DE102008033361A1 - Spindle motor for operating hard disk drive and fan, has axial section formed between outer wall of hub and inner wall of base plate or between outer wall of hub and inner wall of laminated stator core - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit hydrodynamischem Lagersystem, insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, eines Lüfters oder dergleichen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a spindle motor with hydrodynamic bearing system, in particular for driving a hard disk drive, a fan or The like, according to the preamble of claim 1.
Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the state of technology
Bei einem Spindelmotor mit einer fluiddynamischen Lagerung ist ein drehbewegliches Lagerteil, beispielsweise eine zylindrische Welle, innerhalb einer Bohrung eines feststehenden Lagerteils, beispielsweise einer Lagerbuchse, drehbar gelagert. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung ist dabei geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle, so dass zwischen den Mantelflächen von Bohrung und Welle ein dünner Lagerspalt gebildet wird, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise mit Öl, gefüllt ist.at a spindle motor with a fluid dynamic bearing is a rotatable Bearing part, for example, a cylindrical shaft, within a Drilling a fixed bearing part, for example a bearing bush, rotatably mounted. The inner diameter of the bearing bore is slight greater than the outer diameter of the shaft, so that between the lateral surfaces of bore and shaft a thin bearing gap is formed, which with a bearing fluid, preferably filled with oil.
In vielen Fällen ist die Lagerbuchse in einer Lageraufnahme gehalten. Zum Aufbau des fluiddynamischen Druckes im Lagerspalt ist in der Regel wenigstens eine der Lageroberflächen von Welle oder Lagerbuchse mit einer Oberflächenstruktur versehen. Alternativ können Gleitlager verwendet werden, die keine Lagerrillen aufweisen. Durch die rotatorische Relativbewegung zwischen den einander gegenüberliegenden Mantel- bzw. Lageroberflächen entsteht eine Art Pumpwirkung auf das Lagerfluid, so dass sich ein gleichmäßig dicker und homogener Schmierfilm ausbilden kann, der die Lageroberflächen voneinander trennt und der durch Zonen fluiddynamischen Druckes stabilisiert wird.In In many cases, the bearing bush is in a bearing seat held. To build up the fluid dynamic pressure in the bearing gap is usually at least one of the bearing surfaces of Shaft or bearing bush provided with a surface structure. Alternatively, plain bearings can be used which have no Have bearing grooves. Due to the rotational relative movement between the opposite shell or bearing surfaces arises a kind of pumping action on the bearing fluid, so that a uniform can form thick and homogeneous lubricating film, the bearing surfaces separates from each other and the fluid dynamic pressure through zones is stabilized.
Ein Nachteil von fluiddynamischen Lagersystemen ist, dass das in den fluiddynamischen Lagern eingesetzte Öl im Laufe der Zeit verdampft (evaporiert). In den Lagern muss daher ein für die spezifizierte Lebensdauer ausreichender Fluidvorrat vorgehalten werden. Dieser Fluidvorrat muss umso größer sein, je höher die zu erwartende Betriebstemperatur und die geforderte Lebensdauer sind.One Disadvantage of fluid dynamic storage systems is that in the fluid dynamic bearings used oil over time evaporates (evaporates). In the camps must therefore be a for kept the specified life sufficient fluid supply become. This fluid supply must be greater, the higher the expected operating temperature and the required Lifespan are.
Ein weiterer Einflussfaktor auf die Verdampfungsrate des Lagerfluids ist die Größe der Grenzfläche des Fluids zur Umgebungsluft. Eine kleine Grenzfläche reduziert hier den Fluidverlust ebenfalls. Ist das Fluid im Vorratsvolumen in Bewegung, weil beispielsweise rotierende Teile an das Volumen grenzen, so vergrößert dies die Grenzfläche und somit die Verdampfungsrate. Nicht zuletzt ist auch der Zustand der umgebenden Luft entscheidend für die Verdampfungsrate. Ist die Grenzfläche von sich bewegender Luft umgeben, ist die Verdampfungsrate größer als bei einer Grenzfläche, welche an ein sich relativ unbewegtes, bereits mit Fluiddämpfen angereichertes Luftvolumen grenzt.One further influencing factor on the evaporation rate of the bearing fluid is the size of the interface of the fluid to the ambient air. A small interface reduces here the fluid loss as well. Is the fluid in the storage volume in motion, because, for example, rotating parts border on the volume, so this enlarges the interface and thus the evaporation rate. Not least is the condition of the surrounding Air crucial for the evaporation rate. Is the interface surrounded by moving air, the evaporation rate is greater than at an interface which is adjacent to a relatively still, Already confined with fluid vapors enriched air volume.
Werden von einem fluiddynamischen Lager eine lange Lebensdauer bei hohen Temperaturen/hohe Drehzahlen gefordert, sind folgende Anforderungen bezüglich des Fluidvorrats zu erfüllen:
- a) relativ großes Vorratsvolumen
- b) möglichst niedere Temperatur beim Vorratsvolumen
- c) kleine Grenzflächen zur Umgebungsluft
- d) weitgehend unbewegte Luft an der Grenzfläche
- e) mit Fluiddämpfen angereicherte möglichst eingeschlossene Umgebungsluft (geringer Luftaustausch mit der Umgebung)
- f) keine wesentliche Fluidbewegung im Fluidvorrat
- g) ausreichende Abdichtung des Fluid aufweisenden Lagerraumes
- a) relatively large storage volume
- b) lowest possible temperature in the storage volume
- c) small interfaces to the ambient air
- d) largely unmoved air at the interface
- e) ambient air enriched with fluid vapors (low air exchange with the environment)
- f) no significant fluid movement in the fluid supply
- g) adequate sealing of the fluid bearing space
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein hydrodynamisches Lager für einen Spindelmotor weiter zu entwickeln, um ein Austreten von Lagerfluid und insbesondere von Fluiddampf aus dem Lager wirkungsvoll zu verhindern, und so die Gesamtlebensdauer des Lagersystems zu erhöhen.It Thus, it is an object of the invention to provide a hydrodynamic bearing for to develop a spindle motor to prevent leakage of bearing fluid and in particular to effectively prevent fluid vapor from the bearing, and so increase the overall life of the storage system.
Diese Aufgabe wird durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.These Task is by a spindle motor with fluid dynamic bearing solved with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.advantageous Embodiments of the invention are in the dependent claims specified.
Es ist ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem beschrieben, mit einem feststehenden Motorbauteil umfassend eine Basisplatte und eine Lagerbuchse, und einem drehbeweglichen Motorbauteil umfassend eine in der Lagerbuchse drehgelagerte Welle und eine mit der Welle verbundene Nabe, wobei zwischen der Welle und der Lagerbuchse ein konzentrischer mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt vorgesehen ist, und einander zugewandte Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle mindestens einen Radiallagerbereich ausbilden, und mindestens ein Axiallagerbereich vorgesehen ist, wobei der Lagerspalt ein offenes Ende aufweist, das durch einen Dichtungsspalt abgedichtet ist, und sich an den Dichtungsspalt ein Barrierespalt anschließt. Der Barrierespalt weist mindestens einen axial, parallel zur Rotationsachse des Motors verlaufenden Abschnitt auf, der gebildet ist zwischen einer Außenwandung der Nabe und einer Innenwandung der Basisplatte oder zwischen einer Außenwandung der Nabe und einer Innenwandung eines Statorblechpaketes oder zwischen einer Innenwandung der Nabe und einer Außenwandung der Basisplatte.It is described a spindle motor with fluid dynamic bearing system, with a fixed motor component comprising a base plate and a bearing bush, and a rotary Mo a door component comprising a rotatably mounted in the bearing bushing shaft and a shaft connected to the hub, wherein between the shaft and the bearing bush a concentric bearing fluid filled with a bearing gap is provided, and facing surfaces of the bearing bush and the shaft at least one radial bearing region form, and at least one Thrust bearing region is provided, wherein the bearing gap has an open end which is sealed by a sealing gap, and adjoins the sealing gap, a barrier gap. The barrier gap has at least one axial, parallel to the axis of rotation of the motor extending portion which is formed between an outer wall of the hub and an inner wall of the base plate or between an outer wall of the hub and an inner wall of a stator lamination or between an inner wall of the hub and an outer wall of the baseplate.
Von der Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt verdampft ständig Lagerfluid, umso mehr, je höher die Temperatur des Lagerfluids und je größer dessen Oberfläche ist. Dieser Fluiddampf kann dann über einen Luftspalt in die Atmosphäre außerhalb des Lagers entweichen und innerhalb des Motors kondensieren. Der Luftspalt befindet sich in der Regel zwischen einer feststehenden Oberfläche der Lagerbuchse und einer rotierenden Oberfläche der Nabe, so dass sich insbesondere in radial verlaufenden Abschnitten des Luftspaltes ein Luftwirbel bildet aufgrund der Zentrifugalkräfte, die auf die Luft- bzw. den Fluiddampf wirken. Dieser Luftwirbel transportiert den Fluiddampf in Richtung radial nach außen und über den Luftspalt in die Außenatmosphäre.From evaporates the surface of the bearing fluid in the sealing gap constantly bearing fluid, the more, the higher the temperature of the bearing fluid and the larger its surface area is. This fluid vapor can then pass through an air gap escape the atmosphere outside the camp and condense inside the engine. The air gap is located usually between a fixed surface of the bearing bush and a rotating surface of the hub, so that in particular in radially extending sections of the air gap an air vortex forms due to the centrifugal forces, the act on the air or the fluid vapor. This air vortex transports the fluid vapor in the direction radially outward and over the air gap in the outside atmosphere.
Erfindungsgemäß ist nun ein Barrierespalt vorgesehen, vorzugsweise als Teil des ursprünglichen Luftspaltes, dessen Spaltabstand sehr klein ist und dessen axiale Länge parallel zur Rotationsachse, möglichst groß ist. Durch die geringe Spaltbreite sowie die große axiale Länge des Barrierespalts kann sich im Bereich des Barrierespaltes kein Luftwirbel mehr ausbilden, und aufgrund des geringen Querschnitts und der vergleichsweise großen Länge des Barrierespaltes kann kaum Fluiddampf den Barrierespalt ins Freie verlassen. Somit hat das erfindungsgemäße Lagersystem kaum Fluidverluste in Form von verdampfendem Lagerfluid, so dass insbesondere eine hohe Lebensdauer des Lagersystems garantiert werden kann und/oder ein kleineres Fluidvolumen innerhalb der Kapillardichtung des Lagers vorgesehen werden kann. Insbesondere wirkt der axiale Abschnitt des Barrierespaltes als wirkungsvolle Barriere gegen Austreten von Fluiddampf, da im axialen Abschnitt keine Zentrifugalkräfte in Richtung der Längserstreckung des Spaltabschnittes wirken und damit ein möglichst geringer Transport von Fluiddampf in axialer Richtung stattfindet.According to the invention now a barrier gap provided, preferably as part of the original Air gap whose gap distance is very small and its axial Length parallel to the axis of rotation, as large as possible. Due to the small gap width and the large axial length of the barrier gap can be in the area of the barrier gap no Air vortex form more, and because of the small cross section and the comparatively long length of the barrier gap hardly any fluid vapor can leave the barrier gap to the outside. Consequently the storage system according to the invention has hardly any fluid losses in the form of evaporating bearing fluid, so that in particular a long life of the storage system can be guaranteed and / or a smaller volume of fluid is provided within the capillary seal of the bearing can be. In particular, the axial section of the barrier gap acts as an effective barrier against leakage of fluid vapor, as in the axial Section no centrifugal forces in the direction of the longitudinal extent the gap portion act and thus the smallest possible Transport of fluid vapor takes place in the axial direction.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der Barrierespalt zwischen einander zugewandten und relativ zueinander beweglichen Oberflächen der Lagerbuchse und der Nabe ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen axial und parallel zur Rotationsachse des Lagers. Diese Ausführungsform eignet sich vor allem für Motoren nach dem sogenannten Single Plate Design, bei denen am unteren Ende der Welle eine Druckplatte ausgebildet ist, die das bzw. die Axiallager ausbildet und das Vorratsvolumen in Form einer Kapillardichtung am offenen Ende des Lagerspalts ausgebildet ist. Ein weiterer, axial verlaufender Abschnitt des Barrierespaltes befindet sich zwischen dem Statorpaket und der Nabe. Die beiden Abschnitte des Barrierespalts sind durch einen radial verlaufenden Luftspalt miteinander verbunden.According to one first embodiment of the invention, the barrier gap between facing each other and relatively movable surfaces the bushing and the hub is formed and extends substantially axially and parallel to the axis of rotation of the bearing. This embodiment is especially suitable for engines according to the so-called Single plate design, where at the bottom of the shaft is a pressure plate is formed, which forms the or the thrust bearing and the storage volume formed in the form of a capillary seal at the open end of the bearing gap is. Another, axially extending portion of the barrier gap is located between the stator pack and the hub. The two Portions of the barrier gap are defined by a radially extending Air gap connected together.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Barrierespalt zwischen einander zugewandten und relativ zueinander beweglichen Oberflächen der Basisplatte und der Nabe ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung eignet sich besonders für sogenannte Top Thrust Lager, bei denen das Axiallager zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse und einer unteren Oberfläche der Nabe ausgebildet ist. Bei diesen Spindelmotoren erstrecken sich der Dichtungsspalt und das Vorratsvolumen in axialer Richtung außerhalb des Axiallagers, so dass der Barrierespalt an anderer Stelle vorgesehen werden muss, als beim Single Plate Design. In dieser Ausgestaltung ist der Barrierespalt als Labyrinthspalt zwischen dem Rand der Nabe und einer ringförmigen Nut der Basisplatte ausgebildet und erscheint im Querschnitt etwa U-förmig. Hierbei weist der Barrierespalt einen axial verlaufenden Abschnitt auf, der durch eine äußere Umfangsfläche der Nabe und eine innere Umfangsfläche der Basisplatte begrenzt wird. In einer abgewandelten Ausgestaltung kann der Barrierespalt einen weiteren axial verlaufenden Abschnitt aufweisen, der durch eine äußere Umfangsfläche der Basisplatte und eine innere Umfangsfläche der Nabe begrenzt wird. Zwischen den beiden axial verlaufenden Abschnitten des Barrierespalts ist ein radial verlaufender Luftspalt vorgesehen, der durch eine ringförmige Stirnseite der Nabe und eine gegenüberliegende Fläche der Basisplatte begrenzt wird. Diese trägt jedoch nur unwesentlich zur Verringerung des Luftaustausches bei.In In another embodiment of the invention, the barrier gap between facing and relatively movable surfaces be formed of the base plate and the hub. This embodiment is particularly suitable for so-called Top Thrust bearings, in which the thrust bearing between an end face of the Bearing bush and a lower surface of the hub is formed. In these spindle motors, the sealing gap and extend the storage volume in the axial direction outside of the thrust bearing, so that the barrier gap must be provided elsewhere, as the single plate design. In this embodiment, the barrier gap as a labyrinth gap between the edge of the hub and an annular groove formed of the base plate and appears in cross-section approximately U-shaped. Here, the barrier gap has an axially extending section on, passing through an outer peripheral surface the hub and an inner peripheral surface of the base plate is limited. In a modified embodiment, the barrier gap have a further axially extending portion through an outer peripheral surface of the base plate and an inner peripheral surface of the hub is limited. Between the two axially extending portions of the barrier gap is a radially extending air gap provided by an annular Front of the hub and an opposite surface the base plate is limited. However, this contributes only slightly to reduce the air exchange at.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Barrierespalt zwischen einander zugewandten und relativ zueinander beweglichen Oberflächen der Nabe und einer an der Basisplatte angeordneten Statoranordnung ausgebildet. Der Barrierespalt weist hierbei einen axial verlaufenden Abschnitt auf, der durch eine äußere Umfangsfläche der Nabe und eine innere Umfangsfläche der Statoranordnung begrenzt wird. Die Stirnseite der Nabe bildet mit der Basisplatte einen radial verlaufenden Luftspalt, der den Dichtungsspalt mit dem Barrierespalt verbindet.In another embodiment of the invention, the barrier gap is formed between mutually facing and relatively movable surfaces of the hub and a stator arrangement arranged on the base plate. The barrier gap in this case has an axially extending portion, which is delimited by an outer peripheral surface of the hub and an inner peripheral surface of the stator assembly. The end face of the hub forms with the base plate a radially extending air gap, the connects the sealing gap with the barrier gap.
Der Barrierespalt bildet zusammen mit einem radial verlaufenden Luftspalt eine Verbindung zwischen dem Dichtungsspalt des Lagersystems und der Außenatmosphäre, insbesondere einem im Spindelmotor angeordneten Statorraum. Dabei ist der eigentliche Barrierespalt parallel zur Rotationsachse angeordnet und der verbindende Luftspalt quer oder senkrecht zur Rotationsachse.Of the Barrier gap forms together with a radially extending air gap a connection between the sealing gap of the storage system and the Outside atmosphere, especially one in the spindle motor arranged stator space. Here is the actual barrier gap arranged parallel to the axis of rotation and the connecting air gap transverse or perpendicular to the axis of rotation.
Die Spaltbreite des Barrierespaltes ist möglichst klein, vorzugsweise kleiner gleich 50 μm und dessen Länge möglichst groß, vorzugsweise größer als 0,5 mm.The Slit width of the barrier gap is as small as possible, preferably less than or equal to 50 microns and its length as possible large, preferably greater than 0.5 mm.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, wobei sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergebenen.The The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings which describes further features and advantages of the invention devoted.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred Embodiments of the invention
Die
Zeichnungen zeigen Spindelmotoren
Der
in
Wie
sich aus
Die
hydrodynamische Lageranordnung wird durch zwei Radiallagerbereiche
Eine
am unteren Wellenende angeordnete Druckplatte
An
einer radial innen liegenden Oberfläche der Nabe
Der
Dichtungsspalt
Erfindungsgemäß ist
der Luftspalt, insbesondere ein axialer Abschnitt des Luftspalts,
als Barrierespalt
Der
Spindelmotor gemäß
Auch
hier ist am offenen Ende des Dichtungsspaltes
Jenseits
des Dichtungsspaltes
- 11
- Spindelmotorspindle motor
- 22
- Wellewave
- 33
- Lagerbuchsebearing bush
- 44
- Nabehub
- 55
- Magnetmagnet
- 66
- Statorstator
- 77
- Jochyoke
- 88th
- Basisplattebaseplate
- 99
- Dichtungsspaltseal gap
- 1010
-
Barrierespalt,
vertikal
10' Barrier gap, vertical10 ' - 1111
- 1212
- Luftspalt, horizontalAir gap, horizontal
- 1313
- Druckplatteprinting plate
- 1414
- Abdeckplattecover
- 1515
- Statorblechpaketstator lamination
- 1616
- 1717
- Lagerspaltbearing gap
- 1818
- RadiallagerbereichRadial bearing region
- 1919
- RadiallagerbereichRadial bearing region
- 2020
- Statorraumstator
- 2121
- Kontakte, elektrischeContacts, electrical
- 2222
- Rotationsachseaxis of rotation
- 101101
- Spindelmotorspindle motor
- 102102
- Wellewave
- 103103
- Lagerbuchsebearing bush
- 104104
- Nabehub
- 105105
- Magnetmagnet
- 106106
- Statorstator
- 107107
- Jochyoke
- 108108
- Basisplattebaseplate
- 109109
- Dichtungsspaltseal gap
- 110110
-
Barrierespalt,
vertikal
110' Barrier gap, vertical110 ' - 111111
- Rezirkulationskanalrecirculation
- 112112
- Luftspalt, horizontalAir gap, horizontal
- 113113
- StopperflanschStopperflansch
- 114114
- Abdeckplattecover
- 115115
- Statorblechpaketstator lamination
- 116116
- Axiallageraxial bearing
- 117117
- Lagerspaltbearing gap
- 118118
- RadiallagerbereichRadial bearing region
- 119119
- RadiallagerbereichRadial bearing region
- 120120
- Statorraumstator
- 121121
- Kontakte, elektrischeContacts, electrical
- 122122
- Rotationsachseaxis of rotation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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