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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager gemäß den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische
Lager werden insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors für
den Antrieb von Speicherplattenlaufwerken oder Lüftern
eingesetzt.
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Stand der Technik
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Eine
bekannte Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems zur Drehlagerung
eines Spindelmotors ist in der
DE 102 39 650 B3 offenbart. Das Lagersystem
umfasst eine Welle und eine Lagerbuchse, die eine axiale Lagerbohrung
zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Lageroberflächen von Welle
und Lagerbuchse sind durch einen dünnen, konzentrischen
und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander
beabstandet. Die Welle rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse
und bildet zusammen mit dieser vorzugsweise zwei voneinander beabstandete
fluiddynamische Radiallager. Die Radiallager sind durch Lagerrillenstrukturen
gekennzeichnet, die vorzugsweise auf der Oberfläche der Lagerbohrung
vorgesehen sind. Ein typisches Lager eines Miniatur-Spindelmotors
hat eine axiale Länge von beispielsweise 15 mm und einen
Wellendurchmesser von wenigen Millimetern. Bei einem solchen Lager
weisen die Lagerrillenstrukturen eine Tiefe von typisch etwa 4 bis
20 Mikrometer auf, wobei der Spaltabstand des Lagerspalts etwa 2
bis 10 Mikrometer beträgt. Sobald die Welle in Rotation
versetzt wird, baut sich aufgrund der Lagerrillenstruktur ein fluiddynamischer
Druck im Lagerspalt auf, so dass das Lager tragfähig wird.
Zwischen den Radiallagern befindet sich ein Spalt mit vergrößertem
Abstand zwischen der Welle und der Lagerbuchse, der sogenannte „Separatorspalt”.
Der Separatorspalt weist gegenüber dem Lagerspalt einen
Wesentliche größeren Spaltabstand von etwa 20
bis 50 Mikrometern auf, wodurch sich die Lagerreibung in diesem
Bereich verringert.
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Die
Welle trägt eine Nabe, auf der z. B. Speicherplatten eines
Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der beschriebenen
Anordnung entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend ausgestaltete
fluiddynamische Axiallager verhindert. Die fluiddynamischen Drucklager
werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer
bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise am Ende der Welle angeordneten
Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte
eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse und der
anderen Stirnfläche die innenliegende Stirnfläche
einer Abdeckung zugeordnet ist. Die Abdeckung bildet ein Gegenlager zur
Druckplatte und verschließt die offene Seite des Lagersystems
und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten
Lagerspalt eindringt. Bei dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges
Lagerfluid, beispielsweise ein Lageröl verwendet.
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Eine
typische Eigenschaft eines solchen Lagersystems ist, dass das obere
Radiallager eine größere axiale Länge
aufweist untere Radiallager. Dadurch werden zwar die Reibungsverluste
im Lager verringert, aber die Stabilität reduziert sich
und der nichtwiederholbare Schlag (NRRO) nimmt entsprechend zu.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein fluiddynamisches Lager
derart zu verbessern, dass eine hohe Stabilität sowie ein
geringer nichtwiederholbarer Schlag (NRRO) gewährleistet
sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches
Lager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Das
fluiddynamische Lager umfasst mindestens ein erstes Lagerbauteil
sowie ein zweites Lagerbauteil, die um eine Drehachse relativ zueinander drehbar
gelagert und durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten
Lagerspalt voneinander beanstandet sind. Einander zugeordnete Lagerflächen
der Lagerbauteile bilden ein erstes und ein zweites Radiallager aus,
die durch auf mindestens einer Lagerfläche angeordnete
Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Zwischen den Radiallagern
befindet sich ein Separatorspalt mit einem im Vergleich zum Lagerspalt
vergrößerten Spaltabstand.
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Eine
typische Eigenschaft des erfindungsgemäßen Lagersystems
ist, dass das erste Radiallager eine größere axiale
Länge aufweist als das zweite Radiallager. Dadurch werden
zwar die Reibungsverluste im Lager verringert, aber die Stabilität
reduziert sich und der nichtwiederholbare Schlag (NRRO) nimmt entsprechend
zu. Um eine ausreichende Stabilität des Lagers aufrecht
zu erhalten, ist in der Erfindung vorgesehen, ein bestimmtes Verhältnis
von Außendurchmesser der Welle ODWelle und
axialer Länge des zweiten Radiallagers LRadial2 nicht
zu überschreiten. Erfindungsgemäß soll
gelten: ODWelle/LRadial2 < 2,2
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung brechen die an den
Separatorspalt angrenzenden Enden der Lagerrillenstrukturen der
Radiallager in den Separatorspalt durch. Durch diese Maßnahme
wird die Bildung von Unterdruck an den Enden der Lagerrillenstrukturen
vermieden, wodurch auch die Bildung von Luftbläschen reduziert
wird. Durch den größeren Spaltabstand des Separatorspalts
und die direkte Verbindung zu den Lagerrillenstrukturen erfolgt
ein verbesserter Durchfluss des Lagerfluids durch die Lagerrillenstrukturen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist angrenzend an
das offene Ende des Lagerspaltes ein Übergangsspalt mit
einem im Vergleich zum Lagerspalt vergrößerten
Spaltabstand angeordnet. Die an den Übergangsspalt angrenzenden Enden
der Lagerrillenstrukturen des ersten Radiallagers brechen in den Übergangsspalt
durch. Durch diese Maßnahme wird auch in diesem Bereich
einer Bildung von Unterdruck und infolge einer Bildung von Luftbläschen
entgegengewirkt, da durch den größeren Spaltabstand
des Übergangsspaltes ein verbesserter Durchfluss des Lagerfluids
durch die Lagerrillenstrukturen garantiert wird. Der Übergangsspalt
ist vorzugsweise genauso tief wie Lagerrillen ausgebildet, er kann
aber auch tiefer als die Lagerrillen sein. Angrenzend an den Übergangsspalt
ist ein Dichtungsspalt mit einem im Vergleich zum Lagerspalt vergrößerten
Spaltabstand angeordnet, wobei sich der Spaltabstand vorzugsweise
konisch vergrößert.
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Das
andere Ende des Lagerspaltes mündet in eine Aussparung
des ersten Lagerbauteils, in welcher eine Druckplatte aufgenommen
ist. Die an die Aussparung angrenzenden Enden der Lagerrillenstrukturen
des zweiten Radiallagers brechen in die Aussparung durch. Somit
wird hier ebenfalls einer Bildung von Unterdruck und einer nachfolgenden Luftbläschenbildung entgegengewirkt.
Der Übergang zwischen dem Lagerspalt und der Aussparung
kann eine Abfasung aufweisen. Die Lagerrillenstrukturen enden dann
im Bereich der Abfasung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das an den Übergangsspalt
angrenzende erste Radiallager eine größere axiale Länge
auf als das an die Aussparung angrenzende zweite Radiallager. Das
bedeutet, dass das erste Radiallager „stärker” ausgebildet
ist als das zweite Radiallager und einen überwiegenden
Teil der Lagerkräfte aufnimmt. Vorzugsweise weist das erste
Radiallager unsymmetrische Lagerrillenstrukturen auf, beispielsweise
sinus- oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen,
wobei an den Übergangsspalt angrenzende Abschnitte der
Lagerrillenstrukturen länger ausgebildet sind als an den
Separatorspalt angrenzende Abschnitte der Lagerrillenstrukturen.
Die längeren Abschnitt der Lagerrillenstrukturen erzeugen
eine größere Pumpwirkung als die kürzeren
Abschnitte der Lagerrillenstrukturen, so dass sich insgesamt eine
in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid ergibt,
was das Druckniveau um Lagerspalt insgesamt erhöht. Dadurch
verringert sich die Gefahr von Unterdruckzonen im Lagerspalt. Das
zweite Radiallager kann im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet
sein, aber auch leicht unsymmetrisch.
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In
der Aussparung des ersten Lagerbauteils ist eine mit dem zweiten
Lagerbauteil verbundene Druckplatte angeordnet. Vorzugsweise sind
das zweite Lagerbauteil und die Druckplatte aus einem Teil gefertigt.
Dadurch kann die Dicke der Druckplatte sehr klein gehalten werden.
Dies ermöglicht eine Vergrößerung der
axialen Spanne des Lagers und eine Verlängerung des Dichtungsspalts
am offenen Ende des Lagers. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis
von Außendurchmesser der Druckplatte zu deren Dicke mehr
als 2,5.
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Die
Rille, die den Übergangsspalt bildet bzw. der Freistich,
der den Separatorspalt bildet können zusammen mit den Lagerrillenstrukturen vorteilhaft mittels
eines elektro-chemischen Bearbeitungsverfahrens erzeugt werden.
Somit wird eine vereinfachte und kostengünstige Bearbeitung
der Lagerbauteile möglich.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die nachfolgende Zeichnung näher erläutert.
Daraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen
fluiddynamischen Lagersystem.
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2 zeigt
schematisch eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen
Lagersystems.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen
fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende
Basisplatte 40, an der eine ringförmige Statoranordnung 42 als
Teil eines elektromagnetischen Antriebssystems angeordnet ist. Ein
erstes, feststehendes Lagerbauteil 10 in Form einer Lagerbuchse
ist in einer hülsenförmigen Ausnehmung der Basisplatte 40 befestigt.
Das feststehende Lagerbauteil 10 weist eine axiale zylindrische
Bohrung auf, in welcher ein zweites, drehbewegliches Lagerbauteil 12,
beispielsweise eine Welle, drehbar aufgenommen ist. Der Spindelmotor
ist mittels eines fluiddynamischen Lagers drehgelagert. Zwischen
dem Innendurchmesser der Lagerbuchse 10 und dem Außendurchmesser
der Welle 12 ist ein Lagerspalt 16 definiert,
der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Das fluiddynamische
Lager umfasst zwei Radiallager und zwei Axiallager. Die beiden Radiallager
werden gebildet durch entsprechende Lagerflächen der Welle 12 und der
Lagerbuchse 10. Ein erstes Axiallager wird gebildet durch
eine am unteren Ende der Welle 12 angeordnete Druckplatte 36 und eine
Abdeckplatte 38, die das untere Ende der Lagerbuchse 10 verschließt,
so dass kein Lageröl aus dem Lager austreten kann. Ein zweites
Axiallager wird gebildet durch einander gegenüberliegende
Lagerflächen der Druckplatte 36 und der Lagerbuchse 10.
Sowohl die Druckplatte 36 als auch die Abdeckplatte 38 sind
in einer Aussparung 32 der Lagerbuchse 10 angeordnet.
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Das
freie Ende der Welle 12 trägt eine Nabe 44,
die zusammen mit der Welle 12 den Rotor des Spindelmotors
bildet. An dem inneren, unteren Rand der Nabe 44 ist ein
ringförmiger Rotormagnet 46 mit einer Mehrzahl
von Polpaaren angeordnet, welcher dem Stator 42 gegenüberliegt.
Der Stator 42 ist durch einen Arbeitsluftspalt von dem
Rotormagneten 46 getrennt und wird mit einem elektrischen
Wechselfeld beaufschlagt, so dass der Rotor in Drehung versetzt wird.
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2 zeigt
einen schematischen und vergrößerten Schnitt durch
das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem.
Die einzelnen Bauteile und insbesondere die Spaltmaße sind
zur Verdeutlichung übertrieben und nicht maßstabsgetreu
dargestellt. Das Lagersystem umfasst die Lagerbuchse 10, welche,
eine zentrale Bohrung aufweist. In der Bohrung der Lagerbuchse 10 ist
die Welle 12 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig
kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung der Lagerbuchse 10.
Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und
der Welle 12 verbleibt somit der Lagerspalt 16,
entlang welchem zwei fluiddynamische Radiallager 20, 24 angeordnet
sind, mittels denen die Welle 12 um eine Drehachse 14 in
der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Das erste Radiallager 20 sowie
das zweite Radiallager 24 sind durch Lagerrillenstrukturen 22 bzw. 26 gekennzeichnet.
Der Lagerspalt 16 ist mit einem entsprechenden Lagerfluid
gefüllt. Bei einer Rotation der Welle 12 in der
Lagerbuchse 10 erzeugen die Lagerrillenstrukturen 22, 26 eine
Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 befindliche Lagerfluid,
so dass die Radiallager 20, 24 tragfähig
werden. Das erste Radiallager 20 ist sehr viel größer
ausgebildet als das zweite Radiallager 24 und umfasst asymmetrische
Lagerrillenstrukturen 22, welche längere Abschnitte 22a und kürze
Abschnitte 22b aufweisen. Die längeren Abschnitte 22a erzeugen
eine größere Pumpwirkung auf das Lagerfluid im
Lagerspalt 16 als die kürzeren Abschnitte 22b und
drücken das Lagerfluid in das Lagerinnere. Das offene Ende
des Lagerspaltes 16 wird nach oben durch einen Dichtungsspalt 18 abgeschlossen,
der beispielsweise als konische Kapillardichtung ausgebildet ist
und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Dieser Dichtungsspalt
verhindert ein Austreten des Lagerfluids aus dem Lagerspalt 16.
