DE102009039063B4

DE102009039063B4 - Dynamische Pumpdichtung für ein fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102009039063B4
Application number: DE102009039063.4A
Authority: DE
Inventors: Lei Jiang; Dr. Fuss Thomas
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: DE102009039063A1

Abstract

Dynamische Pumpdichtung zur Abdichtung eines mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalts (20) eines fluiddynamischen Lagersystems, mit einer ersten Dichtungsfläche und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Dichtungsfläche, wobei die beiden Dichtungsflächen durch einen anteilig mit einem Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt (32) voneinander getrennt sind, wobei der Dichtungsspalt (32) an ein offenes Ende des Lagerspalts (20) angrenzt, wobei mindestens eine der beiden Dichtungsflächen mit Rillenstrukturen (36a, 136a) versehen ist, die derart angeordnet sind, dass sie bei einer Relativbewegung der Dichtungsflächen zueinander das im Dichtungsspalt (32) befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspalts (20) pumpen, wobei mindestens ein Blasenkanal (37, 137) vorgesehen ist, der auf mindestens einer Dichtungsfläche quer zu den Rillenstrukturen (36a, 136) der Pumpdichtung angeordnet ist, wobei der Blasenkanal (37; 137) in einem Winkel von 0°-25° in bezug auf die Normale der Richtung der Relativbewegung angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine dynamische Pumpdichtung zur Abdichtung eines Lagerspalts eines fluiddynamischen Lagersystems gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet werden.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme 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. Die offenen Enden des Lagerspaltes müssen abgedichtet werden, damit kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt austritt und andere Komponenten des Spindelmotors verschmutzt. Die Abdichtung des Lagerspalts erfolgt beispielsweise durch statische Kapillardichtungen oder dynamische Pumpdichtungen oder eine Kombination dieser beiden Dichtungsarten.
Die DE 10 2008 052 469 A1 beschreibt insbesondere in 8 einen Spindelmotor mit fluiddynamischen Lagersystem, bei dem ein Ende des Lagerspalts durch eine Kombination eines kapillaren Dichtungsspalts und einer dynamischen Pumpdichtung abgedichtet ist. Der Dichtungsspalt ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Die Pumpdichtung ist durch Rillenstrukturen gekennzeichnet, die auf einer oder beiden, einander gegenüberliegenden Dichtungsflächen aufgebracht sind. Im Betrieb des Spindelmotors rotieren die Dichtungsflächen relativ zueinander und die Rillenstrukturen pumpen das im Dichtungsspalt befindliche Lagerfluid in das Innere des Lagerspalts. Dadurch wird ein Austreten des Lagerfluids aus dem Dichtungsbereich verhindert.
Je nach Auslegung und Herstelltoleranzen von Lagern kann es vorkommen, dass die dynamische Pumpdichtung das Öl vollständig aus dem Dichtungsspalt in Richtung des Lagerspaltes pumpt, beispielsweise wenn die andere Seite des Lagerspaltes durch eine einfache Kapillardichtung abgedichtet ist. Ist der Dichtungsspalt jedoch frei von Lagerfluid, so wirkt die Pumpdichtung wie eine Luftpumpe und kann Luft von außen in den Lagerspalt pumpen. Im Lagerspalt befindliche Luft stört jedoch den Schmierfilm im Lager und kann zu Beschädigungen oder Ausfallen des Lagers führen. Andererseits ist es durch die in Richtung des Lagerspaltes wirkende Pumpdichtung schwierig, dass bereits im Lager befindliche Luftblasen ausgasen können, da sie die durch die Pumpdichtung definierte Druckschwelle nicht überschreiten können.
Die US 7 411 762 B2 offenbart eine dynamische Pumpdichtung zur Abdichtung eines mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalts eines fluiddynamischen Lagers, die eine erste Dichtungsfläche und einer dieser gegenüberliegende zweite Dichtungsfläche aufweist. Die beiden Dichtungsflächen sind durch einen anteilig mit einem Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt voneinander getrennt, wobei der Dichtungsspalt an ein offenes Ende des Lagerspaltes angrenzt. Mindestens eine der beiden Dichtungsflächen ist mit Rillenstrukturen versehen, die derart angeordnet sind, dass sie bei einer Relativbewegung der Dichtungsflächen zueinander das im Dichtungsspalt befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspaltes pumpen. Zusätzlich zu den Rillenstrukturen ist mindestens ein Kanal vorgesehen, der auf mindestens einer Dichtungsfläche quer zu den Rillenstrukturen angeordnet ist. Hier ist im Grunde keine dynamische Pumpdichtung offenbart, sondern fluiddynamische Lagerrillenstrukturen, die jedoch ähnliche Eigenschaften wie eine dynamische Pumpdichtung aufweisen.
Weitere fluiddynamische Lagerstrukturen mit Eigenschaften einer dynamischen Pumpdichtung sind in US 7 525 226 B2 und US 2004/0070298 A1 offenbart.
Maßnahmen zum Verhindern eines Lufteintrages bzw. zum Ausleiten von Luft aus dem fluiddynamischen Lager sind in den oben genannten Schriften nicht offenbart.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine dynamische Pumpdichtung für ein fluiddynamisches Lager anzugeben, welche die Gefahr eines Eintragens von Luft vom Dichtungsbereich in den Lagerspalt reduziert und eine verbesserte Ausleitung von Luftblasen aus dem Lagerfluid erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine dynamische Pumpdichtung und ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die beschriebene dynamische Pumpdichtung zur Abdichtung eines mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalts eines fluiddynamischen Lagers umfasst eine erste Dichtungsfläche und einer dieser gegenüberliegende zweite Dichtungsfläche. Die beiden Dichtungsflächen sind durch einen anteilig mit einem Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt voneinander getrennt, wobei der Dichtungsspalt an ein offenes Ende des Lagerspaltes angrenzt. Mindestens eine der beiden Dichtungsflächen ist mit Rillenstrukturen versehen, die derart angeordnet sind, dass sie bei einer Relativbewegung der Dichtungsflächen zueinander das im Dichtungsspalt befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspaltes pumpen. Zusätzlich zu den Rillenstrukturen ist mindestens ein Blasenkanal vorgesehen, der auf mindestens einer Dichtungsfläche quer zu den Rillenstrukturen angeordnet ist, wobei der Blasenkanal in einem von 0° bis 25° in Bezug auf die Normale der Richtung der Relativbewegung der beiden Dichtungsflächen angeordnet ist. Das bedeutet, dass der Blasenkanal beispielsweise parallel zu einer Rotationsachse des fluiddynamischen Lagers verläuft oder in einem spitzen Winkel zur Rotationsachse.
Der Blasenkanal weist im Vergleich zu den Rillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung eine größere Tiefe auf. Während die Rillenstrukturen vorzugsweise eine Tiefe von bis zu 15 Mikrometer aufweisen, beträgt die Tiefe des Blasenkanals vorzugsweise zwischen 50 und 200 Mikrometern. Die Breite des Blasenkanals ist vorzugsweise auch größer ist als die Breite der Rillenstrukturen und beträgt etwa 100 bis 200 Mikrometer. Die Länge des Blasenkanals ist geringer als die Ausdehnung der Rillenstrukturen entlang der Rotationsachse. Vorzugsweise weist der Blasenkanal eine Länge auf, die mindestens halb so groß ist, wie die Ausdehnung der Rillenstrukturen senkrecht zur Richtung der Relativbewegung.
Um eine besonders gute Ausleitung von Luftbläschen aus dem Lagerspalt zu gewährleisten kann es vorgesehen sein, dass der Blasenkanal direkt mit dem Lagerspalt verbunden ist, d. h. an einer Seite unmittelbar an den Lagerspalt angrenzt. Um eine direkte Verbindung mit dem Lagerspalt zu erreichen, kann der Blasenkanal sowohl einen axial zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt als auch einen radial verlaufenden Abschnitt aufweisen.
Die Rillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung sind in bekannter Weise schräg zur Richtung der Relativbewegung der Dichtungsflächen angeordnet. Bei einer Relativbewegung der Dichtungsflächen wird somit eine ausreichende Pumpwirkung in einer definierten Richtung erzielt. Die Rillenstrukturen können im Wesentlichen gerade Linienstrukturen umfassen oder aber abgewinkelte Rillenstrukturen in Form eines symmetrischen oder unsymmetrischen Fischgrätmusters.
