DE102010056251A1 - Fluid bearing for spindle motor, has shaft that is rotatably mounted in relative to bearing bush by fluid dynamic radial bearing and hydrostatic thrust bearing about rotation axis - Google Patents

Fluid bearing for spindle motor, has shaft that is rotatably mounted in relative to bearing bush by fluid dynamic radial bearing and hydrostatic thrust bearing about rotation axis Download PDF

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Abstract

The fluid bearing has a shaft (12), fixed element and bearing bush (10). The shaft is disconnected by a radial bearing gap (14) filled with bearing fluid in bearing bore of the bearing bush. The shaft is rotatably mounted in relative to the bearing bush by fluid dynamic radial bearing (20,22) and hydrostatic thrust bearing (26) about a rotation axis (52). An independent claim is included for spindle motor.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Fluidlager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit einem rotierenden Bauteil sowie einem feststehenden Bauteil, die mittels eines fluiddynamischen Radiallagers und eines Axiallagers relativ zueinander drehbar gelagert sind.The invention relates to a fluid bearing, in particular for the rotary mounting of a spindle motor, with a rotating component and a stationary component, which are rotatably supported relative to each other by means of a fluid dynamic radial bearing and a thrust bearing.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art

Aus dem Stand der Technik, insbesondere auch von der Anmelderin selbst, ist eine Vielzahl von Fluidlagern verschiedener Bauarten bekannt.From the prior art, in particular by the applicant itself, a variety of fluid bearings of various types is known.

Die DE 10 2005 019 944 B3 oder die DE 103 45 907 B4 offenbaren beispielsweise Spindelmotoren mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit einer feststehenden Lagerbuchse, in welcher eine Welle drehbar gelagert ist. Die Drehlagerung erfolgt mittels zwei voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallagern und zwei fluiddynamischen Axiallagern, die an einer Druckplatte gebildet sind, welche mit der Welle verbunden ist. Die relativ zueinander drehbaren Lagerbauteile sind durch einen Lagerspalt von wenigen Mikrometern Breite voneinander getrennt, welcher mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Bei relativer Drehung der Lagerbauteile erzeugen auf den Lageroberflächen aufgebrachte Lagerrillenstrukturen einen fluiddynamischen Druck im Lagerfluid, der das Lagersystem tragfähig macht.The DE 10 2005 019 944 B3 or the DE 103 45 907 B4 Disclose, for example spindle motors with a fluid dynamic bearing system with a fixed bearing bush in which a shaft is rotatably mounted. The pivot bearing takes place by means of two fluid dynamic radial bearings spaced apart from one another and two fluid-dynamic axial bearings which are formed on a pressure plate which is connected to the shaft. The relatively rotatable bearing components are separated by a bearing gap of a few micrometers width, which is filled with a bearing fluid. Upon relative rotation of the bearing components, bearing groove structures applied to the bearing surfaces create a fluid dynamic pressure in the bearing fluid which renders the bearing system viable.

Da der Lagerspalt sehr schmal ist, erzeugt das Lagerfluid auf Grund seiner relativ großen Viskosität eine deutliche Lagerreibung, die bei der Drehlagerung eines Spindelmotors für einen Großteil des Energieverbrauchs des Spindelmotors verantwortlich ist. Gerade in mobilen Geräten, aber auch in Servern, in denen Spindelmotoren beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, ist ein Strom sparender Betrieb von großer Bedeutung.Since the bearing gap is very narrow, the bearing fluid generates a significant bearing friction due to its relatively high viscosity, which is responsible for the majority of the energy consumption of the spindle motor in the rotary bearing of a spindle motor. Especially in mobile devices, but also in servers in which spindle motors are used for example for driving hard disk drives, a power-saving operation is of great importance.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Fluidlager anzugeben, das im Vergleich zu einem oben beschriebenen fluiddynamischen Lagersystem eine deutlich geringere Lagerreibung aufweist. Ein Spindelmotor mit einem solchen Fluidlager soll ebenfalls beschrieben werden.It is the object of the invention to provide a fluid bearing, which has a significantly lower bearing friction compared to a fluid dynamic bearing system described above. A spindle motor with such a fluid bearing will also be described.

Das Fluidlager besteht aus einem rotierenden Bauteil umfassend eine Welle und aus einem feststehenden Bauteil umfassend eine Lagerbuchse, wobei die Welle in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse aufgenommen und von dieser durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Radiallagerspalt getrennt ist, wobei die Welle relativ zur Lagerbuchse mittels fluiddynamischer Radiallager und eines Axiallagers drehbar gelagert ist.The fluid bearing consists of a rotating component comprising a shaft and a stationary component comprising a bearing bush, wherein the shaft is received in a bearing bore of the bearing bush and separated therefrom by a bearing with a bearing fluid radial bearing gap, wherein the shaft relative to the bearing bush by means of fluid dynamic radial bearings and a thrust bearing is rotatably mounted.

Erfindungsgemäß ist das Axiallager als hydrostatisches Axiallager ausgebildet.According to the invention, the thrust bearing is designed as a hydrostatic thrust bearing.

Entlang des Radiallagerspaltes, der zwischen der Welle und der Lagerbuchse verläuft, sind vorzugsweise zwei Radiallager angeordnet, nämlich ein erstes Radiallager und ein in einem axialen Abstand davon angeordnetes zweites Radiallager. Zwischen den beiden Radiallagern ist ein Separatorspalt mit einer im Vergleich zum Radiallagerspalt deutlich vergrößerten Spaltbreite vorgesehen.Along the radial bearing gap which extends between the shaft and the bearing bush, two radial bearings are preferably arranged, namely a first radial bearing and a second radial bearing arranged at an axial distance therefrom. Between the two radial bearings a Separatorspalt is provided with a significantly larger gap width compared to the radial bearing gap.

Das erste, der Lageröffnung benachbarte Radiallager des Fluidlagers pumpt das im Radiallagerspalt befindliche Lagerfluid in das Lager hinein, d. h. das erste Radiallager umfasst asymmetrische Radiallagerrillen, die eine Pumpwirkung auf das im Radiallagerspalt befindliche Lagerfluid erzeugen, die überwiegend in Richtung des Separatorspalts gerichtet ist. Durch diese Pumpwirkung herrscht im Separatorspalt ein höherer Druck als der Atmosphärendruck. Dieser erhöhte Druck kann ausgenutzt werden, um einen definierten Fluss des Lagerfluids durch den Lagerspalt zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird diese Pumpfunktion außerdem genutzt, um den für das Axiallager benötigten hydrostatischen Druck zu erzeugen.The first, the bearing opening adjacent radial bearing of the fluid bearing pumps the bearing fluid located in the radial bearing gap into the camp, d. H. the first radial bearing comprises asymmetric radial bearing grooves which generate a pumping action on the bearing fluid in the radial bearing gap, which is directed predominantly in the direction of the separator gap. Due to this pumping action, a higher pressure prevails in the separator gap than the atmospheric pressure. This increased pressure can be exploited to create a defined flow of bearing fluid through the bearing gap. According to the invention, this pumping function is also used to generate the hydrostatic pressure required for the thrust bearing.

Das zweite Radiallager umfasst ebenfalls Radiallagerrillen, die eine Pumpwirkung auf das im Radiallagerspalt befindliche Lagerfluid erzeugen. Die Radiallagerrillen können symmetrisch ausgebildet sein, d. h. in beide Richtungen des Lagerspalts eine gleich große Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen. Um den Druck im Separatorspalt weiter zu erhöhen, kann das zweite Radiallager alternativ auch mit asymmetrischen Radiallagerrillen versehen sein, die eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des Separatorspalts erzeugen.The second radial bearing also includes radial bearing grooves that create a pumping action on the bearing fluid in the radial bearing gap. The radial bearing grooves may be formed symmetrically, d. H. generate an equally large pumping action on the bearing fluid in both directions of the bearing gap. In order to further increase the pressure in the separator gap, the second radial bearing can alternatively also be provided with asymmetrical radial bearing grooves, which generate a predominant pumping action in the direction of the separator gap.

Die Lagerbohrung ist einseitig durch eine Verschlussplatte verschlossen. Das Axiallager, das entlang eines Axiallagerspalts gebildet wird, ist zwischen einer Stirnseite der Welle und der Verschlussplatte vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst das Axiallager keine Lagerrillenstrukturen, da hier ja kein fluiddynamischer Druck erzeugt werden muss, sondern es wird ein hydrostatischer Druck erzeugt, der die axiale Lagerkraft aufbringt.The bearing bore is closed on one side by a closure plate. The thrust bearing formed along a thrust bearing gap is provided between an end face of the shaft and the shutter plate. According to the invention, the thrust bearing does not comprise bearing groove structures, since here no fluid-dynamic pressure has to be generated, but rather a hydrostatic pressure is generated which applies the axial bearing force.

Zur Erzeugung dieses hydrostatischen Druckes im Axiallagerspalt ist in der Welle eine Bohrung vorgesehen, die den Separatorspalt mit dem Axiallagerspalt verbindet. Durch die gezielte Pumpwirkung der Radiallagerrillen in Richtung des Separatorspalts wird im Separatorspalt ein Überdruck erzeugt, der durch die Bohrung der Welle in den Axiallagerspalt übertragen wird und das Axiallager tragfähig macht.To generate this hydrostatic pressure in the axial bearing gap, a bore is provided in the shaft, which connects the separator gap with the axial bearing gap. Due to the targeted pumping action of the radial bearing grooves in the direction of the separator gap, an overpressure is generated in the separator gap, the is transmitted through the bore of the shaft in the axial bearing gap and makes the thrust bearing load-bearing.

Zur besseren Ausnutzung dieses hydrostatischen Druckes kann im Bereich des Axiallagerspaltes entweder in der Verschlussplatte oder der Stirnseite der Welle eine hydrostatische Lagertasche eingebracht sein, wobei die Bohrung der Welle in diese Lagertasche mündet und dort ein tragender Fluiddruck aufgebaut wird.For better utilization of this hydrostatic pressure, a hydrostatic bearing pocket can be introduced in the region of the axial bearing gap either in the closure plate or the end face of the shaft, wherein the bore of the shaft opens into this bearing pocket and a bearing fluid pressure is established there.

Das Lagerfluid kann auf verschiedenen Wegen durch das Lager zirkulieren. Wie bei einem aus dem Stand der Technik bekannten fluiddynamischen Lager kann das vom ersten Radiallager in Richtung des Separatorspalts gepumpte Lagerfluid das zweite Radiallager passieren und über eine Rezirkulationsbohrung innerhalb der Lagerbuchse wieder zurück zum ersten Lager fließen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene neue Bohrung in der Welle, welche den Separatorspalt mit dem Axiallagerspalt bzw. eine Lagertasche verbindet, kann das Lagerfluid nun direkt vom ersten Radiallager in die Lagertasche gelangen. Der Druck in dieser Lagertasche entspricht dann etwa dem Druck innerhalb des Separatorspalts zwischen den beiden Radiallagern. Dieser Druck wiederum hebt die Welle an, wobei dann das Lagerfluid durch einen am Rand der Lagertasche entstehenden Spalt vorzugsweise über eine zusätzlich in der Lagerbuchse vorgesehene Rezirkulationsbohrung abfließen kann.The bearing fluid can circulate through the bearing in various ways. As in a fluid dynamic bearing known from the prior art, the bearing fluid pumped from the first radial bearing in the direction of the separator gap can pass through the second radial bearing and flow back to the first bearing via a recirculation bore within the bearing bush. By inventively proposed new bore in the shaft, which connects the Separatorspalt with the Axiallagerspalt or a storage bag, the bearing fluid can now pass directly from the first radial bearing in the bearing pocket. The pressure in this storage bag then corresponds approximately to the pressure within the Separatorspalts between the two radial bearings. This pressure in turn raises the shaft, in which case the bearing fluid can then flow off through a gap formed at the edge of the bearing pocket, preferably via a recirculation bore additionally provided in the bearing bush.

Eine axiale Vorspannung für das hydrostatische Axiallager kann beispielsweise durch das elektro-magnetische Antriebssystem des Spindelmotors erzeugt werden, welches dieses Fluidlager aufweist. Es stellt sich dann ein Gleichgewicht zwischen dem hydrostatischen Axiallager und dem magnetischen Axiallager zur Erzeugung einer axialen Vorspannkraft ein. Dieses magnetische Axiallager kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass der Rotormagnet gegenüber der Statoranordnung in die axiale Richtung nach oben versetzt angeordnet ist, wodurch auf die Nabe eine axial nach unten in Richtung zur Basisplatte gerichtete Kraft erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein an der Basisplatte axial unterhalb des Rotormagneten angeordneter ferromagnetischer Zugring vorgesehen werden, welcher ebenfalls eine axial nach unten gerichtete Kraft auf die Nabe ausübt.An axial preload for the hydrostatic thrust bearing can be generated for example by the electro-magnetic drive system of the spindle motor having this fluid bearing. It then sets a balance between the hydrostatic thrust bearing and the magnetic thrust bearing for generating an axial biasing force. This magnetic thrust bearing can be formed, for example, in that the rotor magnet is arranged offset in the axial direction relative to the stator arrangement in the axial direction, whereby a force directed axially downward in the direction of the base plate is produced on the hub. Alternatively or additionally, an arranged on the base plate axially below the rotor magnet ferromagnetic tension ring can be provided which also exerts an axially downward force on the hub.

Da der Spalt der Lagertasche des hydrostatischen Axiallagers sehr viel größer ist als der für ein fluiddynamisches Axiallager notwendige Spalt, verringert sich insbesondere die Lagerreibung des Fluidlagers und damit auch der Stromverbrauch des Spindelmotors. Bei Spindelmotoren zum Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken wurde eine Verringerung der Lagerreibung um ca. 10% beobachtet.Since the gap of the bearing pocket of the hydrostatic thrust bearing is much larger than the necessary for a fluid dynamic thrust bearing gap, in particular reduces the bearing friction of the fluid bearing and thus the power consumption of the spindle motor. Spindle motors used to drive 2.5-inch hard disk drives saw a 10 percent reduction in bearing friction.

An einer Stirnseite der Lagerbuchse kann eine Abdeckung vorgesehen sein, welche die Lagerbuchse teilweise umschließt und becherförmig ausgebildet ist. Diese Abdeckung bildet zusammen mit einer Außenfläche der Lagerbuchse ein teilweise mit Lagerfluid gefülltes Fluidreservoir, das mit dem Lagerspalt verbunden ist und sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngt.On a front side of the bearing bush, a cover may be provided which surrounds the bearing bush partially and is cup-shaped. This cover, together with an outer surface of the bearing bush, partially filled with bearing fluid fluid reservoir which is connected to the bearing gap and tapers in the direction of the bearing gap.

Die Erfindung betrifft auch einen Spindelmotor mit einem oben beschriebenen Fluidlager, insbesondere für den Antrieb von Speicherplatten in Festplattenlaufwerken.The invention also relates to a spindle motor with a fluid bearing described above, in particular for the drive of storage disks in hard disk drives.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert, wobei sich aus der Beschreibung der Zeichnungen weitere Merkmale und weitere Vorteile ergeben.The invention will be explained in more detail with reference to drawing figures, resulting in the description of the drawings further features and other advantages.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen Fluidlager. 1 : shows a section through a spindle motor with a fluid bearing according to the invention.

2: zeigt schematisch eine Ansicht der Welle mit zwei asymmetrischen Radiallagern, die beide in Richtung des jeweils anderen Radiallagers pumpen. 2 1 shows schematically a view of the shaft with two asymmetric radial bearings, both pumping in the direction of the other radial bearing.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention

1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 42, wobei eine Lagerbuchse 10 in einer Aussparung der Basisplatte 42 befestigt ist. Die Lagerbuchse 10 weist eine zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 12 drehbar aufgenommen ist. Der Durchmesser der Lagerbohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle 12, so dass zwischen der Welle 12 und der Lagerbohrung ein Radiallagerspalt 14 von einigen Mikrometern Breite verbleibt. Ein Ende der Lagerbohrung ist durch eine Verschlussplatte 18 luftdicht verschlossen. Der Radiallagerspalt 14 ist mit einem Lagerfluid gefüllt und geht in Richtung der Verschlussplatte 18 in einen Axiallagerspalt 28 über. Der Axiallagerspalt wird durch die Verschlussplatte 18 und einen Stopperring 16 begrenzt, der an einem Ende der Welle 12 auf der geschlossenen Seite des Lagers angeordnet ist. Der Stopperring 16 ist vorzugsweise einteilig mit der Welle 12 ausgebildet und in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 10 angeordnet. Dieser Stopperring 16 verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10. 1 shows a section through a spindle motor according to the invention. The spindle motor includes a fixed base plate 42 , wherein a bearing bush 10 in a recess of the base plate 42 is attached. The bearing bush 10 has a cylindrical bearing bore, in which a shaft 12 is received rotatably. The diameter of the bearing bore is slightly larger than the diameter of the shaft 12 , so between the shaft 12 and the bearing bore a radial bearing gap 14 of a few microns width remains. One end of the bearing bore is through a closure plate 18 hermetically sealed. The radial bearing gap 14 is filled with a bearing fluid and goes in the direction of the closure plate 18 in a thrust bearing gap 28 above. The thrust bearing gap is through the closure plate 18 and a stopper ring 16 limited at one end of the shaft 12 is arranged on the closed side of the bearing. The stopper ring 16 is preferably integral with the shaft 12 formed and in a corresponding recess of the bearing bush 10 arranged. This stopper ring 16 prevents the shaft from falling out 12 from the bearing bore of the bearing bush 10 ,

Entlang des Radiallagerspaltes 14 sind zwei Radiallager 20, 22 in einem axialen Abstand voneinander angeordnet. Die Radiallager 20, 22 sind durch Radiallagerrillen gekennzeichnet, die entweder auf der Oberfläche der Welle 12 oder der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 angeordnet sind. Diese Radiallagerrillen haben beispielsweise eine fischgrätenartige oder sinusförmige Form, die symmetrisch aber auch asymmetrisch sein kann. Das erste Radiallager 20 weist vorzugsweise asymmetrische Radiallagerrillen auf, die das Lagerfluid in Richtung des zweiten Radiallagers 22 pumpen, während das zweite Radiallager 22 vorzugsweise symmetrische Radiallagerrillen aufweist, aber auch asymmetrisch ausgebildet sein kann und im letzteren Fall eine Pumpwirkung in Richtung des ersten Radiallagers ausübt. Bei einer Drehung der Welle 12 in der Lagerbohrung erzeugen die Radiallagerrillen der beiden Radiallager 20, 22 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid, so dass sich im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufbaut. Das erste Radiallager 20 ist asymmetrisch ausgebildet und weist längere Äste sowie kürze Äste auf, die das Lagerfluid in verschiedene Richtungen des Radiallagerspalts 14 pumpen. Die längeren Äste der Radiallagerrillen des ersten Radiallagers 20 erzeugen eine stärkere Pumpwirkung als die kürzeren Äste, so dass das erste Radiallager 20 überwiegend in Richtung des zweiten Radiallagers 22 pumpt. Das zweite Radiallager 22 ist durch einen Separatorspalt 24 vom ersten Radiallager 20 getrennt. Der Separatorspalt 24 ist ein gegenüber dem Radiallagerspalt 14 verbreiteter Abschnitt des Lagerspaltes. Das zweite Radiallager 22 erzeugt durch seine symmetrischen Radiallagerrillen eine nicht gerichtete Pumpwirkung.Along the radial bearing gap 14 are two radial bearings 20 . 22 arranged at an axial distance from each other. The radial bearings 20 . 22 are characterized by radial bearing grooves, which are either on the surface of the shaft 12 or the surface of the bearing bore of the bearing bush 10 are arranged. These radial bearing grooves have for example a herringbone or sinusoidal shape, which may be symmetrical but also asymmetric. The first radial bearing 20 preferably has asymmetrical radial bearing grooves, which the bearing fluid in the direction of the second radial bearing 22 pump while the second radial bearing 22 preferably has symmetrical radial bearing grooves, but may also be formed asymmetrically and in the latter case, a pumping action in the direction of the first radial bearing exerts. With a rotation of the shaft 12 in the bearing bore generate the radial bearing grooves of the two radial bearings 20 . 22 a pumping action on the bearing fluid, so that builds up a hydrodynamic pressure in the bearing gap. The first radial bearing 20 is formed asymmetrically and has longer branches and shorter branches on which the bearing fluid in different directions of the radial bearing gap 14 pump. The longer branches of the radial bearing grooves of the first radial bearing 20 generate a stronger pumping action than the shorter branches, leaving the first radial bearing 20 mainly in the direction of the second radial bearing 22 inflated. The second radial bearing 22 is through a separator gap 24 from the first radial bearing 20 separated. The separator gap 24 is one opposite the radial bearing gap 14 common section of the bearing gap. The second radial bearing 22 generated by its symmetrical radial bearing grooves a non-directed pumping action.

Zwischen der Unterseite der Welle 12 bzw. der Unterseite des Stopperrings 16 und der Innenflache der Verschlussplatte 18 verläuft der Axiallagerspalt 28, in dessen Bereich ein hydrostatisches Axiallager 26 gebildet ist. Die beiden Radiallager 20, 22 sind fluiddynamische Lager, d. h. die Lagerkraft wird durch Bildung eines fluiddynamischen Druckes durch die Drehung der Lagerbauteile erzeugt. Das Axiallager 26 ist erfindungsgemäß als hydrostatisches Lager ausgebildet, d. h. das Axiallager 26 besitzt keine aktiven hydrodynamischen Lagerstrukturen, die einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Stattdessen umfasst das Axiallager 26 vorzugsweise eine Lagertasche 30, die beispielsweise als Aussparung an der Unterseite der Welle 12 oder alternativ in der Oberseite der Verschlussplatte 18 gebildet ist. Um ein rasches Abheben der Welle während des Anlaufs des Motors zu erreichen, können im Bereich des kleinen Axiallagerspaltes im Außenumfang der Unterseite der Welle 12 oder in der gegenüberliegenden Fläche der Verschlussplatte 18 flache spiralrillenförmige Axiallagerstrukturen vorgesehen werden. In die Lagertasche 30 mündet eine Bohrung 32, deren anderes Ende in den Separatorspalt 24 mündet. Diese Bohrung kann wie dargestellt zentrisch zur Rotationsachse 52 des Lagers in die Lagertasche 30 münden, jedoch ist es auch möglich, das untere Ende der Bohrung azentrisch vorzusehen, um eine Unwucht der Welle zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Durch die Pumpwirkung des ersten Radiallagers 20 in Richtung der Separatorspalts 24 bildet sich im Separatorspalt 24 ein hoher Druck, der über die Bohrung 32 in den Bereich der Lagertasche 30 des hydrostatischen Axiallagers 26 übertragen wird. Durch diesen Druck wird das Axiallager 26 tragfähig, sobald im Separatorspalt 24 ein ausreichend hoher Druck herrscht. Der hydrostatische Druck im Axiallager 26 ist also abhängig von dem Druck im Separatorspalt 24, der durch das erste hydrodynamische Radiallager 20 oder das erste und das zweite hydrodynamische Radiallager 20, 22 erzeugt wird.Between the bottom of the shaft 12 or the bottom of the stop locking 16 and the inner surface of the closure plate 18 runs the thrust bearing gap 28 , in whose area a hydrostatic thrust bearing 26 is formed. The two radial bearings 20 . 22 are fluid dynamic bearings, ie the bearing force is generated by forming a fluid dynamic pressure by the rotation of the bearing components. The thrust bearing 26 is inventively designed as a hydrostatic bearing, ie the thrust bearing 26 has no active hydrodynamic bearing structures that produce a hydrodynamic pressure. Instead, the thrust bearing includes 26 preferably a storage bag 30 , for example, as a recess at the bottom of the shaft 12 or alternatively in the top of the closure plate 18 is formed. In order to achieve a rapid lifting of the shaft during start-up of the engine, in the area of the small thrust bearing gap in the outer periphery of the bottom of the shaft 12 or in the opposite surface of the closure plate 18 flat spiral groove-shaped thrust bearing structures are provided. In the storage bag 30 opens a hole 32 whose other end into the Separatorspalt 24 empties. As shown, this hole can be centered to the axis of rotation 52 of the warehouse in the storage bag 30 open, but it is also possible to provide the lower end of the bore acentric to avoid or at least reduce an imbalance of the shaft. By the pumping action of the first radial bearing 20 in the direction of the separator gap 24 forms in the separator gap 24 a high pressure over the hole 32 in the area of the storage bag 30 of the hydrostatic thrust bearing 26 is transmitted. This pressure causes the thrust bearing 26 stable, once in the separator gap 24 a sufficiently high pressure prevails. The hydrostatic pressure in the thrust bearing 26 is thus dependent on the pressure in the separator gap 24 passing through the first hydrodynamic radial bearing 20 or the first and second hydrodynamic radial bearings 20 . 22 is produced.

