DE102008017220A1

DE102008017220A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102008017220A1
Application number: DE102008017220A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer; Jürgen Fleig; Martin Engesser; Stefan Schwamberger; Igor Ross; Thilo Rehm
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2008-10-30
Also published as: US8182154B2; US20080260310A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, welches mindestens ein feststehendes Bauteil umfasst, das eine Welle, und zwei in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnete Lagerplatten aufweist, und mindestens ein rotierendes Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, und eine Lagerbuchse und eine die Lagerbuchse umgebende Hülse umfasst. Zwischen den Bauteilen ist ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt vorgesehen und mindestens ein konzentrisch zur Rotationsachse verlaufender Dichtungsspalt zur Abdichtung des Lagerspalts. Das Lager umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und zwei fluiddynamische Axiallager, und mindestens einen Rezirkulationskanal, der die beiden Axiallagerbereiche miteinander verbindet. Erfindungsgemäß ist der größte radiale Durchmesser des Rezirkulationskanals größer oder gleich dem größten Durchmesser des Dichtungsspalts und der kleinste radiale Durchmesser des Rezirkulationskanals ist größer oder gleich dem größten Durchmesser einer angrenzenden Lagerplatte. Außerdem kann eine zusätzliche und wirksame Entlüftung im Rezirkulationskanal durch eine Entlüftungsvorrichtung vorgenommen werden. Um ein verbessertes Druckgleichgewicht im Lagerspalt und eine verbesserte Rückhaltung des Lagerfluids zu realisieren, können die Dichtungsspalte zumindest in Teilabschnitten in einem Winkel alpha, beta relativ zur Rotationsachse geneigt sein, wobei die Winkel unterschiedlich groß ...

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein Lagersystem zur Drehlagerung von Spindelmotoren, wie sie beispielsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken eingesetzt werden.
Beschreibung des Standes der Technik
Heutzutage werden zur Drehlagerung von Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke überwiegend fluiddynamische Lager eingesetzt. Ein fluiddynamisches Lager umfasst mindestens ein feststehendes Bauteil und mindestens ein rotierendes Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil drehbar um eine gemeinsame Rotationsachse gelagert ist. Zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ist mindestens ein Spalt ausgebildet, der einen mit einem Lagerfluid gefüllten Bereich aufweist, der durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Die Dichtungsmittel sollen verhindern, dass Lagerfluid aus dem Lager austreten kann. Eine weit verbreitete Methode zur Abdichtung des Lagerspaltes sind Spaltdichtungen, insbesondere sogenannte Kapillardichtungen, welche die materialspezifischen Eigenschaften des Lagerfluids, also die Wirkprinzipien von Kapillar-, Adhäsions- und Kohäsionskräften ausnutzen.
Es ist einseitig wie auch zweiseitig offene fluiddynamische Lagersysteme bekannt. Ein Spindelmotor mit einem einseitig offenen Lagersystem bekannter Bauart ist beispielsweise in DE 102 39 650 A1 offenbart.
Die US 6,404,087 B1 offenbart einen Spindelmotor mit einem zweiseitig offenen Lagersystem. Bei diesem zweiseitig offenen Lagersystem ist eine mit einer Lagerbuchse verbundene Nabe drehbar um eine feststehende Welle gelagert, wobei der Lagerspalt an beiden Seiten offen und durch Kapillardichtungen abgedichtet ist. Diese Kapillardichtungen sind als sogenannte „tapernd Seals" (konische Kapillardichtungen) ausgebildet, bei denen sich der Lagerspalt an den offenen Enden konisch aufweitet. Durch diese konische Aufweitung des Lagerspalts entstehen zwischen den Oberfläche von zwei mit der Welle verbundenen Lager- oder Druckplatten und der Nabe konzentrische, sich nach außen erweiternde Freiräume, die anteilig mit Lagerfluid gefüllt sind. Das Lagerfluid benetzt die Oberflächen der Druckplatten und der Nabe, wodurch sich an der Grenzfläche zur Luft ein Meniskus mit konkaver Oberfläche ausbildet. Dadurch wird das Rückhaltevermögen des Lagerfluids vor allem bei Schockbelastung erhöht und die Dichtwirkung der Kapillardichtung verbessert. Das in den Freiräumen befindliche Lagerfluid dient außerdem als Reservoir, aus dem abdampfendes Lagerfluid ersetzt wird. Zudem wirken die nicht mit Lagerfluid gefüllten Bereiche der Freiräume als Ausgleichsvolumina, in welche das Lagerfluid bei einer Temperaturerhöhung aufsteigen kann. Die Dichtwirkung dieser Anordnung ist umso besser, je schlanker der sich verjüngende Übergangsbereich zwischen Freiraum und Lagerspalt gestaltet wird und je höher die Viskosität des Lagerfluids ist.
Sowohl bei einseitig offenen als auch insbesondere bei zweiseitig offenen Lagersystemen besteht das Problem, dass Luftblasen, die im Lagerfluid eingeschlossen sind, sich durch Fliehkrafteffekte der rotierenden Lagerbauteile und in den dadurch hervorgerufenen Druckgradienten im Lagerfluid teilweise an bestimmten Punkten im Lagerspalt sammeln. Diese Luftansammlungen können nicht mehr durch die Öffnungen des Lagerspalts nach Außen transportiert werden, sondern wandern nach Innen in Richtung der fluiddynamischen Lager. Ein weiteres Problem sind Luftblasen, die mit dem Fluidstrom durch den Rezirkulationskanal transportiert werden. Diese Luftblasen müssen teilweise Stufen oder Kanten beim Übergang vom Rezirkulationskanal zu den Dichtungsspalten überwinden, was oftmals dazu führt, dass sich in diesen Übergangsbereichen die Luft sammelt und die Lagerfunktionen beeinträchtigt. Dieser Effekt kann bis zum Ausfall des Lagers führen.
Beide Axiallager pumpen das Lagerfluid nach innen, jedoch wird das Fluid aufgrund der starken Asymmetrie des unteren Radiallagers entlang des Lagerspaltes zwischen der Welle und der Lagerbuchse nach oben gepumpt und fließt im oberen Axiallagerbereich radial nach außen und durch den Rezirkulationskanal nach unten und wird schließlich vom unteren Axiallager wieder radial nach innen gepumpt.
Insbesondere bei zweiseitig offenen Lagersystemen besteht das weitere Problem, die Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt und gegebenenfalls dem Rezirkulationskanal derart einzustellen, dass sich ein Druckgleichgewicht einstellt, so dass das Lagerfluid keinesfalls aus der einen oder anderen Kapillardichtung austritt. Ferner besteht die Gefahr, dass im Bereich der Kapillardichtung Luft in das Lagersystem eindringen kann. Im Lagerspalt befindliche Luftbläschen können sich aufgrund von Fliehkrafteffekten der rotierenden Lagerbauteile und dadurch hervorgerufenen Druckgradienten im Lagerfluid teilweise an bestimmten Punkten im Lagerspalt sammeln. Diese Luftansammlungen können nicht mehr durch die Öffnungen des Lagerspalts nach Außen transportiert werden, sondern wandern nach Innen in Richtung der fluiddynamischen Lager. Diese Luftbläschen im Lagerspalt beeinträchtigen die Lagerfunktion und können zu einem Ausfall des Lagers führen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem Maßnahmen für eine verbesserte Ausleitung der im Lagerfluid enthaltenen Luft getroffen sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, das Mittel zur wirksamen Entlüftung im Rezirkulationskanal aufweist. Schließlich besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, ein fluiddynamisches Lager mit beidseitig offenem Lagerspalt anzugeben, bei dem ein verbessertes Druckgleichgewicht im Lagerspalt und verbesserte Rückhaltung des Lagerfluids realisiert ist.
Die Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem gelöst, welches mindestens ein feststehendes Bauteil umfasst, das eine Welle und zwei in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnete obere und untere Lagerplatten aufweist. Es ist mindestens ein rotierendes Bauteil vorgesehen, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, und eine Lagerbuchse und eine die Lagerbuchse umgebende Hülse umfasst, wobei die Lagerbuchse zwischen den Lagerplatten drehbar an der Welle angeordnet ist. Ein Lagerspalt ist zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet und trennt einander gegenüberliegende Oberflächen von Welle, Lagerbuchse, Lagerplatten und Hülse voneinander. Es ist mindestens einen konzentrisch zur Rotationsachse verlaufende Dichtungsspalt zur Abdichtung des Lagerspalts vorgesehen, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Das Lager umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens zwei fluiddynamische Axiallager, und mindestens einen Rezirkulationskanal. Entsprechend der Erfindung ist der größte radiale Durchmesser R3 des Rezirkulationskanals größer oder gleich dem größten radialen Durchmesser R2 des Dichtungsspalts, und der kleinste radiale Durchmesser R4 des Rezirkulationskanals ist größer oder gleich dem größten radialen Durchmesser R1 einer Lagerfläche der angrenzenden oberen und/oder unteren Lagerplatte.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass im Lagerfluid enthaltene Luftblasen unmittelbar in Richtung des Dichtungsspalts geführt werden und dort sowohl durch Fliehkrafteffekte als auch durch den Fluss des Lagerfluids in Richtung der Rotationsachse nach Außen in die Umgebung gelangen kann und somit aus dem Lager geführt wird.
Das Lagersystem kann sowohl ein einseitig offenes als auch ein zweiseitig offenes Lagersystem sein. Bei einem Lagerspalt mit zwei offenen Enden können beide Enden durch einen Dichtungsspalt abgedichtet sein. Der Dichtungsspalt kann als Kapillardichtung ausgebildet sein, wobei sich der Dichtungsspalt ausgehend vom Lagerspalt konisch aufweitet.
Vorzugsweise erstreckt sich der Dichtungsspalt nicht exakt parallel zur Rotationsachse des Lagers, sondern in einem Winkel von 0° bis 45° zur Rotationsachse. Dabei wird der Durchmesser der den Dichtungsspalt begrenzenden Bauteile ausgehend vom Lagerspalt kleiner, was sowohl für den Außendurchmesser als auch für den Innendurchmesser der den Dichtungsspalte begrenzenden Bauteile zutrifft, während die Spaltbreite des Dichtungsspaltes zunimmt.
