DE102008052469A1

DE102008052469A1 - Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und feststehender Welle

Info

Publication number: DE102008052469A1
Application number: DE102008052469A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Fleig; Guido Schmid; Martin Dr. Bauer; Olaf Winterhalter; Matthias Wildpreth; Thomas Dr. Fuss; Vladimir V. Dr. Popov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: JP2013243933A; DE102008052469B4; DE102008064815B3; USRE45387E1; JP5357523B2; US20090140587A1; JP5674886B2; USRE46300E1; JP2009136143A; US7982349B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, der ein Rotorbauteil (14) enthält, welches eine stehende Welle (12) umschließt, die wiederum an ihren beiden Enden mit axial ausgerichteten Lagerbauteilen (16; 18) verbunden ist. Die Lagerbauteile sind derart geformt, dass sie kapillare Dichtungsspalte (32; 34) und optional eine dynamische Pumpdichtung (36) bilden, die das beidseitig offene fluiddynamische Lagersystem abschließen, wobei ein mit Lagerfluid gefüllter Rezirkulationskanal (28) vorhanden ist, der voneinander entfernte Bereiche des Lagers miteinander verbunden, und ein elektromagnetisches Antriebssystem (42, 44) zum Antrieb des Rotorbauteils.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem und feststehender Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem werden beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt und können generell in zwei unterschiedliche Gruppen, sprich Bauformen, eingeteilt werden: Motoren mit drehender Welle und üblicherweise nur einseitig geöffnetem Lagersystem (z. B. single plate design) und Motoren mit stehender Welle. Ein entscheidender Vorteil von Spindelmotoren mit stehender Welle ist die Möglichkeit, die Welle an beiden Enden mit der Grundplatte bzw. dem Motorgehäuse zu befestigen. Dadurch erhalten solche Motor eine wesentlich größere strukturelle Steifigkeit, wodurch sie besonders geeignet sind z. B. für Festplattenlaufwerke mit erhöhten oder besonderen Anforderungen, wie sie heute unter anderem bei vielen mobilen Anwendungen mit stetig wachsender Datendichte und gleichzeitig während des normalen Betriebs bestehenden Vibrationen auftreten. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich sind Festplattenlaufwerke mit besonders niedrig gefordertem Betriebsgeräusch, wobei insbesondere die Übertragung und Abstrahlung von durch elektromagnetische Kräfte des Motors erzeugten Schwingungen durch eine höhere Struktursteifigkeit verringert werden können.
Der Aufbau und insbesondere die Abdichtung eines Spindelmotors mit stehender Welle und einem beidseitig geöffneten fluiddynamischen Lagersystem zur Vermeidung des Austritts von Lagerfluid aus dem Lager sind meist aufwändiger als bei einem Spindelmotor mit drehender Welle. Bei einem beidseitig offenen Lagerspalt ist ferner die Gefahr größer, dass Luft in den Lagerspalt eindringt und die Funktion des Lagersystems stört. Daher müssen Maßnahmen getroffen werden, um ein Eindringen von Luft in den Lagerspalt zu verhindern und/oder die Luft aus dem Lagerspalt bzw. aus dem Lagerfluid herauszubefördern.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor anzugeben, der ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer stehenden, an beiden Enden befestigten Welle enthält und nur aus wenigen, relativ einfach herzustellenden Bauteilen besteht. Ferner soll ein Entweichen von im Lagerspalt evtl. vorhandenen Luftbläschen unterstützt werden.
Diese Aufgabenstellung wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Spindelmotor umfasst eine feststehende Welle, die direkt oder indirekt durch ein zusätzliches Flanschbauteil in einer Grundplatte gehalten ist, ein relativ zur Welle um eine Drehachse drehbar gelagertes Rotorbauteil, einen beidseitig offenen Lagerspalt, der gefüllt ist mit einem Lagerfluid und der aneinander angrenzende Flächen der Welle, des Rotorbauteils und mindestens eines ersten Lagerbauteils voneinander trennt. Ferner ist ein erstes Radiallager und ein zweites Radiallager vorgesehen, die ausgebildet sind zwischen einander gegenüber liegenden axial verlaufenden Lagerflächen der Welle und des Rotorbauteils, und ein Axiallager, ausgebildet zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Lagerflächen des Rotorbauteils und dem ersten mit der Grundplatte verbundenen Lagerbauteil. Es ist ein mit Lagerfluid gefüllter Rezirkulationskanal vorgesehen, der voneinander entfernte Bereiche des Lagers miteinander verbindet, und ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Antrieb des Rotorbauteils.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Lagersystem nur insgesamt vier mechanische Bauteile, wobei drei Bauteile feststehende Bauteile sind und nur ein rotierendes, mechanisches Rotorbauteil in Form einer Nabe-Lagerbuchse-Anordnung vorgesehen ist. Aufgrund dieser geringen Anzahl von Teilen lässt sich das Lagersystem sehr einfach aufbauen und insbesondere die Teile relativ einfach und kostengünstig herstellen und toleranzarm maschinieren. Eine weitere Reduzierung der Anzahl der Teile ist möglich, indem eines der beiden Lagerbauteile einteilig mit der Welle ausgebildet wird.
Zur Abdichtung des beidseitig offenen Lagerspaltes sind erfindungsgemäß verschiedene Dichtungskonzepte vorgesehen. Zum einen kann das Rotorbauteil Oberflächen aufweisen, die derart geformt sind, das sie zusammen mit Oberflächen eines Lagerbauteils eine kapillare Spaltdichtung bilden. Die Spaltdichtung kann zwischen einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils und einer äußeren Umfangsfläche des jeweiligen Lagerbauteils gebildet sein. Es ist in umgekehrter Weise auch möglich, dass die Spaltdichtung zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils gebildet wird. Je nach Bauform und Platzverhältnissen im Lager kann die Spaltdichtung vertikal oder horizontal zur Drehachse ausgerichtet werden. Bei Spindelmotoren für hohe Drehzahlen wird es bevorzugt, die Kapillardichtung vertikal anzuordnen, da so die auf das Lagerfluid wirkenden Zentrifugalkräfte einen geringeren Einfluss auf das Lagerfluid in der Kapillardichtung haben.
Idealerweise sind die die Kapillardichtungen begrenzenden Wandungen mit einer Schrägung versehen, so dass die Kapillardichtung sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngt sowie dass die Mittellinie des Dichtungsspaltes in Richtung des Lagerspaltes verlaufend in radialer Richtung einen zunehmend größeren Abstand zur Drehachse aufweist, so dass der Fluiddruck im Lagerfluid aufgrund der Zentrifugalkraft, die in Richtung des Lagerspaltes wirkt, ansteigt.
Die Spaltdichtung kann optional ergänzt werden durch eine dynamische Pumpdichtung, die zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Flächen des Rotorbauteils und einem zweiten mit der Welle verbundenen Lagerbauteil angeordnet ist. Die die Dichtung bildenden Oberflächen des Rotorbauteils und des Lagerbauteils weisen entsprechende Pumpstrukturen auf, die bei Drehung des Lagers eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen und evtl. Gegendruck sämtlicher Lagerstrukturen kompensieren und somit verhindern, dass das Lageröl aus dem Lagerspalt austritt, obwohl die benachbarte Spalt- bzw. Kapillardichtung eine vergleichsweise kurze axiale Baulänge aufweist Damit das Lagerfluid im Fluidlager zirkulieren kann, umfasst das Rotorbauteil einen Rezirkulationskanal, der radial verlaufende Abschnitte des Lagerspalts bzw. der Dichtungsspalte miteinander verbindet. Vorzugsweise ist der Rezirkulationskanal derart angeordnet, dass er den Dichtungsspalt radial außerhalb des Axiallagers mit einem radial innerhalb des oberen Dichtungsspalts beziehungsweise der dynamischen Pumpdichtung liegenden Abschnitt des Lagerspalts verbindet. In diesem Fall ist der Rezirkulationskanal schräg, d. h. nicht parallel zur Drehachse angeordnet. Alternativ kann durch den Rezirkulationskanal auch der Dichtungsspalt radial außerhalb des Axiallagers mit einem radial außerhalb der dynamischen Pumpdichtung liegenden Abschnitt des Lagerspalts verbunden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rezirkulationskanal schräg zur Rotationsachse angeordnet. Durch die schräge Anordnung wirkt auf das im Rezirkulationskanal befindliche Lagerfluid eine Zentrifugalkraft, sobald sich das Rotorbauteil dreht. Diese Zentrifugalkraft pumpt das Lagerfluid erfindungsgemäß in dieselbe Richtung wie die Pumpkraft, die durch die Gesamt-Pumpwirkung des Axiallagers und der beiden Radiallager auf das Lagerfluid ausgeübt wird. Die Pumpwirkung der Zentrifugalkraft im Rezirkulationskanal ist in Richtung des Axiallagers gerichtet und vorzugsweise mindestens zwei Mal so groß wie die durch das Axiallager und die beiden Radiallager in die selbe Richtung auf das Lagerfluid ausgeübte Gesamtkraft.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberflächen des Rotorbauteils und des Lagerbauteils, welche die Kapillardichtung bilden, vorzugsweise parallel zur Drehachse oder in einem spitzen Winkel schräg zur Drehachse geneigt. Die jeweiligen Winkel der den Kapillarspalt begrenzenden Oberflächen müssen dabei verschieden groß sein, damit sich eine im Querschnitt konische Erweiterung der Kapillardichtung ergibt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die kapillare Dichtung durch eine mit dem Rotorbauteil verbundene ringförmige Abdeckung abzudecken, die zusammen mit einem Lagerbauteil eine Labyrinthdichtung ausbildet. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus der kapillaren Dichtung. Die ringförmige Abdeckung kann natürlich auch an dem Lagerbauteil angeordnet sein.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Abdeckung derart geformt und an oder in dem Rotorbauteil befestigt sein, dass deren Innenumfang zusammen mit einem Außenumfang des zugeordneten Lagerbauteils den Dichtungsspalt der Kapillardichtung begrenzt.
Die Erfindung wird nun anhand von drei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus den nachfolgenden Erläuterungen ergeben sich weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
3 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
4 zeigt einen Schnitt durch eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
5 zeigt einen Schnitt durch eine fünfte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
6 zeigt einen Schnitt durch eine sechste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
7 zeigt einen Schnitt durch eine siebte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
8 zeigt einen Schnitt durch eine achte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
9 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Mündungsbereichs des Rezirkulationskanals radial außerhalb des Axiallagers.
10 zeigt einen Schnitt durch eine neunte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Spindelmotors, mit im Wesentlichen demselben Grundaufbau. Die Spindelmotoren können zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks vorgesehen sein.
Der Spindelmotor gemäß 1 umfasst eine Grundplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein erstes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa topfförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher die Welle 12 befestigt ist. An einem oberen Ende der feststehenden Welle 12 ist ein zweites Lagerbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise ringförmig und einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 16 und 18 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems des Spindelmotors. Die Welle 12 weist an ihrem oberen Ende eine Gewindebohrung 52 zur Befestigung an einem Gehäusedeckel 50 des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks auf. Der Spindelmotor umfasst ein einteiliges Rotorbauteil 14, das in einem durch die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das Rotorbauteil ist im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet. Das obere Lagerbauteil 18 liegt in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 14. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, des Rotorbauteils 14 und der Lagerbauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Grundplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 angeordnet ist.
Das Rotorbauteil 14 des Spindelmotors hat einen hohlzylindrischen Abschnitt, der so gestaltet ist, dass dessen Innenumfang zwei zylindrische Lagerflächen ausbildet, welche durch eine dazwischen umlaufende Nut 24 getrennt sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung des Lagerspalts 20 und sind mit geeigneten Rillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22a und 22b ausbilden.
An das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen des Rotorbauteils 14 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 mit Lagerflächen in Form von zur Drehachse 46 senkrechten Kreisringen. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch spiralförmige Rillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf dem Rotorbauteil 14, dem Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche des Rotorbauteils, also von inneren Rand bis zum äußeren Rand. Dadurch ergibt sich eine definierte Druckverteilung im gesamten Axiallagerspalt und Unterdruckzonen werden vermieden, da der Fluiddruck von einer radial äußeren zu einer radial inneren Position des Axiallagers kontinuierlich zunimmt. Aufgrund dieses radial nach außen abfallenden Druckgradienten werden evtl. im Lagerfluid enthaltene Gase radial nach außen transportiert. In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b und das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen am Rotorbauteil 14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht, da sämtliche Strukturen in einem Prozessschritt hergestellt werden können.
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 26 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 34 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils 14 und des Lagerbauteils 16 gebildet wird und das Ende des Fluidlagersystems an dieser Seite abdichtet. Der Dichtungsspalt 34 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 20 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 34 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit, die durch entsprechende Evaporation dem Lagerspalt entzogen wird. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 34 bildenden Flächen an dem Rotorbauteil 14 und dem Lagerbauteil 16 können jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist das Rotorbauteil 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Lagerbauteils 18 einen engen Spalt bildet, dessen Breite größer als die Breite des Lagerspalts 20 im Bereich der Radiallager ist. Im Bereich dieses Spaltes ist vorzugsweise aber nicht notwendigerweise eine dynamische Pumpdichtung 36 angeordnet, die durch geeignete spiralrillenförmige Pumpstrukturen auf den Flächen des Rotorbauteils 14, des Lagerbauteils 18 oder beiden gekennzeichnet ist und das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Die Pumpdichtung 36 weitet sich am äußeren Ende auf und mündet in einen Dichtungsspalt 32 mit vorzugsweise konischem Querschnitt. Der Dichtungsspalt 32 verläuft im Wesentlichen axial und wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt, die relativ zur Drehachse 46 vorzugsweise nach innen geneigt sind. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt. Der Dichtungsspalt 32 kann von einer ringförmigen Abdeckung 30 abgedeckt sein. Die Abdeckung 30 ist in einer Ringnut 38 des Rotorbauteils 14 gehalten und dort beispielsweise eingeklebt. Die Abdeckung 30 bildet zusammen mit dem Ende der Welle 12 eine Labyrinthdichtung 48, wodurch er Austausch mit Luft und somit auch die Evaporation von Lagerfluid verringert wird. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32. Die ringförmige Abdeckung kann natürlich auch an der Welle 12 angeordnet sein und mit dem Rotorbauteil 14 eine Labyrinthdichtung bilden.
Um die beschriebenen Funktionen erfüllen zu können und einen einfachen Zusammenbau des Motors sicherzustellen, sind die beiden Lagerbauteile 16, 18, welche fest mit der Welle 12 z. B. durch eine einteilige Ausgestaltung oder durch Pressen, Kleben oder Schweißen verbunden werden, natürlich geeignet gestaltet. Insbesondere kann es günstig sein, eines der beiden Lagerbauteile, z. B. das Teil 16, topfförmig mit einem hochgezogenen Rand auszuführen, so dass es an seiner inneren Umfangsfläche mit einer gegenüberliegenden Fläche des Rotorbauteils 14 einen Dichtungsspalt 32 einer kapillaren Spaltdichtung ausbildet und am Außenumfang eine Verbindung mit der Grundplatte 10 herstellt. Andererseits kann auch eine möglichst einfache Gestaltung der Lagerbauteile 16, 18 vorteilhaft sein, z. B. als eine abgeschrägte oder auch gerade Kreisscheibe, wie z. B. das Lagerbauteil 18.
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist das Rotorbauteil 14 mit einem Rezirkulationskanal 28 versehen. Der Rezirkulationskanal 28 verbindet den radialen Abschnitt des Dichtungsspalts 34 radial außerhalb des Axiallagers 26 mit einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts radial innerhalb der dynamischen Pumpdichtung 36, also den Abschnitt des Lagerspalts zwischen der Pumpdichtung 36 und dem ersten Radiallager 22a. Der Rezirkulationskanal 28 kann z. B. einfach durch Durchbohren des Rotorbauteils 14 schräg zur Drehachse 46 des Motors ausgeführt werden. Der Rezirkulationskanal 28 ist dabei in einem Winkel von etwa 10 Grad schräg zur Drehachse 46 angeordnet. Das obere Ende des Rezirkulationskanals 28 liegt radial innerhalb der Pumpdichtung 36. Dadurch herrscht im Bereich der Öffnung des Rezirkulationskanals 28 ein höherer Druck als beispielsweise im Dichtungsspalt 32, so dass beispielsweise Luftblasen, die sich im Bereich der Öffnung des Rezirkulationskanals 28 im Lagerspalt befinden aufgrund des fallenden Druckgradienten radial nach außen transportiert werden, während das Lagerfluid durch die Wirkung der Pumpdichtung 36 radial nach innen transportiert wird. Aufgrund der schrägen Anordnung des Rezirkulationskanals 28 und die unterschiedlichen Druckverhältnisse an den gegenüberliegenden Enden des Rezirkulationskanals 28 wird ein Austreten von Luftblasen aus dem Lagerfluid begünstigt.
Die Radiallager bestehen jeweils aus einer Anzahl von halbsinusbogenförmigen Lagerrillen, die das Lagerfluid jeweils axial nach oben bzw. nach unten pumpen. Aufgrund von unterschiedlich langen Lagerrillen erhält man asymmetrisch ausgebildete Radiallager, die eine Gesamt-Pumprichtung aufweisen, welche auch im Falle einer durch Fertigungs-Toleranzen bedingten, leicht konusförmigen und von einer zylindrischen Form abweichenden Lagerbohrung im Bereich des Radiallagerspaltes stets axial nach oben in Richtung des zweiten Lagerbauteils 18 gerichtet ist. Das Axiallager 26 weist bevorzugt spiralförmige Lagerrillen auf, die das Lagerfluid radial nach innen pumpen. Auf das Lagerfluid, das sich innerhalb des Rezirkulationskanals befindet, wirken beim Betrieb des Lagers Zentrifugalkräfte, so dass dieses axial nach unten gedrückt wird, so dass man eine Rezirkulation des Lagerfluids innerhalb des Fluidlagers erhält.
Da der gesamte Rotor des Spindeimotors (abgesehen vom Magneten 44 und ggf. einer Abdeckung 30) vorzugsweise nur aus dem Rotorbauteil 14 besteht, ist die Lagetoleranz der Rotorflächen, die beispielsweise als Auflagefläche für Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks dienen, relativ zum Fluidlager besser als bei einem aus mehren Teilen bestehenden Rotor und die mechanische Stabilität wesentlich höher. Weiterhin können die Funktionsflächen (Lagerflächen) des Fluidlagersystems, welche sich alle an einem Teil, vorzugsweise dem Rotorbauteil 14 befinden, relativ einfach mit der geforderten Genauigkeit hergestellt werden. Insbesondere kann das Rotorbauteil 14, verglichen z. B. mit einer wesentlich kleineren Lagerbuchse herkömmlicher Bauart, relativ einfach in ein Spannwerkzeug eingespannt werden und die Endbearbeitung fast aller Lagerflächen kann durchgeführt werden ohne umzuspannen. Außerdem entfällt der gerade für kleine Formfaktoren schwierige und unweigerlich mit Ausfällen verbundene Zusammenbau des Rotors aus mehreren Einzelteilen, welche ja zusammen auch alle für ein Fluidlagersystem notwendige Funktionsflächen mit der entsprechenden Genauigkeit und zusätzlich besonders gestaltete, eng tolerierte Verbindungsbereiche enthalten müssen.
Aufgrund der Montage des Lagers in dem ersten Lagerbauteil 16, das als Flansch zur Verbindung mit der Grundplatte 10 dient, ist es möglich, das Fluidlager als Baueinheit zu montieren, mit Lagerfluid zu befüllen und zu testen, bevor das Fluidlager als Baueinheit mit der Grundplatte 10 verbunden wird.
Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 26 aufweist, das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils 18 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann die Grundplatte 10 einen ferromagnetischen Ring 40 aufweisen, der dem Rotormagneten 44 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 26 und hält das Lager axial stabil.
Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 42 und der Rotormagnet 44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass der Rotormagnet 44 axial weiter entfernt von der Grundplatte 10 angeordnet wird als die Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt.
Das äußere topfförmige Teil des Rotorbauteils 14 ist zur Befestigung der Speicherplatten 58 des Festplattenlaufwerks vorgesehen. Die ringscheibenförmigen Speicherplatten 58 liegen an einem unteren, radial nach außen gerichteten Bund des Rotorbauteils 14 auf und sind durch Abstandhalter 60 voneinander getrennt. Gehalten werden die Speicherplatten 58 durch eine Halterung 54, die mittels Schrauben in Gewindebohrungen 56 des Rotorbauteils 14 befestigt wird.
In 2 ist ein Spindelmotor dargestellt, bei dem gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen wie in 1 mit denselben Bezugszeichen versehen ist. Der Spindelmotor gemäß 2 unterscheidet sich im Wesentlichen vom Spindelmotor gemäß 1 durch ein zweiteiliges Rotorbauteil und eine andere Konstruktion der oberen Dichtung. Für 2 gilt im Wesentlichen dieselbe Beschreibung wie für den Spindelmotor von 1.
In 2 ist das Rotorbauteil 114 zweiteilig ausgebildet und umfasst ein inneres, etwa zylindrisches Rotorbauteil 114a und ein äußeres etwa topförmiges Rotorbauteil 114b. Das innere Rotorbauteil 114a umgibt die Welle 12 und bildet zusammen mit dieser die beiden Radiallager 22a, 22b. Eine Stirnseite des inneren Rotorbauteils 114a liegt einer radialen Fläche des ersten Lagerbauteils 16 gegenüber und bildet mit dieser das Axiallager 26. Die dynamische Pumpdichtung 36 wird gebildet durch eine Stirnfläche des inneren Rotorbauteils 114a und eine gegenüberliegende Fläche des zweiten Lagerbauteils 18, wobei mindestens eine der beiden Flächen mit Pumpstrukturen versehen ist. Außerhalb der Pumpdichtung 36 schließt sich der Dichtungsspalt 32 an, der begrenzt wird durch eine innere Umfangsfläche einer topfförmigen Abdeckung 130 und eine äußere, abgeschrägte Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils 18. Die Abdeckung 130 ist auf die Stirnfläche des inneren Rotorbauteils 114a aufgesteckt und beispielsweise mit dieser verschweißt. Zwischen einer inneren Kante der Abdeckung 130 und dem Lagerbauteil 18 (bzw. der Welle 12) verbleibt ein ringförmiger Labyrinthspalt 48, der die Kapillardichtung zusätzlich nach außen abdichtet.
Der an das Axiallager 26 angrenzende Dichtungsspalt 34 wird begrenzt durch den Außenumfang des inneren Rotorbauteil 114a und den Innenumgang des topfförmigen ersten Lagerbauteils 16. Der Rezirkulationskanal 128 verläuft innerhalb des inneren Rotorbauteils 114a und verbindet den Dichtungsspalt 34 im Bereich des Außendurchmessers des Axiallagers 26 mit einem Abschnitt des Lagerspalts radial innerhalb der Pumpdichtung 36. Der Rezirkulationskanal 128 ist in einem Winkel von etwa 10 Grad relativ zur Drehachse 46 geneigt.
Das innere Rotorbauteil 114a hat die Funktion einer Lagerbuchse und das äußere, topfförmige Rotorbauteil 114b hat die Funktion einer Nabe, welche den Magneten 44 des Antriebssystems und die anzutreibenden Komponenten, wie z. B. die Speicherplatten 58 trägt, wie sie in Verbindung mit 1 beschrieben sind.
3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch ein Lagersystem eines erfindungsgemäßen Spindelmotors. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Welle 212 und das erste Lagerbauteil 216 einteilig ausgebildet. In einem von Welle 212 und dem ersten Lagerbauteil 216 gebildeten ringförmigen Freiraum ist das Rotorbauteil 214 drehbar um die Drehachse 246 angeordnet. Das erste Lagerbauteil 216 ist an seinem Außenumfang fest mit der Basis 210 des Motors verbunden. Es sind zwei Radiallager 222a, 222b zwischen Lagerflächen am Innenumfang des Rotorbauteils 214 und am Außenumfang der Welle 212 angeordnet und durch einen axialen Abschnitt des Lagerspaltes 220 voneinander getrennt. Entlang eines radialen Abschnittes des Lagerspaltes 220 ist ein Axiallager 226 angeordnet, das durch Lagerflächen an der Stirnseite des Rotorbauteils 214 bzw. an einer Bödenfläche des ersten Lagerbauteils 216 gebildet wird. Der axiale Abschnitt des Lagerspalts 220 geht über in einen Dichtungsspalt 232, der einen radial verlaufenden Abschnitt und einen axial verlaufenden Abschnitt aufweist und durch Oberflächen eines an der Welle 212 angeordneten zweiten Lagerbauteils 218 und diesen gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils 214 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt 232 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und bildet eine konische Spaltdichtung aus. Eine Abdeckung zur Abdeckung des Dichtungsspalts und zur Zurückhaltung des Lagerfluids ist hier nicht vorgesehen. Im Bereich des Dichtungsspaltes 232 können auch eine oder mehrere Pumpdichtungen 236 bzw. 237 angeordnet sein, die sich im horizontal bzw. im vertikal verlaufenden Spalt zwischen dem zweiten Lagerbauteil 218 und der jeweils gegenüber liegenden Fläche des Rotorbauteils 214 befinden und die das im Dichtungsspalt 232 befindliche Lagerfluid nach innen in Richtung des axialen Abschnitts des Lagerspaltes 220 befördern. Ein weiterer Dichtungsspalt 234, der außerdem als Fluidreservoir dient, ist angrenzend an den radialen Abschnitt des Lagespaltes 220 vorgesehen. Der Dichtungsspalt 234 ist Teil eines Spaltes, der durch den Außendurchmesser des zylindrischen Teils des Rotorbauteils 214 und den Innendurchmesser des ersten Lagerbauteils 216 begrenzt wird.
Im Rotorbauteil 214 ist ein Rezirkulationskanal 228 vorgesehen, der die jeweils offenen Enden des Lagerspaltes 220 miteinander verbindet. Diese Ausgestaltung des Spindelmotors zeichnet sich aus durch eine geringe Anzahl an benötigten Bauteilen. Die übrigen Komponenten des Spindelmotors, wie z. B. das Antriebssystem und die Halterung für die Speicherplatte, sind in 3 nicht dargestellt.
Vorzugsweise ist der Rezirkulationskanal um 5–15 Grad relativ zur Drehachse geneigt. Alternativ kann der Rezirkulationskanal auch weitgehend parallel zur Drehachse 46 ausgerichtet sein. Vorzugsweise verlaufen die Lagerrillen des Axiallagers 26, 226 radial innen von der Lagerbohrung bis radial außen in den Bereich der Kapillardichtung 34. Vorzugsweise sind sowohl die Axiallagerstrukturen 26, 226, als auch die Pumpstrukturen der Pumpdichtungen 36, 236, 237 auf der Oberfläche des Rotorbauteils 14, 114a, 214 angebracht. Die Pumpstrukturen der Pumpdichtungen 36, 236 verlaufen in radialer Richtung ebenfalls vorzugsweise vom radial innen liegenden, zur Welle benachbarten Bereich der Lagerbohrung bis in den Bereich des Dichtungsspaltes 32, 232. Zusätzlich oder alternativ kann, wie in der 3 gezeigt ist, eine axial verlaufende Pumpdichtung 237 im Bereich des Dichtungsspaltes 232 angeordnet sein.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit einer Grundplatte 310, in welcher ein erstes Lagerbauteil 316 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 316 umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle 312 befestigt ist. Die Welle 312 weist eine Stufe auf, die als Anschlag dient und auf der Oberfläche des Lagerbauteils 316 aufliegt. Durch die Stufe kann der axiale Abstand zwischen den beiden Lagerbauteilen 316 und 318 sehr genau und reproduzierbar eingestellt werden. An einem oberen Ende der feststehenden Welle 312 ist ein zweites Lagerbauteil 318 angeordnet, das vorzugsweise einteilig mit der Welle 312 ausgebildet ist. Der Spindelmotor umfasst ein mehrteiliges Rotorbauteil, das ein inneres Rotorbauteil 314a aufweist, das in einem durch die Welle 312 und die beiden Lagerbauteile 316, 318 gebildeten Zwischenraum relativ zur Welle drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 318 ist in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 314a aufgenommen. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 312, des Rotorbauteils 314a und der Lagerbauteile 316, 318 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 320 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl gefüllt ist. Das Rotorbauteil 314a ist von einem äußeren, topfförmigen Rotorbauteil 314b umgeben, welches an seinem Innenumfang einen ringförmigen Permanentmagneten 344 als Teil des elektromagnetischen Antriebssystems trägt. An der Grundplatte 310 ist eine Statoranordnung 342 angeordnet, welche den Permanentmagneten 344 gegenüber liegt.
Das innere Rotorbauteil 314a hat eine hohlzylindrische Bohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Lagerflächen ausgebildet sind, welche durch eine dazwischen liegende umlaufende Nut 324 getrennt sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 312 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung des Lagerspaltes 320 und sind mit Rillenstrukturen versehen, so dass sie mit dem jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 312 zwei fluiddynamische Radiallager 322a und 322b ausbilden.
An den Lagerspalt im Bereich des unteren Radiallagers 322b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspaltes 320 an, der radial verlaufende Lagerflächen des Rotorbauteils 314a und entsprechend gegenüberliegende Lagerflächen des Lagerbauteils 316 voneinander trennt. Die Lagerflächen der vorgenannten Bauteile bilden ein fluiddynamischen Axiallager 326, das in bekannter Weise durch spiralförmige Rillenstrukturen gekennzeichnet ist, die auf einer oder beiden Lagerflächen aufgebracht sind.
An den radialen Abschnitt des Lagerspaltes 320 im Bereich des Axiallagers 326 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 334 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils 314a und des Lagerbauteils 316 gebildet wird und das untere Ende des Lagerspaltes abdichtet. Der Dichtungsspalt 334 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 320 verbreiterten, radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden, nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils 314a und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 316 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt 334 dient ferner als Fluidreservoir und zum Ausgleich von Fülltoleranzen, Verlust des Lagerfluids durch Evaporation und thermischer Ausdehnung des Lagerfluids.
Das Rotorbauteil 314a auf der anderen Seite des Lagerspaltes 320 ist so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Lagerbauteils 318 einen engen Spalt bildet, dessen Breite größer ist als die Breite des Lagerspaltes 320 im Bereich der Radiallager. Im Bereich dieses Spalts ist eine dynamische Pumpdichtung 336 vorgesehen, die durch geeignete, spiralrillenförmige Pumpstrukturen auf den Flächen des Rotorbauteils 314a bzw. des Lagerbauteils 318 gekennzeichnet ist und das Fluidlagersystem an diesem Ende des Lagerspaltes abdichtet. Jenseits der Pumpdichtung 336 ist ein Dichtungsspalt 332 mit konischem Querschnitt vorgesehen, der im Wesentlichen axial verläuft und durch Oberflächen des Rotorbauteils 314a und des Lagerbauteils 318 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt 332 ist von einer ringförmigen Abdeckung 330 abgedeckt, die als Teil des äußeren Rotorbauteils 314b ausgebildet ist. Die Abdeckung 330 bildet zusammen mit einer Stirnfläche des Lagerbauteils 318 eine Labyrinthdichtung 348 zur zusätzlichen Abdichtung des Dichtungsspaltes 332.
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist im Rotorbauteil 314a ein Rezirkulationskanal 328, beispielsweise als axiale Bohrung, angeordnet. Der Rezirkulationskanal 328 verbindet einen Abschnitt des Dichtungsspaltes 334 radial außerhalb des Axiallagers 326 mit einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes radial außerhalb der dynamischen Pumpdichtung 336.
Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 326 aufweist, das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils 318 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierzu ist an der Grundplatte 310 ein ferromagnetischer Ring 340 angeordnet, der dem Rotormagneten 344 axial gegenüber liegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegengesetzt zu der Kraft des Axiallagers 326 und hält das Lager im axialen Gleichgewicht.
In 5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Spindelmotors dargestellt, wobei im Vergleich zum Spindelmotor aus 4 einige Unterschiede vorhanden sind.
Ein erster Unterschied zum Spindelmotor aus 4 ist, dass das Rotorbauteil aus drei Teilen besteht, einem inneren, hülsenförmigen Rotorbauteil 314a, einem dieses umgebende und ebenfalls hülsenförmige Rotorbauteil 314c und dem äußeren Rotorbauteil 314b. Im Grunde ist das in 4 gezeigte innere Rotorbauteil zweiteilig ausgebildet und besteht aus den Bauteilen 314a und 314c. Der Rezirkulationskanal 328 ist zwischen den beiden Rotorbauteilen 314a und 314c ausgebildet, beispielsweise als rillenförmige Nut am Außenumfang des Bauteils 314a oder am Innenumfang des Bauteils 314c.
Ein weiterer Unterschied ist die Ausgestaltung der Welle 312, die im Bereich des unteren Lagerbauteils 316 keine Stufe mehr aufweist, sondern vollkommen zylindrisch ist.
Der obere Dichtungsspalt 332, der sich zwischen einem Innenumfang des Rotorbauteils 314c und einem Außenumfang des Lagerbauteils 318 erstreckt, ist durch eine Abdeckung 330 abgedeckt, die jedoch als separates, ringförmiges Bauteil ausgebildet ist. Die Abdeckung 330 wird an dem Rotorbauteil 314c bzw. dem äußeren Rotorbauteil 314b befestigt. Zwischen der Abdeckung 330 und der Stirnfläche des Lagerbauteils 318 ist eine Kapillardichtung 348 ausgebildet, wie auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 4.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied des Lagers aus 5 besteht darin, dass anstelle einer oberen Pumpdichtung nun ein zweites Axiallager 327 vorgesehen ist. Dieses wird gebildet durch eine Stirnseite des Rotorbauteils 314a und eine gegenüberliegende Lagerfläche des Lagerbauteils 318. Das Axiallager ist durch Rillenstrukturen gekennzeichnet, und bildet ein Gegenlager zum unteren Axiallager 326. Die beiden Axiallager 326 und 327 arbeiten gegeneinander und halten das Lager im axialen Gleichgewicht, so dass eine magnetische Vorspannung, wie sie in 4 vorgesehen war, nicht mehr notwendig ist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors, der dem Ausführungsbeispiel aus 4 sehr ähnlich ist. Als erster Unterschied des Spindelmotors gemäß 6 zum Spindelmotor gemäß 4 ist der Rezirkulationskanal 328 nicht parallel zur Rotationsachse 346 angeordnet, sondern in einem Winkel von etwa 5 Grad schräg zur Rotationsachse 346 geneigt. Der Rezirkulationskanal 328 verbindet daher einen Bereich des unteren Dichtungsspaltes 334 mit einem radial verlaufenden Bereich des Lagerspaltes radial außerhalb eines oberen fluiddynamischen Axiallagers 327. Das fluiddynamische Axiallager 327 wirkt entgegengesetzt zu dem unteren fluiddynamischen Axiallager 326 und bildet einen zweiten Unterschied zum Spindelmotor gemäß 4, bei dem lediglich ein unteres fluiddynamisches Axiallager vorgesehen war. Aufgrund der beiden fluiddynamischen Axiallager 326 und 327 ist beim Spindelmotor gemäß 6 keine magnetische Vorspannung notwendig.
7 zeigt einen Spindelmotor, der ebenfalls sehr ähnlich zum Spindelmotor aus 4 ist. Der Spindelmotor gemäß 7 umfasst ein stark verbreitetes unteres Wellenende mit großem Durchmesser, welches in das untere Lagerbauteil 316 eingesetzt ist. Der verbreitete Fuß der Welle sorgt für eine größere Steifigkeit. Die innere Stirnfläche des verbreiterten Abschnitts der Welle 312 bildet nun mit einer Stirnfläche des Rotorbauteils 314a das Axiallager 326 sowie Teile des radialen Abschnittes des Dichtungsspaltes 334. Ferner ist das obere Lagerbauteil 318 nicht einteilig mit der Welle ausgebildet, sondern als ringförmiges Teil separat an dem Ende der Welle 312 befestigt. Im Gegensatz zu beispielsweise dem Spindelmotor aus 6 ist kein oberes Axiallager vorgesehen, sondern die Dichtungswirkung des Dichtungsspaltes 332 wird in diesem Bereich durch eine Pumpdichtung 336 unterstützt, die zwischen der Stirnfläche des Rotorbauteils 314a und des Lagerbauteils 318 angeordnet ist.
Eine magnetische Vorspannung, die entgegengesetzt zur Kraft des Axiallagers 326 wirkt, wird durch einen ferromagnetischen Ring 340 erzeugt, der dem Rotormagneten 344 gegenüber liegt und von diesem angezogen wird.
8 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der im Aufbau im Wesentlichen dem Spindelmotor aus den 2 entspricht. Für den Spindelmotor aus 8 gilt daher die grundsätzliche Beschreibung der Spindelmotoren aus den 1 und 2, wobei gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Wie auch beim Spindelmotor aus 2 ist am oberen Ende der Welle 12 ein Lagerbauteil 18 angeordnet, welches einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Ferner ist eine Pumpdichtung 136 zur Abdichtung des Dichtungsspaltes 32 vorgesehen, die die zwischen einem Außenumfang des Lagerbauteils 18 und einem Innenumfang einer Aussparung in der Lagerbuchse 114a angeordnet ist. Die Pumpstrukturen der in axialer Richtung in das Lagerinnere pumpenden Pumpdichtung 136 sind vorzugsweise am Innenumfang der Lagerbuchse 114a angeordnet. Dadurch, dass die Pumpdichtung 136 zwischen axial verlaufenden Flächen angeordnet ist, kann der Durchmesser des Lagerbauteils 18 verringert werden, wodurch sich auch der Durchmesser des Ringsspaltes zwischen der Unterseite des Lagerbauteils 18 und einer gegenüberliegenden Fläche der Lagebuchse 114a verringert.
In der Lagerbuchse 114a ist ein Rezirkulationskanal 128 vorgesehen, der ausgehend von dem radial verlaufenden Ringsspalt zwischen der Unterseite des Lagerbauteils 18 und einer gegenüberliegenden Fläche der Lagebuchse 114a um einen Winkel von etwa 10 Grad schräg zur Rotationsachse 46 verläuft. Der Rezirkulationskanal verbindet die Oberseite mit der Unterseite des Lagers und mündet in einem radial äußeren Bereich des unteren Axiallagers 26. Der Rezirkulationskanal 128 mündet somit außerhalb des Axiallagerspalts 20 zwischen dem Axiallagerspalt 20 und dem Dichtungsspalt 34.
Der Mündungsbereich des Rezirkulationskanals 128 ist in 9 vergrößert dargestellt. Man erkennt, dass der Rezirkulationskanal 128 radial außerhalb des Lagerspaltes 20 des Axiallagers 26 mündet. Im Mündungsbereich des Rezirkulationskanals 128 verbreitet sich der Lagerspalts 20 zu einem Spalt 21, der dann radial auswärts in den Dichtungsspalt 34 übergeht. Aufgrund der schrägen Anordnung des Rezirkulationskanals 128 im rotierenden Lagerbauteil 114a, wird auf das im Rezirkulationskanal 128 vorhandene Lagerfluid eine Zentrifugalkraft ausgeübt. Diese Zentrifugalkraft fördert das Lagerfluid in Pfeilrichtung 29, also ausgehend vom axialen Spalt im Bereich des oberen Lagerbauteils 18 durch den Rezirkulationskanal 128 zum Spalt 21 im Bereich des unteren Lagerbauteils 16. Der Spalt 21 hat eine größere Spaltbreite als der Lagerspalt 20, um dem Lagerfluid zu ermöglichen, ungehindert aus dem Rezirkulationskanal 128 ausfließen zu können. Das Axiallager 26 weist Lagerstrukturen auf, welche das Lagerfluid in Pfeilrichtung 27 in Richtung der Welle 12 fördern. Die Radiallager 22a und 22b generieren eine Gesamt-Pumpwirkung in Pfeilrichtung 23 nach oben zum Lagerbauteil 18, wodurch das Lagerfluid dann zur Öffnung des Rezirkulationskanals 128 transportiert wird und der Kreislauf von vorne beginnt. Das Lagerfluid fließt somit im Rezirkulationskanal 128 in dieselbe Richtung, wie die Netto-Pumprichtung des Lagers, also des Axiallagers 26 und der beiden Radiallager 22a, 22b. Die Pumpdichtung 136 liegt außerhalb dieses Kreislaufs und pumpt in das Innere des Lagers in Richtung des Rezirkulationskanals 128.
Das untere Radiallager 22b ist deutlich asymmetrisch ausgebildet und pumpt das Lagerfluid insgesamt nach oben, während das obere Radiallager 22a symmetrisch oder leicht unsymmetrisch ausgebildet ist.
Die durch die Zentrifugalkraft erzeugte Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Rezirkulationskanal ist vorzugsweise wesentlich größer als die durch das Axiallager und die beiden Radiallager auf das Lagerfluid in dieselbe Richtung ausgeübte Gesamt-Pumpwirkung. Aufgrund der relativ großen, gerichteten Pumpwirkung des schrägen Rezirkulationskanals, kann prinzipiell auf eine gerichtete Pumpwirkung des Axiallagers und/oder der beiden Radiallager verzichtet werden. Das Axiallager und/oder die beiden Radiallager können in diesem Falle Lagerrillen aufweisen, die nahezu symmetrisch ausgebildet sind, und eine etwa gleich große Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts erzeugen.
Evtl. im Lagerfluid eingeschlossene Luft, die sich innerhalb des Rezirkulationskanals 128 befindet, wird durch die Zentrifugalwirkung nach oben in Richtung des radialen Spaltes befördert, der sich zwischen der Lagerbuchse 114a und dem Lagerbauteil 18 befindet. Aufgrund der durch die Pumpdichtung 136 bewirkten kontinuierlichen Druckzunahme vom dem oberen Dichtungsspalt 32 in Richtung des Lagerinneren betrachtet, wird die Luft anschließend über den oberen Dichtungsspalt 32 aus dem Lager ausgetrieben.
Vorzugsweise sind die Lagerstrukturen des Axiallagers 26 spiralförmig in der Lagerbuchse 114a ausgebildet, und verlaufen von der zur Welle 12 benachbarten Innenbohrung kontinuierlich bis zum Außenrand der Lagerbuchse 114a.
Ein Spindelmotor, wie er in den 8 und 9 dargestellt ist, wird vorzugsweise zum Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken eingesetzt. Ein solcher Spindelmotor hat beispielsweise einen Wellendurchmesser von 2,5 mm und einem Durchmesser der Lagerbuchse 114a von circa 6 mm. Die Tiefe der Lagerstrukturen das Axiallagers 26 beträgt beispielsweise 15 μm und die Breite des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 26 beträgt im Betriebszustand des Motors beispielsweise 10 bis 15 μm. Die Breite des axialen Lagerspaltes ist definiert durch die so genannte Flughöhe (fly-height) des Lagers. Die Spaltbreite des Spalts 21 im Mündungsbereich des Rezirkulationskanals 128 beträgt beispielsweise 30 μm.
Vorzugsweise ist die Spaltbreite des Spaltes 21 größer oder gleich der Flughöhe (Breite des Axiallagerspaltes im Betrieb) plus der Tiefe der Axiallagerstrukturen. Durch den schrägen Rezirkulationskanal 128 wird demnach die Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt positiv unterstützt. Dies gilt entsprechend auch für die in den 1–3 und 6 gezeigten Spindelmotoren.
10 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der im Aufbau im Wesentlichen dem Spindelmotor aus 1 entspricht. Für den Spindelmotor aus 10 gilt daher die grundsätzliche Beschreibung des Spindelmotors aus 1, wobei gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Der in 10 dargestellte Spindelmotor weist ein an der Welle 12 angeordnetes oberes Lagerbauteil 18 auf. Das obere Lagerbauteil 18 sitzt umgeben von dem mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 20 in einer Aussparung des Rotorbauteils 14. Eine untere Fläche des Lagerbauteils 18 bildet zusammen mit einer angrenzenden Fläche des Rotorbauteils 14 ein Axiallager 25, das entgegengesetzt zum Axiallager 26 auf der Unterseite des Lagers arbeitet. Das Axiallager 25 ist durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche des Lagerbauteils 18 und/oder der entsprechenden Oberfläche des Rotorbauteils 14 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen erzeugen eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt 20, die in das Innere des Lagers, d. h. in Richtung der Radiallager 22a, 22b gerichtet ist. An der oberen Stirnseite des Lagerbauteils 18 grenzt ein weiteres Lagerbauteil 19 an, das mit dem Rotorbauteil 14 fest verbunden ist. Die beiden Lagerbauteils 18, 19 sind durch einen radial verlaufenden Spalt voneinander getrennt, in dessen Verlauf die dynamische Pumpdichtung 36 angeordnet ist. Die Pumpdichtung 36 ist durch spiralrillenförmige, radial nach außen pumpende Pumpstrukturen auf den Flächen des Lagerbauteils 18 und/oder des Lagerbauteils 19 und schließt das Fluidlagersystem an diesem Ende ab. Der Spalt im Bereich der Pumpdichtung 36 verläuft radial nach innen, ändert seinen Verlauf in die axiale Richtung und geht über in einen axial verlaufenden Dichtungsspalt 32 mit vorzugsweise konischem Querschnitt. Der Dichtungsspalt 32 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Welle 12 und des Lagerbauteils 19 begrenzt. Der Dichtungsspalt 32 befindet sich am kleinsten Durchmesser des Lagers und kann von einer ringförmigen Abdeckung 30 abgedeckt sein. Die Abdeckung 30 ist in einer Ringnut 38 des Rotorbauteils 14 gehalten und dort beispielsweise eingeklebt, eingepresst oder (Laser-) geschweißt. Die Abdeckung 30 bildet zusammen mit dem Ende der Welle 12 eine Labyrinthdichtung 48, wodurch der Austausch mit Luft und somit auch die Evaporation von Lagerfluid verringert werden.

10: Grundplatte
12: Welle
14; 114a, 114b: Rotorbauteil
16: erstes Lagerbauteil
18: zweites Lagerbauteil
19: Lagerbauteil
20: Lagerspalt
21: Spalt
22a, 22b: Radiallager
24: Nut
25: Axiallager
26: Axiallager
27: Pfeilrichtung
28; 128: Rezirkulationskanal
29: Pfeilrichtung
30, 130: Abdeckung
32: Dichtungsspalt
34: Dichtungsspalt
36, 136: Pumpdichtung
38: Ringnut
40: ferromagnetischer Ring
42: Statoranordnung
44: Magnet
46: Drehachse
48: Labyrinthdichtung
50: Gehäusedeckel
52: Gewindebohrung (Welle)
54: Halterung
56: Gewindebohrung (Rotorbauteil)
58: Speicherplatten
60: Abstandhalter
210: Grundplatte
212: Welle
214: Rotorbauteil
216: erstes Lagerbauteil
218: zweites Lagerbauteil
220: Lagerspalt
222a, 222b: Radiallager
226: Axiallager
228: Rezirkulationskanal
232: Dichtungsspalt
234: Dichtungsspalt
236: Pumpdichtung
237: Pumpdichtung
246: Drehachse
310: Grundplatte
312: Welle
314, 314a, 314b: Rotorbauteil
314c: Rotorbauteil
316: erstes Lagerbauteil
318: zweites Lagerbauteil
320: Lagerspalt
322a, 322b: Radiallager
324: Nut
326: Axiallager
327: Axiallager
328: Rezirkulationskanal
330: Abdeckung
332: Dichtungsspalt
334: Dichtungsspalt
336: Pumpdichtung
340: ferromagnetischer Ring
342: Statoranordnung
344: Magnet
346: Drehachse
348: Labyrinthdichtung

Claims

Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, welcher umfasst: eine feststehende Welle (12; 212; 312), die direkt oder indirekt in einer Grundplatte (10, 210; 210) gehalten ist, ein relativ zur Welle um eine Drehachse (46; 246; 346) drehbar gelagertes Rotorbauteil (14, 114a; 214; 314a–c), einen beidseitig offenen Lagerspalt (20, 220; 320) gefüllt mit einem Lagerfluid, der aneinander angrenzende Flächen der Welle (12; 212; 312), des Rotorbauteils (14, 114a; 214; 214a–c) und mindestens einem ersten Lagerbauteils (16, 216; 316) voneinander trennt, ein erstes Radiallager (22a, 222a; 322a) und ein zweites Radiallager (22b, 222b; 322b), ausgebildet zwischen einander gegenüber liegenden axial verlaufenden Lagerflächen der Welle (12; 212; 312) und des Rotorbauteils (14, 114a; 214; 314a–c), ein Axiallager (26, 226; 326), ausgebildet zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Lagerflächen des Rotorbauteils (14, 114a; 214; 314a–c) und dem ersten mit der Grundplatte verbundenen Lagerbauteil (16, 216; 316), einen mit Lagerfluid gefüllten Rezirkulationskanal (28; 128; 228; 328), der voneinander entfernte Bereiche des Lagers miteinander verbindet, und ein elektromagnetisches Antriebssystem (42, 44; 342, 244) zum Antrieb des Rotorbauteils.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil aus einem inneren, hülsenförmigen Rotorbauteil (114a; 314a) und einem äußeren topfförmigen Rotorbauteil (144b; 314b) besteht.
Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere, hülsenförmige Rotorbauteil (314a) von einem weiteren, hülsenförmigen Rotorbauteil (314c) umgeben ist, an welchem das äußere topfförmige Rotorbauteil (314b) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er nur ein rotierendes, mechanisches Rotorbauteil (14; 214) in Form einer Nabe-Lagerbuchse-Anordnung enthält.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagerbauteil (216) einteilig mit der Welle (212) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagerbauteil (18; 318) einteilig mit der Welle (12) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil (14, 114a; 214; 314a–c) Oberflächen aufweist, die derart geformt sind, dass sie zusammen mit Oberflächen des zweiten Lagerbauteils (18; 218; 318) einen Dichtungsspalt (32; 232; 332) einer kapillaren Spaltdichtung bilden.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil (14, 114a; 214; 314a–c) Oberflächen aufweist, die derart geformt sind, dass sie zusammen mit Oberflächen eines ersten Lagerbauteils (16; 216; 316) einen Dichtungsspalt (34; 234; 334) einer kapillaren Spaltdichtung bilden.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28, 128; 228) im Rotorbauteil (14; 114a; 214) angeordnet ist und den Dichtungsspalt (34; 234) radial außerhalb des Axiallagers (26; 226) mit einem radial innerhalb einer dynamischen Pumpdichtung (36; 236) liegenden Abschnitt des Lagerspalts (20; 220) verbindet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (328) im Rotorbauteil (314a) oder zwischen den Rotorbauteilen (314a, 314c) angeordnet ist und den Dichtungsspalt (334) radial außerhalb des Axiallagers (226) mit einem radial außerhalb der dynamischen Pumpdichtung (336) liegenden Abschnitt des Lagerspalts (320) verbindet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28, 128; 228) schräg zur Drehachse (46) angeordnet ist, wodurch bei Rotation der Lagerbuche auf das im Rezirkulationskanal enthaltene Lagerfluid eine Zentrifugalkraft ausgeübt wird, die das Lagerfluid in Pfeilrichtung (29) durch den Rezirkulationskanal (28, 128; 228) befördert.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28, 128; 228) in einem Winkel von 5 bis 15 Grad relativ zur Drehachse (46) geneigt ist.
Spindelmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch den geneigten Rezirkulationskanal (28, 128; 228) eine Zentrifugalkraft auf das Lagerfluid ausgeübt wird, die in dieselbe Richtung wirkt, wie die Kraft, die durch die Gesamt-Pumpwirkung des Axiallagers (26; 126; 226; 326) und der Radiallager (22a, 22b; 122a, 122b; 222a, 222b; 322a, 322b) auf das Lagerfluid ausgeübt wird.
Spindelmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpwirkung der Zentrifugalkraft in Pfeilrichtung (29) zum Axiallager (26) hin gerichtet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugalkraft mindestens zwei Mal größer ist als die Kraft, die durch das Axiallager (26) und die Radiallager (22a, 22b) auf das Lagerfluid ausgeübt wird.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28, 128; 228) in einen Spalt (21) radial außerhalb des Lagerspalts (20) des Axiallagers (26) mündet, wobei die Breite des Spalts (21) größer ist als die Breite des Lagerspalts (20).
Spindelmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spaltes (21) größer oder gleich der Breite des Lagerspaltes (20) des Axiallagers (26) plus der Tiefe der Lagerstrukturen des Axiallagers (26) ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (32; 332) durch eine mit dem Rotorbauteil (14; 114a; 314c) verbundene ringförmige Abdeckung (30, 130; 330) abgedeckt ist, die zusammen mit dem zweiten Lagerbauteil (18; 318) eine Labyrinthdichtung (48; 348) ausbildet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (332) durch eine durch das Rotorbauteil (314b) gebildete ringförmige Abdeckung (330) abgedeckt ist, die zusammen mit dem zweiten Lagerbauteil (318) eine Labyrinthdichtung (348) ausbildet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (32) zwischen einer inneren Umfangsfläche der Abdeckung (130) und einer äußeren Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils (18) gebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (32; 332) zwischen einer inneren Umfangsfläche/Stirnfläche des Rotorbauteils (14, 114a; 214; 314a; 314c) und einer äußeren Umfangsfläche/Stirnfläche des zweiten Lagerbauteils (18; 218; 318) gebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (34; 234; 334) zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils (14, 114a; 214; 314a; 314c) und einer inneren Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils (16; 216; 316) gebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dichtungsspalt (32; 232) bildenden Oberflächen des Rotorbauteils (14, 144a; 214) oder der Abdeckung (130) und des zweiten Lagerbauteils (18; 218) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (46; 246) verlaufen oder in einem spitzen Winkel schräg zur Drehachse geneigt sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dichtungsspalt (34; 234; 334) bildenden Oberflächen des Rotorbauteils (14, 114a; 214; 314a; 314c) und des ersten Lagerbauteils (16; 216; 316) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (46; 246; 346) verlaufen oder in einem spitzen Winkel schräg zur Drehachse geneigt sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine dynamische Pumpdichtung (36; 236; 336), zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Flächen des Rotorbauteils (14, 114; 214; 314) und einem zweiten mit der Welle (12; 212; 312) verbundenen Lagerbauteil (18; 218; 318) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Pumpdichtung (36; 236; 336) zwischen einer radial verlaufenden Stirnfläche des Rotorbauteils (14, 114a; 214; 314a) und einer angrenzenden radial verlaufenden Stirnfläche des zweiten Lagerbauteils (18; 218; 318) gebildet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Pumpdichtung (36; 236; 336) im Wesentlichen senkrecht und der Dichtungsspalt (32; 232; 332) der Spaltdichtung im Wesentlichen parallel zur Drehachse (46; 246; 346) angeordnet sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10; 310) einen ferromagnetischen Ring (40; 340) aufweist, der dem Rotormagneten (44; 344) axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird und eine magnetische Kraft erzeugen, die entgegengesetzt zu der vom Axiallager (26; 326) erzeugten Kraft gerichtet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung (42; 342) und der Rotormagnet (44; 344) axial zueinander versetzt angeordnet sind und eine magnetische Kraft erzeugen, die entgegengesetzt zu der vom Axiallager (26; 326) erzeugten Kraft gerichtet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen des zweiten Lagerbauteils 18 und des Rotorbauteils 14 ein weiteres Axiallager (25) ausbilden.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass an das zweite Lagerbauteil ein weiteres, mit dem Rotorbauteil verbundenes Lagerbauteil (19) angrenzt, wobei die Pumpdichtung (36) zwischen den beiden Lagerbauteilen (18, 19) und der Dichtungsspalt zwischen dem Lagerbauteil (19) und der Welle (12) angeordnet ist.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 31.