DE102007046247A1

DE102007046247A1 - Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem

Info

Publication number: DE102007046247A1
Application number: DE102007046247A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem nach der Patentanmeldung e durch ein Stopperelement begrenzt wird, das im Bereich eines mit dem Lagerspalt verbundenen Freiraums, der durch Teile der Nabe und der Lagerbuchse gebildet wird, angeordnet ist, wobei das Stopperelement in einem Bereich des Freiraums angeordnet ist, der mit Lagerfluid gefüllt ist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem nach der Patentanmeldung DE 10 2006 013 537.7 .
Stand der Technik
Die Patentanmeldung DE 10 2006 013 537.7 beschreibt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, insbesondere für den Antrieb von Speicherplatten von Festplattenlaufwerken, mit einer Basisplatte, einer in einer Öffnung der Basisplatte angeordneten feststehenden Lagerbuchse, einer in einer axialen Bohrung der Lagerbuchse mittels des fluiddynamischen Lagersystems drehgelagerten Welle, einer mit der Welle verbundenen Nabe, und einem elektromagnetischen Antriebssystem. Bei diesem Spindelmotor weist die Welle einen Flansch auf, der in einer Öffnung der Nabe befestigt ist und dessen Außendurchmesser deutlich größer ist als der Außendurchmesser der Welle.
Ein Ende der Welle ist durch einen Flansch verbreitert, so dass die Welle im Querschnitt im Wesentlichen T-förmig erscheint. Die Welle wird am Außenumfang des Flansches mit der Nabe verbunden und bildet ein vorzugsweise einteiliges Lagerteil, das sämtliche Funktionsflächen des bewegten Lagerteiles aufweist. Eine eventuelle Schrägstellung der Nabe relativ zur Welle belastet somit die Lagerfunktion nicht. Außerdem ist der Fügeradius zwischen der T-förmigen Welle und der Nabe deutlich größer als bei herkömmlichen Welle-Nabe-Verbindungen, wodurch die Auspresskräfte und der Schwingungswiderstand ebenfalls deutlich größer werden. Die Verbindung zwischen der Nabe und dem T-förmigen Wellenstück kann dank der größeren Verbindungsfläche sicherer und genauer montiert werden. Somit werden wichtige Motortoleranzen, wie das axiale Spiel des Lagers und die Rechtwinkligkeit der axialen und radialen Lagerflächen, nur von der Teilegenauigkeit des T-förmigen Wellenstücks bestimmt, welche kostengünstig in hoher Qualität an einem einzigen Teil im Fertigungsprozess zu erreichen ist und deutlich besser als mit den bisherigen Verbindungsprozessen erreichbar ist.
Gemäß den 2A, 3B und 6A der Patentanmeldung (Patent) DE 10 2006 013 537.7 kann das axiale Spiel der Welle durch ein Stopperelement begrenzt werden, das durch Teile der Nabe und der Lagerbuchse gebildet wird. Nachteilig hierbei ist, dass es unter ungünstigen Umständen, insbesondere im Fall einer starken axialen Stoßbelastung des Spindelmotors, zu einer direkten Berührung der Stopperflächen von Nabe und Lagerbuchse kommen kann. Dadurch kann es zu einem Partikelabrieb und einer unerwünschten Kontamination des Lagers kommen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß der Patentanmeldung 10 2006 013 537.7 derart zu verbessern, dass ein unerwünschter Partikelabrieb im Bereich des Stopperelements im Falle einer Stoßbelastung des Lagers weitgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der beschriebene Spindelmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er ein Stopperelement aufweist, das in einem Bereich des Freiraums angeordnet ist, der mit Lagerfluid gefüllt ist. Erfindungsgemäß sind die Anschlagflächen des Stopperelements ständig von Lagerfluid umspült und es entsteht im Falle einer Berührung der Anschlagflächen weniger Festkörperreibung und damit weniger Partikelabrieb.
Das Stopperelement umfasst vorzugsweise eine axial unterhalb des Flansches angeordnete und radial nach außen vorstehende Kante eines Bundes der Lagerbuchse, die als Anschlag für eine Kante eines am Innenumfang der Nabe angeordneten Bundes dient, wobei der Bund der Nabe axial versetzt zum Bund der Lagerbuchse angeordnet ist. Somit kann sich die Welle nur um einen definierten Betrag in axialer Richtung bewegen und wird in der Lagerbuchse gehalten.
Der Freiraum umfasst vorzugsweise einen inneren Abschnitt, der vollständig mit Lagerfluid gefüllt ist und einen äußeren Abschnitt der teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist, wobei das Stopperelement am Übergang zwischen dem inneren und dem äußeren Abschnitt des Freiraums angeordnet ist.
Der innere Abschnitt des Freiraums macht im Bereich des Stopperelements einen Knick und geht in den äußeren Abschnitt des Freiraums über, wobei sich der äußere Abschnitt des Freiraums im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt und eine kapillare Dichtung bildet.
Der innere Abschnitt des Freiraums wird vorzugsweise zwischen einem Bund am Außenumfang der Lagerbuchse und einer Fläche am Innenumfang der Nabe gebildet. Die Breite des inneren Abschnitts des Freiraums ist vorzugsweise gleichbleibend.
Der äußere Abschnitt des Freiraums wird vorzugsweise von einem abgeschrägten Außenumfang der Lagerbuchse und einem abgeschrägten Innenumfang des Bundes der Nabe begrenzt und weitet sich ausgehend vom Stopperelement vorzugsweise konisch auf.
Die den äußeren Abschnitt des Freiraum bildend abgeschrägten Flächen der Lagerbuchse und des Bundes der Nabe verlaufen in Bezug auf die Rotationsachse bevorzugt in einem spitzen Winkel und sind beide leicht nach innen in Richtung der Rotationsachse geneigt. Hierbei schließt die Fläche der Lagerbuchse mit der Rotationsachse vorzugsweise einen größeren Winkel ein als die Fläche am Bund der Nabe.
Aufgrund des durch den Flansch am axial oberen Wellenende radial verbreiterten Verbindungsbereich der Welle mit der Nabe ist es nunmehr erstmals möglich, die Nabe mit einem einteilig angeformten Stopperelement vorzusehen und von unten her mit der Welle zu verbinden. Dabei ist es trotz der Einteiligkeit möglich, dass die abgeschrägten Flächen der Lagerbuchse sowie des Bundes der Nabe einen deutlich größeren Winkel zur Rotationsachse einschließen als dies bislang einteilig möglich war. Hierdurch werden die Zentrifugalkräfte, die bei Drehung des Lagers auf das Lagerfluid in Richtung auf das Lagerinnere wirken, deutlich vergrößert, wodurch der Einsatz des Lagers bei deutlich höheren Drehzahlen von mehr als 10.000 Umdrehungen pro Minute ermöglicht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Ausgestaltung eines Spindelmotors mit erfindungsgemäßer Stopperfunktion.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die Zeichnung zeigt einen Spindelmotor, wie er beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet wird. Der Spindelmotor weist im Wesentlichen dieselben Bauelemente auf, wie der Spindelmotor der Hauptpatentanmeldung DE 10 2006 013 537.7 und umfasst eine feststehende Basisplatte 506, an der eine Statoranordnung 507, bestehend aus einem Statorkern und Wicklungen, angeordnet ist. Eine Welle 501 ist in einer axialen, zylindrischen Bohrung einer Lagerbuchse 503 drehbar aufgenommen. Die Lagerbuchse 503 ist mit der Basisplatte 506 fest verbunden. Die Welle 501 ist nicht durchgehend zylindrisch mit gleich bleibendem Durchmesser ausgebildet, sondern weist an einem Ende einen Flansch 502 mit wesentlich größerem Durchmesser auf, wodurch die Welle im Querschnitt etwa T-förmig erscheint. Bevorzugt sind die Welle 501 und der Flansch 502 einteilig ausgebildet. Dabei ist der Außendurchmesser des Flansches 502 bevorzugt größer als der größte Außendurchmesser der Lagerbuchse 503.
Die Welle 501 wird im Bereich des Flansches 502 mit der Nabe 504 verbunden. Die Nabe 504 ist beispielsweise glockenförmig ausgebildet und umfasst eine Öffnung, deren Innendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des Flansches 502 entspricht. Auf der Nabe 504 können eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt werden.
Die Verbindung zwischen dem Wellenflansch 502 und der Nabe 504 erfolgt vorzugsweise über eine Pressverbindung, die alternativ oder zusätzlich geklebt oder geschweißt, insbesondere widerstands- oder lasergeschweißt werden kann. An dem inneren Umfang des eines zylindrischen Abschnitts der Nabe 504 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 508 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, die von der über einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 507 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden, so dass die Nabe 504 zusammen mit der Welle 501 in Drehung versetzt wird.
Die Welle 501 mit dem Flansch 502 bildet zusammen mit der Lagerbuchse 503 ein fluiddynamisches Lagersystem mit Radiallager- und Axiallagerflächen, die durch einen Lagerspalt 505 voneinander getrennt sind. Der Lagerspalt 505 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Vorzugsweise sind die Radiallager 512 zwischen einander zugeordneten Lagerflächen der Welle 501 und der Lagerbuchse 503 vorgesehen. Der Lagerspalt 505, der einerseits zwischen dem Außendurchmesser der Welle 501 und dem Innendurchmesser der Lagerbuchse 503 verläuft, setzt sich zwischen der Unterseite des Flansches 502 und der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 503 in radialer Richtung fort, wobei zwischen der Unterseite des Flansches 502 und der dieser gegenüberliegenden Stirnseite der Lagerbuchse 503 vorzugsweise ein Axiallager 513 ausgebildet ist. Bevorzugt wird das Axiallager 513 durch spiralförmige Rillen gebildet, die in der Unterseite des Flansches 502 bzw. der Stirnseite der Lagerbuchse 503 ausgebildet sind und die bei Umdrehung des Lagers eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben.
Die Lageranordnung bzw. die Lagerbuchse 503 ist unten durch eine Abdeckplatte 510 verschlossen, so dass in diesem Bereich kein Lagerfluid austreten bzw. keine Luft eindringen kann.
Der radiale Abschnitt des Lagerspalts 505 mündet radial außerhalb des Axiallagers 513 in einen inneren Abschnitt 511a eines spaltförmigen Freiraums 511 mit wesentlich größerer Breite als der Lagerspalt 505. Der innerer Abschnitt 511a des Freiraums 511 wird gebildet zwischen einem Bund 503a am Außenumfang der Lagerbuchse 503 und einer gegenüberliegenden Fläche am Innenumfang der Nabe 504.
Eine axial unterhalb des Flansches 502 und radial nach außen vorstehende Kante des Bundes 503a der Lagerbuchse 503 dient als Anschlag für eine Kante eines am Innenumfang der Nabe 504 angeordneten Bundes 504a. Dieser Bund 504a ist axial versetzt zum Bund 503a der Lagerbuchse 503 angeordnet und dient als Stopperelement, das verhindert, dass sich das rotierende Teil des Spindelmotors, also die Welle 501 zusammen mit der Nabe 504, aus der Lagerbuchse 503 lösen kann. Der innere Abschnitt 511a des Freiraums 511 macht im Bereich des Stopperelements einen Knick und mündet in einen äußeren Abschnitt 511b des Freiraums 511, der sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt und eine kapillare Dichtung bildet. Der gesamte Freiraum 511 dient außerdem als Ausgleichsvolumen und Reservoir für das im Lagerspalt 505 befindliche Lagerfluid. Der äußerer Abschnitt 511b des Freiraums 511 wird von einem abgeschrägten Außenumfang der Lagerbuchse 503 und einem abgeschrägten Innenumfang des Bundes 504a der Nabe 504 begrenzt und weitet sich ausgehend vom Stopperelement leicht konisch auf. Die beiden abgeschrägten Flächen der Lagerbuchse 503 und dem Bund 504a der Nabe 504 definieren in Bezug auf die Rotationsachse 516 einen spitzen Winkel und sind beide leicht nach innen in Richtung der Rotationsachse 516 geneigt. Vorzugsweise schließt die Fläche der Lagerbuchse 503 mit der Rotationsachse 516 einen größeren Winkel ein als die Fläche am Bund 504a der Nabe 504. Dadurch wird das Lagerfluid bei Drehung des Lagers aufgrund der nach Außen wirkenden Fliehkräfte im Freiraum 511 gehalten.
Der Spindelmotor weist vorzugsweise in der Lagerbuchse 503 einen Rezirkulationskanal 515 auf, der als im Wesentlichen axial verlaufende Bohrung ausgebildet und mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Rezirkulationskanal 515 verbindet einen an die Abdeckplatte 510 angrenzenden Teil des mit Lagerfluid gefüllten Lagers mit einem dem Beginn des inneren Abschnitts 511a des Freiraums, der zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 503 und der unteren Fläche des Flansches 502 radial außerhalb des Axiallagers 513 angeordnet ist. Durch die Pumpwirkung der Radial- und Axiallager 512, 513, die auf das Lagerfluid ausgeübt wird, zirkuliert das Lagerfluid durch den Lagerspalt 505 und den Rezirkulationskanal 515 und es entsteht ein Fluidkreislauf im Lager.

501: Welle
502: Flansch
503: Lagerbuchse
503a: Bund
504: Nabe
504a: Bund
505: Lagerspalt
506: Basisplatte
507: Statoranordnung
508: Permanentmagnet
510: Abdeckplatte
511: Freiraum
511a: innerer Abschnitt
511b: äußerer Abschnitt
512: Radiallager
513: Axiallager
515: Rezirkulationskanal
516: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006013537 [0001, 0002, 0004, 0005, 0017]

Claims

Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem nach dem Patent (Patentanmeldung) DE 10 2006 013 537.7 , wobei das axiale Spiel der Welle (501) durch ein Stopperelement begrenzt wird, das im Bereich eines mit dem Lagerspalt (505) verbundenen Freiraums (511), der durch Teile der Nabe (504) und der Lagerbuchse (503) gebildet wird, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stopperelement in einem Bereich des Freiraums (511) angeordnet ist, der mit Lagerfluid gefüllt ist.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stopperelement eine axial unterhalb des Flansches 502 und radial außen vorstehende Kante eines Bundes (503a) der Lagerbuchse (503) umfasst, die als Anschlag für eine Kante eines am Innenumfang der Nabe (504) angeordneten Bundes (504a) dient, wobei der Bund (504a) der Nabe (504) axial versetzt zum Bund (503a) der Lagerbuchse (503) angeordnet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (511) einen inneren Abschnitt (511a) umfasst, der vollständig mit Lagerfluid gefüllt ist, und einen äußeren Abschnitt (511b), der teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stopperelement am Übergang zwischen dem inneren und dem äußeren Abschnitt des Freiraums (511) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Abschnitt (511a) des Freiraums (511) im Bereich des Stopperelements einen Knick macht und in den äußeren Abschnitt (511b) des Freiraums (511) mündet, der sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt und eine kapillare Dichtung bildet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Abschnitt (511a) des Freiraums (511) zwischen einem Bund (503a) am Außenumfang der Lagerbuchse (503) und einer gegenüberliegenden Fläche am Innenumfang der Nabe (504) gebildet wird.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des inneren Abschnitts (511a) des Freiraums im Wesentlichen gleichbleibend ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äußerer Abschnitt (511b) des Freiraums (511) von einem abgeschrägten Außenumfang der Lagerbuchse (503) und einem gegenüberliegenden, abgeschrägten Innenumfang des Bundes (504a) der Nabe (504) begrenzt wird und sich ausgehend vom Stopperelement aufweitet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Abschnitt (511b) des Freiraums im Querschnitt konisch ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den äußeren Abschnitt (511b) des Freiraums begrenzenden abgeschrägten Flächen der Lagerbuchse (503) und des Bundes (504a) der Nabe (504) in Bezug auf die Rotationsachse (516) in einem spitzen Winkel verlaufen und beide leicht nach innen in Richtung der Rotationsachse (516) geneigt sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Lagerbuchse (503) mit der Rotationsachse (516) einen größeren Winkel einschließt als die Fläche am Bund (504a) der Nabe (504).