Die Pumpdichtung bzw. der Dichtungsspalt ist Teil eines fluiddynamischen Lagersystems, das zwischen mindestens einem feststehenden Bauteil und mindestens einem rotierenden Lagerbauteil ausgebildet ist. Der Lagerspalt des fluiddynamischen Lagersystems wird zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Lagerbauteils ausgebildet. Das Lagersystem umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager, die entlang von Abschnitten des Lagerspaltes angeordnet sind. Zur Abdichtung des Lagerspaltes sind Dichtungsmittel vorgesehen, die mindestens eine dynamische Pumpdichtung umfassen welche mit Rillenstrukturen versehene Dichtungsflächen aufweist. Eine Dichtungsfläche weist mindestens einen Blasenkanal auf, der quer zu den Rillenstrukturen angeordnet ist, wobei der Blasenkanal in einem Winkel von 0° bis 25° in Bezug auf die Normale der Richtung der Relativbewegung der beiden Dichtungsflächen angeordnet ist. Das feststehende Bauteil des fluiddynamischen Lagersystems umfasst ein erstes Lagerbauteil, eine in dem ersten Lagerbauteil aufgenommene Welle und ein an der Welle angeordnetes zweites ringförmiges Lagerbauteil. Die beiden Lagerbauteile sind in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnet. Das rotierende Bauteil des fluiddynamischen Lagers umfasst eine Lagerbuchse, die zwischen den beiden Lagerbauteilen auf der Welle drehbar angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Lagersystem zwei fluiddynamische Radiallager auf, die gebildet werden durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse. Das fluiddynamische Axiallager wird vorzugsweise gebildet durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Stirnseiten des ersten Lagerbauteils und der Lagerbuchse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Lagerspalt zwei offene Enden auf, die beide durch Dichtungsmittel abgedichtet sind. Die Dichtungsmittel können zum einen Kapillardichtungen umfassen und umfassen zum anderen mindestens eine dynamische Pumpdichtung.
Vorzugsweise ist in der Lagerbuchse ein Rezirkulationskanal angeordnet, der an die offenen Enden angrenzende Abschnitte des Lagerspaltes miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids durch den Lagerspalt ermöglicht.
Das fluiddynamische Lagersystem mit dynamischer Pumpdichtung gemäß der Erfindung kann vorzugsweise zur Drehlagerung des Rotors eines Spindelmotors eingesetzt werden. Der Rotor wird relativ zum Stator des Spindelmotors von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dadurch ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Figurenliste

1: zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem und dynamischer Pumpdichtung
2: zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des fluiddynamischen Lagersystems mit dynamischer Pumpdichtung in einer ersten Ausgestaltung
3a: zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils des fluiddynamischen Lagersystems mit dynamischer Pumpdichtung in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung
3b zeigt eine perspektivische Ansicht der Welle und des zweiten Lagerbauteils des fluiddynamischen Lagersystems aus 3a.
4a: zeigt eine schematische Aufsicht auf den Bereich der Pumpdichtung mit Anordnung der Rillenstrukturen und des Blasenkanals an der Lagerbuchse
4b: zeigt eine Aufsicht auf die Pumpdichtung mit einer Anordnung der Rillenstrukturen an der Lagerbuchse und der Blasenkanäle in der Welle.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager und einer dynamischen Pumpdichtung 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. 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 Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt
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. Die Lagerflächen sind mit geeigneten Lagerrillen versehen, so dass sie mit 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 beispielsweise durch 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. Der Dichtungsspalt 34 dichtet den Lagerspalt 20 an dieser Seite ab. 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.
Auf 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 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Der Dichtungsspalt 32 umfasst vorzugsweise eine Pumpdichtung 36, die durch Rillenstrukturen 36a gekennzeichnet ist. Eine Abdeckkappe 30 verschließt den Dichtungsspalt 32. 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.
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.
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.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Lagers im Bereich der dynamischen Pumpdichtung. Man erkennt den Dichtungsspalt 32, der zwischen dem Lagerbauteil 18 und der Lagerbuchse 14 gebildet ist und zunächst axial verläuft, dann ein kurzes Stück radial wo er dann in den axial verlaufenden Lagerspalt 20 übergeht. Der Dichtungsspalt 32 bildet eine Kapillardichtung, die den Lagerspalt 20 an diesem Ende abdichtet. Unterstützt wird die Kapillardichtung durch eine dynamische Pumpdichtung 36. Die dynamische Pumpdichtung 36 umfasst Rillenstrukturen 36a, die schräg zur Rotationsachse 46 des Lagers angeordnet sind. Die Rillenstrukturen 36a befinden sich vorzugsweise auf der Oberfläche der Lagerbuchse 14 und zeigen bei Rotation der Lagerbuchse 14 relativ zum Lagerbauteil 18 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid. Das Lagerfluid im Dichtungsspalt 32 wird aufgrund dieser Pumpwirkung in Richtung des Lagerspaltes 20 gepumpt.
Im Ruhezustand des Lagers kann der Füllstand des Lagerfluids in dem Kapillarspalt 32 bis an den oberen Rand der Lagerbuchse 14 reichen. Sobald sich das Lager in Rotation befindet, verringert sich der Füllstand des Lagerfluids im Dichtungsspalt 32 aufgrund der Pumpwirkung der Rillenstrukturen 36a. Im Extremfall kann der Dichtungsspalt 32 ganz leer gepumpt werden, so dass durch die Pumpstrukturen 36a der Pumpdichtung 36 lediglich Luft in Richtung des Lagerspaltes gepumpt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Leerpumpen des Dichtungsspaltes 32 nun verhindert durch Anordnung eines oder mehrerer Blasenkanäle 37 über den Umfang des Lagerbauteils 18. Die Blasenkanäle 37 verlaufen etwa parallel zur Rotationsachse 46 und schräg zu den Rillenstrukturen 36a. Die Blasenkanäle 37 können beispielsweise einen Winkel von 0° bis 25° im Bezug auf die Rotationsachse 46 einschließen. Die Länge der Blasenkanäle 37 in axialer Richtung, also in Richtung der Rotationsachse 46, ist geringer als die axiale Höhe des Lagerbauteils 18. Die Blasenkanäle 37 beginnen am unteren Rand des Lagerbauteils 18 und erstrecken sich in axialer Richtung bis etwa zur Hälfte des Lagerbauteils 18 in einen Bereich, wo noch die Rillenstrukturen 36a wirksam sind. Durch diese Blasenkanäle 37 wird zum einen erreicht, dass im dynamischen Betrieb der Pumpdichtung der Fluidpegel 50 des Lagerfluids nur noch bis zum oberen Ende der Blasenkanäle 37 absinken kann. Dadurch ist die Pumpdichtung 36 immer mit ausreichend Lagerfluid versorgt, so dass die Gefahr eines Eindringens von Luft in den Lagerspalt verringert wird.
Zum anderen wirken die Blasenkanäle 37 als Leitungen zum Ausleiten von Luftbläschen, die sich im Lagerspalt 20 oder im Bereich des Rezirkulationskanals 28 angesammelt haben. Die Blasenkanäle 37 bilden eine Zone gleichbleibenden Druckes, der dem Umgebungsdruck im Wesentlichen entspricht, so dass die Luftbläschen, die im Inneren des Lagers sich angesammelt haben, keine Druckschwelle überwinden müssen, um über die Blasenkanäle 37 nach außen zu entweichen.
3a zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Pumpdichtung, die im Unterschied zur Pumpdichtung aus 2 Pumpstrukturen 136a aufweist, die ein unsymmetrisches Fischgrätmuster mit abgewinkelten Lagerrillenstrukturen darstellen. Durch diese unsymmetrischen Rillenstrukturen 136a der Pumpdichtung 136 wird unter anderem erreicht, dass der mit Lagerfluid teilweise gefüllte Dichtungsspalt 32 nicht leer gepumpt wird. Die Rillenstrukturen 136a erzeugen sowohl eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerspaltes als auch in der entgegen gesetzten Richtung, wobei sich ein Kräftegleichgewicht einstellt, welches im dynamischen Betrieb einem entsprechenden Fluidpegel des Lagerfluids entspricht. Gleichzeitig oder zusätzlich sind Blasenkanäle 137 vorgesehen, welche wie in 2 erläutert den Fluidpegel 50 zusätzlich auf ein vorgegebenes Maß begrenzen. Die Blasenkanäle 137 können nicht nur in axialer Richtung auf dem Lagerbauteil 18 angeordnet sein, sondern sich auch in radialer Richtung nach unten fortsetzen bis hin zum Lagerspalt 20. Die Blasenkanäle 137 haben daher eine direkte Verbindung zum Lagerspalt 20 und erleichtern somit ein Austreten von Luftbläschen aus dem Lagerspalt aus dem Lager.
3b zeigt eine isometrische Darstellung der Welle 12 und des zweiten Lagerbauteils 18, der bereits in 3a beschriebenen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems. Man erkenn deutlich dass sich der Blasenkanal 137 an der unteren Stirnseite des Lagerbauteils 18 fortsetzt und somit eine direkte Verbindung zum Lagerspalt aufweist.
4a zeigt eine Aufsicht auf das Lager im Bereich der Pumpdichtung 36. Man erkennt die Lagerbuchse 14 mit der entsprechenden Lagerbohrung, in welcher die Welle 12 angeordnet ist. Die Rillenstrukturen 36a der Pumpdichtung 36 sind vorzugsweise auf der Oberfläche der Lagerbuchse 14 angeordnet. Zusätzlich sind drei über den Umfang der Lagerbohrung verteilte Blasenkanäle 37 angeordnet. Diese sind deutlich breiter und auch tiefer als die Rillenstrukturen 36a und ermöglichen einen Durchtritt von Luftbläschen.
4b zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung mit einer Lagerbuchse 14, an deren Innenwandung die entsprechenden Rillenstrukturen 36a der Pumpdichtung 36 angeordnet sind. In der Lagerbohrung ist die Welle 12 angeordnet. Die Blasenkanäle 37 sind nun erfindungsgemäß am Außendurchmesser der Welle 12 verteilt angeordnet. Dies hat gegenüber 4a den Vorteil, dass dort eine Ausleitung von Luftbläschen leichter erfolgen kann, da der Druck im Dichtungsspalt 32 radial weiter außen größer ist als radial weiter innen. Der Grund dafür ist die Fliehkraft, die bei Rotation der Lagerbauteile 12, 14 auf das Lagerfluid wirkt und das Fluid radial nach außen drückt. Radial außen ist daher ein höherer Druck als radial innen im Bereich der Oberfläche der Welle 12. Die Luftblasen sammeln sich daher eher im Bereich des geringeren Druckes und können über die Blasenkanäle 37 gezielt ausgeleitet werden.
Bezugszeichenliste

10: Grundplatte
12: Welle
14: Lagerbuchse
16: erstes Lagerbauteil
18: zweites Lagerbauteil
20: Lagerspalt
22a, 22b: Radiallager
24: Separator-Nut
26: Axiallager
27: Lagerrillen
28: Rezirkulationskanal
30: Abdeckkappe
32: Dichtungsspalt
34: Dichtungsspalt
35: Spalt-Abschnitt
36: Pumpdichtung
36a: Rillenstrukturen
37: Blasenkanal
38: Stufe
40: ferromagnetischer Ring
42: Statoranordnung
44: Magnet
46: Drehachse
48: Nabe
50: Fluidpegel (dynamisch)
136: Pumpdichtung
136a: Rillenstrukturen
137: Blasenkanal

Claims

Dynamische Pumpdichtung zur Abdichtung eines mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalts (20) eines fluiddynamischen Lagersystems, mit einer ersten Dichtungsfläche und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Dichtungsfläche, wobei die beiden Dichtungsflächen durch einen anteilig mit einem Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt (32) voneinander getrennt sind, wobei der Dichtungsspalt (32) an ein offenes Ende des Lagerspalts (20) angrenzt, wobei mindestens eine der beiden Dichtungsflächen mit Rillenstrukturen (36a, 136a) versehen ist, die derart angeordnet sind, dass sie bei einer Relativbewegung der Dichtungsflächen zueinander das im Dichtungsspalt (32) befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspalts (20) pumpen, wobei mindestens ein Blasenkanal (37, 137) vorgesehen ist, der auf mindestens einer Dichtungsfläche quer zu den Rillenstrukturen (36a, 136) der Pumpdichtung angeordnet ist, wobei der Blasenkanal (37; 137) in einem Winkel von 0°-25° in bezug auf die Normale der Richtung der Relativbewegung angeordnet ist.
Dynamische Pumpdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (37, 137) eine Tiefe von 50 bis 200 Mikrometer aufweist.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (37; 137) eine Breite von 100 bis 200 Mikrometer aufweist.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (37; 137) eine Länge aufweist, die mindestens halb so groß ist wie die Ausdehnung der Rillenstrukturen (36a; 136a) senkrecht zur Richtung der Relativbewegung.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (137) direkt mit dem Lagerspalt (20) verbunden ist.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (36a; 136a) schräg zur Richtung der Relativbewegung der Dichtungsflächen angeordnet sind.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (36a) im wesentlichen gerade Linienstrukturen umfassen.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (136a) fischgrätförmige Linienstrukturen umfassen.
