DE102008056571A1

DE102008056571A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102008056571A1
Application number: DE200810056571
Authority: DE
Inventors: Martin Arnold
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2010-05-12

Abstract

Beschrieben ist ein fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil und mindestens einem rotierenden Bauteil, welches relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Lagersystem umfasst mindestens einen Lagerspalt, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der Bauteile ausgebildet ist und mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Entlang des Lagerspaltes sind mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet. Es ist ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes miteinander verbindet. Erfindungsgemäß ist der Rezirkulationskanal in einen Hauptkanal und mindestens einen mit diesem verbundenen Nebenkanal aufgeteilt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet werden.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerstrukturen in Form von Rillenmustern als Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Lagerstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige („herringbone”) Lagerstrukturen verwendet, die in an einer Fläche parallel zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätartige Lagerstrukturen verwendet, die in einer Ebene quer zur Rotationsachse angeordnet werden.
Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem, wie sie beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, können generell in zwei unterschiedliche Gruppen, sprich Bauformen, eingeteilt werden: Motoren mit drehender Welle und üblicherweise nur einseitig geöffnetem Lagersystem (z. B. ein sogenanntes „single plate bearing” oder „single top thrust bearing”) und Motoren mit stehender Welle und beidseitig offenen Lagerspalt. Ein entscheidender Vorteil der zweiten Gruppe ist die Möglichkeit, den Spindelmotor nicht nur an einem Ende der stehenden Welle an der Grundplatte eines Gehäuses zu befestigen, sondern auch an dem zweiten Ende der Welle mit z. B. einem Gehäusedeckel zu verbinden. Dadurch erhalten solche Motortypen eine wesentlich größere strukturelle Steifigkeit, wodurch sie besonders geeignet sind z. B. für Laufwerke mit mehreren Festplatten, insbesondere für Server-Anwendung sowie für Festplattenlaufwerke mit erhöhten oder besonderen Anforderungen, wie heute unter anderem bei vielen mobilen Anwendungen mit stetig wachsender Datendichte und gleichzeitig während des normalen Betriebs bestehenden Vibrationen auftreten.
Damit das Lagerfluid im Lagerspalt des Lagers zirkulieren kann, ist vorzugsweise ein sogenannter Rezirkulationskanal vorgesehen, der voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts miteinander verbindet. Der Rezirkulationskanal soll auch ein Entweichen von aus dem Lagerfluid ausgasender Luft aus dem Lager erleichtern, indem zumindest eines seiner Enden nahe der Öffnung des Lagerspalts mündet.
Die bisherigen Lösungen zur Anordnung eines Rezirkulationskanals beruhen auf der Annahme, dass Luftblasen in einer Flüssigkeit immer der Strömungsrichtung der Flüssigkeit folgen und mit dieser an eine gewünschte Stelle transportiert werden, wo sie beispielsweise aus dem Lagerspalt entweichen können. Diese Annahme funktioniert aber nur für Luftblasen mit kleinem Durchmesser und insbesondere dann nicht, wenn eine Luftblase den Flüssigkeitskanal vollständig ausfüllt. Ferner führen Querschnittsänderungen oder Richtungsänderungen, die im Kanal vorgesehen sind, welche die Strömungsverhältnisse ändern oder als Barriere wirken, dazu, dass selbst kleine Luftblasen an diesen Stellen zu einer großen Luftblase akkumulieren. Verringert z. B. ein Strömungskanal in Strömungsrichtung seinen Querschnitt abrupt und füllt die Luftblase den größeren Querschnitt komplett aus, so bleibt diese aufgrund der fluidischen Eigenschaften von Luft und Lagerfluid im größeren Querschnitt stecken und folgt nicht, wie angenommen, der Strömung des Lagerfluids in den kleineren Querschnitt. Hierdurch besteht die Gefahr, dass bei Ansammlung einer hinreichend großen Menge von im Lagerfluid akkumulierter Luft eine Lagerfläche trockenläuft und somit das fluiddynamische Lager innerhalb kürzester Zeit ausfällt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager, insbesondere für einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, anzugeben, bei dem eine verbesserte Führung und Ausleitung von Luftblasen aus den Lagerfluid vorgesehen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beschrieben ist ein fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil und mindestens einem rotierenden Bauteil, welches relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Lagersystem umfasst mindestens einen Lagerspalt, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der Bauteile ausgebildet ist und mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Entlang des Lagerspaltes sind mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet. Es ist ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes miteinander verbindet.
Erfindungsgemäß ist der Rezirkulationskanal in einen Hauptkanal und mindestens einen mit diesem verbundenen und vorzugsweise parallel verlaufenden Nebenkanal aufgeteilt. Der Hauptkanal erstreckt sich über die gesamte Länge des Rezirkulationskanals, wobei sich der Nebenkanal wenigstens über einen Teil der Länge des Rezirkulationskanals erstreckt.
Hauptkanal und Nebenkanal sind entlang ihrer Längserstreckung durch eine Öffnung miteinander verbunden. Die Öffnung bildet die Schnittfläche der beiden Querschnittsflächen des Hauptkanals und des Nebenkanals. Vorzugsweise weist der Hauptkanal eine runde Querschnittsfläche a1 auf, während der Nebenkanal vorzugsweise eine runde (ovale) oder mehreckige Querschnittsfläche a2 aufweisen kann. Die Breite der Öffnung zwischen dem Hauptkanal und dem Nebenkanal, also die Ausdehnung der Öffnung senkrecht zur Längsachse der Kanäle, ist im Vergleich zum Gesamtumfang des Hauptkanals vorzugsweise gering, so dass große Luftblasen aufgrund von Kapillarkräften nicht in die Querschnittsfläche a2 des Nebenkanals gelangen.
Die Breite der Öffnung beträgt vorzugsweise zwischen 5% und 30% der Umfangslänge des Hauptkanals.
Es ist somit erfindungsgemäß ein Rezirkulationskanal mit einem „Kanal im Kanal” vorgesehen, wobei sich Luftblasen entgegen der Strömungsrichtung des Lagerfluids fort bewegen können, was bei einem herkömmlichen Rezirkulationskanal nicht möglich war. Das wird dadurch erreicht, dass der Kanalquerschnitt aus zwei miteinander verbundenen Querschnittsflächen a1 und a2 besteht. In der ersten Querschnittsfläche a1 des Hauptkanals wird sich die Luftblase bewegen und in der zweiten Querschnittsfläche a2 des Nebenkanals das Lagerfluid, wobei das Lagerfluid die Möglichkeit hat, eine eventuell im ersten Querschnitt vorhandene Luftblase zu umströmen. Das Umströmen der Luftblase über den zweiten Querschnitt a2 führt dazu, dass sich die Luftblase auch entgegen der Strömungsrichtung des Lagerfluids bewegen kann. Die Luftblase kann sich dadurch aktiv in Richtung des geringeren Druckes im Lagerspalt bewegen und aus dem Lagerspalt entweichen. Die Luftblase wird nicht mehr, wie bisher, zwangsweise mit dem Strom des Lagerfluids mitgeführt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Hauptkanal mit der runden Querschnittsfläche a1 über die gesamte Länge des Rezirkulationskanals und der Nebenkanal wenigstens über einen Teil der Länge des Rezirkulationskanals. Dadurch kann das Lagerfluid vorhandene Luftblasen in diesen Bereichen umströmen.
Untersuchungen haben ergeben, dass sich die Luftblasen insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem Rezirkulationskanal und dem Axial-Lagerspalt ansammeln und die Fluidströmung behindern. Um hier Abhilfe zu schaffen erstreckt sich der Nebenkanal als „Bypass” ausgehend von einem Ende des Rezirkulationskanals, der in den Bereich des Axial-Lagerspaltes mündet, über einen ausreichend langen Abschnitt des Rezirkulationskanals in Richtung seines anderen Endes. Natürlich ist es möglich, dass der Rezirkulationskanal über seine gesamte Länge in einen Hauptkanal und einen Nebenkanal unterteilt ist.
Erfindungsgemäß kann es ferner vorgesehen sein, dass der Rezirkulationskanal nicht nur einen einzigen Nebenkanal aufweist, sondern mehrere Nebenkanäle, die alle über eine gewisse Länge mit dem Hauptkanal verbunden sind. Die mehreren Nebenkanäle können einen zentral angeordneten Hauptkanal beispielsweise sternartig umgeben.
Betrachtet man einen Querschnitt durch Haupt- und Nebenkanal, so beträgt vorzugsweise die Breite der Öffnung eines Nebenkanals zwischen 5% und 30% des Gesamtumfanges des Hauptkanals. Somit ist sichergestellt, dass die Luftblasen im Bereich der Querschnittsfläche a1 des Hauptkanals verbleiben und nicht in die Querschnittsfläche a2 des Nebenkanals übertreten, so dass das Lagerfluid ungehindert entlang des Nebenkanals strömen kann. Sind mehrere Nebenkanäle vorgesehen, so hat die Öffnung zu jedem dieser Nebenkanäle vorzugsweise eine Breite von 5% bis 30% des Umfangs des Hauptkanals.
In bekannter Weise kann der Rezirkulationskanal im feststehenden Bauteil des Lagers angeordnet sein. Er ist aber vorzugsweise im rotierenden Bauteil des Lagers angeordnet, und zwar entweder parallel oder bevorzugt in einem spitzen Winkel in bezug auf die Rotationsachse. Eine Anordnung in einem Winkel zur Rotationsachse hat den Vorteil, dass auf das im Rezirkulationskanal befindliche Lagerfluid Fliehkräfte wirken, die eine Strömung des Lagerfluids im Rezirkulationskanal in eine bestimmte Richtung erzeugen und somit den Fluidkreislauf im Lager in Gang halten.
Das feststehende Bauteil des Lagers kann erfindungsgemäß ein erstes Lagerbauteil, eine in dem Lagerbauteil aufgenommene Welle und ein an der Welle angeordnetes zweites ringförmiges Lagerbauteil aufweisen, wobei die beiden Lagerbauteile in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnet sind. Die Welle und das zweite ringförmige Lagerbauteil können dabei ein- oder zweiteilig ausgebildet sein. Das rotierende Bauteil des Lagers kann eine Lagerbuchse umfassen, die zwischen den beiden Lagerbauteilen um die Welle drehbar angeordnet ist.
Vorzugsweise sind entlang des Lagerspaltes mindestens zwei Radiallager angeordnet, die durch einander angrenzende und durch den Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse gebildet werden. Es ist mindestens ein Axiallager vorgesehen, das durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Stirnseiten des ersten Lagerbauteils und der Lagerbuchse gebildet wird.
Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, welche durch Dichtungsmittel abgedichtet sind. Vorzugsweise sind die Dichtungsmittel als Kapillardichtungen, insbesondere konische Kapillardichtungen, ausgebildet. Die Dichtungsmittel können ferner dynamische Pumpdichtungen umfassen bzw. Kapillardichtungen, die durch dynamische Pumpdichtungen ergänzt sind.
Der Rezirkulationskanal verbindet vorzugsweise an die Dichtungsmittel angrenzende Abschnitte des Lagerspaltes miteinander, wobei vorzugsweise ein Ende des Rezirkulationskanals in einen Spalt radial außerhalb des Axiallagers mündet. Das andere Ende des Rezirkulationskanals mündet vorzugsweise in einen Spalt, der an den Lagerspalt im Bereich des oberen Radiallagers angrenzt.
Die Herstellung des Hauptkanals erfolgt beispielsweise durch Bohren. Der mindestens eine Nebenkanal wird anschließend durch ein ECM-Verfahren (ECM: electro-chemical maschining), durch Draht-Erodieren oder durch Laserschneiden in die Wandung des Hauptkanals eingebracht. Alternativ kann die Gesamtstruktur, bestehend aus Haupt- und Nebenkanal auch senkerodiert werden.
Das beschriebene Lagersystem ist geeignet zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welcher einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen Lagersystem und Rezirkulationskanal.
2a: zeigt eine vergrößerte Darstellung des Lagers aus 1, allerdings mit einem herkömmlichen Rezirkulationskanal ohne zweigeteilter Querschnittsfläche.
2b: zeigt eine Ansicht der Stirnseite der Lagerbuchse aus 2a, mit Lagerrillen und Austrittsöffnung des Rezirkulationskanals.
3a: zeigt eine vergrößerte Darstellung des Lagersystems aus 1 mit einem Rezirkulationskanal mit zweigeteilter Querschnittsfläche.
3b: zeigt eine Aufsicht auf die Lagerbuchse gemäß 3a mit Austrittsöffnung des Rezirkulationskanals.
