DE102005044310B4 - Spindelmotor mit einem Rotor und einem fluiddynamischen Lagersystem - Google Patents

Abstract

Spindelmotor mit einem Rotor (5) und einem fluiddynamischen Lagersystem, wobei der Rotor (5) aus einer Nabe (10) und einer Welle (6) besteht, wobei die Welle (6) in einer Lagerhülse (16) aufgenommen ist, wobei der Rotor (5) auf ausgewählten Oberflächen angeordnete radiale und/oder axiale hydrodynamische Lagerstrukturen (2, 3, 7, 8, 13) in Form von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, und der Rotor (5) und die Lagerstrukturen (2, 3, 7, 8, 13) gemeinsam in einem Arbeitsgang hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse (16) an ihrem oberen, dem Mantelbereich (12) der Nabe (10) zugewandten Ende einen ausgeprägten Bund (17) aufweist, der sich radial nach außen erstreckt, wobei die Lagerhülse (16) mit einem Lagergehäuse (18) verbunden ist, welches im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist und im Bereich des freien Endes der Lagerhülse (16) und der Welle (6) verschlossen ist, wobei das Lagergehäuse (18) in einer Basisplatte (19) gehalten ist, wobei am Innenumfang der Nabe (10) ein Stopperring (20) angeordnet ist, der in einem Zwischenraum zwischen dem Bund (17) und der Basisplatte (19) angeordnet ist, und dass die radialen Lagerstrukturen (2, 3, 7, 8) als x-Lobe Struktur, mit x = 2, 3, 4, ..., ausgebildet sind, die durch x asymmetrische, kreisbogenförmige Abschnitte (2, 7) gebildet werden.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem Rotor und einem fluiddynamischen Lagersystem, wie er vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken eingesetzt wird.
• Stand der Technik
• Durch die fortschreitende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken entstehen neue konstruktive Probleme, insbesondere bei der Herstellung kleiner Antriebsmotoren und geeigneter Lagersysteme. Wurden bisher Wälzlagersysteme verwendet, setzen sich nun fluiddynamische Lagersysteme aufgrund ihrer kleineren Bauart und höherer Präzision immer mehr durch. Fluiddynamische Lagersysteme, auch bezeichnet als hydrodynamische Lager, umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf jeweils eine oder auch beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf den entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Strukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile um eine gemeinsame Achse innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen, so dass das Lager tragfähig wird.
• Die US 5,847,479 offenbart ein solches hydrodynamisches Lagersystem. Es ist ein Spindelmotor beschrieben, dessen Welle mittels zwei voneinander beabstandeten hydrodynamischen Radiallagern und einem dazwischen angeordneten hydrodynamischen Axiallager gelagert ist.
• Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung der Lagerbauteile und den dadurch erforderlichen Formgebungen ist es mitunter sehr aufwändig oder mit herkömmlichen Fertigungsverfahren überhaupt nicht möglich, entsprechende Oberflächenstrukturen auf die Lagerbauteile, insbesondere das rotierende Bauteil, aufzubringen.
• Die EP 1 246 182 A2 offenbart einen Spindelmotor mit einem Rotor und einem fluiddynamischen Lagersystem, wobei der Rotor aus einer Nabe und einer Welle besteht, wobei die Welle in einer Lagerhülse aufgenommen ist. Der Rotor weist auf ausgewählten Oberflächen angeordnete radiale und/oder axiale hydrodynamische Lagerstrukturen in Form von Vertiefungen und/oder Erhebungen auf, wobei der Rotor und die Lagerstrukturen gemeinsam in einem Arbeitsgang hergestellt sind.
• Die EP 1 280 147 A2 offenbart einen Spindelmotor und insbesondere ein Verfahren zur gemeinsamen Herstellung von Rotor und Lagerstrukturen in einem Arbeitsgang.
• In der DE 817 230 ist eine Dreipunkt-Lagerung in Form eines Mehrflächengleitlagers mit 3-Lobe Struktur offenbart.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Spindelmotor mit einem Rotor und einem fluiddynamischen Lagersystem zu schaffen, der eine kleine Bauart aufweist und dessen Rotor einfach herzustellen und mit Oberflächenstrukturen zu versehen 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.
• Es wird ein Spindelmotor mit einem Rotor und einem fluiddynamischen Lagersystem vorgeschlagen, der auf ausgewählten Oberflächen angeordnete radiale und/oder axiale hydrodynamische Lagerstrukturen in Form von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, wobei der Rotor und die Lagerstrukturen gemeinsam in einem Arbeitsgang hergestellt sind. Dadurch lässt sich der Fertigungsaufwand insbesondere für den Rotor und die am Rotor angeordneten Lagerstrukturen erheblich verringern.
• In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rotor des Spindelmotors eine Welle und eine an einem Ende der Welle angeordnete Nabe. Welle und Nabe können vorzugsweise aus einem Teil bestehen oder aber aus zwei separaten, beispielsweise durch eine Pressverbindung miteinander verbundenen Teilen bestehen.
• Auf der Umfangsfläche der Welle sind radiale Lagerstrukturen angeordnet, die bevorzugt als sogenannte x-Lobe Struktur, mit x = 2, 3, 4, ..., ausgebildet sind und aus einer Anzahl von x asymmetrischen, kreisbogenförmigen bzw. sichelförmigen Abschnitten bestehen, die vorzugsweise jeweils durch eine Anzahl von x axialen Kanälen unterbrochen bzw. voneinander getrennt sind. Aufgrund der axial ausgerichteten Lagerstrukturen ist es somit möglich, die Welle beispielsweise als Strangpressteil auszubilden.
• Die Nabe ist in bekannter Weise becherförmig bzw. glockenförmig ausgebildet und weist einen Bodenbereich und einen hohlzylindrischen Mantelbereich auf, der das freie Ende der Welle umgibt.
• Erfindungsgemäß können auf einer der Welle zugewandten Stirnfläche des Bodenbereichs der Nabe axiale Lagerstrukturen angeordnet sein, wobei diese Stirnfläche der Nabe in bekannter Weise mit einem feststehenden Lagerbauteil gepaart ist und mit diesem mindestens ein Axiallager ausbildet. Die der Stirnfläche der Nabe zugeordneten axialen Lagerstrukturen können beispielsweise spiralrillenförmig ausgebildet sein.
• Der Rotor bestehend aus Welle und Nabe ist vorzugsweise als Sinterteil oder Spritzgussteil ausgebildet. Die damit verbundenen Herstellungsverfahren erlauben es, den Rotor und die Lagerstrukturen gemeinsam in einem Arbeitsgang herzustellen.
• Als Materialien zum Sintern und Spritzgießen eignen sich sowohl Metalle als auch Keramiken. Es können aber auch Kunststoff-Metallmaterialien verwendet werden. Die Vorteile des Sinterns bzw. Spritzgießens sind zum einen die kostengünstige Herstellung und zum anderen die Möglichkeit, die Lagerstrukturen bereits im Sinter- bzw. Spritzgussteil integrieren zu können. Eine Nachbearbeitung und ein nachträgliches Aufbringen von Lagerstrukturen auf die Oberflächen des Rotors entfällt somit.
• Der Spindelmotor kann vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplatten eines Speicherplattenlaufwerks verwendet werden, wobei die Nabe als Träger für die mindestens eine Speicherplatte des Speicherplattenlaufwerks dient.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen 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 Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Welle;
• 2: einen Längsschnitt durch die in 1 dargestellte Welle;
• 3: eine perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Welle;
• 4: eine Sicht auf die Unterseite eines erfindungsgemäßen Rotors als Wellen-Naben-Kombination;
• 5: einen Schnitt durch den in 4 dargestellten Rotor;
• 6: eine perspektivische Ansicht des in 4 dargestellten Rotors;
• 7 einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit erfindungsgemäß ausgebildetem Rotor.
• Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
• In den 1 bis 3 ist eine erste Ausgestaltung einer Welle eines fluiddynamischen Lagersystems dargestellt. Die Welle 1 ist in bekannter Weise in einem feststehenden Lagerbauteil, beispielsweise eine Lagerhülse (nicht dargestellt) drehbar gelagert. Die Welle 1 ist als im wesentlichen zylindrischer Körper ausgebildet, der erfindungsgemäß durch Sintern, Spritzgießen oder Strangpressen hergestellt werden kann. Mögliche Materialien zur Herstellung der Welle 1 sind Metalle, Keramiken und Kunststoff-Metallkomposite.
• Die Welle 1 ist mit Lagerstrukturen als Teil eines hydrodynamischen Radiallagers versehen. Hierzu umfasst die Welle an ihrem Außenumfang eine sogenannte 5-Lobe-Struktur, bestehend aus fünf asymmetrischen, kreisbogenförmigen bzw. sichelförmigen Abschnitten 2, die jeweils durch eine Anzahl von fünf axialen Kanälen 3 voneinander getrennt sind. Bei Drehung der Welle 1 um ihre Rotationsachse 15 wird durch diese Lagerstrukturen 2, 3 in bekannter Weise ein hydrodynamischer Druck im Lagersystem erzeugt. Mit den oben genannten Fertigungsverfahren lassen sich die Welle 1 sowie die zugeordneten Lagerstrukturen 2, 3 kostengünstig und relativ einfach herstellen. Mit ihrem Wellenansatz 4 kann die Welle 1 mit einer Nabe oder anderen rotierenden Teilen eines Spindelmotors verbunden werden.
• Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung ist in den 4 bis 6 dargestellt. Der hier dargestellte Rotor 5 eines Spindelmotors besteht aus einer Welle 6 und einer mit der Welle verbundenen glockenförmigen Nabe 10. Die Welle 6 und die Nabe 10 können sowohl als separate Bauteile als auch als ein einziges Bauteil ausgeführt sein. Bei der einteiligen Ausführung von Welle 6 und Nabe 10 ist eine Herstellung mittels eines Sinterverfahrens bzw. Spritzgussverfahrens vorteilhaft, da insbesondere die Welle 6 aufgrund der besonderen Form der Wellennabenkombination sowie der kleinen Dimensionen nicht mehr mit herkömmlichen Fertigungsverfahren bearbeitet werden kann. Die Welle 6 umfasst in gleicher Weise wie die Welle 1 gemäß den 1 bis 3 eine 5-Lobe-Struktur mit entsprechenden sichelförmigen Abschnitten 7 sowie diese Abschnitte voneinander trennende Kanäle 8. Ferner umfasst die Welle 6 eine Gewindebohrung 9 zur Aufnahme einer Befestigungsschraube, die beispielsweise zur Befestigung der Speicherplatten eines die Welle enthaltenden Speicherplattenlaufwerkes dient.
• Die etwa glockenförmige Nabe 10 umfasst einen scheibenförmigen Bodenbereich 11 sowie einen hohlzylindrischen Mantelbereich 12, wobei der Mantelbereich 12 das freie Ende der Welle 6 zumindest partiell konzentrisch umgibt. An der Nabe 10 kann ferner ein Flansch 14 zur Auflage von Speicherplatten (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Wie bereits oben erläutert, verhindert der Mantelbereich 12 der Nabe 10 ein Bearbeiten der Welle 6 mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren, so dass sich eine Herstellung der Wellennabenkombination durch Sintern oder Spritzgießen anbietet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bodenbereich 11 der Nabe 10 gleichzeitig Teil eines hydrodynamischen Axiallagers, wobei auf der der Welle 6 zugewandten Seite des Bodenbereiches 11 entsprechende spiralförmige hydrodynamische Lagerstrukturen 13 angeordnet sind. Auch diese Lagerstrukturen 13 könnten bei einer herkömmlichen Fertigung der Wellennabenkombination nicht ohne weiteres aufgebracht werden. Erfindungsgemäß werden nun ohne erheblichen Mehraufwand der Rotor 5 und die Lagerstrukturen 13 wie auch die Strukturen 7, 8 gemeinsam und gleichzeitig in einem Arbeitsgang beispielsweise im Sinterverfahren hergestellt. Dies verringert den Fertigungsaufwand für die Wellennabenkombination erheblich.
• 7 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit erfindungsgemäß ausgebildetem Rotor 5. Der Spindelmotor umfasst den Rotor 5, bestehend aus der Nabe 10 und einer einteilig mit dieser ausgebildeten Welle 6. Die Welle 6 ist in einer Lagerhülse 16 aufgenommen, die an ihrem oberen, dem Mantelbereich 12 der Nabe 10 zugewandten Ende einen ausgeprägten Bund 17 aufweist, der sich radial nach außen erstreckt. Die Lagerhülse 16 selbst ist z. B. im Presssitz mit einem Lagergehäuse 18 verbunden, welches im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist und im Bereich des freien Endes der Lagerhülse 16 bzw. Welle 6 verschlossen ist. Das Lagergehäuse 18 wiederum ist in einer Basisplatte 19 gehalten, welche auch die übrigen feststehenden Teile des Spindelmotors trägt. Am Innenumfang der Nabe 10 ist ein Stopperring 20 angeordnet, der im Zwischenraum zwischen dem Bund 17 und der Basisplatte 19 angeordnet ist. Basisplatte 19, Lagergehäuse 18 sowie Lagerhülse 16 bilden den feststehenden Teil des Motors, während der Rotor 5, bestehend aus Rotorglocke 10 und Welle 6, sowie dem Stopperring 20 den drehbaren Teil bilden, der durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 21 vom feststehenden Teil getrennt ist. Die Lagerung erfolgt mittels eines oben beschriebenen hydrodynamischen Lagersystems.
• Das hydrodynamische Lagersystem umfasst im gezeigten Beispiel einen Radiallagerbereich, der zwischen dem Außenumfang der Welle 6 und dem Innenumfang der Lagerbuchse 16 ausgebildet und durch oben beschriebene Oberflächenstrukturen auf der Welle 6 gekennzeichnet ist. Zur Stabilisierung des Lagersystems in axialer Richtung ist ein Axiallagerbereich vorgesehen, der durch die einander gegenüberliegenden Flächen des Bundes 17 und der Nabe gebildet wird.
• Der Spindelmotor umfasst ferner eine Statoranordnung 22, die ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf einen Permanentmagneten 23 wirkt, der am Außenumfang des Rotors 5 befestigt ist. Dadurch wird der Rotor 5 in bekannter Weise in Rotation versetzt. Vorzugsweise ist der Spindelmotor als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet, dessen Kommutierung durch elektronische Mittel gesteuert wird.
• Bezugszeichenliste

1

Welle (Rotor)

2

Sichelförmiger Abschnitt

3

Kanal

4

Wellenansatz

5

Rotor

6

Welle

7

Sichelförmiger Abschnitt

8

Kanal

9

Gewindebohrung

10

Nabe

11

Bodenbereich

12

Mantelbereich

13

Lagerstruktur (Nabe)

14

Flansch

15

Rotationsachse

16

Lagerhülse

17

Bund

18

Lagergehäuse

19

Basisplatte

20

Stopperring

21

Lagerspalt

22

Statoranordnung

23

Permanentmagnet

Claims (10)

1. Spindelmotor mit einem Rotor (5) und einem fluiddynamischen Lagersystem, wobei der Rotor (5) aus einer Nabe (10) und einer Welle (6) besteht, wobei die Welle (6) in einer Lagerhülse (16) aufgenommen ist, wobei der Rotor (5) auf ausgewählten Oberflächen angeordnete radiale und/oder axiale hydrodynamische Lagerstrukturen (2, 3, 7, 8, 13) in Form von Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, und der Rotor (5) und die Lagerstrukturen (2, 3, 7, 8, 13) gemeinsam in einem Arbeitsgang hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse (16) an ihrem oberen, dem Mantelbereich (12) der Nabe (10) zugewandten Ende einen ausgeprägten Bund (17) aufweist, der sich radial nach außen erstreckt, wobei die Lagerhülse (16) mit einem Lagergehäuse (18) verbunden ist, welches im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist und im Bereich des freien Endes der Lagerhülse (16) und der Welle (6) verschlossen ist, wobei das Lagergehäuse (18) in einer Basisplatte (19) gehalten ist, wobei am Innenumfang der Nabe (10) ein Stopperring (20) angeordnet ist, der in einem Zwischenraum zwischen dem Bund (17) und der Basisplatte (19) angeordnet ist, und dass die radialen Lagerstrukturen (2, 3, 7, 8) als x-Lobe Struktur, mit x = 2, 3, 4, ..., ausgebildet sind, die durch x asymmetrische, kreisbogenförmige Abschnitte (2, 7) gebildet werden.
2. Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Lagerstrukturen (2, 3, 7, 8) auf der Umfangsfläche der Welle (6) angeordnet sind.
3. Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (2, 7) jeweils durch x axiale Kanäle (3, 8) unterbrochen werden.
4. Spindelmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (6) und die Nabe (10) aus einem Teil bestehen.
5. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (10) becherförmig ausgebildet ist und einen Bodenbereich (11) und einen hohlzylindrischen Mantelbereich (12) umfasst, der das freie Ende der Welle (6) umgibt.
6. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Welle (6) zugewandten Fläche des Bodenbereichs (11) der Nabe axiale Lagerstrukturen (13) angeordnet sind.
7. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Lagerstrukturen (13) spiralrillenförmig ausgebildet sind.
8. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) ein Sinterteil ist.
9. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) ein Spritzgussteil ist.
10. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (6) als Strangpressteil ausgebildet ist.

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