DE102007008860A1

DE102007008860A1 - Fluiddynamisches Lager mit Druck erzeugenden Oberflächenstrukturen

Info

Publication number: DE102007008860A1
Application number: DE102007008860A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-24
Also published as: US8585290B2; DE102007008860B4; US8920033B2; US20140037233A1; US20080205805A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit Druck erzeugenden Oberflächenstrukturen, welches mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile umfasst, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Oberflächenstrukturen sind auf mindestens einer Lagerfläche angeordnet, die durch einen ersten Rand und einen zweiten Rand begrenzt ist, wobei bei relativer Drehung der Lagerbauteile ein hydrodynamischer Druck innerhalb des Lagerspalts erzeugt wird. Erfindungsgemäß erstrecken sich zumindest Teile der Oberflächenstrukturen vom ersten Rand bis zum zweiten Rand der Lagerfläche.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, insbesondere ein Axiallager, mit Druck erzeugenden Oberflächenstrukturen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lager werden zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken dienen.
Stand der Technik
Fluiddynamische 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 einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Oberflächenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige Oberflächenstrukturen verwendet, die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken ist meist eine Welle drehbar in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse gelagert. Die Welle hat einen Durchmesser von beispielsweise wenigen Millimetern.
Die Oberflächenstrukturen werden bei metallischen Lagerkomponenten beispielsweise durch ECM Prozesse (Electro Chemical Machining) in die Oberflächen eingearbeitet, indem an diesen Stellen Material abgetragen wird, so dass Rillenstrukturen mit einer Tiefe von etwa 10 bis 20 Mikrometern entstehen. Dies entspricht etwa dem 1,5-fachen des Betriebs-Lagerspaltes.
1 zeigt ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Stand der Technik. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung 12 aufweist. In die Bohrung der Lagerbuchse 10 ist eine Welle (nicht dargestellt) eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle verbleibt ein Lagerspalt 16, der zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 umfasst, mittels denen die Welle um eine Rotationsachse 14 drehbar in der Bohrung 12 der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager sind durch Oberflächenstrukturen 20, 24 gekennzeichnet. Der Lagerspalt 16 ist mit einem entsprechenden Lagerfluid gefüllt. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe 26 verbunden, deren untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 28 ausbildet. Hierzu ist eine der Oberflächen des Axiallagers 28 mit Oberflächenstrukturen 34 versehen, die bei Rotation der Welle eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe 26 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 28 tragfähig wird. Zwischen dem äußeren Rand des Axiallager 28 und dem Bereich des unteren Radiallagers 22 kann ein Rezirkulationskanal 32 vorgesehen sein, der die entsprechenden Bereich des Lagerspalts 16 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
Diese Art Axiallager umfassen meist zwei sich gegenüberliegende, meist ringscheibenförmige Lagerflächen, wobei sich die Lagerflächen relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse drehen. Mindestens eine Lagerfläche 30 ist mit Oberflächenstrukturen (grooves) versehen. Gemäß dem Stand der Technik, wie er in den 1 und 1a gezeigt ist, ist dabei nicht die gesamte Lagerfläche 30 mit Oberflächenstrukturen versehen, sondern es verbleiben Zonen, insbesondere am Innendurchmesser der Lagerfläche 30, die frei von Strukturen sind. Aus Symmetriegründen werden sowohl die vertieften Oberflächenstrukturen, als auch die Zwischenräume radial nach innen hin schmaler.
Die Oberflächenstrukturen 20, 24 der Radiallager 18, 22 enden in einem engen Lagerspalt 16, der sogenannten „quiet zone", an welche sich ein Lagerspalt mit vergrößertem Abstand zwischen der Welle und der Lagerbuchse anschließt, dem sogenannten „Separator" 15. Dieser Separator-Bereich 15 des vergrößerten Lagerspaltes befindet sich zwischen beiden Radiallagern 18, 22. Der enge Arbeitsspalt beträgt im Bereich der Radiallager 18, 22 etwa 3 bis 5 Mikrometer. Die rillenförmigen Oberflächenstrukturen 20, 24 weisen bei einem Wellendurchmesser von beispielsweise wenigen Millimetern typischerweise eine Tiefe von etwa 4 bis 8 Mikrometer auf, was etwa dem 1,5-fachen des Radiallagerspalt-Abstandes entspricht. Der sich anschließende Separatorbereich 15 weist einen Spaltabstand von etwa 20 bis 50 Mikrometern auf.
Insbesondere bei Axiallagern können Zentrifugalkräfte, die auf das Lagerfluid wirken, einen negativen Einfluss auf die Lagerfunktion haben. Der Einfluss der Zentrifugalkräfte nimmt mit steigender Drehzahl zu. Bei Spindelmotoren kann es bei Drehzahlen größer als 10.000 U/min durch die Pumpwirkung der Lagerstrukturen zu einer Ansammlung von im Lagerfluid gelöster Luft kommen, insbesondere in den Bereichen der Lagerflächen, auf denen sich keine Oberflächenstrukturen befinden. Dies kann zu einem Ausfall des Lagers führen, da das Lager in Bereichen, in denen sich Luft befindet, nicht mehr trägt und zusätzlich die Luft das Öl aus dem Lager verdrängt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager, insbesondere ein fluiddynamisches Axiallager für einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, anzugeben, das verbesserte Lagereigenschaften insbesondere bei hohen Drehzahlen, also Drehzahlen von mehr als 10.000 U/Min, aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit Druck erzeugenden Oberflächenstrukturen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das fluiddynamische Lagersystem mit Druck erzeugenden Oberflächenstrukturen umfasst mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Oberflächenstrukturen sind auf mindestens einer Lagerfläche angeordnet, die durch einen ersten Rand und einen zweiten Rand begrenzt ist, wobei bei relativer Drehung der Lagerbauteile ein hydrodynamischer Druck innerhalb des Lagerspalts erzeugt wird.
Erfindungsgemäß erstrecken sich zumindest Teile der Oberflächenstrukturen vom ersten Rand bis zum zweiten Rand der Lagerfläche.
Erfindungsgemäß werden also Bereiche ohne Oberflächenstrukturen, insbesondere auf der Lagerfläche des Drucklagers vermieden. Die Lagerstrukturen, in Form einer Rillenstruktur, verlaufen vorzugsweise durchgehend von einem ersten Rand der Lagerfläche bis zu einem zweiten Rand der Lagerfläche. Der Rand der Lagerfläche ist durch einen Übergang, beispielsweise in Form einer Kante oder eines Radius definiert. Bei einer scheibenförmigen Lagerfläche eines Axiallagers werden diese Ränder durch einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser definiert. Die Lagerstrukturen verlaufen dann vorzugsweise durchgehend vom Innendurchmesser zum Außendurchmesser der Lagerfläche. Die Oberflächenstrukturen müssen erfindungsgemäß derart ausgebildet sein, dass der Druck monoton vom Außendurchmesser der Lagerfläche zum Innendruchmesser zunimmt. Dabei können lokale Flächen ohne Oberflächenstrukturen, wie z. B. Rezirkulationskanäle oder ECM Elektroden-Auflageflächen, vorgesehen sein. Sind diese Flächen klein genug, wird das die Lagerfunktion nicht signifikant stören. Die Lagerflächen können entweder ringförmig ausgestaltet sein, beispielsweise bei einem Axiallager, oder auch zylindrische Lagerflächen sein, beispielsweise bei Radiallagern. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Oberflächenstrukturen mit Unterbrechung vom ersten Rand bis zum zweiten Rand der Lagerfläche verlaufen. Die Oberflächenstrukturen können mindestens zwei unterschiedlich ausgebildete Gruppen von Strukturen umfassen, wobei nur die Oberflächenstrukturen einer Gruppe sich durchgehend vom ersten Rand bis zum zweiten Rand der Lagerfläche erstrecken, während die anderen eine unterschiedliche Länge haben und entsprechend kürzer ausgebildet sein können.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert. Daraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager eines Spindelmotors nach dem Stand der Technik;
1a zeigt eine Draufsicht auf die Axiallagerfläche der Lagerbuchse gemäß 1;
2 zeigt einen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager für einen Spindelmotor gemäß der Erfindung;
2a zeigt eine Draufsicht auf die Axiallagerfläche der Lagerbuchse von 2;
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Lagerfläche mit zwei Gruppen von Oberflächenstrukturen;
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Lagerfläche mit zwei Gruppen von Oberflächenstrukturen;
5 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung einer Lagerfläche mit Oberflächenstrukturen;
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Lagerfläche mit zwei Gruppen von Oberflächenstrukturen;
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Lagerfläche mit zwei Gruppen von Oberflächenstrukturen;
8 zeigt die Graphik einer Simulation einer Druckverteilung im Axiallagerspalt bei den Lagern gemäß den 1 und 2;
9 zeigt eine Gesamtansicht eines fluidgelagerten Spindelmotors zum Antrieb von Speicherplatten.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 und 1a wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben und zeigen ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Stand der Technik.