4a: zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Lagersystems mit Rezirkulationskanal, bei der sich der Nebenkanal nur über einen Teil der Länge des Rezirkulationskanals erstreckt.
4b: zeigt eine Aufsicht auf die Lagerbuchse aus 4a.
5a: zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Lagersystems mit einem Rezirkulationskanal, bei dem der Nebenkanal radial innen am Hauptkanal verläuft und sich nur über einen Teil der Länge des Rezirkulationskanals erstreckt.
5b: zeigt eine Aufsicht auf die Lagerbuchse aus 5a.
6a: zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Lagersystems im Schnitt, bei dem sich der Nebenkanal radial außen befindet und über die gesamte Länge des Rezirkulationskanals erstreckt. Stirnseitig bricht der Rezirkulationskanal in den Außendurchmesser der Lagerbuchse durch.
6b: zeigt eine Aufsicht auf die Lagerbuchse aus 6a.
7: zeigt eine Aufsicht auf eine Lagerbuchse mit einem Rezirkulationskanal, der mehrere sternförmig um den Hauptkanal verteilte Nebenkanäle aufweist.
8: zeigt eine Aufsicht auf eine Lagerbuchse mit einem Rezirkulationskanal, der mehrere sternförmig um den Hauptkanal verteilte Nebenkanäle aufweist.
9: veranschaulicht das Verhältnis zwischen der Breite der Öffnung zwischen Hauptkanal und Nebenkanal und dem Umfang des Hauptkanals.
Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Der Spindelmotor 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 eine Welle 12 befestigt ist. An dem freien 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 Spindelmotors. Die Welle 12 weist an ihrem oberen Ende eine Gewindebohrung zur Befestigung an einem Gehäusedeckel des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks auf. Das Lager umfasst eine Lagerbuchse 14, die in einem durch die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 18 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, der Lagerbuchse 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 der Nabe 48 angeordnet ist. Prinzipiell ist es auch möglich, die Nabe und die Lagerbuchse einteilig auszubilden.
Die Lagerbuchse 14 hat eine zylindrische Bohrung an deren Innenumfang zwei zylindrische Radial-Lagerflächen ausbildet sind, welche durch eine dazwischen umlaufende Separator-Nut 24 getrennt sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und sind mit geeigneten Lagerrillen 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 der Lagerbuchse 14 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des ersten Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 in Form eines zur Drehachse 46 senkrechten Kreisringes. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillen 27 gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14, dem ersten Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Lagerrillen 27 des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 14, 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. In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b, das Axiallager 26 sowie evtl. der Pumpdichtung 36 notwendigen Lager- bzw. Pumprillen 27 an der Lagerbuchse 14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht.
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 der Lagerbuchse 14 und des ersten 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 35, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und einer äußeren 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. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 34 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 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 die Lagerbuchse 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten Lagerbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 32 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 32 umfasst vorzugsweise eine Pumpdichtung 36 und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Der Dichtungsspalt 32 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt und kann von einer ringförmigen Abdeckkappe 30 abgedeckt sein. Die Abdeckkappe 30 ist an einer Stufe 38 der Lagerbuchse 14 gehalten und dort beispielsweise angeklebt, aufgepresst und/oder verschweißt. Der innere Rand der Abdeckkappe 30 kann zusammen mit dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32.
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 der Lagerbuchse 14 einen Dichtungsspalt 34 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.
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 am beweglichen Lagerteil 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 die magnetische Mitte des Rotormagneten 44 axial weiter entfernt von der Grundplatte 10 angeordnet wird als die magnetische Mitte der Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt.
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 28 ist erfindungsgemäß als axial oder leicht schräg verlaufender Kanal in der Lagerbuchse 14 ausgebildet, der vorzugsweise in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse 46 des Lagers angeordnet ist. Der Rezirkulationskanal 28 verbindet die beiden radialen Abschnitte des Lagerspalts 20 zwischen den Lagerbereichen und den Dichtungsbereichen direkt miteinander und endet vorzugsweise im radial äußeren Abschnitt 35 des Axiallagers, in welchem der axiale Spaltabstand größer ist als der Teil des Radiallagerspaltes, der näher zur Welle benachbart angeordnet ist. Aufgrund der gerichteten Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 26 und der Radiallager 22a, 22b ergibt sich im Lagerspalt 20 vorzugsweise eine Strömung des Lagerfluids in Richtung des oberen Dichtungsspalts 32. Außerdem wird das Lagerfluid im Rezirkulationskanal 28 aufgrund der Wirkung der Fliehkraft im schrägen Kanal nach unten in Richtung des Axiallagers 26 gefördert, so dass sich ein stabiler Fluidkreislauf einstellt.
Aufgrund der Fliehkraft, die innerhalb des Kanals auf das Lagerfluid wirkt, ist es ausreichend, wenn das untere Radiallager insgesamt nach oben pumpende asymmetrische Lagerstrukturen aufweist, d. h. die unteren Äste der Radiallagerstrukturen sind geringfügig länger als die oberen Äste des Radiallagers. Das obere Radiallager kann dagegen weitgehend symmetrisch ausgebildet sein.
Die 2a und 2b zeigen eine vergrößerte Darstellung von Teilen eines Lagersystems, mit einem herkömmlichen Rezirkulationskanal 28, der stirnseitige Flächen der Lagerbuchse 14 miteinander verbindet. An einer Seite mündet der Rezirkulationskanal 28 in einen Spalt zwischen dem Lagerbauteil 18 und der Lagerbuchse 14 und auf der anderen Seite in einen Spalt radial außerhalb der Lagerflächen des Axiallagers 26, welches entsprechende Lagerstrukturen 27 aufweist, wie sich aus 2b ergibt. Der Rezirkulationskanal 28 ist als eine Bohrung ausgebildet, welche von Lagerfluid und evtl. Luftblasen durchströmt wird. Im Extremfall kann eine große Luftblase insbesondere am unteren, dem Axiallager benachbarten Ende des Rezirkulationskanals den gesamten Querschnitt des Rezirkulationskanals ausfüllen und wirkt als Barriere für das Lagerfluid.
Um dieses Problem zu lösen, ist der Rezirkulationskanal 28 erfindungemäß in einen Hauptkanal 28' sowie einen parallel zu diesem verlaufenden und mit diesem verbundenen Nebenkanal 28'' aufgeteilt.
Die 3a und 3b zeigen eine vergrößerte Darstellung des Lagersystems mit dem aus dem Hauptkanal 28' und dem Nebenkanal 28'' bestehenden Rezirkulationskanals 28. In 3b erkennt man, dass der Rezirkulationskanal 28 am Außenumfang des Axiallagers im Bereich der Lagerstrukturen 27 mündet. Der Hauptkanal 28' weist bevorzugt einen runden oder ovalen Querschnitt auf, während der Nebenkanal 28'' einen halbrunden oder weitgehend rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Umfang des Hauptkanals 28' ist dabei wesentlich größer als die Breite der Öffnung zwischen dem Hauptkanal 28' und dem Nebenkanal 28'' bzw. den mehreren Nebenkanälen. Sollte sich beim Betrieb des Lagers im Hauptkanal 28' eine Luftblase ansammeln, so wird diese sich aufgrund der Oberflächenspannung nicht bis in den Nebenkanal 28'' ausdehnen, da die Breite der Öffnung zum Nebenkanal 28'' zu klein ist, um ein Übertreten der Luftblase in den Nebenkanal 28'' zu erlauben. Daher ist die Zirkulation des Lagerfluids auch bei einem durch eine Luftblase verschlossenen Hauptkanal 28' durch den Nebenkanal 28'' gewährleistet. Im Beispiel gemäß den 1 bzw. 3a und 3b verläuft der Nebenkanal 28'' radial außerhalb des Hauptkanals 28'. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da beim Betrieb des Lagers, d. h. bei Rotation der Lagerbuchse 14 auf das im Rezirkulationskanal 28 befindliche Lagerfluid Fliehkräfte wirken. Die Fliehkräfte drücken das Lagerfluid radial nach außen bis in den Bereich des Nebenkanals 28'', wo es ungehindert und unbeeinflusst durch eventuelle Luftblasen zirkulieren kann.
Der Querschnitt des Rezirkulationskanals muss nicht notwendigerweise kreisförmig oder elliptisch sein. Er kann genau so gut als Rechteck oder Mehreck ausgebildet sein. Auch kann z. B. der Hauptkanal im Querschnitt kreisförmig sein, während der Nebenkanal als an den Hauptkanal angrenzender Schlitz mit reckteckförmigem oder halbrundem Querschnitt ausgebildet ist.