Ebenso kann der Dichtungsspalt Teil einer fluiddynamischen Pumpdichtung sein, welche durch Pumpstrukturen auf der Oberfläche der Hülse bzw. der Druckplatte gekennzeichnet ist.
Das Lagersystem umfasst vorzugsweise zwei Radiallager, die gebildet werden durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse. Die Radiallager weisen bekannterweise Rillenstrukturen auf, die auf der Oberfläche der Welle oder der Lagerbuchse vorgesehen sind. Die Rillenstrukturen verlaufen vorzugsweise von einem zwischen den Radiallagern angeordneten Separatorbereich bis an die Stirnseiten der Lagerbuchse.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Lagerrillen des Radiallagers nicht bis an die jeweilige Stirnseite der Lagerbuchse reichen, sondern dass ein axialer Bereich mit engem Lagerspalt ohne Lagerrillen zwischen dem Ende des Radiallagers und der Stirnseite der Lagerbuchse verbleibt (sogenannte „quiet zone").
Ferner umfasst das erfindungsgemäße Lagersystem ein erstes Axiallager, das durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der oberen Lagerplatte und der Lagerbuchse gebildet wird sowie ein zweites Axiallager, das durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der unteren Lagerplatte und der Lagerbuchse gebildet wird. Die Axiallager weisen ebenfalls Rillenstrukturen auf, die vorzugsweise von einem äußeren Rand der Stirnseiten der Lagerbuchse bzw. der Lagerplatten bis zu einem inneren Rand der Stirnseiten der Lagerbuchse bzw. der Lagerplatten verlaufen.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Lagerrillen des Axiallagers von einem äußeren Rand der Stirnseite der Lagerbuchse bzw. der Lagerplatten verlaufen, nicht jedoch bis zu einem inneren, zur Welle benachbarten Rand der entsprechenden Bauteile verlaufen, sondern dass im radialen Innenbereich ein ringförmiger, nicht mit Lagerrillen versehener Bereich eines engen Lagerspaltes verbleibt (sogenannter „seal belt").
Die Hülse, welche die Lagerbuchse umgibt, weist einen mittleren Bereich und zwei Randbereiche auf. Vorzugsweise ist der innere Durchmesser der Hülse mindestens in einem Randbereich kleiner als der innere Durchmesser des mittleren Bereiches. Es gibt eine Stufe am oberen Randbereich der Hülse, die radial nach außen geführt ist. Folglich ist die Hülse zumindest in einem Randbereich nach Innen in Richtung der Rotationsachse abgeschrägt, so dass die äußere Begrenzung des Dichtungsspaltes ebenfalls nach Innen in Richtung der Rotationsachse abgeschrägt ist. In der gleichen Weise kann der Durchmesser der jeweiligen Lagerplatten über die Länge des angrenzenden. Dichtungsspaltes variieren, wobei die Lagerplatten im Bereich des Lagerspaltes einen größeren Durchmesser aufweisen als im gegenüberliegenden Bereich. Hierdurch wird das Fluid infolge der Zentrifugalkräfte in das Lagerinnere gedrückt. Es ist jedoch auch möglich, dass der Innendurchmesser der Hülse im Bereich des Dichtungsspaltes konstant bleibt.
Der Rezirkulationskanal, der die beiden Axiallagerbereiche miteinander verbindet, kann beispielsweise an der Außenoberfläche der Lagerbuchse vorgesehen sein. Vorzugsweise befindet sich der Rezirkulationskanal jedoch an der Innenoberfläche der Hülse oder aber sogar an der Außenoberfläche der Hülse, so dass dessen Durchmesser vorzugsweise größer ist als der Durchmesser der Dichtungsspalte und der Lagerplatten.
Beide Axiallager pumpen das Lagerfluid nach innen, jedoch wird das Fluid aufgrund der starken Asymmetrie des unteren Radiallagers entlang des Lagerspaltes zwischen der Welle und der Lagerbuchse nach oben gepumpt und fließt im oberen Axiallagerbereich radial nach außen und durch den Rezirkulationskanal nach unten und wird schließlich vom unteren Axiallager wieder radial nach innen gepumpt.
Der Rezirkulationskanal kann gerade und parallel zur Rotationsachse verlaufen, er kann aber vorzugsweise auch spiralförmig um die Oberfläche des jeweiligen Lagerbauteils verlaufen, wobei der Rezirkulationskanal so verläuft, dass er in Fließrichtung des Fluids betrachtet entgegengesetzt zur Drehrichtung der Lagerbuchse verläuft. Hierdurch wird der Fluss des Fluids durch die Trägheitskräfte des Fluids unterstützt. Das Fluid wird durch die Fliehkräfte in den Rezirkulationskanal hineingedrückt und es ergibt sich ein stabiler Fluidstrom im Rezirkulationskanal. Um den Fluss des Fluids im Rezirkulationskanal zusätzlich zu steuern, kann die Breite oder auch die Tiefe des Rezirkulationskanals über dessen Länge variieren. So kann die Fließgeschwindigkeit bzw. der Druck im Rezirkulationskanal über dessen Länge kontrolliert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein fluiddynamisches Lagersystem vorgeschlagen, welches mindestens ein feststehendes Bauteil umfasst, das eine Welle und zwei in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnete obere und untere Lagerplatten aufweist. Es ist mindestens ein rotierendes Bauteil vorgesehen, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, und eine Lagerbuchse und eine die Lagerbuchse umgebende Hülse umfasst, wobei die Lagerbuchse zwischen den Lagerplatten drehbar an der Welle angeordnet ist. Ein Lagerspalt ist zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet und trennt einander gegenüberliegende Oberflächen von Welle, Lagerbuchse, Lagerplatten und Hülse voneinander. Es ist mindestens einen konzentrisch zur Rotationsachse verlaufende Dichtungsspalt zur Abdichtung des Lagerspalts vorgesehen, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Das Lager umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens zwei fluiddynamische Axiallager, und mindestens einen Rezirkulationskanal.
Eine zusätzliche und wirksame Entlüftung im Rezirkulationskanal wird erreicht durch eine Entlüftungsvorrichtung, die im Bereich des axialen Endes des Rezirkulationskanals und dem sich daran anschließenden Dichtungsspalt angeordnet ist. Die Entlüftungsvorrichtung umfasst einen schräg radial auswärts und nach unten gerichteten Schrägringraum, der in den sich radial auswärts anschließenden Dichtungsspalt mündet.
Das fluiddynamische Lager weist eine stehende Welle auf und ist zweiseitig geöffnet. Auf der Oberseite kann eine Pumpdichtung vorgesehen sein, die sich zwischen dem Außenumfang der oberen Lagerplatte und der gegenüberliegenden Innenwandung der Lagerhülse befindet. Sind die Lagerbuchse und die Lagerhülse zweiteilig ausgebildet, so ist ein Rezirkulationskanal etwa durch eine Rille in der Außenwand der Lagerbuchse und/oder in der Innenwandung der Lagerhülse vorgesehen.
Selbstverständlich können die Lagerbuchse und die Lagerhülse auch einteilig ausgebildet sein; in diesem Fall ist der Rezirkulationskanal durch eine Bohrung in der Lagerbuchse realisiert. Darüber hinaus weist das Lager zwei asymmetrische Radiallager (Herringbone-Fischgrätenmuster) sowie zwei spiralrillenförmige Axiallager auf, die neben der Tragfähigkeit der Lager eine definierte Pumprichtung des Fluids durch den Lagerspalt sowie durch den Rezirkulationskanal derart bewirken, dass unabhängig von der räumlichen Anordnung des Lagers sowie unabhängig von Fertigungstoleranzen das Fluid in der figürlich gezeigten Darstellung des Lagers von oben nach unten durch den Rezirkulationskanal strömt. Dabei wird evtl. im Lager ausgasende Luft mitgeführt, die an der Unterseite des Lagers durch den sich konisch erweiternden Dichtungsspalt, der als Kapillardichtung wirkt, austreten soll. Damit die aus dem Rezirkulationskanal austretende Luft nicht in den Axiallagerbereich eintreten kann, ist der zur Drehachse hin gemessene Abstand der Innenwand des Rezirkulationskanals größer als der Radius der Außenkante der unteren Lagerplatte in der Ebene des Axiallagers.
Weiterhin ist der Austritt des Rezirkulationskanals vorzugsweise axial unterhalb der Axiallager-Ebene angeordnet. Somit wird verhindert, dass innerhalb des Fluids ausgasende Luft in den Axiallagerbereich eintreten kann, was bei einer hinreichenden Ansammlung von Luft spätestens bei Bildung eines vollständigen Luftringes zu einem Ausfall des Lagers führt, da die Axiallagerflächen in diesem Fall in trockenen, d. h. ungeschmierten Kontakt treten.
Axial unterhalb der Axiallagerebene weist die untere Lagerplatte eine Schrägung auf, wodurch eine konische Erweiterung des Lagers entsteht, die mit der gegenüberliegenden Lagerbuchse bzw. der Hülse einen Winkel von etwa 2° bis 15° einschließt, vorzugsweise etwa 4°–10°. Daran anschließend befindet sich zwischen der unteren Lagerplatte und der Lagerbuchse bzw. Hülse ein ebenfalls konisch ausgebildeter, weitgehend vertikal verlaufender Dichtungsspalt, der als Kapillardichtung wirkt und der einen Öffnungswinkel von etwa 1°–10°, vorzugsweise etwa 2° bis 5° aufweist, wobei sich der Konus zum Lageräußeren hin erweitert. Besonders bevorzugt ist nicht nur die Außenwandung der Lagerbuchse, sondern ebenfalls die Innenwandung der Lagerhülse bzw. der Lagerbuchse nach innen geneigt, d. h. der Außendurchmesser der unteren Lagerplatte sowie der Innendurchmesser der Lagerbuchse bzw. Hülse nimmt abgesehen vom oberen Bereich der Schrägung in Richtung zum Lageräußeren hin betrachtet kontinuierlich ab, wobei in diesem Bereich der Neigungswinkel der Lagerplatte zur Drehachse hin gemessen größer ist als der Neigungswinkel der Lagerbuchse bzw. Hülse, so dass insgesamt eine nach außen hin sich konisch erweiternde Öffnung verbleibt.
Ein weiterer Problemkreis ist die hohe Lagerreibung insbesondere im Bereich der Axiallager beim Anlauf des Lagers. Diese wird durch die folgenden Maßnahmen verringert: Die Axiallagerrillen werden vorzugsweise lediglich weniger als 10 Mikrometer tief ausgebildet. Weiterhin ist der radial innen liegende zur Welle benachbarte Bereich der Axiallagerflächen nicht mit tiefer liegenden Lagerrillen versehen (sogenannter „seal belt"). Der Axiallagerspalt beträgt vorzugsweise etwa 5–20 Mikrometer, besonders bevorzugt 8–15 Mikrometer. Außerdem ist im radialen Außenbereich der Axiallager ein Bereich vorgesehen, der den Axiallagerspalt um weitere etwa 20 Mikrometer öffnet (sogenannte „pad-area"). Bevorzugt sind sowohl die Radiallager- als auch die Axiallagerstrukturen in der Lagerbuchse vorgesehen, selbstverständlich können diese jedoch auch in den jeweils gegenüberliegenden Lagerplatten sowie in der Welle vorgesehen werden.
Darüber hinaus gelangen die Radiallagerrillen nicht bis in den Übergangsbereich zum Axiallager (kein „break through"), sondern es befindet sich hier ebenfalls ein Bereich, der frei ist von tiefer liegenden Radiallagerrillen (sogenannte „quiet zone").
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass der Druckaufbau der Axiallager rascher vollzogen wird und somit die Axiallager rascher tragfähig werden, wodurch wiederum beim Anlauf des Lagers eine geringere Lagerreibung stattfindet.
In einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein fluiddynamisches Lagersystem vorgesehen, welches mindestens ein feststehendes Bauteil umfasst, das eine Welle und zwei in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnete obere und untere Lagerplatten aufweist. Es ist mindestens ein rotierendes Bauteil vorgesehen, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist, und eine Lagerbuchse und eine die Lagerbuchse umgebende Hülse umfasst, wobei die Lagerbuchse zwischen den Lagerplatten drehbar an der Welle angeordnet ist. Ein Lagerspalt ist zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet und trennt einander gegenüberliegende Oberflächen von Welle, Lagerbuchse, Lagerplatten und Hülse voneinander. Es ist mindestens einen konzentrisch zur Rotationsachse verlaufende Dichtungsspalt zur Abdichtung des Lagerspalts vorgesehen, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Das Lager umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens zwei fluiddynamische Axiallager, und mindestens einen Rezirkulationskanal.
Um ein verbessertes Druckgleichgewicht im Lagerspalt und eine verbesserte Rückhaltung des Lagerfluids zu realisieren, wird vorgeschlagen, die Dichtungsspalte zumindest in Teilabschnitten in einem Winkel α, β relativ zur Rotationsachse zu neigen, wobei der Winkel α des stromaufwärts der im Rezirkulationskanal herrschenden Strömungsrichtung des Lagerfluids liegenden Dichtungsspalts größer ist als der Winkel β des stromabwärts liegenden Dichtungsspalts. Die beiden Winkel α, β können zwischen 0°–90° betragen.
Durch diese oben beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass beim Betrieb des Lagers die auf das Lagerfluid wirkende Fliehkraft in den beiden Dichtungsspalten einen unterschiedlich großen Druck erzeugt. Insbesondere wird in einem Dichtungsspalt ein relativ großer Fliehkraft basierter Druck erzeugt, der einem durch das entfernt von diesem Dichtungsspalt angeordnete Radiallager erzeugten Druck entgegenwirkt. Dadurch wird im Lagerspalt ein Druckgleichgewicht aufrechterhalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und deren Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit einer ersten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems.
2 zeigt eine Seitenansicht der Hülse des Lagersystems, wobei die verdeckten Kanten und der Rezirkulationskanal angedeutet sind.
3 zeigt eine Ansicht der Hülse von oben, wobei man die Eintrittsöffnung des Rezirkulationskanals erkennt.
4 zeigt einen Schnitt durch die Hülse mit Rezirkulationskanal an der Innenoberfläche.
5 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bereiches 46 aus 1 mit einer abgewandelten Ausgestaltung des Dichtungsspaltes.
6 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Spindelmotor, ähnlich dem in 1, mit außenliegendem Rezirkulationskanal.
7 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.
8 zeigt einen Schnitt durch das Lagersystem in einer weiteren Ausgestaltung.
9 zeigt dieselbe Darstellung mit gleichen Teilen wie 8 mit Radien.
10 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt aus 8 im linken Bereich der Lagerplatte.
11 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt aus 8 durch den rechten Bereich der Lagerplatte.
12 zeigt eine Aufsicht auf die Lagerhülse bei entfernter Welle und Lagerplatte.
13 zeigt die Unteransicht der Lagerhülse bei entfernter Welle und Lagerplatte.
14 zeigt eine schematisierte Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Lagers.
15 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform des Lagers.
16 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit einer weiteren Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems.
17 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit einer letzen Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes mit einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10. In einer Öffnung der Basisplatte 10 ist eine Haltebuchse 12 angeordnet und fest mit der Basisplatte 10 verbunden. In der Haltebuchse 12 ist eine stehende Welle 14 befestigt. Eine ringförmige untere Lagerplatte 20 ist auf dem unteren, der Haltebuchse 12 zugewandten Bereich der Welle 14 angeordnet. Am oberen freien Ende der Welle 14 ist in einem Abstand zur unteren Lagerplatte eine zweite ringförmige obere Lagerplatte 18 angeordnet. Die beiden Lagerplatten 18 und 20 sind fest mit der Welle 14 verbunden. In einem durch die beiden Lagerplatten 18, 20 gebildeten Zwischenraum ist eine Lagerbuchse 16 angeordnet. Die Lagerbuchse 16 besitzt eine zentrale Bohrung zur Aufnahme der Welle 14 und ist auf der Welle 14 um eine Rotationsachse 24 drehbar gelagert. Die Lagerbuchse 16 hat einen Innendurchmesser, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Welle 14, und eine Länge, die geringfügig kleiner ist als die Länge des Zwischenraums zwischen den beiden Lagerplatten 18 und 20. Dadurch verbleibt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 14, der Lagerplatten 18 und 20 und der Lagerbuchse 16 ein Lagerspalt 26, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Am Außenumfang der Lagerbuchse 16 ist eine Hülse 22 angeordnet, die fest mit der Lagerbuchse 16 verbunden ist. Die Länge der Hülse 22 ist größer ist als die Länge der Lagerbuchse 16. Dadurch stehen die beiden Enden der Hülse 22 über die Enden der Lagerbuchse 16 hinaus.
Der Innendurchmesser der Hülse 22 ist geringfügig größer als die Außendurchmesser der beiden Lagerplatten 18, 20. Hierdurch verbleibt zwischen den Mantelflächen der Lagerplatten 18, 20 und der Innenfläche der Hülse 22 jeweils ein Dichtungsspalt 40, 42, der mit dem Lagerspalt 26 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Diese Dichtungsspalte 40, 42 dichten den Lagerspalt 26 nach außen ab.
Es ist vorzugsweise mindestens ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen, der am Innendurchmesser der Hülse 22 verläuft und durch die Oberflächen der Hülse 22 und der Lagerbuchse 16 begrenzt wird. Der Rezirkulationskanal 28 verbindet den zwischen der oberen Lagerplatte 18 und der Stirnseite der Lagerbuchse 16 radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 26 mit dem zwischen der unteren Lagerplatte 20 und der anderen Stirnseite der Lagerbuchse 16 radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 26 miteinander und gewährleistet eine ausreichende Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 26. Der Rezirkulationskanal 28 kann als gerader Kanal oder vorzugsweise als spiralförmiger Kanal 26 ausgebildet sein, der ähnlich einem Gewinde auf der inneren Oberfläche der Hülse 22 verläuft.
Die Lagerbuchse 16 und die Hülse 22 bilden zusammen das bewegliche Bauteil des Lagersystems, während die Welle 14, die Haltebuchse 12 und die beiden Lagerplatten 18, 20 das feststehende Bauteil des Lagersystems bilden.
Die dargestellte Lageranordnung umfasst vorzugsweise zwei Radiallager 32 und 34. Die Radiallager 32, 34 werden gebildet durch die aneinander angrenzenden und durch den Lagerspalt 26 voneinander beabstandeten Oberflächen der Welle 14 und der Lagerbuchse 16, und sind durch Druck erzeugende Oberflächenstrukturen, beispielsweise Rillenstrukturen, gekennzeichnet. Die Oberflächenstrukturen sind auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen, beispielsweise der Innenfläche der Lagerbuchse 16, aufgebracht. Natürlich können diese Oberflächenstrukturen auch auf der entsprechenden gegenüberliegenden Oberfläche der Welle 14 angeordnet sein. Sobald die bewegliche Lagerbuchse 16 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Oberflächenstrukturen im Inneren des Lagerspalts 26 ein fluiddynamischer Druck auf, so dass die Radiallager 32, 34 tragfähig werden.
Die Radiallager 32, 34 werden durch einen sogenannten Separator 54 voneinander getrennt. Der Separator 54 ist ein verbreiterter Abschnitt des Lagerspaltes.
Durch Anzahl und Größe (Länge) der Lagerstrukturen sowie deren Ausrichtung kann die Pumprichtung des Lagerfluids bestimmt werden. Im dargestellten Beispiel bilden die Lagerstrukturen der Radiallager 32, 34 zwei übereinanderliegende Abschnitte die jeweils eine entgegengesetzt gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben. Dadurch dass die Lagerrillen der jeweiligen Abschnitte unterschiedliche Länge haben, ist deren Pumpwirkung auch unterschiedlich groß.
Die axialen Kräfte des Lagersystems werden durch mindestens zwei zueinander entgegengesetzt wirkende Axiallager 36 und 38 aufgenommen. Das erste Axiallager 36 wird durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der oberen Lagerplatte 18 und der Lagerbuchse 16 gebildet. Das zweite Axiallager 38 wird durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der unteren Lagerplatte 20 und der Lagerbuchse 16 gebildet. Ähnlich wie die Radiallager sind auch die Axiallager 36, 38 durch spiralförmige Oberflächenstrukturen gekennzeichnet, die auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht sind und eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben. Die Form und Ausgestaltung der Oberflächenstrukturen ist einem Fachmann bekannt und daher in der Zeichnung nicht weiter dargestellt.
Vorzugsweise verlaufen die Rillen der Radiallager 32, 34 bis in den äußeren Rand der Lagerbuchse 16 sowie bis in den zwischen beiden Radiallagern angeordneten Separatorbereich 54, in welchem der Lagerspalt 26 deutlich größer ist als im Bereich der Radiallager selbst. Auch die Rillen der Axiallager 36, 38, die vorzugsweise auf der Ober- und Unterseite der Lagerbuchse 16 angeordnet sind, verlaufen vorzugsweise vom äußeren Rand bis zum Innenrand der Stirnseiten der Lagerbuchse 16. In der Regel sind die Außenkante sowie die Kante der Lagerbohrung in der Lagerbuchse 16 gebrochen bzw. weisen eine Abschrägung, Fase oder einen Radius auf. Bis in diese Bereiche verlaufen die Axial- bzw. die endseitigen Radial-Lagerrillen.
An der Hülse 22 ist die Nabe 30 des Spindelmotors befestigt. Die Nabe 30 ist beispielsweise über eine Press- oder Schweißverbindung mit der Hülse 22 verbunden. Wird der Spindelmotor in einem Speicherplattenlaufwerk eingesetzt, trägt die Nabe 30 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) und treibt diese drehend an. Bevorzugt weist die Nabe 30 einen oberen Verbindungsbereich 31 sowie einen unteren Verbindungsbereich 33 auf, welche direkt an der Hülse 22 anliegen, wobei sich dazwischen ein Bereich befindet, der sich nicht in direkter Wirkverbindung mit der Hülse befindet. Dieser Bereich weist eine Aussparung auf. Weiterhin verläuft der untere Verbindungsbereich 33 bevorzugt so weit in axialer Richtung nach unten, dass das untere Ende dieses Bereiches radial innerhalb des Statorblechpakets positioniert ist. Hierdurch wird neben einer großen Fügelänge und somit einer besonders festen Verbindung von Nabe und Hülse gewährleistet, dass der Lagerbereich infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der aus Aluminium bestehenden Nabe und der aus Stahl bestehenden Lagerbuchse bzw. Hülse nicht verbogen wird.
Die zum Betrieb des Spindelmotors notwendigen elektro-magnetischen Komponenten sind an der Basisplatte 10 bzw. der Nabe 30 angeordnet. Die Basisplatte 10 trägt eine Statoranordnung 48, die aus einer Mehrzahl von Statorwicklungen besteht, die auf ferromagnetische Polbleche gewickelt sind. Die Statorwicklungen sind in geringem Abstand von einem abwechselnd magnetisierten ringförmigen Permanentmagneten 50 umgeben, der an der Nabe 30 befestigt ist, bzw. an einem an der Nabe 30 angeordneten Joch.
Ein offenes Ende des Lagerspalts 26 wird durch den Dichtungsspalt 40 abgedichtet, der sich zwischen der Hülse 22 und dem Außendurchmesser der oberen Lagerplatte 18 erstreckt. Der Dichtungsspalt 40 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und wirkt als Kapillardichtung. Die statische Wirkung der Kapillardichtung kann durch weitere Dichtungsmittel unterstützt werden. Beispielsweise kann eine zusätzliche dynamische Pumpdichtung 44 vorgesehen sein. Hierzu kann beispielsweise der Außendurchmesser der oberen Lagerplatte 18 mit entsprechenden Oberflächenstrukturen versehen sein, die bei Rotation der Hülse 22 eine in Richtung des Lagerspalts 26 gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben.
Weiterhin ist bevorzugt endseitig zwischen der oberen Lagerplatte 18 und der Hülse 22 ein Ölreservoir 52 vorgesehen, welches zunächst eine konische Aufweitung aufweist, die als Kapillardichtung wirkt und sich endseitig wieder zu einem engen Spalt verjüngt.
Das andere offene Ende des Lagerspalts wird durch den Dichtungsspalt 42 abgedichtet, der sich zwischen der Hülse 22 und dem Außendurchmesser der unteren Lagerplatte 20 erstreckt. Der Dichtungsspalt 42 ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt und wirkt als Kapillardichtung. Diese Kapillardichtung ist vorzugsweise als konische Kapillardichtung ausgebildet, bei der sich der Dichtungsspalt 42 nach außen konisch aufweitet. Hierzu weist die untere Lagerplatte 20 am Außendurchmesser eine konische Einschnürung auf, so dass ein konischer Freiraum zwischen der unteren Lagerplatte 20 und der Hülse 22 gebildet wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Innenwandung der Hülse 22 im Bereich des Dichtungsspalts 42 im Verlauf zum unteren Lagerende leicht nach Innen geneigt ist, so dass die untere Lagerplatte 20 noch montierbar ist. Die Außenwandung der unteren Lagerplatte 20 ist ebenfalls im Verlauf zum Lagerende hin nach Innen leicht geneigt, so dass sich der Dicktungsspalt 42 konisch nach Außen erweitert. D. h. der Winkel zur Rotationsachse 24, um den die Innenwandung der Hülse 22 geneigt ist, ist kleiner als der Winkel, um den die Außenwandung der unteren Lagerplatte 20 geneigt ist.
Erfindungsgemäß sind nun Maßnahmen getroffen, um eine Ansammlung von Luft im Lagerspalt 26 zu vermeiden und der Luft die Möglichkeit zum Austreten über den unteren Dichtungsspalt 40, 42 zu geben. Hierbei ist der größte radiale Durchmesser des Rezirkulationskanals 28 mindestens gleich groß gewählt wie der größte Durchmesser von mindestens einem Dichtungsspalt 42. Gleichzeitig ist der kleinste radiale Durchmesser des Rezirkulationskanals 28 mindestens gleich groß gewählt wie der größte Durchmesser der angrenzenden unteren Lagerplatte 20. Durch diese Maßnahmen ergibt sich keine Kante oder Stufe am Übergang vom Rezirkulationskanal 28 zum Dichtungsspalt 42, die radial nach außen weist. Bei Rotation des Lagers wird durch Fliehkräfte das Lagerfluid im Rezirkulationskanal 28 sowie auch im Dichtungsspalt 42 radial nach außen gedrückt, wobei die im Lagerfluid enthaltene Luft automatisch radial nach innen verdrängt wird. Wäre der Durchmesser des Rezirkulationskanals 28 kleiner als der Durchmesser des Dichtungsspaltes 42, so würden sich an der entstehenden Kante im Bereich 46 Luftblasen ansammeln, die nicht nach Außen aus dem Lager austreten könnten. Durch die fluchtende oder radial außen liegende Anordnung des Rezirkulationskanals relativ zum Dichtungsspalt und die dadurch vermiedene radial nach außen weisende Kante im Übergangsbereich 46 kann die Luft nun jedoch vom Rezirkulationskanal 28 in den Dichtungsspalt übertreten und aus dem Lager entweichen.
Der obere Dichtungsspalt 40 geht in einer radial nach außen weisenden Stufe in den Rezirkulationskanal 28 über. Hier kann jedoch ohnehin keine Luft entweichen, da eine Pumpdichtung 44 vorgesehen ist, welche eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung ausübt, sowohl auf das Lagerfluid, als auch auf die Luft. Eventuell aus dem Dichtungsspalt 40 austretendes Lagerfluid wird in einem Reservoir 52 aufgefangen und kann nicht nach Außen gelangen.
In den 2 bis 4 ist die Hülse 22 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Man erkennt den vorzugsweise spiralförmig am Innenumfang verlaufenden Rezirkulationskanal 28. Die Enden des Rezirkulationskanals 28 öffnen sich in einem spitzen Winkel zur Ebene der in der Hülse 22 aufgenommenen Lagerplatten. Dadurch wird das Einfließen bzw. Ausfließen des Lagerfluids von dem Axiallagerbereichen in den bzw. aus dem Rezirkulationskanal 28 begünstigt.
5 zeigt eine andere Ausgestaltung des unteren Dichtungsbereiches mit dem Dichtungsspalt 142. Hier ist der Rezirkulationskanal 128 als gerader Kanal am Innenumfang der Hülse 122 vorgesehen. Die untere Lagerplatte 120 ist an ihrem Außendurchmesser deutlich abgeschrägt und hat im Bereich des Axiallagers 38 einen Außendurchmesser, der etwa dem Innendurchmesser des Rezirkulationskanals 128 entspricht.
Am Innenumfang der Hülse 122 ist nun ein weiteres Bauteil in Form eines Ringeinsatzes 156 vorgesehen, dessen Innenumfang ebenfalls abgeschrägt ist, wobei zwischen dem Innenumfang des Ringeinsatzes 156 und dem Außenumfang der unteren Lagerplatte 120 der Dichtungsspalt 142 definiert ist. Dieser Dichtungsspalt 142 weitet sich ausgehend vom Lagerspalt 26 konisch auf und ist insgesamt in einem spitzen Winkel zur Rotationsachse 24 des Lagers geneigt. Dadurch wird ein Hinausbefördern von Luft aus dem im Dichtungsspalt 42 befindlichen Lagerfluid begünstigt. Durch die auftretenden Fliehkräfte bei Rotation des Lagers wird das Lagerfluid in Richtung radial nach Außen, also zu dem Ringeinsatz 156 hingedrückt, während die Luft in die entgegengesetzte Richtung, also an den Außendurchmesser der unteren Lagerplatte 120 gedrückt wird. Durch die abgeschrägte Oberfläche der Lagerplatte 120 wird die Luft automatisch nach unten aus dem Lager hinausbefördert. Durch die Pumpstrukturen des benachbarten Axiallagers 38 wird ein Druckanstieg in radialer Richtung von außen in das innere des Lagers geschaffen, der ein Eindringen der Luft in den Axiallagerspalt verhindert und somit eine Druckbarriere für die Luft bildet.
6 zeigt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, der in großen Teilen dem Spindelmotor gemäß 1 entspricht. Gleiche Bauteile sind daher mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zu 1 befindet sich bei dem Lagersystem gemäß 6 der Rezirkulationskanal 228 an der Außenoberfläche der Hülse 222 zwischen der Hülse und der Nabe 30. Alternativ kann dieser Rezirkulationskanal auch in der Innenwandung der Nabe (30) gebildet sein und etwa gerade oder spiralförmig (Helix) verlaufen. Durch entsprechende Querbohrungen 229 und 231 sind die Enden des Rezirkulationskanals 228 direkt mit den Dichtungsspalten 40 bzw. 42 verbunden. Die Lagerbuchse 216 ist hierbei vollkommen zylindrisch ausgebildet und beinhaltet keinen Rezirkulationskanal.
Folglich ist der Rezirkulationskanal 228 auf einem größeren Durchmesser angeordnet, als die Dichtungsspalte 40 bzw. 42 und weist ebenfalls einen größeren Durchmesser auf als die Lagerplatten 18 bzw. 20. Die im Rezirkulationskanal 228 bzw. in den Bohrungen 229, 231 enthaltene Luft wird durch den Fluidfluss an ein Ende des Kanals 228 transportiert. Von dort gelangt die Luft durch Fliehkrafteffekte und dem Fluidfluss nach Innen beispielsweise in den Dichtungsspalt 42 und von dort nach Außen. Somit kann sich insbesondere in den Axiallagerbereichen 36, 38 kein Luftpolster mehr bilden, das zu Ausfällen des Lagers führen kann.
7 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Es ist lediglich das Lagersystem dargestellt. Das Innere des Lagers bildet eine Welle 314, die im Beispiel als Hohlwelle ausgebildet ist. Die Welle 314 kann auch als innere Lagerbuchse bezeichnet werden. An der Welle 314 sind in einem gegenseitigen Abstand voneinander ringförmige Lagerplatten 318 und 320 angeordnet, die fest mit der Welle 314 verbunden sind. Zwischen den beiden Lagerplatten 318 und 320 ist um eine Rotationsachse 324 relativ zur Welle eine Lagerbuchse 316 drehbar angeordnet. Die Lagerbuchse 316 hat einen Innendurchmesser, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Welle 314, und eine Länge, die geringfügig kleiner ist, als der Abstand zwischen den beiden Lagerplatten 318 und 320. Dadurch bildet sich zwischen den aneinander angrenzenden Oberflächen der Welle 314, der Lagerplatten 318 und 320 sowie der Lagerbuchse 316 ein Lagerspalt 326 aus, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Im axialen Abschnitt des Lagerspaltes 326 umfasst das Lagersystem zwei Radiallagerbereiche 332 und 334. In den radialen Abschnitten zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 316 und den Lagerplatten 318 bzw. 320 sind Axiallager 336 und 338 ausgebildet. Der Außenumfang der Lagerbuchse 316 ist fest mit einer Hülse 322 verbunden, wobei die Länge der Hülse 322 größer ist, als die Länge der Lagerbuchse. Der Innendurchmesser der Hülse 322 ist geringfügig größer als die jeweiligen Außendurchmesser der beiden Lagerplatten 318 und 320. Zwischen den Mantelflächen der Lagerplatten 318 und 320 und der Innenfläche der Hülse 322 werden Dichtungsspalten 340 und 342 gebildet, die mit den Enden des Lagerspaltes 326 verbunden sind. Diese Dichtungsspalten 340 und 342 verlaufen im wesentlichen in axialer Richtung und sind als Kapillardichtungen ausgebildet und dienen gleichzeitig als Fluidreservoir. Die Dichtungsspalten 340 und 342 erstrecken sich in einem Winkel von beispielsweise 0° bis 20° zur Rotationsachse 324. Dies wird dadurch erreicht, dass der Innendurchmesser der die Dichtungsspalten 340 und 342 begrenzenden Oberflächen der Hülse 322 in Richtung der Öffnung der Dichtungsspalte kleiner wird, während gleichzeitig der Außendurchmesser der Lagerplatten 318 und 320 in Richtung der Öffnung der Dichtungsspalte 340 und 342 sich verringert. Die Abschrägung der Lagerplatten 318 und 320 im Bereich der Dichtungsspalte ist jedoch größer als die Abschrägung der Hülse 322, so dass die Breite des Dichtungsspaltes in Richtung dessen Öffnung zunimmt, wobei sich der gewünschte Kapillareffekt einstellt.
Es ist mindestens ein Rezirkulationskanal 328 vorgesehen, der sich im wesentlichen parallel zur Rotationsachse 324 erstreckt und den Verbindungsbereich zwischen Lagerspalt 326 und den Dichtungsspalten 340 und 342 miteinander verbindet. Erfindungsgemäß ist der größte radiale Durchmesser R3 des Rezirkulationskanals 328 größer als der größte Durchmesser R2 der Dichtungsspalte 340 bzw. 342. Gleichzeitig ist der kleinste radiale Durchmesser R4 des Rezirkulationskanals 328 ebenfalls größer als der größte radiale Durchmesser der Lagerplatten 318 und 320. Durch die radial nach innen, also in Richtung der Rotationsachse 324 abgeschrägten Dichtungsspalten 340 und 342 kann im Lagerspalt 326 bzw. in den Dichtungsspalte 340 und 342 befindliche Luft aufgrund der auf das Lagerfluid wirkenden Zentrifugalkräfte entweichen. Unterstützt wird dieser Effekt durch den radial weit außenliegenden Rezirkulationskanal 328, wobei im Rezirkulationskanal befindliche Luft beim Übergang zu den Dichtungsspalten 340 und 342 ebenfalls leicht aus dem Lager austreten kann.
8 und 9 zeigen eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
Eine erste ringförmige untere Lagerplatte 20 ist auf dem unteren, der Haltebuchse zugewandten Bereich der Welle 14 angeordnet. Am oberen freien Ende der Welle 14 ist in einem Abstand zur unteren Lagerplatte eine zweite ringförmige obere Lagerplatte 18 angeordnet. Die beiden Lagerplatten sind fest mit der Welle 14 verbunden. In einem durch die beiden Lagerplatten gebildeten Zwischenraum ist eine Lagerbuchse 16 angeordnet. Die Lagerbuchse 16 besitzt eine zentrale Bohrung zur Aufnahme der Welle 14 und ist auf der Welle 14 um eine Rotationsachse 24 drehbar gelagert. Die Lagerbuchse 16 hat einen Innendurchmesser, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Welle 14, und eine Länge, die geringfügig kleiner ist als die Länge des Zwischenraums zwischen den beiden Lagerplatten. Dadurch verbleibt zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 14, der Lagerplatten und der Lagerbuchse 16 ein Lagerspalt 26, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Am Außenumfang der Lagerbuchse 16 ist eine Hülse 22 angeordnet, die fest mit der Lagerbuchse 16 verbunden ist. Die Länge der Hülse 22 ist größer ist als die Länge der Lagerbuchse 16. Dadurch stehen die beiden Enden der Hülse 22 über die Enden der Lagerbuchse 16 hinaus. Der Innendurchmesser der Hülse 22 ist geringfügig größer als die Außendurchmesser der beiden Lagerplatten. Hierdurch verbleibt zwischen den Mantelflächen der Lagerplatten und der Innenfläche der Hülse 22 jeweils ein Dichtungsspalt, der mit dem Lagerspalt 26 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Diese Dichtungsspalte dichten den Lagerspalt 26 nach außen ab.
Es ist vorzugsweise mindestens ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen, der am Innendurchmesser der Hülse 22 verläuft und durch die Oberflächen der Hülse 22 und der Lagerbuchse 16 begrenzt wird. Der Rezirkulationskanal 28 verbindet den zwischen der oberen Lagerplatte 18 und der Stirnseite der Lagerbuchse 16 radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 26 mit dem zwischen der unteren Lagerplatte 20 und der anderen Stirnseite der Lagerbuchse 16 radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 26 miteinander und gewährleistet eine ausreichende Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 26. Der Rezirkulationskanal 28 kann als gerader Kanal oder vorzugsweise als spiralförmiger Kanal 26 ausgebildet sein, der ähnlich einem Gewinde auf der inneren Oberfläche der Hülse 22 verläuft.
Die dargestellte Lageranordnung umfasst vorzugsweise zwei Radiallager, von denen lediglich das eine Radiallager 34 gezeigt ist. Die Radiallager werden gebildet durch die aneinander angrenzenden und durch den Lagerspalt 26 voneinander beabstandeten Oberflächen der Welle 14 und der Lagerbuchse 16, und sind durch Druck erzeugende Oberflächenstrukturen, beispielsweise Rillenstrukturen, gekennzeichnet. Die Oberflächenstrukturen sind auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen, beispielsweise der Innenfläche der Lagerbuchse 16, aufgebracht. Natürlich können diese Oberflächenstrukturen auch auf der entsprechenden gegenüberliegenden Oberfläche der Welle 14 angeordnet sein. Sobald die bewegliche Lagerbuchse 16 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Oberflächenstrukturen im Inneren des Lagerspalts 26 ein fluiddynamischer Druck auf, so dass die Radiallager tragfähig werden. Die Radiallager werden durch einen sogenannten Separator 54 voneinander getrennt. Der Separator 54 ist ein verbreiterter Abschnitt des Lagerspaltes.
Die axialen Kräfte des Lagersystems werden durch mindestens zwei zueinander entgegengesetzt wirkende Axiallager aufgenommen, von denen lediglich das eine Axiallager 38 gezeigt ist. Das erste – nicht zeichnerisch dargestellte – Axiallager wird durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der oberen Lagerplatte und der Lagerbuchse 16 gebildet. Das zweite Axiallager 38 wird durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der unteren Lagerplatte 20 und der Lagerbuchse 16 gebildet. Ähnlich wie die Radiallager sind auch die Axiallager durch spiralförmige Oberflächenstrukturen gekennzeichnet, die auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht sind und eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben. Die Form und Ausgestaltung der Oberflächenstrukturen ist einem Fachmann bekannt und daher in der Zeichnung nicht weiter dargestellt.
Vorzugsweise verlaufen die Rillen der Radiallager nicht bis in den äußeren Rand der Lagerbuchse 16, jedoch bis in den zwischen beiden Radiallagern angeordneten Separatorbereich 54, in welchem der Lagerspalt 26 deutlich größer ist als im Bereich der Radiallager selbst. Auch die Rillen der Axiallager, die vorzugsweise auf der Ober- und Unterseite der Lagerbuchse 16 angeordnet sind, verlaufen vorzugsweise bis zum äußeren Rand, nicht jedoch bis zum Innenrand der Stirnseiten der Lagerbuchse 16. In der Regel sind die Außenkante sowie die Kante der Lagerbohrung in der Lagerbuchse 16 gebrochen bzw. weisen eine Abschrägung, Fase oder einen Radius auf. Bis in diese Bereiche verlaufen die Axial- bzw. die endseitigen Radial-Lagerrillen.
An der Hülse 22 ist die Rotor-Nabe des Spindelmotors befestigt. Die Rotor-Nabe ist beispielsweise über eine Press-, Klebe- oder Schweißverbindung mit der Hülse 22 verbunden. Wird der Spindelmotor in einem Speicherplattenlaufwerk eingesetzt, trägt die Nabe eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) und treibt diese drehend an.
Die Entlüftungsvorrichtung 45 ist im Bereich 46 zwischen der Innenwandung der Hülse 22 und der Außenwandung der unteren Lagerplatte 20 angeordnet. Wie erwähnt, ist die Wandung 49 der Lagerplatte 20 in diesem Bereich im Winkel zur Vertikalen 47 schräg verlaufend. Dadurch wird ein konisch sich nach außen erweiternder Dichtungsspalt 42 gebildet, der über die Entlüftungseinrichtung 45 flüssigkeitsleitend mit dem Rezirkulationskanal 28 verbunden ist.
Weitere Einzelheiten des Lagers ergeben sich aus der vergrößerten Schnittdarstellung in 10. Wenn mit der Strömung des Fluids in Pfeilrichtung 29 im Rezirkulationskanal 28 Luftblasen 35 mitgeführt werden, gelangen diese auf die von einander abweichenden Schrägen 15, 17 der unteren Lagerplatte 20 sowie der Lagerbuchse 16 und werden dort in Pfeilrichtung 37 radial sowie axial auswärts verdrängt. Wegen dieser Schrägen 15, 17 werden die Luftblasen 35 bei Drehung der Hülse 22 in den Konusspalt 39 zwischen Hülse 22 und unteren Lagerplatte 20 verdrängt. Sie werden deshalb in Pfeilrichtung 41 in den flüssigkeitsleitend mit dem Konusspalt verbundenen Dichtungsspalt 42 verdrängt und von dort nach außen abgeleitet.
Die 11 zeigt den vergrößerten Teilschnitt der rechten Seite der Entlüftungsanordnung 45. Dort ist erkennbar, dass der Öffnungswinkel (Winkel zwischen den Schrägen 15 und 17) der Mündung 23 des Schrägringraumes 21 etwa 6 Grad beträgt.
Die 12 und 13 zeigen, dass die Tragstrukturen 43 der Axiallager nach außen hin geöffnet sind, um eine radial nach innen gerichtete Druckströmung des Fluids zu erzeugen. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in den Figuren die Welle 14 sowie die Lagerplatten 20 entfernt, um die in der Lagerbuchse 16 eingearbeiteten Tragstrukturen 43 zu zeigen. Ferner ist zu erkennen, dass sich eine ringförmige, unstrukturierte Zone 59 (der sogenannte „seal belt") frei von Axiallagerrillen-Strukturen 43 am radialen Innenbereich der Axiallagerfläche 38 befindet.
14 zeigt, dass die Radiallagerrillen 58 nicht bis in den Übergangsbereich 56 zum Axiallager (kein „break through") gelangen, sondern es befindet sich hier ebenfalls ein Bereich 61, der frei ist von tiefer liegenden Radiallagerrillen (sogenannte „quiet zone"). Ferner ist auch in dieser Zeichnung die „seal belt"- Zone 59 im radial innen liegenden Übergangsbereich der Axiallager zu erkennen. Am radialen Außenbereich des Axiallagers 38 befindet sich ein Bereich 60, die sogenannte „pad-area", in welchem der Axiallagerspalt sich zunächst erweitert und größer ist als die Summe der Tiefe der Axiallagerrillen 43 sowie des Axiallagerspaltes im Bereich des Axiallagers. Radial noch weiter außen liegend geht die Wand der Lagerbuchse 16 in eine Schräge 17 über, welche schließlich im Kontaktbereich mit der Lagerbuchse 22 axial näher zum benachbarten Lagerausgang positioniert ist als die axiale Position der unteren Lagerplatte 20 im Bereich des Axiallagers 38.
Die 15 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hier ist der Rezirkulationskanal 28 in radialer Richtung weiter außen liegend in der Lagerhülse 22 vorgesehen und weist eine untere Öffnung auf, die seitlich in den konischen Dichtungsspalt 42 mündet, der zwischen der unteren Lagerplatte 20 und der Lagerhülse 22 angeordnet ist. Hierbei ist nunmehr der größte Abstand R3 des Rezirkulationskanals 28 zur Drehachse 24 größer als der größte Abstand R2 des Dichtungsspaltes 42 zur Drehachse 24.
Da aufgrund der Zentrifugalkraft der Lagerdruck in radialer Richtung von innen nach außen kontinuierlich zunimmt, werden evtl. im Lagerfluid ausgasende Luftblasen sich in Richtung des geringeren Druckes bewegen und somit weitgehend an der radial innenliegenden Innenwand des Rezirkulationskanals 28 entlang in radialer Richtung nach innen aus dem Rezirkulationskanal 28 heraustreten und anschließend durch die Kapillardichtung des Dichtungsspaltes 42 aus dem Lager austreten.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich der Ausführung in 1. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein offenes Ende des Lagerspalts 26 wird durch den oberen Dichtungsspalt 40 abgedichtet, der sich zwischen der Hülse 22 und dem Außendurchmesser der oberen Lagerplatte 18 erstreckt. Der Dichtungsspalt 40 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und wirkt als Kapillardichtung. Eine ringförmige Abdeckkappe 44, die in eine Öffnung der Nabe 30 eingesetzt ist, deckt die Lagerplatte 18 ab und verschießt das Lager gegenüber der Umgebung. Der Dichtungsspalt 40 wird nicht nur durch die Lagerspalte 18 und die Hülse 22 begrenzt sondern setzt sich entlang der Stirnseite der Lagerplatte 18 fort und wird nach oben durch die Abdeckkappe 44 begrenzt. Die Abdeckkappe 44 kann ein einfach und kostengünstig zu fertigendes Stanzteil sein. Der Dichtungsspalt 40 oder zumindest ein Teilabschnitt des Dichtungsspalts 40, insbesondere der Abschnitt zwischen der Lagerplatte 18 und der Abdeckkappe 44, ist in einem Winkel α in Bezug auf die Rotationsachse 24 geneigt, und zwar radial nach innen in Richtung zur Rotationsachse. In diesem um den Winkel α geneigten Bereich befindet sich zumindest im Stillstand des Motors Lagerfluid.
Das andere offene Ende des Lagerspalts wird durch den Dichtungsspalt 42 abgedichtet, der sich zwischen dem Außenumfang der unteren Lagerplatte 20 und dem Innenumfang der Hülse 22 erstreckt. Der Dichtungsspalt 42 ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt und wirkt als Kapillardichtung. Diese Kapillardichtung ist vorzugsweise als konische Kapillardichtung ausgebildet, bei der sich der Dichtungsspalt 42 nach außen konisch aufweitet. Vorzugsweise weist die Lagerplatte 20 am Außenumfang eine konische Einschnürung auf, so dass ein konischer Freiraum zwischen der Lagerplatte 20 und der Hülse 22 gebildet wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Innenumfang der Hülse 22 im Bereich des Dichtungsspalts 42 im Verlauf zum unteren Lagerende radial nach innen in Richtung zur Rotationsachse 24 geneigt ist, so dass die Lagerplatte 30 noch montierbar ist. Die an den Dichtungsspalt 42 angrenzende Oberfläche der Hülse 22 kann auch gerade, d. h. parallel zur Rotationsachse 24 verlaufen. Der Außenumfang der Lagerplatte 20 ist ebenfalls im Verlauf zum Lagerende hin radial leicht nach innen geneigt, so dass sich der Dicktungsspalt 42 konisch nach Außen erweitert. D. h. der Winkel zur Rotationsachse 24, um den die Innenwandung der Hülse 22 geneigt ist, ist kleiner als der Winkel, um den die Außenwandung der Lagerplatte 20 geneigt ist. Insgesamt kann der Dichtungsspalt 42 in einem Winkel β in Bezug auf die Rotationsachse 24 geneigt sein, und zwar radial nach innen in Richtung zur Rotationsachse.
Die beiden Radiallager 32 und 34 sind asymmetrisch ausgebildet, das heißt sie besitzen asymmetrische frischgrätenartige Lagerstrukturen, die das Lagerfluid unterschiedlich stark in unterschiedliche Richtung pumpen. Die den Axiallagern benachbarten Lagerstrukturen 32a, 34a pumpen in das Innere des Lagers in Richtung des Separators 54 während die dem Separator benachbarten Lagerstrukturen 32b, 34b nach außen in Richtung der Axiallager pumpen. Die beiden Axiallager 36, 38 besitzen vorzugsweise spiralrillenförmige Lagerstrukturen und pumpen beide in das Innere des Lagers in Richtung der benachbarten Radiallager. Die Pumpwirkung der beiden Axiallager 36, 38 ist entgegengesetzt zueinander gerichtet und kompensiert sich.
Die Lagerstrukturen 34a des Radiallagers 34 sind in Vergleich zu den Lagerstrukturen 34b, 32a, 32b besonders lang ausgebildet, so dass deren Pumpwirkung im Lager deutlich überwiegt. Dadurch strömt das Lagerfluid im axialen Anschnitt des Lagerspalts 26 vom Radiallager 34 in Richtung des Radiallagers 32 und weiter in Richtung des Axiallages 36 und strömt über den Rezirkulationskanal 28 in Strömungsrichtung 46 weiter zum unteren Axiallager 38 und von dort zurück zum Radiallager 34. Es bildet sich ein geschlossener Fluidkreislauf.
Durch die Pumpwirkung der Lagerstrukuren 34a ergibt sich jedoch ein größerer Gesamtdruck im oberen Bereich des Lagers, d. h. im Bereich des oberen Axiallagers 36 und dem oberen Dichtungsspalt 40, so dass das Lagerfluid in den Dichtungsspalt 40 und aus diesem heraus gedrückt werden würde. Es wird also eine auf das Lagerfluid wirkende Gegenkraft benötigt, die im Lagerspalt das notwenige Druckgleichgewicht herstellt.
Der Winkel der Dichtungsspalte werde mittig gemessen, d. h. als Winkelhalbierende des Winkels der Inennwand der Hülse 22 bzw. der Abdeckkappe 44 sowie des Winkels der Außenwandung der Lagerplatte. Erfindungsgemäß ist der Dichtungsspalt 40 zumindest in einem Teilabschnitt 40a in einem Winkel α, im dargestellten Beispiel α etwa 90°, relativ zur Rotationsachse 24 geneigt. Und zwar ist nur der Abschnitt 40a des Dichtungsspalts geneigt, der sich zwischen der Stirnfläche der Lagerplatte 18 und der Abdeckkappe 44 befindet. Durch die Neigung des Abschnitt 40a des Dichtungsspalts 40 in einem Winkel α nach innen in Richtung der Rotationsachse 24 wird das im Abschnitt 40a befindliche Lagerfluid durch die im Betrieb des Lagers auftretende Zentrifugalkraft radial nach außen gedrückt. Es entsteht ein Druck im Lagerspalt 40 der in das Innere des Lagers gerichtet ist und dem durch die Radiallager erzeugten und in Richtung des Dichtungsspalts 40 wirkenden Druck entgegenwirkt und diesen kompensiert. Der untere Dichtungsspalt 42 kann ebenfalls in Richtung der Rotationsachse in einem Winkel β geneigt sein. Da jedoch im Bereich des Dichtungsspalts 42 kein Überdruck herrscht, kann der Winkel β sehr klein und sogar Null sein. Im dargestellten Beispiel ist der Winkel β etwa 0°.
Wichtig ist, dass der Winkel β deutlich kleiner ist als der Winkel α, so dass der durch die Zentrifugalkraft erzeugte Druck auf das Lagerfluid im Dichtungsspalt 40 größer ist als im Dichtungsspalt 42. Der Winkel α kann, gemäß der Definition in den Zeichnungen, auch größer als 90° werden, insbesondere wenn die Stirnseite der Lagerplatte 18 sowie auch die Abdeckkappe 44 zur Welle 14 hin schräg verlaufen. Auch dieser Fall soll von der Erfindung umfasst werden. Je nachdem von welcher Seite man den Winkel misst, ist er in Bezug auf die Rotationsachse 24 immer kleiner gleich 90°.
17 zeigt einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in 16 versehen sind. Der Aufbau und die Funktionsweise entsprechen im Wesentlichen der Beschreibung des Spindelmotors von 16.
Im Unterschied zum Lagersystem aus 16, ist die untere Dichtungsanordnung etwas anders ausgebildet. Die untere Lagerplatte 120 weist in Richtung der Halterbuchse am Außenumfang eine starke Einschnürung auf und begrenzt den Dichtungsspalt 142 radial nach innen. Die Hülse 122, welche die Lagerbuchse 16 umgibt, überdeckt nicht mehr den Außenumfang der unteren Lagerplatte 120, sondern schließt im Wesentlichen bündig mit der Kante der Lagerbuchse 16 ab. Die äußere Begrenzung des Dichtungsspalts 142 wird somit nicht mehr durch die Hülse gebildet sondern durch ein zusätzliches Bauteil in Form einer ringförmigen Kappe 156. Die Kappe 156 weist einen umlaufenden Rand auf, mittels dem sie auf die Hülse 122 aufgesteckt wird. Der Dichtungsspalt verläuft ausgehend vom Lagerspalt zunächst in einem Winkel β nach innen in Richtung der Rotationsachse 24 und geht dann über in einen im Wesentlichen axialen Abschnitt. Im dargestellen Beispiel beträgt der Winkel ca. β = 30°. Dadurch vergrößert sich die im Dichtungsspalt 142 auf das Lagerfluid wirkende Zentrifugalkraft im Vergleich zu 1, wo der Winkel β = 0 war. Folglich wird im Dichtungsspalt 142 ein Druck in Richtung des Übergangs vom Rezirkulationskanal 28 zum Lagerspalt des Axiallagers 38 erzeugt. Dies kann vorteilhaft sein, da die Lagerstrukturen 34a durch ihre relativ große Pumpwirkung in Richtung des Radiallager 32 einen niederen Druck oder sogar Unterdruck im Axiallager 38 erzeugen können, der durch den durch Fliehkraft im Dichtungsspalt 142 erzeugten Druck zumindest teilweise kompensiert wird.

10: Basisplatte
12: Haltebuchse
14: Welle
15: Schräge
16: Lagerbuchse
17: Schräge
18: obere Lagerplatte
20: untere Lagerplatte
21: Schrägringraum
22: Hülse
23: Mündung
24: Rotationsachse
26: Lagerspalt
28: Rezirkulationskanal
29: Pfeilrichtung
30: Nabe
31: oberer Verbindungsbereich der Nabe
32: Radiallager
32a, b: Radiallagerbereiche
33: unterer Verbindungsbereich der Nabe
34: Radiallager
34a, b: Radiallagerbereiche
35: Luftblasen
36: Axiallager
37: Pfeilrichtung
38: Axiallager
39: Konusspalt
40: Dichtungsspalt
40a: Abschnitt des Dichtungsspalts
41: Pfeilrichtung
42: Dichtungsspalt
43: Axiallagerrillen
44: Pumpdichtung
45: Entlüftungsvorrichtung
46: Bereich
47: Vertikale
48: Statoranordnung
49: Wandung
50: Permanentmagnet
52: Reservoir
54: Separator
56: Übergangsbereich
58: Radiallagerrillen
59: Bereich (seal belt)
60: Bereich (pad-area)
61: Bereich (quiet zone)
62: Abdeckkappe (44 in PM07101)
64: Strömungsrichtung (46 in PM 07101)
66: Joch (52 in PM 07101)
116: Lagerbuchse
120: untere Lagerplatte
122: Hülse
128: Rezirkulationskanal
142: Dichtungsspalt
156: Ringeinsatz
162: Abdeckkappe (156 in PM 07101)
216: Lagerbuchse
222: Hülse
228: Rezirkulationskanal
229: Querkanal
231: Querkanal
314: Welle
316: äußere Lagerbuchse
318: obere Lagerplatte
320: untere Lagerplatte
322: Hülse
324: Rotationsachse
326: Lagerspalt
328: Rezirkulationskanal
332: Radiallager
334: Radiallager
336: Axiallager
338: Axiallager
340: Dichtungsspalt (Reservoir)
342: Dichtungsspalt (Reservoir)
R1: Größter Durchmesser der Lagerplatte(n) (bzw. Lagerflächen der Lagerplatte)
R2: Größter Durchmesser des Dichtungsspalts
R3: Größter Durchmesser des Rezirkulationskanals
R4: Kleinster Durchmesser des Rezirkulationskanals

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10239650 A1 [0003]
- US 6404087 B1 [0004]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: – mindestens ein feststehendes Bauteil, das eine Welle (14; 314), und zwei in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnete obere und untere Lagerplatten (18, 318; 20, 320) aufweist, – mindestens ein rotierendes Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse (24; 324) drehbar gelagert ist, und eine Lagerbuchse (16; 116; 216; 316) und eine die Lagerbuchse umgebende Hülse (22; 122; 222; 322) umfasst, wobei die Lagerbuchse zwischen den Lagerplatten drehbar an der Welle angeordnet ist, – einen Lagerspalt (26; 326), der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet ist, und einander gegenüberliegende Oberflächen von Welle, Lagerbuchse, Lagerplatten und Hülse voneinander trennt, – mindestens einen konzentrisch zur Rotationsachse (24; 324) verlaufenden Dichtungsspalt (40, 42; 142; 340, 342) zur Abdichtung des Lagerspalts (26), der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist, – mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (32, 34; 332, 334), – mindestens zwei fluiddynamische Axiallager (36, 38; 336, 338), und – mindestens einen Rezirkulationskanal (28; 128; 228; 328) im Bereich der Hülse und/oder der Lagerbuchse, der die beiden Axiallagerbereiche miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, – dass der größte radiale Durchmesser R3 des Rezirkulationskanals (28; 128; 228; 328) größer oder gleich dem größten radialen Durchmesser R2 des Dichtungsspalts ist, und – dass der kleinste radiale Durchmesser R4 des Rezirkulationskanals (28; 128; 228; 328) größer oder gleich dem größten radialen Durchmesser R1 einer Lagerfläche der angrenzenden oberen und/oder unteren Lagerplatte ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (26; 326) zwei offene Enden aufweist, die beide durch einen Dichtungsspalt (40, 42; 142; 340, 342) abgedichtet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (40, 42; 142; 340, 342) Teil einer Kapillardichtung ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Dichtungsspalt (42; 142; 340, 442) ausgehend vom Lagerspalt konisch aufweitet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Dichtungsspalt (142; 340, 342) im wesentlichen in einem Winkel von 0° bis 45° zur Rotationsachse erstreckt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Lagerspalt angrenzende Durchmesser der den Dichtungsspalt (142) begrenzenden Bauteile (156, 120; 322, 318, 320) ausgehend vom Lagerspalt kleiner wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (40) Teil einer fluiddynamischen Pumpdichtung (44) ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Radiallager (32, 34; 332, 334) gebildet werden durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt (26; 326) voneinander beabstandete Oberflächen der Welle (14; 314) und der Lagerbuchse (16; 116; 216; 316).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager (32, 34; 332, 334) Rillenstrukturen umfassen, die auf der Oberfläche der Welle (14; 314) oder der Lagerbuchse (16; 116; 216; 318) vorgesehen sind und von einem zwischen den Radiallagern (32, 34) angeordneten Separatorbereich (54) bis an die Stirnseiten der Lagerbuchse verlaufen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Axiallager (36; 336) durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der oberen Lagerplatte (18; 318) und der Lagerbuchse (16; 116; 216; 316), und ein zweites Axiallager (38; 338) durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der unteren Lagerplatte (20; 320) und der Lagerbuchse (16; 116; 216; 316) gebildet werden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager (36, 38; 336, 338) Rillenstrukturen aufweisen, die von einem äußeren Rand der Stirnseiten der oberen und/oder unteren Lagerplatte (18, 20; 318, 320) oder Lagerbuchse (16; 116; 216; 316) bis zu einem inneren Rand der Stirnseiten der oberen und/oder unteren Lagerplatte oder Lagerbuchse verlaufen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager (36; 38, 338, 340) Rillenstrukturen aufweisen, die von einem äußeren Rand der Stirnseiten der Lagerplatten (18; 20; 318, 320) bis zu einem inneren Rand der Stirnseiten der Lagerplatten verlaufen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (22; 222; 322) einen mittleren Bereich und zwei Randbereiche aufweist, wobei der innere Durchmesser der Hülse in mindestens einem Randbereich kleiner ist als der innere Durchmesser des mittleren Bereichs.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der oberen und/oder unteren Lagerplatte (20; 120; 220; 318, 320) über die Länge des angrenzenden Dichtungsspalts (42; 142; 340, 342) variiert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (128) an der Außenoberfläche der Lagerbuchse (116) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28; 228; 328) an der Innenoberfläche oder an der Außenoberfläche der Hülse (22; 222; 322) oder am Innendurchmesser der Nabe (30) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) spiralförmig verläuft.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und/oder die Tiefe des Rezirkulationskanals (28; 128; 228; 328) über dessen Länge variiert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) in Fließrichtung des Fluids betrachtet entgegengesetzt zur Drehrichtung der Lagerbuchse verläuft.
Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: – mindestens ein feststehendes Bauteil, das eine Welle (14), und zwei in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnete obere und untere Lagerplatten (18; 20) aufweist, – mindestens ein rotierendes Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse (24) drehbar gelagert ist, und eine Lagerbuchse (16) und eine die Lagerbuchse umgebende Hülse (22) umfasst, wobei die Lagerbuchse zwischen den Lagerplatten drehbar an der Welle angeordnet ist, – einen Lagerspalt (26), der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet ist, und einander gegenüberliegende Oberflächen von Welle, Lagerbuchse, Lagerplatten und Hülse voneinander trennt, – mindestens einen konzentrisch zur Rotationsachse (24) verlaufenden Dichtungsspalt (40, 42) zur Abdichtung des Lagerspalts (26), der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist, – mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (32, 34), – mindestens zwei fluiddynamische Axiallager (36, 38), und – mindestens einen Rezirkulationskanal (28) im Bereich der Hülse und/oder der Lagerbuchse, der die beiden Axiallagerbereiche miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des axialen Endes des Rezirkulationskanals (28) und dem sich daran anschließenden Dichtungsspalt (42) eine Entlüftungsvorrichtung (45) angeordnet ist, die aus einem schräg radial auswärts und nach unten gerichteten Schrägringraum (21) besteht, der in den sich radial auswärts anschließenden Dichtungsspalt (42) mündet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Abstand R3 des Rezirkulationskanals (28) zur Drehachse größer oder gleich dem größten Abstand R2 des Dichtungsspalts zur Drehachse ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Lagerplatte (20) axial unterhalb einer durch das Axiallager gebildeten Axiallagerebene eine Schräge (17) aufweist, wodurch eine konische Erweiterung des Lagers entsteht, die mit der Oberfläche der gegenüberliegenden Lagerbuchse bzw. der Hülse (22) einen Winkel von etwa 2° bis 15° einschließt, vorzugsweise etwa 4°–10°
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich anschließend zwischen der unteren Lagerplatte (20) und der Lagerbuchse (16) bzw. Hülse (22) ein konisch ausgebildeter, weitgehend vertikal verlaufender Dichtungsspalt (42) befindet, der als Kapillardichtung wirkt und der einen Öffnungswinkel von etwa 1°–10°, vorzugsweise etwa 2° bis 5° relativ zur Rotationsachse (24) aufweist, wobei sich der Konus zum Lageräußeren hin erweitert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Außenwandung der Lagerbuchse (16), als auch die Innenwandung der Lagerhülse (22) bzw. der Lagerbuchse (16) radial nach innen geneigt sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der unteren Lagerplatte (20), sowie der Innendurchmesser der Lagerbuchse (16) bzw. Hülse (22) abgesehen vom oberen Bereich der Schrägung in Richtung zum Lageräußeren hin betrachtet kontinuierlich abnimmt, wobei in diesem Bereich der Neigungswinkel der unteren Lagerplatte (20) zur Drehachse hin gemessen größer ist als der Neigungswinkel der Lagerbuchse bzw. Hülse, so dass insgesamt eine nach außen hin sich konisch erweiternde Öffnung verbleibt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager (36, 38) Axiallagerflächen aufweisen, auf welchen Axiallagerrillen (57) angeordnet sind, und zur Vermeidung einer hohen Lagerreibung insbesondere im Bereich der Axiallager (36, 38) beim Anlauf des Lagers die Axiallagerrillen (57) vorzugsweise lediglich weniger als 10 Mikrometer tief ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innen liegender, zur Welle (14) benachbarte Bereich (59) der Axiallagerflächen nicht mit tiefer liegenden Lagerrillen versehen (sogenannter „seal belt") ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (26) im Bereich der Axiallager ((36, 38) vorzugsweise etwa 5–20 Mikrometer, besonders bevorzugt 8–15 Mikrometer beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass in einem radialen Außenbereich der Axiallager (36, 38) ein Bereich (60) vorgesehen ist, der den Lagerspalt des Axiallagers um weitere etwa 20 Mikrometer öffnet (sogenannte „pad-area").
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager (32, 34) Radiallagerrillen (58) aufweist, wobei die Radiallagerrillen (58) nicht bis in den Übergangsbereich zu den Axiallagern (kein „break through") reichen, sondern durch einen Bereich (61) von den Axiallagern getrennt sind, der frei ist von tiefer liegenden Radiallagerrillen (58) (sogenannte „quiet zone").
Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: – mindestens ein feststehendes Bauteil, das eine Welle (14), und zwei in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnete obere und untere Lagerplatten (18; 20) aufweist, – mindestens ein rotierendes Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse (24) drehbar gelagert ist, und eine Lagerbuchse (16) und eine die Lagerbuchse umgebende Hülse (22) umfasst, wobei die Lagerbuchse zwischen den Lagerplatten drehbar an der Welle angeordnet ist, – einen Lagerspalt (26), der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet ist, und einander gegenüberliegende Oberflächen von Welle, Lagerbuchse, Lagerplatten und Hülse voneinander trennt, – mindestens einen konzentrisch zur Rotationsachse (24) verlaufenden Dichtungsspalt (40, 42) zur Abdichtung des Lagerspalts (26), der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist, – mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (32, 34), – mindestens zwei fluiddynamische Axiallager (36, 38), und – mindestens einen Rezirkulationskanal (28) im Bereich der Hülse und/oder der Lagerbuchse, der die beiden Axiallagerbereiche miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsspalte (40, 42; 142) zumindest in Teilabschnitten in einem Winkel α, β relativ zur Rotationsachse (24) geneigt sind, wobei der Winkel α des stromaufwärts der im Rezirkulationskanal (28) herrschenden Strömungsrichtung (46) des Lagerfluids liegenden Dichtungsspalts (40) größer ist als der Winkel β des stromabwärts liegenden Dichtungsspalts (42).
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel α, β zwischen 0° und 90° betragen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsspalte (40, 42; 142) als Kapillardichtungen ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsspalte (40, 42; 142) als konische Kapillardichtungen ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Lagerplatten (18; 20; 120) ausgehend vom Lagerspalt kleiner wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Lagerplatten (18, 20; 120) über die Länge des angrenzenden Dichtungsspalts (40; 42; 142) variiert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager (32, 34) gebildet werden durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt (26) voneinander beabstandete Oberflächen der Welle (14) und der Lagerbuchse (16).
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager (32, 34) Lagerstrukturen umfassen, die auf der Oberfläche der Welle (14) oder der Lagerbuchse (16) vorgesehen sind und von einem zwischen den Radiallagern (32, 34) angeordneten Separatorbereich (54) bis an die Stirnseiten der Lagerbuchse (16) verlaufen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstrukturen der Radiallager (32; 34) asymmetrisch ausgebildet sind, und eine in eine definierte Richtung gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpwirkung des Radiallagers (34) überwiegend in Richtung des Axiallagers (36) gerichtet ist, während die Pumpwirkung des Radiallagers (32) überwiegend in Richtung des Axiallagers (38) gerichtet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Axiallager (36) durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der ersten Lagerplatte (18) und der Lagerbuchse (16), und ein zweites Axiallager (38) durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Stirnseiten der zweiten Lagerplatte (20; 120) und der Lagerbuchse (16) gebildet werden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager (36, 38) Lagerstrukturen aufweisen, die von einem äußeren Rand der Stirnseiten der Lagerplatte (18, 20; 120) oder Lagerbuchse (16) bis zu einem inneren Rand der Stirnseiten der Lagerplatte oder Lagerbuchse verlaufen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager (36, 38) spiralrillenförmige Lagerstrukturen aufweisen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstrukturen der Axiallager (36, 38) eine in Richtung der benachbarten Radiallager gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (22; 122) einen mittleren Bereich und zwei Randbereiche aufweist, wobei der innere Durchmesser der Hülse in mindestens einem Randbereich kleiner ist als der innere Durchmesser des mittleren Bereichs.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) an der Außenoberfläche der Lagerbuchse (16) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) an der Innenoberfläche der Hülse (22; 122) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) spiralförmig in axialer Richtung verläuft.
Spindelmotor umfassend einen Stator und einen Rotor, ein elektromagnetisches Antriebsystem und ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 48.