DE102004045629A1

DE102004045629A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102004045629A1
Application number: DE102004045629A
Authority: DE
Inventors: Martin Engesser; Stefan Schwamberger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: DE102004045629B4; US20060210205A1; JP2006097894A; US7413347B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil, die zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden, der an mindestens einem Ende offen und durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei auf mindestens zwei räumlich getrennten Lagerflächen Pumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen sind, und mindestens ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen für das Lagerfluid vorhanden ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Dichtungsmittel durch Pumpstrukturen gebildet sind, die am offenen Ende des Lagerspalts an mindestens einem der Lagerbauteile angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung des offenen Endes des Lagerspalts bewirken. DOLLAR A Das Lagersystem selbst ist als kompakte vorzugsweise aus nur drei Teilen bestehende Einheit ausgebildet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem kleiner Baugröße für Spindelmotoren, wie sie z.B. in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden.
Stand der Technik
Durch die fortschreitende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken entstehen neue konstruktive Probleme, insbesondere bei der Konstruktion kleiner Antriebsmotoren und geeigneten Lagersystemen. Wurden bisher Wälzlagersystem verwendetet, setzen sich nun fluiddynamische Lagersysteme aufgrund ihrer kleineren Bauart und höheren Präzision immer mehr durch. Dennoch sind herkömmliche konstruktive Lösungen für fluiddynamische Festplattenlager und die Verfahren zu ihrer Herstellung nicht oder nur unter Schwierigkeiten anwendbar. Je kleiner die Lagersysteme werden, desto geringer wird bei herkömmlicher Bauweise ihre Tragkraft und Steifigkeit.
Ein weiteres Problem bei Fluidlagern stellt die Abdichtung dar. Insbesondere eine Miniaturisierung der Lager erfordert entsprechend angepasste Dichtungsanordnungen. Dem Lagerfluid muss ein ungehinderter Zugang vom Fluidvorrat zu den eigentlichen Lagerbereichen ermöglicht werden. Andererseits ist sicherzustellen, dass kein Fluid aus dem Lager entweicht. Das ist in Anbetracht der entstehenden hohen Drücke besonders bei Lagern mit mehreren Dichtstellen problematisch.

Offenbarung der Erfindung

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein fluiddynamisches Lager zu schaffen, das bei geringer Baugröße, eine hohe Zuverlässigkeit in Bezug auf Dichtigkeit, aufnehmbare Lagerkräfte und Steifigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ausgehend vom Stand der Technik umfasst das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein feststehendes Bauteil und ein rotierendendes Bauteil, die zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden, der an mindestens einem Ende offen und durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei auf mindestens einer der Lagerflächen Pumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen sind und mindestens ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen für das Lagerfluid vorhanden ist.

Erfindungsgemäß sind die Dichtungsmittel durch Pumpstrukturen gebildet, die am offenen Ende des Lagerspalts an mindestens einem der Lagerbauteile angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung des offenen Endes des Lagerspalts bewirken.

Alternativ zu einem einseitig geschlossenen Lagersystem, weist der Lagerspalt in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zwei offene Enden auf, die beide durch Dichtungsmittel abgedichtet sind.

Dabei können die Dichtungsmittel an jedem offenen Ende durch die vorhandenen Pumpstrukturen des Lagersystems gebildet sein und/oder durch von den Pumpstrukturen des Lagersystems separate Pumpstrukturen, die eine unabhängige Pumpwirkung in Richtung des Inneren des Lagesystems erzeugen.

Dabei bildet das Vorratsvolumen, vorzugsweise in Verbindung mit den Pumpstrukturen, ein zusätzliches Dichtungsmittel aus, wobei bei einem Lagerspalt mit zwei offenen Enden vorzugsweise jedes dieser offenen Enden in ein Vorratsvolumen mündet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere bei einem Lagerspalt mit zwei offenen Enden, befindet sich der Fluidvorrat in zwei voneinander getrennten Vorratsvolumen. Durch entgegengesetzte Pumpwirkung zweier fluiddynamischer Pumpstrukturen wird das Lagerfluid von einem Vorratsvolumen in das andere gepumpt, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Die Form des Vorratsvolumens ist dabei unerheblich; es muss nur eine ausreichende statische Dichtigkeit nach außen bestehen. Diese Anordnung ist in der Lage, auch große Druckveränderungen auszugleichen und dennoch einen Fluidvorrat bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße dynamische Dichtungsanordnung ist für alle Arten von hydrodynamischen Lagersystemen, insbesondere reinen Radiallageranordnungen, reinen Axiallageranordnungen oder konischen bzw. sphärischen Lagern oder Kombinationen davon, einsetzbar.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Lagersystem ein erstes Bauteil, bestehend aus einem scheibenförmigen Abschnitt und einem sich in Bezug auf eine Rotationsachse konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt; ein zweites ringförmiges Bauteil, das in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt derart am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils befestigt ist, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden Bauteilen ausbildet und ein drittes ringförmiges Bauteil, das relativ zum ersten und zweiten Bauteil um die Rotationsachse drehbar in dem ringförmigen Freiraum aufgenommen ist.

In einem Lagerspalt, der sich zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet, ist das Lagerfluid eingebracht. Die Pumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks innerhalb des Lagerfluids sind als Strukturen auf ausgewählten einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausgebildet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung eines solchen Lagersystems ist ein erstes Axiallager vorhanden, das durch einander zugewandte Lagerflächen des ersten und dritten Bauteils gebildet wird, ein zweites Axiallager, das durch einander zugewandte Lagerflächen des zweiten und dritten Bauteils gebildet wird und mindestens ein Radiallager, das durch einander zugewandte Lagerflächen des ersten und dritten Bauteils gebildet wird.

Durch Integration von Bauteilefunktionen besteht das vorgestellte Lager aus wenigen Bauteilen. Diese sind mit herkömmlichen Fertigungsverfahren herstellbar. Da die benötigte Kippsteifigkeit nicht durch Radiallager mit großem axialem Abstand, sondern durch die Axiallager erreicht wird, kann die nötige Bauhöhe klein ausgeführt werden. Die axiale Steifigkeit ist dadurch groß.

Die noch notwendige radiale Steifigkeit kann durch das mindestens eine, relativ „kleine" Radiallager erzielt werden. Durch die Bauform ist es möglich, dieses Radiallager in einer zu den angreifenden Kräften günstigen Position zu platzieren.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, das Lager beidseitig (oben und unten), also am ersten und zweiten Lagerbauteil zu fixieren. Das dritte Bauteil bildet hierbei vorzugsweise das rotierende Teil des Lagers. Für Anwendungen mit hohen Ansprüchen an die Laufruhe von Lagern, beispielsweise in Festplattenmotoren, ist eine solche beidseitige Fixierung günstig. Das Prinzip ist aber auch auf einseitig fixierte Lager anwendbar.

Der Lagerspalt kann in den Bereichen der beiden Axiallager durch einen oder mehrere im dritten Bauteil vorgesehene Rezirkulationskanäle miteinander verbunden sein. Dies fördert die Zirkulation des Lagerfluids im Lager und unterstützt die Wirkung der dynamischen Dichtung aufgrund des besseren Druckausgleichs im Lager.

Vorzugsweise ist das Lagersystem Bestandteil eines Spindelmotors, wie er zum Beispiel in Festplattenlaufwerken verwendet wird, wobei das dritte Bauteil zumindest einen Teil des Rotors des Spindelmotors ausbildet. Für diese Anwendung ist es vorteilhaft, wenn das Lagersystem beidseitig, das heißt am ersten und/oder zweiten Bauteil, fixierbar ist.

In bevorzugten Weise weist das Radiallager Pumpstrukturen auf, die eine in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen. Im Vergleich dazu weisen die Axiallager Pumpstrukturen auf, die überwiegend eine radial nach innen in Richtung der Rotationsachse gerichtete Pumpwirkung erzeugen. Dabei sind die Pumpwirkungen der beiden Axiallager einander entgegengesetzt in Richtung des Radiallagers, also in das Innere des Lagersystems, gerichtet.

Bei der Anordnung der Vorratsvolumina wird es bevorzugt, wenn ein Vorratsvolumen am Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts des ersten Bauteils angeordnet ist. Das andere Vorratsvolumen, sofern vorhanden, kann entsprechend am Außendurchmesser des zweiten Bauteils angeordnet sein.

Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Vorratsvolumen am ersten Bauteil radial außen liegend in der Ebene des ersten Axiallagers angeordnet ist. Das zweite Vorratsvolumen kann dann am zweiten Bauteil radial außen liegend in der Ebene des zweiten Axiallagers angeordnet sein.

Vorzugsweise sind die Vorratsvolumina durch jeweils eine ringförmige oder konische Aussparung im betreffenden Bauteil gebildet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lagersystem mit zwei nach innen wirkenden Axiallagern und einem symmetrischen Radiallager;
2: eine Explosionsdarstellung des in 1 skizzierten Lagers;
3: ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers mit Rezirkulationskanal;
4: ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers ohne Rezirkulationskanal;
5: ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers mit dynamischer Dichtung;
6: das Prinzip einer dynamischen Dichtung in einem Fluidlager mit zwei Axiallagern, einem Radiallager und einem Vorratsvolumen für das Fluid;
7: das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäß 1, bei dem die Pumpstruktur der Dichtung gleichzeitig Lagerstruktur ist;
8: einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lagersystem ähnlich wie 1, mit Rezirkulationskanal und dynamischer Dichtung mit zwei separaten Pumpstrukturen;
9: das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager nach 8;
10: einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems mit separatem Rotor und einseitig fixiertem Lager mit seitlichen Pumpstrukturen für die dynamische Abdichtung;
11: das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäß 10, mit zwei Axiallagern, einem Radiallager und separaten Pumpstrukturen;
12: einen Schnitt durch eine gegenüber 1 leicht abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems, mit Befestigung auf einem Gehäuseflansch;
13: eine Explosionsdarstellung des in 12 skizzierten Lagers;
14: einen Schnitt durch eine gegenüber 1 leicht abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems mit horizontaler Anordnung der Vorratsvolumina.
Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Lagers. Das Lager zeichnet sich vor allem durch seine einfache Bauweise aus. Es besteht bei der in 1 gezeigten Variante aus nur drei Bauteilen. Ein erstes Bauteil 1, welches einen scheibenförmigen Abschnitt 2 und einen sich in Bezug auf eine Rotationsachse 17 konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt 3 aufweist. Konzentrisch zur Rotationsachse 17 ist am Bauteil 1 mindestens eine Gewindebohrung 4 zur Befestigung des Bauteils an einem Gehäuse oder dergleichen vorgesehen. Ein zweites ringförmiges Bauteil 5 ist in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt 2 derart am zylindrischen Abschnitt 3 des ersten Bauteils 1 befestigt, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden Bauteilen 1 und 5 ausbildet. Die der Abschnitt 2 des Bauteils 1 und das Bauteil 5 weisen vorzugsweise den selben Außendurchmesser auf. Ein drittes, im wesentlichen ringförmiges, Bauteil 6 ist teilweise in dem Freiraum aufgenommen und dort so angeordnet, dass es relativ zum ersten 1 und zweiten Bauteil 5 um die Rotationsachse 17 drehbar ist.
Die Bauteile 1, 5 und 6 sind so bemessen dass sich ein Lagerspalt 7 von einigen μm Breite zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid, z.B. Lageröl oder auch Luft, gefüllt.
Die einander gegenüberliegenden Lagerflächen 8, 10 des scheibenförmigen Abschnitts 2 des ersten Bauteils 1 und der oberen Seite des dritten Bauteils 6 bilden ein erstes Axiallager. Die einander gegenüberliegenden Lagerflächen 11, 13 des zweiten Bauteils 5 und des dritten Bauteils 6 bilden ein zweites Axiallager. Die im Durchmesser großen, nach innen wirkenden (pumpenden) Axiallager sorgen für hohe axiale Steifigkeit und Kippsteifigkeit. Radiale Kräfte werden von mindestens einem Radiallager aufgenommen, das durch einander gegenüberliegende Lagerflächen 14, 16 des zylindrischen Abschnitts 3 des ersten Bauteils 1 und des Innendurchmessers des dritten Bauteils 6 gebildet wird. Es können auch mehrere, eng beieinanderliegende, Radiallager vorgesehen sein.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Lagers gemäß 1. Damit das Lager tragfähig wird, sind in bekannter Weise auf den Lagerflächen der Axiallagerbereiche und des Radiallagerbereichs Pumpstrukturen vorgesehen. Sobald die Lagerflächen relativ zueinander rotieren, wird durch die Pumpstrukturen ein hydrodynamischer Druck innerhalb des Lagerfluids erzeugt. Diese Pumpstrukturen bestehen aus Rillenmustern, die auf ausgewählten einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils angeordnet sind. Die Pumpstrukturen können sowohl auf einer oder aber auch beiden einander gegenüberliegenden Lagerflächen vorgesehen sein. Man erkennt, dass die Lagerfläche 8 des scheibenförmigen Abschnitts 2 des ersten Bauteils 1 eine Pumpstruktur 9 trägt, die mit der oberen Lagerfläche 10 des dritten Bauteils 6 zusammenwirkt und das erste Axiallager ausbildet. Die obere Lagerfläche 11 des zweiten Bauteils 5 weist eine Pumpstruktur 12 auf, die mit der unteren Lagerfläche 13 des dritten Bauteils 6 zusammenwirkt und das zweite Axiallager bildet. Das Radiallager wird durch Pumpstrukturen 15 gebildet, die an der inneren Lagerfläche 14 des dritten Bauteils 6 angeordnet sind, welches mit Lagerflächen 16 am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils 1 zusammenwirken.
Das Prinzip und die Funktion der Pumpstrukturen wird anhand der 3 bis 5 erläutert. Die 3 und 4 zeigen Pumpstrukturen an einem einzelnen Radiallager. In 3 ist beispielhaft ein Ausschnitt eines Radiallagerbereichs, z.B. an einer Welle 20, mit entsprechenden Pumpstrukturen 21 dargestellt. Die Richtung und Stärke der durch die Pumpstrukturen hervorgerufenen Pumpwirkung auf das Lagerfluid ist durch entsprechende Pfeile dargestellt. Die Länge der Pfeile ist proportional zur Stärke (Druck) der Pumpwirkung. Durch Fertigungstoleranzen und andere Einflüsse kann es zu unregelmäßigen Pumpstrukturen 21 und damit zu unterschiedlich starken Pumpwirkungen kommen. Diese Asymmetrie der Pumpstrukturen 21 bewirkt unterschiedliche Drücke P₁, P₂ im Lager. Wie sich aus 3 ergibt, können diese Druckunterschiede z.B. durch sogenannte Rezirkulationskanäle 22 ausgeglichen werden, wenn es konstruktiv machbar ist. Ist der Einsatz von Rezirkulationskanälen nicht möglich, wie in 4 dargestellt, sind die Druckunterschiede auf andere Art abzudichten oder auszugleichen.
Hier setzt die Erfindung ein.
5 zeigt schematisch ein einzelnes Radiallager mit Pumpstrukturen 24, z.B. auf einer Welle 30, mit dynamischer Dichtung zum Ausgleich der Druckunterschiede im Lager. Es handelt sich um ein auf beiden Seiten offenes Lager. Außerhalb des Lagers herrscht ein Umgebungsdruck P₀. Teilweise unsymmetrische Pumpstrukturen 23, 24, 25 erzeugen im Lager unterschiedliche Drücke P₁ und P₂, wobei die Pumpwirkung der äußeren Pumpstrukturen 23 und 25 nach innen gerichtet ist. Die Pumpstrukturen 23, 25 verhindern, dass Lagerfluid 26 aus dem Lagerspalt 27 nach außen austritt und wirken somit als dynamische Dichtungen. Im dynamisch gedichteten Fluidlager stellt sich im Betrieb ein Gleichgewicht dergestalt ein, dass die Druckunterschiede ausgeglichen werden. An beiden Enden des Lagerspalts sind Vorratsvolumen 28, 29 für das Lagerfluid vorgesehen. Das Lagerfluid 26 wird im Lagerspalt 27 in die Richtung der größten resultierenden Pumpwirkung gepumpt, gemäß der Darstellung beispielsweise nach rechts. Dabei leert sich das eine Vorratsvolumen 28, und das andere Vorratsvolumen 29 wird mit Lagerfluid gefüllt. Dieser Vorgang dauert so lange an, bis die Pumpstruktur 23 der Dichtung partiell nicht mehr mit Fluid gefüllt ist. Die Pumpwirkung dieser Struktur 23 lässt entsprechend des Füllgrades des zugehörigen Lagerspaltabschnitts nach, bis die Druckunterschiede im Lager ausgeglichen sind.
Die dynamische Dichtung für Fluidlager benötigt also zwei Vorratsvolumen 28, 29 für den Fluidvorrat und zwei entsprechende Pumpstrukturen 23, 25, wenn die Richtung der resultierenden Pumpwirkungen des bzw. der einzelnen Lager unbekannt ist.
Besteht jedoch eine definierte resultierende Richtung der Pumpwirkungen, wie es in 6 dargestellt ist, genügt ein Vorratsvolumen und eine Pumpstruktur als dynamische Dichtung und zum Füllstandausgleich. Das in 6 gezeigte Lagersystem umfasst ein feststehendes Bauteil 31, z.B. in Form einer Lagerbuchse, und zwei miteinander verbundene, rotierende Bauteile 32 und 33, z.B. in Form einer Welle und einer Druckplatte. In diesem Beispiel ist das Lagersystem auf einer Seite geschlossen und nur nach oben hin offen. Es sind ein Radiallagerbereich 34 und zwei darunter angeordnete Axiallagerbereiche 35, 36 vorgesehen. Eine Pumpstruktur 37 am offenen Ende des Lagerspalts 38 bildet eine dynamische Dichtung und sorgt dafür, dass das Lagerfluid 39 in Richtung des Lagerinneren, also des geschlossenen Endes des Lagers, gedrückt wird. Ein z.B. ringförmig um die Rotationsachse 17 angelegtes Vorratsvolumen 40 sorgt für einen Füllstandausgleich im Lagerspalt 38.
In bekannter Weise sind auch in den Axiallagerbereichen 35, 36 entsprechende Pumpstrukturen (nicht dargestellt) vorgesehen. Die Richtung der durch die Pumpstrukturen hervorgerufene Pumpwirkung auf das Lagerfluid ist durch entsprechende Pfeile dargestellt. Die Länge der Pfeile ist proportional zur Stärke (Druck) der Pumpwirkung.
Die Form und Lage der in den Beispielen nach 5 und 6 gezeigten Vorratsvolumen ist für das Prinzip der Erfindung weitgehend unerheblich. Sie müssen nur einen ausreichenden Fluidvorrat bereitstellen und diesem einen Zugang zu den jeweils zugeordneten Pumpstrukturen ermöglichen.
Die vorgestellte Lösung ist prinzipiell auf alle Typen von Fluidlagern anwendbar. Das gilt beispielsweise für einzelne Radial- oder Axiallager, für konische oder sphärische Lager wie auch für Kombinationen aus diesen. Rezirkulations-Bohrungen sind nicht unbedingt erforderlich, können das Prinzip aber unterstützen.
7 zeigt das Prinzip einer dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäss 1 und 2, mit zwei Axiallagern und einem Radiallager, bei dem die Pumpstrukturen der Axiallagerbereiche gleichzeitig die Pumpstrukturen für die dynamischen Dichtungen ausbilden. Die Pumpstrukturen der Axiallager bilden also gemeinsam mit zwei Vorratsvolumina ein dynamisches Dichtungssystem, das Fertigungstoleranzen ausgleicht. Die Pumpstrukturen der Axiallager können sich auf einem oder auf beiden Lagerpartnern befinden. Dabei sind auch andere als die in den 1 und 2 gezeigten Formen der Pumpstrukturen möglich. Der Lagerspalt 7 zwischen den Bauteilen 1, 5 und 6 ist in dieser Zeichnung vergrößert dargestellt. Man erkennt, dass der Lagerspalt 7 mit dem Lagerfluid gefüllt ist. Durch die Pumpstrukturen 9, 12 der Axiallagerbereiche, die sich auf der Unterseite des Bauteils 1 bzw. der Oberseite des Bauteils 5 befinden, sowie eine Pumpstruktur 15' auf dem zylindrischen Abschnitt 3 des Bauteils 1 (in 1 war die Pumpstruktur 15 alternativ auf dem Bauteil 3 vorgesehen) wird das Lagerfluid in Richtung der Rotationsachse 17 gepumpt. Zwei Vorratsvolumina 18, 19, die beispielsweise ringförmig ausgebildet sein können und an den Enden des Lagerspalts angeordnet sind, sorgen für einen Füllstandausgleich im Lagerspalt 7. Durch Unregelmäßigkeiten in den Pumpstrukturen wird zum Beispiel durch die obere Pumpstruktur 9 ein höherer, nach innen gerichteter, Druck erzeugt, als durch die untere Pumpstruktur 12. Daher wird das Lagerfluid so lange aus dem oberen Vorratsvolumen 18 durch den Lagerspalt 7 in das untere Vorratsvolumen 19 gepumpt, bis die obere Pumpstruktur 9 partiell nicht mehr mit Fluid gefüllt ist, so dass sich ein Gleichgewicht in Bezug auf die untere Pumpstruktur 12 einstellt, da die Pumpwirkung dieser Struktur 9 entsprechend des Füllgrades nachlässt, bis die Asymmetrie des Lagers ausgeglichen ist. In diesem Beispiel dienen die Pumpstrukturen 9, 12 des Axiallagers gleichzeitig als Pumpstrukturen zur dynamischen Abdichtung des Lagerspalts 7 in Richtung des Vorratsvolumina 18, 19. In 1 ist der durch die Pumpstrukturen hervorgerufene Druckverlauf nicht durch Pfeile, sondern durch entsprechende rampenförmige Markierungen dargestellt. Die Vorratsvolumina sind als ringförmige Aussparung am Außendurchmesser des Anschnitts 2 des ersten Bauteil 1 und des zweiten Bauteils 45 ausgebildet.
8 zeigt ein gegenüber 1 abgewandeltes Lagersystem, wobei mit Bezug auf die 1 und 2 gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Das Lagersystem umfasst einen sogenannten Rezirkulationskanal 41 und einer dynamischen Dichtung mit zwei separaten Pumpstrukturen, dargestellt durch die Markierungen 42 und 43. Der Rezirkulationskanal 41 ist zum Beispiel als Bohrung innerhalb des dritten Bauteils 6 ausgebildet und unterstützt die Wirkung der dynamischen Dichtung und ein Fließen des Lagerfluids um die Lagerstrukturen herum, indem er die äußeren Bereiche des Lagerspalts 7 miteinander verbindet. Die Pumpstrukturen 42 und 43, welche die dynamische Dichtung ausbilden, sind unabhängig von den Pumpstrukturen der Axiallagerbereiche ausgebildet und radial außerhalb der Axiallagerbereiche und des Rezirkulationskanals 41 angeordnet.
Aus 9 wird das Fließverhalten und der Druckverlauf im Lagerfluid innerhalb des Lagersystems gemäss 8 deutlich. Unabhängig von der Pumpwirkung der Axiallagerstrukturen erzeugen die Pumpstrukturen 42 und 43 eine eigene in das Lagerinnerer gerichtete Pumpwirkung, unterstützt durch die in den Vorratsvolumina 18, 19 vorgehaltene Menge an Lagerfluid. Der Rezirkulationskanal 41 sorgt für einen schnellen Druckausgleich zwischen den Endbereichen des Lagerspalts.
10 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers als einseitig fixierbares Lager, mit einem ersten Bauteil 1 und einem zweiten Bauteil 5, wobei das dritte Lagerbauteil 44 ein weiteres, als Rotorglocke dienendes, Bauteil 45 trägt. Die Ausgleichsvolumina 18, 19 befinden sich wiederum am Außenumfang des ersten Bauteils bzw. des zweiten Bauteils und sind mit dem Lagerspalt 7 verbunden. Neben den bereits beschriebenen Pumpstrukturen der Axiallagerbereiche und des Radiallagerbereichs sind wiederum separate Pumpstrukturen 46, 47 zur dynamischen Abdichtung der Lageranordnung vorgesehen. Im gezeigten Fall sind jedoch die Pumpstrukturen nicht in der Ebene der Axiallagerbereiche, sondern am Innenumfang der Rotorglocke 45 angeordnet und wirken mit den Umfangsflächen des ersten Bauteils 1 bzw. zweiten Bauteils 5 zusammen. Alternativ können die Pumpstrukturen für die dynamische Dichtung auch seitlich am Außenumfang der Lagerbauteile 1 und 5 angeordnet sein.
11 zeigt den durch die Pumpstrukturen erzeugten Druckverlauf innerhalb des Lagerspalts 7. Die Pumpstrukturen des Radiallagerbereichs sind so ausgestaltet, dass sie einen entgegengesetzten, in Richtung der Mitte des Lagerspalts gerichteten, Druckaufbau erzeugen. Der obere und untere Axiallagerbereich weist ebenfalls Pumpstrukturen auf, die einen zur Mitte dieser Pumpstrukturen gerichteten Druckverlauf erzeugen, wobei jedoch der in Richtung des Inneren des Lagerspalts gerichtete Druck etwas höher ist, als der nach außen gerichtete Druck. Schließlich erzeugen die Pumpstrukturen 46, 47 der dynamischen Dichtung ebenfalls einen in Richtung des Lagerinneren gerichteten Druckverlauf, so dass ein Niveau-Ausgleich des Lagerfluids zwischen dem oberen Vorratsvolumen 18 und dem unteren Vorratsvolumen 19 stattfinden kann.
Die 12 und 13 zeigen einen Schnitt bzw. eine Explosionsdarstellung eines Lagersystems, ähnlich zum Lagersystem der 1 und 2. Gleichartige Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Im Vergleich zu 1 ist das dritte Lagerbauteil 6 etwas dicker ausgeführt, so dass die Axiallagerbereiche einen etwas größeren Abstand zueinander haben. Das zweite Lagerbauteil weist unterhalb des Vorratsvolumens 19 eine ringförmige Aussparung auf, mittels der es in einen ringförmigen Gehäuseflansch 48 eingesetzt und dort befestigt werden kann. Die Ausgestaltung der Pumpstrukturen auf den entsprechenden Lagerflächen der Bauteile 1, 5 und 6 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäss den 1 und 2.
14 zeigt schließlich eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Lagersystems im wesentlichen identisch zu 1, bei dem die Vorratsvolumina 49 und 50 in der gleichen Ebene wie die den Axiallager zugeordneten Lagerflächen der Bauteile 1 und 5 angeordnet sind. Die dynamische Dichtung wird hier wiederum durch die Pumpstrukturen der Axiallagerbereiche bewerkstelligt. Es sind also keine separaten Pumpstrukturen für die Dichtungen vorhanden. Durch die „horizontale" Anordnung der Vorratsvolumina hat diese Ausgestaltung des Lagersystems im Vergleich zu 1 eine geringere Bauhöhe.

1: Bauteil (erstes)
2: Scheibenförmiger Abschnitt
3: Zylindrischer Abschnitt
4: Gewindebohrung
5: Bauteil (zweites)
6: Bauteil (drittes)
7: Lagerspalt
8: Lagerfläche (Bauteil 1)
9: Pumpstruktur
10: Lagerfläche (Bauteil 3)
11: Lagerfläche (Bauteil 2)
12: Pumpstruktur
13: Lagerfläche (Bauteil 3)
14: Lagerfläche (Bauteil 3)
15: Pumpstruktur 15'
16: Lagerfläche (Bauteil 1)
17: Rotationsachse
18: Vorratsvolumen
19: Vorratsvolumen
20: Welle
21: Pumpstruktur
22: Rezirkulationskanal
23: Pumpstruktur
24: Pumpstruktur
25: Pumpstruktur
26: Lagerfluid
27: Lagerspalt
28: Vorratsvolumen
29: Vorratsvolumen
30: Welle
31: Bauteil (feststehend)
32: Bauteil (rotierend)
33: Bauteil (rotierend)
34: Radiallagerbereich
35: Axiallagerbereich
36: Axiallagerbereich
37: Pumpstruktur
38: Lagerspalt
39: Lagerfluid
40: Vorratsvolumen
41: Rezirkulationskanal
42: Pumpstruktur (Dichtung)
43: Pumpstruktur (Dichtung)
44: Bauteil (drittes)
45: Rotorglocke
46: Pumpstruktur (Dichtung)
47: Pumpstruktur (Dichtung)
48: Gehäuseflansch
49: Vorratsvolumen
50: Vorratsvolumen

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil (1; 5) und einem rotierenden Bauteil (6), die zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (7) ausbilden, der an mindestens einem Ende offen und durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei auf mindestens zwei räumlich getrennten Lagerflächen Pumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen sind, und mindestens ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen (18; 19) für das Lagerfluid vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel durch Pumpstrukturen (9, 12; 42, 43) gebildet sind, die am offenen Ende des Lagerspalts (7) an mindestens einem der Lagerbauteile (1; 5; 6) angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung des offenen Endes des Lagerspalts bewirken.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt zwei offene Enden aufweist, die beide durch Dichtungsmittel abgedichtet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel durch die Pumpstrukturen (9, 12) des Lagersystems gebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel durch von den Pumpstrukturen des Lagersystems separate Pumpstrukturen (42, 43) gebildet sind, die eine Pumpwirkung in Richtung des Inneren des Lagersystems erzeugen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Lagerspalt mit Lagerfluid gefüllt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorratsvolumen (18; 19) ein zusätzliches Dichtungsmittel ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes offene Ende des Lagerspalts in ein Vorratsvolumen (18; 19) mündet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Pumpstruktur nur partiell mit Lagerfluid gefüllt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: ein erstes Bauteil (1), bestehend aus einem scheibenförmigen Abschnitt (2) und einem sich in Bezug auf eine Rotationsachse (17) konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt (3); ein zweites ringförmiges Bauteil (5), das in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt (2) derart am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils befestigt ist, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden Bauteilen (1; 5) ausbildet; und ein drittes ringförmiges Bauteil (6), das relativ zum ersten und zweiten Bauteil um die Rotationsachse drehbar in dem ringförmigen Freiraum aufgenommen ist, ein Lagerfluid, das in den Lagerspalt (7) eingebracht ist, der sich zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen (8, 10; 11, 13; 14, 16) des ersten, zweiten und dritten Bauteils (1; 5; 6) ausbildet, Pumpstrukturen (9; 12; 15) zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks innerhalb des Lagerfluids, welche Strukturen auf ausgewählten einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils gebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungsmittel vorgesehenen sind, die durch Pumpstrukturen (9, 12; 42, 43) gebildet sind, die am offenen Ende des Lagerspalts (7) an mindestens einem der Lagerbauteile (1; 5; 6) angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung des offenen Endes des Lagerspalts bewirken.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein erstes Axiallager umfasst, das durch einander zugewandte Lagerflächen (8; 10) des ersten und dritten Bauteils (1; 6) gebildet wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein zweites Axiallager umfasst, das durch einander zugewandte Lagerflächen (11; 13) des zweiten und dritten Bauteils (5; 6) gebildet wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Radiallager aufweist, das durch einander zugewandte Lagerflächen (14; 16) des ersten und dritten Bauteils (1; 6) gebildet wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (7) im Bereich der beiden Axiallager durch einen oder mehrere im dritten Bauteil vorgesehene Rezirkulationskanäle (41) miteinander verbunden ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es Bestandteil eines Spindelmotors ist, wobei das dritte Bauteil (44) zumindest einen Teil des Rotors (45) des Spindelmotors ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es am ersten und/oder zweiten Bauteil an einem Träger fixierbar ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager Pumpstrukturen aufweist, die eine in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager Pumpstrukturen (9; 12) aufweist, die überwiegend eine radial nach innen in Richtung der Rotationsachse gerichtet Pumpwirkung erzeugen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, das die Pumpwirkung der beiden Axiallager einander entgegengesetzt in Richtung des Radiallagers gerichtet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (18) am Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts (2) des ersten Bauteils (1) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (19) am Außendurchmesser des zweiten Bauteils (5) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (49) am ersten Bauteil (1) radial außen liegend in der Ebene des ersten Axiallagers angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (50) am zweiten Bauteil (5) radial außen liegend in der Ebene des zweiten Axiallagers angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratsvolumina (18; 19; 49; 50) durch eine ringförmige oder konische Aussparung im betreffenden Bauteil gebildet ist.