Die 4a und 4b zeigen eine vergrößerte Ansicht von Teilen der Lageranordnung mit einer anderen Ausgestaltung eines Rezirkulationskanals 28. Da das Lagerfluid im Betrieb des Lagers innerhalb des schrägen Rezirkulationskanals 28 aufgrund der Wirkung von Fliehkräften radial nach außen gedrückt wird, fließt dieses nach unten in Richtung Axiallager 26 und reißt eventuelle Luftblasen mit. Die Luftblasen sammeln sich daher vorzugsweise im unteren Bereich des Rezirkulationskanals 28 an, so dass es im allgemeinen ausreicht, nur in diesem Bereich den Rezirkulationskanal 28 in einen Hauptkanal 28' und einen Nebenkanal 28'' aufzuteilen. Eine Luftblase verbleibt im unteren Bereich des Hauptkanals 28' und blockiert diesen, während das Lagerfluid in den Nebenkanal 28'' ausweichen und weiter zirkulieren kann.
Die 5a und 5b zeigen eine Darstellung von Teilen des fluiddynamischen Lagers mit einer anderen Ausgestaltung eines Rezirkulationskanals. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung der 4a und 4b ist der Nebenkanal 28', der sich nur etwa über die halbe Länge des Rezirkulationskanals 28 erstreckt, radial innenliegend des Hauptkanals 28' angeordnet. Bei den 4a und 4b war der Nebenkanal radial außerhalb des Hauptkanals 28' angeordnet. Durch diese Anordnung kann die im Hauptkanal befindliche Luftblase möglicherweise leichter über den Dichtungsspalt 34 (1) in die Umgebung entweichen.
Die 6a und 6b zeigen einen Ausschnitt einer Lageranordnung ähnlich der 3. Der Rezirkulationskanal 28 in der Lagerbuchse 14 umfasst über die gesamte Länge einen Hauptkanal 28' sowie einen radial außenliegenden Nebenkanal 28'', welche beide schräg zur Rotationsachse 46 verlaufen. Ein unteres Ende des Rezirkulationskanals 28 mündet in den Spaltbereich zwischen dem Dichtungsspalt 34 und dem Axiallager 26. Der Nebenkanal 28'' ist so ausgebildet, dass er über die Stirnseite der Lagerbuchse 14 hinweg bis in den Außenumfang der Lagerbuchse durchbricht und teilweise unmittelbar in den Dichtungsspalt 34 (1) mündet. Das hat den Vorteil, dass im Hauptkanal 28' befindliche Luftblasen leichter nach außen über den Dichtungsspalt 34 entweichen können, da der Hauptkanal 28' relativ weit außen fast in den Dichtungsbereich 34 hinein mündet.
7 zeigt eine Aufsicht auf eine Lagerbuchse 16 mit einem Rezirkulationskanal 28, der einen mittigen Hauptkanal 28' und vier sternförmig am Außenumfang des Hauptkanals angeordnete Nebenkanäle 28'' aufweist.
8 zeigt eine Aufsicht auf eine Lagerbuchse 16, wobei der in der Lagerbuchse angeordnete Rezirkulationskanal 28 einen Hauptkanal 28' und mehrere, im dargestellten Beispiel fünf Nebenkanäle 28'' aufweist. Die Nebenkanäle 28'' sind verteilt am Außenumfang des Hauptkanals 28' angeordnet.
Erfindungsgemäß sind noch vielerlei andere Geometrien von Rezirkulationskanälen, sowohl den Hauptkanälen als auch Nebenkanälen denkbar. Es soll noch erwähnt werden, dass bei einem typischen Lagersystem für Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken der Durchmesser der Lagerbuchse beispielsweise zwischen 4–10 mm beträgt. Der Durchmesser der Hauptkanals des Rezirkulationskanals beträgt hierbei beispielsweise 400–500 Mikrometer (Radius 200–250 Mikrometer).
9 veranschaulicht das Verhältnis zwischen der Breite b der Öffnung zwischen dem Hauptkanal 28' und dem Nebenkanal 28'' und dem Umfang U des Hauptkanals 28'. Der Umfang des Hauptkanals 28' beträgt U = 2·Pi·r. Für das Verhältnis b/U gilt vorzugsweise:
0,05 ⇐ b/U ⇐ 0,30

10: Grundplatte
12: Welle
14: Lagerbuchse
16: erstes Lagerbauteil
18: zweites Lagerbauteil
20: Lagerspalt
22a, 22b: Radiallager
24: Nut
26: Axiallager
27: Lagerrillen
28: Rezirkulationskanal
28': Hauptkanal
28'': Nebenkanal
30: Abdeckkappe
32: Dichtungsspalt
34: Dichtungsspalt
35: Axiallager-Abschnitt
36: Pumpdichtung
38: Stufe
40: ferromagnetischer Ring
42: Statoranordnung
44: Magnet
46: Drehachse
48: Nabe
r: Radius des Hauptkanals
b: Breite der Öffnung zwischen Hauptkanal und Nebenkanal

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, welches aufweist: mindestens ein feststehendes Bauteil (12; 16; 18), mindestens ein rotierendes Bauteil (14), das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse (46) drehbar gelagert ist, einen Lagerspalt (20), der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet ist und mit einem Lagerfluid gefüllt ist, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (22a; 22b) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (26), die entlang von Abschnitten des Lagerspalts (20) angeordnet sind, und einen Rezirkulationskanal (28), der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts (20) miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) in einen Hauptkanal (28') und mindestens einen mit diesem verbundenen Nebenkanal (28'') aufgeteilt ist, wobei sich der Hauptkanal (28') über die gesamte Länge des Rezirkulationskanals (28) erstreckt und der Nebenkanal (28'') wenigstens über einen Teil der Länge des Rezirkulationskanals (28) erstreckt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (28') eine Querschnittsfläche a1 und der Nebenkanal (28'') eine Querschnittsfläche a2 aufweisen, wobei sich die Querschnittsflächen a1 des Hauptkanals (28') und a2 des Nebenkanals (28'') über die gesamte Länge des Nebenkanals (28'') berühren.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Nebenkanal (28'') ausgehend von einem Ende des Rezirkuationskanals über einen Teil des Rezirkulationskanals (28) erstreckt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) einen Hauptkanal (28') und mehrere Nebenkanäle (28'') aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (28') und der Nebenkanal (28'') entlang ihrer Längserstreckung durch eine Öffnung miteinander verbunden sind, wobei die Breite b der Öffnung zwischen 5% und 30% der Umfangslänge U des Hauptkanals (28') beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) im rotierenden Bauteil (14) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) parallel oder in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse (46) verläuft.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Bauteil ein erstes Lagerbauteil (16), eine in dem ersten Lagerbauteil aufgenommene Welle (12) und ein an der Welle angeordnetes zweites ringförmiges Lagerbauteil (18) aufweist, wobei die Lagerbauteile (16; 18) in einem gegenseitigen Abstand an der Welle (12) angeordnet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil eine Lagerbuchse (14) umfasst, die zwischen den beiden Lagerbauteilen (16; 18) auf der Welle (12) drehbar angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Radiallager (22a; 22b) umfasst, die gebildet werden durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt (20) voneinander beabstandete Oberflächen der Welle (12) und der Lagerbuchse (14).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (26) durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Stirnseiten des ersten Lagerbauteils (16) und der Lagerbuchse (14) gebildet wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (20) zwei offene Enden aufweist, die durch Dichtungsmittel (32; 34; 36) abgedichtet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel (32; 34) Kapillardichtungen umfassen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel (32; 34) konische Kapillardichtungen umfassen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel (36) dynamische Pumpdichtungen umfassen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) an die Dichtungsmittel (32; 34) angrenzende Abschnitte des Lagerspalts (20) miteinander verbindet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Rezirkulationskanals (28) in einen Spalt (35) radial außerhalb des Axiallagers (26) mündet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (35) größer ist als der Axiallagerspalt (26).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Rezirkulationskanals (28) in einen Spalt zwischen dem zweiten Lagerbauteil (18) und der Lagerbuchse (14) mündet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (28') und/oder der Nebenkanal (28'') zumindest partiell in den Dichtungsspalt (34) mündet.
Spindelmotor mit einem Stator und einem Rotor und einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 zur Drehlagerung des Rotors, der von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird.