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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, welches mindestens
ein Radiallager und mindestens ein Axiallager umfasst, nach den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lager
werden etwa zur Drehlagerung von Motoren, beispielsweise von Spindelmotoren
eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken,
Lüftern oder ähnlichem dienen.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische
Lager, wie sie in Spindelmotoren eingesetzt werden, umfassen in
der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile,
die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit
einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten
Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen
zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen
vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen
in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise
auf einzelne oder beide der einander gegenüber liegenden
Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen
der Lagerpartner angeordneten Oberflächenstrukturen 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 rillenförmige
Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse
der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem
Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise
spiralrillenförmige Oberflächenstrukturen verwendet,
die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei
einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken
gemäß einer bekannten Bauart ist eine Welle in
einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert. Der Durchmesser
der Bohrung ist geringfügig größer als
der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen
der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter
Lagerspalt verbleibt. Die einander zugewandten Oberflächen
der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerstrukturen
auf. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe verbunden, deren
untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der
Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist
eine der einander zugewandten Oberflächen der Nabe oder
der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerstrukturen versehen.
Bauarten von Spindelmotoren mit einer feststehenden Welle und einer
um die Welle rotierenden Lagerbuchse/Nabe sind ebenfalls verbreitet.
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Ein
wichtiges Kriterium für alle fluiddynamischen Lager ist
die Selektion bzw. Materialpaarung der Lagerflächen sowohl
des feststehenden als auch des rotierenden Lagerbauteils. Für
die Lagerbauteile werden vorzugsweise Materialien verwendet, die
einen geringen Materialabrieb aufweisen, was wichtig ist während
der Anlauf- und Auslaufphasen des Lagers, bei denen sich die Lagerflächen
der Lagerbauteile berühren. Diese für einen geringen
Abrieb optimierte Materialpaarung ist wichtig sowohl für
Axiallager als auch Radiallager eines fluiddynamischen Lagers. Bekannte
Lagersysteme verwenden Materialien für das feststehende
und rotierende Bauteil die entsprechend gepaart sind, wobei hierbei
die Lagerbauteile in ihrer Gesamtheit aus einem einzigen Material
mit den geforderten Eigenschaften bestehen. Es ist auch bekannt,
insbesondere die Lagerflächen mit einer Oberflächenbeschichtung
zu versehen, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Eine entsprechende Materialpaarung
kann z. B. aus Stahl kombiniert mit Stahl unterschiedlicher Härte
bestehen, oder Stahl kombiniert mit Metalllegierungen oder Legierungskombinationen,
oder Stahl mit einer Oberflächenbeschichtung, wie z. B.
DLC. Hierbei werden die Lagerkomponenten komplett aus dem ausgewählten
Material hergestellt und eventuell mit einer Oberflächenbeschichtung
versehen. Da die Lagerbauteile außerdem eine entsprechende
Stabilität und Steifigkeit benötigen, muss dies
bei der Auswahl der Werkstoffe entsprechend berücksichtigt
werden. Es gibt einige bevorzugte Werkstoffe mit entsprechend abriebfester Materialpaarung,
welche ebenfalls eine sehr gute Härte und Steifigkeit aufweisen,
jedoch sehr schwer maschinell zu bearbeiten und daher teuer in der
Herstellung sind. Solche Materialien sind für die Massenfertigung
von Fluidlagern daher nicht geeignet.
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Die
US 7,008,109 B2 offenbart
beispielsweise ein fluiddynamisches Lagersystem, bei dem eine Axiallagerfläche
eine spezielle Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung
der Abriebfestigkeit aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem
der eingangs genannten Art anzugeben, das eine nahezu beliebige
Materialpaarung der Lagerflächen und entsprechende Oberflächenbearbeitung
erlaubt und dennoch kostengünstig herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem
gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist
ein fluiddynamisches Lagersystem beschrieben, welches mindestens
ein feststehendes Lagerbauteil und mindestens ein rotierendes Lagerbauteil
aufweist, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse
drehbar gelagert ist. Das Lager weist mindestens einen Lagerspalt
auf, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen
der beiden Lagerbauteile ausgebildet ist und der einen mit einem
Lagerfluid gefüllten Abschnitt mit mindestens einem offenen
Ende aufweist, das durch ein Dichtungsmittel gegenüber
der Umgebung abgedichtet ist. Die beiden Lagerbauteile weisen im
Bereich des Lagerspaltes einander zugewandte Lagerflächen
auf, die mindestens ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden. Erfindungsgemäß umfasst
das Lagersystem mindestens ein Einsatzteil, das an einem Lagerbauteil
angeordnet ist und die Lagerfläche dieses Lagerbauteils
ausbildet.
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Die
Erfindung bietet eine sehr flexible Möglichkeit der Materialpaarung
der Lagerflächen bei geringen Kosten, indem eine oder beide
Lagerflächen durch ein am Lagerteil angeordnetes Einsatzteil
gebildet werden. Dieses Einsatzteil kann scheibenförmig
bzw. ringförmig ausgebildet sein und eine oder beide Lagerflächen
des Axiallagers des Lagersystems ausbilden. Das Einsatzteil kann
dabei aus einem beliebigen Werkstoff bestehen, insbesondere Metall,
einer Metalllegierung, aus Kunststoff, Keramik, Glas oder Sintermaterial.
Es kann mit der anderen Lagerfläche optimal gepaart werden,
unabhängig davon, ob das Einsatzteil die anderen an ein
Lagerbauteil gestellten Bedingungen wie Steifigkeit und Härte,
Zugfestigkeit etc. aufweist. Das Einsatzteil selbst hat keinen Einfluss
auf die Gesamtsteifigkeit und die Gesamteigenschaften des Lagers,
sondern liefert nur die benötigte positive Materialpaarung
der Lagerflächen. Daher können selbst Materialien
mit sehr geringer struktureller Steifigkeit wie z. B. Kunststoffe
oder Gummi oder sehr weiche Materiallegierungen für die
Herstellung des Einsatzteils verwendet werden. Außerdem
können natürlich auch Materialien mit extremer
Härte und Zähigkeit zur Herstellung des Einsatzteils
verwendet werden, obwohl diese sehr schwierig zu bearbeiten sind.
Aufgrund der geringen Größe des Einsatzteils im
Verhältnis zum gesamten Lagerbauteil ist dies jedoch kein
Kostennachteil, da das Einsatzteil sehr einfach in seiner Geometrie
ausgebildet ist. Solche Materialien sind z. B. Keramik, Invar, Glas,
Glasfiberstrukturen usw. Das Einsatzteil kann unabhängig
von den Lagerbauteilen gefertigt werden und wird dann mit dem Lagerbauteil verbunden,
beispielsweise durch Einpressen, Verkleben, Verschweißen,
etc.
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Das
Einsatzteil ist in seiner Geometrie sehr einfach gehalten, vorzugsweise
als Scheibe bzw. Ringscheibe, welche einfach in der Herstellung
ist. Natürlich kann das Einsatzteil auch jede andere Formgebung
annehmen.
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Vorzugsweise
kann das Einsatzteil auch mit einer abriebfesten Beschichtung, beispielsweise
einer DLC Beschichtung versehen werden. Aufgrund der geringen Größe
des Einsatzteils im Vergleich zum gesamten Lagerbauteil ist diese
Beschichtung kostengünstig durchzuführen und es
können auch mehrere Einsatzteile gleichzeitig beschichtet
werden. Es ist also keine Beschichtung des kompletten Lagerbauteils
mehr notwendig, bei welcher die nicht zu beschichtenden Flächen
abgeklebt oder anderweitig geschützt werden mussten.
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Ferner
ist es sehr einfach, die auf den Lagerflächen vorhandenen
Lagerstrukturen auf dem Einsatzteil aufzubringen, wesentlich einfacher
als das Aufbringen auf einer entsprechenden Fläche eines großen
Lagerbauteils. Derartige Lagerstrukturen werden vorzugsweise mittels
eines elektrochemischen Abtrageverfahrens („Electrochemical
Machining” ECM) aufgebracht. Dieses ECM Verfahren kann
bei der einfachen Formgebung des Einsatzteils kostengünstig
und einfach durchgeführt werden.
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Vorzugsweise
ist das Einsatzteil in einer Aussparung einer Fläche des
Lagerbauteils gehalten und steht über diese Fläche über.
Der Überstand liegt etwa in der Größenordnung
des Lagerspaltes und beträgt beispielsweise weniger als
0,15 mm, mindestens jedoch 20 Mikrometer. Das Einsatzteil bildet
die Lagerfläche eines Axiallagers aus und entspricht in seinen
Abmessungen den Abmessungen der Lagerfläche. Das Einsatzteil
kann auch direkt auf der Oberfläche des Lagerbauteils angeordnet
sein.
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Erfindungsgemäß kann
das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse mit einer zentralen Lagerbohrung
umfassen. Das bewegliche Lagerteil kann im ersten Fall eine in der
Lagerbohrung drehgelagerte Welle und eine mit der Welle verbundene Nabe
als Rotorbauteil aufweisen. Alternativ kann das feststehende Lagerbauteil
aus einer feststehenden Welle bestehen, welche an ihren gegenüberliegenden
Enden angeordnete ringförmige Lagerteile aufweist, die
in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Das rotierende Lagerbauteil
umfasst hierbei eine Lagerbuchse, die in einem Zwischenraum zwischen
dem ersten und dem zweiten Lagerteil um die feststehende Welle drehbar
angeordnet ist. Das Einsatzteil steht dabei nicht notwendig in einer
Verbindung mit der Welle.
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Vorzugsweise
umfasst das fluiddynamische Lager zusätzlich mindestens
zwei Radiallager, die gebildet werden durch einander angrenzende
und durch den Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen
des feststehenden und des rotierenden Lagerbauteils.
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Um
eine gute Zirkulation des Lagerfluids im Lager sicherzustellen,
kann das Lager einen Rezirkulationskanal aufweisen, der mit Lagerfluid
gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes
miteinander verbindet. Der Rezirkulationskanal kann erfindungsgemäß im
oder am feststehenden Lagerbauteil angeordnet sein, oder aber auch
im oder am rotierenden Lagerbauteil. Vorzugsweise ist der Rezirkulationskanal
in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse angeordnet.
Der Rezirkulationskanal endet vorzugsweise radial außerhalb
des Einsatzteils und damit radial außerhalb des Axiallagers
mit engem Lagerspalt.
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Die
Abdichtung des Lagerspaltes erfolgt durch ein Dichtungsmittel, welches
beispielsweise eine Kapillardichtung, vorzugsweise eine konische Kapillardichtung
ist. Das Dichtungsmittel kann aber auch eine dynamische Pumpdichtung
aufweisen. Es können auch Kombinationen zwischen einer
Kapillardichtung und einer Pumpdichtung vorgesehen sein.
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Das
fluiddynamische Lager kann beispielsweise zur Drehlagerung eines
Spindelmotors eingesetzt werden. Ein solcher Spindelmotor wird beispielsweise
zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet.
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Das
fluiddynamische Lager kann jedoch auch zur Drehlagerung eines Lüfterrades
in einem Lüfter verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale
und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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2 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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3 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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4 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt des Lagersystems
aus 3.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die 1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen
fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende
Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung aufweist und
das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. In die Bohrung
der Lagerbuchse 10 ist eine Welle 12 eingesetzt,
deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der
Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und
der Welle 12 verbleibt ein Lagerspalt 14. Die
einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und
der Lagebuchse 10 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 aus,
mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar
in der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager 18, 22 sind
durch Lagerstrukturen 20, 24 in Form von Vertiefungen
oder Rillen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der
Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 aufgebracht
sind. Der Lagerspalt 14 ist mit einem geeigneten Lagerfluid,
beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerstrukturen 20, 24 üben
bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen
Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid
aus, so dass die Radiallager 18, 22 tragfähig
werden. An der Unterseite der Welle 12 ist ein einteilig
mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 26 angeordnet,
der einen vergrößerten Außendurchmesser
im Vergleich zum Durchmesser der Welle 12 aufweist. Der
Stopperring 26 verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus
der Lagerbuchse 10. Das Lagersystem ist an dieser Seite der
Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckplatte 36 verschlossen.
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Ein
freies Ende der Welle 12 ist mit einem topfförmigen
Bauteil verbunden, welches die Nabe 40 des Spindelmotors
bildet. Die Nabe 40 weist einen inneren Rand auf, der die
Lagerbuchse 10 teilweise umgibt. Radial außerhalb
der Bohrung für die Welle 12 umfasst die Nabe 40 ein
Einsatzteil 28. Das Einsatzteil 28 ist vorzugsweise
als ringförmige Scheibe ausgebildet und in einer Aussparung
der Nabe 40 angeordnet. Die Oberfläche des Einsatzteils 28 kann über
die Nabe 40 hinaus stehen, das heißt das Einsatzteil 28 ist
nicht vollständig in der Aussparung versenkt, sondern hat
einen Überstand über die Fläche der Nabe 40 von
vorzugsweise zwischen 20 und 150 Mikrometern.
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Ein
radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 14 erstreckt
sich zwischen dem Einsatzteil 28 und der Stirnseite der
Lagerbuchse 10. Dieser radiale Abschnitt des Lagerspalts 14 ist
mit Lagerfluid gefüllt und mit dem axial verlaufenden Abschnitt
des Lagerspalts verbunden. Eine untere, ebene Fläche des Einsatzteils 28 bildet
zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein
fluiddynamisches Axiallager 30 aus. Dazu ist die Stirnfläche
der Lagerbuchse 10, jedoch vorzugsweise die gegenüberliegende
Fläche des Einsatzteils 28 mit Lagerstrukturen 32 in
Form von Vertiefungen oder Rillen versehen, die bei Rotation der
Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen
dem Einsatzteil 28 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche
Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 30 tragfähig
wird. Vorzugsweise pumpen die Lagerstrukturen 32 des Axiallagers 30 das
Lagerfluid radial nach innen in Richtung des Radiallagers 18,
d. h. in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 14.
Der Spaltabstand des Lagerspalts 14 im Bereich des Axiallagers
beträgt beispielsweise fünf bis 25 Mikrometer.
Durch den vorgesehen Überstand d des Einsatzteils 28 ist
der Lagerspalt 14 des Axiallagers im Bereich des Einsatzteiles 28 enger
als im Bereich radial außerhalb.
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In
der Lagerbuchse kann ein Rezirkulationskanal 34 in Form
einer dünnen Bohrung angeordnet sein. Der Rezirkulationskanal
ist mit Lagerfluid gefüllt und verbindet einen am radial äußeren
Rand des Axiallagers 30 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 mit
einem unterhalb des unteren Radiallagers 22 befindlichen
Abschnitt des Lagerspalts 14 miteinander. Der Rezirkulationskanal
ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagersystem.
Vorzugsweise endet der Rezirkulationskanal 34 radial außerhalb
des Einsatzteils 28 in einem Bereich mit einer im Vergleich
zum Axiallagerbereich 30 vergrößerten
Spaltbreite. Dadurch wird zum einen die Lagerfläche nicht durch
die Öffnung des Rezirkulationskanals 34 unterbrochen,
was zu gleichmäßigen Druckverhältnissen im
Axiallager führt. Außerdem werden durch den breiteren
Spalt ein erhöhter Fluss und eine effizientere Entlüftung
ermöglicht.
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Die
Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 38 des
Spindelmotors angeordnet. Die Nabe 40 weist an ihrem Außenumfang
einen umlaufenden Rand auf, der in Richtung der Basisplatte 38 weist.
Eine Statoranordnung 42 umgibt die Lagerbuchse und ist an
der Basisplatte 38 angeordnet. Die Statoranordnung 42 besteht
aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket und aus entsprechenden
Statorwicklungen. Diese Statoranordnung 42 ist umgeben
von einem ringförmigen Rotormagneten 44, welcher
am Innenumfang des umlaufenden Randes der Nabe 40 befestigt
ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ
kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung
finden. Unterhalb des Rotormagneten 44 ist ein ferromagnetischer
Metallring 48 angeordnet, der den Rotormagneten anzieht,
wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 38 hin gerichtete Kraft
ergibt. Diese Kraft dient der axialen Vorspannung des Lagersystems
und ist der durch das Axiallager 30 erzeugten Kraft entgegen
gerichtet.
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Der
Lagerspalt 14 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich
entlang der Welle 10 und der Radiallager 18, 22 erstreckt,
und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der
Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 30 erstreckt.
Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts
geht der Lagerspalt 14 in einen Spalt mit größerem
Spaltabstand über, welcher teilweise als Dichtungsspalt 50 wirkt.
Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 14 radial
nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über,
der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen
der Lagerbuchse 10 und einem zylindrischen Abschnitt der
Nabe 40 und den Dichtungsspalt 50 bildet.
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Die äußere
Mantelfläche der Lagerbuchse 10 sowie die innere
Mantelfläche des topfförmigen Bauteils 40 sind
zylindrisch und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 50.
Somit verläuft der Dichtungsspalt 50 im Wesentlichen
parallel zur Rotationsachse 16. Derartige zylindrische
Mantelflächen, welche die Begrenzungen des Dichtungsspaltes 50 bilden,
können sehr genau und vor allem mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit
bearbeitet werden und setzen dem Lagerfluid einen geringen Reibungswiderstand
entgegen.
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2 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotors mit einer weiteren Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Lagersystems, wobei bezogen
auf 1 gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen
sind. Der Aufbau und die Funktion des dargestellten Spindelmotors
kann der Beschreibung von 1 entnommen
werden.
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Im
Unterschied zu 1 ist bei 2 das Einsatzteil 128 nicht
in einer Aussparung der Nabe angeordnet, sondern in einer stirnseitigen
Aussparung der Lagerbuchse 10. Eine obere, ebene Lagerfläche
des Einsatzteils 128 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden
Lagerfläche der Nabe 40 ein fluiddynamisches Axiallager 30 aus.
Dazu ist die Stirnfläche der Nabe 40, jedoch vorzugsweise
die gegenüberliegende Fläche des Einsatzteils 128 mit
Lagerstrukturen 132 in Form von Vertiefungen oder Rillen
versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung
auf das im Lagerspalt 14 zwischen dem Einsatzteil 128 und
der gegenüberliegenden Lagerfläche der Nabe 40 befindliche
Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 30 tragfähig
wird.
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Die 3 zeigt
einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung eines fluiddynamischen
Lagers gemäß der Erfindung.
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Der
Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 238, die eine im
Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in
welcher ein erstes Lagerteil 211 aufgenommen ist. Das erste
Lagerbauteil 211 ist etwa topfförmig ausgebildet
und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle 212 befestigt
ist. Der Durchmesser der Welle beträgt beispielsweise 2–3
mm. An dem freien Ende der feststehenden Welle 212 ist
ein zweites Lagerteil 213 angeordnet, das vorzugsweise
ringförmig und einteilig mit der Welle 212 ausgebildet
ist. Die genannten Bauteile 211, 212, 213 und 238 bilden
die feststehende Komponente des Spindelmotors. Das Lagersystem umfasst
eine Lagerbuchse 210, die in einem durch die Welle 212 und
die beiden Lagerbauteile 211, 213 gebildeten Zwischenraum
relativ zu diesen Bauteilen auf der Welle 212 drehbar angeordnet
ist. Der Durchmesser der Lagerbuchse beträgt beispielsweise
4–5 mm. Das obere Lagerbauteil 213 ist in einer
ringförmigen Aussparung in der Stirnseite der Lagerbuchse 210 angeordnet.
Aneinander angrenzende Flächen der Welle 212,
der Lagerbuchse 210 und der beiden Lagerbauteile 211, 213 sind
durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 214 voneinander
getrennt. Der Lagerspalt 214 ist mit einem Lagerfluid,
beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
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Die
Lagerbuchse 210 hat eine zylindrische Bohrung an deren
Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausbildet
sind, welche durch eine dazwischen umlaufende Separator-Nut getrennt sind.
Die Radiallagerflächen umschließen die stehende
Welle 212 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter
Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 214 und
sind mit geeigneten Rillenstrukturen 220, 224 versehen,
so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen
der Welle 212 zwei fluiddynamische Radiallager 218, 222 ausbilden.
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Radial
außerhalb der Bohrung für die Welle 212 umfasst
das untere Lagerteil 211 ein Einsatzteil 228.
Das Einsatzteil 228 ist vorzugsweise als ringförmige
Scheibe ausgebildet und in einer Aussparung des unteren Lagerteils 211 angeordnet,
derart dass sie der Stirnseite der Lagerbuchse 210 gegenüber liegt.
Die Oberfläche des Einsatzteils 228 steht vorzugsweise über
die Oberfläche des Lagerteils 211 hinaus, das
heißt das Einsatzteil 228 ist nicht vollständig
in der Aussparung des Lagerteils 211 versenkt, sondern
hat einen Überstand über die Fläche des
Lagerteils von vorzugsweise zwischen 20 und 150 Mikrometern.
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4 zeigt
eine vergrößerte Darstellung des ersten Lagerteils 211 und
dem Einsatzteil 228, das in einer Aussparung des ersten
Lagerteils 211 angeordnet ist. Die Dicke t des Einsatzteils
kann beispielsweise weniger als 1 mm betragen, vorzugsweise etwa 0,4
mm. Der Überstand d beträgt wie oben erwähnt etwa
20 bis 150 Mikrometer und liegt etwa in der Größenordnung
des Lagerspalts des Axiallagers 230. Durch den Überstand
verbreitert sich der Lagerspalt 214 radial außerhalb
des Einsatzteils um den Wert t des Überstands, wobei in
diesen verbreiterten Bereich der Rezirkulationskanal 234 mündet.
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Zwischen
sich gegenüberliegenden Lagerflächen des Einsatzteils 228 und
der Lagerbuchse 210 verläuft ein radial verlaufender
Abschnitt des Lagerspalts 214, der sich an den axial verlaufenden
Abschnitt des Lagerspalts 214 anschließt. Die
Lagerflächen des Einsatzteils 228 und des Lagerteils 211 bilden
ein fluiddynamisches Axiallager 230, wobei die Lagerflächen
als zur Rotationsachse 216 senkrechte Kreisringe ausgebildet
sind. Das fluiddynamische Axiallager 230 ist in bekannter
Weise durch spiralförmige oder fischgrätenförmige
Rillenstrukturen 232 gekennzeichnet, die vorzugsweise entweder
auf der Stirnseite der Lagerbuchse 210, oder auf dem Einsatzteil 228 oder
beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen 232 des
Axiallagers 230 erstrecken sich vorzugsweise über
die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 210, 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 230 kontinuierlich
zunimmt.
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An
den radialen Abschnitt des Lagerspalts 214 im Bereich des
Axiallagers 230 schließt sich ein anteilig mit
Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 250 an, der
durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 210 und
einen hoch gezogenen Rand des Lagerteils 211 gebildet wird
und den Lagerspalt 214 an dieser Seite abdichtet. Der Dichtungsspalt 250 umfasst
einen gegenüber dem Lagerspalt 214 verbreiterten
radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden
nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer
inneren Umfangsfläche des Lagerteils 211 und einer äußeren Umfangsfläche
der Lagerbuchse 210 begrenzt wird. Neben der Funktion als
kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 250 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 250 bildenden
Flächen an der Lagerbuchse 210 und dem Lagerteil 211 können
jeweils relativ zur Drehachse 216 nach innen geneigt sein.
Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund
der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 214 gedrückt.
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An
der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 210 im
Anschluss an das obere Radiallager 218 so gestaltet, dass
es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer
entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten
Lagerteils 213 einen radialen Spalt 226 bildet.
Der Spalt 226 ist mit dem Lagerspalt 214 verbunden
und mit Lagerfluid gefüllt. An den radialen Spalt 226 schließt sich
ein axial verlaufender Dichtungsspalt 246 an, der das Fluidlagersystem
an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 246 umfasst
eine Pumpdichtung 252 und weitet sich am äußeren
Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Der Dichtungsspalt 246 wird
durch einander gegenüberliegende Oberflächen der
Lagerbuchse 210 und des Lagerteils 213 begrenzt
und kann von einer ringförmigen Abdeckung 236 abgedeckt
sein. Die Abdeckung 236 ist an der Stirnseite der Lagerbuchse 210 gehalten
und dort beispielsweise angeklebt. Der innere Rand der Abdeckkappe 236 kann
zusammen mit dem Außenumfang der Welle 212 eine
Spaltdichtung ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen
ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 246.
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Das
elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter
Weise gebildet durch eine an der Basisplatte 238 angeordnete
Statoranordnung 242 und einem die Statoranordnung in einem
Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 244,
der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 240 angeordnet
ist.
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Da
der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 230 aufweist,
das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerteils 213 erzeugt,
muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen
Lagerbauteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht
hält. Hierfür kann die Basisplatte 238 einen
ferromagnetischen Ring 248 aufweisen, der dem Rotormagneten 244 axial
gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird.
Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 230 und
hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich
zu dieser Lösung können die Statoranordnung 242 und der
Rotormagnet 244 axial zueinander versetzt angeordnet werden,
und zwar so, dass die Mitte des Rotormagneten 244 axial
oberhalb der Mitte der Statoranordnung 242 angeordnet ist.
Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft
aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 230 wirkt.
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Der
Rezirkulationskanal 234 verläuft ausgehend vom
Spalt 226 zwischen der Stirnfläche der Lagerbuchse 210 und
des Lagerteils 213 schräg und radial nach außen
längs durch die Lagerbuchse 210 und mündet
radial außerhalb des Einsatzteils 228 in einen
Bereich mit verbreitertem Spaltabstand zwischen dem Lagerspalt 214 und
dem Dichtungsspalt 250. Durch die Anordnung des Rezirkulationskanals 234 im
rotierenden Bauteil, wirken auf das im Rezirkulationskanal 234 befindliche
Lagerfluid Fliehkräfte, sobald das Lager in Betrieb ist,
d. h. die Lagerbuchse 210 sich um die Welle 212 dreht.
Da der Rezirkulationskanal 234 schräg angeordnet
ist, wirken im unteren Bereich nahe dem Axiallager 230 größere
Fliehkräfte als im oberen Bereich nahe dem Lagerteil 213. Dadurch
ergibt sich ein Fluss des Lagerfluids im Rezirkulationskanal in
Richtung des unteren Lagerteils 211 und des Axiallagers 230.
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Lagerspalt
- 16
- Rotationsachse
- 18
- Radiallager
- 20
- Oberflächenstrukturen
- 22
- Radiallager
- 24
- Oberflächenstrukturen
- 26
- Stopperring
- 28
- Einsatzteil
- 30
- Axiallager
- 32
- Lagerstrukturen
- 34
- Rezirkulationskanal
- 36
- Abdeckung
- 38
- Basisplatte
- 40
- Nabe
- 42
- Statoranordnung
- 44
- Rotormagnet
- 48
- Metallring
- 50
- Dichtungsspalt
- 128
- Einsatzteil
- 132
- Lagerstrukturen
- 210
- Lagerbuchse
- 211
- erstes
Lagerteil
- 212
- Welle
- 213
- zweites
Lagerteil
- 214
- Lagerspalt
- 216
- Rotationsachse
- 218
- Radiallager
- 220
- Oberflächenstrukturen
- 222
- Radiallager
- 224
- Oberflächenstrukturen
- 226
- Spalt
- 228
- Einsatzteil
- 230
- Axiallager
- 232
- Lagerstrukturen
- 234
- Rezirkulationskanal
- 236
- Abdeckung
- 238
- Basisplatte
- 240
- Nabe
- 242
- Statoranordnung
- 244
- Rotormagnet
- 246
- Dichtungsspalt
- 248
- Metallring
- 250
- Dichtungsspalt
- 252
- Pumpdichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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