DE102009052689A1 - Fluiddynamisches Lager mit optimiertem Lagerreibungsverlust - Google Patents

Fluiddynamisches Lager mit optimiertem Lagerreibungsverlust Download PDF

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    • G11B19/2009Turntables, hubs and motors for disk drives; Mounting of motors in the drive
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/10Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for both radial and axial load
    • F16C17/102Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for both radial and axial load with grooves in the bearing surface to generate hydrodynamic pressure
    • F16C17/107Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for both radial and axial load with grooves in the bearing surface to generate hydrodynamic pressure with at least one surface for radial load and at least one surface for axial load
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C2370/12Hard disk drives or the like

Abstract

Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager zur Drehlagerung einer Last umfasst eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung und eine Welle, die in der Lagerbohrung der Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Die Welle hat einen Durchmesser Dshaft und weist zusammen mit der Last eine Masse mRot und eine senkrecht zur Rotationsachse verlaufende Schwereebene auf. Ein axialer Lagerspalt verläuft zwischen Oberflächen der Lagerbohrung und der Welle. Es ist ein erstes Radiallager vorgesehen, das eine Lagerlänge LURB aufweist und in einem ersten Abstand Lupper zur Schwereebene angeordnet ist. Ein zweites Radiallager ist in einem zweiten Abstand Llower zur Schwereebene CG angeordnet. Erfindungsgemäß umfasst das Lager einen den Lagerreibungsverlust bestimmenden Parameter R, wobei R <= 1,0 angestrebt wird.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager mit optimiertem Lagerreibungsverlust. Fluiddynamische Lager werden bevorzugt zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt.
  • Stand der Technik
  • Eine bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der DE 102 39 650 B3 offenbart. Der Spindelmotor dient zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks und umfasst eine Grundplatte mit einer darin befestigten Lagerbuchse. Die Lagerbuchse weist eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle auf. Die Welle rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse und bildet zusammen mit dieser ein Radiallager. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerbuche sind durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. In wenigstens einer Lageroberfläche ist eine Lagerrillenstruktur eingearbeitet, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung zwischen Welle und Lagerbuchse lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausübt. Auf diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms innerhalb des Lagerspalts führt, der durch Zonen fluiddynamischen Druckes stabilisiert wird. Die Welle trägt eine Nabe, auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten des Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der beschriebenen Welle entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager verhindert. Die fluiddynamischen Axiallager werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse und der anderen Stirnfläche die innen liegende Stirnfläche einer Abdeckung zugeordnet ist. Die Abdeckung bildet ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt eindringt oder das Lagerfluid ausläuft. Bei dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges Lagerfluid, beispielsweise ein Lageröl verwendet. Es ist ein elektromagnetisches Antriebssystem vorhanden, das aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung und einem an der Nabe angeordneten Permanentmagneten besteht.
  • Die DE 102 39 650 B3 zeigt ein bei Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken häufig verwendetes Single-Plate-Design, d. h. es ist nur eine Druckplatte vorhanden. Der Motor umfasst relativ wenige, einfach und kostengünstig produzierbare und verbindbare Teile und Funktionskomponenten, und ist daher sehr robust, da Toleranzen und auch die Funktionsweise von radialem und axialem Lager praktisch unabhängig voneinander sind. Es ist eine Anordnung aller Bauteile des Motors unter der glockenförmigen Nabe möglich, insbesondere auch des Fluidlagersystems, das auf der Seite der Axiallager verschlossen ist, wobei die gegenüberliegende offene Seite durch eine Kapillardichtung abgedichtet ist. Es ist eine einfache Integration der Motorkomponenten in das Festplattenlaufwerk möglich.
  • Für Festplattenlaufwerke mit höherer Speicherkapazität und damit größerer Anzahl an Speicherplatten, z. B. mit vier oder fünf Speicherplatten, oder Serverlaufwerke mit dickeren Speicherplatten, also insgesamt höherer Rotormasse, ist es notwendig, für eine ausreichende Steifigkeit des gesamten Motorsystems zu sorgen. Dies kann z. B. durch Vergrößerung der Lagerflächen, erzielt werden, indem beispielsweise der Abstand der Radiallager oder der Durchmesser der Welle vergrößert wird. Eine Vergrößerung der Lagerfläche vergrößert aber die Lagerreibungsverluste und erhöht den Stromverbrauch des Antriebsmotors. Man ist daher bestrebt, einen Kompromiss zwischen Wellendurchmesser und Lagerreibung zu finden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Lagerreibungsverluste eines fluiddynamischen Lagersystems zu optimieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager zur Drehlagerung einer Last umfasst eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung und eine Welle, die in der Lagerbohrung der Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Die Welle hat einen Durchmesser Dshaft und weist zusammen mit der Last eine Masse mRot und eine senkrecht zur Rotationsachse verlaufende Schwereebene auf. Ein axialer Lagerspalt verläuft zwischen Oberflächen der Lagerbohrung und der Welle. Es ist ein erstes Radiallager vorgesehen, das eine Lagerlänge LURB aufweist und in einem ersten Abstand Lupper zur Schwereebene angeordnet ist. Ein zweites Radiallager ist in einem zweiten Abstand Llower zur Schwereebene CG angeordnet. Erfindungsgemäß umfasst das Lager einen den Lagerreibungsverlust bestimmenden Parameter R, wobei gilt,
    Figure 00040001
  • Der Lagerreibungsverlust hängt im Wesentlichen von der axialen Länge der Radiallager ab und dem Durchmesser der Welle. Hinzu kommt ein Lastfaktor, der abhängig ist von dem Abstand des Apex der Radiallager zur Schwerebene des Rotors.
  • Aus den oben angegeben Größen errechnet sich ein Reibungsparameter R, der vorzugsweise <= 1 sein sollte, damit der Motor eine tolerierbare Lagerreibung aufweist.
  • Für ein Lager mit einem Durchmesser der Welle zwischen 4 und 5 mm wird für den Parameter R größer gleich 1,0 angestrebt.
  • Für ein Lager mit einem Wellendurchmesser von kleiner gleich 4 mm wird ein Faktor R von kleiner gleich 0,8 sein.
  • Das fluiddynamische Lager dient vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wie er beispielsweise zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes vorgesehen sein kann. Der Spindelmotor umfasst einen Stator und einen Rotor, der mittels des fluiddynamischen Lagers gegenüber dem Stator drehgelagert ist. Der Rotor umfasst die Welle und die an der Welle angeordnete Last und wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben.
  • In einem Speicherplattenlaufwerk besteht die Last aus mehreren Speicherplatten, die an dem rotierenden Teil des Spindelmotors befestigt sind. Für eine Anzahl von Speicherplatten n = 5 und einem Wellendurchmesser zwischen 4 mm und 5 mm wird vorzugsweise R <= 1,0 gewählt.
  • Für eine Anzahl von Speicherplatten n = 4 und einem Wellendurchmesser von keiner gleich 4 mm wird vorzugsweise R <= 0,8 gewählt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit erfindungsgemäß optimiertem Lagersystem,
  • 2 zeigt ein Diagramm für Werte des Parameters R in Abhängigkeit des Wellendurchmessers Dshaft und der Anzahl n der Speicherplatten (Disks).
  • Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
  • Der in 1 dargestellte Spindelmotor 10 mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst eine Grundplatte 12 mit einer im wesentlichen zentralen Öffnung, in die eine Lagerbuchse 14 eingesetzt ist, die beispielsweise durch Verpressen, Verkleben oder Verschweißen mit der Grundplatte 12 verbunden ist. Die Lagerbuchse 14 weist eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle 16 auf, wobei zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser der Welle 16 ein ringförmiger konzentrischer Lagerspalt 20 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielweise Öl, gefüllt ist. Die Welle 16 kann daher frei in der feststehenden Lagerbuchse 14 rotieren und bildet zusammen mit dieser in bekannter Weise zwei axial voneinander beabstandete fluiddynamisches Radiallager 18a, 18b aus.
  • Am freien Ende der Welle 16 ist eine Nabe 22 befestigt, auf der mehrere Speicherplatten 36 eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der Welle 16 entlang der Rotationsachse 24 wird durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager 30a, 30b verhindert. Die fluiddynamischen Axiallager 30a, 30b werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt an einem Ende der Welle 16 angeordneten Druckplatte 26 gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte 26 eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und der anderen Stirnfläche die innen liegende Stirnfläche einer Abdeckplatte 28 zugeordnet ist. Die Abdeckplatte 28 bildet ein Gegenlager zur Druckplatte 26 und verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 20 eindringt oder Lagerfluid ausläuft.
  • Der Motor wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, das im Wesentlichen aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung 32 und einem an der Nabe angeordneten Permanentmagneten 34 besteht.
  • Die Lagerreibungsverluste hängen im Wesentlichen ab von den Abmessungen der Radiallager 18a und 18b sowie dem Durchmesser der Welle Dshaft. Insbesondere spielt hierbei die axiale Ausdehnung des ersten Radiallagers 18a eine Rolle, die bestimmt ist durch LURB.
  • Der Rotor des Motors umfasst zum einen die Welle 16, die Nabe 22 und die an der Nabe befestigten Speicherplatten 36. Ferner zählt hierzu der Rotormagnet 34. Die Gesamtmasse des Rotors beträgt mRot. Diese Gesamtmasse mRot hat eine Schwereebene, also eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse 34, die mit 38 bezeichnet ist. Erfindungsrelevant ist nun der Abstand Lupper des ersten Radiallagers 18a zur Schwerebene 38 und der Abstand Llower des zweiten Radiallagers 18b zur Schwerebene 38. Hieraus errechnet sich ein Lastfaktor FL, der bestimmt wird durch die Gewichtskraft des Rotors FRot = mRot·g dividiert durch den Abstand Llower, dividiert durch die Summe Lupper + Llower:
    Figure 00070001
  • Dieser Lastfaktor FL bestimmt den Reibungsparameter R. Der Reibungsparameter R ist abhängig vom Durchmesser der Welle Dshaft im Verhältnis zur Länge des oberen Radiallagers LURB und dem Lastfaktor FL.
    Figure 00070002
  • 2 zeigt beispielhaft berechnete Werte für den Reibungsparameter R in Abhängigkeit des Wellendurchmessers Dshaft und der Anzahl n der am Rotor befestigten Speicherplatten. Betrachtet man beispielweise die oberste Kurve für R = 1,0, so sind alle Werte unterhalb der Kurve, also R <= 1,0 geeignet und sinnvoll, während alle Werte oberhalb der Kurve, also R >= 1,0, in der Praxis nicht sinnvoll sind.
  • Für einen Festplattenantrieb mit fluiddynamischem Lager mit einem Wellendurchmesser von 5 mm und beispielsweise 4 oder 5 auf der Nabe angeordnete Speicherplatten ist des Lager so auszulegen, dass R <= 1,0 ist.
  • Bei einem Motor mit einem Wellendurchmesser von beispielsweise 4 mm und 4 oder 5 Speicherplatten ist ein Reibungsparameter R <= 0,8 anzustreben.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Spindelmotor
    12
    Grundplatte
    14
    Lagerbuchse
    16
    Welle
    18a, 18b
    Radiallager
    20
    Lagerspalt
    22
    Nabe
    24
    Rotationsachse
    26
    Druckplatte
    28
    Abdeckplatte
    30a, 30b
    Axiallager
    32
    Statoranordnung
    34
    Permanentmagnet
    36
    Speicherplatte
    38
    Schwereebene
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10239650 B3 [0002, 0003]

Claims (6)

  1. Fluiddynamisches Lager mit optimiertem Lagerreibungsverlust zur Drehlagerung einer Last, umfassend: eine Lagerbuchse (14) mit einer Lagerbohrung, eine Welle (16), die in der Lagerbohrung der Lagerbuchse (14) um eine Rotationsachse (24) drehbar gelagert ist, einen Durchmesser Dshaft aufweist und zusammen mit der Last eine Masse mRot und eine senkrecht zur Rotationsachse (24) verlaufende Schwereebene (38) aufweist, einen Lagerspalt (20), der zwischen Oberflächen der Lagerbohrung und der Welle (14) verläuft, ein erstes Radiallager (18a), das eine Lagerlänge LURB aufweist und in einem ersten Abstand Lupper zur Schwereebene (38) angeordnet ist, und ein zweites Radiallager (18b), das in einem zweiten Abstand Llower zur Schwereebene (38) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es einen den Lagerreibungsverlust bestimmenden Parameter R umfasst, wobei gilt
    Figure 00090001
  2. Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass R <= 1,0, für einen Durchmesser Dshaft der Welle (14) von 4 mm < Dshaft <= 5 mm.
  3. Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass R <= 0,8, für einen Durchmesser Dshaft der Welle (14) von Dshaft <= 4 mm.
  4. Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, mit einem Stator und einem Rotor, der mittels des fluiddynamischen Lagersystems gemäß den Ansprüche 1 bis 3 gegenüber dem Stator drehbar gelagert ist, wobei der Rotor die Welle (14) und die an der Welle angeordnete Last (22; 36) umfasst und durch ein elektromagnetisches Antriebssystem (32; 34) drehend angetrieben ist.
  5. Spindelmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Last mehrere Speicherplatten (36) des Speicherplattenlaufwerkes umfasst, wobei für eine Anzahl der Speicherplatten von n = 5 gilt: 4 mm < DShaft <= 5 mm und R <= 1,0.
  6. Spindelmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Last mehrere Speicherplatten (36) des Speicherplattenlaufwerkes umfasst, wobei für eine Anzahl der Speicherplatten von n <= 4 gilt: DShaft <= 4 mm und R <= 0,8.
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