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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors. Fluiddynamisch gelagerte Spindelmotoren werden vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken oder Lüftern verwendet.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Oberflächenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige Oberflächenstrukturen verwendet, die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken ist meist eine Welle drehbar in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse gelagert. Die Welle hat einen Durchmesser von beispielsweise wenigen Millimetern.
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Die
DE 10 2007 008 860 A1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem nach dem Stand der Technik. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse, die eine zentrale Bohrung aufweist. In die Bohrung der Lagerbuchse ist eine Welle eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle verbleibt ein Lagerspalt, der zwei fluiddynamische Radiallager umfasst, mittels denen die Welle um eine Rotationsachse drehbar in der Bohrung der Lagerbuchse gelagert ist. Die Radiallager sind durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid gefüllt. Ein freies Ende der Welle ist mit einer topfförmigen Nabe verbunden, deren untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet, sogenanntes Top-Thrust Design. Hierzu ist eine der Oberflächen des Axiallagers mit Oberflächenstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe und Stirnseite der Lagerbuchse befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager tragfähig wird. Zwischen dem äußeren Rand des Axiallagers und dem Bereich des unteren Radiallagers kann ein Rezirkulationskanal vorgesehen sein, der bestimmte Bereiche des Lagerspalts miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt. Es ist ein elektromagnetisches Antriebssystem vorhanden, das aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung und einem an der Nabe angeordneten Permanentmagneten besteht
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Für den Einsatz in einem Festplattenlaufwerk ist die Nabe des Spindelmotors zur Befestigung einer Speicherplatte vorbereitet. Bei den meisten herkömmlichen Festplattenlaufwerken trägt die Nabe eine oder zwei Speicherplatten. Für Festplattenlaufwerke mit höherer Speicherkapazität, z.B. für den Einsatz in Servern, ist es notwendig die Anzahl der Speicherplatten zu erhöhen, z.B. auf vier oder mehr Speicherplatten. Derartige Serverlaufwerke haben also insgesamt eine höhere Rotormasse. Für die letztgenannten Arten von Festplattenlaufwerken, sowie allgemein aufgrund der höheren Datendichten steigen die Anforderungen an Präzision und Laufruhe des Speichersystems. Daher ist es notwendig, die Steifigkeit des gesamten Motorsystems zu vergrößern.
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Die
US 2008 / 0 101 739 A1 wird als nächstliegender Stand der Technik angesehen und offenbart ein fluiddynamisches Lager mit einem Top-Thrust Design.
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Die
US 7 459 416 B2 offenbart ein fluiddynamisches Lager mit drehbarer Welle, die einen Durchmesser zwischen 2 und 4 mm aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Steifigkeit eines eingangs beschriebenen Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem zu verbessern, ohne die Grundkonstruktion des Top-Thrust Designs zu ändern. Die Erfindung findet vor allem Anwendung in Festplattenlaufwerk mit einem kleinen Formfaktor, von beispielsweise 2,5 Zoll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lager umfasst ein feststehendes erstes Lagerbauteil in Form einer Lagerbuchse mit einer im Wesentlichen zylindrischen Lagerbohrung und ein drehbares zweites Lagerbauteil mit einer zylindrischen Welle mit einer Länge SL und einem Außendurchmesser SOD, die in der Lagerbohrung des ersten Lagerbauteils angeordnet und relativ zu diesem um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Es ist ferner ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt vorhanden, der einander zugewandte Oberflächen der beiden Lagerbauteile voneinander trennt. Die Lagerbauteile umfassen entlang des Lagerspalts angeordnete und einander zugeordnete Lagerflächen, die mindestens zwei fluiddynamische Radiallager und ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden, wobei die Radiallager in einem Lagerabstand BS voneinander angeordnet sind. Der Lagerabstand BS beträgt mindestens 70 % der (innerhalb der Lagerbuchse angeordneten) Länge der Welle SL
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Erfindungsgemäß ist an einem Ende der Welle ein Stopperring befestigt ist, der in einer Aussparung des ersten Lagerbauteils angeordnet ist.
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Es wird ferner ein stark vergrößerter Lagerabstand BS zwischen den Radiallagern vorgeschlagen. Dadurch erhöht sich die Steifigkeit des Lagersystems deutlich. Der Stopperring weist insbesondere einen Durchmesser STOD auf, der kleiner ist als die halbe Länge SL der Welle.
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Wichtig ist, dass vorzugsweise nur der Lagerabstand gegenüber einem Motor des bisherigen Standes der Technik erhöht wird. Die Länge bzw. die Gesamtfläche der Radiallager wird vorzugsweise nicht verändert. Die Länge bzw. Fläche der Radiallager kann jedoch ebenfalls vergrößert werden, je nach Anwendung und geforderten Spezifikationen. Aufgrund des größeren Lagerabstandes erhöht sich die Kippsteifigkeit des Lagers, ohne dass sich die Reibung und damit auch der Stromverbrauch des damit drehgelagerten Motors (wesentlich) erhöhen. Durch die Verlängerung des Lagerabstandes vergrößern sich insgesamt auch die Länge der Welle und die Länge des ersten, feststehenden Lagerbauteils. Da das erste Lagerbauteil mit der Basisplatte des Spindelmotors verbunden ist, lässt sich eine größere Verbindungslänge und damit eine höhere Auspresskraft realisieren, wodurch die strukturelle Steifigkeit des Motor-Lagersystems ebenfalls erhöht wird. Die größere Verbindungslänge zwischen dem Lagerbauteil und der Basisplatte wirkt sich auch auf die Schockfestigkeit des Lagers aus, die dadurch ebenfalls steigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Radiallager durch axial verlaufende und einander zugewandte Lagerflächen des ersten Lagerbauteils und des zweiten Lagerbauteils gebildet, wobei die Lagerflächen durch einen axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes voneinander getrennt sind. In entsprechender Weise wird das Axiallager durch radial verlaufende und einander zugewandte Lagerflächen des ersten Lagerbauteils und des zweiten Lagerbauteils gebildet, wobei diese Lagerflächen durch einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes voneinander getrennt sind.
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Um eine bestmögliche Lagersteifigkeit zu erzielen, wird es bevorzugt, dass der Lagerabstand BS mindestens 2,5-mal so groß ist wie der Außendurchmesser SOD der Welle.
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Ferner wird es bevorzugt, dass ein Abschnitt mit vergrößerter Spaltbreite, der sogenannte Separatorspalt, der die Radiallager voneinander trennt, eine Länge SEP aufweist, die mindestens doppelt so groß ist, wie der Außendurchmesser SOD der Welle.
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Um einen guten Kompromiss zwischen Lagerreibung und Lagereffektivität zu finden, wird es bevorzugt, dass die gesamte Lagerfläche der Radiallager kleiner ist, als die Hälfte der gesamten Oberfläche der Welle, die sich innerhalb der Lagerbuchse befindet.
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Das zweite Lagerbauteil umfasst eine ringförmige Nabe, die einen Innenumfang aufweist, der gemeinsam mit einem Außenumfang des ersten Lagerbauteils einen Dichtungsspalt ausbildet. Vorzugsweise verläuft der Dichtungsspalt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Lagers und ist direkt oder indirekt mit dem Lagerspalt verbunden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann im ersten Lagerbauteil ein Rezirkulationskanal angeordnet sein, der ein geschlossenes Ende des Lagerspalts direkt oder indirekt mit einem offenen Ende des Lagerspalts verbindet. Dadurch wird eine ausreichende Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt sichergestellt. Das fluiddynamische Lager kann erfindungsgemäß zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden. Ein derartiger Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes dienen.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für Spindelmotoren relativ kleiner Baugröße geeignet, bei denen der Wellendurchmesser ca. 2,5 mm beträgt und die in Festplattenlaufwerken mit einem Formfaktor von 2,5 Zoll eingesetzt werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager.
- 2 zeigt eine Darstellung von zwei radialen Übertragungsfunktionen, zum einen für ein Lagersystem nach dem Stand der Technik und zum anderen für ein erfindungsgemäßes Lagersystem.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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In 1 ist ein Schnitt durch einen Spindelmotor 10 mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager dargestellt. Der Spindelmotor 10 umfasst eine Basisplatte 12 mit einem hülsenförmigen Ansatz mit zentraler Bohrung, in welcher eine Lagerbuchse 14 beispielsweise im eingeklebt 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 18 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Welle 16 kann frei in der feststehenden Lagerbuchse 14 um eine Drehachse 20 rotieren und bildet zusammen mit dieser in bekannter Weise ein hydrodynamisches Radiallagersystem aus, das zwei in einem axialen Lagerabstand BS zueinander angeordnete Radiallager 22, 24 umfasst. Die hydrodynamischen Radiallager 22, 24 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle 16 und/oder der Lagerbuchse 14 angeordnet sind. Am freien Ende der Welle 16 ist eine Nabe 26 befestigt, auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerks angeordnet werden können. Eine axiale Verschiebung der Lageranordnung entlang der Drehachse 20 wird durch ein entsprechend ausgestaltetes hydrodynamisches Axiallager 30 verhindert. Das Axiallager 30 wird gebildet durch eine untere ebene Fläche der Nabe 26 und eine gegenüberliegende Stirnfläche der Lagerbuchse 14. Eine der Lagerflächen des Axiallagers 30 ist mit Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Rotation der Nabe 26 relativ zur Lagerbuchse 14 eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe 26 und Stirnseite der Lagerbuchse 14 befindliche Lagerfluid ausüben, so dass das Axiallager 30 tragfähig wird.
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An einem Ende der Welle 16 ist ein Stopperring 28 vorgesehen, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring 28 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 14 angeordnet. Der Stopperring verhindert eine übermäßige axiale Bewegung der Welle 16 innerhalb der Lagerbuchse 14 und ein „Herausfallen“ der Welle aus der Lagerbuchse. Eine Abdeckplatte 34 verschließt die dem Stopperring 28 zugewandte Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 18 eindringt oder Lagerfluid austritt.
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Am Außendurchmesser eines hülsenförmigen Ansatzes der Basisplatte 12 ist eine Statoranordnung 36 angeordnet, welche aus einem ferromagnetischen Stator-Blechpaket sowie aus entsprechenden Phasenwicklungen besteht. Radial außerhalb der Statoranordnung 36 ist ein Rotormagnet 38 vorgesehen, welcher an der Nabe 26 befestigt ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Die Mitte des Rotormagneten 38, in Richtung der Drehachse 20 gesehen, ist leicht oberhalb der Mitte des Stator-Blechpakets angeordnet, wodurch sich eine nach unten in Richtung der Basisplatte 12 gerichtete Kraft ergibt. Außerdem ist ein ferromagnetischer Ring 40 unterhalb des Rotormagneten 38 an der Basisplatte 12 angeordnet, welcher eine Kraft in dieselbe Richtung bewirkt. Diese in Richtung der Basisplatte 12 gerichteten axialen Kräfte bilden eine Vorspannung für das Axiallager 30.
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Das offene Ende des Lagerspalts 18, nahe der Nabe 26, ist durch einen konischen Dichtungsspalt 42 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 42 bildet eine Kapillardichtung und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines Teils der Nabe 26. Der Dichtungsspalt 42 verläuft im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse und ist radial außerhalb des Axiallagers 30 mit dem Lagerspalt 18 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 42 wirkt außerdem als Ausgleichsvolumen und Reservoir für das Lagerfluid.
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Zur Verbesserung der Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 18 ist vorzugsweise ein Rezirkulationskanal 44 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 44 erstreckt sich in der Lagerbuchse 14 in wesentlichen in axialer Richtung und verbindet einen an den Außendurchmesser des Stopperrings 28 angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts 18 mit dem Lagerspalt im Bereich des Außendurchmessers des Axiallagers 30 unterhalb der Nabe 26.
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Erfindungsgemäß besitzen nun die beiden Radiallager 22, 24 einen besonders großen Lagerabstand BS und sind durch einen besonders langen Separatorspalt 32 mit der Länge SEP voneinander getrennt. Die Lagerflächen der Radiallager 22 und 24 müssen hierbei im Vergleich zum Stand der Technik nicht vergrößert werden, d. h. die axiale Länge URB der oberen Lagerfläche sowie die axiale Länge der LRB der unteren Lagerfläche bleibt unverändert, während sich vorzugsweise nur der Lagerabstand BS ändert. Aufgrund des größeren Lagerabstandes BS erhöht sich die Kippsteifigkeit des Lagers, ohne dass sich die Lagerreibung wesentlich erhöht, da die Flächen der Radiallager 22, 24 an sich unverändert bleiben.
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2 zeigt ein Diagramm der radialen Übertragungsfunktionen eines Lagers gemäß dem Stand der Technik und im Vergleich dazu eines erfindungsgemäßen Lagers. Die Kurve 50 zeigt die radiale Übertragungsfunktion eines Lagers gemäß dem Stand der Technik, wobei insbesondere in den Frequenzbereichen 0 bis 800 Hz und größer 2000 Hz die Werte der Übertragungsfunktion der Kurve 50 deutlich größer sind, als die Werte der Übertragungsfunktion der Kurve 52, die dem erfindungsgemäßen Lager entspricht. Das bedeutet, dass die Schwingungsneigung beim erfindungsgemäßen Lager gemäß Kurve 52 insbesondere bei einer Frequenz bis 800 Hz geringer ist, als die Schwingungsneigung eines herkömmlichen Lagers gemäß Kurve 50. Daraus ergibt sich eine Erhöhung der Steifigkeit des Lagers und eine damit verbundene Reduktion der Schwingungen des gesamten Festplattenlaufwerks.
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Aufgrund des größeren Lagerabstandes BS ergibt sich insgesamt auch eine größere Lagerlänge. Dadurch ist auch die Länge der Lagerbuchse 14 vergrößert und der Verbindungsbereich zwischen Lagerbuchse und Basisplatte 12 wird ebenfalls größer. Dadurch erhöht sich die strukturelle Steifigkeit des Systems insbesondere des ganzen Motors sowie die Auspresskraft der Verbindung zwischen Lagerbuchse 14 und Basisplatte 12. Die höhere strukturelle Steifigkeit des Systems ist wiederum aus den Kurven 50 und 52 ersichtlich und insbesondere in einem Frequenzbereich um 2,4 kHz deutlich sichtbar. Der Wert der Übertragungsfunktion der Kurve 52 ist im Frequenzbereich um 2,4 kHz deutlich kleiner als der Wert der Kurve 50. Die höhere Auspresskraft zwischen Lagerbuchse 14 und Basisplatte 12 ist erforderlich, da das Lager mit einer vergleichsweise hohen Last betrieben werden soll, beispielsweise in einem Festplattenlaufwerk mit drei oder vier Speicherplatten.
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Ein typisches Lagersystem gemäß der Erfindung für einen Spindelmotor zum Antrieb eines 2,5 Zoll-Festplattenlaufwerkes besitzt beispielsweise folgende Abmessungen:
- Länge der Welle SL = 9,43 mm
- Länge des Separatorspalts SEP = 5,96 mm
- Länge des oberen Radiallagers URB = 2,2 mm
- Länge des unteren Radiallagers LRB = 1,27 mm
- Lagerabstand BS = 7,64 mm
- Durchmesser der Welle SOD = 2,5 mm
- Durchmesser des Stopperrings STOD = 3,38 mm
- Dicke des Stopperrings STW = 0,4 mm
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Diese Werte sind nicht beschränkend für die Erfindung aufzufassen, sondern stellen nur die Abmessungen einer möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems dar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spindelmotor
- 12
- Basisplatte
- 14
- Lagerbuchse
- 16
- Welle
- 18
- Lagerspalt
- 20
- Drehachse
- 22
- hydrodynamisches Radiallager
- 24
- hydrodynamisches Radiallager
- 26
- Nabe
- 28
- Stopperring
- 30
- hydrodynamisches Axiallager
- 32
- Separatorspalt
- 34
- Abdeckplatte
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rotormagnet
- 40
- ferromagnetischer Ring
- 42
- Dichtungsspalt
- 44
- Rezirkulationskanal
- 50
- Kurve (Stand d. Technik)
- 52
- Kurve (Erfindung)
- SL
- Länge der Welle (innerhalb der Lagerbuchse)
- SOD
- Durchmesser der Welle (innerhalb der Lagerbuchse)
- BS
- Lagerabstand der Radiallager
- SEP
- Länge des Separatorspalts
- BA
- Lagerfläche
- SA
- Oberfläche der Welle
- STOD
- Durchmesser des Stopperrings
- STW
- Dicke des Stopperrings
- URB
- Länge des oberen Radiallagers
- LRB
- Länge des unteren Radiallagers
