DE102006005602B4

DE102006005602B4 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102006005602B4
Application number: DE102006005602A
Authority: DE
Inventors: Olaf Winterhalter
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2010-12-23
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: DE102006005602A1; US20070183700A1

Abstract

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einer Welle (1; 101), die in einer Lagerbuchse (2; 102) aus Kunststoff aufgenommen und relativ zu dieser drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang der Lagerbuchse (2; 113) ein elastisches Element (4; 115) angeordnet ist, mittels welchem die Lagerbuchse in einer metallischen Hülse (3) oder Nabe (114) des Spindelmotors gehalten ist und welches die thermische Ausdehnung des Kunststoffmaterials der Lagerbuchse gegenüber diesen metallischen Bauteilen kompensiert, wobei das elastische Element (4; 115) aus punktförmigen Stützelementen besteht, die zwischen der Außenoberfläche der Lagerbuchse (2; 113) und der Innenoberfläche der Hülse (3) oder Nabe (114) angeordnet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, z. B. für den Antrieb von Festplattenlaufwerken.
Stand der Technik
Spindelmotoren bestehen im wesentlichen aus einem Stator, einem Rotor und mindestens einem zwischen beiden angeordneten Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert. Als Lagersystem werden häufig fluiddynamische Lager verwendet.
Die DE 202 18 821 U1 offenbart ein typisches fluiddynamisches Lagersystem für Spindelmotoren, welches eine Lagerbuchse und eine Welle umfasst, die in einer axialen Bohrung der Lagerbuchse angeordnet ist. Die Welle rotiert frei in der Lagerbuchse, wobei die beiden Teile zusammen ein Radiallager bilden, dessen Lageroberflächen durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet sind.
Eine axiale Verschiebung der Welle entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Drucklager verhindert. Derartige Drucklager werden häufig durch die beiden Stirnflächen einer an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, die jeweils einer entsprechenden Stirnfläche der Lagerbuchse und einer innenliegenden Stirnfläche einer Abdeckplatte zugeordnet ist. Die Abdeckplatte bildet ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt das gesamte Lagersystem nach unten.
In der Regel bestehen die Bauteile des Lagersystems aus Stahl, Aluminium oder gesinterten Metallen und werden durch Verpressen, Schweißen oder Kleben miteinander verbunden. Die Kosten für Material und Montage sind daher relativ hoch.
Zur Verringerung der Herstellkosten ist es aus den Schriften US 4 652 149 , US 6 033 118 und US 2003/0020346 A1 bekannt, fluiddynamische Lagersysteme mit Lagerbuchsen aus Kunststoff zu versehen. Es sind jedoch keine Maßnahmen getroffen oder erwähnt, um die ungünstige thermische Ausdehnung des Kunststoffes zu kompensieren.
US 5 930 071 offenbart ein Wälzlagersystem für einen Motor, bei dem die Wälzlager zur Dämpfung von Vibrationen mit einer Kunststoffschicht umgeben sind.
Die DE 100 19 619 A1 offenbart einen kugelgelagerten Spindelmotor, bei dem das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der Lagerkomponenten durch an den Kugellagerringen anliegende Ausgleichselemente ausgeglichen wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem für den Einsatz in einem Spindelmotor anzugeben, das eine Lagerbuchse aus Kunststoff umfasst und daher erheblich kostengünstiger aufgebaut und montiert werden kann, und bei welchem die ungünstige Temperaturausdehnung des Kunststoffteils zumindest teilweise kompensiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie andere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das fluiddynamische Lagersystem gemäß der Erfindung umfasst eine Welle, die in einer Lagerbuchse aus Kunststoff aufgenommen und relativ zu dieser drehbar gelagert ist. Erfindungsgemäß ist am Außenumfang der Lagerbuchse ein elastisches Element angeordnet, mittels welchem die Lagerbuchse in einer metallischen Hülse oder Nabe des Spindelmotors gehalten ist und welches die thermische Ausdehnung des Kunststoffmaterials der Lagerbuchse gegenüber diesen metallischen Bauteilen kompensiert, wobei das elastische Element aus punktförmigen Stützelementen bestehen, die zwischen der Außenoberfläche der Lagerbuchse und der Innenoberfläche der Hülse oder Nabe angeordnet sind.
Beim Einsatz des Lagersystems in einem Spindelmotor wird die Lagerbuchse als feststehender Lagerbestandteil in bekannter Weise in einer Basisplatte montiert. Verwendet man erfindungsgemäß eine aus Kunststoff gefertigte Lagerbuchse, muss man den im Vergleich zu Stahl relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff berücksichtigen. Würde man die Lagerbuchse unmittelbar und in herkömmlicher Weise mit der Basisplatte verbinden, so würden bei Temperaturschwankungen erhebliche Spannungen im Verbindungsbereich auftreten, die zu einer Verformung der Lagerbuchse führen würden. Dieser Tatsache wird erfindungsgemäß dadurch entgegengewirkt, dass am Außenumfang der Lagerbuchse ein elastisches Element angeordnet wird, mittels dem die Lagerbuchse in der Basisplatte oder einer in der Basisplatte befestigten Hülse gehalten ist. Das elastische Element kompensiert die thermische Ausdehnung des Kunststoffmaterials der Lagerbuchse. Als elastisches Material können beispielsweise Gummi oder ähnliche elastische Materialien verwendet werden. Gleichzeitig hat das elastische Material den zusätzlichen Effekt, dass Schwingungen des Lagers gedämpft werden und dadurch nur in reduziertem Maße auf die Basisplatte übertragen werden.
Die oben beschriebene Ausgestaltung der Erfindung wird angewendet bei Lagersystemen, in denen die Lagerbuchse den feststehenden Lagerbestandteil und die Welle den rotierenden Lagerbestandteil darstellt.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung eignet sich für eine feststehende Welle und eine um die Welle rotierende Lagerbuchse. Bei dieser Ausführungsform rotiert die Lagerbuchse zusammen mit der Nabe des Spindelmotors um die feststehende Welle, wobei die Lagerbuchse aus einem Kunststoffteil hergestellt ist.
Die Lagerbuchse kann beispielsweise in einem Spritzgussvorgang hergestellt werden, wobei in demselben Herstellungsschritt auf die entsprechenden Lagerflächen der Lagerbuchse Lagerstrukturen eingebracht werden können. Dadurch werden zusätzliche Kosten zum Aufbringen von Lagerstrukturen auf die zugeordneten Lagerteile, beispielsweise die Welle, vermieden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems mit feststehender Lagerbuchse.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems mit feststehender Welle
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Der Spindelmotor nach 1, der beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet werden kann, umfasst eine Lagerbuchse 2 in einer Hülse 3 angeordnet und ist zusammen mit dieser in einer Ausnehmung der Basisplatte 9 gehalten. Die Lagerbuchse 2 weist eine axiale zylindrische Bohrung auf, in welcher eine Welle 1 drehbar aufgenommen ist. Das freie Ende der Welle 1 trägt eine Nabe 5, auf der eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt werden können. An dem inneren, unteren Rand der Nabe 5 ist ein von einem Joch 7 umgebener, ringförmiger Permanentmagnet 8 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, die von der über einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 6 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden, so dass die Nabe 5 zusammen mit der Welle 1 in Drehung versetzt wird. Die Welle 1 bildet zusammen mit der Lagerbuchse 2 und einer an einem Ende der Welle 1 angeordneten Druckplatte 10 ein fluiddynamisches Lagersystem mit Radiallager- und Axiallagerflächen, die durch einen Lagerspalt 12 voneinander getrennt sind. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines solchen fluiddynamischen Lagersystems sind einem Fachmann bekannt und soll hier nicht näher beschrieben werden. Die Lageranordnung wird nach unten, d. h. im Bereich der Druckplatte 10, durch eine Abdeckplatte 11 verschlossen.
Erfindungsgemäß besteht die Lagerbuchse 2 aus Kunststoff und ist kostengünstig beispielsweise im Spritzgussverfahren herstellbar. Um die Temperaturausdehnung eines solchen Kunststoffkörpers zu kompensieren ist vorgesehen, die Lagerbuchse 2 beispielsweise mit einem elastischen Element 4 zu umhüllen und in einer Hülse 3 anzuordnen, welche in der Basisplatte 9 montiert ist. Eine Temperaturausdehnung der Lagerbuchse 2 wird durch die elastische Umhüllung 4 aufgefangen und kompensiert, so dass sich die Lagerbuchse nicht verformt und keine Spannungen zwischen der Lagerbuchse 2 und der Hülse 3 beziehungsweise der Basisplatte 9 entstehen. Die übrigen Lagerbauteile wie beispielsweise Welle 1, Druckplatte 10 und Abdeckplatte 11 können in bekannter Weise aus Metall oder Metalllegierungen bestehen; sie können aber auch ganz oder teilweise aus Kunststoff gefertigt sein.
2 zeigt einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, welcher eine feststehende Welle 101 aufweist, die in einer Ausnehmung der Basisplatte 109 gehalten ist. Das bewegliche Bauteil des Lagersystems bzw. des Spindelmotors wird durch eine Lagerbuchse 113 und eine daran befestigte Nabe 114 gebildet. Die Lagerbuchse 113 weist eine konzentrische Bohrung auf, in welcher die Welle 101 aufgenommen ist. Die Lagerbuchse 113 ist drehbar auf der Welle 101 gelagert. Auf der Nabe 114 können mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt werden. An dem inneren, unteren Rand der Nabe 114 ist ein von einem Joch 107 umgebener, ringförmiger Permanentmagnet 108 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, die von der über einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 106 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden, so dass die Nabe 114 und die Lagerbuchse 113 in Drehung versetzt werden. Die Welle 101 bildet zusammen mit der Nabe 114 und der Lagerbuchse 113 und einer an einem Ende der Welle 101 angeordneten Druckplatte 110 ein fluiddynamisches Lagersystem mit Radiallager- und Axiallagerflächen, die durch einen Lagerspalt 112 von einander getrennt sind. Die Lageranordnung wird nach oben, das heißt im Bereich der Druckplatte 110, durch eine Abdeckplatte 111 verschlossen, die in einer Aussparung der Nabe 114 angeordnet ist.
Die Nabe 114 und die Lagerbuchse 113 bestehen aus zwei separaten Teilen, die erst bei der Montage zusammengefügt werden, wobei die Lagerbuchse 113 erfindungsgemäß aus einem Kunststoff besteht und die Nabe 114 zum Beispiel aus Metall oder auch Kunststoff gefertigt sein kann. Um die Temperaturausdehnung des Kunststoffes der Lagerbuchse 113 zu kompensieren, ist diese wiederum von einem elastischen Element 115 umgeben und in einer konzentrischen Bohrung der Nabe 114 angeordnet. Eine Temperaturausdehnung der Lagerbuchse 113 wird durch die elastische Umhüllung 115 aufgefangen und kompensiert, so dass sich die Lagerbuchse 113 nicht verformt und keine Spannungen zwischen der Lagerbuchse 113 und der Nabe 114 entstehen.

1: Welle
2: Lagerbuchse
3: Hülse
4: elastisches Element
5: Nabe
6: Statoranordnung
7: Joch
8: Magnet
9: Basisplatte
10: Druckplatte
11: Abdeckplatte
12: Lagerspalt
101: Welle
106: Statoranordnung
107: Joch
108: Magnet
109: Basisplatte
110: Druckplatte
111: Abdeckplatte
112: Lagerspalt
113: Lagerbuchse
114: Nabe
115: elastisches Element

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einer Welle (1; 101), die in einer Lagerbuchse (2; 102) aus Kunststoff aufgenommen und relativ zu dieser drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang der Lagerbuchse (2; 113) ein elastisches Element (4; 115) angeordnet ist, mittels welchem die Lagerbuchse in einer metallischen Hülse (3) oder Nabe (114) des Spindelmotors gehalten ist und welches die thermische Ausdehnung des Kunststoffmaterials der Lagerbuchse gegenüber diesen metallischen Bauteilen kompensiert, wobei das elastische Element (4; 115) aus punktförmigen Stützelementen besteht, die zwischen der Außenoberfläche der Lagerbuchse (2; 113) und der Innenoberfläche der Hülse (3) oder Nabe (114) angeordnet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Lagerfläche der Lagerbuchse (2; 113) Lagerstrukturen eingebracht sind.