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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Hybridlager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Zur Drehlagerung von Spindelmotoren, wie sie z. B. zum Antrieb der Speicherplatten in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, werden heutzutage fast ausschließlich hydrodynamische Lager verwendet. Nachfolgend wird unter einem hydrodynamischen Lager stets ein mit einem flüssigen Schmiermittel gefülltes Lager verstanden. Ein Spindelmotor mit hydrodynamischem Lager ist z. B. in
DE 10 2004 036 338 A1 offenbart. Das hydrodynamische Lager ist aus einer Lagerbuchse mit beispielsweise zylindrischer Lagerinnenfläche und einer in die Buchse eingesetzten Welle mit entsprechender Lageraußenfläche gebildet ist. Der Durchmesser der Welle ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Buchse, wodurch zwischen den beiden Lagerflächen ein konzentrischer Lagerspalt entsteht, der unter Bildung eines zusammenhängenden Kapillarfilms mit einem Lagerfluid, vorzugsweise mit Öl, gefüllt ist. Einander gegenüberliegende Oberflächen von Lagerbuchse und Welle bilden zusammen ein Radiallager, wobei in wenigstens einer der beiden Lageroberflächen eine Oberflächenstruktur eingearbeitet ist, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche Schmiermittel ausübt. Auf diese Weise entsteht eine Pumpwirkung, die das Schmiermittel unter Druck durch den Lagerspalt presst und zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms führt. Eine Stabilisierung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse erfolgt durch ein entsprechend ausgestaltetes hydrodynamisches Axiallager. Das Axiallager wird bekanntermaßen durch senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtete Lagerflächen einer mit der Welle verbundenen Druckplatte und der Lagerbuchse gebildet, wobei mindestens eine dieser Lagerflächen ebenfalls mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, um den für eine stabile axiale Positionierung der Welle erforderlichen hydrodynamischen Druck zu erzeugen und die Zirkulation des Schmiermittels innerhalb des Axiallagerbereiches sicherzustellen. Bei anderen Spindelmotoren ist ein Axiallager zwischen einer mit der Welle verbundenen Nabe und der Stirnseite der Lagerbuchse vorgesehen. Es sind auch hydrodynamische Lager mit konischen Lagerflächen bekannt, beispielweise aus
DE 10 2004 054 663 A1 .
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Die oben beschriebenen hydrodynamischen Lager, die bei konventionellen Spindelmotoren eingesetzt werden, können im Betrieb des Motors bei hohen Drehzahlen, beispielsweise über 10.000 U/Min., problematisch sein, da hohe Zentrifugalkräfte auf das Lagerfluid wirken und die Lagereigenschaften beeinflussen. Durch die hohen Drehzahlen entsteht eine relativ große Lagerreibung, die den Stromverbrauch des Spindelmotors erhöht. Im flüssigen Lagerfluid und Lagerspalt können aufgrund von Kavitätseffekten Luftbläschen und Unterdruckzonen auftreten, die die Funktion des Lagers verschlechtern. Es ist bekannt, die axialen Kräfte anstatt mit hydrodynamischen Axiallagern mit magnetischen Lagern aufzunehmen, insbesondere durch Vorsehen eines magnetischen Offsets (axialer Versatz) zwischen dem Rotormagneten und dem Statorsystem, was zwar die Motorreibung reduziert, jedoch problematisch im Hinblick auf die Motorakustik, insbesondere Nebengeräusche, ist. Diese magnetischen Systeme erhöhen auch die Kosten des Motors. Außerdem ist die magnetische Zugkraft in manchen Fällen nicht groß genug, um bei hoher Drehzahl die Anforderungen in axialer Richtung zu erfüllen.
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Ferner wurden bereits Lagersysteme mit dynamischen Luftlagern vorgeschlagen. Diese reinen Luftlager benötigen sehr kleine Lagerspalte, um die nötige Tragkraft zu erzeugen. Dies erfordert äußerst geringe Fertigungstoleranzen was für eine Serienfertigung zu teuer ist. Ferner ergibt sich durch die kleinen Lagerspalte die Gefahr der Berührung der Lagerflächen, insbesondere bei Schockeinwirkung, so dass die Lagerflächen mit geeigneten Gleitmaterialien beschichtet werden müssen, um eine Beschädigung der Lagerflächen zu vermeiden.
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Die
US 7 239 477 B2 , die den nächstliegenden Stand der Technik bildet, beschreibt einen Spindelmotor mit einem elektromagnetischen Antriebssystem und einem fluiddynamischen Hybridlager bestehend aus einem hydrodynamischen Radiallager und einem Axiallager, das als dynamisches Luftlager ausgebildet ist. Der Radiallagerspalt des Radiallagers ist mit einem flüssigen Schmiermittel gefüllt. Das Axiallager weist mindestens eine Lagerfläche mit Lagerrillen auf, die fischgrätförmig ausgebildet sind. Dieses axiale Luftlager wird zwischen der Stirnfläche der Nabe und einer Gegenplatte gebildet.
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Die
WO 03/095 852 A2 zeigt ein Fluidlager für einen Spindelmotor. Es sind Lagerbereiche beschrieben, die unterschiedliche Lagerspaltbreiten und Lagerflächen aufweisen. Der Bereich des Lagers mit der größeren Lagerfläche und der geringeren Spaltbreite kann dabei als Luftlager ausgeführt sein, während im anderen Lagerbereich ein flüssiges Schmiermittel zum Einsatz kommt. Damit sollen Störeffekte abgefangen werden, bei denen die Welle relativ zur Nabe verkippt wird.
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Die
WO 03/064 871 A1 beschreibt ein fluiddynamisches Hybridlager mit stehender Welle, das zwei luftgelagerte Konen aufweist. Zwischen den Konen ist ein mit Lageröl gefüllter Radiallagerbereich vorgesehen. Die Lagerspaltbreite im Bereich der Luftlager ist aufgrund der wesentlich geringeren Viskosität von Gasen kleiner im Vergleich zur Spaltbreite im ölgefüllten Lagerbereich.
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In der
US 4 200 344 A ist ein Festplattenantrieb mit dynamischem Luftlager beschrieben, wobei das dynamische Luftlager mit fischgrätförmigen Lagerstrukturen versehen ist.
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In der
US 5 273 368 A ist ein hydrodynamisches Luftlager gezeigt, das asymmetrisch ausgebildete, fischgrätförmige Lagerstrukturen aufweist. Daraus ergibt sich eine Pumpwirkung mit Vorzugsrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem auszubilden, welcher für hohe Drehzahlen geeignet ist, eine geringe Geräuschentwicklung aufweist und zudem kostengünstig und stromsparend aufgebaut werden kann und bei dem insbesondere die Gefahr von Kavitätseffekten und einem Unterdruck im Lagerspalt reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der Spindelmotor umfasst ein feststehendes und ein drehbares Motorbauteil, die mittels eines hydrodynamischen Lagers relativ zueinander drehgelagert sind, wobei zusätzlich zum hydrodynamischen Lager erfindungsgemäß ein dynamisches Luftlager vorgesehen ist.
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Der Spindelmotor umfasst demnach ein Hybridlager, das aus einem hydrodynamischen Lager und einem dynamischen Luftlager besteht. Das Luftlager wird gebildet durch eine ringförmige Lagerfläche, vorzugsweise angeordnet im Bereich des größten Durchmessers des drehbaren Motorbauteils und eine dieser gegenüberliegenden ringförmigen Lagerfläche angeordnet am feststehenden Motorbauteil. Das Luftlager ergänzt das hydrodynamische Lager und verbessert dessen Stabilität, oder kann sogar einen Teil des hydrodynamischen Lagers ersetzen, wobei die vom Luftlager erzeugte Tragkraft je nach Abstand der Lagerflächen, der Größe und dem Durchmesser der Lagerflächen veränderbar ist. Ein solches Hybridlager arbeitet im Gegensatz zu einem reinen hydrodynamischen Lager bzw. reinen Luftlager sehr stabil bei geringen Materialkosten und verbessert die Motorakustik gegenüber der konventionellen Lösung durch einen magnetischen Offset, wobei auch die Kavitätseffekte und ein Verlust des magnetischen Flusses durch einen Offset des Magnetsystems vermieden werden.
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Das Luftlager kann erfindungsgemäß mindestens ein axiales Luftlager umfassen. Dadurch kann man ein hydrodynamisches Axiallager einsparen bzw. ein kleineres hydrodynamisches Axiallager vorsehen, was die Reibung des Spindelmotors reduziert. Das axiale Luftlager kann auch als Gegenlager zu einem hydrodynamischen Axiallager verwendet werden. Dadurch wird entweder ein zweites axiales hydrodynamisches Lager eingespart, was die Lagerreibung und damit den Stromverbrauch des Spindelmotors reduziert oder es wird ein magnetischer Offset zwischen dem Rotormagneten und den Statorpolen eingespart, wodurch sich eine geringerer Geräuschentwicklung des Motors ergibt.
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Das Luftlager kann erfindungsgemäß auch eine radiale Komponente, das heißt ein radiales Luftlager umfassen, was insbesondere das hydrodynamische Radiallager unterstützt und die radiale Stabilität des Lagersystems verbessert. Der Durchmesser des axialen Luftlagers bzw. des radialen Luftlagers wird erfindungsgemäß mindestens zweimal so groß gewählt wie der Durchmesser des axialen hydrodynamischen Lagers bzw. des radialen hydrodynamischen Lagers. Da der Durchmesser des axialen bzw. radialen Luftlagers vorzugsweise groß gewählt wird, ergibt sich insbesondere bei hohen Drehzahlen des Spindelmotors ein relativ großer und vorteilhafter Druckaufbau im Luftspalt.
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Das axiale bzw. radiale Luftlager ist durch Pumpstrukturen gekennzeichnet, die auf einer oder beiden Lageroberflächen angeordnet sind. Bei einer Drehung der Lagerbauteile relativ zueinander erzeugen die Pumpstrukturen eine Pumpwirkung auf die im Luftspalt befindliche Luft und führen zu einem Druckaufbau, der das Luftlager tragfähig macht. Die Pumpstrukturen können in bekannter Weise spiralrillenförmig ausgebildet sein. Durch eine spiralrillenförmige Pumpstruktur im axialen Luftlager erhält man eine gerichtete Pumpwirkung in eine Richtung radial nach innen bezogen auf die Drehachse des Motors. Durch eine unsymmetrische Ausbildung von fischgrätförmigen oder sinusförmigen Pumpstrukturen kann ebenfalls eine mehr oder weniger gerichtete Pumpwirkung in eine radiale Richtung bzw. auch axialer Richtung erreicht werden. Fischgrätförmige oder sinusförmige Pumpstrukturen werden vorzugsweise auf den Lagerflächen des radialen Luftlagers eingesetzt.
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Da das Lagerinnere luftdicht ist und der Luftspalt des Luftlagers die einzige Verbindung des Lagerinneren zur Außenatmosphäre darstellt, weist das axiale Luftlager eine ins Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung auf und ist vorzugsweise mit spiralrillenförmigen Pumpstrukturen versehen.
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Die Breite des Luftspaltes des Luftlagers ist etwa um eine Größenordnung größer als die Breite des Lagerspaltes des hydrodynamischen Lagers und hängt unter anderem von der unterschiedlichen Viskosität von Luft und dem verwendeten Lagerfluid, beispielsweise Lageröl ab. Vorzugsweise beträgt die Breite des Luftspaltes zwischen 10 μm und mehr als 100 μm während der Lagerspalt des radialen hydrodynamischen Lagers beispielsweise nur wenige μm breit ist.
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Das feststehende Bauteil des Spindelmotors umfasst vorzugsweise eine Grundplatte und eine mit dieser verbundenen Lagerbuchse. Das rotierende Bauteil umfasst eine in der Lagerbuchse drehbar gelagerte Welle sowie eine Nabe. Das fluiddynamische Lager besteht aus mindestens einem radialen hydrodynamischen Lager und mindestens einem axialen hydrodynamischen Lager oder aber aus mindestens einem konischen hydrodynamischen Lager.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors mit Hybridlager.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors mit Hybridlager.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors mit Hybridlager.
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4 zeigt einen Halbschnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor in einer vierten Ausgestaltung.
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5 zeigt schematisch die Spaltabstände und die Wirkungsweise der erfindungsgemäß vorgesehenen Axiallager, und
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6 zeigt schematisch die Spaltabstände und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Radiallager.
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7 zeigt einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbeispiels eines Spindelmotors zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die in den 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Spindelmotoren 10 umfassen eine Grundplatte 12 mit einem hülsenförmigen Ansatz mit zentraler Bohrung, in welcher eine Lagerbuchse 14 beispielsweise im Presssitz gehalten ist. Die Lagerbuchse 14 weist eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle 16 auf, wobei zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser der Welle 16 ein ringförmiger konzentrischer Lagerspalt 18 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Welle 16 kann frei in der feststehenden Lagerbuchse 14 um eine Drehachse 20 rotieren und bildet zusammen mit dieser in bekannter Weise ein hydrodynamisches Radiallagersystem aus, das zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Radiallager 22, 24 umfasst. Die hydrodynamischen Radiallager 22, 24 sind durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle 16 und/oder der Lagerbuchse 14 angeordnet sind. Am freien Ende der Welle 16 ist eine einteilige oder mehrteilige Nabe 26 befestigt, auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerks angeordnet werden können. Eine Verschiebung der Lageranordnung entlang der Drehachse 20 wird durch entsprechend ausgestaltete hydrodynamische Axiallager verhindert. Die hydrodynamischen Axiallager 30, 32 werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt an einem Ende der Welle 16 angeordneten ringförmigen Druckplatte 28 gebildet. Einer Stirnfläche der Druckplatte 28 ist eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und der anderen Stirnfläche eine innen liegende Stirnfläche einer Abdeckplatte 34 zugeordnet. Diese einander zugeordneten Lagerflächen der Axiallager sind durch den Lagerspalt 18 voneinander getrennt, der die Druckplatte 28 umgibt. Die Abdeckplatte 34 bildet ein Gegenlager zur Druckplatte 28 und verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 18 eindringt oder Lagerfluid austritt. Der Spindelmotor 10 wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, das im Wesentlichen aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung 36 und einer an der Nabe 26 befestigte Anordnung von Permanentmagnet 38 und Joch 40 besteht.
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Das offene Ende des Lagerspalts 18, nahe der Nabe 26, ist in bekannter Weise durch eine konische Kapillardichtung 42 abgedichtet. Die konische Kapillardichtung 42 ist begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines Teils der Nabe 26. Der kapillare Dichtungsspalt 42 ist über einen Ringspalt 44 mit dem Lagerspalt 18 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt und wirkt außerdem als Ausgleichsvolumen und Reservoir für das Lagerfluid.
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Zur Verbesserung der Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 18 ist vorzugsweise ein Rezirkulationskanal 46 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 46 erstreckt sich in der Lagerbuchse 14 in axialer Richtung und verbindet einen an den Außendurchmesser der Druckplatte 28 angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts 18 mit dem Ringspalt 44 unterhalb der Nabe 26.
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Zusätzlich oder alternativ zu den beiden im Bereich der Druckplatte 28 gebildeten hydrodynamischen Axiallagern 30, 32 kann im Bereich des Ringspalts 44 ein weiteres hydrodynamisches Axiallager 48 vorgesehen sein, das durch eine ringförmige Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und eine gegenüberliegende ringförmige Fläche der Nabe 26 gebildet wird.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, ergänzend zu den hydrodynamischen Lagern oder als Ersatz für einzelne hydrodynamische Lager des Spindelmotors ein oder mehrere dynamische Luftlager einzusetzen. Da sich mit dynamischen Luftlagern aufgrund der geringen Viskosität von Luft – im Vergleich zu Lageröl – bei gleichen Lagerabmessungen nur geringe Lagerkräfte erzeugen lassen, sind für die Luftlager im Vergleich zu den hydrodynamischen Lagern größere Lagerflächen vorgesehen. Am unteren äußeren Rand der glockenförmigen Nabe 26 ist eine ringförmige Lagerplatte 50 senkrecht zur Drehachse 20 angeordnet. Die Lagerplatte 50 überdeckt den äußeren Rand der Nabe 26 sowie die Kanten des Joches 40 und des Rotormagneten 38. Gegenüberliegend der Lagerplatte 50 befindet sich eine ebene Lagerfläche der Grundplatte 12. Die einander gegenüberliegenden Flächen der Lagerplatte 50 und der Grundplatte 12 bilden ein axiales Luftlager 52, das durch Oberflächenstrukturen in Form von Pumpstrukturen 54 bzw. 56 gekennzeichnet ist, wie sie in den 1a und 1b dargestellt sind. Die Pumpstrukturen 54, 56 sind etwa fischgrätförmig ausgebildet, wobei sich die Strukturen 54 in 1a in Rotationsrichtung 58 öffnen, während sie sich die Strukturen 56 in 1b in Rotationsrichtung 58 schließen. Die Lagerstrukturen 54 aus 1a erzeugen daher bei einer Rotation in Richtung 58 im axialen Luftlager eine Kraft in Richtung des Pfeils 60, während die Lagerstrukturen aus 1b eine Kraft in die Gegenrichtung erzeugen.
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Vorzugsweise sind die Lagerstrukturen so ausgebildet, dass das axiale Luftlager 52 eine Lagerkraft nach oben in Pfeilrichtung 60 erzeugt. Gleiches gilt für die hydrodynamischen Axiallager 48 und 32. Das axiale Luftlager 52 kann also die Wirkung der Axiallager 48 und 32 ergänzen, so dass diese hydrodynamischen Axiallager 48 und 32 dann entsprechend „schwächer” ausgebildet werden können, oder aber das axiale Luftlager 52 kann eines oder beide axialen hydrodynamischen Lager 32 und 48 vollständig ersetzen. Die erzielbare Kraft des axialen Luftlagers 52 hängt ab von dem Durchmesser des Lagers 52, von der effektiven Fläche sowie dem Spaltabstand zwischen der Lagerplatte 50 und der Grundplatte 12.
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Erfindungsgemäß kann zusätzlich ein radiales Luftlager 62 vorgesehen sein, welches durch den Außendurchmesser des Randes der Nabe 26, gegebenenfalls auch den Außendurchmesser der Lagerplatte 50 und eine gegenüberliegende axial verlaufende Fläche der Grundplatte 12 ausgebildet wird. Das radiale Luftlager wirkt in Ergänzung zu den hydrodynamischen Radiallagern 22 und 24.
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2 zeigt einen Spindelmotor, der nahezu identisch ist zum Spindelmotor aus 1. In 2 sind gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in 1. Es gilt die allgemeine Beschreibung der Bauteile aus 1.
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Im Unterschied zum Spindelmotor aus 1 weist der Spindelmotor in 2 keine separate Lagerplatte für das axiale Luftlager 52 auf. Statt dessen wird eine Seite des äußeren Flansches 51 der Nabe 26 als Lagerfläche verwendet, die einer entsprechenden Lagerfläche der Grundplatte 12 gegenüberliegt und das axiale Luftlager 52 ausbildet. Die Pumpstrukturen 54, 56 des axialen Luftlagers können wie in den 2a und 2b dargestellt ausgestaltet sein, wobei die Beschreibung und die Wirkungsweise dieser Lagerstrukturen oder Pumpstrukturen 54, 56 dieselbe ist wie die der Pumpstrukturen aus den 1a und 1b. Es kann auch ein radiales Luftlager 62 vorgesehen sein, wobei die Pumpstrukturen für das radiale Luftlager 62 beispielsweise am äußeren Rand der Nabe 26 angeordnet sind, während sie beim Spindelmotor aus 1 am inneren Rand der Grundplatte 12 angeordnet sind.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors 110 mit konischem hydrodynamischen Lager. In der Grundplatte 112 ist eine Lagerbuchse 114 mit konischer Bohrung befestigt. In der Bohrung der Lagerbuchse 114 ist eine konische Welle 116 drehbar um eine Drehachse 120 gelagert, wobei die einander zugewandten Oberflächen der Welle 116 und der Lagerbuchse 114 durch einen Lagerspalt 118 voneinander getrennt sind, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Die Welle 116 weist zwei konische hydrodynamische Lager 122 und 124 auf, welche sowohl eine axiale als auch radiale Lagerkraft erzeugen. Das freie Ende der Welle 116 ist mit einer Nabe 126 verbunden, wobei die andere Seite des Lagers durch eine Abdeckplatte 134 abgedeckt ist. Zwischen der Unterseite der Welle 116 und der gegenüberliegenden Oberfläche der Lagerplatte 134 ist ein erstes hydrodynamisches Axiallager 130 vorgesehen, das eine axiale Kraft in Pfeilrichtung 160 erzeugt, welche der durch die konischen Lager 122 und 124 erzeugten axialen Kraft entgegenwirkt. Angetrieben wird der Spindelmotor durch eine elektromagnetische Antriebseinheit, bestehend aus einer Statoranordnung 136 sowie einem von einem Joch 140 umgebenen Rotormagneten 138. Das offene Ende des Lagerspalts 118 wird direkt unterhalb der Nabe 126 mittels eines konischen Dichtungsspaltes 142 abgedichtet.
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Ergänzend oder als Ersatz für einzelne hydrodynamische Lager sind erfindungsgemäß dynamische Luftlager vorgesehen. Ein erstes axiales Luftlager 152 wird gebildet durch eine Oberfläche eines Flansches 151 der Nabe 126 und eine gegenüberliegende Oberfläche der Grundplatte 112. Dieses dynamische Luftlager 152 erzeugt eine Kraft in Pfeilrichtung 160 und wirkt damit der von den hydrodynamischen konischen Lagern 122 und 124 erzeugten axialen Kraft entgegen.
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Ein weiteres axiales Luftlager 164 kann im Bereich eines Ringspaltes 144 vorgesehen sein, der zwischen einer oberen Stirnseite der Lagerbuchse 114 und einer unteren Oberfläche der Nabe 126 gebildet wird. Dieses axiale Luftlager 164 erzeugt ebenfalls Kräfte, die der durch die konischen Lager 122 und 124 erzeugten axialen Kraft entgegenwirken. Die Luftlager 152 und 164 können ergänzend zum hydrodynamischen Axiallager 130 vorgesehen sein oder aber das hydrodynamische Axiallager 130 vollständig ersetzen. Unterstützend zu den konischen hydrodynamischen Lagern 122 und 124 kann am Außendurchmesser der Nabe 126 ein radiales Luftlager 162 vorgesehen sein.
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4 zeigt einen Teilschnitt durch einen Spindelmotor gemäß 2, der sich jedoch vom Spindelmotor gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass das radiale Luftlager als konisches Luftlager 63 ausgebildet ist, dass sowohl eine Kraftkomponente in axialer als auch in radialer Richtung erzeugt. Hierzu ist die Außenkante des Flansches 51 der Nabe 26 abgeschrägt, sowie auch die gegenüberliegende Lagerflache der Grundplatte 12.
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5 zeigt schematisch die Spaltabstände und Wirkungsweise der axialen hydrodynamischen Lager im Vergleich des axialen Luftlagers des Spindelmotors aus 1. Hierbei ist schematisch die Grundplatte 12 mit der Lagerbuchse 14 dargestellt sowie die Welle 16 mit Nabe 26. Beispielsweise weist das obere hydrodynamische Axiallager 48 eine Breite des Axiallagerspaltes von dF, auf, während das axiale Luftlager 52 insgesamt eine Breite von dL aufweist. Der Spaltabstand dL ist wesentlich größer als der Spaltabstand dF, wobei die Differenz dL – dF = dC einen Spaltabstand ergibt, der immer konstant und größer als Null ist.
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Wie aus 6 ersichtlich, verhält es sich bei den Lagerspalten der radialen hydrodynamischen Lager und des radialen Luftlagers entsprechend. Der Radiallagerspalt d*F des radialen hydrodynamischen Lagers ist wesentlich kleiner als der Radiallagerspalt d*L des radialen Luftlagers, wobei die Differenz d*L – d*F = d*C einem konstanten Spaltabstand entspricht.
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Die Pfeile 64 und 65 in den 5 und 6 zeigen die Richtungen der vom Luftlager erzeugten Kräfte. Die Pfeile 64 in den 5 und 6 symbolisieren den äußeren Luftdruck. Im Fall von spiralförmigen Rillen erzeugt das Luftlager eine nach oben weisende Kraft 65, die stark von der Lagerfläche abhängt. Dabei ist es für die Funktion des Lagers sehr wichtig, dass die Nabe luftdicht abschließt.
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7 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit Hybridlagersystem. Der Spindelmotor 210 umfasst ein feststehendes Motorbauteil mit einer Grundplatte 212, an welcher ein feststehendes Lagerteil 214 befestigt ist. Das feststehende Lagerteil 214 ist ringförmig ausgebildet und von einem beweglichen Motorbauteil in Form einer Nabe 226 umgeben. Die Nabe 226 umgibt das feststehende Motorbauteil 214 etwa U-förmig, wobei die einander gegenüberliegenden Oberflächen des Lagerteils 214 und der Nabe 226 durch einen Lagerspalt 218 voneinander getrennt sind. Im Bereich des Lagerspaltes sind zwei radiale hydrodynamische Lager 222 und 224 angeordnet, wobei der Lagerspalt mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Ferner ist ein axiales hydrodynamisches Lager 248 vorgesehen. Ein zweites hydrodynamisches Axiallager 232 kann auf der gegenüberliegenden Seite des ersten hydrodynamischen Axiallagers 248 vorgesehen sein. Angetrieben wird der Spindelmotor durch eine innen liegende Statoranordnung 236 sowie einen an einem ringförmigen Joch 240 befestigten ringförmigen Rotormagneten, der mit der Nabe 236 verbunden ist.
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Erfindungsgemäß kann zusätzlich oder alternativ zu einem der hydrodynamischen Axiallager 232 ein dynamisches Luftlager 252 vorgesehen sein. Hierzu ist an der Nabe 226 eine ringförmige Lagerplatte 250 angeordnet, welche zusammen mit einer entsprechenden Lagerfläche der Grundplatte 212 das Luftlager 252 ausbildet. Das axiale Luftlager 252 erzeugt eine Kraft in Pfeilrichtung 260, die gleich gerichtet ist, wie die Kraft die durch das axiale hydrodynamische Lager 232 erzeugt wird. Daher kann das Luftlager 252 das axiale hydrodynamische Lager 232 ergänzen oder vollständig ersetzen. Das axiale hydrodynamische Lager 248 erzeugt eine zum Luftlager 252 entgegengesetzt gerichtete Kraft.
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Die Vorteile eines Spindelmotors, der zusätzlich zum hydrodynamischen Lager auch ein dynamisches Luftlager umfasst, ist, dass das Lagersystem aufgrund des großen Durchmessers der Luftlager im Vergleich zu den hydrodynamischen Lagern insgesamt stabiler arbeitet. Das dynamische Luftlager ist vorzugsweise an einem Außenumfang des beweglichen Motorbauteils, meist die Nabe, angeordnet.
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Das Luftlager erzeugt eine axiale Kraft, die bei Spindelmotoren bekannter Bauart gewöhnlich durch ein hydrodynamisches Axiallager oder einen magnetischen Offset zwischen der Statoranordnung und dem Rotormagneten bzw. einer dem Rotormagneten gegenüberliegenden ferromagnetischen Platte erzeugt wird. Dieser magnetische Offset bzw. diese magnetische Vorspannung kann durch das Luftlager vollständig ersetzt werden. Dies bedeutet, geringere Materialkosten für den Magneten bzw. die ferromagnetische Platte und eine geringere Geräuschentwicklung des Motors. Der Luftspalt des Luftlagers ist sehr viel größer als der Lagerspalt des hydrodynamischen Lagers, so dass keine Gefahr besteht, dass das rotierende Motorteil in Berührung mit dem feststehenden Motorteil kommt.
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Aufgrund der Wirkung des axialen und auch radialen Luftlagers können die entsprechend gleichgerichtet wirkenden hydrodynamischen Lager sehr viel „schwächer” ausgebildet werden, das heißt man kann die Lagerkraft der hydrodynamischen Lager reduzieren, was auch das Risiko eines Kavitätseffektes und Unterdrucks im Lagerspalt des hydrodynamischen Lagers verringert.
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Erfindungsgemäß ist eine luftdichte Nabe vorhanden, deren einziger Zugang der Luftspalt des Luftlagers ist, und das axiale Luftlager so gestaltet, dass es permanent in den durch die Nabe umschlossenen Hohlraum hineinpumpt. Das erhöht den Luftdruck innerhalb der Nabe und folglich auch den Druck im hydrodynamischen Lagerspalt. Ein höherer Druck im hydrodynamischen Lagerspalt hilft einen Kavitätseffekt und Unterdruck im Lagerspalt zu verhindern. Falls das hydrodynamische Lager in seiner Funktion gestört wird, beispielsweise durch eingeschlossene Luftblasen oder andere Effekte, kann das Luftlager eine Unterstützung bieten und so eine Beschädigung des Lagers verhindern, bis hin zu einem Ersatz des hydrodynamischen Lagers.
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Wenn das hydrodynamische Lager als konisches Lager ausgebildet ist, ist eine axiale Kraft notwendig, um die konische Welle in der konischen Lagerbuchse zu halten. Hierzu kann vorzugsweise ein axiales Luftlager eingesetzt werden. Falls die Lagerplatte des Luftlagers aus magnetischem Material besteht, hat dies den Effekt, dass die magnetische Kraft zwischen der Statoranordnung und dem Rotormagneten ausgeglichener und symmetrischer wird und weniger Magnetverluste entstehen. Dies verbessert das Geräuschverhalten und reduziert die Magnetkosten. Zur gleichen Zeit wird die Lagerfläche des Luftlagers erhöht, was die erreichbare Kraft ebenfalls erhöht.
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Ein weiterer Vorteil des Hybridlagers besteht darin, dass die Viskosität von Luft gegenüber der Viskosität von gängigen Lagerölen ein umgekehrtes Temperaturverhalten zeigt. Die Viskosität von Luft nimmt zwischen 0°C und 100°C um 21% zu, während die Viskosität von gängigen Lagerölen im selben Temperaturbereich um ca. 90% abnimmt. Beim Abkühlen erhöht sich also die Reibung des hydrodynamischen Lagers, gleichzeitig verringert sich die Reibung beim Luftlager, was zu einer insgesamt geringeren Reibung führt als bei einem reinen hydrodynamischen Lager.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110, 210
- Spindelmotor
- 12, 112, 212
- Grundplatte
- 14, 114, 214
- Lagerbuchse
- 16, 116, 216
- Welle
- 18, 118, 218
- Lagerspalt
- 20, 120, 220
- Drehachse
- 22, 222
- hydrodynamisches Radiallager/konisches Lager
- 24, 224
- hydrodynamisches Radiallager
- 26, 126, 226
- Nabe
- 28
- Druckplatte
- 30, 130
- hydrodynamisches Axiallager
- 32 232
- hydrodynamisches Axiallager
- 34, 134
- Abdeckplatte
- 36, 136, 236
- Statoranordnung
- 38, 138, 238
- Rotormagnet
- 40, 140, 240
- Joch
- 42, 142
- Dichtungsspalt
- 44, 144
- Ringspalt
- 46
- Rezirkulationskanal
- 48 248
- hydrodynamisches Axiallager
- 50 250
- Lagerplatte
- 51, 151
- Flansch
- 52, 152, 252
- axiales Luftlager
- 54
- Pumpstruktur
- 56
- Pumpstruktur
- 58
- Drehrichtung
- 60, 160, 260
- Richtungspfeil
- 62, 162
- radiales Luftlager
- 63
- konisches Luftlager
- 64
- Kraftpfeil
- 65
- Kraftpfeil
- 122
- konisches hydrodynamisches Lager
- 124
- konisches hydrodynamisches Lager