Zwischen den beiden Radiallagern 20, 24 befindet
sich ein Bereich des Lagerspaltes mit vergrößertem Spaltabstand,
der sogenannte Separatorspalt 28. Der Separatorspalt 28 wird
teilweise durch einen am Innenumfang des ersten Lagerbauteils 10 angeordneten
Freistich 50 gebildet. Der Freistich 50 kann beispielsweise
mittels eines elektro-chemischen Bearbeitungsverfahrens oder eines
spanenden Verfahren erzeugt werden. Am unteren Ende der Welle 12 ist die
Druckplatte 36 angeordnet. Die Druckplatte 36 ist vorzugsweise
einteilig mit der Welle 12 ausgebildet und kann eine geringe
Dicke aufweisen. Aufgrund der geringen Dicke der Druckplatte 36 kann
beispielsweise der Dichtungsspalt 18 länger ausgebildet werden
und damit ein größeres Volumen aufweisen, was
den Vorrat an Lagerfluid und somit auch die Lebensdauer des Lagers
erhöht. Die Druckplatte 36 ist in einer Aussparung 32 der
Lagerbuchse 10 aufgenommen und umfasst zwei sich gegenüberliegende ringscheibenförmige
Lagerflächen, die entsprechende Axiallager 52, 54,
welche eine Verschiebung der Welle 12 entlang der Drehachse 14 verhindern.
Im Übergangsbereich zur Aussparung 32 kann der
Lagerspalt eine Abfasung 34 aufweisen.
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Erfindungsgemäß grenzen
die beiden Radiallager 20 und 24 an den Separatorspalt 28 an.
Die Lagerrillenstrukturen 22 und 26 der Radiallager 20, 24 münden
direkt in den Separatorspalt 28, das heißt sie
brechen in den vergrößerten Spaltbereich des Separatorspalts
durch.
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Ferner
ist zwischen dem Ende des Lagerspaltes 16 und dem Dichtungsspalt 18 ein Übergangsspalt 30 angeordnet,
der im Vergleich zum Lagerspalt einen vergrößerten
Spaltabstand zwischen erstem und zweitem Lagerbauteil aufweist.
Der Übergangsspalt 30 wird teilweise durch eine
am Innenumfang des ersten Lagerbauteils 10 angeordnete
Rille 48 gebildet, wobei die Rille 48 mittels
eines elektro-chemischen Bearbeitungsverfahrens erzeugt werden kann.
Die an den Übergangsspalt 30 angrenzenden Enden
der Lagerrillenstrukturen 22 des ersten Radiallagers 20 brechen
in den Übergangsspalt durch. Der Spaltabstand des Übergangsspaltes
kann beispielsweise 10 bis 40 μm betragen. Die axiale Länge
des Übergangsspalts 30 kann beispielsweise 100 μm
betragen, bei einer Gesamtlänge des Lagers von beispielsweise
15 mm.
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Des
Weiteren brechen die an die Abfasung 34 bzw. die Aussparung 32 angrenzenden
Enden der Lagerrillenstrukturen 26 in die Abfasung 34 bzw.
die Aussparung 32 durch.
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Dadurch,
dass alle vier Enden der beiden Lagerrillenstrukturen 22 und 26 in
Bereiche mit größerem Spaltabstand durchbrechen,
wird der Fluss des Lagerfluids in den Lagerrillenstrukturen verbessert und
eine Bildung von Unterdruck vermieden. Dadurch kommt es zu einem
reduzierten Ausgasen von im Lagerfluid gelöster Luft und
es bilden sich weniger Luftbläschen im Lagerspalt.
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- 10
- erstes
Lagerbauteil
- 12
- zweites
Lagerbauteil
- 14
- Drehachse
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Dichtungsspalt
- 20
- erstes
Radiallager
- 22
- Lagerrillenstruktur
- 22a
- längerer
Lagerrillenabschnitt
- 22b
- kürzerer
Lagerrillenabschnitt
- 24
- zweites
Radiallager
- 26
- Lagerrillenstruktur
- 28
- Separatorspalt
- 30
- Übergangsspalt
- 32
- Aussparung
- 34
- Abfasung
- 36
- Druckplatte
- 38
- Abdeckplatte
- 40
- Basisplatte
- 42
- Stator
- 44
- Nabe
- 46
- Rotormagnet
- 48
- Rille
- 50
- Freistich
- 52
- Axiallager
- 54
- Axiallager
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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