheibe 36 rotiert.
Hierbei ist vorgesehen, daß an der Welle in einem Spulenrückschluß 42 eine untere, feststehende Spule 35 angeordnet ist, der eine obere, ebenfalls feststehende Spule 34 in einem Spulenrückschluß 41 gegenüberliegt.
Zwischen den beiden Spulen 34,35 ist der vorher erwähnte Luftspalt 40 angeordnet, in dem die magnetisch wirksame Metallscheibe 36 rotiert.
Hierbei ist wichtig, daß die Metallscheibe 36 drehfest mit der Rotorglocke verbunden ist.
Zur Verbindung der Metallscheibe 36 mit der Rotorglocke ist eine besondere Anordnung vorgesehen, für die getrennter Erfindungsschutz im Rahmen der vorliegenden Erfindung beansprucht wird.
Die Rotorglocke ist - wie vorher gezeigt - mit einem Deckel 21 verbunden. An der Innenseite des Deckels ist eine Aussparung angeordnet, in welcher ein Magnet 37 in einer Befestigung 38 befestigt ist. Somit rotiert der Magnet 37 mit dem Deckel und der Rotorglocke zusammen.
Der Innenumfang der Scheibe 36 liegt hierbei an einer Zentrierschräge 39 am Deckel 21 an, so daß die Metallscheibe 36 genau zentrisch zur Mittellinie 45 zentriert wird. Der Magnet 37 zieht magnetisch diese Metallscheibe 36 an und nimmt diese mit. Somit ist die Metallscheibe aufgrund dieses magnetischen Mitnehmers sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung genau zur Mittellinie 45 zentriert.
Damit ist eine einfache Montage der gesamten Anordnung möglich, denn zur Demontage braucht nur der Deckel 21 zusammen mit der Rotorglocke 9 nach oben abgehoben werden, wodurch ebenfalls der Magnet 37 abgehoben wird und hierbei die magnetische Haftung zu der Metallscheibe 36 aufgehoben wird. Die Metallscheibe 36 kann somit in der Anordnung verbleiben und braucht nicht selbst demontiert zu werden.
Es wird nun ein Magnetlager vorgeschlagen, weil die beiden Spulen 34,35 jeweils getrennt mit Strom versorgt sind und zwischen sich im Luftspalt 40 ein Magnetfeld erzeugen, welches die Metallscheibe 36 mehr oder weniger in axialer Richtung nach oben oder unten bewegt. Hierbei wird es bevorzugt, wenn die beiden Spulen 34,35 so mit Strom versorgt werden, daß die Metallscheibe in einem etwa mittleren Bereich in dem Luftspalt 40 (bei Wegfall der Regelung) automatisch gehalten wird.
Zusätzlich wird noch eine Regelung überlagert, welcher eine Feineinstellung der Metallscheibe 36 im Luftspalt 40 gewährleistet. Hierzu ist wiederum ein ortsfest angeordneter Positionssensor 43 vorgesehen, der mit seiner Stirnkante über einen Abstand 44 hinweg eine gegenüberliegende Kante 46 an der drehenden Rotorglocke erfaßt.
Dieser Abstand 44 wird also von dem Positionssensor 43 fortlaufend erfaßt als Istwert eine Regelungsstrecke eingegeben.
Anhand der Figuren 2 und 3 kann noch gezeigt werden, daß das radiale Luftlager 12 sich von den Positionen 31 bis zur Position 32 erstreckt.
Damit ein eventuell vorhandener scheibenförmiger Datenträger mit der Rotorglocke mitgenommen wird, ist ein Mitnehmer in Form einer Feder 33 vorgesehen, welche sich einerseits am Deckel 21 und andererseits an der Oberseite des scheibenförmigen Datenträgers abstützt.
In einer letzten Ausführungsform ist dargestellt, daß das vorher erwähnte magnetische Lager (sowohl nach der Figur 1 als auch nach den Figuren 2 und 3) mit einem Toroid-Luftlager kombiniert werden kann. Ein solches Luftlager 47 ist in Figur 4 dargestellt. Dort ist erkennbar, daß dieses Luftlager sowohl axiale Lagerkomponeten als auch radiale Lagerkomponenten aufnehmen kann und hierbei noch mit einem zusätzlichen magnetischen axialen Lager kombiniert ist. Im einzelnen ist erkennbar, daß ein Stator 48 vorhanden ist, in dem mindestens eine Spule 51 vorhanden ist, die auf einen Gegenpol 50 wirkt, welcher seinerseits mit seiner Stirnfläche einem Permanentmagneten 49 gegenüberliegt, so daß hier wiederum eine Tragkraft dadurch erzeugt wird, daß in dem Luftspalt eine anziehende Kraft in Pfeilrichtung 53 erzeugt wird, während durch das vorher genannte Toroid-Luftlager eine abstoßende Kraft in Pfeilrichtung 52 erzeugt wird. Auch hier kann durch eine entsprechende, zugeordnete Regelung der Abstand im Luftspalt 40 sehr fein geregelt werden.
Aus dem letzt genannten Ausführungsbeispiel ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Kombination eines radialen Luftlagers mit einem axialen Magnetlager beschränkt ist, sondern es kann auch die Kombination von einem radialen und zusätzlich einem axialen Luftlager in Verbindung mit einem axialen Magnetlager verwirklicht werden. Versuche des Anmelders haben gezeigt, daß eine überlegene Laufruhe erzielt wird, bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten und hoher Lebensdauer. Unter dem Begriff hydrodynamisches Lager wird ein Luftlager oder ein Fluidlager verstanden. Statt Luft als Lagermedium wird bei einem Fluidlager eine Flüssigkeit verwendet.
Zeichnungslegende
Basisflansch 36 Metallscheibe Ausnehmung 37 Magnet Welle 38 Befestigung Schraube 39 Zentrierschräge Ausnehmung 40 Luftspalt Statorpaket 41 Spulenrückschluß Ringmagnet 42 Spulenrückschluß Rückschlußring 43 Positionssensor Rotorglocke 44 Abstand Hülse 45 Mittellinie Lagerhülse 46 Kante Luftlager 47 Luftlager Anschlußkanal 48 Stator Luftkanal 49 Magnet Anschlußkanal 50 Gegenpol thermische Isolierung 51 Spule Rückschlußring (außen) 52 Pfeilrichtung Spule 53 Pfeilrichtung Rückschlußring (innen) 54 Spalt Anker Deckel Permanentmagnet (oben) Permanentmagnet (unten) Abstand Lagerspalt Luftlager Luftspalt Luftspalt Positionssensor
Position Position
Spule (oben) Spule (unten)

Claims

Ansprüche
1. Motorlager für schnelldrehende Kleinmotoren bestehend aus radialen und axialen Lagerkomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Lager als magnetisches Lager ausgeführt ist und das radiale Lager als hydrodynamisches Lager ausgebildet ist.
2. Motorlager nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Lager als aktives Magnetlager ausgebildet ist, das zweiseitig gegen magnetische Vorspannung von beiden Seiten her arbeitet.
3. Motorlager nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Lager als aktives Magnetlager ausgebildet ist, das einseitig gegen eine magnetische
Vorspannung arbeitet.
4. Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die axiale magnetische Vorspannung durch mindestens eine Spule unter Verwendung einer Regelung und eines geeigneten Sensors, zur Überwachung des axialen Lagerspiels, erfolgt.
5. Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die axiale magnetische Lagerung mittels einer magnetisch wirksamen Metallscheibe (36) und zwei Spulen (34,35), die zur Erzeugung von zwei voneinander unabhängigen Magnetfeldern dienen, erfolgt.
6. Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (36) durch Magnetkraft drehfest aber lösbar an der Rotorglocke (9) fixiert ist, wobei die radiale und axiale Zentrierung der Metallscheibe (36) an ihrer Mittenbohrung durch eine Zentrierschräge (39) an einem Aufnehmer erfolgt, der vom Deckel (21 ) nach innen ragt.
7. Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet daß, die
Metallscheibe (36) durch überwinden der fixierenden Magnetkraft vom Deckel (21 ) getrennt werden kann, wobei die Metallscheibe (36) zwischen den beiden übereinander angeordneten Spulen (34,35) verbleibt.
8. Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß, das axiale Magnetlager aus einer Spule mit Rückschlußring besteht, wobei die Spule in axialer Richtung auf einen Anker wirkt, der mit der Rotorglocke fest verbunden ist.
9. Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Lager alleine als einzelnes auf der Motorachse (45) angeordnetes Magnetlager die axialen Kräfte aus beiden Richtungen aufnimmt.
10.Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Lager als rotierendes Magnetlager zusätzlich radiale Kräfte gegen verkippen aufnimmt.
11.Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Lager von der Mittellinie (45) beabstandet zusätzlich radiale Kräfte gegen verkippen aufnimmt.
12.Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Lager als Luftlager in der Form eines Toroidlagers ausgeführt ist, das geeignet ist, neben den radialen auch axiale Kräfte aufzunehmen
13.Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß, das radiale Lager aus zwei Luftlagern besteht, aus einem herkömmlichen Luftlager und zusätzlich einem Toroidlager.
14.Motorlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß, das axiale Magnetlager zum radial angeordneten Luftlager thermisch entkoppelt ist.
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