Die 2 und 2a zeigen ein erfindungsgemäßes Lagersystem, welches überwiegend identisch zum Lagersystem gemäß 1 ist. Es sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Welle (nicht dargestellt) ist in einer Bohrung 12 der Lagerbuchse 10 drehbar aufgenommen, wobei die Welle an ihrem aus der Lagerbuchse 10 herausstehenden Ende eine Nabe 26 trägt, deren Unterseite zusammen mit der Stirnseite der Lagerbuchse 10 ein Axiallager 28 ausbildet, während die Welle und die Lagerbuchse 10 zusammen zwei Radiallager 18, 22 ausbilden. Der Lagerspalt 16 erstreckt sich entlang der Welle 10 und den Radiallagern 18, 22 und dann weiter entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und dem Axiallager 28. Am Außendurchmesser des Axiallagers 28 geht der Lagerspalt 16 in einen Spalt 17 mit größerem Spaltabstand über, welcher als Dichtspalt wirkt. Dieser Dichtspalt setzt sich nun über den Außenumfang der Lagerbuchse 10 fort und erweitert sich konisch nach außen in Form einer konischen Kapillardichtung. In dem Bereich des Spaltes 17 mit größerem Spaltabstand endet ein Rezirkulationskanal 32, welcher den radialen Außenbereich des Axiallagers 28 mit der Unterseite der Welle verbindet und somit für einen Druckausgleich sorgt und folglich Unterdruckzonen am unteren Wellenende verhindert.
Das Lager ist am unteren Wellenende mit einer gebogenen Platte (nicht zeichnerisch dargestellt) verschlossen, die in der Aussparung in der Lagerbuchse 10 dem unteren Wellenende gegenüber liegend angeordnet ist. Das untere Wellenende ist ferner mit einem Stopperring (nicht zeichnerisch dargestellt) verbunden, welches ein Herausfalle der Welle aus der Lagerbuchse 10 verhindert.
Im Gegensatz zum Stand der Technik münden die Oberflächenstrukturen 20, 24 der Radiallager 18, 22 nunmehr ohne „quiet zone" direkt im Separatorbereich 15 des vergrößerten Lagerspaltes, der sich zwischen den Radiallagern befindet.
Wie man insbesondere aus 2a erkennt, umfasst die Lagerfläche 30 des Axiallagers 28 Oberflächenstrukturen 134 in Form von Spiralrillen. Diese Spiralrillen erstrecken sich erfindungsgemäß von einem äußeren Rand 36 der Lagerfläche 30 ohne Unterbrechung bis zu einem inneren Rand 38 der Lagerfläche 30, im Gegensatz zu den Oberflächenstrukturen 34 aus 1a, die nur bis zu einem gewissen Abstand vom inneren Rand 38 verlaufen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Oberflächenstrukturen der Radiallager kleiner oder gleich der Anzahl der Oberflächenstrukturen des Axiallagers.
Die durchgehenden Oberflächenstrukturen 134 führen zu einem verbesserten Druckverlauf im Axiallager, wie es in 8 dargestellt ist. 8 zeigt auf der Abszisse die radiale Position, also den Abstand von der Rotationsachse 14 in Millimetern, und auf der Ordinate den dazugehörigen gemittelten Druck im Axiallager in Pascal. Die Rotationsachse des Axiallagers 28 verläuft so, dass sich durch die Oberflächenstrukturen 134 eine Pumpwirkung nach innen in Richtung der Rotationsachse 14 einstellt. Die Kurve 140 zeigt die Druckverteilung in einem Lager gemäß 1. Der Radius des Axiallagers beträgt im gezeigten Beispiel ca. 3,2 mm. Außerhalb des Axiallagers 28, also im Bereich des kapillaren Dichtungsspaltes, herrscht ein Druck P5, der im wesentlichen dem Umgebungsdruck verringert um die Druckdifferenz, die durch die Öl/Luft Grenzfläche entsteht, entspricht. Im äußeren Bereich des Axiallagers 28, dort wo der Lagerspalt verbreitert ist, herrscht Druck P4, der in Richtung des Lagerspaltes kontinuierlich zu einem Druck P3 ansteigt, der nur unwesentlich größer ist als der Druck P5. Ab dem Punkt P3 verringert sich die Breite des Lagerspalts 16 auf „Arbeitsbreite", so dass ab hier der Druck kontinuierlich ansteigt, je weiter man in Richtung der Rotationsachse 14 gelangt.
Am Ende der Lagerstrukturen 34 in 1 und 1b herrscht ein Druck P2, das heißt der von dieser Anordnung maximal zu erreichende Druck von 1,2 × 10⁵ Pa. Da in Richtung des Innendurchmessers, also bis zur Mitte der Lagerfläche 30 weitere Oberflächenstrukturen fehlen, sinkt der Druck aufgrund des Zentrifugaleffekts in diesem Bereich bis zum Punkt P1 sogar leicht ab, wie dies die Kurve 140 dargestellt.
Die Kurve 142 zeigt nun den Druckverlauf des erfindungsgemäßen Axiallagers der 2 und 2a. Der Druckverlauf dieses Lagers entspricht anfangs dem Druckverlauf des Lagers aus 1 bis zum Punkt P2. Beim Lager gemäß 1 war beim Punkt P2 das Ende der Oberflächenstrukturen 34 erreicht. Beim Lager gemäß 2 bzw. 2a setzen sich die Oberflächenstrukturen jedoch von Punkt P2 weiter in Richtung des Zentrums des Lagers fort, so dass der Druck gemäß Kurve 142 ausgehend von P2 weiter ansteigt und erst bei P1 seinen maximalen Wert von ca. 1,7 × 10⁵ Pa erreicht.
Je nach gewünschtem Druckverlauf gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Oberflächenstrukturen auf der Lagerfläche 30 auszubilden. Die 3 bis 7 zeigen einige Beispiele solcher Oberflächenstrukturen, die bevorzugt als spiralförmig verlaufende Rillen ausgebildet sind. Zur Verdeutlichung der Geometrie der Oberflächenstrukturen sind die tiefer liegenden Bereiche (Rillen) der Axiallager in den Zeichnungen punktiert dargestellt.
3 zeigt eine erste Möglichkeit zur Ausgestaltung der Oberflächenstrukturen, wobei zwei Gruppen von Oberflächenstrukturen verwendet werden. Die erste Gruppe von Oberflächenstrukturen 234 verläuft ohne Unterbrechung vom äußeren Durchmesser der Lagerfläche 30 bis zum inneren Durchmesser, während die zweite Gruppe von Oberflächenstrukturen 236 erst ab einem gewissen Abstand vom äußeren Rand 36 der Lagerfläche 30 beginnt und sich bis zum inneren Rand 28 des Axiallagers 28 fortsetzt. Die durch die Oberflächenstrukturen 236 frei gelassenen Flächen dienen als Auflagefläche 238 für Abstandshalter einer ECM Elektrode mit der die Oberflächenstrukturen in die Lagerfläche 30 eingebracht werden. Die Lagerfunktion wird durch diese Freiflächen nur unwesentlich verschlechtert. Vorzugsweise verlaufen diese verkürzten Oberflächenstrukturen 236 bis in den Bereich des Axiallagerspaltes 17 mit vergrößertem Spaltabstand.
4 zeigt eine andere Ausgestaltung von Oberflächenstrukturen auf der Lagerfläche 30 mit einer ersten Gruppe von Oberflächenstrukturen 334, die sich vom Außendurchmesser der Lagerfläche 30 bis zum inneren Durchmesser durchgehend erstrecken, sowie eine zweite Gruppe von Oberflächenstrukturen 336, die vom Außendurchmesser ausgehen und sich nicht ganz bis zum Innendurchmesser der Lagerfläche 30 erstrecken, sondern vorher abbrechen. Auch hier dienen die durch die „verkürzten" Oberflächenstrukturen 336 gebildeten Freiflächen am Innendurchmesser als Auflageflächen 338 für die Abstandshalter einer ECM Elektrode. Hierdurch wird der Druckaufbau im radialen Innenbereich des Axiallagers nur unwesentlich geschwächt.
