DE102007051774A1

DE102007051774A1 - Fluid-Lager mit verbesserten Abriebeigenschaften

Info

Publication number: DE102007051774A1
Application number: DE102007051774A
Authority: DE
Inventors: Lei Jiang; Martin Dr. Bauer; Hüseyin Taner Baytekin
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: DE102007051774B4; US20090110337A1

Abstract

Radiales Fluidlager mit verbesserten Abriebeigenschaften im Betriebszustand des Anlaufes und Auslaufes, wobei die Lagerstruktur im Bereich zwischen einer Lagerbuchse und einer die Lagerbuchse durchgreifenden Welle ausgebildet ist und aus mehreren, im Abstand voneinander angeordneten Nuten besteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Nutentiefe des Radiallagers gegenüber dem Stand der Technik vermindert ist, wobei eine Nutentiefe von kleiner als 3 Mikrometer bevorzugt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluid-Lager mit verbesserten Abriebeigenschaften nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Fluid-Lager werden in der Regel in Miniaturmotoren eingesetzt, z. B. in Lüftern oder in Spindelmotoren für den Antrieb von Festplatten.
Es ist bekannt, ein solches Fluid-Lager als Axial- als auch als Radiallager auszubilden. In der Regel werden ein oder zwei Axiallager in gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet. Ferner sind mindestens ein Radiallager in einem Abstand zu den Axiallagern vorgesehen.
Ein wesentliches Problem ist dabei, dass beim Anlaufen und im Auslauf eines solchen Fluid-Lagers die dazu benötigte (Betriebs)Zeit unerwünscht lang ist. Problematisch ist, dass das Lager in diesen Betriebszuständen nicht mehr trägt, weil der Flüssigkeitsfilm zusammenbricht. Damit besteht der Nachteil, dass in diesen Betriebszuständen unerwünschte Abrieb-Erscheinungen entstehen. Abgeriebene Partikel werden in das Öl eingetragen und können auf längere Sicht gesehen zu einem Fraß und somit zu einer verkürzten Lebensdauer des Lagers führen.
Fertigungstechnisch besteht der weitere Nachteil bei Lagern mit relativ hoher Nutentiefe der Radiallager-Rillen darin, dass durch nichtzylindrische Abweichungen in der Lagerbohrung (Taper) sowie durch ungenaue Fertigung der Pumpstrukturen (Erosion) die Pumpstrukturen unerwünschte Druckverteilungen erzeugen. Insbesondere kann dadurch eine für die Lagerfunktion notwendige Pumprichtung, die durch die Pumpstrukturen in axialer Richtung auf das Lagerfluid ausgeübt wird, ungewollt abgeschwächt oder verstärkt werden, wodurch insbesondere das Problem auftreten kann, dass insbesondere im Bereich eines vertieften Lagerspaltes, dem sogenannten Separatorbereich zwischen dem oberen und dem unteren Radiallager sowie im Übergangsbereich zwischen einem Radiallager und einem benachbarten Axiallager Unterdruckzonen entstehen können, was wiederum ein Ausgasen von in dem Lagerfluid enthaltener gelöster Luft zur Folge haben kann, wodurch bei Ansammlung einer hinreichenden Menge an Luft die gegenüber liegenden Lagerflächen in einem mechanischen Kontakt treten können, was wiederum den Ausfall des Lagersystems zur Folge hat. Insbesondere entstehen unerwünschte Lagerzustände dann, wenn diese unerwünschten Druckverteilungen sogar zu Unterdruckzonen führen, in die Luft eingetragen wird, so dass die Lagerstruktur nicht mehr trägt. Damit ist die Tragfähigkeit des Lagers insgesamt beeinträchtigt.
Es ist bisher bekannt, bei Radiallagern im Mittel eine Nutentiefe im Bereich von etwa 3 bis 7 Mikrometern vorzusehen. Abgesehen davon, dass die Herstellung einer solchen definierten Tiefe relativ schwierig und teuer ist, besteht bei derartigen Lagern mit entsprechenden Nutentiefen der vorher genannte Nachteil.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Fluid-Lager mit verbesserten Abriebeigenschaften vorzusehen, bei denen insbesondere im Anlauf und im Auslauf ein verminderter Abrieb gegeben ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass erfindungsgemäß mindestens die Nutentiefe des verwendeten Radiallagers gegenüber dem Stand der Technik vermindert ist, wobei eine Nutentiefe bevorzugt wird, die kleiner als der mittlere Lagerspalt im Bereich der Radiallager ist.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass ein Radiallager vorgeschlagen wird, bei dem die Nutentiefe entscheidend gegenüber der Nutentiefe beim Stand der Technik vermindert ist. Es handelt sich um eine Verminderung von mindestens der Hälfte, wenn nicht sogar zu einem Drittel bekannter Nutentiefen, wodurch eine höhere Tragfähigkeit für das Radiallager erzeugt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Nutentiefe im Bereich kleiner als 3 Mikrometer, besonders bevorzugt im Bereich von kleiner 1 bis 2 Mikrometer und größer als 0 Mikrometer.
Bei der Verwirklichung der Erfindung ist es im Übrigen gleichgültig, in welchem der Teile des Lagers die Lagerstruktur angeordnet ist. Die radiale Lagerstruktur mit den Nuten verminderter Tiefe kann entweder im Bereich der Welle und/oder im Bereich der Lagerbuchse angeordnet sein.
Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Nutenbreite im wesentlichen dem Stand der Technik entspricht, nur ist lediglich bei dem erfindungsgemäßen Radial-Lager die Nutentiefe und bzw. oder die Länge der Lagerstrukturen entscheidend vermindert. Typische Nutenbreiten sind beim Stand der Technik etwa 100 bis 250 Mikrometer.
Hierbei ist bevorzugt, wenn der Abstand zwischen der nicht durch Nuten beeinflussten Lagerstruktur und der Oberfläche der Welle, d. h. der Lagerspaltbreite im Verhältnis zur beanspruchten Nutentiefe gesetzt wird.
Hierbei wird es bevorzugt, wenn diese Nutentiefe kleiner als die Lagerspaltbreite (Gap) ist. Die erfindungsgemäße Veränderung der Nutentiefe des Fluidlagers beeinflusst das Frequenzverhalten des Motors.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben, dass die mittlere Strukturtiefe der Radiallagernuten, die definiert ist als der Quotient aus der Summe des Volumens sämtlicher Radiallagernuten geteilt durch die Radiallagerfläche, kleiner ist als ein Mikrometer, bevorzugt sogar kleiner als ein halber Mikrometer. Dabei wird unter der Radiallagerfläche der Bereich des engen Radiallagerspaltes verstanden inklusive eines sich eventuell axial an den genuteten Bereich anschließenden ungenuteten Bereich, der sogenannten „quiet zone", jedoch exklusive einem Bereich mit vertieftem Radiallagerspalt, wie etwa dem Separatorbereich, der sich in der Regel zwischen zwei Radiallagern befindet, sowie ohne eine sich an den engen Radiallagerspalt anschließende Fase bzw. Schräge, die in einen vertieften Radiallagerbereich mündet.
Zwar wird durch die erfindungsgemäße Verringerung der Nutentiefe bzw. der mittleren Strukturtiefe der Radiallagernuten die Übertragungsfunktion im niederfrequenten Bereich schlechter, dafür verbessert sich aber diese Eigenschaft im hochfrequenten Bereich.
Unter der Übertragungsfunktion wird hierbei die relative Auslenkung der Speicherplatte in Richtung zu dem ortsfesten Rahmen der Speicherplatte verstanden, und zwar als Funktion der anregenden Frequenz.
Die Verschlechterung der Übertragungsfunktion einer Speicherplatte im niederfrequenten Bereich zwischen 100 bis 200 Hz kann durch elektronische Mittel ausgeglichen werden und spielt deshalb bei der Verringerung der Nuttiefe keine Rolle mehr. Diese Erkenntnis nutzt die Erfindung aus. Eine Verringerung der Nutentiefe war bisher beim Stand der Technik aus diesem Grund abgelehnt worden.
Wesentlich ist jedoch, dass bei der erfindungsgemäßen Verringerung der Nutentiefe die Übertragungsfunktion im höherfrequenten Bereich etwa zwischen 1.000 bis 2.000 Hz wesentlich verbessert wird, wodurch auch die akustischen Emissionen eines Motors mit einem entsprechenden Lager innerhalb dieses Frequenzbereiches vermindert werden. Erschütterungen, die in diesem Frequenzbereich liegen, stören den Schreib-Lese-Vorgang nicht mehr, was beim Stand der Technik nicht der Fall war.
Mit der im Bereich des (oder der mehreren) Radiallager(s) erfindungsgemäß verminderten Nutentiefe wird der wesentliche Vorteil erreicht, dass beim Anlaufen sowie beim Auslaufen des Lagers ein kürzerer Abhebe- bzw. Absinkvorgang stattfindet, d. h. eine kürzere Zeit, innerhalb der das Lager beginnt zu tragen. Diese Tragzeit (Liftoff, Takeoff) ist wesentlich verkürzt und damit wird der Abrieb im entscheidenden Maße verringert. Insgesamt wird damit erreicht, dass die dem Abrieb (wear) während des Anlaufens unterliegenden Lagerstrukturen eine wesentlich geringere Berührungsstrecke mit den gegenüberliegenden feststehenden Lagerstrukturen haben, wodurch der Abrieb entscheidend verringert und die Lebensdauer des Lagers somit deutlich verlängert wird.
Die gleichen Verhältnisse gelten in analoger Weise für das Auslaufverhalten eines derartigen Flüssigkeitslagers. Auch dort wird eine größere Zeit verwendet, innerhalb der das Lager trägt und nur in einer relativ kurzen Zeit (bzw. einer kurzen Wegstrecke) trägt das Lager dann nicht mehr und die in diesem Bereich entstehenden Abrieberscheinungen sind deshalb wesentlich vermindert.
Das Anlaufverhalten eines solchen Lagers wird nachfolgend näher erläutert:
Da beim Starten bei unverändertem elektromotorischen Antrieb stets das gleiche Anlaufdrehmoment auf das Flüssigkeitslager ausgeübt wird, erfolgt bei einer bestimmten Drehzahl ein Abheben des Lagers, d. h. ein Tragfähigwerden der Lagerstrukturen nach einer bestimmten Anlaufzeit. Beim Stand der Technik ist notwendigerweise die Drehzahl, bei der das Abheben der Welle (Liftoff, Takeoff) stattfindet größer als bei der vorliegenden Erfindung, weil die größeren Nutentiefen zunächst das Fluid aufnehmen, bevor die Tragfähigkeit einsetzt. Mit der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung (Verminderung der Nutentiefe bzw. der mittleren Strukturtiefe von Radiallagern) wird der wesentliche Vorteil erreicht, dass der Herstellungsprozess wesentlich verkürzt und damit kostengünstiger gestaltet werden kann und qualitativ hochwertiger wird, weil Nebeneffekte, wie z. B. Überbrennen (Erosion), die bei der elektrochemischen Herstellung der Nuten mit erheblicher Tiefe geschehen können, deutlich geringer ausfallen.
Als Anschauungsbild für die Funktion der vorliegenden Erfindung kann der Begriff des Aquaplaning verwendet werden. Es ist bekannt, dass Reifen mit verringerter Profiltiefe einen Aufschwimmeffekt auf flüssigkeitsbenetzten Straßenbelägen aufweisen. Dieser Aquaplaningeffekt soll nach der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, und deshalb ist es wichtig, dass das Radiallager eine so geringe Nutentiefe aufweist, dass ein solcher Aquaplaningeffekt sobald wie möglich nach dem Anlauf des Motors eintritt.
Die nach der Erfindung angestrebte Nutentiefe sollte also tiefer sein, als die durch den Herstellungsprozess erzeugte natürliche Rauhigkeit, um eine Tragfähigkeit eines Radiallagers überhaupt zu erzeugen. Die Rauhigkeit R_a der Lagerbohrung beträgt i. a. weniger als 0,5 Mikrometer.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
1: Schnitt durch ein Lager in üblicher Bauweise
2: eine Lagerstruktur eines Lagers mit angeschlossenem Motor und ungleichmäßiger Lagerstruktur eines Radiallagers
3: zeigt ein Doppelaxial-Fluid-Lager mit stehender Welle und entsprechendem Antriebssystem
4: ein Lager mit unterschiedlichen ausgebildeten Radiallagern
5: Abwicklung eines Radiallagers mit einer ersten Lagerstruktur
6: Abwicklung eines Radiallagers mit einer zweiten Lagerstruktur
7: Abwicklung eines Radiallagers mit einer dritten Lagerstruktur
A: die Nutentiefe eines zum Stand der Technik gehörenden Radiallagers
8a: die Nutentiefe eines Lagers nach der Erfindung
8b: das Höhenprofil des Radiallagers gemäß der 6
9: die Transferfunktion einer Festplatte mit auf der Ordinate aufgezeichnete relative Auslenkung der Speicherplatte normiert auf die Beschleunigung in Verbindung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz, welche das System extern in radiale Schwingungen anregt
10: der Vergleich eines Radiallagers mit verminderter Nutentiefe mit einem Fluidlager in Abhängigkeit von der Tragfähigkeit eines Lagers als Funktion von der Exzentrizität der Welle
11: die Abhängigkeit der Drehzahl ab Tragfähigkeit des Lagers im Verhältnis zu dem minimalen Lagerspalt bezogen auf unterschiedliche Nutentiefen der radialen Lagerstrukturen
In 1 ist allgemein ein Lager 1 dargestellt, welches aus einem inneren Lagerring 2 besteht, der entweder rotierend oder feststehend ausgebildet ist. Der innere Lagerring 2 bildet hierbei eine Mittenausnehmung aus, durch die beispielsweise eine Welle oder eine Nabe hindurchgreift.
Der innere Lagerring 2 ist drehfest mit einem mittleren Lagerring 6 verbunden, mit dem der gegenüberliegende äußere Lagerring 3 mehrere unterschiedliche Lager ausbildet.
Im Bereich zwischen der oberen und unteren Axiallagerplatte 4, 5 werden die beiden Axiallager 7, 8 ausgebildet.
Im radialen auswärtsgerichteten Bereich des mittleren Lagerrings 6 bildet sich im radialen Bereich in Richtung auf den äußeren Lagerring 3 das erfindungsgemäße Radiallager 10 aus. Im Bereich dieses Radiallagers 10 ist in an sich bekannter Weise der radiale Lagerspalt 11 ausgebildet.
Das Radiallager 10 zeigt als Beispiel eine Lagerstruktur 9, die entsprechend den Darstellungen in den 5 bis 7 abgewandelt ausgebildet sein kann.
2 zeigt eine andere Lagerstruktur eines Lagers, wobei die Lagerstruktur 9 des Radiallagers ungleichmäßig ausgebildet ist und aus einer oberen Lagerstruktur und einer asymmetrisch hierzu angeordneten unteren Lagerstruktur besteht. Die Lagerstrukturen sind jeweils sinusförmig ausgebildet.
Damit wird die Lagerstruktur 9 durch ein oberes Radiallager 30 und ein unteres Radiallager 31 ausgebildet. Die beiden Radiallager sind im Bereich einer Lagerbuchse 17 angeordnet, die von einer Welle 18 durchgriffen ist.
Die Welle 18 ist drehend angetrieben. Der Drehantrieb der Welle 18 erfolgt hierbei über die Nabe 20, die über den Rotorrückschluss 26 mit einem Rotormagneten 25 verbunden ist. Mit 28 ist ein fluidisches Axiallager bezeichnet.
Das Lager wird von unten durch eine Abdeckplatte 22 abgedichtet und es ist im unteren Bereich ein Rezirkulationskanal 33 vorhanden, der die Verbindung zwischen dem Axiallager 28 und dem im Bereich der Abdeckplatte 22 angeordneten Axiallager herstellt.
Die Statoreinheit 23 weist eine Spulenwicklung 24 auf und ist mit der Basisplatte 27 verbunden.
Die 3 zeigt eine ähnliche Lagerstruktur, wobei ebenfalls ein oberes Radiallager 30 im Abstand zu einem unteren Radiallager 31 angeordnet ist und dazwischen ein Separatorbereich 32 vorgesehen ist. Der Separatorbereich 32 ist mit Flüssigkeit gefüllt und bildet einen größeren Lagerspalt als vergleichsweise der Lagerspalt im Bereich der Radiallager 30, 31, um Reibungsverluste in diesem Bereich zu minimieren.
Es ist ein oberes Axiallager 35 gegenüberstehend zu einem unteren Axiallager 36 angeordnet.
Ansonsten gelten für die gleichen Teile die gleichen Bezeichnungen, wie sie anhand der 2 erwähnt wurden.
Die 4 zeigt ein weiteres Lager, wobei das in 2 unten dargestellte Axiallager, welches im Bereich der Abdeckplatte 22 ausgebildet ist, nun nach oben in den Bereich zwischen der Oberseite der Lagerbuchse und der Unterseite der Nabe verlegt ist. Zusätzlich zum fluiddynamischen Axiallager 28 wird ein magnetisches Gegen-Axiallager 29 gebildet durch einen axialen Versatz (magnetic offset) von Rotormagnet 25 und Statoreinheit 23 zueinander und alternativ oder zusätzlich durch einen axial unterhalb des Rotormagneten an der Basisplatte befestigten ferromagnetischen Ring 46 (attractive plate).
Es sind wiederum zwei Radiallager vorhanden, die asymmetrische Lagerstrukturen 9 ausbilden, wobei das obere Radiallager mit 30 und das untere mit 31 bezeichnet sind. Beide Radiallager 30, 31 sind durch den Seperatorbereich 32 voneinander getrennt.
Die drehende Welle 18 ist drehfest mit der Nabe 20 verbunden. Der Begrenzungsring 21 soll verhindern, dass die Welle 18 nach oben herausfallen kann. Ein Axiallager 28 ist im Bereich zwischen der Oberseite der Lagerbuchse 17 und der Unterseite der Nabe 20 angeordnet. Das Axiallager 28 besteht aus einen radial innen liegenden Teil mit einem engen Axiallagerspalt und einem radial außen liegenden Teil, der einen erweiterten Lagerspalt aufweist und an eine Kapillardichtung 12 angrenzt, die zwischen dem Außenumfang der Lagerbuchse 17 und der gegenüber liegenden Innenwandung der Nabe 20 gebildet wird. Ein Rezirkulationskanal 33 verbindet die Unterseite der Welle 18 mit dem radial außen liegenden Teil des Axiallagers 28. Bevorzugt kann dieser Rezirkulationskanal 33 jedoch auch fehlen, da aufgrund der geringeren Nutentiefe der Radiallager 30, 31 eine leicht konische Abweichung der Lagerbohrung im Bereich der Radiallager eine im Vergleich zum Stand der Technik geringere Druckabweichung vom geforderten Druckprofil aufweist.
In den Ausführungsbeispielen ist auch eine Kapillardichtung 12 angegeben.
In den 5 bis 8 sind verschiedene Lagerstrukturen von Radiallagern dargestellt.
Die Lagerstrukturen sind mit den Buchstaben a, b, c und d bezeichnet. Die Lagernut 13a in 5 ist etwa sinusförmig ausgebildet, während die Lagernut 13b nach 6 ein Fischgrätmuster ausbildet, die Lagerstruktur 13c in 7 Halbsinuskurven ausbildet, die versetzt zueinander angeordnet sind und die Lagerstruktur 13d in 8 weitgehend der in der 6 entsprechen, wobei der Mittenbereich jedoch keine Rillen aufweist, wodurch die Lagerstrukturen aus mehreren, paarweise zueinander gerichteten Linienstrukturen bestehen, die jedoch nicht zusammenhängend ausgebildet sind.
Ein Schnitt durch eine Lagerstruktur gemäß dem Schnitt A-A in den 5 bis 8 führt zu der erfindungsgemäßen neuartigen Nutausbildung der Lagernut 13a–13c. Im Vergleich zu der A ist deutlich der Unterschied zum Stand der Technik dargestellt.
Die A zeigt hierbei, dass die mittlere Tiefe der Lagernut, die als Nutentiefe 14 angegeben ist, etwa beim Stand der Technik im Bereich von 3 bis 7 Mikrometer liegt.
Entscheidend ist nun, dass nach der Erfindung in 8a diese Nutentiefe 14 wesentlich gegenüber dem Stand der Technik vermindert ist und nur noch ein Bruchteil der herkömmlichen Nutentiefe darstellt. Die Mindestnutentiefe 14 sollte hierbei höchstens der Breite des Lagerspaltes entsprechen.
Die A und 8a zeigen eine idealisierte Rechteck-Form der Nut im Bereich der Radiallager. Fertigungstechnisch kann eine solche Rechteckform jedoch kaum erreicht werden. In der Regel sind die Kanten des Rechtecks abgeschliffen. Dies spielt jedoch für die entscheidende Verringerung der Nutentiefe keine Rolle.
Die 8b zeigt das Höhenprofil des erfindungsgemäßen Radiallagers gemäß der 8 entlang der Schnittlinie C-C. Erkennbar ist die Nutentiefe 14 der Lagernut 13 sowie die Lagerbreite der Radiallagerfläche, die aus dem Bereich des engen Lagerspaltes besteht, inklusive dem ungenutenten Bereich (Land) 44 zwischen dem oberen und dem unteren Ast der Radiallagernuten 13 sowie inklusive dem sich axial an den genuteten Bereich anschließenden ungenuteten Bereich der sogenannten „Quiet Zone" 43, soweit dieser noch einen engen Lagerspalt aufweist. Nicht zur eigentlichen Radiallagerfläche werden hingegen der Separatorbereich 32 sowie der Übergangsbereich der Fase bzw. Schräge (chamfer) 45 gerechnet, da in diesen Bereichen der Lagerspalt deutlich gegenüber dem Radiallagerspalt vergrößert ist.
Die 9 zeigt nun die Verbesserung der Transferfunktion eines Festplattensystems mit der erfindungsgemäßen Lagerstruktur bei verringerter Nutentiefe bzw. geringerer mittlerer Strukturtiefe der Radiallagernuten.
Die Figur beschreibt eine Übertragungsfunktion der Festplatte, die grundsätzlich aus folgenden Elementen besteht: Lagersystem, Antriebssystem, Grundplatte und mindestens einer Speicherplatte.
Wird dieses System nun extern mit einer bestimmten Anregungsfrequenz angeregt, dann soll die Speicherplatte eine möglichst geringe relative Auslenkung erfahren, um den Schreib- oder Lesevorgang auf der Speicherplatte nicht zu stören.
Es handelt sich hierbei um eine normierte Darstellung der Auslenkung, die (genauer gesagt) aus dem Auslenkungsweg geteilt durch die Beschleunigung errechnet wird.
Bei der Betrachtung dieser Übertragungsfunktion nach 9 stellt sich nun heraus, dass bei niedrigen Anregungsfrequenzen nach dem Stand der Technik (siehe gestrichelte Kurve) bei Position 15 eine relativ niedrige Auslenkung der Speicherplatte erreicht wird, was angestrebt wird. Dies wird Dank der hohen Nutentiefe 14' erreicht, wie sie in A als Stand der Technik dargestellt ist.
Nach diesem Maximum bei Position 15 wird ein Minimum der Kurve bei Position 16 erreicht und danach stellt sich bei höheren Anregungsfrequenzen ein Maximum bei Position 37 ein. Dass heißt, bei höheren Anregungsfrequenzen im Bereich von etwa 1.000 bis 2.000 Hz wird beim Stand der Technik eine unerwünscht hohe Auslenkung der Speicherplatte in Kauf genommen.
Bei Position 15 entspricht die Anregungsfrequenz etwa der halben Drehzahl des Lagers, während bei Position 16 ein unbestimmter Bereich ist und bei Position 37 eine Abhängigkeit mit der Drehzahl des Lagers nicht mehr herstellbar ist, vielmehr gilt:
wobei K die Quersteifigkeit („rocking stiffness") der Basisplatte und J die Massenträgheit des Rotors mitsamt der Speicherplatte inklusive Lagerbuchse und Stator ist.
Bei Betrachtung der Übertragungsfunktion in 9 stellt sich nun heraus, dass bei der Erfindung zwar im niedrigen Anregungsfrequenzbereich von etwa 100 bis 200 Hz in an sich ungünstiger Weise ein Maximum bei Position 15' erzielt wird. Es wurde jedoch schon im allgemeinen Beschreibungsteil darauf hingewiesen, dass eine solche Anregungsfrequenz im niedrigen Bereich durch entsprechende Servo-Regelmechanismen für den Schreib-Lesekopf des Speicherplattenlaufwerkes ausgeglichen werden kann, so dass dieser Nachteil keine gravierende Folge für die Verwirklichung der Erfindung hat.
Insbesondere werden verbesserte Regelalgorithmen des Schreib-Lese-Kopfes bei der Ansteuerung der Speicherplatte verwendet, so dass dieser erhöhte Bereich bei Position 15' eigentlich keine Rolle spielt. Die Erfindung setzt sich also über das Vorurteil hinweg, bei niedrigen Anregungsfrequenzen eine möglichst niedrige Auslenkung der Speicherplatten zu erreichen.
Wichtig ist nun, dass sich im Anschluss an die Position 16 in Richtung auf die höheren Anregungsfrequenzen in einem Bereich von etwa 1.000 bis 3.000 Hz lediglich eine deutlich verminderte Anhebung bei Position 37' nach der Erfindung ergibt.
Dort werden gegenüber dem Stand der Technik deutlich geringere Auslenkungen der Speicherplatte erzielt. Dies ist wichtig, denn bei diesen hohen Anregungsfrequenzen können keine Regelalgorithmen mehr eingesetzt werden, die zwar im Frequenzbereich von 100–200 Hz gut funktionieren, nicht aber mehr in den höheren Bereichen um 1500 Hz.
Die Auslenkung des Schreib-Lese-Kopfes der Speicherplatte kann also durch Regelalgorithmen in diesem Bereich nicht beherrscht werden. Hier setzt die Erfindung ein, die erkannt hat, dass die Nachteile der Auslenkung der Speicherplatte in niedrigen Frequenzbereichen durch Antischock-Maßnahmen beherrschbar sind, und dass diese Antischock-Maßnahmen im höheren Frequenzbereich jedoch nicht mehr wirken.
Hieraus ergibt sich der Vorteil der Erfindung, der zeigt, dass eine Minimierung der Übertragungsfunktion bei höheren Anregungsfrequenzen des Gesamtsystems, – wie es bei Position 37' angegeben ist – wichtiger ist, als die Minimierung im niedrigen Frequenzbereich.
Die 10 zeigt die Abhängigkeit der Tragkraft des Lagers im Vergleich zur Exzentrizität der Welle gegenüber der Buchse. Es sind hierbei zwei verschiedene Lagerstrukturen eingezeichnet. Mit dem ausgefüllten Rechteckkästchen ist hierbei ein Gleitlager ohne Lagernuten gezeichnet, während mit den runden Punkten ein Radiallager mit üblicher Nutentiefe nach dem Stand der Technik eingezeichnet ist. Aus der Darstellung nach 10 ergibt sich Folgendes:
Das Exzentrizitätsmaß ist hierbei bezogen auf einen gleichmäßigen Lagerspalt. Wenn man Exzentrizität × Breite des Lagerspaltes multipliziert, bekommt man die Auslenkung der Welle aus dem Zentrum, und dies ist als Exzentrizitätsmaß in 10 auf der Abszisse angegeben.
Es ergibt sich, dass bei niedrigen Exzentrizitätsmaßen die Tragkraft eines Gleitlagers im Vergleich mit einem Radiallager nach dem Stand der Technik wesentlich schwächer ist. Das Radiallager mit üblicher Nutentiefe weist im Bereich etwa zwischen 0,0 bis 0,3 Exzentrizitätsmaß eine gegenüber einem Gleitlager überlegene Trageigenschaft auf.
Der Anlauf des Lagers startet bei maximaler Exzentrizität, weil die Lagerstrukturen aneinander liegen und sich berühren.
Bei hoher Exzentrizität etwa im Bereich zwischen 0,4 bis 0,7 ist jedoch die Tragfähigkeit eines Gleitlagers der eines mit üblichen Nutentiefen versehenen Radiallagers weit überlegen. Hier setzt die Erfindung ein, die erfindungsgemäß vorsieht, dass sich die Tragfähigkeit des erfindungsgemäßen Radiallagers an die der Gleitlagerkurve in 10 annähert. Damit sind die wesentlichen Vorteile der Erfindung klar gegenüber einem Radiallager mit üblicher Nutentiefe (runde Punkte in 10) dargestellt.
Die 11 zeigt hierbei die Abhängigkeit eines minimalen Lagerspaltes in Mikrometer im Vergleich zur Drehzahl ab Erreichen der Tragfähigkeit. Hier ist das Lager nach der Erfindung einem Lager nach dem Stand der Technik gegenübergestellt.
Bei einer Drehzahl bei Position 38 erreicht das Lager gemäß der Erfindung bereits schon den „Liftoff", d. h. es erhält sehr früh seine Tragfähigkeit, während ein herkömmliches Lager nach dem Stand der Technik diesen Bereich erst bei viel höheren Drehzahlen bei einer Position 39 erreicht.
Man sieht, dass vom Nullpunkt aus bis zur Position 38 der Lagerspalt gleichbleibend ist, weil ja die Lagerstrukturen aneinander anliegen. Erst nach Position 40 erfolgt die erfindungsgemäße Abhebebewegung der Lagerstruktur und damit die Herstellung der Tragfähigkeit des Lagers, die – wie dargestellt bei Position 41 – bei einem herkömmlichen Lager wesentlich später hergestellt wird. Im Bereich zwischen der Position 42 und der Position 40 hebt sich somit das erfindungsgemäße Lager erst einmal schräg an gegenüber dem Lagerspalt, um sich dann aufzurichten, während diese Anhebebewegung zwischen Position 42 und 41 bei einem Lager des Standes der Technik wesentlich länger dauert.
Bei dieser Darstellung wird vorausgesetzt, dass die Welle horizontal liegt, um die Lagerverhältnisse in der gezeichneten Form darstellen zu können.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich also der wesentliche Vorteil, dass gemäß der Darstellung in 9 auch bei höheren Anregungsfrequenzen das Lager stabil bleibt und nicht die Anregungsstöße auf eine Speicherplatte oder bzw. auf einen Schreib- und Lesekopf einer Speicherplatte überträgt.
Weiterer Vorteil der Erfindung ist der wesentlich geringere Abrieb (wear), der wegen des verbesserten Anlauf- und Auslaufverhaltens zu einer wesentlich höheren Lebensdauer des Lagers führt. Untersuchungen haben ergeben, dass die Lebensdauer eines mit verringerter Nutentiefe ausgerüsteten Lagers mit entsprechenden radialen Lagerstrukturen gegenüber einem herkömmlichen Lager mit vertieften Lagerstrukturen weit verlängert ist.

1: Lager
2: innerer Lagerring
3: äußerer Lagerring
4: Axiallagerplatte oben
5: Axiallagerplatte unten
6: mittlerer Lagerring
7: oberes Axiallager
8: unteres Axiallager
9: Lagerstruktur (Radiallager)
10: Radiallager
11: Lagerspalt (radial)
12: Kapillardichtung
13: Lagernut
14: Nutentiefe
15: Position 15'
16: Position
17: Lagerbuchse
18: Welle
19: Druckplatte
20: Nabe
21: Begrenzungsring
22: Abdeckplatte
23: Statoreinheit
24: Spulenwicklung
25: Rotormagnet
26: Rotorrückschluss
27: Basisplatte
28: Axiallager (fluidisch)
29: Axiallager (magnetisch)
30: oberes Radiallager
31: unteres Radiallager
32: Seperatorbereich
33: Rezirkulationskanal
34: stehende Welle
35: oberes Axiallager (fluidisch)
36: unteres Axiallager (fluidisch)
37: Position
38: Position
39: Position
40: Position
41: Position
42: Position
43: Quiet Zone
44: Land-Bereich
45: Fase/Schräge
46: Ring

Claims

Radiales Fluidlager mit verbesserten Abriebeigenschaften im Betriebszustand des Anlaufes und Auslaufes, wobei Lagerstrukturen (9) im Bereich zwischen einer Lagerbuchse und einer die Lagerbuchse durchgreifenden Welle (18) ausgebildet sind und aus mehreren, im Abstand voneinander angeordneten Nuten (13, 13a, 13b, 13c) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutentiefe (14) der Lagernuten (13a, b, c) kleiner ist als der mittlere Lagerspalt im Bereich der Radiallager.
Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Nutentiefe (14) des Radiallagers (10) gegenüber dem Stand der Technik vermindert ist, wobei eine Nutentiefe (14) von kleiner als 3 Mikrometer bevorzugt ist.
Radiallager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutentiefe (14) größer als 0 Mikrometer ist.
Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutenbreite etwa 100 bis 200 Mikrometer beträgt.
Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutentiefe (14) tiefer ist, als die durch den Herstellungsprozess erzeugte natürliche Rauhigkeit.
Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anordnung eines oberen (30) und eines im Abstand davon angeordneten unteren Radiallagers (31) ein dazwischen ausgebildeter, ungenuteter Separatorbereich (32) angeordnet ist.
Radiallager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Separatorbereich (32) einen größeren Lagerspalt als vergleichsweise den Lagerspalt im Bereich des Radiallagers (30, 31) ausbildet.
Radiallager nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager (30, 31) zueinander asymmetrische Lagerstrukturen (9) ausbilden.
Radiales Fluidlager mit verbesserten Abriebeigenschaften im Betriebszustand des Anlaufes und Auslaufes, wobei Lagerstrukturen (9) im Bereich zwischen einer Lagerbuchse und einer die Lagerbuchse durchgreifenden Welle (18) ausgebildet sind und aus mehreren, im Abstand voneinander angeordneten Nuten (13, 13a, 13b, 13c) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Strukturtiefe der Nuten, die definiert ist als Quotient aus der Summe des Volumens aller Nuten eines Radiallagers geteilt durch die Radiallagerfläche, kleiner ist als ein Mikrometer.
Radiallager nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Strukturtiefe der Nuten kleiner ist als ein halber Mikrometer.