DE102007054272A1

DE102007054272A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102007054272A1
Application number: DE102007054272A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer; Vladimir V. Dr. Popov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Elektromotors, mit einem äußeren Lagerbauteil (10) und einem teilweise in dem äußeren Lagerbauteil angeordneten und relativ zu diesem um eine Rotationsachse drehgelagerten inneren Lagerbauteil (18), wobei die beiden Lagerbauteile Lagerflächen ausbilden, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (28) voneinander beabstandet sind. Erfindungsgemäß bildet das innere Lagerbauteil (18) eine Welle aus, während das äußere Lagerbauteil (10) zugleich eine Lagerbuchse und ein Gehäuse des Lagersystems ausbildet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Elektromotors, vorzugsweise eines Spindelmotors, wie er beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken oder auch Lüftern eingesetzt werden kann.
Stand der Technik
Motoren mit fluiddynamischen Lagersystemen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Bauformen bekannt. Insbesondere Antriebsmotoren für Festplattenlaufwerke, optische Speicherlaufwerke aber auch Lüfter müssen eine hohe Drehgeschwindigkeit bei großer Präzision gewährleisten, zugleich aber eine geringere Geräuschentwicklung aufweisen und zu geringen Kosten herstellbar sein.
Zur Drehlagerung dieser Art von Motoren haben sich in den letzten Jahren fluiddynamische Lagersysteme als erste Wahl herausgestellt. In vielen Fällen sind solche Konstruktionen von Motoren mit fluiddynamischen Lagersystemen sehr kompliziert aufgebaut und teuer in der Herstellung, wie beispielsweise ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager gemäß US 7,015,611 B2 .
Es sind auch einfacher gebaute Lagersysteme für Kleinmotoren bekannt, wie beispielsweise aus US 7,025,505 B2 . Das dort gezeigte Lagersystem ist zwar einfach und kostengünstig aufzubauen, eignet sich jedoch aufgrund des verwendeten reibungsbehafteten Axiallagers nicht für sehr hohe Drehzahlen im Bereich von 10000 U/min und darüber, wie sie heutzutage in entsprechenden Präzisionsmotoren gefordert werden.
Die US 7,008,112 B2 offenbart ebenfalls ein einfach aufgebautes Lagersystem, bei dem anstelle eines reibungsbehafteten Axiallagers ein fluiddynamisches Axiallager verwendet wird, das eine mit der Welle verbundene Druckplatte und ein eine Lagerplatte als Gegenlager umfasst. Die Welle ist in einer Sinterbuchse gelagert. Die gesamte Lageranordnung ist von einem Gehäuse umgeben, das als Tiefziehteil hergestellt ist. Ein Dichtungsspalt und Reservoir ist zwischen der Welle und einer Abdeckung angeordnet. Wird das Lager bei sehr hohen Drehzahlen betrieben, kann es aufgrund der Fliehkraft, die auf das Lagerfluid wirkt, dazu kommen, dass Lagerfluid aus dem Lager herausgedrückt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, das im Vergleich zu bekannten Lageranordnungen noch einfacher und kostengünstiger aufgebaut werden kann und dennoch eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Lagersystem zur Drehlagerung eines Elektromotors umfasst ein äußeres Lagerbauteil und ein teilweise in dem äußeren Lagerbauteil angeordnetes und relativ zu diesem um eine Rotationsachse drehgelagertes inneres Lagerbauteil, wobei die Lagerbauteile Lagerflächen ausbilden, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet sind, wobei das innere Lagerbauteil die Welle ausbildet, und das äußere Lagerbauteil zugleich die Lagerbuchse und das Gehäuse des Lagersystems ausbildet. Vorzugsweise ist das äußere Lagerbauteil im wesentlichen hohlzylindrisch und einseitig geschlossen ausgebildet.
Das vorgeschlagene fluiddynamische Lager besteht aus nur zwei, einfach zu maschinierenden Bauteilen. Die Bauteile können aus preiswerten Materialen, z. B. auch Blech oder Kunststoff, hergestellt werden. Das Lagersystem ist daher einfach und kostengünstig aufzubauen und im Betrieb dennoch sehr robust. Das Lagersystem eignet sich sehr gut für Lüftermotoren ist aber auch zur Drehlagerung von Spindelmotoren bei sehr hohen Drehzahlen geeignet.
Aufgrund der einfachen Bauweise des Lagers können die Toleranzvorgaben großzügiger festgesetzt werden, insbesondere die Toleranzvorgaben für die Breite des Lagerspaltes. Größere Toleranzen des Lagerspalts erfordern allerdings eine größere Menge an Lagerfluid bzw. ein ausreichend großes Reservoir an Lagerfluid für den Toleranz- und Temperaturausgleich.
Das Reservoir für das Lagerfluid wird durch einen Dichtungsspalt gebildet, der sich an den Lagerspalt anschließt und am offenen Ende des äußeren Lagerbauteils zwischen einander zugewandeten Oberflächen des äußeren und des inneren Lagerbauteils gebildet wird. Der Dichtungsspalt ist vorzugsweise als Kapillardichtung ausgebildet, dessen Querschnitt sich zum offenen Ende des Gehäuses monoton erweitert. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass ein Abschnitt des inneren Lagerbauteils konisch ausgebildet ist und mit einer gegenüberliegenden, konisch verlaufenden Fläche des äußeren Lagerbauteils den Dichtungsspalt begrenzt, so dass sich der radiale Durchmesser des Dichtungsspalts in Richtung zum Lagerspalt hin verringert.
Das Lagersystem kann erfindungsgemäß ein Axiallager aufweisen, das durch eine stirnseitige Fläche des inneren Lagerbauteils und eine dieser gegenüberliegenden Bodenfläche des äußeren Lagerbauteils gebildet wird. Mindestens eine Lagerfläche des Axiallagers kann in bekannter Weise entsprechende Lagerrillenstrukturen aufweisen, die bei Rotation des Lagersystems eine hydrodynamische Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt erzeugen und für einen Druckaufbau im Lagerspalt sorgen. Die Pumpwirkung auf das Lagerfluid ist vorzugsweise in Richtung der Mitte der Axiallagerflächen gerichtet. Die Lagerrillenstrukturen können beispielsweise als spiralförmige Strukturen ausgebildet sein oder als symmetrische oder asymmetrische fischgrätförmige Lagerstrukturen. Das Axiallager kann aber auch als sogenanntes Segmentspurlager ausgebildet sein.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist das konische Lager, das im Bereich des offenen Endes des äußeren Lagerbauteils angeordnet ist. Das konische Lager wird dadurch gebildet, dass ein Abschnitt des inneren Lagerbauteils konisch ausgebildet ist und mit einer gegenüberliegenden, konisch verlaufenden Fläche des äußeren Lagerbauteils zusammenwirkt. Vorzugsweise weist mindestens eine der beiden das konische Lager bildenden Oberflächen Lagerrillenstrukturen auf. Die Lagerrillenstrukturen erzeugen eine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des geschlossenen Endes des Lagers. Die Lagerrillenstrukturen sind vorzugsweise fischgrätförmig ausgebildet, können aber auch als spiralförmige Strukturen vorgesehen werden.
Zwischen den aneinander angrenzenden Oberflächen des inneren Lagerbauteils und des äußeren Lagerbauteils ist erfindungsgemäß mindestens ein Radiallager ausgebildet, vorzugsweise jedoch zwei axial voneinander beabstandete Radiallager. Vorzugsweise sind die Radiallager als rillenlose Radiallager ausgebildet, d. h. die Lagerflächen sind nach Art von Gleitlagern glatt ausgebildet und durch den Lagerspalt voneinander getrennt. Dadurch, dass diese rillenlosen Radiallager keine Lagerstrukturen aufweisen, ist deren Herstellung sehr kostengünstig, da ein Einbringen von Lagerstrukturen auf die Oberflächen entfällt. Damit entfallen auch weitere kostenintensive Schritte, wie Selektion von zueinander passenden Paaren von Lagerbauteilen, und Probleme durch ungleichmäßige Lagerdurchmesser etc. Die Radiallager können auch als Segmentspurlager oder Mehrflächengleitlager ausgebildet sein. Diese Ausbildung ist vorteilhaft, insbesondere wenn die Lagerbuchse aus Sintermaterial oder Kunststoff gefertigt wird, da die notwendige Formgebung der Lagerflächen bereits im Herstellungsverfahren leicht realisiert werden kann.
Um das Lagersystem weniger empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen zu machen, können in die Lagerflächen der Radiallager, des Axiallagers und/oder auch des konischen Lagers ballig, d. h. leicht gewölbt, ausgebildet sein. Die Wölbung der Flächen darf jedoch nur einen Bruchteil der Lagerspaltbreite ausmachen.
Das äußere Lagerbauteil ist einseitig verschlossen. Ein freies Ende des inneren Lagerbauteils ragt aus der offenen Seite des äußeren Lagerbauteils hinaus. Das äußere Lagerbauteil ist vorzugsweise einteilig ausgebildet und kann aus gestanztem oder tiefgezogenem Metallblech oder einem Kunststoffteil bestehen; es kann aber auch aus zwei Teilen bestehen, einem zylindrischen Teil und einem damit verbindbaren Bodenteil.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem.
2 zeigt eine Ansicht des inneren Lagerbauteils.
3 zeigt eine Ansicht der Axiallagerfläche auf der Unterseite des inneren Lagerteils.
4 zeigt eine Aufsicht des inneren Lagerteils und die konische Lagerfläche.
5 zeigt schematisch einen Schnitt des Lagersystems im Bereich des Dichtungsspaltes in einer zweiten Ausgestaltung.
6 zeigt schematisch einen Schnitt des Lagersystems im Bereich des Dichtungsspaltes in einer dritten Ausgestaltung.
7a, b zeigen eine erste Möglichkeit der Verformung des äußeren Lagerbauteils.
8a, b zeigen eine zweite Möglichkeit der Verformung des Lagerbauteils.
9 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem in einer vierten Ausgestaltung.
10 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem in einer fünften Ausgestaltung.
11 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem in einer sechsten Ausgestaltung.
12 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem in einer siebten Ausgestaltung.
13 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem in einer achten Ausgestaltung.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem, das lediglich aus zwei Lagerbauteilen besteht. Es ist ein äußeres Lagerbauteil 10 vorhanden, das im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, und zugleich als Lagerbuchse und Gehäuse dient. In dem äußeren Lagerbauteil ist ein inneres Lagerbauteil 18 um eine Rotationsachse 44 drehbar aufgenommen. Einander zugewandete Oberflächen des inneren Lagerbauteils 18 und des äußeren Lagerbauteils 10 sind durch einen Lagerspalt 28 voneinander getrennt. Der Lagerspalt 28 ist mit einem entsprechenden Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl gefüllt. Das äußere Lagerbauteil umfasst einen zylindrischen Abschnitt 12, dem ein zylindrischer Abschnitt 20 des inneren Lagerbauteils gegenüberliegt, sowie einen konischen Abschnitt 14, dem ebenfalls ein konischer Abschnitt 22 des inneren Lagerbauteils gegenüberliegt. Der konische Abschnitt 14 des äußeren Lagerbauteils umfasst einen abgeschrägten Rand 16, der das offene Ende des äußeren Lagerbauteils 10 begrenzt. Über dieses offene Ende des äußeren Lagerbauteils 10 ragt ein weiterer zylindrischer Abschnitt 24 des inneren Lagerbauteils hinaus, an welchem weitere Bauteile befestigt werden können, beispielsweise der Rotor eines Elektromotors. Das dargestellte Lagersystem kann optional eine stehende oder eine drehende Welle aufweisen.
2 zeigt eine Einzelansicht des inneren Lagerbauteils 18. Auf dem zylindrischen Abschnitt 20 trägt das innere Lagerbauteil 18 vorzugsweise zwei Radiallager 36, 38, die durch den Lagerspalt 28 von entsprechenden Lagerflächen des zylindrischen Abschnitts 12 des äußeren Lagerbauteils 10 getrennt sind. Die Radiallager 36, 38 sind vorzugsweise als rillenlose Radiallager, ähnlich Gleitlagern, ausgebildet. Auf den Radiallagerflächen des inneren Lagerbauteils 18 können jedoch auch Lagerstrukturen in ausgeprägter oder weniger ausgeprägter Form vorhanden sein. Die Radiallager 36, 38 können alternativ als Mehrflächengleitlager ausgebildet sein.
Die Radiallager 36, 38 sind durch einen Separatorbereich 26 axial voneinander getrennt, welcher beispielsweise durch eine Ringnut oder einen Freistich am inneren Lagerbauteil 18 oder dem äußeren Lagerbauteil 10 gebildet sind. Das Lagersystem kann für einen Einsatz in einem Miniaturlüfter beispielsweise eine Länge von 10 bis 15 mm aufweisen. Die Breite des Lagerspalts im Bereich der Radiallager 36, 38 beträgt beispielsweise etwa 3–8 μm, vorzugsweise jedoch zwischen 3 und 20 μm. Der Lagerspalt 28 verbreitet sich im Separatorbereich 26 auf bis zu 100 μm, vorzugsweise um 20 bis 30 μm.
Das äußere Lagerbauteil 10 kann vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen und als Tiefziehteil oder Spritzgussteil ausgebildet sein. Das innere Lagerbauteil kann beispielsweise aus Metall, aus Kunststoff, beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyamid (z. B. Torlon^®) oder aber aus Sintermaterial bestehen. Der Lagerspalt 28 erstreckt sich über nahezu die gesamte Außenoberfläche des inneren Lagerbauteils mit Ausnahme des oberen zylindrischen Abschnitts 24 und einen Teil des konischen Abschnitts. Der Lagerspalt 28 endet in einem Dichtungsspalt 30, der sich unmittelbar an den Lagerspalt anschließt und durch den konischen Bereich 22 des inneren Lagerbauteils 18 sowie den abgeknickten Rand 16 des äußeren Lagerbauteils gebildet wird. Der Rand 16 ist dermaßen abgewinkelt, dass sich der Dichtungsspalt 30 – ausgehend vom Lagerspalt 28 – monoton wachsend erweitert. Der Dichtungsspalt 30 bildet eine sogenannte konische Kapillardichtung und dient als Reservoir für das Lagerfluid sowie als Ausgleichsvolumen zum Ausgleich von Lagertoleranzen und Temperaturausdehnung des Lagerfluids.
Zur Erzeugung eines hydrodynamischen Lagerdrucks im Lagerspalt 28 weist das Lager ein Axiallager 40 auf, das durch die Stirnseite des zylindrischen Abschnitts 20 des inneren Lagerbauteils 18 und ein Bodenteil des äußeren Lagerbauteils 10 gebildet wird. Das Axiallager 40 ist durch Lagerstrukturen 42 gekennzeichnet, die auf einer der Lagerflächen, beispielsweise der Lagerfläche des inneren Lagerbauteils 18 aufgebracht sind. Diese Lagerstrukturen 42 können als sogenannte fischgrätartige Lagerstrukturen, wie in 3 dargestellt, ausgebildet sein, sie können aber auch eine Spiralrillenstruktur aufweisen. Der die Axiallagerflächen voneinander trennende Abschnitt des Lagerspaltes 28 hat beispielsweise eine Breite von weniger als 100 μm, vorzugsweise 10 bis 50 μm. Die Lagerfläche des inneren Lagerbauteils des Axiallagers 40 kann beispielsweise auch ballig, das heißt leicht nach außen gewölbt ausgebildet sein, um einen besseren Ausgleich gegen Fertigungstoleranzen zu bieten. Ebenso können die Lagerflächen der Radiallager 36 und 38 ballig ausgebildet sein. Die Lagerstrukturen des Axiallagers 40 erzeugen bei Drehung des inneren Lagerbauteils 18 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid, so dass sich im Lagerspalt 26 ein Druck aufbaut, der die Lagerflächen voneinander trennt.
An die zylindrischen Abschnitte 12, 20 des äußeren und des inneren Lagerbauteils 10, 18 schließen sich konische Abschnitte 14, 22 an, welche zusammen ein konisches Lager ausbilden. Hierzu ist auf einen Teil des konischen Abschnitts 22 des inneren Lagerbauteils 18, der an den zylindrischen Abschnitt 20 angrenzt, ein Lagerrillenmuster 34 aufgebracht, vorzugsweise in Form von fischgrätartigen Lagerstrukturen 34. Bei einer Rotation des inneren Lagerbauteils 18 im äußeren Lagerbauteil 10 erzeugen diese Lagerrillenstrukturen 34 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid und zwar in Richtung des Lagerinneren, also in Richtung der Radiallager 36, 38 bzw. im Falle der Verwendung von fischgrätenförmigen Lagerrillen in Richtung des Zentrums der Lagerrillenstruktur. Dadurch baut sich ein Druck im Lagerfluid auf, als Unterstützung zum Axiallager 40, da das konische Lager neben der radialen eine axiale Lagerkomponente aufweist, die als axiales Gegenlager zum Axiallager 40 wirkt. An dem Bereich des Lagerspaltes 28, der die Lagerflächen des konischen Lagers 32 voneinander trennt, schließt sich dann der Dichtungsspalt 30 an, das heißt eine Fläche des konischen Abschnitts 22 des inneren Lagerbauteils 28 ist die Lagerfläche des konischen Lagers 32 und hat eine Stopperfunktion, die ein Herausfallen des inneren Lagerbauteils aus dem äußeren Lagerbauteil verhindert. Die andere Fläche des konischen Abschnitts 22 bildet den Dichtungsbereich jeweils zusammen mit den zugeordneten Flächen des äußeren Lagerbauteils 10. Der konische Abschnitt 22 des inneren Lagerbauteils bildet mit der Rotationsachse 44 beispielsweise einen Winkel von 30° aus, der Winkel kann jedoch auch sehr viel größer oder sehr viel kleiner sein, wobei sich der Durchmesser des inneren Lagerbauteils 18 sowie auch der Innendurchmesser des äußeren Lagerbauteils 10 ausgehend vom Dichtungsspalt 30 in Richtung des konischen Lagers 32 und der Radiallager 36, 38 derart vergrößert, dass sich der radiale Durchmesser des Dichtungsspalts in Richtung zum Lagerspalt verringert, wodurch eine Kapillardichtung gebildet wird, d. h. das Lagerfluid verbleibt aufgrund der Kapillarkräfte des Fluids innerhalb des Lagers.
Bei einer Rotation des inneren Lagerbauteils 18 im äußeren Lagerbauteil 10 werden auf das im Lagerspalt 28 sowie im Dichtungsspalt 30 befindliche Lagerfluid Zentrifugalkräfte ausgeübt. Diese Zentrifugalkräfte sind radial nach außen gerichtet. Dadurch, dass sich der Dichtungsspalt bzw. die Breite des Lagerspaltes in Richtung des Lagerinneren erweitert, bewirken die Zentrifugalkräfte, dass das im Dichtungsspalt 30 befindliche Lagerfluid in den Lagerspalt 28 hineingedrückt wird, sobald das innere Lagerbauteil 18 rotiert. Dies um so mehr, je höher die Drehzahl des inneren Lagerbauteils 18 ist. Die Lagerstrukturen des konischen Lagers sind in der Aufsicht gemäß 4 nochmals dargestellt. Diese Lagerstrukturen 34 sind asymmetrisch ausgebildet, das heißt der zur Lageröffnung benachbarte Ast der Lagerstrukturen ist länger als der andere Ast, so dass eine Pumpwirkung ins Lagerinnere erzielt wird.
5 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des konischen Lagers 132 und des Bereichs des Dichtungsspaltes 130. Hierbei sind im Vergleich zu 1 gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der konische Abschnitt 122 des inneren Lagerbauteils 118 ist beispielsweise ballig, das heißt leicht konvex ausgebildet, um so Fertigungstoleranzen ausgleichen zu können. Entsprechend kann der konische Abschnitt 114 des gegenüber liegenden Bauteils leicht entgegengesetzt gewölbt sein. Es sind wiederum Lagerstrukturen 134 vorhanden, die das konische Lager 132 kennzeichnen. Der Dichtungsspalt 130 weitet sich nach außen monoton wachsend auf, wobei an den konischen Abschnitt 122 des inneren Lagerbauteils 118 jeweils die beiden zylindrischen Abschnitte 120 bzw. 124 angrenzen.
6 zeigt eine nochmals abgewandelte Ausgestaltung des Dichtungsbereichs und des Bereichs des konischen Lagers. Das innere Lagerbauteil 118 weist einen zylindrischen Abschnitt 220 und einen ersten sich daran anschließenden konischen Abschnitt 222 auf. An diesem ersten konischen Abschnitt 222, der einen Winkel α1 im Bezug auf die Rotationsachse 44 bildet, schließt sich ein weiterer konischer Abschnitt 223 an, der einen größeren Winkel α2 im Bezug auf die Rotationsachse 44 aufweist. An diesen zweiten konischen Abschnitt 223 schließt sich der zweite zylindrische Abschnitt 224 an. Das äußere Lagerbauteil 210 weist einen zylindrischen Abschnitt 212 auf, an den sich ein konischer Abschnitt 214 anschließt, der den selben Winkel α1 in Bezug auf die Rotationsachse 44 aufweist, wie der erste konische Abschnitt 232 des inneren Lagerbauteils 218. Das heißt die Breite des Lagerspaltes 228 bleibt im wesentlichen konstant im Bereich der zylindrischen und ersten konischen Abschnitte und erweitert sich dann im Bereich des Dichtungsspaltes 230, da der zweite konische Abschnitt 232 des inneren Lagerbauteils 218 einen größeren Winkel aufweist als der konische Abschnitt 214 des äußeren Lagerbauteils 210. 6 ist demnach eine Umkehrung von 1, bei dem das innere Lagerbauteil 18 lediglich einen einzigen konischen Abschnitt 22 aufweist, wogegen das äußere Lagerteil 10 einen konischen Abschnitt 14 und einen sich an den konischen Abschnitt 14 anschließenden Rand 16 aufweist, der im Bezug auf die Rotationsachse 44 einen kleineren Winkel einschließt, als der konische Abschnitt 14.
Zur Montage des Lagersystems wird ein inneres Lagerbauteil 18 benötigt, das mit entsprechenden Lagerstrukturen 34 des konischen Lagers 32 sowie Lagerstrukturen 42 des Axiallagers 40 versehen wurde. Das innere Lagerbauteil 18 wird nun in eine Rohform des äußeren Lagerbauteils 10 eingelegt, wie es in 7a dargestellt ist. Der Innendurchmesser des äußeren Lagerbauteils 10 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des inneren Lagerbauteils 18, so dass zwischen den Bauteilen der Lagerspalt 28 verbleibt. Um das Lager zu vervollständigen und insbesondere den konischen Lagerbereich und den Dichtungsspalt 30 auszubilden, wird nun der obere Teil des äußeren Lagerbauteils 10 durch Krafteinwirkung F verformt und nach innen in Richtung des inneren Lagerbauteils 18 gebogen, beispielsweise mit einem entsprechenden Werkzeug (siehe 7b). Das äußere Lagerbauteil 10 besteht aus einem Tiefziehteil bzw. aus einem Kunststoffspritzgussteil und kann entsprechend in eine endgültige Form gepresst oder heiß verformt werden. Zum Schluss wird das Lagerfluid unter Vakuum oder durch ein anderes bekanntes Verfahren in den Lagerspalt 28 eingebracht und auch zum Teil in den Dichtungsspalt 30 gefüllt.
Die 8a und 8b zeigen eine andere Möglichkeit zur endgültigen Formgebung des äußeren Lagerbauteils 10. Das äußere Lagerbauteil 10 wird bereits so gefertigt, dass der abgeknickte Rand, der den konischen Bereich und den Dichtungsbereich ausbildet, bereits vorgesehen ist. Der zylindrische Abschnitt 12 des äußeren Lagerbauteils 10 ist jedoch im Bereich des Bodenteils nach außen aufgeweitet, so dass das innere Lagerbauteil 18 bequem eingeführt werden kann. Hiernach wird noch eine Krafteinwirkung F das äußere Lagerbauteil 10 in seine endgültige Form gemäß 8b gebracht, so dass sich der konische Bereich und auch der Randbereich 14 an das innere Laberteil anlegen.
Das äußere Lagerbauteil 10 ist vorzugsweise einteilig ausgebildet. Es kann aber auch zweitteilig mit einem separaten Bodenteil ausgebildet sein, wodurch sich die Montage des Lagers entsprechend vereinfacht und die Montageschritte in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden können. Am Ende der Montage wird das separate Bodenteil des äußeren Lagerbauteils dann beispielsweise mit dem restlichen Abschnitt des Lagerbauteils verklebt oder verschweißt.
9 zeigt eine vierte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems, bei dem das äußere Lagerbauteil 310 aus mehreren einzelnen Bauteilen 310a bis 310c besteht. Das innere Lagerbauteil 318 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 320, dessen Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des zylindrischen Abschnittes des inneren Lagerbauteils aus 1. Der konische Abschnitt 322 entspricht dem konischen Abschnitt des Lagerbauteils aus 1. Der zylindrische Abschnitt 320 des inneren Lagerbauteils 318 ist von einem hülsenförmigen ersten Bauteil 310a umgeben, welches als feststehendes Lagerbauteil die Lagerbuchse des Lagersystems ausbildet. Das erste Bauteil 310a sitzt in einem becherförmigen zweiten Bauteil 310b, welches das Lagersystem nach unten verschließt. Ein drittes, ebenfalls hülsenförmiges Bauteil 310c ergänzt das Gehäuse im oberen Bereich und insbesondere im Dichtungsbereich des Lagers. Die drei Bauteile 310a bis 310c des äußeren Lagerbauteils 310 sind fest miteinander verbunden, beispielsweise im Presssitz oder durch Verkleben oder Verschweißen. Durch das mehrteilige äußere Lagerbauteil 310 ist die Montage des Lagers insgesamt sehr viel einfacher, als bei einem einteiligen Lagerbauteil gemäß 1. Zudem kann das äußere Lagerbauteil 310, insbesondere das Bauteil 310c, einfacher ausgeformt werden und bereits in der endgültigen Form montiert werden.
10 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagers, bei welcher das äußere Lagerbauteil 410 ebenfalls aus drei Bauteilen 410a bis 410c besteht. Das innere Lagerbauteil 418 ist identisch zu dem inneren Lagerbauteil gemäß 1 ausgebildet. Das äußere Lagerbauteil 410 umfasst ein erstes becherförmiges Bauteil 410a, das den zylindrischen Abschnitt 420 des inneren Lagerbauteils 418 umgibt und das Lager nach unten verschließt. Ein zweites Bauteil 410b ergänzt das Bauteil 410a nach oben und definiert zusammen mit dem inneren Lagerbauteil 418 die Dichtungszone. Die beiden Bauteile 410a und 410b bilden die Lagerbuchse des Lagersystems und werden durch ein weiteres, hülsenförmiges Bauteil 410c zusammengehalten. Hierzu kann das zweite Bauteil 410b eine Stufe 450 aufweisen, an welcher ein innerer Rand 452 des dritten Bauteils 410c anschlägt und für eine richtige Positionierung dieses Bauteils sorgt.
11 zeigt eine sechste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems, bei dem das äußere Lagerbauteil 510 aus zwei Bauteilen 510a und 510b besteht. Das innere Lagerbauteil umfasst einen ersten zylindrischen Abschnitt 520a mit geringerem Durchmesser, welcher in dem topfförmigen äußeren Bauteil 510a aufgenommen ist. Ein zweiter zylindrischer Abschnitt 520b des inneren Lagerbauteils 518 ragt über das topfförmige Bauteil 510a des äußeren Lagerbauteils 510 hinaus und ist von einem zweiten Bauteil 510b des äußeren Lagerbauteils 510 umgeben. Das zweite Bauteil 510b überlappt das erste Bauteil 510a und verschließt das Lager in diesem Bereich. Ein konischer Abschnitt 522 des inneren Lagerbauteils 518 bildet zusammen mit dem zweiten Bauteil 510b den Dichtungsbereich aus, wie er im Zusammenhang mit beispielsweise 1 beschrieben ist.
12 zeigt ein fluiddynamisches Lager in ähnlicher Bauweise wie 11. Das äußere Lagerbauteil 610 umfasst zwei Bauteile 610a und 610b, die einander überlappend das Gehäuse des Lagersystems bilden. Das innere Lagerbauteil 618 entspricht dem inneren Lagerbauteil gemäß 1. Das Bauteil 610a des äußeren Lagerbauteils 610 umschließt den zylindrischen Abschnitt des inneren Lagerbauteils 618. Das zweite Bauteil 610b wird auf das erste Bauteil 610a aufgesteckt und verschließt das Lager nach oben und bildet zusammen mit dem konischen Abschnitt des inneren Lagerbauteils den Dichtungsbereich aus.
Schließlich zeigt 13 ein letztes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagersystems, bei dem das äußere Lagerbauteil 710 wiederum aus drei einzelnen Bauteilen 710a bis 710c besteht. Das innere Lagerbauteil 718 entspricht dem aus 1 bekannten inneren Lagerbauteil. Das erste Bauteil 710a umgibt das innere Lagerbauteil 718 an seinem zylindrischen Abschnitt und bildet die Lagerbuchse des Lagers. Die zwei weiteren Bauteile 710b und 710c umschließen das erste Bauteil 710a fest und bilden den unteren Abschluss des Lagersystems sowie den oberen Abschluss mit Dichtungsbereich.

10: äußeres Lagerbauteil
12: Zylindrischer Abschnitt
14: Konischer Abschnitt
16: Rand
18: inneres Lagerbauteil
20: zylindrischer Abschnitt
22: konischer Abschnitt
24: zylindrischer Abschnitt
26: Separatorbereich
28: Lagerspalt
30: Dichtungsspalt
32: konisches Lager
34: Lagerstrukturen
36: Radiallager
38: Radiallager
40: Axiallager
42: Lagerstrukturen
44: Rotationsachse
118: inneres Lagerbauteil
120: zylindrischer Abschnitt
122: konischer Abschnitt (ballig)
124: zylindrischer Abschnitt
128: Lagerspalt
130: Dichtungsspalt
132: konisches Lager
134: Lagerstrukturen
210: äußeres Lagerbauteil
212: Zylindrischer Abschnitt
214: Konischer Abschnitt
216: Rand
218: inneres Lagerbauteil
220: zylindrischer Abschnitt
222: konischer Abschnitt
223: konische Abschnitt
224: zylindrischer Abschnitt
228: Lagerspalt
230: Dichtungsspalt
232: konisches Lager
234: Lagerstrukturen
310: äußeres Lagerbauteil
310a: erstes Bauteil
310b: zweites Bauteil
310c: drittes Bauteil
318: inneres Lagerbauteil
320: zylindrischer Abschnitt
322: konischer Abschnitt
410: äußeres Lagerbauteil
410a: erstes Bauteil
410b: zweites Bauteil
410c: drittes Bauteil
418: inneres Lagerbauteil
420: zylindrischer Abschnitt
450: Stufe
452: Rand
510: äußeres Lagerbauteil
510a: erstes Bauteil
510b: zweites Bauteil
518: inneres Lagerbauteil
520a: zylindrischer Abschnitt
520b: zylindrischer Abschnitt
522: konischer Abschnitt
610: äußeres Lagerbauteil
610a: erstes Bauteil
610b: zweites Bauteil
618: inneres Lagerbauteil
620: zylindrischer Abschnitt
622: konischer Abschnitt
710: äußeres Lagerbauteil
710a: erstes Bauteil
710b: zweites Bauteil
710c: drittes Bauteil
718: inneres Lagerbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7015611 B2 [0003]
- US 7025505 B2 [0004]
- US 7008112 B2 [0005]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Elektromotors, mit einem äußeren Lagerbauteil (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) und einem teilweise in dem äußeren Lagerbauteil angeordneten und relativ zu diesem um eine Rotationsachse (44) drehgelagerten inneren Lagerbauteil (18; 118; 218; 318, 418, 518, 618, 718), wobei die beiden Lagerbauteile Lagerflächen ausbilden, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (28; 128; 228) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Lagerbauteil (18; 118; 218; 318, 418, 518, 618, 718) eine Welle ausbildet, und das äußere Lagerbauteil (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) zugleich eine Lagerbuchse und ein Gehäuse des Lagersystems ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Lagerbauteil (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) im Wesentlichen hohlzylindrisch und einseitig geschlossen ausgebildet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das offene Ende des Lagerspalts (28; 128; 228) in einen Dichtungsspalt (30; 139; 230) übergeht, der an einem offenen Ende des äußeren Lagerbauteils (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) zwischen einander zugewandten Oberflächen des äußeren und des inneren Lagerbauteils (18; 118; 218; 318, 418, 518, 618, 718) gebildet wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (22; 122; 222; 223, 322, 522) des inneren Lagerbauteils (18; 118; 218; 318, 418, 518, 618, 718) konisch ausgebildet ist und mit einem gegenüberliegenden, konisch verlaufenden Abschnitt (14; 214) des äußeren Lagerbauteils (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) den Dichtungsspalt (30; 139; 230) begrenzt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des Dichtungsspalts (30; 139; 230) ausgehend vom Lagerspalt zum offenen Ende des äußeren Lagerbauteils (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) monoton erweitert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des äußeren Lagerbauteils (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) sowie der Außendurchmesser des konischen Abschnittes (22; 122; 223; 322, 522) des inneren Lagerbauteils (18; 118; 218; 318, 418, 518, 618, 718) sich ausgehend vom Dichtungsspalt (30; 139; 230) in Richtung des Lagerspaltes (28; 128; 228) vergrößert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine stirnseitige Fläche des inneren Lagerbauteils (18; 118; 218; 318, 418, 518, 618, 718) und eine dieser gegenüberliegende Bodenfläche des äußeren Lagerbauteils (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) ein fluiddynamisches Axiallager (40) ausbilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden das Axiallager (40) bildenden Oberflächen Lagerrillenstrukturen (42) aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillenstrukturen (42) des Axiallagers (40) eine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Zentrums der Axiallagerflächen erzeugen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (22; 122; 222; 322; 522) des inneren Lagerbauteils (18; 118; 218) konisch ausgebildet ist und mit einem gegenüberliegenden, konisch verlaufenden Abschnitt (14; 214) des äußeren Lagerbauteils (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) ein konisches, fluiddynamisches Lager (32; 132; 232) ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden das konische Lager (32; 132; 232) bildenden Oberflächen Lagerrillenstrukturen (34; 134; 234) aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillenstrukturen (34; 134; 234) des konischen Lagers (32; 132; 232) eine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des geschlossenen Endes des Lagers erzeugt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 8, 9 oder 11, 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillenstrukturen (34; 134; 234; 42) spiralförmig ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 8, 9 oder 11, 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillenstrukturen (34; 134; 234; 42) fischgrätförmig ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass einander zugewandeten Oberflächen des inneren Lagerbauteils (18; 118; 218) und des äußeren Lagerbauteils (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) mindestens ein Radiallager (36; 38) ausbilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager (36; 38) als rillenloses Radiallager ausgebildet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden das Radiallager (36; 38) bildenden Oberflächen Lagerrillenstrukturen aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager (36; 38) als Segmentspurlager oder Mehrflächengleitlager ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die am inneren Lagerbauteil (18; 118; 218; 318, 418, 518, 618, 718) angeordneten Lagerflächen des Radiallagers (36; 38) und/oder des Axiallagers (40) und/oder des konischen Lagers (32; 132; 232) ballig ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Lagerbauteil (10; 210; 310, 410, 510, 610, 710) aus mehreren Bauteilen besteht.
Elektromotor mit einem Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 20.