Dynamische Pumpdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die fischgrätförmigen Linienstrukturen asymmetrisch ausgebildet sind, so dass sie bei einer Relativbewegung der Dichtungsflächen zueinander das im Dichtungsspalt (32) befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspalts (20) pumpen.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (36a; 136a) eine Tiefe von bis zu 15 Mikrometer aufweisen.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (20) als Teil eines fluiddynamischen Lagersystems zwischen mindestens einem feststehenden Bauteil (12; 16; 18) und mindestens einem rotierenden Bauteil (14) ausgebildet ist, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse (46) drehbar gelagert ist, wobei der Lagerspalt (20) zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und des rotierenden Bauteils ausgebildet ist, und das Lagersystem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (22a; 22b) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (26) aufweist, die entlang von Abschnitten des Lagerspalts (20) angeordnet sind, und Dichtungsmittel (32; 24; 36; 136) zur Abdichtung des Lagerspalts (20) vorgesehen sind.
Dynamische Pumpdichtung nach Anspruch 11, 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.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil eine Lagerbuchse (14) umfasst, die zwischen den beiden Lagerbauteilen (16; 18) auf der Welle (12) drehbar angeordnet ist.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Radiallager (22a; 22b) gebildet wird durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt (20) voneinander beabstandete Oberflächen der Welle (12) und der Lagerbuchse (14).
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (26) durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Stirnseiten des ersten Lagerbauteils (16) und der Lagerbuchse (14) gebildet wird.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (20) zwei offene Enden aufweist, die durch die Dichtungsmittel (32; 34; 36; 136) abgedichtet sind.
Dynamische Pumpdichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel (32; 34) Kapillardichtungen umfassen.
Dynamische Pumpdichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lagerbuchse ein Rezirkulationskanal (28) angeordnet ist, der an die offenen Enden angrenzende Abschnitte des Lagerspalts (20) miteinander verbindet.
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 Dichtungsmittel (32; 34; 36; 136) zur Abdichtung des Lagerspalts, wobei die Dichtungsmittel mindestens eine dynamischen Pumpdichtung (36; 136) mit einer ersten Dichtungsfläche und eine dieser gegenüberliegenden zweiten Dichtungsfläche umfassen, wobei die beiden Dichtungsflächen durch einen anteilig mit dem Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt (32) voneinander getrennt sind, wobei der Dichtungsspalt (32) an ein offenes Ende des Lagerspalts (20) angrenzt, wobei mindestens eine der Dichtungsflächen mit Rillenstrukturen (36a; 136a) versehen ist, die derart angeordnet sind, dass sie bei einer Bewegung der Dichtungsflächen relativ zueinander das im Dichtungsspalt (32) befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspalts (20) pumpen, wobei mindestens ein Blasenkanal (37; 137) vorgesehen ist, der auf mindestens einer Dichtungsfläche quer zu den Rillenstrukturen (36a; 136a) der Pumpdichtung (36; 136) angeordnet ist, wobei der Blasenkanal (37; 137) in einem Winkel von 0°-25° in bezug auf die Normale der Richtung der Relativbewegung angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (37; 137) eine Tiefe von 50 bis 200 Mikrometer aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (37; 137) eine Breite von 100 bis 200 Mikrometer aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (37; 137) eine Länge aufweist, die mindestens halb so groß ist wie die Ausdehnung der Rillenstrukturen (36a; 136a) senkrecht zur Richtung der Relativbewegung.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenkanal (37; 137) direkt mit dem Lagerspalt (20) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (36a; 136a) schräg zur Richtung der Relativbewegung der Dichtungsflächen angeordnet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (36a) im wesentlichen gerade Linienstrukturen umfassen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (136a) fischgrätförmige Linienstrukturen umfassen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die fischgrätförmigen Linienstrukturen asymmetrisch ausgebildet sind, so dass sie bei einer Relativbewegung der Dichtungsflächen zueinander das im Dichtungsspalt (32) befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspalts (20) pumpen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (36a; 136a) eine Tiefe von bis zu 15 Mikrometer aufweisen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 19 bis 28, 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 19 bis 29, 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 19 oder 30, 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 19 bis 31, 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 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (20) zwei offene Enden aufweist, die durch die Dichtungsmittel (32; 34; 36; 136) abgedichtet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel (32; 34) Kapillardichtungen umfassen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lagerbuchse ein Rezirkulationskanal (28) angeordnet ist, der an die offenen Enden angrenzende Abschnitte des Lagerspalts (20) miteinander verbindet.
Spindelmotor mit einem Stator und einem Rotor und einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 19 bis 35 zur Drehlagerung des Rotors, der von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird.