DE102008025618A1

DE102008025618A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102008025618A1
Application number: DE102008025618A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-03
Also published as: US20100052446A1; US8115356B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, das ein erstes konisches Lager und ein dem ersten konischen Lager entgegenwirkendes zweites konisches Lager umfasst, wobei die konischen Lager entlang einer feststehenden Welle angeordnet sind. Das erste konische Lager weist einen an der Welle angeordneten ersten Lagerkonus mit in einem Winkel alpha zur Drehachse verlaufenden Lagerflächen auf, sowie eine erste Lagerbuchse mit einer konischen Lagerbohrung und Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt von den Lagerflächen des ersten Lagerkonus getrennt sind. Das zweite konische Lager weist einen an der Welle angeordneten zweiten Lagerkonus mit in einem Winkel beta zur Drehachse verlaufenden Lagerflächen auf, sowie eine zweite Lagerbuchse mit einer konischen Lagerbohrung und Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten zweiten Lagerspalt von den Lagerflächen des Lagerkonus getrennt sind. Erfindungsgemäß sind die Lagerflächen des ersten konischen Lagers flächenmäßig kleiner als die Lagerflächen des zweiten konischen Lagers.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem wie es beispielsweise in Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken Verwendung finden kann.
Beschreibung des Standes der Technik
Als Drehlager in Spindelmotoren, wie sie z. B. zum Antrieb der Speicherplatten in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, kommen größtenteils fluiddynamische Lager zur Anwendung. Ein fluiddynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes Gleitlager, das aus einer Lagerhülse mit beispielsweise zylindrischer Bohrung und einer in die Bohrung eingesetzten Welle gebildet ist. Die Welle bzw. die Innenseite der Bohrung besitzen entsprechende Lagerflächen, die mit einer Rillenstruktur versehen sind, wobei der Durchmesser der Welle geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den beiden Lagerflächen verbleibt somit ein konzentrischer Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Die Lagerflächen von Welle und Lagerbuchse bilden ein Radiallager aus, wobei durch die Rillenstrukturen ein fluiddynamischer Druck im Lagerfluid erzeugt wird, wenn sich die Welle in der Lagerbuchse dreht. Eine Stabilisierung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse erfolgt durch ein fluiddynamisches Axiallager oder Drucklager. Das Axiallager wird in bekannter Weise durch senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtete Lagerflächen gebildet, beispielsweise durch eine an der Welle angeordneten Druckplatte, die mit einem Gegenlager zusammenwirkt.
Es sind auch andere Bauformen fluiddynamischer Lager bekannt, beispielsweise konische Lager bei denen die Welle einen konischen Abschnitt aufweist, der in einer zugeordneten konischen Lagerbohrung zu liegen kommt, so dass sich zur Rotationsachse schräg verlaufende Lagerflächen ergeben, die sowohl eine radiale als auch axiale Lagerkraft auf die Welle ausüben. Ein derartiges konisches fluiddynamisches Lager ist beispielsweise aus US 7,063,463 B2 bekannt oder beispielsweise in doppelt-konischer Form aus WO 98/28550 A1 . Die beiden konischen Lagerbereiche sind symmetrisch ausgestaltet. Das beschriebene Lager weist eine feststehende Welle auf. Da das Lager bzw. der Lagerspalt auf beiden Seiten des Lagers offen ist, kann die Welle an beiden Enden befestigt werden, was die Steifigkeit des Lagers gegenüber nur einer einseitig befestigten Welle verbessert. Wird das Lager beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet, ist ein Ende der Welle In der Regel in einer Basisplatte fest aufgenommen, während das andere Ende am der Deckplatte des Motors befestigt ist. Die Basisplatte besteht in der Regel aus einem massiven Metallteil mit hoher Steifigkeit, während die Deckplatte aus einem weniger steifen Kunststoff- oder Blechteil besteht, das an der Basisplatte befestigt ist. Eine weitere Schwachstelle sind die Seitenwände der Basisplatte, die ebenfalls eine geringere Steifigkeit besitzen und zudem während des Motorbetriebs Scherkräften ausgesetzt sind. Wenn die Steifigkeiten der Fluidlager und deren Befestigungen nicht optimal aufeinander abgestimmt sind, kann es zu Schwingungen und einer Taumelbewegung der Welle kommen Wird der Spindelmotor zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt, kann die Taumelbewegung den Schreib/Lesevorgang des Festplattenlaufwerks beeinträchtigen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem mit einem konischen Lager anzugeben, das eine verbesserte Steifigkeit im Vergleich zu den bekannten konischen Lagern aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Lagersystems und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem umfasst ein erstes konisches Lager und ein dem ersten konischen Lager entgegenwirkendes zweites konisches Lager, wobei die konischen Lager entlang einer feststehenden Welle angeordnet sind. Das erste konische Lager weist einen an der Welle angeordneten ersten Lagerkonus mit in einem Winkel α zur Drehachse verlaufenden Lagerflächen auf, sowie eine erste Lagerbuchse mit einer konischen Lagerbohrung und Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt von den Lagerflächen des ersten Lagerkonus getrennt sind. Das zweite konische Lager weist einen an der Welle angeordneten zweiten Lagerkonus mit in einem Winkel β zur Drehachse verlaufenden Lagerflächen auf, sowie eine zweite Lagerbuchse mit einer konischen Lagerbohrung und Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten zweiten Lagerspalt von den Lagerflächen des Lagerkonus getrennt sind. Erfindungsgemäß sind die Lagerflächen des ersten konischen Lagers flächenmäßig kleiner als die Lagerflächen des zweiten konischen Lagers.
Aufgrund der Verwendung von zwei gegeneinander wirkenden konischen Lagern ergibt sich ein Lagersystem, das bei geringer Bauhöhe eine hohe Lagersteifigkeit aufweist. Erfindungsgemäß sind die Lagerflächen der beiden konischen Lager unterschiedlich dimensioniert und dadurch in ihrer Steifigkeit an die Steifigkeit der angrenzenden, die Welle aufnehmenden Bauelemente angepasst. Die Lagerflächen und damit die Steifigkeit des unteren konischen Lagers ist größer gewählt als die Lagerflächen und die Steifigkeit des oberen Lagers, weil das an das untere Lager angrenzende Ende der Welle in einer relativ steifen Basisplatte befestigt ist, während das an das obere Lager angrenzende Ende der Welle an einem weniger steifen Motorgehäuse befestigt ist.
Durch die unterschiedlich großen Lagerflächen ist aber auch die axial gerichtete Lagerkraft der beiden gegeneinander arbeitenden Lager unterschiedlich groß, was zu einem Ungleichgewicht in axialer Richtung führt. Um dieses axiale Ungleichgewicht zu kompensieren, ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Winkel α der Lagerflächen des ersten, oberen Lagers größer ist als der Winkel β der Lagerflächen des zweiten, unteren Lagers, so dass das obere Lager trotz der geringeren Lagerfläche eine gleich große axiale Kraft erzeugt als das untere Lager.
Erfindungsgemäß sind die beiden Lagerbuchsen miteinander verbunden und bilden das drehbewegliche Bauteil des Lagersystems.
Die Erfindung betrifft ein beidseitig offenes Lagersystem mit zwei getrennten konischen Lagern mit jeweils unabhängigen Lagerspalten. Jeder Lagerspalt weist daher zwei offene Enden auf, welche durch kapillare Dichtungsspalte und dynamische Pumpstrukturen gegenüber der Umgebung abgedichtet sind.
Ein offenes Ende jedes Lagerspaltes ist durch einen kapillaren Dichtungsspalt abgedichtet, der durch eine Oberfläche des zugeordneten Lagerkonus und eine angrenzende Oberfläche einer mit der zugeordneten Lagerbuchse verbundenen Abdeckkappe begrenzt wird. Der Dichtungsspalt ist vorzugsweise in einem Winkel relativ zur Drehachse angeordnet und steht im Wesentlichen senkrecht auf den Lagerspalt. Der Dichtungsspalt ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und derart angeordnet, dass er sich radial nach innen öffnet. Dadurch wird sichergestellt, dass bei Drehung des Lagers die im Dichtungsspalt auf das Lagerfluid wirkenden Fliehkräfte das Lagerfluid nach innen in Richtung des Lagerspaltes drücken. Dadurch wird zusätzlich zur Kapillarwirkung des Dichtungsspaltes ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt verhindert. Auch die Abdeckkappe bietet einen gewissen Schutz gegen Austreten des Lagerfluids.
Das fluiddynamische Lager kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden, wie er beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken Verwendung findet.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 1 näher beschrieben.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit erfindungsgemäßem Lagersystem.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 als tragende Struktur, in welcher eine feststehende Welle 12 angeordnet ist, so dass sie größtenteils über die Oberfläche der Basisplatte hinausragt. Die Welle 12 bildet zusammen mit zwei Lagerkonussen 14, 26 das feststehende Bauteil des Lagersystems. Die Lagerkonusse 14, 26 sind in einem Abstand voneinander auf der Welle 12 angeordnet und mit dieser fest verbunden. Die Lagerkonusse 14, 26 haben einander zugewandte in einem Winkel zur Drehachse 50 verlaufende Lagerflächen. Dem ersten Lagerkonus 14 ist eine Lagerbuchse 16 zugeordnet, welche eine teilweise konische Lagerbohrung und Lagerflächen aufweist, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt 20 von den Lagerflächen des ersten Lagerkonus 14 getrennt sind. Die Lagerflächen und der Lagerspalt 20 verlaufen also schräg zur Drehachse 50. Der Lagerspalt 20 hat zwei offene Enden, jeweils angrenzend an die Stirnflächen der Lagerbuchse 16. Das erste offene Ende des Lagerspaltes 20 wird durch einen kapillaren Dichtungsspalt 22 abgedichtet, der durch eine Oberfläche des ersten Lagerkonus 14 und eine angrenzende Oberfläche einer mit der ersten Lagerbuchse 16 verbundenen Abdeckkappe 18 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt 22 steht etwa rechtwinklig auf dem Lagerspalt 20 und bildet mit der Drehachse 50 einen spitzen Winkel. Der Dichtungsspalt 22 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und wirkt gleichzeitig als Fluidreservoir. Das untere Ende des Lagerspaltes 20 ist abgedichtet durch einen weiteren Dichtungsspalt 24, der als Pumpdichtung ausgebildet ist, indem auf entweder auf der Welle 12 oder auf der Lagerbuchse 16 im Bereich des Spaltes 24 Pumpstrukturen aufgebracht sind.
Der zweite Lagerkonus 26 weist Lagerflächen auf, die mit der Drehachse 50 einen spitzen Winkel ausbilden. Der Lagerkonus 26 ist in einer zweiten Lagerbuchse 28 angeordnet, die ebenfalls konische Lagerflächen aufweist, die durch einen zweiten Lagerspalt 32 von den Lagerflächen des zweiten Lagerkonus 26 getrennt sind. Auch der zweite Lagerspalt ist an seinen beiden offenen Enden durch jeweils einen Dichtungsspalt 34, sowie eine Pumpdichtung 36 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 34 wird begrenzt durch entsprechende Oberflächen des zweiten Lagerkonus 28 und einer an der zweiten Lagerbuchse 28 angeordneten Abdeckkappe 30. Der Dichtungsspalt 34 verläuft etwa rechtwinkelig zum Lagerspalt 32 und in einen Winkel zur Drehachse 50. Das zweite offene Ende des Lagerspaltes 32 ist durch die Pumpdichtung 36 abgedichtet. Die beiden Lagerbuchsen 16 und 28 grenzen aneinander an und sind durch eine Distanzscheibe 38 voneinander getrennt, die gleichzeitig der Temperaturkompensation dient, sowie als Dichtungsscheibe wirkt. Der Zwischenraum zwischen dem Außenumfang der Welle und den Lagerbuchsen bzw. der Distanzscheibe 38 ist belüftet, um einen Druckausgleich herzustellen.
Hierzu kann die Welle 12 eine entsprechende Bohrung aufweisen, die den Zwischenraum mit der Außenatmosphäre verbindet.
Erfindungsgemäß sind die Lagerflächen des oberen konischen Lagers, bestehend aus Lagerkonus 14 und Lagerbuchse 16, wesentlich kleiner ausgebildet als die Lagerflächen des unteren konischen Lagers, bestehend aus Lagerkonus 26 und Lagerbuchse 28. Das untere konische Lager erzeugt demnach eine höhere Lagerkraft, die gerechtfertigt ist durch die steifere Verbindung des an dieses konische Lager angrenzenden Endes der Welle. Das obere Ende der Welle 12 ist in Regel mit einem Gehäuse (nicht dargestellt) verbunden, welches eine relativ zur Basisplatte 10 geringe Steifigkeit besitzt. Daher ist das obere Lager auch weniger steif ausgebildet als das untere konische Lager. Um trotzdem in beiden Lagern eine gleichgroße axiale Lagerkraft zu erzielen, was wichtig ist, damit das Lagersystem im Gleichgewicht bleibt, sind die Lagerflächen des oberen Lagers in einem größeren Winkel α relativ zur Drehachse 50 ausgerichtet, als die Lagerflächen des unteren Lagers. Dadurch zeigt das obere Lager trotz kleinerer Lagerfläche eine gleichgroße axiale Lagerkraft wie das untere Lager, so dass das Lagersystem im Gleichgewicht bleibt, und die Lagerspalten 20, 32 der beiden Lager etwa gleich breit sind.
Die beiden Lagerbuchsen 14 und 28 werden in einer zentralen Aussparung einer Nabe 40 des Spindelmotors gehalten, beispielsweise in Form einer Pressverbindung. Beide Lagerbuchsen 16 und 28 weisen einen Bund auf, der auf einer Stirnseite des Randes der Öffnung der Nabe 40 aufliegt. Vorzugsweise sind die Lagerbuchsen 16, 28 aus Stahl, Keramik oder ähnlichem, also einem Material mit einem geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten, während die Nabe 40 beispielsweise aus Aluminium, also einem Material mit hohem Temperaturausdehnungskoeffizienten gefertigt ist. Die Lagerkonusse 14, 26 sind relativ zu den Lagerbuchsen 16, 28 so angeordnet, dass die Lagerspalten 20, 32 bei Zimmertemperatur eine definierte Breite von einigen Mikrometern aufweisen. Die Tragfähigkeit der konischen Lager hängt unter anderem ab von der Breite der Lagerspalten 20, 32 und der Viskosität des darin enthaltenen Lagerfluids. Erhöht sich die Umgebungstemperatur, so nimmt in der Regel die Viskosität des Lagerfluids ab, was zur Folge hat, dass die Tragfähigkeit der Lager bei ansonsten konstanter Lagerspaltbreite ebenfalls abnimmt. Um dies zu kompensieren sind die Lagerbuchsen 16, 28 derart in der Nabe gelagert, dass die relativ starke Wärmeausdehnung der Nabe 40 sich in axialer Richtung auf die Lagerbuchsen 16, 28 überträgt, wodurch diese auseinandergedrückt werden, und sich die Breite der Lagerspalten 20, 32 verringert. Somit wird die abnehmende Viskosität des Lagerfluids bei steigender Temperatur durch eine Reduktion der Breite der Lagerspalten 20, 32 kompensiert.
Der Spindelmotor wird angetrieben durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte 10 befestigten Statoranordnung 42 besteht und einem gegenüberliegend der Statoranordnung an der Nabe 40 befestigten Rotormagneten 44, der von einem Joch 46 umgeben ist.

10: Basisplatte
12: Welle
14: erster Lagerkonus
16: erste Lagerbuchse
18: Abdeckkappe
20: erster Lagerspalt
22: Dichtungsspalt
24: Pumpdichtung
26: zweiter Lagerkonus
28: zweite Lagerbuchse
30: Abdeckkappe
32: zweiter Lagerspalt
34: Dichtungsspalt
36: Pumpdichtung
38: Distanzscheibe
40: Nabe
42: Statoranordnung
44: Rotormagnet
46: Joch
50: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7063463 B2 [0003]
- WO 98/28550 A1 [0003]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit einem ersten konischen Lager und einem dem ersten konischen Lager entgegenwirkenden zweiten konischen Lager, wobei die konischen Lager entlang einer feststehenden Welle (12) angeordnet sind, und das erste konische Lager einen an der Welle (12) angeordneten ersten Lagerkonus (14) mit in einem Winkel α zur Drehachse (50) verlaufenden Lagerflächen aufweist, sowie eine erste Lagerbuchse (16) mit einer konischen Lagerbohrung und Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt (20) von den Lagerflächen des ersten Lagerkonus (14) getrennt sind, und das zweite konische Lager einen an der Welle (12) angeordneten zweiten Lagerkonus (26) mit in einem Winkel β zur Drehachse (50) verlaufenden Lagerflächen aufweist, sowie eine zweite Lagerbuchse (28) mit einer konischen Lagerbohrung und Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten zweiten Lagerspalt (32) von den Lagerflächen des zweiten Lagerkonus (26) getrennt sind, wobei die Lagerflächen des ersten konischen Lagers flächenmäßig kleiner sind als die Lagerflächen des zweiten konischen Lagers.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α größer ist als der Winkel β.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lagerbuchsen (16; 28) miteinander verbunden sind und das drehbewegliche Bauteil des Lagersystems bilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lagerspalt zwei (20; 32) offene Enden aufweist, welche durch kapillare Dichtungsspalte (22, 34) und Pumpdichtungen (24, 36) abgedichtet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein offenes Ende des ersten Lagerspalts (20) durch einen kapillaren Dichtungsspalt (22) abgedichtet ist, der durch eine Oberfläche des ersten Lagerkonus (14) und eine angrenzende Oberfläche einer mit der ersten Lagerbuchse (16) verbundenen Abdeckkappe (18) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein offenes Ende des ersten Lagerspalts (20) durch einen kapillaren Dichtungsspalt (24) abgedichtet ist, der durch eine Oberfläche der Welle (12) und eine angrenzende Oberfläche der ersten Lagerbuchse (16) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein offenes Ende des zweiten Lagerspalts (32) durch einen kapillaren Dichtungsspalt (34) abgedichtet ist, der durch eine Oberfläche des zweiten Lagerkonus (26) und eine angrenzende Oberfläche einer mit der zweiten Lagerbuchse (28) verbundenen Abdeckkappe (30) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein offenes Ende des zweiten Lagerspalts (32) durch einen kapillaren Dichtungsspalt (34) abgedichtet ist, der durch eine Oberfläche der Welle (12) und eine angrenzende Oberfläche der zweiten Lagerbuchse (28) begrenzt wird.
Spindelmotor mit einem Stator, einem Rotor, einem elektro-magnetischen Antriebssystem und einem fluiddynamischen Lager gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 8 zur Drehlagerung des Rotors relativ zum Stator.
Speicherplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 9, mindestens einer durch den Spindelmotor angetriebenen Speicherplatte und Mitteln zum Schreiben und/oder Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte.