DE102007017644B4

DE102007017644B4 - Hybridlager

Info

Publication number: DE102007017644B4
Application number: DE102007017644.0A
Authority: DE
Inventors: Andrey Pulnikov; Vladimir V. Popov; Igor Ross
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2027-04-14
Also published as: DE102007017644A8; DE102007017644A1

Abstract

Hybridlager zur Lagerung eines drehbaren Teils (18) relativ zu einem feststehenden Teil (20), wobeidas Hybridlager ein Radiallager und ein Axiallager, das in axialer Richtung magnetisch vorgespannt ist, umfasst undeine Welle (14) in einer Lagerhülse (12) aufgenommen ist und zwischen der Lagerhülse (12) und dem Umfang der Welle (14) ein Lagerspalt (24) vorgesehen ist, wobei der Lagerspalt (24) in dem Bereich des Stirnendes der Welle (14), das von der Lagerhülse (12) umschlossen ist, eine vorgegebene Breite hat und mit einem Fluid (48, 62) gefüllt ist, um einen Dämpfer-Arbeitsspalt (34) zu bilden, welcher der axialen Vorspannung entgegenwirkt und das Lager in axialer Richtung stabilisiert,dadurch gekennzeichnet, dassder Dämpfer-Arbeitsspalt (34) sich über eine vorgegebene Strecke um den Umfang der Welle (14) erstreckt und einen verengten Bereich (34D) mit einer Breite (δ) hat, die geringer ist als die Breite eines Umströmungsabschnitts (34C) des Dämpfer-Arbeitsspaltes (34), wobeider verengte Bereich (34D) des Dämpfer-Arbeitsspalts (34) in eine konische Erweiterung übergeht, die in den Lagerspalt (24) übergeht, um eine Kapillardichtung (32, 38, 38', 40, 40', 60) zu bilden, um das Fluid (48, 62) in dem Dämpfer-Arbeitsspalt (34) zu halten; und dassin dem Bereich des Stirnendes der Welle (14) ein Fluidreservoir (52, 58) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridlager, eine elektrische Maschine und ein Festplattenlaufwerk zur Lagerung eines drehbaren Teils relativ zu einem feststehenden Teil, wobei das Lager ein magnetisch vorgespanntes Axiallager und ein Radiallager umfaßt.
Die US 5,783,886 A beschreibt einen Spindelmotor, dessen Lager mit mehreren Permanentmagneten aufgebaut ist, die auf den Außenumfang einer rotierenden Welle aufgebracht und in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind, wobei diesen Permanentmagneten mehrere zweite Permanentmagnete gegenüberliegen, die auf den Innenumfang einer zylindrischen Nabe aufgebracht sind und in gleicher Weise in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind. Die zweiten Permanentmagnete umgeben die ersten Permanentmagnete koaxial und sind zu diesen in radialer Richtung ausgerichtet.
Die beiden Permanentmagnetsätze halten die Welle relativ zu der Hülse in einem magnetischen Schwebezustand. Zur Stabilisierung des Lagers in axialer Richtung sind axiale Drucklager vorgesehen. Eine ähnliche Anordnung ist in der US 20030117031 A1 beschrieben.
Die Anwendung, Theorie und Berechnung von Magnetlagern wurde in der Literatur umfangreich abgehandelt. Es besteht kein Zweifel, daß Magnetlager insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung der Lagerreibung nützlich sind. Das Hauptproblem passiver Magnetlager ist die Notwendigkeit von Stabilisierungssystemen für wenigstens einen Freiheitsgrad, weil Magnete gemäß der Theorie nicht in der Lage sind, ein Lager in einem stabilen Gleichgewicht zu halten. Es ist somit nicht möglich, nur mit Dauermagneten stabile Lager zu erstellen. Für die sogenannte magnetische Levitation (Schwebezustand) benötigt man daher zusätzliche Stabilisierungssysteme. Im Stand der Technik wurden hierfür zahlreiche Lösungen vorgeschlagen.
Die US 5,495,221 A beschreibt ein magnetisches Lagersystem, in dem Magnetelemente einen Rotor in einem dynamischen Gleichgewicht halten. Daher werden zusätzliche mechanische Stabilisatoren vorgesehen, die unterhalb einer kritischen Geschwindigkeit zum Einsatz kommen. Ein ähnliches System ist in der US 5,847,480 beschrieben, gemäß der ein passives Magnetlager durch Verwendung von Magnetanordnungen und induktiven Schaltkreisen stabilisiert wird.
Die US 5,541,460 A beschreibt einen Spindelmotor mit passivem magnetischem Radiallager sowie einem Axiallager, das als ein Spurkuppenlager oder Kugellager realisiert sein kann. Das passive magnetische Radiallager erzeugt eine Anziehungskraft in axialer Richtung, und das Spurkuppenlager stabilisiert die Anordnung derart, daß ein auch in radialer Richtung stabiles Lagersystem gebildet wird. Ein ähnlicher Stand der Technik ist auch in der US 5,578,882 A und in der US 5,619,083 A beschrieben. In diesen Schriften wirkt das Magnetlager derart, daß eine rotierende Nabe gegen ein stationäres Teil angezogen wird. Auf der gegenüberliegenden Seite der Welle ist diese durch ein axiales Drucklager stabilisiert. Die rotierenden Teile tragen daher nicht zum Schwebezustand des Lagers bei.
Die US 6,307,293 B1 beschreibt ein hydrodynamisches Lager, in dem Permanentmagnete eine Hilfskraft erzeugen, um einen Ausgleich des hydrodynamischen axialen Drucks zwischen der Rotornabe und dem Statorgehäuse vorzusehen.
R.F. Post beschreibt in „Stability Issues in Ambient-Temperature Passive Magnetic Bearing Systems“, Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-ID-137632, 17. Februar 2000, magnetische Lagersysteme, die spezielle Kombinationen von Schwebe (Levitation)- und Stabilisierungselementen verwenden. Post nennt drei Hauptkomponenten, die kumulativ notwendig sind, um ein Lager zu schaffen, das das Earnshaw-Theorem erfüllt. Die erste Komponente besteht aus einem Ringmagnetpaar, von dem ein Magnetring stationär und der andere drehend ist, zur Erzeugung der Schwebekräfte (Levitation). Ein weiteres Element, das der Stabilisierung dient, wird von Post als „Halbach-Stabilisator“ bezeichnet. Es verwendet einzelne Permanentmagnete, die gemäß einer Halbach-Magnetfeldverteilung angeordnet sind und zugeordneten Leitern gegenüberliegen. Das dritte Element ist ein mechanisches Lagersystem, das bei niedrigen Drehzahlen zum Einsatz kommt, bei hohen Drehzahlen jedoch möglichst ausgekoppelt werden sollte. Post erörtert ferner die Verwendung von Dämpfungssystemen auf der Basis von Wirbelströmen. Das von Post vorgestellte System erscheint relativ aufwendig und eignet sich nicht zur Anwendung in elektrischen Maschinen, welche in die Massenproduktion gehen, insbesondere nicht für Spindelmotoren zur Anwendung beispielsweise in Miniatur-Festplattenlaufwerken (Mini-Disk-Drives) mit einen Formfaktor von 2,5 Inch, 1,8 Inch oder kleiner.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist im Bereich von Spindelmotoren und anderen kleinbauenden Permanentmagnetmotoren, die zum Beispiel in Festplattenlaufwerken mit einem Plattendurchmesser von 2,5 Inch, 1,8 Inch oder darunter eingesetzt werden. Vorzugsweise kommen hier bürstenlose, elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz. Bei Spindelmotoren der in Rede stehenden Bauart ist die Motorwelle mit einer Nabe gekoppelt, die zum Aufnehmen von einer oder mehreren Festplatten dient. Ein Rotormagnet ist mit der Nabe verbunden und koaxial zu einem Stator angeordnet. Die Erfindung ist aber auch auf andere Maschinen anwendbar und soll grundsätzlich eine Lagereinheit schaffen, die universell einsetzbar ist. Das Hybridlager der Erfindung soll auch außerhalb eines Motors zur Lagerung von beliebigen angetriebenen Wellen verwendbar sein, z. B. als Ersatz für ein Kugellager.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Hybridlager anzugeben, das sowohl beim Anlauf als auch im stabilen Betrieb mit minimaler Reibung arbeitet und einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Hybridlager mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Das Hybridlager gemäß der Erfindung umfaßt ein Radiallager und ein Axiallager, das in axialer Richtung magnetisch vorgespannt ist. Eine Welle ist in einer Lagerhülse aufgenommen, und zwischen der Lagerhülse und dem Umfang der Welle ist ein Lagerspalt vorgesehen. Erfindungsgemäß hat der Lagerspalt an dem Stirnende der Welle, das von der Lagerhülse umschlossen ist, eine vorgegebene Breite und ist mit einem Fluid gefüllt, um eine Fluid-Dämpfeinrichtung zu bilden, die das Lager in axialer Richtung stabilisiert.
Vorzugsweise wird hierbei ein verengter Dämpfer-Arbeitsspalt gebildet, der sich über eine vorgegebene Strecke von dem Stirnende der Welle in axialer Richtung entlang des Umfangs der Welle erstreckt und in einer Kapillardichtung mündet, um das Fluid in dem Dämpfer-Arbeitsspalt zu halten. Die Breite des Dämpfer-Arbeitsspaltes wird so bemessen, daß das Fluid in dem Dämpfer-Arbeitsspalt aufgrund seiner Oberflächenspannung und der durch das Fluid erzeugten Auftriebskraft der axialen Vorspannung des Lagers sowie gegebenenfalls der Schwerkraft entgegenwirkt. Wie mit Bezug auf die Figuren noch im einzelnen erläutert wird, wird die Breite des Dämpfer-Arbeitsspaltes als Funktion der Abmessung der Lagerkomponenten, der Viskosität des Fluids und der auszugleichenden axialen Kraft berechnet.
Die Erfindung sieht somit ein Hybridlager vor, das in axialer Richtung durch einen Fluiddämpfer stabilisiert ist. Das Lager weist ein Radiallager und ein Axiallager auf, wobei die Ausbildung des Radiallagers für die Erfindung nicht entscheidend ist. Das Axiallager wird grundsätzlich durch den Fluiddämpfer gebildet. Wesentlich ist dabei, daß das Axiallager in axialer Richtung vorgespannt ist und zwar vorzugsweise in Richtung des Fluiddämpfers. Diese Vorspannung erfolgt vorzugsweise mittels Magnetkräften. Die Vorspannung kann beispielsweise durch die Motormagnete, durch einen zusätzlichen Hilfsmagnet oder auf andere Weise erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Stabilisierung des Lagers in axialer Richtung durch die Fluid-Dämpfereinrichtung eignet sich besonders für passive Magnetlagersysteme, die wie oben erörtert inhärent instabil sind. Mit der erfindungsgemäßen Fluid-Dämpfereinrichtung können in solchen magnetischen Lagersystemen die Reibungskräfte niedrig gehalten werden.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Fluid-Dämpfereinrichtung gebildet durch eine Welle mit einer Durchmessererweiterung oder einer Scheibe größeren Durchmessers an ihrem Stirnende, die von der Lagerhülse eng umschlossen wird. In dem dadurch gebildeten engen Dämpfer-Arbeitsspalt ist ein Fluid mit einer geeigneten Viskosität, wie Öl, vorgesehen, das zwischen der rotierenden Welle und der stationären Lagerhülse aufgrund der Oberflächenspannungskräfte des Lagerfluids und der Auftriebskraft die Stabilisierungskräfte erzeugt.
Zusätzlich kann erfindungsgemäß auf der Stirnseite der Welle bzw. auf der unteren oder oberen Stirnseite der Scheibe, die auf dem Stirnende der Welle sitzt, eine Rillenstruktur zur Ausbildung einer axialen Drucklagerkomponente vorgesehen sein.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Fluid-Dämpfereinrichtung in Verbindung mit einem passiven Magnetlager eingesetzt, wobei das Magnetlager magnetische Elemente aufweist, die dem Rotor bzw. dem Stator zugeordnet und ringförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind, so daß sie einander in radialer Richtung gegenüberliegen. Dieses Magnetlager ist so ausgebildet, daß es in der radialen Richtung einen stabilen Schwebezustand des Rotors aufrechterhält, unabhängig von der Orientierung der Welle. Dieses magnetische Lagersystem ist jedoch in der axialen Richtung nicht stabil. Die Fluid-Dämpfereinrichtung gemäß der Erfindung schafft die notwendige Stabilisierung in der axialen Richtung, wobei das Lager, wie oben erwähnt, vorzugsweise in Richtung der Fluid-Dämpfereinrichtung magnetisch vorgespannt ist.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In diesen Figuren zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
2 und 3 schematische Darstellungen der Fluid-Dämpfereinrichtung des Lagers zur Erläuterung der Abmessungsverhältnisse;
4 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Teil einer elektrischen Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
5 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Teil einer elektrischen Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
6 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Teil einer elektrischen Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
7 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Teil einer elektrischen Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
8 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Teil einer elektrischen Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
9 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Teil einer elektrischen Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
10 und 11 schematisch geschnittene Teilansichten der Fluid-Dämpfereinrichtung für das Hybridlager gemäß weiteren alternativen Ausführungen der Erfindung;
12 eine schematische Schnittdarstellung durch die Fluid-Dämpfereinrichtung des Hyridlagers gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
13 eine schematische Schnittdarstellung durch die Fluid-Dämpfereinrichtung des Hybridlagers gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
14 eine schematische Schnittdarstellung durch die Fluid-Dämpfereinrichtung des Hybridlagers gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung; und
15 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Fluid-Dämpfereinrichtung eines Hybridlagers gemäß noch einer weiteren Ausführung der Erfindung, wobei in 15 zwei Varianten dieser Ausführung dargestellt sind.

1 zeigt eine schematische, geschnittene Teilansicht einer elektrischen Maschine mit einem Hybridlager gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. In der bevorzugten Ausführung ist die Maschine als ein Spindelmotor, insbesondere als ein Permanentmagnetmotor ausgebildet. Die Maschine umfaßt eine Grundplatte 10, in der eine Lagerhülse 12 gehalten ist. Die Lagerhülse 12 nimmt eine Welle 14 auf, die mit einer Nabe 16 verbunden ist. In der Ausführung der 1 hat die Welle 14 eine Zentralbohrung und bildet einen integralen Bestandteil der Nabe. Die Nabe 16 trägt einen Rotormagneten 18, der koaxial zu einem Stator 20 angeordnet ist.
Das Stirnende der Welle 14, das von der Lagerhülse 12 umschlossen ist, ist mit einem Druckring 22 verbunden. Anstelle eines separaten Druckrings 22 könnte die Welle 14 an ihrem Stirnende auch eine entsprechende einstückige Durchmessererweiterung aufweisen. Die Lagerhülse 12 ist an dem Stirnende 14, an dem sich der Druckring 22 befindet, geschlossen. Zwischen der Lagerhülse 12 und der Welle 14 ist ein Lagerspalt 24 gebildet, der mit einem Fluid, insbesondere einem Öl, gefüllt ist. Die Lagerhülse 12 und die Nabe 16 können aus einem magnetischen oder nicht-magnetischem Material hergestellt werden. Die Nabe 16 ist in der gezeigten Ausführung so gestaltet, daß sie eine oder mehrere Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks aufnehmen kann.
In der in 1 gezeigten Ausführung wird die Welle 14 in der Lagerhülse 12 über ein passives Magnetlager 26 gelagert, das einen stabilen Schwebezustand des Rotors 18 in der radialen Richtung bewirkt, in der axialen Richtung jedoch nicht stabil ist. Das Magnetlager 26 umfaßt zwei gegenüberliegende Permanentmagnetringe 28, 30, die in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind und eine Polwechsel-Anordnung bilden. Die einfachste Form einer solchen Polwechsel-Magnetisierung ist die Verwendung von zwei aneinander angrenzenden Ringmagneten, die in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind, wie in 1 gezeigt. Alternativ kann die Polwechsel-Anordnung durch eine entsprechende Magnetisierung nur eines Ringmagneten mit wenigstens einem Polwechsel in axialer Richtung erzielt werden. Die Magnetisierung kann beispielsweise mit einer bifilar gewickelten Magnetisierspule erfolgen. In der Ausführung der 1 umfaßt die Polwechsel-Anordnung somit zwei in axialer Richtung gegensinnig magnetisierte Permanentmagnete 28, 30, die den Rotor 18 und die Nabe 16 relativ zu der Lagerhülse 12 und der Grundplatte 10 in einem Schwebezustand halten, wobei dieser Zustand in axialer Richtung nicht stabil ist. Tatsächlich sollte das Magnetlager 26 so eingestellt werden, daß sich, auch unter Berücksichtigung des Einflusses der Rotormagnete 18, eine axiale Vorspannung ergibt, welche durch die erfindungsgemäße Fluid-Dämpfereinrichtung ausgeglichen wird.
Die erfindungsgemäße Fluid-Dämpfereinrichtung wird durch das Zusammenwirken der Welle 14, des Druckrings 22 und des Lagerspaltes 24 gebildet. Das Fluid, insbesondere Öl, wird durch kapillare Kräfte in dem Lagerspalt 24 gehalten. Hierzu werden spezielle Anordnungen 32 vorgesehen, die hier als Kapillardichtung bezeichnet sind, ähnlich wie bei einer Dichtung für ein herkömmliches fluiddynamisches Lager. Diese Kapillardichtungen 32 können einmal oder mehrmals zwischen der Lagerhülse 12 und der Welle 14 vorgesehen werden.
Erfindungsgemäß wird der Lagerspalt 24 so bemessen, daß das darin enthaltene Fluid aufgrund der Oberflächenspannung und des Auftriebs eine Kraft erzeugt, die der Gewichtskraft und der magnetischen Vorspannung in axialer Richtung entgegengesetzt ist und das Lager in axialer Richtung stabilisiert. Die Größenverhältnisse dieser Fluid-Dämpfereinrichtung und die resultierenden Kräfte sind im folgenden mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben.
Die 2 und 3 zeigen jeweils die Welle 14 mit einem Durchmesser D₀ und mit einem vergrößerten Durchmesser D an dem Stirnende, das von der Lagerhülse 12 umschlossen ist. Diese Durchmessererweiterung kann beispielsweise durch den Druckring 22 gebildet werden. Die Länge des Lagerspaltes 24 ist in 3 mit L bezeichnet und der Teil des Lagerspalts 24, der zur Dämpfung beiträgt, ist im Folgenden allgemein als Dämpfer-Arbeitsspalt 34 bezeichnet. Der Dämpfer-Arbeistspalt 34 wird gebildet aus einem kapillarischen Verschlussspalt 34D mit der Breite δ und der axialen Lände d₀ , dem Umströmungsspalt 34C mit einer axialen Länge d und einer größeren Breite als δ sowie durch den Druck-Arbeitsspalt 34A und 34B an den beiden Stirnseiten der Durchmessererweiterung. Eine wesentliche Eigenschaft des Dämpfer-Arbeitsspaltes ist, daß er gegenüber dem restlichen Lagerspalt 24 bzw. der Umgebung so abgedichtet ist, daß das Fluid stets in dem Dämpfer-Arbeitsspalt 34 bleibt, und daß seine Breite so bemessen ist, daß das Fluid in dem Dämpfer-Arbeitsspalt der axialen Vorspannung des Lagers entgegenwirkt und das Lager in axialer Richtung stabilisiert. Am einfachsten wird dies, wie in 3 gezeigt, dadurch erreicht, daß der Dämpfer-Arbeitsspalt 34 im Bereich des kapillarischen Verschlussspalts 34D eine konische Erweiterung aufweist, die in den Lagerspalt 24 übergeht und eine Kapillardichtung bildet. Das Fluid in dem Dämpfer-Arbeitsspalt endet also gerade an der Stelle, an der dieser sich zu dem verbleibenden Lagerspalt hin aufweitet. Diese konische Erweiterung kann mit einem Winkel θ erfolgen, der beispielsweise von 0° bis 45° variieren kann. Die minimale Breite des kapillarischen Verschlussspalts 34D ist dabei unter anderem abhängig von der Breite D der Durchmessererweiterung und vom verwendeten Fluid und beträgt beispielsweise zwischen 0,1 µm und 5 µm.
Bei der in den 1 bis 3 gezeigten Anordnung entstehen, ohne Berücksichtigung der magnetischen Vorspannung, die folgenden Kräfte:
Gewichtskraft F_G; eine Kraft aufgrund der Oberflächenspannung F_ST; und Auftriebskraft F_A: $F_{G} = m g = ρ_{b} \cdot V_{b} \cdot g = ρ_{b} (\frac{π}{4} D^{2} \cdot d + (L - d) \cdot \frac{π}{4} D_{0}^{2}) \cdot g$
$F_{S T} = P \cdot S = \frac{2 σ}{δ} \cdot S$
$F_{A} = ρ_{F} \cdot {\tilde{V}}_{b} \cdot g = ρ_{F} (\frac{π}{4} D^{2} \cdot d + d_{0} \cdot \frac{π}{4} D_{0}^{2}) \cdot g$
wobei g die Erdbeschleunigung bezeichnet; ρ_b die spezifische Dichte der Welle 14 bezeichnet; ρ_F die spezifische Dichte des Fluids bezeichnet; σ den Oberflächenspannungskoeffizienten des Fluids bezeichnet; und S die Oberfläche auf der Stirnseite (Boden) der Welle 14 einschließlich des Druckrings 22 bezeichnet.
Im dynamischen Gleichgewicht während des Betriebs ergibt sich: $F_{m a g} \pm F_{G} - F_{S T} - F_{A} = 0$
wobei die Gewichtskraft abhängig von der Einbaulage des Hybridlagers wirkt, woraus sich für die Breite δ des kapillaren Verschlussspalts 34D ergibt: $δ = \frac{2 σ}{(F_{m a g} \pm F_{G} - F_{A})} \cdot S$
Aus Gleichung (5) ergibt sich, daß die Breite des kapillaren Verschlussspalts 34D direkt proportional zu dem Oberflächenspannungskoeffizienten σ des Fluids ist und umgekehrt proportional zu der spezifischen Dichte ρ_b der Welle und dem Verhältnis zwischen dem Wellendurchmesser D₀ und dem Durchmesser D des Druckrings. Durch eine geeignete Einstellung der Breite des kapillaren Verschlussspalts 34D und unter Berücksichtigung der Abmessungen der Welle sowie der axialen Länge des Dämpfer-Arbeitsspaltes kann somit das erfindungsgemäße Lager und insbesondere die Fluid-Dämpfereinrichtung so eingestellt werden, daß sie ein in axialer Richtung instabiles Magnetlager zuverlässig stabilisiert.
4 zeigt eine schematische, geschnittene Teilansicht durch eine elektrische Maschine mit einem Lager gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung. Korrespondierende Teile zu 1 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals im einzelnen beschrieben. Die Ausführung der 4 unterscheidet sich von der 1 nur durch die Ausbildung des Dämpfer-Arbeitsspalts 34 und des kapillaren Dichtspalts im Bereich der Kapillardichtung 38'. Die Dichtung ist hier als eine einfache konische Erweiterung des Spalts ausgebildet, die bis an die der Nabe zugewandten Stirnseite der Lagerbuchse reicht.
Das Magnetlager 26 ist wie in 1 aufgebaut und erzeugt einen in radialer Richtung stabilen Schwebezustand des Rotors 18 relativ zu dem Stator 20, während das Lager in axialer Richtung nicht stabil ist. In diesem Kontext sollte bemerkt werden, daß die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungen von Magnetlagern beschränkt ist und daß insbesondere das Radiallager auch anders als auf die gezeigte Weise, beispielsweise durch ein fluiddynamisches Lager, gebildet werden kann. Wesentlich für die Erfindung ist jedoch die axiale Instabilität des Lagers in Verbindung mit einer axialen Vorspannung, der die durch die Fluid-Dämpfereinrichtung erzeugte Kraft entgegenwirkt.
Die Ausführungen der 5 und 6 unterscheiden sich von der Ausführung der 4 nur durch die Ausbildung des passiven Magnetlagers 26 und des kapillaren Dichtspalts 34D, wobei korrespondierende Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals beschrieben sind. In der Ausführung der 5 umfaßt das passive Magnetlager 26 jeweils drei einander zugeordnete Ringmagnetpaare, die in axialer Richtung gegensinnig zueinander magnetisiert sind, während die Ausführung der 6 vier solche einander zugeordnete Ringmagnetpaare aufweist, die in axialer Richtung gegensinnig zueinander magnetisiert sind. Diese Ausführungen unterscheiden sich maßgeblich durch die Stärke der durch das passive Magnetlager erzeugten Kraft in radialer und axialer Richtung.
In der Variante der Ausführung der 5 ist der kapillare Dichtspalt 34D kürzer als in der Variante der 4. Dadurch ergibt sich eine geringere Auftriebskraft, wie aus Gleichung (4) erkennbar ist. Der Dämpfer-Arbeitsspalt gemäß 6 entspricht dem der 5 bis auf die geringere Breite des Lagerspalts 24. Abhängig von dem Anwendungsgebiet und dem verwendeten Fluid wird ein Fachmann die geeigneten Abmessungen für Länge und Breite des Dämpfer-Arbeitsspaltes 34 ermitteln können.
7 zeigt in schematischer, geschnittener Teilansicht eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Hybridlagers, das in Bezug auf die Ausbildung des passiven Magnetlagers 26 der Ausführung der 4 entspricht, jedoch zwei Kapillardichtungen 40, 42 des Dämpfer-Arbeitsspaltes 34 aufweist. Korrespondierende Teile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals beschrieben. Durch das Vorsehen von zwei Kapillardichtungen 40, 42 kann im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungen noch besser sichergestellt werden, daß bei einem Schlag kein Fluid aus dem Dämpfer-Arbeitsspalt 34 austritt. Wie viele solche Kapillardichtungen vorgesehen werden, ist von dem speziellen Design des Lagers abhängig und kann von einem Fachmann nach Bedarf ermittelt werden.
Die 8 und 9 zeigen in geschnittener, schematischer Teilansicht weitere Ausführungen des erfindungsgemäßen Lagers, bei denen der Dämpfer-Arbeitsspalt eine andere Formgebung hat als in den vorhergehenden Ausführungen. Das passive Magnetlager 26 kann wie in einer der vorher beschriebenen Ausführungen ausgestaltet sein und ist nicht nochmals im einzelnen dargestellt. Wie oben ausgeführt ist die genaue Ausgestaltung dieses Lagers nicht wesentlich für die Erfindung, wobei insbesondere auch andere Arten von Radiallagern vorgesehen sein können. Korrespondierende Teile wie in den vorhergehenden Ausführungen sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht nochmals beschrieben.
In den Ausführungen der 8 und 9 ist der Dämpfer-Arbeitsspalt im Bereich der Welle in zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Breite aufgeteilt, um mehr Fluid in dem Lagerspalt speichern zu können. Die wirksame Breite δ des kapillaren Dichtspalts 34D im Sinne der obigen Gleichungen (5) und (6) ist die Breite des schmaleren Abschnittes des Dämpfer-Arbeitsspaltes, wie in den Figuren eingezeichnet.
Die Ausführung der 9 unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungen ferner dadurch, daß der Druckring 22 fehlt, so daß nur die Stirnfläche der Welle 14 selbst zur Erzeugung der Auftriebskraft wirksam ist.
Zusätzlich zu dem in den Figuren gezeigten passiven Magnetlager 26 kann grundsätzlich in jeder Ausführungsform im Bereich der Nabe 16 axial über der Lagerhülse 12 oder an anderer geeigneter Stelle ein weiterer Hilfsmagnet angeordnet sein (in den Figuren nicht gezeigt), der eine weitere axiale Stabilisierung vorsieht. Der Hilfsmagnet erzeugt eine Axialkraft, welche die Nabe 16 entweder in Richtung der feststehenden Hülse 12 zieht oder von ihr abstößt, und die Fluid-Dämpfereinrichtung sieht eine axiale Stabilisierungskraft für das magnetische Lagersystem vor, welche der Kraft des Hilfsmagneten entgegenwirkt.
Die 10 und 11 zeigen alternative Ausführungen der Fluid-Dämpfereinrichtung, bei denen im Bereich der Kapillardichtung 32 in die Welle 14 druckerzeugende Rillen 44 eingeformt sind, die bei Rotation der Welle 14 eine Pumpwirkung erzeugen und so einen Druck an der Grenzfläche 46 des Fluids aufbauen und die durch die Oberflächenspannung erzeugte Kraft verstärken. Der Neigungswinkel der Rillen 44 entspricht der Drehrichtung der Welle 14, die in den 10 und 11 durch einen Pfeil gekennzeichnet ist. Die beschriebene Pumpwirkung entspricht der Wirkung eines Miniatur-Ventilators und stellt sich nur bei der gezeigten Drehrichtung ein.
Die 12 bis 15 zeigen weitere Modifikationen der Welle 14, durch die ein Reservoir für das Lagerfluid geschaffen wird.
In der Ausführung der 12 ist die Welle als eine Hohlwelle 50 ausgebildet, in deren Innerem ein Fluidreservoir 52 an einem Stirnende der Welle vorgesehen ist. An dem gegenüberliegenden Stirnende der Hohlwelle 50 ist eine Membran 54 eingesetzt, die von außen Luft in das Reservoir 52 nachführt und gleichzeitig sicherstellt, daß kein Lagerfluid nach außen austreten kann. Bei dieser Ausführung ist die Abdampfungsrate des Lagerfluids extrem niedrig.
Die 13, 14, und 15 zeigen in schematischer Schnittdarstellung verschiedene Ausführungen der Fluid-Dämpfereinrichtung mit Fluidreservoir 58, das an dem Stirnende der Welle 14 innerhalb der Lagerhülse angeordnet ist. In den Ausführungen der 13 bis 15 hat die Welle 14 die Form eines Doppelkonus, um eine Kapillardichtung 60 für das Fluid 62 zu bilden. Auf der unteren Stirnseite der Welle können druckerzeugende Rillen ausgebildet sein, um eine axiale Drucklagerkomponente zu bilden. Solche druckerzeugenden Rillen können auch bei den oben beschriebenen Anordnungen im Bereich des Stirnendes der Welle bzw. des Druckrings vorgesehen sein, oder die entsprechenden Flächen können vollständig glatt gestaltet sein.
Auch auf dem Umfang der Welle 14 in der Nähe der Kapillardichtung 60 können druckerzeugende Rillen ausgebildet sein, wie in 14 gezeigt, um ein Druckkissen in diesem Bereich (Überdruckbereich) aufzubauen, um ein Austreten oder Ausgasen des Fluids 62 zu unterdrücken. Ferner kann ein Abschnitt der Welle 14 in der Nähe der Kapillardichtung 60, wie in 15 gezeigt, (a) mit konkaven Einformungen oder (b) als ein Vieleck, gestaltet werden, mit einer ähnlichen Wirkung wie in der Ausführung der 14. Alternativ oder zusätzlich zu den druckerzeugenden Rillen kann an der Lagerbuchse in der Nähe der Kapillardichtung ein Film aus fluidabweisendem Material (barrier film) aufgebracht werden.
In sämtlichen Ausführungen der Erfindung kann das Hybridlager mit einer feststehenden oder rotierenden Welle sowie mit einer entsprechenden rotierenden oder feststehenden Lagerhülse kombiniert werden. Die Welle kann unmittelbar in der Lagerhülse aufgenommen werden, oder die Welle kann integraler Bestandteil einer Nabe sein, die relativ zu der Lagerhülse rotiert. Soweit in der obigen Beschreibung auf verwendete Materialien, absolute oder relative Abmessungen und Funktionsweisen der Lager sowie der Fluid-Dämpfereinrichtung Bezug genommen wird, so können diese Angaben grundsätzlich für sämtliche Ausführungen gelten, wobei es designabhängig zu Abweichungen kommen kann.
Das erfindungsgemäße Hybridlager eignet sich besonders für Spindelmotoren für Mini-Disk-Drives, bei denen der Außenumfang der Nabe einen Durchmesser von etwa 7 bis 8 mm oder sogar darunter, beispielsweise 4,5 mm hat. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

10: Grundplatte
12: Lagerhülse
14: Welle
16: Nabe
18: Rotormagnet
20: Stator
22: Druckring
24: Lagerspalt
26: passives Magnetlager
28,30: Permanentmagnetringe
32: Kapillardichtung
34: Dämpfer-Arbeitsspalt
34A, 34B: Druck Arbeitsspalt
34C: Umströmungsspalt
34D: kapillarer Dichtspalt
36: Gegenplatte
38, 38': Kapillardichtung
40, 42: Kapillardichtung
44: Rillen
46: Grenzfläche
48: Fluid
50: Hohlwelle
52: Fluidreservoir
54: Membran
56: Labyrinthdichtung
58: Fluidreservoir
60: Kapillardichtung
62: Fluid

Claims

Hybridlager zur Lagerung eines drehbaren Teils (18) relativ zu einem feststehenden Teil (20), wobei das Hybridlager ein Radiallager und ein Axiallager, das in axialer Richtung magnetisch vorgespannt ist, umfasst und eine Welle (14) in einer Lagerhülse (12) aufgenommen ist und zwischen der Lagerhülse (12) und dem Umfang der Welle (14) ein Lagerspalt (24) vorgesehen ist, wobei der Lagerspalt (24) in dem Bereich des Stirnendes der Welle (14), das von der Lagerhülse (12) umschlossen ist, eine vorgegebene Breite hat und mit einem Fluid (48, 62) gefüllt ist, um einen Dämpfer-Arbeitsspalt (34) zu bilden, welcher der axialen Vorspannung entgegenwirkt und das Lager in axialer Richtung stabilisiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer-Arbeitsspalt (34) sich über eine vorgegebene Strecke um den Umfang der Welle (14) erstreckt und einen verengten Bereich (34D) mit einer Breite (δ) hat, die geringer ist als die Breite eines Umströmungsabschnitts (34C) des Dämpfer-Arbeitsspaltes (34), wobei der verengte Bereich (34D) des Dämpfer-Arbeitsspalts (34) in eine konische Erweiterung übergeht, die in den Lagerspalt (24) übergeht, um eine Kapillardichtung (32, 38, 38', 40, 40', 60) zu bilden, um das Fluid (48, 62) in dem Dämpfer-Arbeitsspalt (34) zu halten; und dass in dem Bereich des Stirnendes der Welle (14) ein Fluidreservoir (52, 58) vorgesehen ist.
Hybridlager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Aufbauen eines Überdrucks im Bereich der Kapillardichtung (32, 38, 38', 40, 40', 60).
Hybridlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufbauen eines Überdrucks eine Rillenstruktur (44, 64)in der Welle (14)umfassen, die bei Rotation der Welle (14)eine Pumpwirkung erzeugt.
Hybridlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lagerbuchse (12) im Bereich der Kapillardichtung (32, 38, 38', 40, 40', 60) ein Film aus fluidabweisendem Material angebracht ist, um zu verhindern, dass Fluid aus dem Lagerspalt kriecht.
Hybridlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer-Arbeitsspalt (34) ferner einen Wellenabschnitt mit vergrößertem Durchmesser an dem Stirnende der Welle (14), das von der Lagerhülse (12) umschlossen ist, aufweist.
Hybridlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (48, 62) ein Öl ist.
Hybridlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager durch magnetische Elemente gebildet ist, die dem Rotor (18) bzw. dem Stator (20) zugeordnet sind und einander in radialer Richtung gegenüberliegen, wobei das magnetische Axiallager an sich in axialer Richtung instabil ist.
Hybridlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (18) bzw. dem Stator (20) zugeordneten magnetischen Elemente in axialer Richtung ungefähr die gleichen Abmessungen haben und in radialer Richtung im wesentlichen fluchten.
Hybridlager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (18) bzw. dem Stator (20) zugeordneten magnetischen Elemente ringförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Hybridlager nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (18) bzw. dem Stator (20) zugeordneten magnetischen Elemente jeweils wenigstens zwei Ringmagnete aufweisen, die in axialer Richtung gegensinnig magnetisiert sind.
Hybridlager nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (18) bzw. dem Stator (20) zugeordneten magnetischen Elemente jeweils einen oder mehrere Ringmagnete aufweisen, die in axialer Richtung gemäß einer Polwechsel-Anordnung magnetisiert sind.
Hybridlager nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (18) bzw. dem Stator (20) zugeordneten magnetischen Elemente auch das Radiallager bilden.
Hybridlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung in axialer Richtung gegen den Dämpfer-Arbeitsspalt (34D) vorgespannt ist.
Hybridlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinrichtung in axialer Richtung magnetisch vorgespannt ist.
Hybridlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager als ein Magnetlager oder ein fluiddynamisches Lager ausgebildet ist.
Hybridlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Stirnendes der Welle (14) ein axiales Drucklager gebildet ist.
Elektrische Maschine mit einem Hybridlager nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Festplattenlaufwerk mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 17.