DE102009059992A1

DE102009059992A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102009059992A1
Application number: DE102009059992A
Authority: DE
Inventors: Martin Engesser; Stefan Schwamberger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil sowie mindestens einem rotierenden Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Lager weist mindestens einen Lagerspalt auf, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Bauteile ausgebildet ist und mindestens zwei offene Enden aufweist, die durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet sind. Es ist mindestens ein fluiddynamisches Radiallager im Bereich eines axialen Abschnittes des Lagerspaltes vorhanden, das durch einander zugeordnete Lagerflächen des feststehenden und rotierenden Bauteils gebildet ist. Ferner ist mindestens ein fluiddynamisches Axiallager im Bereich eines radialen Abschnittes des Lagerspaltes vorhanden, das durch einander zugeordnete Lagerflächen des feststehenden und rotierenden Bauteils gebildet ist. Ein Rezirkulationskanal mit zwei Öffnungen, der mit Lagerfluid gefüllt ist, verbindet voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes miteinander.
Erfindungsgemäß münden die Öffnungen des Rezirkulationskanals beide in demselben radialen Abstand von der Rotationsachse in den Lagerspalt bzw. einen mit dem Lagerspalt verbundenen Spalt, wobei Teile des Rezirkulationskanals einen größeren radialen Abstand zur Rotationsachse aufweisen als die Öffnungen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet werden.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. einem Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind auf den Lagerflächen Lagerrillenstrukturen aufgebracht. Die Lagerrillenstrukturen erzeugen bei relativer Drehung der Lagerteile zueinander innerhalb des Lagerspaltes einen hydrodynamischen Druck. Dieser hydrodynamische Druck macht das Lager tragfähig.
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe verschiedener Bauformen für fluiddynamische Lager bekannt.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2006 002 286 A1 ein zweiseitig offenes Lagersystem, bei dem ein Rotorbauteil, beispielsweise eine Nabe, drehbar um eine feststehende Welle gelagert ist, wobei der Lagerspalt an beiden Seiten offen und durch Dichtungen abgedichtet ist. Oftmals umfasst ein solches Lager auch einen Rezirkulationskanal im Rotorbauteil, der die offenen Enden des Lagers miteinander verbindet und dafür sorgt, dass das Lagerfluid frei im Lagerspalt über den Rezirkulationskanal zirkulieren kann. Da der Rezirkulationskanal im rotierenden Bauteil angeordnet ist, wirken auf das darin befindliche Lagerfluid Zentrifugalkräfte, die insbesondere bei schräg zur Rotationsachse verlaufendem Rezirkulationskanal eine Pumpwirkung im Rezirkulationskanal und damit unterschiedliche Drücke an beiden Ende des Rezirkulationskanals erzeugen. Diese Drücke addieren bzw. subtrahieren sich zu den durch die Lagerstrukturen erzeugten Drücke und können je nach Drehzahl und Belastung zu unerwünschten Druckverteilungen führen. Fluidlager mit schräg zur Rotationsachse verlaufendem Rezirkulationskanal, wie z. B. auch in der DE 10 2008 052 469 A1 beschrieben, erzeugen einen Druckunterschied in Richtung des größeren Radius des Rezirkulationskanals. Je größer der radiale Abstand der Öffnungen des Rezirkulationskanals in Bezug auf die Rotationsachse ist, desto größer ist die Flussgeschwindigkeit durch den Kanal. Dieser Fluidfluss, der durch die Zentrifugalkräfte angetrieben wird, erzeugt ein niedrigeres Druckniveau am kleineren Radius des Rezirkulationskanals bis hin zu einem Unterdruck und der Gefahr von Ansammlung von Luftbläschen. Ferner kann es vorkommen, dass sich der Rezirkulationskanal aufgrund der Fliehkräfte leert.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Anordnung des Rezirkulationskanals optimiert ist, um eine bessere Druckverteilung im Inneren des Lagers zu erhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst mindestens ein feststehendes Bauteil sowie mindestens ein rotierendes Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Lager weist mindestens einen Lagerspalt auf, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Bauteile ausgebildet ist und zwei offene Enden aufweist, die durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet sind. Es ist mindestens ein fluiddynamisches Radiallager im Bereich eines axialen Abschnittes des Lagerspaltes vorhanden, das durch einander zugeordnete Lagerflächen des feststehenden und rotierenden Bauteils gebildet ist. Ferner ist mindestens ein fluiddynamisches Axiallager im Bereich eines radialen Abschnittes des Lagerspaltes vorhanden, das durch einander zugeordnete Lagerflächen des feststehenden und rotierenden Bauteils gebildet ist. Ein Rezirkulationskanal mit zwei Öffnungen, der mit Lagerfluid gefüllt ist, verbindet voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes miteinander.