5 zeigt eine weitere Anordnung von Oberflächenstrukturen. Jeweils zwei benachbarte Oberflächenstrukturen 434, 436 erstrecken sich vom Außendurchmesser der Lagerfläche 30 in Richtung des Innendurchmessers und vereinigen sich jeweils in einem Abstand vom Innendurchmesser zu einer einzigen Struktur mit größerer Breite. Die Paare von Strukturen 434, 436 sind jeweils durch durchgehende Stege 438 voneinander getrennt, die sich vom Außendurchmesser bis zum Innendurchmesser der Lagerfläche 30 erstrecken... Vorzugsweise wird hierbei eine geradzahlige Anzahl von Oberflächenstrukturen 434, 436 verwendet. Der Vorteil bei dieser Ausgestaltung liegt in der geringeren Anfälligkeit der verbreiterten Strukturen gegenüber Fertigungsungenauigkeiten, die beim ECM Verfahren entstehen können.
6 zeigt Oberflächenstrukturen ähnlich wie sie in 3 dargestellt sind. Eine erste Gruppe von Oberflächenstrukturen 536 verläuft vom Außendurchmesser bis zum Innendurchmesser der Lagerfläche 30 und ist in einem Abstand von Außendurchmesser unterbrochen, so dass sich Auflageflächen 538 für eine ECM Elektrode ergeben. Eine zweite Gruppe von Oberflächenstrukturen 534 verläuft ununterbrochen vom Außendurchmesser bis zum Innendurchmesser der Lagerfläche 30. Der einzige Unterschied zu 3 besteht darin, dass die Auflageflächen 538 für die ECM Elektrode nun nicht direkt an den Außendurchmesser der Lagerfläche angrenzen sondern in einem Abstand von diesem angeordnet sind. Vorzugsweise liegen diese Auflageflächen, d. h. die Unterbrechungen der Oberflächenstrukturen 536 im Bereich des erweiterten Axiallagerspaltes 17.
7 zeigt Oberflächenstrukturen mit einer ersten Gruppe von Oberflächenstrukturen 634, die sich vom Außendurchmesser bis zum Innendurchmesser der Lagerfläche 30 erstreckt und zwei Abschnitte aufweist. Zunächst werden die Oberflächenstrukturen in Richtung des Innendurchmessers aus Symmetriegründen schmaler, um dann ab einem bestimmten Lagerdurchmesser in verbreiterte Oberflächenstrukturen 635 überzugehen. Eine zweite Gruppe von Oberflächenstrukturen 636 erstreckt sich vom Außendurchmesser nicht ganz bis zum Innendurchmesser der Lagerfläche 30. Dadurch verbleibt Raum für die verbreiterten Oberflächenstrukturen 635. Somit existieren im radialen Innenbereich der Lagerfläche 30 nur halb so viele Oberflächenstrukturen 635 im Vergleich zum Außenbereich. Vorzugsweise ist die Anzahl der Oberflächenstrukturen 634, 636 im Außenbereich daher geradzahlig.
Je nach Anzahl von kürzeren und/oder verbreiterten Oberflächenstrukturen lässt sich deren Pumpwirkung und damit die Druckzunahme im Lagerfluid zwischen den Punkten P2 und P1 entsprechend steuern.
In der 9 ist ein fluidgelagerter Spindelmotor zum Antrieb von magnetischen Speicherplatten dargestellt. Die Lagerbuchse 10 ist mit einer Basisplatte 45 verbunden und nimmt in einer zentrischen Bohrung 12 eine Welle 11 auf, welche wiederum mit einer Nabe 26 verbunden ist, welche die magnetischen Speicherplatten (nicht zeichnerisch dargestellt) trägt. Die Lagerbuchse 10 umgebend ist ein Stator an der Basisplatte 45 angeordnet, welcher aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket 50 sowie aus entsprechenden Wicklungen 52 besteht. Dieser Stator ist umgeben von einem Rotormagnetring 60, welcher in einem Rückschlussring 62 mit größerem Durchmesser angeordnet ist und an der Rotornabe 26 befestigt ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Die Mitte des Rotormagneten 60 ist oberhalb der Mitte der Statorpole angeordnet, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 45 hin gerichtete Kraft ergibt. Zusätzlich ist ein ferromagnetischer Ring 64 unterhalb des Rotormagnetes 60 an der Basisplatte 45 angeordnet, welcher eine Kraft in dieselbe Richtung bewirkt.
An der Unterseite der Welle 11 ist ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 13 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Das Lager ist an dieser Seite der Lagerbuchse (10) durch eine Abdeckplatte 46 verschlossen.

10: Lagerbuchse
11: Welle
12: Bohrung (Lagerbuchse)
13: Stopperring
14: Rotationsachse
15: Separator
16: Lagerspalt
17: Lagerspalt mit erweitertem Abstand
18: Radiallager
20: Oberflächenstrukturen
22: Radiallager
24: Oberflächenstrukturen
26: Nabe
28: Axiallager
30: Lagerfläche
32: Rezirkulationskanal
34: Oberflächenstrukturen
36: Rand (erster)
38: Rand (zweiter)
40: Kapillardichtung
45: Basisplatte
46: Abdeckplatte
50: Statorblechpaket
52: Wicklung
60: Rotormagnetring
62: Rückschlussring
64: ferromagnetischer Ring
134: Oberflächenstrukturen
140: Druckverteilungskurve (St. d. T.)
142: Druckverteilungskurve (Erfindung)
234: Oberflächenstrukturen
236: Oberflächenstrukturen
238: Auflagefläche
334: Oberflächenstrukturen
336: Oberflächenstrukturen
338: Auflagefläche
434: Oberflächenstrukturen
436: Oberflächenstrukturen
438: Steg
534: Oberflächenstrukturen
536: Oberflächenstrukturen
538: Auflagefläche
634: Oberflächenstrukturen
635: Oberflächenstrukturen
636: Oberflächenstrukturen

Claims

Fluiddynamisches Lager mit Druck erzeugenden Oberflächenstrukturen, mit mindestens zwei um eine Rotationsachse (14) relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen (10; 26), die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (16) ausbilden, wobei die Oberflächenstrukturen (20, 24; 134; 234; 334; 434; 534; 634) auf mindestens einer Lagerfläche (30) angeordnet sind, die durch einen ersten Rand (36) und einen zweiten Rand (38) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der Oberflächenstrukturen (20, 24; 134; 234; 334; 434, 436; 534; 634, 635) sich vom ersten Rand (36) bis zum zweiten Rand (38) der Lagerfläche (30) erstrecken.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberflächenstrukturen (134; 234; 334; 434, 436; 534; 634) durchgehend vom ersten Rand bis zum zweiten Rand der Lagerfläche erstrecken.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberflächenstrukturen (20, 24; 536; 636) mit Unterbrechung vom ersten Rand bis zum zweiten Rand der Lagerfläche erstrecken.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Rand (36, 38) durch eine Kante oder einem Radius definiert sind.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (30) ringförmig ausgestaltet ist.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rand (36) einem ersten Durchmesser der Lagerfläche (30) entspricht.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rand (36) dem Außendurchmesser der Lagerbuchse (10) entspricht.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Lagerbuchse (10) in eine Kapillardichtung (40) mit sich konisch erweiterndem Spalt mündet.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rand (38) einem zweiten Durchmesser der Lagerfläche (30) entspricht.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rand (38) dem Außenrand der Bohrung (12) in der Lagerbuchse (10) zur Aufnahme der Welle entspricht.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche zylindrisch ausgestaltet ist.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (134; 234; 334; 434, 436; 534, 536; 634, 635, 636) als spiralrillenförmige Oberflächenstrukturen ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen mindestens zwei unterschiedlich ausgebildete Gruppen von Oberflächenstrukturen (234; 334; 534; 634) und (236; 336; 536; 636) umfassen, wobei nur die Oberflächenstrukturen (234; 334; 534; 634) einer Gruppe sich durchgehend vom ersten Rand bis zum zweiten Rand der Lagerfläche erstrecken
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (234; 334; 534; 634) und (236; 336; 536; 636) der einzelnen Gruppen unterschiedlich lang ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich benachbarte Oberflächenstrukturen (434, 436) über einen Teil ihrer Länge miteinander vereinigen und eine gemeinsame Oberflächenstruktur bilden.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen der ersten Gruppe in Richtung eines Randes der Lagerfläche derart verbreitert sind, dass sie den Raum bis zur fehlenden nächsten Oberflächenstruktur einnehmen.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Axiallager oder ein Radiallager ist.
Fluiddynamisches Lager nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Oberflächenstrukturen (20, 24) der Radiallager (18, 22) in einem Lagerspalt mit vergrößertem Spaltabstand münden.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß den Ansprüchen 1 bis 18.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 19.