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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem,
z. B. einen Spindelmotor zum Antrieb von Festplattenlaufwerken oder Lüftern. Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Spindelmotor, der in einem großen Drehzahlbereich, beispielsweise
zwischen 5400 und 7200 U/min eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind Spindelmotoren in verschiedenen Bauarten
bekannt. Insbesondere verbreitet ist ein sogenanntes Top-Thrust-Design,
das beispielsweise aus der
DE 10 2007 039 231 A1 desselben Anmelders
bekannt ist. Ein solcher Spindelmotor umfasst mindestens ein feststehendes Motorbauteil
und mindestens ein bewegliches Motorbauteil, die mittels des fluiddynamischen
Lagersystems relativ zueinander drehbar gelagert sind. Die Lagerflächen des
fluiddynamischen Lagersystems sind durch einen mit einem Lagerfluid
gefüllten
Lagerspalt voneinander getrennt, wobei das bewegliche Motorbauteil
von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird. Das
fluiddynamische Lagersystem umfasst mindestens ein, vorzugsweise
zwei fluiddynamische Radiallager, und ein fluiddynamisches Axiallager.
Da nur ein Axiallager vorhanden ist, sind Mittel vorhanden, die
eine magnetische Vorspannung, d. h. eine dem Axiallager entgegenwirkende
axiale Kraft erzeugen. Hierbei werden Komponenten des elektromagnetischen
Antriebssystems verwendet bzw. auch ein separates ferromagnetisches
Bauteil, das mit dem feststehenden Motorbauteil verbunden ist.
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Gewöhnlich arbeiten
Spindelmotoren bei einer definierten Drehzahl und einer definierten
Last. Das Lagersystem, insbesondere das Axiallager und die notwendige
magnetische Vorspannung sind an die Drehzahl und die Last sowie
auch die Viskosität des
verwendeten Lagerfluids angepasst. Insbesondere die sog. Flughöhe, d. h.
die Breite des Lagerspalts im Axiallagerbereich im Betrieb muss
in einem spezifizierten Bereich liegen, um einerseits eine Berührung der
Lagerflächen
und andererseits eine Berührung
eines am Wellenende angeordneten Stopperrings an der Lagerbuchse
zu verhindern. Daher waren Spindelmotoren bisher für eine bestimmte Drehzahl,
z. B. 5400 U/Min., und eine bestimmte Last unter Verwendung eines
bestimmten Lagerfluids ausgelegt. Eine Änderung einer dieser Parameter hatte
eine Änderung
des Lagerdesigns zur Folge, damit der Spindelmotor auch in dem gewünschten
Temperaturbereich von beispielsweise 0°C bis 70°C einwandfrei arbeitet.
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Das
Lagerfluid, meist ein spezielles Schmieröl, hat beispielsweise bei hoher
Temperatur eine niedrige Viskosität, so dass der im Lager erzeugte hydrodynamische
Druck abnimmt, insbesondere bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten
des Lagers. In diesem Fall kann der hydrodynamische Druck so gering sein,
dass die Axiallagerflächen
sich nicht voneinander trennen und reibend aneinander laufen. Das
andere Extrem sind niedrige Temperaturen, bei denen das Lagerfluid
eine hohe Viskosität
hat und damit einen großen
hydrodynamischen Druck im Lager erzeugt. Insbesondere bei hoher
Drehzahl wird dann eine sehr hohe Axiallagerkraft erzeugt, wodurch
der Stopperring an der Lagerbuchse anschlägt. Die magnetische Vorspannung
wird jedoch als unveränderlich
angenommen und wirkt der über
die Temperatur variierenden Axiallagerkraft entgegen. D. h. die
magnetische Vorspannung ist bei hohen Temperaturen und niedrigen
Drehzahlen zu groß und
bei niedrigen Temperaturen und hohen Drehzahlen zu klein. Zusätzlich muss
noch die Orientierung des Motors relativ zur Gravitationskraft in
Betracht gezogen werden.