Erfindungsgemäß münden die Öffnungen des Rezirkulationskanals beide in demselben radialen Abstand von der Rotationsachse in den Lagerspalt bzw. einen mit dem Lagerspalt verbundenen Spalt, wobei Teile des Rezirkulationskanals einen größeren radialen Abstand zur Rotationsachse aufweisen als die Öffnungen.
Dadurch, dass die beiden Öffnungen auf demselben radialen Durchmesser liegen, erzeugen die auf das Lagerfluid wirkende Zentrifugalkraft keine Strömung des Fluids innerhalb des Rezirkulationskanals. Somit erzeugt der Rezirkulationskanal keine Pumpwirkung auf das Lagerfluida, Vorzugsweise liegen Teile oder Abschnitte des Rezirkulationskanals auf einem größeren radialen Durchmesser als die beiden Öffnungen, so dass der Transport von Gas aus dem Lager heraus durch den entstehenden Druckunterschied begünstigt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Bauteil eine Welle, die direkt oder indirekt an einer Basisplatte befestigt ist. Das rotierende Bauteil umfasst eine Lagerbuchse, die drehbar auf der Welle angeordnet ist, und mit einem äußeren, topfförmigen Rotorbauteil verbunden ist. Die Lagerbuchse kann einteilig mit dem Rotorbauteil ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind an der Welle in einem Abstand voneinander zwei Lagerbauteile angeordnet, die zusammen mit Oberflächen der Lagerbuchse, die zwischen den Lagerbauteilen angeordnet ist, ein oder zwei Axiallager ausbilden.
In gleicher Weise bilden die Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse das Radiallager, vorzugsweise jedoch zwei Radiallager, die in einem gegenseitigen Abstand entlang der Welle angeordnet sind.
Der Lagerspalt wird jeweils durch Dichtungsspalte abgedichtet, die durch Oberflächen der Lagerbuchse sowie den auf der Welle befestigten Lagerbauteilen gebildet sind.
Der Rezirkulationskanal ist in der Lagerbuchse angeordnet und rotiert mit dieser um die Rotationsachse. In einer Ausgestaltung der Erfindung verbindet der Rezirkulationskanal einen Abschnitt des Lagerspaltes im Bereich des Axiallagers mit einem zwischen dem zweiten Dichtungsspalt und einem Radiallager liegenden Abschnitt des Lagerspaltes miteinander. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind an der Welle zwei Lagerbauteile angeordnet, die zusammen mit der Lagerbuchse zwei Axiallager ausbilden. In dieser Ausgestaltung der Erfindung verbindet der Rezirkulationskanal radial außerhalb der beiden Axiallager verlaufende Abschnitte des Lagerspaltes miteinander.
Der Rezirkulationskanal weist vorzugsweise zwei oder mehrere in unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf die Rotationsachse verlaufende Abschnitte auf. In einer ersten Ausgestaltung verläuft jeder Abschnitt des Rezirkulationskanals ausgehend von der jeweiligen Öffnung ab der einer Stirnseite der Lagerbuchse schräg nach außen in Richtung des Außenumfangs der Lagerbuchse und vereint sich dort mit dem jeweils anderen Abschnitt des Rezirkulationskanals.
In einer andern Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Rezirkulationskanal einen schräg oder parallel zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt und einen etwa senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt.
In allen beschrieben Ausgestaltungen der Erfindung können die beiden Abschnitte des Rezirkulationskanals vorzugsweise in einen Freistich am Außenumfang der Lagerbuchse durchbrechen und sich dort miteinander verbinden. Der Freistich kann auch im Rotorbauteil angrenzend an die Lagerbuchse ausgebildet sein.
Im Bereich des zweiten Dichtungsspaltes oder an beiden Dichtungsspalten kann zur Unterstützung des kapillaren Dichtungsspalts eine dynamische Pumpdichtung angeordnet sein, die durch einander gegenüberliegende, axial oder radial verlaufende Flächen der Lagerbuchse und des zweiten Lagerbauteils bzw. der Welle ausgebildet ist.
Das fluiddynamische Lager ist insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors geeignet, welcher einen Stator und einen Rotor aufweist, und von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird.
Der Spindelmotor kann zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers.
3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems.
4a zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems.
4b zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer fünften Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 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 die 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 fluiddynamische Lager umfasst eine Lagerbuchse 14, die in einem durch die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 18 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, der Lagerbuchse 14 und der Lagerbauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Die Lagerbuchse 14 hat eine zylindrische Bohrung an deren Innenumfang zwei zylindrische Lagerflächen ausbildet sind, welche durch eine dazwischen umlaufende Separator-Nut 24 mit vergrößerter Spaltbreite getrennt sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und sind mit geeigneten Lagerrillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22a und 22b ausbilden.
An das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 14 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des ersten Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 mit Lagerflächen in Form von zur Drehachse 46 senkrechten Kreisringen. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14, dem ersten Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 14, also von inneren Rand bis zum äußeren Rand. Dadurch ergibt sich im Betrieb 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 und das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen 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 Lagerbauteils 16 gebildet wird und das Ende des Fluidlagersystems an dieser Seite abdichtet. Der Dichtungsspalt 34 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 20 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und einer äußeren Umfangsfläche des Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 34 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 34 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 14 und dem Lagerbauteil 16 können jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten Lagerbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 32 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 32 umfasst eine durch entsprechende Rillen gekennzeichnete Pumpdichtung 36 und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Der Dichtungsspalt 32 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt und kann von einer ringförmigen Abdeckkappe 30 abgedeckt sein. Die Abdeckkappe 30 ist an einer Stufe 38 der Lagerbuchse 14 gehalten und dort beispielsweise angeklebt. 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.
Die strukturierten Lagerflächen des Fluidlagersystems befinden sich vorzugsweise alle an einem Teil, vorzugsweise der Lagerbuchse 14, so dass diese relativ einfach mit der geforderten Genauigkeit hergestellt werden können. Aufgrund der Montage des Lagers in dem ersten Lagerbauteil 16, das als Flansch zur Verbindung mit der Basisplatte 10 dient, ist es möglich, das Fluidlager als Baueinheit zu montieren, mit Lagerfluid zu befüllen und zu testen, bevor das Fluidlager als Baueinheit mit der Basisplatte 10 verbunden wird.
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche einer an der Lagerbuchse befestigten Nabe 48 angeordnet ist.
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 Basisplatte 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 der Rotormagnet 44 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die 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 128 ist ebenfalls mit Lagerfluid gefüllt. Der Rezirkulationskanal 28 ist erfindungsgemäß in der Lagerbuchse 14 angeordnet und umfasst vorzugsweise zwei Abschnitte 28' und 28''. Ein erster Abschnitt 28' verläuft ausgehend von einem radialen Abschnitt des Lagerspaltes 20 im Bereich zwischen dem Dichtungsspalt 32 und dem ersten Radiallager 22a schräg radial nach außen in Richtung des Axiallagers 26, durchstößt jedoch die Lagerbuchse nicht vollständig sondern vereinigt sich mit dem zweiten Abschnitt 28'' des Rezirkulationskanals 28. Der Abschnitt zweite 28'' verläuft ausgehend von der Vereinigung mit dem Abschnitt 28' radial schräg nach innen und mündet radial innerhalb des Axiallagers 26 in den Lagerspalt. Dadurch, dass die beiden Öffnungen des Rezirkulationskanals 28 auf demselben radialen Durchmesser liegen, kann durch Fliehkräfte keine gerichtete Strömung des Lagerfluids im Rezirkulationskanal 28 entstehen. Der Rezirkulationskanal 28 verläuft ausgehend von einer Öffnung radial nach außen und dann wieder radial nach innen zur zweiten Öffnung. Dadurch wird die Ausleitung von Luftblasen aus dem Lagerfluid unterstützt.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor entsprechend dem Spindelmotor in 1. Hierbei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen mit denselben Bezugszeichen zu ersehen.
Ein wesentlicher Unterschied zum Spindelmotor gemäß 1 ist, dass der Rezirkulationskanal 128 zwei Abschnitte 128' und 128'' aufweist, die ausgehend von ihren Öffnungen zum Lagerspalt 20 am Außendurchmesser der Lagerbuchse 14 durchbrechen. Dies vereinfacht die Herstellung des Rezirkulationskanals, da die beiden Abschnitte 128' und 128'' als einfache Durchgangsbohrungen ausgebildet werden können, die in einem Kanal 129 am Außenumfang der Lagerbuchse münden. Alternativ kann der Kanal 129 auch am Innenumfang des Rotorbauteils 48 ausgebildet sein. Ein Austreten des Lagerfluids aus dem Kanal und Rezirkulationskanal 28 ist ausgeschlossen, da die Lagerbuchse fest mit dem Rotorbauteil 48 verpresst ist.
3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems.
Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 110. In einer Öffnung der Basisplatte 110 ist eine Welle 112 angeordnet und fest mit der Basisplatte verbunden. Ein ringförmiges Lagerbauteil 116 ist an dem oberen freien Ende der Welle 112 angeordnet. Am unteren, der Basisplatte 110 zugewandten Bereich der Welle 112 ist ein zweites Lagerbauteil 118 angeordnet. Zwischen den beiden Lagerbauteilen 116 und 118 wird ein ringförmiger Zwischenraum gebildet, in welchem eine Lagerbuchse 114 angeordnet ist. Die Lagerbuchse 114 besitzt eine zentrale Bohrung zur Aufnahme der Welle 12 und ist auf der Welle um eine Drehachse 146 drehbar gelagert. Die Bohrung der Lagerbuchse 114 hat einen Durchmesser, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Welle 112, und die Lagerbuchse 114 hat eine axiale Länge, die geringfügig kleiner ist als die axiale Länge des Zwischenraums zwischen den beiden Lagerbauteilen 116, 118. Dadurch ergibt sich zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 112, den beiden Lagerbauteilen 116, 118 und der Lagerbuchse 114 ein Lagerspalt 120, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl gefüllt ist. Der Außenumfang der Lagerbuchse 114 weist verlängerte Enden auf, die Aussparungen zur Aufnahme der Lagerbauteile 116, 118 bilden. Die Lagerbuchse 114 bildet das bewegliche Bauteil des Lagersystems, während die Welle 112 und die beiden Lagerbauteilen 116, 118 das feststehende Bauteil des Lagersystems bilden.
Die dargestellte Lageranordnung umfasst mindestens zwei Radiallager 122a, 122b. Die Radiallager 122a, 122b werden gebildet durch die aneinander angrenzenden und durch den Lagerspalt 20 voneinander getrennten Oberflächen der Welle 112 und der Lagerbuchse 114. Die Radiallager 122a, 122b umfassen in bekannter Weise Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen, die auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen, beispielsweise der Oberfläche der Lagerbuchse 114 aufgebracht sind.
Die axialen Kräfte des Lagersystems werden durch zwei zueinander entgegengesetzt wirkende Axiallager 126a, 126b aufgenommen. Das erste Axiallager 126a wird gebildet durch sich gegenüberliegende Oberflächen der Stirnseite der Lagerbuchse 114 und dem ersten Lagerbauteil 116. Das zweite Axiallager wird gebildet durch sich gegenüberliegende Oberflächen der Stirnseiten der Lagerbuchse 114 und dem zweiten Lagerbauteil 118. Auch die Axiallager sind definiert durch spiralförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen, die entweder auf der Stirnfläche der Lagerbuchse 114 oder aber der beiden Lagerbauteile 116, 118 aufgebracht sind.
Die offenen Enden des Lagerspalts 120, radial außerhalb der Axiallager 126a, 126b, sind durch entsprechende Dichtmittel abgedichtet. Der untere Bereich des Lagerspalts 120 geht über in einen Dichtungsspalt 134, der gebildet wird durch den Außenumfang des zweiten Lagerbauteils 118 und einen gegenüber liegenden Innenumfang der Lagerbuchse 114. Der Dichtungsspalt 134 ist mit dem Lagerspalt verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 134 bildet eine konische Kapillardichtung, die außerdem als ein Ausgleichsvolumen und Reservoir für das Lagerfluid dient.
Der obere Dichtungsbereich umfasst einen axial verlaufenden Dichtungsspalt 132, der sich an das Axiallager 126a anschließt. Der Dichtungsspalt 132 umfasst eine Pumpdichtung 136 und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Der Dichtungsspalt 132 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 114 und der Lageplatte 118 begrenzt und kann von einer ringförmigen Abdeckkappe 130 abgedeckt sein. Die Abdeckkappe 130 ist an einer Stufe 138 der Lagerbuchse 114 gehalten und dort beispielsweise angeklebt. Der innere Rand der Abdeckkappe 130 kann zusammen mit dem Außenumfang der Welle 112 eine Spaltdichtung ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 132.
Die Lagerbuchse 114 ist von einer Nabe 148 umgeben des Spindelmotors umgeben. Die Nabe 148 ist beispielsweise über eine Press-, Klebe- oder Schweißverbindung mit der Lagerbuchse 114 verbunden. Zum Drehantrieb des Spindelmotors ist ein elektromagnetisches Antriebssystem vorhanden. An der Basisplatte 110 ist eine Statoranordnung 142 angeordnet, die aus einer Mehrzahl von Statorwicklungen besteht. Die Statorwicklungen der Statoranordnung 142 sind in geringem Abstand von einem ringförmigen Permanentmagneten 144 umgeben, der an der Nabe 148 befestigt ist. Als magnetischer Rückschluss dient ein Joch 143, welches den Magneten 144 umgibt.
Die beiden offenen Enden des Lagerspaltes 120, insbesondere die Abschnitte des Lagerspalts radial außerhalb der Axiallager 126a, 126b, sind durch einen Rezirkulationskanal 128 miteinander verbunden. Dadurch ergibt sich ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf und das Lagerfluid kann im Lagerspalt 120 zirkulieren.
Der Rezirkulationskanal 128 umfasst wiederum zwei Abschnitte 128' und 128'', die ausgehend von Abschnitten des Lagerspaltes radial außerhalb der beiden Axiallager 126a und 126b schräg nach außen bis an den Außenumfang der Lagerbuchse 114 verlaufen. Am Außenumfang der Lagerbuchse treffen sich die beiden Abschnitte 128' und 128''. Auch hier sind die Öffnungen des Rezirkulationskanals 128 auf demselben radialen Durchmesser angeordnet, während andere Bereiche des Rezirkulationskanals sich bis zu einem größeren radialen Durchmesser, insbesondere bis zum Durchmesser der Lagerbuchse 114 erstrecken.
Die 4a und 4b zeigen weitere Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Lagersystems und Spindelmotors. Diese Ausgestaltungen des Motors entsprechen im Wesentlichen den Ausgestaltungen aus den 1 und 2, wobei hier kein oberes Lagerbauteil vorhanden ist, sondern die Welle durchgehend zylindrisch ausgebildet ist. Für den Grundaufbau des Spindelmotors und Lagersystems gilt die Beschreibung von 1, wobei in den 4a und 4b gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind unter Voranstellung der Ziffer „2”.
4a zeigt einen Rezirkulationskanal 228, der einen ersten Abschnitt 228' aufweist, der senkrecht zur Rotationsachse 246 verläuft, sowie einen zweiten Abschnitt 228'', der schräg zur Rotationsachse 246 verläuft. Der erste Abschnitt verläuft ausgehend vom Lagerspalt im Bereich zwischen dem Radiallager 228a und der Pumpdichtung 236 radial nach außen bis in einen Kanal 229, der im Übergangsbereich zwischen dem Rotorbauteil 248 und der Lagerbuchse 214 angeordnet ist. Der zweite Abschnitt 228'' des Rezirkulationskanals 228 verläuft ausgehend von einem Bereich des Lagerspaltes radial innerhalb des Axiallagers 226 schräg nach außen und mündet ebenfalls in dem Kanal 229. Der obere Dichtungsbereich bzw. Dichtungsspalt 232 wird in diesem Ausführungsbeispiel gebildet durch Oberflächen der Welle 212 und der Lagerbuchse 214. Gleichermaßen wird auch die Pumpdichtung 236 durch Oberflächen der Welle 212 und der Lagerbuchse 214 gebildet. Die beiden in den Lagerspalt 20 mündenden Öffnungen des Rezirkulationskanals sind im Wesentlichen auf demselben radialen Durchmesser angeordnet. Die in den Kanal 229 mündenden Bereiche des Rezirkulationskanals 228 sind auf einem wesentlich größeren radialen Durchmesser angeordnet als die beiden Öffnungen.
4b zeigt einen Rezirkulationskanal 328, der einen ersten, radial nach außen verlaufenden Abschnitt 328' aufweist, sowie einen zweiten schräg zur Rotationsachse 246 gerichteten Abschnitt 328''. Der erste Abschnitt 328' verläuft wiederum ausgehend vom Lagerspalt 220 zwischen dem Radiallager 222a und der Pumpdichtung 236 radial nach außen und trifft innerhalb der Lagerbuchse 214 auf den zweiten Abschnitt 328'', der schräg zur Drehachse 236 die Lagerbuchse durchläuft und radial innerhalb des Axiallagers 226 in den Lagerspalt mündet.
Bezugszeichenliste

10, 110, 210: Basisplatte
12, 112, 212: Welle
14, 114, 214: Lagerbuchse
16, 116, 216: Lagerbauteil
18, 118: Lagerbauteil
119: Lagerbauteil
20, 120, 220: Lagerspalt
22a, 22b; 122a, 122b, 222a, 222b: Radiallager
24, 124, 224: Separator
26, 126a, 126b, 226: Axiallager
28, 128, 228, 328: Rezirkulationskanal
28', 128', 228', 328': Abschnitt des Rezirkulationskanals
28'', 128'', 228'', 328'': Abschnitt des Rezirkulationskanals
129, 229: Kanal
30, 130: Abdeckkappe
32, 132, 232: zweiter Dichtungsspalt
34, 134, 234: erster Dichtungsspalt
36, 136, 236: Pumpdichtung
38, 138: Stufe
40, 240: ferromagnetischer Ring
42, 142, 242: Statoranordnung
143: Joch
44, 144, 244: Magnet
46, 146, 246: Rotationsachse
48, 148, 248: Nabe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006002286 A1 [0004]
- DE 102008052469 A1 [0004]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, welches aufweist: mindestens ein feststehendes Bauteil, mindestens ein rotierendes Bauteil, das relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse (46; 146; 246) drehbar gelagert ist, mindestens einen Lagerspalt (20; 120; 220), der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden und rotierenden Bauteils ausgebildet ist und mindestens zwei offene Enden aufweist, die durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet sind, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (22a, 22b; 122a, 122b; 222a, 222b) im Bereich eines axialen Abschnitts des Lagerspalts (20; 120; 220), gebildet durch einander zugeordnete Lagerflächen des feststehenden und rotierenden Bauteils, mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (26; 126a, 126b; 226) im Bereich eines radialen Abschnitts des Lagerspalts (20; 120; 220), gebildet durch einander zugeordnete Lagerflächen des feststehenden und rotierenden Bauteils, und einen Rezirkulationskanal (28; 128; 228; 328) mit zwei Öffnungen, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts (20; 120; 220) miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen des Rezirkulationskanals (28; 128; 228; 328) in demselben radialen Abstand von der Rotationsachse (46; 146; 246) in den Lagerspalt (20; 120; 220) oder einen mit dem Lagerspalt verbundenen Spalt münden, wobei Abschnitte des Rezirkulationskanals (28; 128; 228; 328) einen größeren radialen Abstand zur Rotationsachse aufweisen als die Öffnungen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Bauteil eine Welle (12; 112; 212) umfasst, die direkt oder indirekt an einer Basisplatte (10; 110; 210) befestigt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil eine Lagerbuchse (14; 114; 214) und ein Rotorbauteil (48; 148; 248) umfasst.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse ein Teil des Rotorbauteils bildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (12; 112; 212) mittels eines ersten Lagerbauteils (16; 119; 216) an der Basisplatte (10; 110; 210) befestigt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende der Welle (12; 112) ein zweites Lagerbauteil (18; 118) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28; 128; 228; 328) in der Lagerbuchse angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) einen Abschnitt des Lagerspalts im Bereich des Axiallagers (26) mit einem zwischen dem zweiten Dichtungsspalt (32) und einem Radiallager (22a) liegenden Abschnitt des Lagerspalts (20) verbindet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Welle (112) zwei Lagerbauteile (116; 119) angeordnet sind, die zusammen mit der Lagerbuchse zwei Axiallager (128a; 128b) ausbilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (128) radial außerhalb der beiden Axiallager (126a, 126b) verlaufende Abschnitte des Lagerspalts (120) miteinander verbindet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28; 128; 228; 328) zwei oder mehrere in unterschiedlichem Winkel in Bezug auf die Rotationsachse (48; 148; 248) verlaufende Abschnitte (28'; 128'; 228'; 328'; 28''; 128''; 228''; 328'') aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abschnitt (28'; 128'; 228'; 28''; 128''; 228'') des Rezirkulationskanals (28; 128; 228) ausgehend von einer Stirnseite der Lagerbuchse (14; 114; 214) radial nach außen in Richtung des Außenumfangs der Lagerbuchse verläuft und sich dort mit dem jeweils anderen Abschnitt vereint.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (228; 328) einen schräg oder parallel zur Rotationsachse (246) verlaufenden Abschnitt (228''; 328'') und einen senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt (228'; 328') aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (128'; 128''; 228'; 228'') des Rezirkulationskanals (128; 228) in einen Freistich (129; 229) am Außenumfang der Lagerbuchse (114; 214) durchbrechen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (14; 114; 214) Oberflächen aufweist, die derart geformt sind, dass sie zusammen mit Oberflächen des ersten Lagerbauteils (16; 116; 119; 216) einen ersten Dichtungsspalt (34; 124; 234) einer kapillaren Spaltdichtung bilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (14; 114; 214) Oberflächen aufweist, die derart geformt sind, dass sie zusammen mit Oberflächen des zweiten Lagerbauteils (18; 118) oder der Welle (212) einen zweiten Dichtungsspalt (32; 132; 232) einer kapillaren Spaltdichtung bilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine dynamische Pumpdichtung (36; 136; 236) zwischen einander gegenüber liegenden axial verlaufenden Flächen der Lagerbuchse (14; 114; 214) und des zweiten Lagerbauteils (18; 118) oder der Welle (212) ausgebildet ist.
Spindelmotor mit einem Stator und einem Rotor, der mittels des fluiddynamischen Lagersystems gemäß den Ansprüchen 1 bis 17 gegenüber dem Stator drehgelagert ist, und einem elektromagnetischen Antriebssystem zum Antrieb des Rotors.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 18 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte, sowie einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte.