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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, wie sie zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet werden.
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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. mit 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 einander gegenüber liegende 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 senkrecht zur Rotationsachse angeordnet werden. Ferner werden für konische und für sphärische Lager spiralförmige oder fischgrätartige Lagerstrukturen verwendet, die auf einer konischen bzw. sphärischen Lagerfläche angeordnet sind.
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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 offenem Lagerspalt (z. B. ein so genanntes „single plate bearing” oder „single top thrust bearing”) und Motoren mit stehender Welle und beidseitig offenem Lagerspalt. Ein entscheidender Vorteil der zweiten Gruppe ist die Möglichkeit, den Spindelmotor nicht nur an einem Ende der stehenden Welle an der Basisplatte eines Gehäuses zu befestigen, sondern auch an dem zweiten Ende der Welle mit z. B. einem Gehäusedeckel zu verbinden. Dadurch erhalten solche Motortypen eine wesentlich größere strukturelle Steifigkeit, wodurch sie besonders geeignet sind z. B. für Laufwerke mit mehreren Festplatten, insbesondere für Server-Anwendung sowie für Festplattenlaufwerke mit erhöhten oder besonderen Anforderungen, wie heute unter anderem bei vielen mobilen Anwendungen mit stetig wachsender Datendichte und gleichzeitig während des normalen Betriebs bestehenden Vibrationen auftreten.
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Ein beidseitig offener Lagerspalt benötigt sehr gute Abdichtungsmechanismen und sehr genau eingestellte Druckverhältnisse im Lagerspalt, um ein Austreten des Lagerfluids aus dem Lagerspalt zu verhindern.
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Als Dichtungsmechanismen werden in der Regel Kapillardichtungen und dynamische Pumpdichtungen eingesetzt, die entlang eines Dichtungsspalts angeordnet sind. Diese Dichtungen sind nur solange wirksam, wie ausreichend Lagerfluid im Dichtungsspalt vorhanden ist. Es wurde beobachtet, dass während des Betriebs eines solchen Lagers aufgrund verschiedener Effekte unerwünscht große Druckschwankungen und lokale Unterdruckzonen auftreten können, insbesondere am Lagerinneren Ende der Pumprillen innerhalb des Dichtungsspaltes von Pumpdichtungen. Diese Druckschwankungen führen zu einer erheblichen Schwankung des Fluidpegels im Dichtungsspalt. Ein Absinken des Fluidpegels im Dichtungsspalt der Pumpdichtung unter ein bestimmtes Niveau muss jedoch verhindert werden, damit die Pumpdichtung wirksam bleibt und auch keine Luft in den Lagerspalt eindringen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager, insbesondere für einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks anzugeben, bei dem Druckschwankungen sowie Unterdruckzonen insbesondere im Dichtungsspalt der Pumpdichtung reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Beschrieben ist ein fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil und mindestens einem rotierenden Bauteil, welches relativ zum feststehenden Bauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Lagersystem umfasst mindestens einen Lagerspalt, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der Bauteile ausgebildet ist und mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Entlang des Lagerspaltes sind mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager oder ein konisches bzw. ein sphärisches Lager angeordnet. Es sind ein erster Dichtungsspalt zur Abdichtung eines ersten offenen Endes des Lagerspalts und ein zweiter Dichtungsspalt zur Abdichtung eines zweiten offenen Endes des Lagerspalts vorhanden. Erfindungsgemäß ist entlang des ersten Dichtungsspalts lokal eine Verbreiterung des Dichtungsspalts vorgesehen.
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Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, welche durch Dichtungsmittel abgedichtet sind. Vorzugsweise umfasst ein erstes Dichtungsmittel einen Dichtungsspalt, der eine dynamische Pumpdichtung ausbildet. Ein zweites Dichtungsmittel umfasst einen Dichtungsspalt, der als Kapillardichtung, insbesondere konische Kapillardichtung, ausgebildet ist. Ebenso können beide Dichtungsmittel als Kapillardichtungen ausgebildet sein, die durch dynamische Pumpdichtungen ergänzt und unterstützt werden können.
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Erfindungsgemäß wird also der erste Dichtungsspalt lokal aufgeweitet, was einerseits eine Vergleichmäßigung der Druckschwankungen im Dichtungsspalt und andererseits ein besseres Rückhaltevermögen für das Lagerfluid im Dichtungsspalt nach sich zieht.
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Vorteilhaft kann die Erfindung eingesetzt werden, wenn im Bereich des ersten Dichtungsspaltes eine dynamische Pumpdichtung angeordnet ist. Die dynamische Pumpdichtung ist durch vorzugsweise spiralförmige Rillenstrukturen gekennzeichnet, welche auf mindestens einer der den Dichtungsspalt bildenden Oberflächen des feststehenden Lagerbauteils oder des rotierenden Lagerbauteils angeordnet sind. In dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Verbreiterung des ersten Dichtungsspaltes durch eine umlaufende Rille gebildet sein, die im Bereich des ersten Dichtungsspaltes an der äußeren Mantelfläche des zweiten Lagerbauteils angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbreiterung des Dichtungsspaltes durch eine Rille gebildet sein, die im Bereich des ersten Dichtungsspaltes an einer inneren Mantelfläche der Nabe angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weise ist die umlaufende Rille auf derselben Oberfläche angeordnet wie die Rillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung, wobei die umlaufende Rille End-Abschnitte der Rillenstrukturen der Pumpdichtung miteinander verbindet. Durch die verbindende Rille werden Unterdruckzonen und Druckschwankungen, insbesondere an den Enden der Rillenstrukturen der Pumpdichtung, verhindert oder auf einen tolerierbaren Wert reduziert. Ferner wird durch die Rille und deren Kapillarwirkung das Lagerfluid in der Pumpdichtung gehalten und ein Absinken des Fluidpegels unter einen zulässigen Wert erschwert. Dies verhindert auch, dass eventuell Luft in das Lagerinnere gelangt, welche beispielsweise durch die trockenlaufende dynamische Pumpdichtung in das Lager hineingepumpt werden würde. Durch die umlaufende Rille im Bereich der Pumpdichtung stellt sich ein stabiler Fluidmeniskus, d. h. ein stabiler Fluidpegel, im Dichtungsspalt ein, dessen Höhe sich je nach Anordnung der Rille verändern lässt.
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Die umlaufende Rille kann, wie auch die Rillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung, vorzugsweise mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens in die jeweilige Lageroberfläche eingebracht werden. Natürlich sind auch andere Verfahren, z. B. spanabhebende Verfahren, zur Herstellung der Rille geeignet.
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In ähnlicher Weise und gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Verbreiterung des zweiten Dichtungsspaltes durch einen an einer Stufe des zweiten Lagerbauteils angeordneten großen Radius gebildet sein. Dieser Radius verbreitert den Dichtungsspalt und führt zu einer ähnlichen Wirkung wie eine oben beschriebene Rille. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbreiterung durch eine an der Stufe des rotierenden Lagerbauteils angeordnete Hohlkehle oder Hinterschneidung gebildet sein. Auch eine solche Hohlkehle oder Hinterschneidung hält das Lagerfluid zurück, vergleichmäßigt Druckschwankungen und stabilisiert den Fluidpegel im Dichtungsspalt.
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Das feststehende Bauteil des Lagers kann erfindungsgemäß ein erstes Lagerbauteil, eine in dem Lagerbauteil aufgenommene Welle und ein an der Welle angeordnetes zweites ringförmiges Lagerbauteil aufweisen, wobei die beiden Lagerbauteile in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnet sind. Die Welle und das zweite ringförmige Lagerbauteil können dabei ein- oder zweiteilig ausgebildet sein. Das rotierende Bauteil des Lagers kann eine Nabe mit einer Lagerbuchse umfassen, die zwischen den beiden Lagerbauteilen um die Welle drehbar angeordnet ist. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das feststehende Bauteil eine Welle und zwei konusförmige Lagerbauteile aufweisen, wobei die Lagerbauteile in einem gegenseitigen Abstand an der Welle (312) angeordnet sind. Das rotierende Bauteil umfasst hierbei eine Nabe und zwei in einer Öffnung der Nabe befestigte Lagerbuchsen, wobei jede Lagerbuchse einem konusförmigen Lagerbauteil zugeordnet ist und mit diesem ein konisches Lager bildet. Das Lagersystem somit umfasst zwei konische Lager, die gebildet werden durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen der konusförmigen Lagerbauteile und der Lagerbuchsen.
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Vorzugsweise sind entlang des Lagerspaltes mindestens zwei Radiallager angeordnet, die durch einander angrenzende und durch den Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse gebildet werden. Es ist mindestens ein Axiallager oder ein konisches bzw. sphärisches Lager vorgesehen, das durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Stirnseiten des ersten Lagerbauteils und der Lagerbuchse gebildet wird.
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Das beschriebene Lagersystem ist geeignet zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welcher einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das Lagersystem von 1 im Bereich der Pumpdichtung.
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3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung des Lagersystems von 1 im Bereich der Pumpdichtung.
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4 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung des Lagersystems von 1 im Bereich der Pumpdichtung.
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5 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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6 zweigt einen vergrößerten Schnitt durch das Lagersystem von 5 im Bereich einer Pumpdichtung.
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Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
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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 Bohrung, 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 feststehenden Komponenten des Spindelmotors. Die Welle 12 weist an ihrem oberen Ende eine Gewindebohrung (nicht dargestellt) zur Befestigung an einem Gehäusedeckel des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks auf. Die rotierende Komponente des Spindelmotors umfasst eine Nabe 14, die einen etwas topfförmigen Querschnitt aufweist und an welche eine Lagerbuchse 15 einteilig angeformt ist. Die Lagerbuchse 15 ist in einem durch die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das zweite Lagerbauteil 18 hat einen im Vergleich zur Welle 12 vergrößerten Durchmesser und ist in einer ringförmigen Aussparung der Nabe 14 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, der Nabe 14 und der beiden Lagerbauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. 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 der Nabe 14 angeordnet ist. Prinzipiell ist es auch möglich, die Nabe 14 und die Lagerbuchse 15 als zwei separate Teile auszubilden. Ferner kann der Motor alternativ als Innenläufer ausgebildet sein.
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Die Lagerbuchse 15 hat eine zylindrische Bohrung an deren Innenumfang zwei Radiallager 22a, 22b mit zylindrischen Lagerflächen ausbildet sind, welche durch einen dazwischen angeordneten Separatorspalt 24 getrennt sind. Die 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 Lagerrillen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 die beiden fluiddynamischen Radiallager 22a und 22b ausbilden.
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An das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 15 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des ersten Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 in Form eines zur Drehachse 30 des Lagers senkrechten Kreisringes. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnfläche der Lagerbuchse 15, der Stirnfläche des ersten Lagerbauteils 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Lagerrillen des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 15, also von inneren Rand bis zum äußeren Rand bzw. bis in eine am äußeren Umfang des ersten Lagerbauteils 16 oder der Lagerbuchse 15 eingebrachte Vertiefung. 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.
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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 15 und des ersten 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 35, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 15 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 15 und dem Lagerbauteil 16 können jeweils leicht in Richtung zur Drehachse 30 im Verlauf in Richtung zur Lageröffnung nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der auf das Lagerfluid wirkenden Fliehkraft in das Lagerinnere in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
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An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Nabe 14 bzw. die Lagerbuchse 15 im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass sie 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 zweiter Dichtungsspalt 32 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 32 umfasst vorzugsweise eine Pumpdichtung 36 und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Die Pumpdichtung ist durch Rillenstrukturen 37 gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle und/oder der Oberfläche der Nabe angeordnet sind und schräg zur Drehrichtung der Nabe verlaufen. Bei Rotation des Lagers erzeugen die Rillenstrukturen 37 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 32 befindliche Lagerfluid und pumpen dieses in das Lagerinnere in Richtung des Lagerspalts 20. Der Dichtungsspalt 32 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Nabe 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt. Es kann eine ringförmige Abdeckkappe 39 zur Abdeckung des Dichtungsbereichs vorhanden sein.
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Erfindungsgemäß weist der Dichtungsspalt 32 lokal eine Verbreiterung auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 und der vergrößerten Darstellung in 2 ist diese Verbreiterung als umlaufende Rille 38 ausgebildet, die – wie auch die Rillenstrukturen 37 der Pumpdichtung 36 – beispielsweise auf dem feststehenden zweiten Lagerbauteil 18 angeordnet sind. Die Rille 38 ist im unteren Abschnitt des Dichtungsspaltes 32 vorgesehen, also entlang des dem Lagerspalt 20 zugewandten Abschnitts. Die Rille 38 verbindet vorzugsweise die unteren Enden der Rillenstrukturen 37 miteinander und sorgt im Betrieb des Lagers für einen „Kurzschluss” und Druckausgleich in diesem Verbindungsbereich. Im Stillstand des Lagers steht das Lagerfluid im Dichtungsspalt 32 beispielsweise bei einem oberen Fluidpegel 48 und bildet am Ende des Dichtungsspaltes einen Fluidmeniskus 46 aus. Wird das Lager in Betrieb genommen, so wird die Pumpdichtung 36 aktiv und die Rillenstrukturen 37 pumpen das im Dichtungsspalt 32 befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspaltes 20. Folglich sinkt das Niveau des Lagerfluids im Dichtungsspalt 32 auf einen unteren Fluidpegel 48 und wird durch die Kapillar- und Speicherwirkung der Rille 38 auf diesem minimalen Pegel 48' gehalten. Wäre die Rille 38 nicht vorhanden, so würde der Fluidpegel noch weiter absinken, so dass die Gefahr bestünde, dass die Pumpdichtung 36 vollständig trockenläuft. Der Querschnitt der Rille 38 kann beispielsweise dreieckförmig sein oder aber auch halbkreisförmig, wie dies in 2 angedeutet ist. Auch ein rechteckiger Querschnitt der Rille 38 kann vorgesehen sein. Durch die Pumpwirkung der Pumpdichtung 36 wird das Lagerfluid im Bereich des Dichtungsspaltes 32 aufgeschäumt, d. h. mit Luftblasen vermischt. Dieser Schaumbildung des Lagerfluids wirkt die Rille 38 ebenfalls entgegen.
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3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das Lager im Bereich des Dichtungsspalts 32 und eine alternative Ausgestaltung einer Verbreiterung des Dichtungsspaltes 32. Man erkennt den oberen Dichtungsbereich und die Pumpdichtung 36 mit den Rillenstrukturen 137. An einem inneren Umfang der Nabe 14 ist eine umlaufende Rille 138 angeordnet, und zwar etwa gegenüberliegend den unteren Enden der Lagerrillenstrukturen 37, also im unteren Bereich des Dichtungsspalts 32 nahe dem Übergang zum Lagerspalt 20. Die Rille 138 kann einen eckigen oder halbrunden Querschnitt aufweisen und ermöglicht einen Druckausgleich im Bereich der unteren Enden der Rillenstrukturen 37 sowie ein Rückhalten des Lagerfluids. Ein im Ruhezustand des Lagers sich einstellender oberer Fluidpegel 48 fällt im Betrieb aufgrund der Rille 138 nur bis auf einen minimalen Fluidpegel 148 ab, der für einen sicheren Betrieb des Lagers und Aufrechterhaltung der Dichtungswirkung ausreicht.
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4 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das Lager im Bereich des Dichtungsspalts 32 und eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Verbreiterung des Dichtungsspaltes 32. Eine Verbreiterung des Dichtungsspaltes 32 kann nicht nur durch zusätzliche Rillen am Umfang der Lagerbauteile erzielt werden, sondern beispielsweise durch einen großen Radius 50, der an einer im Dichtungsspalt 32 befindlichen Stufe des zweiten Lagerbauteils 18 angeordnet ist. Hierbei wird ein übergroßer Radius gewählt, so dass die Breite des Dichtungsspaltes 32 sich in diesem Bereich deutlich vergrößert. Durch diesen Radius 50 wird ein Druckausgleich im Dichtungsspalt 32 erzielt und ein kleines Reservoir für das Lagerfluid gebildet, so dass immer eine gewisse Menge an Lagerfluid im Dichtungsspalt verbleibt. Alternativ zum Radius 50 oder aber zusätzlich zum Radius 50 kann auf der gegenüberliegenden Ecke oder Stufe der Nabe 14 eine Hohlkehle oder Hinterschneidung 52 ausgebildet sein, die ebenfalls eine deutliche Verbreiterung des Dichtungsspaltes 32 bewirkt und als zusätzliches Reservoir oder Rückhaltevolumen für das Lagerfluid dient.
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In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b, das Axiallager 26 sowie evtl. der Pumpdichtung 36 notwendigen Lager- bzw. Pumprillenstrukturen 237 an der Nabe 14 bzw. Lagerbuchse 15 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht.
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Da der Spindelmotor nur ein einziges 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 die magnetische Mitte des Rotormagneten 44 axial weiter entfernt von der Basisplatte 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.
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Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise eine Rezirkulationsbohrung 28 vorgesehen. Die Rezirkulationsbohrung 28 ist erfindungsgemäß als axial oder schräg verlaufender Kanal in der Lagerbuchse 15 ausgebildet, der vorzugsweise in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse 30 des Lagers angeordnet ist. Die Rezirkulationsbohrung 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 strömt das Lagerfluid ausgehend vom Axiallager über das untere Radiallager 22b zum oberen Radiallager 22a und von dort über die Rezirkulationsbohrung zurück in den Bereich des Axiallagers 26, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Unterstützt wird die Zirkulation des Lagerfluids durch die Wirkung der Fliehkraft auf das in der schrägen Rezirkulationsbohrung 28 befindliche Lagerfluid. Die Fliehkraft fördert das Lagerfluid nach unten in Richtung des Axiallagers 26, so dass sich ein stabiler Fluidkreislauf einstellt.
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Aufgrund der Fliehkraft, die innerhalb der Rezirkulationsbohrung 28 auf das Lagerfluid wirkt, ist es ausreichend, wenn das untere Radiallager 22b insgesamt nach oben pumpende asymmetrische Lagerstrukturen aufweist, d. h. die unteren Äste der Radiallagerstrukturen sind geringfügig länger als die oberen Äste des Radiallagers. Das obere Radiallager 22a kann dagegen weitgehend symmetrisch ausgebildet sein.
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5 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit zwei konischen Lagern, die im wesentlichen identisch aufgebaut sind.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 310 als tragende Struktur, die eine Bohrung umfasst, in welcher eine feststehende Welle 312 angeordnet ist. Die Welle 312 bildet zusammen mit zwei konusförmigen Lagerbauteilen 316, 318 das feststehende Bauteil des Lagersystems. Die konusförmigen Lagerbauteile 316, 318 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand an der Welle 312 angeordnet und mit dieser fest verbunden. Die konusförmigen Lagerbauteile 316, 318 haben einander zugewandte, in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Drehachse 330 verlaufende konische Lagerflächen. Dem ersten konusförmigen Lagerbauteil 316 ist eine erste Lagerbuchse 315 zugeordnet. Die erste Lagerbuchse 315 weist eine teilweise konische Lagerbohrung und eine konische Lagerfläche auf, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt 320 von der konischen Lagerfläche des konusförmigen Lagerbauteils 316 getrennt ist. Die konischen Lagerflächen und der Lagerspalt 320 verlaufen parallel und schräg zur Drehachse 330 und bilden ein erstes konisches, fluiddynamisches Lager 323.
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Der Lagerspalt 320 hat zwei offene Enden, die jeweils an die Stirnflächen der Lagerbuchse 315 angrenzen. Ein erstes offenes Ende des Lagerspaltes 320 wird durch einen kapillaren Dichtungsspalt 332b abgedichtet, der durch eine Oberfläche des ersten konusförmigen Lagerbauteils 316 und eine angrenzende Oberfläche einer mit der ersten konusförmigen Lagerbauteils 316 verbundenen Abdeckkappe 339 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt 332b bildet mit dem Lagerspalt 320 und mit der Drehachse 330 einen spitzen Winkel aus. Der Dichtungsspalt 332b ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und wirkt somit als zusätzliches Fluidreservoir. Das untere Ende des Lagerspaltes 320 ist abgedichtet durch einen weiteren Dichtungsspalt 332a, der vorzugsweise eine Pumpdichtung umfasst, indem entweder auf der Welle 312 oder auf der Lagerbuchse 315 im Bereich des Dichtungsspaltes 332b Pumpstrukturen 333 aufgebracht sind, die bei einer Rotation der Lagerbuchse 312 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Inneren des Lagerspalts 320 erzeugen.
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Das zweite konusförmige Lagerbauteil 318 weist ebenfalls konische Lagerflächen auf, die mit der Drehachse 330 einen spitzen Winkel ausbilden. Das konusförmige Lagerbauteil 318 ist in einer zweiten Lagerbuchse 317 angeordnet, die ebenfalls konische Lagerflächen aufweist, die durch einen zweiten Lagerspalt 321 von den konischen Lagerflächen des zweiten konusförmigen Lagerbauteils 318 getrennt sind und ein zweites konisches, fluiddynamisches Lager 325 ausbilden. Auch der zweite Lagerspalt 321 ist an seinen beiden offenen Enden durch einen ersten Dichtungsspalt 334b sowie einen zweiten Dichtungsspalt 334a mit Pumpdichtung 336 abgedichtet. Der erste Dichtungsspalt 334b wird begrenzt durch entsprechende Oberflächen des zweiten konusförmigen Lagerbauteils 318 und einer an der zweiten Lagerbuchse 317 angeordneten Abdeckkappe 354. Der Dichtungsspalt 334a bildet mit dem Lagerspalt 321 und mit der Drehachse 330 einen spitzen Winkel aus. Der Dichtungsspalt 334a mit der Pumpdichtung 336 wird gebildet zwischen aneinander angrenzenden Oberflächen der Welle 312 und der Lagerbuchse 317.
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Die beiden Lagerbuchsen 315 und 317 grenzen aneinander an und sind durch eine Distanzscheibe 356 voneinander getrennt, die gleichzeitig zur Kompensation der Wärmeausdehnung der Bauteile dient und als Dichtungsscheibe wirkt. Der Zwischenraum, der zwischen den beiden Lagerbuchsen 315, 317 und der Distanzscheibe 356 gebildet wird, ist belüftet, um einen Druckausgleich herzustellen. Zur Belüftung kann die Welle 312 eine entsprechende Bohrung 358 aufweisen, die den Zwischenraum mit der Außenatmosphäre verbindet.
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Die beiden Lagerbuchsen 315 und 317 sind in einer zentralen Aussparung einer Nabe 314 des Spindelmotors gehalten, beispielsweise im Pressitz, oder sie werden in die Nabe 314 eingeklebt. Beide Lagerbuchsen 315 und 317 weisen am Außenumfang einen Bund 364 auf, der auf einer Stirnseite eines Randes an der Öffnung der Nabe 314 aufliegt.
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Der Spindelmotor wird angetrieben durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte 310 befestigten Statoranordnung 342 besteht, und einem Rotormagneten 344, der gegenüberliegend der Statoranordnung sowie diese zentrisch umfassend an einem Innenumfang der Nabe 314 angeordnet ist. Der Rotormagnet 344 kann von einem Joch 360 als magnetischer Rückschluss des Rotormagneten 344 umgeben sein.
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6 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das Lager im Bereich des Dichtungsspalts 332a und der Pumpdichtung 331. Man erkennt den Dichtungsbereich und die Pumpdichtung 331 mit den typischen schräg verlaufenden Rillenstrukturen 333. Vorzugsweise an einem inneren Umfang der Lagerbuchse 315 ist eine umlaufende Rille 338 angeordnet, und zwar etwa gegenüberliegend den in Richtung des Lagerspalts 320 weisenden Enden der Rillenstrukturen 333, also im Bereich des Übergangs des Dichtungsspaltes 332a in den Lagerspalt 320. Die Rille 338 kann einen eckigen oder vorzugsweise halbrunden Querschnitt aufweisen und ermöglicht einen Druckausgleich über den Umfang der Welle 312 im Bereich der Enden der Rillenstrukturen 333 sowie ein Rückhalten des Lagerfluids. Da das Lagerfluid in der Rille 338 gehalten wird, kann der Fluidpegel im Dichtungsspalt 332a im Betrieb des Lagers nur bis zur Rille 338 abfallen. Somit sind ein sicherer Betrieb des Lagers und eine Aufrechterhaltung der Dichtungswirkung des Dichtungsspaltes 332a gewährleistet.
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Das die beiden konischen Lager symmetrisch aufgebaut sind, besitzt das zweite konische Lager im Bereich des Dichtungsspaltes 334a ebenfalls eine Rille 362. Die Rille 362 ist genau so ausgebildet wie die Rille 338 des ersten konischen Lagers und erfüllt die oben beschriebene Funktion.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 310
- Basisplatte
- 12, 312
- Welle
- 14, 314
- Nabe
- 15, 315
- Lagerbuchse
- 16, 316
- erstes Lagerbauteil
- 317
- Lagerbuchse
- 18, 318
- zweites Lagerbauteil
- 20, 320
- Lagerspalt
- 321
- Lagerspalt
- 22a, 22b
- Radiallager
- 323
- konisches Lager
- 24
- Separatorspalt
- 325
- konisches Lager
- 26
- Axiallager
- 28
- Rezirkulationsbohrung
- 30, 330
- Drehachse
- 331
- Pumpdichtung
- 32, 332a, b
- Dichtungsspalt
- 333
- Rillenstrukturen
- 34, 334a, b
- Dichtungsspalt
- 35
- Abschnitt
- 36, 336
- Pumpdichtung
- 37, 137, 237, 337
- Rillenstrukturen
- 38, 138, 338
- Rille
- 39, 339
- Abdeckkappe
- 40
- ferromagnetischer Ring
- 42, 342
- Statoranordnung
- 44, 344
- Magnet
- 46, 346
- Fluidmeniskus
- 48, 148, 248
- Fluidpegel
- 50
- Radius
- 52
- Hohlkehle, Hinterschneidung
- 354
- Abdeckkappe
- 356
- Distanzscheibe
- 358
- Bohrung
- 360
- Joch
- 362
- Rille
- 364
- Bund