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Dieses
Problem wird in der Veröffentlichung
US 2009/0 052 817
A1 behandelt, die als nächstkommender
Stand der Technik angesehen wird. Es ist ein Spindelmotor mit mindestens
einem feststehenden Motorbauteil und mindestens einem beweglichen Motorbauteil
offenbart, die mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ
zueinander drehbar gelagert sind. Das bewegliche Motorbauteil weist
eine in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse aufgenommene Welle, ein
mit der Welle verbundenes Rotorbauteil und den am Rotorbauteil befestigten
Rotormagneten auf und ist von einem elektromagnetischen Antriebssystem
angetrieben. Das feststehende Motorbauteil umfasst eine Basisplatte,
eine daran befestigte Lagerbuchse und eine Statoranordnung des elektromagnetischen
Antriebssystems. Das fluiddynamische Lagersystem umfasst mindestens
ein fluiddynamisches Radiallager und ein fluiddynamisches Axiallager,
deren Lagerflächen
durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander
getrennt sind, wobei Mittel zur magnetischen Vorspannung vorhanden
sind, die eine dem Axiallager entgegen wirkende axiale Kraft erzeugen.
Es wird ein Verfahren zur hydraulischen Kompensation der magnetischen
Vorspannung vorgeschlagen. Hierbei wird die Flughöhe der Welle
bestimmt durch den hydrodynamischen Druck im Lagerspalt und die
magnetische Vorspannung, die als konstant angenommen wird. Die Welle
ist am Außenumfang
nicht zylindrisch ausgebildet, sondern weist eine Rille auf, die
je nach axialer Lage der Welle den Lagerspalt im Radiallagerbereich
verbreitert oder verengt und damit den hydrodynamischen Druck im
Lagerspalt in Abhängigkeit
der Lage der Welle steuert. Dadurch stellt sich eine gewünschte „Flughöhe” der Welle
ein.
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Die
US 2009/0 009 018
A1 offenbart einen Spindelmotor, bei dem mittels eines
Sensors für
die aktuelle axiale Position der Motorwelle, sowie mittels eines
aktiven magnetischen Axiallagers und eines entsprechenden Positionsreglers,
temperaturbedingte axiale Positionsabweichungen der Motorwelle ausgeglichen
werden und damit auch bei unterschiedlichen Temperaturen eine genaue
axiale Positionierung der Motorwelle erfolgt. Eine solche Positionsregelung
der Motorwelle ist jedoch relativ aufwändig und für Spindelmotoren, die in Massenprodukten
eingesetzt werden, zu teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem
Lagersystem anzugeben, der einfach aufgebaut ist und bei verschiedenen
Drehzahlen und über
einen großen
Temperaturbereich eingesetzt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung und weitere bevorzugte Merkmale sind
in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Es
ist ein Spindelmotor mit mindestens einem feststehenden Motorbauteil
und mindestens einem beweglichen Motorbauteil beschrieben, die mittels
eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zueinander drehbar gelagert
sind. Die Lagerflächen
des fluiddynamischen Lagersystems sind durch einen mit einem Lagerfluid
gefüllten
Lagerspalt voneinander getrennt. Das bewegliche Motorbauteil wird
von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben. Das fluiddynamische
Lager umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und ein
fluiddynamisches Axiallager und Mittel zur magnetischen Vorspannung
des fluiddynamischen Axiallagers, welche eine dem Axiallager entgegenwirkende
axiale Kraft erzeugen.
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Erfindungsgemäß sind die
Mittel zur magnetischen Vorspannung des Axiallagers derart ausgebildet,
dass die axiale Kraft mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt.
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Die
Mittel zur magnetischen Vorspannung umfassen einen Rotormagneten
und eine axial zum Rotormagneten versetzt angeordnete Statoranordnung
des elektromagnetischen Antriebssystems und/oder ein ferromagnetisches
Bauteil, das am feststehenden Motorbauteil axial gegenüber-liegend dem
Rotormagneten angeordnet ist.
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Der
Rotormagnet besteht aus einem magnetischen Werkstoff, dessen magnetische
Flussdichte einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, so
dass die auf die Statoranordnung oder das ferromagnetische Bauteil
wirkende magnetische Kraft bei steigender Temperatur abnimmt. Folglich
nimmt auch die dem Axiallager entgegenwirkende axiale Kraft mit steigender
Umgebungstemperatur ab.
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Als
magnetischer Werkstoff für
den Rotormagneten wird vorzugsweise MR8C, ein kunstoffgebundener
NdFeB Magnet verwendet. Der Temperaturkoeffizient der magnetischen
Flussdichte des Rotormagneten beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltung zwischen –0,11%/K
und –0,15%/K.
Dementsprechend nimmt die axiale Kraft in einem angenommenen Temperatur-bereich
von 0°C
bis 70°C
zwischen 14% und 20% ab. Wenn der Motor sich nicht dreht, berührt das
Rotorbauteil bzw. dessen Axiallagerflächen die Axiallagerflächen der
Lagerbuchse aufgrund der wirkenden magnetischen Vorspannung. Für die Funktion
des fluiddynamischen Lagers ist es wichtig, dass sich bereits bei
niedrigen Drehzahlen, d. h. kurz nachdem der Motor gestartet wurde,
ein Lagerspalt zwischen dem Rotorbauteil und der Stirnseite der
Lagerbuchse ausbildet, um einen Verschleiß des Axiallagers zu minimieren.
Andererseits ist es wichtig, dass das Axiallager bzw. die erreichbare
Lagerkraft nicht zu stark ausfällt,
da sonst die Welle bzw. der Stopperring an der Welle an der Lagerbuchse
reibt. Die ungünstigsten
Bedingungen treten auf bei kalten Temperaturen, Wirkung der magnetischen Vorspannungskraft
entgegen der Gravitation (Orientierung des Motors ”auf dem
Kopf”)
und hoher Drehgeschwindigkeit (starke Lagerkraft) und bei hohen Temperaturen,
Wirkung der magnetischen Vorspannungskraft in Richtung der Gravitation
und niedriger Drehgeschwindigkeit (schwache Lagerkraft).
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Die
axiale Steifigkeit bzw. axiale Lagerkraft ist abhängig von
der Viskosität
des Lagerfluids, der Drehgeschwindigkeit des Motors, dem Radius
und der Fläche
des Axiallagers, sowie der Breite des Lagerspaltes. Mit einer gegebenen
temperaturabhängigen
Viskosität
des Lagerfluids sind nun das Axiallager und die magnetische Vorspannung
so aufeinander abgestimmt, dass die Flughöhe, also die Breite des Axiallagerspaltes,
bei allen Geschwindigkeiten, Temperaturen und in allen Lagen des
Motors in einem vorgegebenen Bereich bleibt. Wenn die Flughöhe zu groß oder zu
klein ist, kann das Rotorbauteil die Lagerbuchse entweder im Bereich
des Axiallagers oder des Stopperrings berühren, was zu unerwünschtem
Abrieb und Verschleiß führen kann.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Lagerfluid
mit einer Viskosität
verwendet, die eine möglichst
kleine Temperaturabhängigkeit
aufweist. Vorzugsweise soll sich die Viskosität des Lagerfluids in einem
Temperaturbereich von 0° bis
70° nur
um einen Faktor von höchstens
10 ändern.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei 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 fluiddynamischem
Lagersystem gemäß der Erfindung
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2:
zeigt eine Darstellung der Temperaturabhängigkeit der magnetischen Vorspannungskraft
sowie der Viskosität
des verwendeten Lagerfluids
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit einem
fluiddynamischen Lagersystem. Das Lagersystem umfasst eine feststehende
Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung aufweist. 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 16, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise
Lageröl,
gefüllt
ist. Es sind zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 ausgebildet,
mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 14 drehbar
in der Bohrung der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager
sind durch Lagerrillenstrukturen 20, 24 gekennzeichnet,
die bei Drehung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid
erzeugen und die Radiallager tragfähig machen. Die Radiallager 18, 22 sind
durch einen Separator 34 voneinander getrennt. Im Bereich
des Separators 34 ist die Spaltbreite des Lagerspalts 16 vergrößert.
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Ein
freies Ende der Welle 12 ist mit einem Rotorbauteil 26 verbunden. 1 zeigt
ein Lagersystem im sogenannten Top-Thrust Design, d. h. es ist ein
einziges fluiddynamisches Axiallager 28 vorhanden, welches
zwischen der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 10 und einer
unteren Fläche
des Rotorbauteils 26 ausgebildet ist. Wird der Spindelmotor
in einem Festplattenlaufwerk betrieben, so sind auf dem Rotorbauteil 26 eine
oder mehrere Speicherplatten 50 angeordnet, die zusammen
mit dem Rotorbauteil 26 drehend angetrieben werden.
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Eine
der Lagerflächen
des Axiallagers 28, vorzugsweise die Oberfläche der
Lagerbuchse 10 mit Lagerrillenstrukturen 30 versehen,
die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das
zwischen dem Rotorbauteil 26 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche
Lagerfluid ausübt,
so dass das Axiallager 28 tragfähig wird. Der Lagerspalt 16 erstreckt
sich axial entlang der Welle 10 und den Radiallagern 18, 22 und
dann weiter radial entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und
des Axiallagers 28.
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Das
Lager ist am unteren Ende der Welle 12 durch eine Abdeckplatte 40 verschlossen,
die in der Aussparung in der Lagerbuchse 10 dem unteren Wellenende
gegenüber
liegend angeordnet ist. An der Unterseite der Welle 12 ist
ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 36 angeordnet,
der einen vergrößerten Außendurchmesser
im Vergleich zum Durchmesser der Welle 12 aufweist. Der
Stopperring 36 verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus
der Lagerbuchse 10.
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Voneinander
entfernte Abschnitte des Lagerspalts 16 sind durch einen
Rezirkulationskanal 32 miteinander verbunden. Der Rezirkulationskanal 32 ist
innerhalb der Lagerbuchse 10 angeordnet. Der Rezirkulationskanal 32 verläuft von
einem an den Stopperring 36 angrenzenden Bereich des Lagerspalts
bis zum Lagerspalt im Bereich radial außerhalb des Axiallagers 28.
Durch die Lagerrillenstrukturen der Axial- und Radiallager wird
eine überwiegend in
Richtung des Stopperrings 38 gerichtete Pumpwirkung auf
das Lagerfluid ausgeübt.
Das Lagerfluid zirkuliert im Lagerspalt 16 ausgehend vom
Axiallager 28 über
die Radiallager 18 und 22 nach unten und gelangt
von dort über
den Rezirkulationskanal 32 wieder an die Außenseite
des Axiallagers 28, wo es durch die radial nach innen gerichtete
Pumpwirkung des Axiallagers 28 wieder in Richtung der Radiallager 18, 22 gepumpt
wird.
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Am
Außendurchmesser
des Axiallagers 28 geht der Lagerspalt 16 in einen
Dichtungsspalt 38 über,
der sich nun über
den Außenumfang
der Lagerbuchse 10 fortsetzt und sich konisch nach außen in Form
einer konischen Kapillardichtung erweitert.
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Die
Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 42 gehalten,
welche auch eine ringförmige
Statoranordnung 44 trägt
Die Statoranordnung 44 besteht aus einem Eisenblechpaket
und darauf angeordneten Statorwicklungen und ist umgeben von einem
Rotormagneten 46, welcher am Rotorbauteil 26 befestigt ist.
Der Rotormagnet 46 ist um einen Betrag d axial versetzt
zur Statoranordnung 44 am Rotorbauteil 26 befestigt.
Dadurch ist die magnetische Mitte des Rotormagneten 46 ist
etwas oberhalb der Mitte des Stators 44 angeordnet, wodurch
sich eine nach unten zur Basisplatte 42 hin gerichtete
Kraft FV ergibt, welche der durch das Axiallager 28 erzeugten
Kraft entgegenwirkt.
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Außerdem ist
an der Basisplatte des Motors, direkt axial gegenüberliegend
dem Rotormagneten 46, ein ferromagnetisches Bauteil 48 angeordnet. Dieses
ferromagnetische Bauteil 48 wird vom Rotormagneten 46 angezogen
und es wird eine axial gerichtete, magnetische Kraft generiert,
die sich zur Kraft FV aufsummiert. Somit
trägt auch
das ferromagnetische Bauteil 48 zur magnetischen Vorspannung bei.
Das ferromagnetische Bauteil 48 kann aber auch weggelassen
werden, falls die durch den Versatz zwischen Rotormagnet 46 und
Statoranordnung 44 erzeugte magnetische Vorspannung für den Anwendungsbereich
ausreichend groß ist.
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Die
Vorspannungskraft FV kann vereinfacht durch
die unten genannte Gleichung ausgedrückt werden. Die Kraft ist direkt
proportional zum Quadrat der magnetischen Flussdichte B bzw. dem
magnetischen Fluss Φ.
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Erfindungsgemäß wird nun
für den
Rotormagneten 46 ein magnetisches Material verwendet, dessen
magnetische Flussdichte B einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist. Dieses Material kann beispielsweise MR8C sein, dessen
magnetische Flussdichte B einen Temperaturkoeffizient von –0,14%/K
aufweist. Geht man von einem Betriebstemperaturbereich für den Spindelmotor
von 0°C
bis 70°C
aus, so nimmt die magnetische Kraft des Rotormagneten von 0°C bis 70°C um ca.
18% ab. Gleichzeitig nimmt auch die Viskosität des Lagerfluids um einen
Faktor von ca. 8,5 ab, für
ein Lagerfluid mit geringer Viskositätsschwankung, beispielsweise
ein synthetischer Diester. Daraus ergibt sich, dass bei höheren Temperaturen
die Viskosität
sich reduziert und damit sich die Axiallagerkraft verringert, aber gleichzeitig
auch die durch den Rotormagneten erzeugte axiale Vorspannungskraft
abnimmt. Dadurch ändert
sich die Breite des Axiallagerspaltes im Temperaturbereich von 0°C bis 70°C nur in
einem zulässigen
Bereich, auch wenn der Motor bei verschiedenen Drehzahlen beispielsweise
5400 bis 7200 U/min und in verschiedenen Orientierungen betrieben
wird.
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Beispielsweise
beträgt
die magnetische Vorspannungskraft im gegebenen Temperaturbereich von
0°C bis
70°C etwa
0,49 Newton bei 0°C
und 0,40 Newton bei 70°C
Umgebungstemperatur. Dies ergibt sich aus 2, wo der
Verlauf der Kurve 52 die magnetische Vorspannungskraft
FV in Newton über die Temperatur aufzeigt.
Im gleichen Temperaturbereich verändert sich die Viskosität des verwendeten
Lagerfluids beispielsweise von 35 Centipoise (cP) bei 0°C bis etwa
12 cP bei 70°C.
Hierbei ist ein insgesamt niedrigviskoses Lagerfluid vorteilhaft,
das zudem eine geringe Änderung
der Viskosität über die
Temperatur aufweist.
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Aus 2 erkennt
man, dass bei einem überwiegend
verwendeten Temperaturbereich von etwa 15°C bis 55°C die beiden Kurven 52, 54 für die Vorspannungskraft
FV und Viskosität des Lagerfluids ähnlich verlaufen.
Die Abnahme der Viskosität 54 und
die damit verbundene Änderung
der Lagerkraft in diesem Temperaturbereich hält sich dann in etwa die Waage
mit der Abnahme der Vorspannungskraft 52, so dass der Einfluss
der Temperatur auf die Flughöhe des
Axiallagers wesentlich geringer ist, als bei einem herkömmlichen
Lager ohne Temperaturkompensation. Generell wird bei einem Spindelmotor
für 2,5
Zoll Festplattenlaufwerke bei 20° Umgebungstemperatur eine
Flughöhe
d. h. eine Breite des Axiallagerspaltes von ca. 9 μm angestrebt.
Dieser Lagerspalt darf sich bei hoher Temperatur bis ca. 2 μm verringern.
Bei niedrigen Temperaturen von ca. 0°C kann der Lagerspalt bis zu
25 μm breit
sein.
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Rotationsachse
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Radiallager
- 20
- Lagerrillenstrukturen
- 22
- Radiallager
- 24
- Lagerrillenstrukturen
- 26
- Rotorbauteil
- 28
- Axiallager
- 30
- Lagerrillenstrukturen
- 32
- Rezirkulationskanal
- 34
- Separator
- 36
- Stopperring
- 38
- Dichtungsspalt
- 40
- Abdeckplatte
- 42
- Basisplatte
- 44
- Statoranordnung
- 46
- Rotormagnet
- 48
- ferromagnetisches
Bauteil
- 50
- Speicherplatte
- 52
- Magnetische
Vorspannungskraft
- 54
- Viskosität
- FV
- magnetische
Vorspannkraft
- d
- Versatz