DE102005032630A1

DE102005032630A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102005032630A1
Application number: DE102005032630A
Authority: DE
Inventors: Martin Engesser; Stefan Schwamberger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: US20070013249A1; DE102005032630B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem. Es umfasst ein feststehendes Teil, bestehend aus einem topfförmigen Gehäuse und einer darin angeordneten Lagerbuchse, und ein bewegliches Teil, bestehend aus einer in der Lagerbuchse drehbar aufgenommenen Anordnung einer Welle und einer Nabe. Jeweils einander gegenüberliegende Oberflächen des feststehenden und des beweglichen Teiles sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. Es ist mindestens ein Radiallager vorgesehen, das gebildet wird durch die Außenfläche der Welle und die Innenfläche der Lagerbuchse und zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen. Ein Axiallager wird gebildet durch eine Stirnfläche der Lagerbuchse, eine dieser gegenüberliegenden Stirnfläche der Nabe und zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen. Die Welle ist durch einen an ihrem einen Ende angeordneten Flansch gehalten, der in einem durch das Gehäuse und die Lagerbuchse gebildeten ringscheibenförmigen Freiraum angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors kleiner Baugröße, wie er beispielsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken eingesetzt wird.

Durch die fortschreitende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken entstehen neue konstruktive Probleme, insbesondere bei der Herstellung kleiner Antriebsmotoren und geeigneten Lagersystemen.

Wurden bisher Wälzlagersysteme verwendet, setzen sich nun fluiddynamische Lagersysteme aufgrund ihrer kleineren Bauart und höherer Präzision immer mehr durch.

Es ist bekannt, die verwendeten Lagersysteme mit zwei Radiallagern auszustatten. Um die erforderliche Lagersteifigkeit zu erreichen, müssen die Radiallager in einem ausreichenden axialen Abstand zueinander angeordnet sein. Dennoch sind herkömmliche konstruktive Lösungen für fluiddynamische Festplattenlager und die Verfahren zu ihrer Herstellung bei der Konstruktion von Miniatur-Spindelmotoren nicht oder nur unter Schwierigkeiten anwendbar. Je kleiner die Lagersysteme, und damit der Abstand zwischen den beiden Radiallagern werden, desto geringer wird bei herkömmlicher Bauweise ihre Tragkraft und Steifigkeit. Herkömmliche Lagerbuchsen kleiner Baugröße bestehen vorwiegend aus Stahl. Diese Stahlbuchsen werden meist durch ECM-Verfahren mit Lagerstrukturen versehen und sind daher relativ teuer in der Herstellung.

Die DE 102 31 962 A1 offenbart ein hydrodynamisches Lagersystem bekannter Bauart für die Drehlagerung eines Spindelmotors, welches zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Radiallager und sich daran anschließende Axiallager umfasst. Die Axiallager befinden sich gegenüberliegend dem freien Ende der Welle, welches die Nabe des Spindelmotors trägt. Daher wird die Kippsteifigkeit dieses Lagersystems vornehmlich durch die Radiallager, insbesondere deren gegenseitigen Abstand, bestimmt. Somit ergibt sich zwangsweise eine relativ große Bauhöhe des Lagersystems und des damit ausgerüsteten Spindelmotors.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors zu schaffen, das bei geringer Baugröße, insbesondere einer geringen Bauhöhe, eine hohe Lagersteifigkeit aufweist und relativ preiswert herzustellen ist.

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.

Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Teil, bestehend aus einem topfförmigen Gehäuse und einer darin angeordneten Lagerbuchse, und ein bewegliches Teil, bestehend aus einer in der Lagerbuchse drehbar aufgenommenen Anordnung einer Welle und einer Nabe. Jeweils einander gegenüberliegende Oberflächen des festestehenden und des beweglichen Teiles sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. Es ist mindestens ein Radiallager vorgesehen, das gebildet wird durch die Außenfläche der Welle und die Innenfläche der Lagerbuchse und zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen. Ein Axiallager wird gebildet durch eine Stirnfläche der Lagerbuchse, eine dieser gegenüberliegenden Stirnfläche der Nabe und zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen. Die Welle ist durch einen an ihrem einen Ende angeordneten Flansch gehalten, der in einem durch das Gehäuse und die Lagerbuchse gebildeten ringscheibenförmigen Freiraum angeordnet ist.

Durch Integration von Bauteilefunktionen besteht das erfindungsgemäße Lagersystem aus nur wenigen Bauteilen. Diese sind mit einfachen herkömmlichen Fertigungsverfahren herstellbar. Die benötigte Kippsteifigkeit wird durch das nahe in der Schwerpunktebene der Nabe angeordnete Axiallager erreicht. Dadurch kann die Bauhöhe klein ausgeführt werden. Die axiale Steifigkeit ist dadurch groß. Die notwendige radiale Steifigkeit wird durch das Radiallager erzielt.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die Lagerstrukturen des Radiallagers auf dem Außenumfang der Welle und die Lagerstrukturen des Axiallagers auf der Stirnfläche der Lagerbuchse angeordnet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind alle Lagerstrukturen, also die des Radial- und die des Axiallagers, ausschließlich auf der Lagerbuchse angeordnet. Dies ist herstellungstechnisch wesentlich günstiger, da nur noch die Lagerbuchse im Hinblick auf die Lagerstrukturen bearbeitet werden muss, was die Herstellung der Lager einfacher und kostengünstiger macht.

In vorteilhafter Weise kann die Lagerbuchse als Sinterteil hergestellt werden, sowohl als Sintermetall als auch Sinterkeramik. Auch Kunststoff-Metall Sintermaterialien können verwendet werden. Die Vorteile des Sinterns sind zum einen die kostengünstige Herstellung und zum anderen die Möglichkeit, die Lagerstrukturen bereits im Sinterteil integrieren zu können. Eine Nachbearbeitung und ein nachträgliches Aufbringen von Lagerstrukturen auf die Oberflächen der Lagerbuche entfällt somit.

Die Lagerbuchse ist im Gehäuse gehalten, wobei sie im oberen Bereich, d.h. auf der der Nabe zugewandten Seite, einen vergrößerten Durchmesser aufweist, der den größten Durchmesser des Gehäuses übertrifft. Die Nabe ist topfförmig ausgebildet und nimmt die Lagerhülse und das Gehäuse größtenteils in sich auf. Im Bereich des offenen Endes des Lagerspaltes, zwischen einer Oberfläche des Innenumfangs der Nabe und einer gegenüberliegenden Oberfläche des Außenumfangs des Gehäuses, ist ein mit dem Lagerspalt verbundener und sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngender ringförmiger Freiraum angeordnet, der zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. Dieser Freiraum begrenzt den Lagerspalt nach außen und bildet in einer ersten Funktion eine Kapillardichtung zur Abdichtung des Lagerspaltes und in einer zweiten Funktion ein Reservoir für das Lagerfluid.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Gehäuse als einteiliges topfförmiges Teil, beispielsweise ein Tiefziehteil, ausgebildet. Das Gehäuse kann aber auch als Drehteil ausgebildet sein Das erfindungsgemäße Lagersystem wird vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt, wobei der Spindelmotor eine Basisplatte oder einen Flansch mit einer Öffnung zur Aufnahme des Gehäuses des Lagersystems aufweist, und eine elektromagnetische Antriebseinheit zum Antrieb des beweglichen Teils des Lagersystems.

Der Spindelmotor kann vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplatten eines Speicherplattenlaufwerks verwendet werden, wobei die Nabe als Träger für die mindestens eine Speicherplatte des Speicherplattenlaufwerks verwendet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit erfindungsgemäßem fluiddynamischem Lagersystem;
2: eine Draufsicht auf die Lagerhülse des Lagersystems;
3: einen Schnitt durch die Lagerhülse von 2;
4: eine Unteransicht der Lagerhülse von 2;
5: einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer gegenüber 1 leicht abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagersystems;
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Spindelmotors mit einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems. Der Spindelmotor zeichnet sich durch eine einfache und flache Bauweise aus.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 14 oder Basisflansch, welcher beispielsweise als Tiefziehteil ausgebildet ist und eine Öffnung aufweist, in der ein im wesentlichen topfförmiges Gehäuse 1 eingesetzt ist, welches beispielsweise als Drehteil ausgebildet sein kann. Im Bereich der Öffnung des Gehäuses 1, an dessen Innendurchmesser, ist eine Lagerbuchse 2 angeordnet, die zusammen mit dem Gehäuse 1 das feststehende Teil des Lagersystems bildet. Die Lagerbuchse 2 umfasst einen zylindrischen Abschnitt, der beispielsweise in das Gehäuse 1 eingepresst ist, und einen oberen, wulstförmigen Abschnitt, der sowohl axial als auch radial über die Abmessungen des Gehäuses hinausragt. In einer konzentrischen Bohrung der Lagerbuchse 2 ist eine Welle 3 drehbar aufgenommen, die eine Nabe 4 des Spindelmotors trägt. Die Nabe 4 ist am Wellenende befestigt, beispielsweise mit dieser verpresst oder verschweißt. Die Welle 3 hat eine größere Länge als die Lagerbuchse 2, so dass ein Wellenende aus der Lagerbuchse 2 heraussteht und einen Flansch 5 bildet, der an die untere Stirnfläche der Lagerhülse 2 angrenzt. Der Flansch 5 ist in einem durch das Gehäuse 1, die Welle 3 sowie die Lagerbuchse 2 gebildeten ringscheibenförmigen Hohlraum innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Dieser Flansch 5 bildet eine axiale Ausfallsicherung für die Welle 3, damit diese nicht aus der Lagerhülse 2 herausfällt. Die Welle 3 mit Flansch 5 sowie die Nabe 4 bilden zusammen das bewegliche Teil des Lagersystems.
Die sich jeweils gegenüberliegenden Oberflächen der Lagerbuchse 2 und der Welle 3 bzw. des Gehäuses 1, des Flansches 5 und der Lagerbuchse 2 sind durch einen mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllten Lagerspalt 6 voneinander beabstandet. Der Lagerspalt hat beispielsweise eine Breite von 2 bis 20 Mikrometern.
Das hydrodynamische Lagersystem umfasst ein Radiallager 11, das gebildet wird durch die Außenfläche der Welle 3 und die dieser gegenüberliegenden Innenfläche der Lagerbuchse 2 sowie zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen 12, die auf der Oberfläche der Welle 3 und/oder der Innenoberfläche der Lagerbuchse 2 angeordnet sein können.
In den 2 bis 4 erkennt man beispielsweise die Radiallagerstrukturen 12, die auf der Innenfläche der Lagerbuchse 2 vorgesehen sind.
Weiterhin umfasst das Lagersystem ein Axiallager 7, das durch eine Stirnfläche 8 der Lagerbuchse 2, eine dieser gegenüberliegenden Stirnfläche 9 der Nabe 4 sowie zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen 10 gebildet wird, die vorzugsweise auf der Stirnfläche 8 der Lagerbuchse 2 angeordnet sind, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist. Natürlich können die Lagerstrukturen auch auf der Stirnfläche 9 der Nabe 4 angeordnet sein, was aus fertigungstechnischen Gründen jedoch weniger attraktiv ist.
Weiterhin kann ein weiteres Axiallager 27 zwischen der Unterseite der Lagerbuchse 2 und der gegenüberliegenden Oberseite des Flansches 5 ausgebildet sein. Die hydrodynamischen Lagerstrukturen können auf der Unterseite der Lagerbuchse 2 und/oder auf der Oberseite des Flansches angeordnet sein.
Die 2 bis 4 zeigen verschiedene Ansichten der Lagerbuchse 2, wobei man sehr schön die Radiallager- und Axiallagerstrukturen 12, 10 auf den entsprechenden Oberflächen der Lagerbuchse 2 erkennt. Vorzugsweise sind alle Lagerstrukturen, also die des Radial- und des Axiallagers 11 bzw. 7, 27 ausschließlich auf der Lagerbuchse 2 angeordnet.
Somit muss nur noch die Lagerbuchse 2 entsprechend maschiniert werden, wobei in vorteilhafter Weise die Lagerbuchse als Sinterteil hergestellt werden kann, bei welchem die Lagerstrukturen bereits im Formling integriert werden können.
Es ergibt sich aus den 2 bis 5, dass die auf dem Innendurchmesser der Lagerbuchse 2 vorgesehenen Lagerstrukturen 12 des Radiallagers 11 beispielsweise durch fünf asymmetrische, kreisbogenförmige Abschnitte gebildet werden, die jeweils durch fünf axiale Kanäle unterbrochen werden. Bei Rotation des Lagersystems wird durch diese Formgebung der Innenfläche der Lagerbuchse ein Druck auf das Lagerfluid ausgeübt, wodurch das Radiallager tragfähig wird. Diese Art der Radiallagerstruktur 12 ist durch herkömmliche Bearbeitungsverfahren, wie z. B. Bohren und Fräsen, nur mit hohem Aufwand herstellbar. Durch eine Herstellung der Lagerbuchse 2 als komplettes Sinterteil lassen sich jedoch derartige Lagerstrukturen 12 sehr einfach implementieren und bieten sich daher an.
Die Lagerstrukturen 10 des Axiallagers auf der Stirnfläche 8 der Lagerbuchse 2 sind beispielsweise fischgrätenartig ausgebildet und erzeugen ebenfalls eine druckerzeugende Pumpwirkung auf das Lagerfluid, die das Lagersystem tragfähig macht.
Im Bereich des Axiallagers 7 endet der Lagerspalt 6 und wird durch einen Freiraum 13 begrenzt, der zwischen dem Innenumfang der Nabe 4 und dem wulstförmigen Außenumfang der Lagerbuchse 2 gebildet wird. Während der Innendurchmesser der Nabe 4 in diesem Bereich gleich bleibt, vergrößert sich der Außendurchmesser der Lagerbuchse 2 im Bereich des Wulstes immer mehr, so dass sich der ringförmige Freiraum 13 in Richtung des Lagerspaltes 6 bzw. des Axiallagers 7 konisch verjüngt und in den Lagerspalt 6 übergeht. Der Freiraum 13 dient zum einen als sogenannte kapillare Abdichtung des Lagerspaltes 6 und zum anderen als Vorratsvolumen, also Reservoir für das Lagerfluid. Daher ist der Freiraum 13 auch teilweise mit Lagerfluid gefüllt.
Außerhalb des Lagersystems am Außenumfang der Nabe 4 bzw. um die Nabe 4 herum ist das elektromagnetische Antriebssystem des das Lagersystem umfassenden Spindelmotors angeordnet. Das Antriebssystem umfasst zum einen Permanentmagnete 15, die am Außenumfang der Nabe 4 angeordnet sind, sowie eine Statoranordnung 16, die gegenüberliegend den Magneten 15 angeordnet sind und ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen, welches die Nabe 4 und damit den rotierenden Teil des Spindelmotors in Rotation versetzt.
5 zeigt einen Teilschnitt eines Spindelmotors mit einer gegenüber 1 leicht abgewandelten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems. Mit Bezug auf 1 sind in 5 gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Für eine Beschreibung dieser Bauteile wird auf die Figurenbeschreibung zur 1 verwiesen.
Im Unterschied zu 1 ist das Gehäuse 20, welches das Lagersystem aufnimmt, als einfaches, zylinderförmiges und einseitig geschlossenes Tiefziehteil ausgebildet. Die im Gehäuse 21 gehaltene Lagerbuchse 22, weist eine ebenfalls über das Gehäuse 21 hinausragende wulstförmige Verdickung auf, deren Durchmesser sich jedoch nicht gleichmäßig, sondern in Abstufungen ändert, so dass sich der ringförmige Freiraum 13 ebenfalls mit Abstufungen verjüngt und in den Lagerspalt 6 übergeht.
Es ist ferner dargestellt, dass auf der Nabe 4 des Spindelmotors, genauer gesagt auf einem oberen Absatz der Nabe, eine Speicherplatte 17 eines Speicherplattenlaufwerkes montiert ist, die dann entsprechend durch den Spindelmotor drehend angetrieben werden. Die Speicherplatte 17 wird durch eine scheibenförmige Klammer 18 auf der Nabe 4 gehalten, die mittels einer Schraube in einer Bohrung der Welle 3 befestigt ist.

1: Gehäuse
2: Lagerbuchse
3: Welle
4: Nabe
5: Flansch
6: Lagerspalt
7: Axiallager
8: Stirnfläche (Buchse)
9: Stirnfläche (Nabe)
10: Lagerstrukturen
11: Radiallager
12: Lagerstrukturen
13: Freiraum (Reservoir)
14: Basisplatte
15: Magnet
16: Statoranordnung
17: Speicherplatte
18: Halteklammer
19: Schraube
20: Gehäuse
21: Gehäuse
22: Lagerbuchse
27: Axiallager

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: ein feststehendes Teil, bestehend aus einem topfförmigen Gehäuse (1) und einer darin angeordneten Lagerbuchse (2), ein bewegliches Teil, bestehend aus einer in der Lagerbuchse (2) drehbar aufgenommenen Anordnung einer Welle (3) und einer Nabe (4), wobei jeweils einander gegenüberliegende Oberflächen des festestehenden und des beweglichen Teiles durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (6) voneinander beabstandet sind; ein Radiallager (11), gebildet durch die Außenfläche der Welle (3) und die Innenfläche der Lagerbuchse (2) und zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen (12); ein Axiallager (7), gebildet durch eine Stirnfläche (8) der Lagerbuchse (2), eine dieser gegenüberliegenden Stirnfläche (9) der Nabe (4) und zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen (10), und einem an einem Ende der Welle (3) angeordneten Flansch (5), der in einem durch das Gehäuse und die Lagerbuchse gebildeten ringscheibenförmigen Freiraum angeordnet ist.
Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Axiallager (27) zwischen der Unterseite der Lagerbuchse (2) und der Oberseite des Flanschs (5) gebildet wird.
Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstrukturen (12) des Radiallagers auf dem Außenumfang der Welle (3) und die Lagerstrukturen (10) des Axiallagers auf der Stirnfläche (8) der Lagerbuchse (2) angeordnet sind.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstrukturen (12, 10) des Radial- und des Axiallagers ausschließlich auf der Lagerbuchse (2) angeordnet sind.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (2) ein Sinterteil ist.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (2) an ihrer der Nabe (4) zugewandte Seite einen vergrößerten Durchmesser aufweist, der den größten Durchmesser des Gehäuses (1) übertrifft.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Oberfläche des Innenumfangs der Nabe (4) und einer gegenüberliegenden Oberfläche des vergrößerten Durchmessers der Lagerbuchse (2) ein mit dem Lagerspalt (6) verbundener und sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngender, ringförmiger Freiraum (13) angeordnet, der zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (13) den Lagerspalt (6) nach außen begrenzt und eine Kapillardichtung zur Abdichtung des Lagerspaltes ausbildet.
Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (13) ein Reservoir für das Lagerfluid ausbildet.
Spindelmotor mit einem Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, einer Basisplatte (14) mit einer Öffnung zur Aufnahme des Gehäuses (1) des Lagersystems, und einer elektromagnetischen Antriebseinheit (15, 16) zum Antrieb des beweglichen Teils des Lagersystems.
Spindelmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Speicherplattenlaufwerks ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (4) als Träger für eine Speicherplatte (17) des Speicherplattenlaufwerks ausgebildet ist.