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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen. Ein solcher Spindelmotor kann beispielsweise als Antrieb für ein Festplattenlaufwerk eingesetzt werden.
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Stand der Technik
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Ein Spindelmotor der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der
DE 10 2007 040 018 A1 offenbart. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte, in welcher eine Lagerbuchse aufgenommen ist. In einer Lagerbohrung der Lagerbuchse ist eine Welle mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehbar gelagert. Ein oberer Abschnitt der Welle ist in eine Bohrung einer Nabe eingepresst, wobei eine in der Bohrung der Nabe ausgebildete Stufe einen Anschlag für die Welle bildet. Das fluiddynamische Lagersystem bildet einen Lagerspalt, der die entsprechenden fluiddynamischen Lagerflächen voneinander trennt und mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Die Nabe wird mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems drehend angetrieben. Die Unterseite der Nabe liegt auf der Stufe der Welle auf, welche sich in einem relativ großen Abstand zur Stirnfläche der Welle befindet. Die Presspassung befindet sich also in dem Bereich der Welle, der durch die Stufe einen geringeren Außendurchmesser aufweist. Die Welle besteht vorzugsweise aus gehärtetem Stahl und ist daher sehr spröde. Es hat sich gezeigt, dass bei axialer Belastung (hervorgerufen durch statische oder dynamische Kräfte) auf die Nabe ein Biegemoment an der Pressverbindung zwischen Welle und Nabe wirkt. Das Biegemoment erzeugt im Bereich der Stufe der Welle sehr hohe mechanische Spannungen. Werden diese Spannungen zu groß, kann es aufgrund der spröden Welle zu einem Bruch der Welle im Bereich der Stufe führen. Die Bruchgefahr wird noch dadurch verstärkt, dass die Welle in vielen Fällen eine zentrale Gewindebohrung umfasst, welche die Welle im Bereich der Stufe zusätzlich schwächt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor der eingangs genannten Art in Bezug auf die Verbindung zwischen Welle und Nabe zu verbessern, so dass eine Bruchgefahr der Welle bei mechanischer Belastung der Verbindung wesentlich reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst eine Basisplatte, eine in der Basisplatte aufgenommene Lagerbuchse, eine drehbar in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse gelagerte Welle, eine Nabe mit einer Bohrung, in welcher ein oberer Abschnitt der Welle eingepresst ist, wobei eine am Außenumfang der Welle ausgebildete Stufe einen Anschlag für die Nabe bildet, einen Lagerspalt gefüllt mit einem Lagerfluid, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager gebildet durch einander zugeordnete Lagerflächen der Welle und der Lagerbuchse, mindestens ein fluiddynamisches Axiallager gebildet durch einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse und der Nabe und ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Antrieb der Nabe. Zur Verringerung der Bruchgefahr der Welle ist die Stufe erfindungsgemäß im Bereich des oberen Endes der Welle angeordnet und bildet einen Anschlag für eine in der Bohrung der Nabe ausgebildete Stufe.
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Erfindungsgemäß wird also die Stufe der Welle im Gegensatz zum Stand der Technik weiter oben in den Bereich des Endes der Welle angeordnet, d. h. weiter in Richtung des Wellenendes versetzt. Durch diese Maßnahme reduziert sich zwar die Länge der Verbindung zwischen Welle und Nabe, also die Fügelänge L, geringfügig, es wird jedoch der für die Verbindung relevante Durchmesser der Welle vergrößert, so dass die Festigkeit der Verbindung gegenüber dem Stand der Technik nicht deutlich reduziert ist. Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist jedoch, dass durch die nach oben versetzte Stufe der Welle die Spannungsbelastung auf die Welle gleichmäßiger auf die Fügelänge verteilt wird und Spannungsspitzen insgesamt verringert werden. Durch diese Maßnahme wird die Bruchgefahr der Welle im Bereich der Stufe bei großen Belastungen wesentlich reduziert. Außerdem ist bei Wellen mit einer zentralen Gewindebohrung aufgrund des größeren Durchmessers der Welle im Verbindungsbereich die resultierende Wandstärke der Welle größer als beim Stand der Technik. Somit ist die Welle im Verbindungsbereich insgesamt stabiler. Die Biegespannung bei einem Schlag auf die Nabe, welche auf die Welle wirkt, ist daher geringer, und somit auch die Bruchgefahr.
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Berechnungen und Messungen haben ergeben, dass sich die Biegespannungen im Bereich der Stufe der Welle gegenüber dem Stand der Technik nahezu halbiert haben, was die Bruchgefahr der Welle in diesem Bereich erheblich reduziert. Erfindungsgemäß bleibt jedoch die Stufe an der Welle erhalten und kann somit als Anschlag für die Nabe dienen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verbindung zwischen Welle und Stufe eine Pressverbindung. Die Verbindung zwischen Welle und Nabe kann aber zusätzlich oder alternativ zur Pressverbindung durch eine Klebeverbindung oder Schweißverbindung realisiert werden. Beispielsweise kann die Pressverbindung durch eine Klebeverbindung ergänzt werden, wobei im Bereich der Bohrung der Nabe der Klebstoff appliziert und durch das Einpressen der Welle in die Nabe im Verbindungsbereich verteilt wird. Die Stufe in der Welle bzw. der Nabe wirkt somit wie eine Art Labyrinthdichtung für den Klebstoff. Der Klebstoff kann beim Einpressen der Welle nicht mehr aus der Bohrung der Nabe austreten, sondern wird durch die Stufe der Welle im Bereich der Stufe gehalten und nicht mehr auf die Stirnseite der Welle abgestreift.
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Zum anderen bietet die Stufe in der Welle den Vorteil, dass beim zusätzlichen Verschweißen von Nabe und Welle Materialspannungen beim stirnseitigen Schweißen von Nabe und Welle nicht auf die Pressverbindung übertragen werden. Dadurch, dass der Bereich der Welle oberhalb der Stufe eine relativ dünne Wandstärke aufweist (aufgrund der zentralen Gewindebohrung), ergibt sich zum einen ein sehr großer Wärmewiderstand und zum anderen ein leicht verformbarer Bereich, der das Verschweißen erleichtert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Welle und die Nabe entlang einer Fügelänge L miteinander verbunden, wobei der Abstand D der Stufe vom oberen Ende der Welle höchstens halb so groß ist, wie die Fügelänge L. Entlang der Fügelänge ist die Welle mit ihrem nominalen Durchmesser mit der Nabe verbunden. Das bedeutet, dass der Durchmesser der Welle entlang der Fügelänge nicht verringert ist wie beim Stand der Technik, sondern gleich bleibt. Vorzugsweise hat die Welle im Bereich der Fügelänge L ihren größten Durchmesser. Durch den größeren Durchmesser der Welle wird die verkürzte Verbindungslänge im Vergleich zum Stand der Technik ausgeglichen. So ergibt sich eine gegenüber dem Stand der Technik gleich große oder gar vergrößerte Verbindungsfläche. Der Abstand D der Stufe vom oberen Ende ist relativ klein insbesondere im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungen mit Stufe.
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Die Stirnfläche am oberen Ende der Welle kann vorzugsweise eine Gewindebohrung aufweisen. Diese Gewindebohrung nimmt eine Befestigungsschraube für eine Klammer auf, welche Klammer wiederum zur Befestigung einer Speicherplatte auf der Nabe dient.
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Das fluiddynamische Radiallager, vorzugsweise zwei voneinander beabstandete fluiddynamische Radiallager, sind durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf einer Lagerfläche der Lagerbuchse und/oder auf einer Lagerfläche der Welle ausgebildet sind. Das mindestens eine fluiddynamische Axiallager ist durch druckerzeugende Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf einer Lagerfläche der Lagerbuchse und/oder einer dieser Lagerfläche gegenüberliegenden Lagerfläche der Nabe ausgebildet sind.
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Ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspaltes ist durch einen Dichtungsspalt abgedichtet, der teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist und eine Kapillardichtung ausbildet, wobei der Dichtungsspalt durch Mantelflächen der Lagerbuchse und der Nabe begrenzt ist.
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Die Erfindung betrifft insbesondere einen Spindelmotor zum Antrieb von mindesten einer magnetischen Speicherpatte eines Festplattenlaufwerks, wobei das Festplattenlaufwerk Schreib- und Lesevorrichtungen zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Hierbei ergeben sich aus der Zeichnung und deren Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,
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2: zeigt eine Detailansicht der Welle-Nabe Verbindung der 1.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche eine Öffnung zur Aufnahme einer Lagerbuchse 12 aufweist. Die Lagerbuchse 12 weist eine axiale Bohrung auf, in welcher eine Welle 14 drehbar aufgenommen ist. Ein freier, oberer Abschnitt der Welle 14 ist mit einer Nabe 22 verbunden. Die Nabe 22 weist eine Bohrung auf, in der obere Abschnitt der Welle eingepresst ist. Die Verbindung zwischen Welle und Nabe ist vorzugsweise eine reine Pressverbindung. Die Nabe 22 umfasst eine ebene Unterseite, die einer Stirnseite der Lagerbuchse 12 gegenüberliegt und von dieser durch einen Lagerspalt 20 getrennt ist. Die Unterseite der Nabe 22 bildet mit der Stirnseite der Lagerbuchse 12 ein Axiallager 28 aus, während die Welle 14 und die Lagerbuchse 12 vorzugsweise zwei axial voneinander beabstandete Radiallager 24, 26 ausbilden. Die beiden in einem axialen Abstand zueinander angeordneten Radiallager 24, 26 sind in bekannter Weise durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf einer oder beiden sich gegenüberliegenden Lageoberflächen der Welle 14 und/oder der Lagerbuchse 12 angeordnet sind. Der Lagerspalt 20 erstreckt sich zwischen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 und weiter zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 12 und der Unterseite der Nabe 22. Am Außendurchmesser des Axiallagers 28 geht der Lagerspalt 20 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher als Dichtungsspalt 30 ausgebildet ist. Dieser Dichtungsspalt 30 setzt sich über den Außenumfang der Lagerbuchse 12 fort und erweitert sich konisch nach außen in Form einer konischen Kapillardichtung. Der Dichtungsspalt verläuft etwa parallel zur Rotationsachse 46 des Lagers.
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An ihrem unteren Ende ist die Welle 14 verbreitert und weist einen Stopperring 16 auf, der in dem dargestellten Beispiel einteilig mit der Welle 14 ausgebildet ist, aber auch als separates Bauteil ausgebildet werden kann. Der Stopperring 16 weist einen größeren Außendurchmesser auf als die Welle 14 und ist in einer mit Lagerfluid gefüllten Aussparung der Lagerbuchse 12 drehbar angeordnet. Der Stopperring 16 bildet eine Sicherung gegen eine übermäßige axiale Bewegung und ein Herausfallen der Welle 14 aus der Lagerbuchse 12. Das untere Ende der Lagerbuchse 12, in welcher die Aussparung für den Stopperring 16 angeordnet ist, ist durch eine Abdeckplatte 18 verschlossen.
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Zwischen dem Axiallagerbereich und dem Bereich unterhalb des unteren Radiallagers ist eine Rezirkulationsbohrung 42 vorgesehen, welche die voneinander entfernten Abschnitte des Lagerspalts 20 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids und einen Druckausgleich im Lagerspalt 20 unterstützt. Eine Öffnung der Rezirkulationsbohrung 42 mündet radial außerhalb des Axiallager 28 in den Lagerspalt 20. Die andere Öffnung der Rezirkulationsbohrung 42 mündet in die mit dem Lagerspalt 20 verbundene Aussparung in der Lagerbuchse 12, in welcher Aussparung der Stopperring 16 angeordnet ist.
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Der Spindelmotor umfasst einen elektromagnetischen Antrieb, der aus einer an der Basisplatte 10 angeordneten und mit Statorwicklungen versehenen Statoranordnung 32 sowie einem Nabe 22 angeordneten Rotormagneten 34 besteht. Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen der Statoranordnung 32 ergibt sich ein elektromagnetisches Drehfeld, welches die Nabe 22 in Drehung versetzt.
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Als Gegenlager zum Axiallager 28 kann ein magnetisches Lager vorgesehen sein, welches aus dem Rotormagneten 34 und einem axial dem Rotormagneten 34 gegenüberliegenden ferromagnetischen Ring 36 besteht. Zusätzlich oder alternativ kann die magnetische Vorspannung für das Axiallager 28 durch einen axialen Versatz zwischen dem Rotormagneten 34 und der Statoreinheit 32 (sogenannter magnetischer Offset) erzielt werden.
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Die Verbindung zwischen Welle 14 und Nabe 22 ist vorzugsweise als Pressverbindung ausgebildet. Die Pressverbindung kann durch eine Klebeverbindung oder Schweißverbindung unterstützt sein. Das freie Ende der Welle 14 weist in einem relativ geringen Abstand von der Stirnfläche der Welle 14 eine Stufe 38 auf, wodurch der letzte Abschnitt der Welle 14 in Richtung der Stirnseite einen geringeren Durchmesser aufweist als der übrige Teil der Welle. Der Abstand D der Stufe 38 ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Fügelänge L zwischen Welle 14 und Nabe 22 und beträgt beispielsweise weniger als die Hälfte dieser Fügelänge L. In gleicher Weise weist die Bohrung der Nabe 22 eine Stufe 40 auf, die in ihrer Formgebung an die Stufe 38 der Welle 14 angepasst ist und einen Verringerung des Durchmessers der Bohrung in der Nabe 22 in Richtung des Wellenendes erzeugt. Beim Einpressen der Welle 14 in die Bohrung der Nabe 22 kommt die Stufe 40 der Nabe zur Anlage auf der Stufe 38 der Welle, so dass ein definierter Endanschlag für die Nabe 22 vorgegeben ist und die Welle 14 und die Nabe 22 in der geforderten axialen Position rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind (2).
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Die Pressverbindung zwischen Welle 14 und Nabe 22 kann mit einer Klebeverbindung gesichert werden. Hierbei wird am unteren Rand der Bohrung der Nabe 22 Klebstoff aufgetragen, der dann im Verlaufe des Einpressens der Welle 14 in der Bohrung verteilt wird. Durch die beiden Stufen 38, 40, die hierbei als eine Art Labyrinthdichtung wirken, wird verhindert, dass der Klebstoff im oberen Bereich der Bohrung der Nabe 22 austritt bzw. auf die Stirnfläche der Welle 14 abgestreift wird.
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Die Welle 14 weist eine zentrale Gewindebohrung 44 auf, die sich über einen großen Teil der Länge der Welle 14 erstreckt und zwar von der oberen Stirnfläche der Welle 14 aus. Diese Gewindebohrung 44 schwächt die Welle 14, wobei nur eine relativ dünne Wand zwischen der Gewindebohrung 44 und dem Außendurchmesser der Welle 14 verbleibt. Durch die Anordnung der Stufen 38, 40 im oberen Bereich der Welle sowie den dadurch möglichen größeren Durchmesser der Welle entlang der Fügelänge L wird die Wandstärke der Welle 14 im Verbindungsbereich vergrößert und die Welle weniger geschwächt als beim Stand der Technik. Die Pressverbindung kann auch durch eine Verschweißung zwischen Welle 14 und Nabe 22 oberhalb der Stufen 38, 40 gesichert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16
- Stopperring
- 18
- Abdeckplatte
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Nabe
- 24
- Radiallager
- 25
- Separator
- 26
- Radiallager
- 28
- Axiallager
- 30
- Dichtungsspalt
- 32
- Statoranordnung
- 34
- Rotormagnet
- 36
- ferromagnetischer Ring
- 38
- Stufe (Welle)
- 40
- Stufe (Nabe)
- 42
- Rezirkulationsbohrung
- 44
- Gewindebohrung
- 46
- Rotationsachse
- 48
- Speicherplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040018 A1 [0002]
