DE102007046248A1

DE102007046248A1 - Fluiddynamisches Lager mit Rezirkulationskanal

Info

Publication number: DE102007046248A1
Application number: DE102007046248A
Authority: DE
Inventors: Thilo Rehm
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
Also published as: US20090080819A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welches umfasst: ein erstes Lagerbauteil (16) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Bohrung, ein im Wesentlichen zylindrisches zweites Lagerbauteil (20), das in der Bohrung des ersten Lagerbauteils (16) angeordnet und relativ zu diesem um eine Rotationsachse (50) drehbar gelagert ist, wobei die Lagerbauteile einander zugeordnete Radiallagerflächen und Axiallagerflächen oder konische Lagerflächen aufweisen, einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (22), der einander zugewandte Oberflächen der beiden Lagerbauteile (16, 20) voneinander trennt und ein offenes Ende und ein entfernt von diesem angeordnetes geschlossenes Ende aufweist, einen Dichtungsspalt (40), der zwischen einem Außenumfang des ersten Lagerbauteils (16) und einem Innenumfang eines mit dem zweiten Lagerbauteil (20) verbundenen Bauteils angeordnet ist und direkt oder indirekt mit dem Lagerspalt (22) verbunden ist, und einen Rezirkulationskanal (44), der im ersten Lagerbauteil (16) angeordnet ist und das geschlossene Ende des Lagerspalts (22) direkt oder indirekt mit dem offenen Ende des Lagerspalts verbindet, wobei der Rezirkulationskanal (44) am Außenumfang des ersten Lagerbauteils (16) mit dem Dichtungsspalt (40) verbunden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager mit Rezirkulationskanal, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks.
Stand der Technik
In letzter Zeit haben sich fluiddynamische Lagersysteme zur Drehlagerung von Spindelmotoren, wie sie beispielsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken, insbesondere Festplattenlaufwerken, verwendet werden, immer mehr durchgesetzt und die zuvor verwendeten Wälzlagersysteme abgelöst. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von verschiedenen Konstruktionen für fluiddynamische Lager bekannt.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2004 007 557 A1 ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse und einer darin drehbar gelagerten Welle, deren Lageroberflächen durch einen Lagerspalt voneinander getrennt sind. Die Lageroberflächen von Lagerbuchse und Welle bilden vorzugsweise zwei Radiallager aus. An einem Ende der Welle ist eine sogenannte Druckplatte befestigt, die zusammen mit radial ausgerichteten Oberflächen der Lagerbuchse bzw. einer das Lager verschließenden Abdeckplatte zwei Axiallager ausbildet. Radial- und Axiallager sind durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben und einen entsprechend Lagerdruck erzeugen. Dieses Design wird aufgrund der verwendeten einzelnen Druckplatte auch als Single-Plate-Design bezeichnet. An einem offenen Ende des Lagerspaltes ist ein Ausgleichsvolumen bzw. ein Dichtungsspalt vorgesehen der überschüssiges Lagerfluid aufnimmt bzw. ein Austreten des Lagerfluids aus dem Lager verhindert. Damit das Lagerfluid im Lagerspalt zirkulieren kann und das Lager trotzdem einseitig geschlossen ist, ist vorzugsweise ein sogenannter Rezirkulationskanal vorgesehen, der das geschlossene Ende des Lagerspaltes mit dem offenen Ende des Lagerspaltes verbindet. Der Rezirkulationskanal soll auch ein Entweichen von aus dem Lagerfluid ausgasender Luft aus dem Lager erleichtern, was jedoch nicht immer zielführend ist. Im aktuellen Beispiel fließt beispielsweise das Lagerfluid vom Rezirkulationskanal über einen Verbindungskanal zurück in Richtung des offenen Endes des Lagerspaltes, so dass Luftbläschen die im Rezirkulationskanal transportiert werden, nicht immer zuverlässig nach außen aus dem Lager transportiert werden, sondern zusammen mit dem Lagerfluid wieder in den Lagerspalt zurückgedrängt werden.
Die US 7,201,517 B2 offenbart ein anderes Beispiel eines fluiddynamischen Lagers zur Drehlagerung eines Spindelmotors. Insbesondere in den 17 und 18 ist ein Lagersystem dargestellt, das wiederum eine Lagerbuchse und eine darin drehgelagerte Welle umfasst, jedoch im Gegensatz zum Single-Plate-Design keine Druckplatte zur Ausbildung von Axiallagern besitzt. Vielmehr ist dieses Design dadurch gekennzeichnet, dass ein Axiallager im Bereich des offenen Endes des Lagerspaltes zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse und einer unteren Fläche des Rotors (Nabe) gebildet wird, so dass dieses Design auch als Top-Trust-Design bezeichnet wird. Hier ist in der Lagerbuchse ebenfalls ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der ähnlich wie beim Single-Plate-Design eine Zirkulation des Lagerfluids zwischen dem geschlossenen Ende des Lagers und dem offenen Ende des Lagerspaltes zulässt. Auch bei diesem Lagerdesign besteht nach wie vor das Problem, dass Luftblasen die im Lagerfluid zirkulieren, nicht zuverlässig aus dem Lagerspalt, sprich dem Lagersystem, entweichen können, da sie durch die vorgegebene Strömung des Lagerfluids wieder in den Lagerspalt hineintransportiert werden. Um ein Herausfallen der Kombination von Welle und Nabe aus der Lagerbuchse zu verhindern, ist ein sogenannter Stopperring an der Nabe angeordnet, der mit einer an der Lagerbuchse angeordneten Stopperkante zusammenwirkt. Es handelt sich hier um ein sogenanntes Wet-Stopper-System, das heißt die Stopperkanten werden von Lagerfluid umspült und befinden sich im Bereich des Dichtungsspaltes. Der Stopperring wird bei Montage des Lagers in einen Ringansatz der Nabe eingepresst, wobei es je nach Fertigungstoleranzen zu einem Partikelabrieb beim Stopperring bzw. der Nabe kommen kann. Diese abgeriebenen Partikel können in das Lagerfluid gelangen, da der Stopperring von Lagerfluid benetzt wird. Solche Partikel können bei typischen Lagerspaltbreiten von wenigen Mikrometern zu einer Beschädigung der Lagerflächen führen. Beim Single-Plate-Design wird ein Herausfallen der Welle aus der Lagerbuchse durch die Druckplatte erreicht, die zwischen Lagerbuchse und Abdeckplatte eingebettet ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, das so gestaltet ist, dass im Lagerfluid gelöste Luftbläschen im Vergleich zu bekannten Lagerkonstruktionen effektiver und zuverlässiger aus dem Lagerfluid nach außen entweichen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager weist ein erstes Lagerbauteil mit einer im Wesentlichen zylindrischen Bohrung auf, ein im Wesentlichen zylindrisches zweites Lagerbauteil, das in der Bohrung des ersten Lagerbauteils angeordnet und relativ zu diesem um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, wobei die Lagerbauteile einander zugeordnete Radiallagerflächen und Axiallagerflächen, oder konische Lagerflächen aufweisen, einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt, der einander zugewandte Oberflächen der beiden Lagerbauteile voneinander trennt und ein offenes Ende und ein entfernt von diesem angeordnetes geschlossenes Ende aufweist, einen Dichtungsspalt, der zwischen einem Außenumfang des ersten Lagerbauteils und einem Innenumfang eines mit dem zweiten Lagerbauteil verbundenen Bauteils angeordnet ist und direkt oder indirekt mit dem Lagerspalt verbunden ist, und einen Rezirkulationskanal, der im ersten Lagerbauteil angeordnet ist und das geschlossene Ende des Lagerspalts direkt oder indirekt mit dem offenen Ende des Lagerspalts verbindet.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist, dass der Rezirkulationskanal am Außenumfang des ersten Lagerbauteils mit dem Dichtungsspalt verbunden ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Ende des Rezirkulationskanals den Außenumfang des ersten Lagerbauteils im Bereich des Dichtungsspaltes durchbricht.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung des Rezirkulationskanals ist, dass der Rezirkulationskanal unmittelbar im Bereich des Dichtungsspaltes mündet und zwar nahe der Grenzlinie zwischen Lagerfluid und Atmosphäre, so dass im Rezirkulationskanal in Richtung des Dichtungsspaltes transportierte Luftbläschen, sobald sie in den Dichtungsspalt eintreten, relativ leicht in die Atmosphäre entweichen können bevor das Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt wieder in den Lagerspalt hineintransportiert wird und dort zum anderen Ende des Lagers und zurück in den Rezirkulationskanal fließt. Eine Öffnung des Rezirkulationskanals mündet demnach am Außendurchmesser des ersten Lagerbauteils, sprich der Lagerbuchse, während die andere Öffnung des Rezirkulationskanals in der Stirnseite des ersten Lagerbauteils und zwar am geschlossenen Ende des Lagerspaltes angeordnet ist.
Der Rezirkulationskanal kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aus einem einzelnen, schräg zur Rotationsachse verlaufenden Kanal bestehen, wobei der Kanal beispielsweise als einzelne Bohrung ausgebildet sein kann, deren Bohrungswand den Außenumfang des ersten Lagerbauteils, beispielsweise einer Lagerbuchse, im Bereich des Dichtungsspaltes durchbricht. Das heißt, das erste Lagerbauteil ist nicht vollständig durchbohrt, wie es beim Stand der Technik der Fall ist, sondern der Rezirkulationskanal mündet bereits vorher am Außendurchmesser des ersten Lagerbauteils in den Dichtungsspalt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Rezirkulationskanal aus einem einzelnen, schräg zur Rotationsachse verlaufenden Kanal besteht, der das erste Lagerbauteil vollständig durchläuft und die Stirnseiten des ersten Lagerbauteils bzw. die an die Stirnseiten angrenzenden Spalte miteinander verbindet. Zusätzlich durchbricht dieser Kanal die Lagerbuchse an ihrem Außendurchmesser im Bereich des Dichtungsspaltes. Der Rezirkulationskanal hat demnach drei Öffnungen, über welche er in entsprechende Spalte oder Spaltbereiche sowie den Dichtungsspalt mündet. Dadurch ergibt sich eine sehr ausgeglichene Zirkulation des Lagerfluids, wobei insbesondere im Lagerfluid gelöste Luftbläschen über den Dichtungsspalt zuverlässig in die Atmosphäre entweichen können.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Rezirkulationskanal aus einem im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse verlaufenden Teilabschnitt und einem im Wesentlichen senkrecht dazu verlaufenden Teilabschnitt bestehen, wobei die Öffnung des senkrechten Teilabschnitts in den Dichtungsspalt mündet, während die Öffnung des axialen Abschnittes in die gegenüberliegende Stirnseite des ersten Lagerbauteils mündet.
In einer vierten Ausgestaltung der Erfindung kann ein erster Teilabschnitt des Rezirkulationskanals im Wesentlichen schräg zur Rotationsachse verlaufen und in einen senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Teilabschnitt münden.
In den beiden zuletzt genannten Fällen ist der Rezirkulationskanal also als axiale oder schräg verlaufende Sackbohrung ausgebildet, die über eine Querbohrung dem Dichtungsspalt verbunden ist.
Wichtig ist, dass sich der Rezirkulationskanal nur teilweise über die Axiallänge des ersten Lagerbauteils, sprich der Lagerbuchse, erstreckt.
Einander gegenüberliegende axial verlaufende Flächen des ersten Lagerbauteils (Lagerbuchse) und des zweiten Lagerbauteils (Welle) bilden ein oder zwei Radiallager, in dem sie mit entsprechen Lagerstrukturen versehen sind.
Je nach Ausgestaltung des Lagers, beispielsweise als Single-Plate-Design oder aber Top-Trust-Design, kann beispielsweise ein Axiallager durch einander zugewandte Lagerflächen des ersten Lagerbauteils und einem mit dem zweiten Lagerbauteil verbundenen Rotorbauteils gebildet werden, wobei diese Lagerflächen durch den Lagerspalt voneinander getrennt sind.
Das Axiallager kann aber auch durch einander zugewandte Lagerflächen einer am geschlossenen Ende des Lagers an der Welle angeordneten Druckplatte und zugeordnete Lagerflächen des ersten Lagerbauteils und/oder einer das Lager verschließenden Abdeckplatte gebildet werden.
Das Problem der unerwünschten Partikelbildung beim Einpressen des Stopperrings wird durch das ringförmige Bauteil gelöst, welches eine Fläche des Dichtungsspaltes ausbildet, und einen Innenumfang aufweist, der mit einem Außenumfang eines ringförmigen Ansatzes eines mit dem zweiten Lagerbauteil verbundenen Rotorbauteils verbunden ist. Ein Partikelabrieb kann also nur außerhalb des Dichtungsspaltes erfolgen.
Das beschriebene fluiddynamische Lager ist zur Drehlagerung eines Spindelmotors geeignet, wie er beispielsweise für den Einsatz in einem Festplattenlaufwerk verwendet wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers mit einer einzelnen schräg verlaufenden Rezirkulationsbohrung.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers mit einer aus einer Längsbohrung und Querbohrung bestehenden Rezirkulationskanal.
3 zeigt eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers mit einer schräg verlaufenden Rezirkulationsbohrung, die über eine Querbohrung mit dem Dichtungsspalt verbunden ist.
4 zeigt eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers mit einer einzelnen schräg verlaufenden Rezirkulationsbohrung.
5 zeigt eine Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers mit einer einzelnen schräg verlaufenden Rezirkulationsbohrung, die nicht mit dem Außenumfang des ersten Lagerbauteils verbunden ist.
Detaillierte Beschreibungen mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Der Aufbau des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems bzw. eines mittels des Lagersystems drehgelagerten Spindelmotors ist in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 im Wesentlichen identisch. Daher wird der Aufbau des Lagersystems und des zugehörigen Spindelmotors nur in 1 detailliert beschrieben, wobei die Beschreibung auch für die 2 und 3 zutrifft, sofern sie sich auf gleiche Bauteile mit den selben Bezugszeichen beziehen.
Ein Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems ist in 1 dargestellt. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Motoranordnung 10 und eine rotierende Motoranordnung 12, die mittels des Lagersystems relativ zur feststehenden Anordnung drehbar gelagert ist. Die feststehende Anordnung 10 umfasst eine Basisplatte 14, an welcher die übrigen Motorkomponenten befestigt werden. Die Basisplatte 14 umfasst ein zentrales hülsenförmiges Teil mit einer zentralen Bohrung, in welcher eine im Wesentlichen hohlzylindrische Lagerbuchse 16 befestigt ist, beispielsweise durch Einpressen, Einkleben oder Schweißen. Die Basisplatte 14 kann beispielsweise aus Leichtmetall, wie Aluminium, gefertigt sein, während die Lagerbuchse aus den verschiedensten Metallen oder Keramiken bestehen kann. Eine Statoranordnung 18 ist an dem hülsenförmigen Ansatz der Basisplatte 14 befestigt und ist Teil eines elektromagnetischen Antriebssystems des Spindelmotors. Die Statoranordnung 18 besteht aus einem Magnetkern sowie entsprechenden Phasenwicklungen. Eine Welle 20, beispielsweise aus Stahl, ist in der Bohrung der Lagerbuchse 16 um eine Rotationsachse 50 drehbar angeordnet. Die Welle 20 hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Bohrung in der Lagerbuchse 16, so dass zwischen der Welle 20 und der Lagerbuchse 16 ein Lagerspalt 22 verbleibt. In einem axialen Abschnitt 22a des Lagerspaltes 22 sind in einem gegenseitigen Abstand zwei fluiddynamische Radiallager 24 und 26 angeordnet, welche durch entsprechende Oberflächenstrukturen auf der Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 16 bzw. der Umfangsfläche der Welle 20 gekennzeichnet sind. Bei einer Drehung der Welle 20 in der Lagerbuchse 16 wird durch diese Oberflächenstrukturen im Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, eine Pumpwirkung erzeugt, durch welche ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 22 aufgebaut wird, so dass die Lager 24, 26 tragfähig werden. Die Radiallager 24, 26 haben vorzugsweise eine Pumpwirkung in eine spezifische axiale Richtung, vorzugsweise in Richtung des geschlossenen Endes des Lagers, das durch eine Abdeckplatte 32 verschlossen ist, die in einer Aussparung der Lagerbuchse 16 befestigt ist und die Lagerbuchse luftdicht verschließt.
Ein freies Ende der Welle 20, welches über die Bohrung der Lagerbuchse 16 hinausragt, ist mit einer Nabe 28 verbunden, welche im Wesentlichen einen becherförmigen Querschnitt hat und das Lagersystem sowie die Statoranordnung teilweise umschließt. Die Nabe 28 ist beispielsweise auf das freie Ende der Welle 20 aufgepresst. Die Nabe 28 weist einen umlaufenden etwa zylindrischen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein Magnet 30 befestigt ist, der die Statoranordnung 18 ergänzt und mit dieser das elektromagnetische Antriebssystem ausbildet. Wird der Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes verwendet, wird auf der Nabe 28 beispielsweise dann auch eine oder mehrere Speicherplatten befestigt. In axialer Richtung gegenüberliegend dem Magneten 30 ist eine Metallplatte 34 vorgesehen, welche den Magneten 30 anzieht und die Nabe 28 in axialer Richtung stabilisiert.
Wie bereits erwähnt, ist das offene Ende der Lagerbuchse 16 durch die Abdeckplatte 32 verschlossenen, wobei zwischen dem Ende der Welle 20 und der Abdeckplatte 32 ein Spalt 46 verbleibt, der mit Lagerfluid gefüllt ist.
Die obere Stirnfläche der Lagerbuchse 16, die an die Nabe 28 angrenzt, ist als Lagerfläche ausgebildet, sowie auch die angrenzende Fläche der Nabe 28. Die beiden Lagerflächen der Lagerbuchse 16 und der Nabe 28 bilden ein Axiallager 36, das ebenfalls wie die Radiallager 24, 26 durch Lagerstrukturen gekennzeichnet ist, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 16 und/oder der Oberfläche der Nabe 28 angeordnet sind. Dieses Axiallager 36 wird in einem radial verlaufenden Abschnitt 22b des Lagerspaltes 22 gebildet, welcher sich an den axial verlaufenden Abschnitt 22a des Lagerspaltes anschließt. Das Axiallager 36 umfasst beispielsweise spiralförmige oder fischgrätförmige Lagerstrukturen, die eine in Richtung des Abschnitts 22a des Lagerspaltes gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid in das innere des Lagerspaltes 22 drängen. Radial nach außen des Axiallagers 36 weitet sich der Lagerspalt 22 auf in einen Spalt 38 der nun abknickt und in einen axial verlaufenden Dichtungsspalt 40 übergeht, der als Kapillardichtung, insbesondere konische Kapillardichtung ausgebildet ist. Der Dichtungsspalt 40 wird begrenzt durch eine Außenoberfläche der Lagerbuchse 16 und eine gegenüberliegende ringförmige Oberfläche eines ringförmigen Bauteils 42, das gleichzeitig als Stopperring funktioniert. Die den Dichtungsspalt 40 begrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 16 und des Stopperrings 42 können beispielsweise parallel zur Rotationsachse 50 verlaufen, sie sind vorzugsweise jedoch leicht geneigt in Bezug auf die Rotationsachse 50 und zwar so, dass der Innendurchmesser des Stopperringes 42 in Richtung der Öffnung des Dichtungsspaltes 40 in geringerem Maße abnimmt als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 16, so dass sich ein im Wesentlichen konischer Querschnitt des Dichtungsspaltes 40 ergibt. Das ringförmige Bauteil 42 ist an einem ringförmigen Ansatz der Nabe 28 befestigt und liegt gegenüber einem Stopperflansch 16a der Lagerbuchse 16 und verhindert zusammen mit diesem ein Herausfallen der Anordnung von Nabe und Welle aus der Lagerbuchse. Dabei ist dem Stopperflansch 16a gegenüberliegend der Ansatz 28a der Nabe 28 angeordnet und das ringförmige Bauteil 42 ist mit seinem Innendurchmesser am Außendurchmesser des Ansatzes 28a verbunden.
Erfindungsgemäß ist ein Rezirkulationskanal 44 vorgesehen, der das geschlossene Ende des Lagers, also den Bereich des Spaltes 46 mit dem offenen Ende des Lagers über den Dichtungsspalt 40 verbindet. Gemäß 1 ist der Rezirkulationskanal 44 als schräge Sackbohrung ausgebildet, dessen eine Öffnung 44a in den Kanal 46 mündet und dessen andere Öffnung 44b den Außenumfang der Lagerbuchse 16 im Bereich des Dichtungsspaltes 40 durchbricht. Dadurch dass die zweite Öffnung 44b des Rezirkulationskanals sehr nahe an der Übergangszone zwischen Lagerfluid und Atmosphäre angeordnet ist, können im Lagerfluid gelöste Luftblasen relativ leicht in die Atmosphäre entweichen, zumal wesentlich leichter, als wenn der Rezirkulationskanal in den Abschnitt 22b des Lagerspaltes 22 münden würde, wo die Luftbläschen im Lagerfluid durch die Pumpwirkung des Axiallagers 36 zusammen mit dem Lagerfluid wieder in das Lager hineingepumpt werden würden. Die Zirkulation des Lagerfluids ist durch die neben den Lagerspalt 22 bzw. dem Rezirkulationskanal 44 angeordneten Pfeile gekennzeichnet.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems bei der im Unterschied zur 1 lediglich die Ausgestaltung des Rezirkulationskanals 144 unterschiedlich ist. Der Rezirkulationskanal 144 beginnt wiederum an der Stirnseite der Lagerbuchse 116 im Bereich des Spaltes 46, der zwischen dem Stirnende der Welle 20 und der Abdeckplatte 32 ausgebildet ist. Ein erster Teilabschnitt des Rezirkulationskanals 144c ist als parallel zur Rotationsachse 50 ausgebildete Sackbohrung ausgebildet, welche die axiale Länge der Lagerbuchse 16 nicht ganz durchdringt. Im Bereich des Dichtungsspaltes 40 ist in der Lagerbuchse 116 eine Querbohrung in Form eines radialen Abschnittes 144d des Rezirkulationskanals vorgesehen, welche in den Axialabschnitt 144c mündet. Im Gegensatz zu 1 und dem Rezirkulationskanal 44 sind zur Herstellung des Rezirkulationskanals 144 zwei Arbeitsschritte notwendig zur Erstellung der ersten Längsbohrung und der Querbohrung.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen in 1 und 2 ist gemeinsam, dass ein ringförmiges Bauteil 42 als Stopperelement verwendet wird. Das ringförmige Bauteil 42 ist an einen ringförmigen Ansatz 28a der Nabe 28 befestigt und zwar so, dass ein Ansatz des Bauteils 42 den Ansatz 28a der Nabe 28 umschließt. Es ist also am Außendurchmesser des Ansatzes 28a der Nabe das ringförmige Bauteil 42 befestigt und sitzt auf der Stirnfläche des Ansatzes der Nabe auf. Die Befestigung des Bauteils 42 auf den Ansatz der Nabe 28 kann beispielsweise durch eine Pressverbindung oder auch durch Kleben oder Schweißen erfolgen. Insbesondere hat diese Art der Befestigung jedoch Vorteile gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik, da beim Aufpressen des Bauteils 42 auf den Ansatz 28a der Nabe 28 im Bereich des Dichtungsspaltes 40 kein Partikelabrieb erzeugt wird, der in das Lagerfluid hineingelangen kann. Es kann höchstens am Außendurchmesser des Ansatzes 28a der Nabe ein Partikelabrieb erfolgen, der jedoch für die Funktion des Lagersystems nicht gefährlich ist. Somit ist die Befestigung des ringförmigen Bauteils 42 gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft gegenüber dem bekannten Stand der Technik.
3 zeigt eine weitere abgewandelte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems, wobei hier der Rezirkulationskanal 244 einen ersten, schräg zur Rotationsachse 50 verlaufenden Teilabschnitt 244c aufweist, der über einen zweiten Teilabschnitt 244d, der als Querbohrung in radialer Richtung verläuft, mit dem Dichtungsspalt 40 verbunden ist. Der Spindelmotor gemäß 3 besitzt keinen Stopperring 42 mehr, wie in den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2. Stattdessen ist der ringförmige Ansatz 228a der Nabe 228 wesentlich ausgeprägter ausgebildet und bildet nun anstatt des Stopperrings eine Begrenzungsfläche des Dichtungsspaltes 40 aus, während die andere Begrenzungsfläche des Dichtungsspaltes 40 nach wie vor durch den Außenumfang der Lagerbuchse 16 gebildet wird. Die Begrenzungsflächen des Dichtungsspaltes 40 können entweder parallel zur Rotationsachse 50 als auch leicht schräg geneigt zur Rotationsachse 50 ausgebildet sein, beispielsweise in einem Winkel zwischen 3° und 8°. Vorzugsweise verbreitert sich der Dichtungsspalt 40 in Richtung seiner Öffnung und bildet dadurch eine konische Kapillardichtung, deren Querschnitt konisch ist.
Eine Sicherung gegen Herausfallen der Welle 20 aus der Lagerbuchse 216 bzw. ein Stopperelement ist in Beispiel gemäß 3 an die in der Lagerbuchse 216 befindlichen Ende der Welle 20 vorgesehen. Dieses Stopperelement besteht aus einer Stopperplatte 246, die in einer Aussparung der Lagerbuchse 216 eingebettet ist und deren Durchmesser größer ist, als der Durchmesser der Welle 20. Dieser Stopperring 246 ist also in der Aussparung zwischen radial verlaufenden Flächen der Lagerbuchse 216 und der Abdeckplatte 32 eingeschlossen, wobei zwischen Abdeckplatte 32 und Stopperplatte 246 ein Spalt 46 verbleibt, mit welchem eine Verbindung zwischen dem axialen Abschnitt 22a des Lagerspaltes 22 und dem Rezirkulationskanal 244 hergestellt wird. Die Stopperplatte 246 hat zwei Stirnflächen, eine kreisförmige gegenüber der Abdeckplatte 32 angeordnete Stirnfläche sowie eine ringförmige gegenüber eine ringförmigen Fläche der Lagerbuchse 216 angeordnete Stirnfläche. Diese beiden Stirnflächen können mit Lagerstrukturen versehen werden, so dass sie mit den gegenüberliegenden Stirnflächen der Lagerbuchse 216 beziehungsweise der Abdeckplatte 32 entsprechende Axiallager ausbilden.
In 4 ist ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor dargestellt, das im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Lagersystem bzw. dem Spindelmotor entspricht. Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleichen Funktionen sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Der Rezirkulationskanal 344 ist als schräge Bohrung ausgebildet, welche die Lagerbuchse 316 vollständig durchläuft und die beiden Stirnseiten der Lagerbuchse miteinander verbindet. Eine erste Öffnung 344a des Rezirkulationskanals 344 mündet in einen Kanal 46 am geschlossenen Ende des Lagers, und eine zweite Öffnung 344b des Rezirkulationskanals durchbricht den Außenumfang der Lagerbuchse 16 im Bereich des Dichtungsspaltes 40. Eine dritte Öffnung 344c des Rezirkulationskanals mündet radial außerhalb des oberen Axiallagers im Bereich des Übergangs des radialen Abschnitts 22b des Lagerspalts 22 und dem aufgeweiteten Spalt 38. Somit kann das Lagerfluid vom unteren Spalt 46 über den Rezirkulationskanal 344 in den Dichtungsspalt 40 gelangen und zugleich auch in den Bereich der Öffnung 344c, wo es durch die Pumpwirkung des oberen Axiallagers wieder in den Lagerspalt zurückbefördert wird.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems, welche zum größten Teil dem Lagersystem gemäß 1 bzw. 4 entspricht. In 5 sind gleiche Bauteile mit den selben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Es ist wiederum ein die Lagerbuchse 416 vollständig durchlaufender Rezirkulationskanal 444 vorhanden, dessen eine Öffnung 444a in den Spalt 46 am geschlossenen Ende des Lagers mündet, und dessen andere Öffnung 444c in den Übergangsbereich zwischen dem Lagerspalt 22b und den erweiterten Spalt 38 mündet. Ein Durchbruch des Rezirkulationskanals 444 am Außendurchmesser der Lagerbuchse 416 im Bereich des Dichtungsspaltes 40 ist hier nicht vorgesehen, könnte aber durch eine Querbohrung in der Lagerbuchse 416 auf Höhe des Dichtungsspaltes 40 hergestellt werden.
Wie in 1 ist auch in 5 ein ringförmiges Bauteil 42 als Stopperelement vorgesehen, welches an den Dichtungsspalt 40 angrenzt und zugleich Teil eines Wet-Stopper-Systems ist. Das ringförmige Bauteil 42 weist einen stufenförmigen Ansatz auf, dessen Innenumfang den Außenumfang eines ringförmigen Ansatz 28a der Nabe 28 umschließt. Das ringförmige Bauteil 42 und dessen Befestigung an der Nabe 28 wurde bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 beschrieben. Diese Beschreibung gilt gleichermaßen für 5.

10: Feststehende Anordnung
12: Rotierende Anordnung
14: Basisplatte
16: Lagerbuchse
16a: Stopperflansch
18: Statoranordnung
20: Welle
22: Lagerspalt
22a: Abschnitt d. Lagerspalts
22b: Abschnitt d. Lagerspalts
24: Radiallager
26: Radiallager
28: Nabe
28a: Ansatz
30: Magnet
32: Abdeckplatte
34: Metallplatte
36: Axiallager
38: Spalt (erweitert)
40: Dichtungsspalt
42: Ringförmiges Bauteil (Stopper)
44: Rezirkulationskanal
44a: Öffnung
44b: Öffnung
46: Spalt (Abdeckplatte)
50: Rotationsachse
116: Lagerbuchse
116a: Stopperflansch
144: Rezirkulationskanal
144a: Öffnung
144b: Öffnung
144c: Teilabschnitt
144d: Teilabschnitt
216: Lagerbuchse
216a: Stopperflansch
228: Nabe
228a: Ansatz
244: Rezirkulationskanal
244a: Öffnung
244b: Öffnung
244c: Teilabschnitt
244d: Teilabschnitt
246: Stopperplatte
316: Lagerbuchse
316a: Stopperflansch
344: Rezirkulationskanal
344a: Öffnung
344b: Öffnung
344c: Öffnung
416: Lagerbuchse
416a: Stopperflansch
444: Rezirkulationskanal
444a: Öffnung
444c: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004007557 A1 [0003]
- US 7201517 B2 [0004]

Claims

Fluiddynamisches Lager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welches umfasst: ein erstes Lagerbauteil (16; 216) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Bohrung, ein im Wesentlichen zylindrisches zweites Lagerbauteil (20), das in der Bohrung des ersten Lagerbauteils (16; 216) angeordnet und relativ zu diesem um eine Rotationsachse (50) drehbar gelagert ist, wobei die Lagerbauteile einander zugeordnete Radiallagerflächen und Axiallagerflächen, oder konische Lagerflächen aufweisen, einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (22), der einander zugewandte Oberflächen der beiden Lagerbauteile (16; 216, 20) voneinander trennt und ein offenes Ende und ein entfernt von diesem angeordnetes geschlossenes Ende aufweist, einen Dichtungsspalt (40), der zwischen einem Außenumfang des ersten Lagerbauteils (16; 216) und einem Innenumfang eines mit dem zweiten Lagerbauteil (20) verbundenen Bauteils angeordnet ist und direkt oder indirekt mit dem Lagerspalt (22) verbunden ist, einen Rezirkulationskanal (44; 144; 244; 344; 444), der im ersten Lagerbauteil (16; 116; 216; 316; 416) angeordnet ist und das geschlossene Ende des Lagerspalts (22) direkt oder indirekt mit dem offenen Ende des Lagerspalts verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (44; 144; 244; 344; 444) am Außenumfang des ersten Lagerbauteils (16; 216) mit dem Dichtungsspalt (40) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende (44b; 144b; 244b; 344b)) des Rezirkulationskanals (44; 144; 244; 344) den Außenumfang des ersten Lagerbauteils (16; 216) im Bereich des Dichtungsspalts (40) durchbricht.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein anderes Ende (44a; 144a; 244a; 344a; 344a) des Rezirkulationskanals (44; 144; 244; 344; 444) eine Stirnseite des ersten Lagerbauteils (16; 216) durchbricht.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (44; 344) aus einem einzelnen schräg zur Rotationsachse (50) verlaufenden Kanal besteht.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (44; 344) als einzelne Bohrung ausgebildet ist, die den Außenumfang des ersten Lagerbauteils (16) durchbricht.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (444) als einzelne Bohrung ausgebildet ist, die den Außenumfang des ersten Lagerbauteils (16) durchbricht und gleichzeitig beide Stirnseiten des ersten Lagerbauteils miteinander verbindet.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (144) einen im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse (60) verlaufenen Teilabschnitt (144c) und einem im Wesentlichen senkrecht dazu verlaufenden Teilabschnitt (144d) umfasst
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (244) einen im Wesentlichen schräg zur Rotationsachse (50) verlaufenen Teilabschnitt (244c) und einen im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Teilabschnitt (244d) umfasst.
Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (144, 244) als Sackbohrung ausgebildet ist, die über eine Querbohrung (144d; 244d) mit dem Dichtungsspalt (40) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rezirkulationskanal (44; 144; 244) nur teilweise über die axiale Länge des ersten Lagerbauteils (16; 216) erstreckt.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Axiallager (36) durch einander zugewandte Lagerflächen des ersten Lagerbauteils (16; 216) und einem mit dem zweiten Lagerbauteil verbundenen Rotorbauteil (28; 228) gebildet wird, wobei diese Lagerflächen durch einen radial verlaufenden Abschnitt (22b) des Lagerspalts (22) voneinander getrennt sind.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Axiallager durch eine am geschlossenen Ende des Lagers and der Welle angeordnete Druckplatte (246) und zugeordnete Lagerflächen des ersten Lagerbauteils (216) und/oder einer das Lager verschließenden Abdeckplatte (32) gebildet wird.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem zweiten Lagerbauteil verbundene Bauteil (42) ein ringförmiges Bauteil ist und einen Innenumfang aufweist, der mit einem Außenumfang eines ringförmigen Ansatzes (28a) eines mit dem zweiten Lagerbauteil (20) verbundenen Rotorbauteils (28) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenumfang des ringförmigen Bauteils (42) gemeinsam mit dem Außenumfang des ersten Lagerbauteiles (16; 116; 216; 316; 416) eine konische Kapillardichtung ausbildet.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet wird.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Drehlagerung eines Spindelmotors für den Einsatz in einem Festplattenlaufwerkverwendet wird.