Beim Stillstand der Lagersystems liegt der Boden der Welle auf der Verschlussplatte 18 auf. Sobald das Lagersystem in Drehung versetzt wird, baut sich im Separatorspalt aufgrund der hydrodynamischen Wirkung der Radiallager 20, 22 sehr schnell ein hydrodynamischer Druck auf. Der Druck wird über die Bohrung 32 als hydrostatischer Druck in die Lagertasche geleitet und sorgt dafür, dass der Boden der Welle 12 schon bei relativ geringen Drehzahlen von der Verschlussplatte 18 abhebt. Dadurch verringert sich der Verschleiß im Axiallager während des Start- und Stoppbetriebs des Lagers.When the storage system is at a standstill, the bottom of the shaft lies on the closure plate 18 on. As soon as the bearing system is set in rotation, the radial bearing builds up in the separator gap due to the hydrodynamic effect 20 . 22 hydrodynamic pressure very quickly. The pressure is over the hole 32 passed as hydrostatic pressure in the bearing pocket and ensures that the bottom of the shaft 12 even at relatively low speeds of the shutter plate 18 takes off. This reduces the wear in the thrust bearing during start and stop operation of the bearing.

Der in der Lagertasche 30 vorhandene hydrostatische Druck kann seitlich im Bereich des Stopperringes 16 abfließen und gelangt über eine in der Lagerbuchse 10 angeordnete Rezirkulationsbohrung 34 wieder zurück in den Kreislauf, d. h. in den Bereich des oberen ersten Radiallagers 20. Die Rezirkulationsbohrung 34 mündet hierbei in ein Fluidreservoir 38, das gebildet wird zwischen einem Außenumfang der Lagerbuchse 10 und einer darüber gestülpten Abdeckung 36. Das Fluidreservoir 38 ist direkt mit dem Radiallagerspalt 14 verbunden und dient als Ausgleichsvolumen, beispielsweise bei Temperaturausdehnung des Lagerfluids und zusätzlich als Verbrauchsreservoir. Das Fluidreservoir 38 verjüngt sich konisch in Richtung des Radiallagerspaltes 14, wobei das Lagerfluid im Reservoir durch Kapillarkräfte gehalten wird, d. h. das Fluidreservoir dient gleichzeitig als kapillare Dichtung für das offene Ende des Radiallagerspaltes 14. In dem dargestellten Beispiel ist das Fluidreservoir 38 abgewinkelt ausgebildet, d. h. es verläuft teilweise senkrecht zur Rotationsachse 52 und teilweise parallel zur Rotationsachse 52.The one in the storage bag 30 Existing hydrostatic pressure may be present laterally in the area of the stopper ring 16 drain and passes through one in the bearing bush 10 arranged recirculation bore 34 back into the cycle, ie in the area of the upper first radial bearing 20 , The recirculation bore 34 leads to a fluid reservoir 38 that is formed between an outer circumference of the bearing bush 10 and a cover over it 36 , The fluid reservoir 38 is directly with the radial bearing gap 14 connected and serves as a compensating volume, for example, at temperature expansion of the bearing fluid and additionally as a consumption reservoir. The fluid reservoir 38 tapers conically towards the radial bearing gap 14 , wherein the bearing fluid is held in the reservoir by capillary forces, ie, the fluid reservoir also serves as a capillary seal for the open end of the radial bearing gap 14 , In the example shown, the fluid reservoir 38 formed angled, ie it runs partially perpendicular to the axis of rotation 52 and partially parallel to the axis of rotation 52 ,

Eine Nabe 40 bildet den Rotor des Spindelmotors. Die Nabe 40 ist mit dem freien Ende der Welle fest verbunden und wird von einem elektromagnetischen Antriebssystem drehend angetrieben. Das Antriebssystem besteht aus einer Statoranordnung 44, die an der Basisplatte fest angeordnet ist. Die Nabe 40 ist topfförmig ausgebildet und überdeckt die Statoranordnung 44 teilweise. Die Nabe 40 weist einen äußeren Rand auf, an dessen innerer Mantelfläche ein Rotormagnet 46 angeordnet ist, der radial gegenüberliegend der Statoranordnung 44 an der Nabe 40 befestigt ist. Durch entsprechende Bestromung der Statoranordnung 44 werden der Rotormagnet und damit auch die Nabe 40 in Drehung versetzt.A hub 40 forms the rotor of the spindle motor. The hub 40 is fixedly connected to the free end of the shaft and is driven in rotation by an electromagnetic drive system. The drive system consists of a stator arrangement 44 , which is fixed to the base plate. The hub 40 is cup-shaped and covers the stator assembly 44 partially. The hub 40 has an outer edge, on the inner Lateral surface of a rotor magnet 46 is arranged, the radially opposite the stator assembly 44 at the hub 40 is attached. By appropriate energization of the stator 44 be the rotor magnet and thus the hub 40 set in rotation.

Das hydrostatische Axiallager 26 übt auf die Anordnung von Welle 12 und Nabe 40 eine Kraft aus, die vom Axiallager 26 aus gesehen axial nach oben in Richtung der Nabe 40 gerichtet ist. Dem hydrostatischen Axiallager 26 wirkt ein magnetisches Axiallager entgegen und stabilisiert die Rotoranordnung in axialer Richtung. Das magnetische Axiallager wird gebildet durch einen Zugring 48, der axial unterhalb des Rotormagneten 46 angeordnet ist und von dem Rotormagneten 46 magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Kraft zwischen dem Rotormagneten 46 und dem Zugring 48 wirkt entgegengesetzt der Lagerkraft des Axiallagers 26 und hält die Lageranordnung in einem axialen Gleichgewicht. Die Bestromung mit der Statoranordnung 44 erfolgt beispielsweise über eine Kontaktierung 50 an der Basisplatte 42. Alternativ oder zusätzlich ist der Rotormagnet 46 aus seiner magnetischen Mittelposition in axialer Richtung nach oben gegenüber der Statoranordnung 46 versetzt angeordnet, wodurch eine axial nach unten gerichtete Kraft auf die Nabe ausgeübt wird.The hydrostatic thrust bearing 26 exercises on the arrangement of shaft 12 and hub 40 a force coming from the thrust bearing 26 seen from axially upward in the direction of the hub 40 is directed. The hydrostatic thrust bearing 26 acts against a magnetic thrust bearing and stabilizes the rotor assembly in the axial direction. The magnetic thrust bearing is formed by a pull ring 48 that is axially below the rotor magnet 46 is arranged and from the rotor magnet 46 magnetically attracted. This magnetic force between the rotor magnet 46 and the pull ring 48 acts opposite to the bearing force of the thrust bearing 26 and keeps the bearing assembly in axial balance. The energization with the stator arrangement 44 takes place for example via a contact 50 on the base plate 42 , Alternatively or additionally, the rotor magnet 46 from its magnetic center position in the axial direction upward relative to the stator assembly 46 arranged offset, whereby an axially downward force is exerted on the hub.

2 zeigt schematisch eine Welle 112, wie sie beispielsweise auch in dem Lager aus 1 verwendet werden kann. An der Welle sind Radiallagerrillen eines ersten Radiallagers 120 und eines zweiten Radiallagers 122 angeordnet. Im Unterschied zu den Radiallagern von 1 ist das zweite Radiallager 122 nicht symmetrisch sondern ebenfalls asymmetrisch ausgebildet wie das erste Radiallager 120. Beide Radiallager 120, 122 üben auf das im Lagerspalt (1) befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung aus, die gegeneinander gerichtet ist, so dass im Separatorspalt 24 ein hoher Druck erzielt wird, der dann zur Erzeugung der hydrostatischen Kraft für das Axiallager 28 herangezogen wird. 2 schematically shows a wave 112 as they also for example in the camp 1 can be used. On the shaft are radial bearing grooves of a first radial bearing 120 and a second radial bearing 122 arranged. Unlike the radial bearings of 1 is the second radial bearing 122 not symmetrical but also asymmetrical as the first radial bearing 120 , Both radial bearings 120 . 122 practice on the in the bearing gap ( 1 ) located bearing fluid from a pumping action, which is directed against each other, so that in the separator gap 24 a high pressure is achieved, which is then used to generate the hydrostatic force for the thrust bearing 28 is used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Lagerbuchsebearing bush
1212
Wellewave
1414
RadiallagerspaltRadial bearing gap
1616
Stopperringstopper ring
1818
Verschlussplatteclosing plate
2020
Radiallagerradial bearings
2222
Radiallagerradial bearings
2424
Separatorspaltseparator gap
2626
Axiallagerthrust
2828
Axiallagerspaltthrust bearing
3030
Lagertaschebearing pocket
3232
Bohrungdrilling
3434
RezirkulationsbohrungRezirkulationsbohrung
3636
Abdeckungcover
3838
Fluidreservoirfluid reservoir
4040
Nabehub
4242
Basisplattebaseplate
4444
Statoranordnungstator
4646
Rotormagnetrotor magnet
4848
Zugringpull ring
5050
Kontaktierungcontact
5252
Rotationsachseaxis of rotation
112112
Wellewave
120120
Radiallagerradial bearings
122122
Radiallagerradial bearings

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005019944 B3 [0003] DE 102005019944 B3 [0003]
  • DE 10345907 B4 [0003] DE 10345907 B4 [0003]

Claims (10)

Fluidlager, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einem rotierenden Bauteil, umfassend eine Welle (12; 112), und mit einem feststehenden Bauteil, umfassend eine Lagerbuchse (10), wobei die Welle in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse (10) aufgenommen und von dieser durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Radiallagerspalt (14) getrennt ist, wobei die Welle (12) relativ zur Lagerbuchse mittels fluiddynamischer Radiallager (20, 22; 120, 122) und eines Axiallagers (26) um eine Rotationsachse (52) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (26) ein hydrostatisches Axiallager ist.Fluid bearing, in particular for a spindle motor, with a rotating component, comprising a shaft ( 12 ; 112 ), and with a fixed component comprising a bearing bush ( 10 ), wherein the shaft in a bearing bore of the bearing bush ( 10 ) and from this by a filled with a bearing fluid radial bearing gap ( 14 ) is separated, the shaft ( 12 ) relative to the bearing bush by means of fluid dynamic radial bearings ( 20 . 22 ; 120 . 122 ) and a thrust bearing ( 26 ) about a rotation axis ( 52 ) Is rotatably mounted, characterized in that the thrust bearing ( 26 ) is a hydrostatic thrust bearing. Fluidlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Radiallagerspalts (14) ein erstes Radiallager (20; 120) und in einem axialen Abstand ein zweites Radiallager (22; 122) angeordnet ist und dass zwischen den beiden Radiallagern (20, 22; 120, 122) ein Separatorspalt (24) mit einer im Vergleich zum Radiallagerspalt (14) vergrößerten Spaltbreite vorgesehen ist und dass das erste Radiallager (20; 120) asymmetrische Radiallagerrillen aufweist, die eine Pumpwirkung auf das im Radiallagerspalt (14) befindliche Lagerfluid erzeugen, wobei die Pumpwirkung überwiegend in Richtung des Separatorspalts (24) gerichtet ist.Fluid bearing according to claim 1, characterized in that along the radial bearing gap ( 14 ) a first radial bearing ( 20 ; 120 ) and at an axial distance a second radial bearing ( 22 ; 122 ) and that between the two radial bearings ( 20 . 22 ; 120 . 122 ) a separator gap ( 24 ) with a comparison with the radial bearing gap ( 14 ) enlarged gap width is provided and that the first radial bearing ( 20 ; 120 ) has asymmetric radial bearing grooves, which have a pumping action on the in the radial bearing gap ( 14 ) generate bearing fluid, the pumping action predominantly in the direction of the Separatorspalts ( 24 ). Fluidlager nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Radiallager (122) Radiallagerrillen aufweist, die eine Pumpwirkung auf das im Radiallagerspalt (14) befindliche Lagerfluid erzeugen und dass das zweite Radiallager (122) asymmetrische Radiallagerrillen aufweist, deren Pumpwirkung überwiegend in Richtung des Separatorspalts (24) gerichtet ist.Fluid bearing according to one of claims 1 to 2, characterized in that the second radial bearing ( 122 ) Has radial bearing grooves, which have a pumping action on the in the radial bearing gap ( 14 ) and that the second radial bearing ( 122 ) asymmetric radial bearing grooves whose pumping action predominantly in the direction of the Separatorspalts ( 24 ). Fluidlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbohrung der Lagerbuchse (10) einseitig durch eine Verschlussplatte (18) verschlossen ist und dass das Axiallager (26) zwischen einer Stirnseite der Welle (12) und der Verschlussplatte (18) angeordnet ist und einen Axiallagerspalt (28) aufweist.Fluid bearing according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bearing bore of the bearing bush ( 10 ) on one side by a closure plate ( 18 ) and that the thrust bearing ( 26 ) between an end face of the shaft ( 12 ) and the closure plate ( 18 ) is arranged and a thrust bearing gap ( 28 ) having. Fluidlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Welle (12; 112) eine Bohrung (32) angeordnet ist, die den Separatorspalt (24) mit dem Axiallagerspalt (28) verbindet.Fluid bearing according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the shaft ( 12 ; 112 ) a hole ( 32 ), which separates the separator gap ( 24 ) with the axial bearing gap ( 28 ) connects. Fluidlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Axiallagerspalts (28) in der Verschlussplatte (18) und/oder der Stirnseite der Welle (12) bzw. eines mit der Welle verbundenen Stopperrings (16) eine Lagertasche (30) eingebracht ist.Fluid bearing according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the region of the axial bearing gap ( 28 ) in the closure plate ( 18 ) and / or the end face of the shaft ( 12 ) or a stop ring connected to the shaft ( 16 ) a storage bag ( 30 ) is introduced. Fluidlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnseite der Lagerbuchse (10) eine Abdeckung (36) vorgesehen ist, welche die Lagerbuchse (10) teilweise umschließt und dass zwischen einer Außenfläche der Lagerbuchse (10) und einer Innenfläche der Abdeckung (36) ein zumindest teilweise mit Lagerfluid gefülltes Fluidreservoir (38) gebildet ist und dass das Fluidreservoir (38) mit dem Radiallagerspalt (14) verbunden ist und sich in Richtung des Radiallagerspalts (14) verjüngt.Fluid bearing according to one of claims 1 to 6, characterized in that at one end face of the bearing bush ( 10 ) a cover ( 36 ) is provided, which the bearing bush ( 10 ) and that between an outer surface of the bearing bush ( 10 ) and an inner surface of the cover ( 36 ) at least partially filled with bearing fluid fluid reservoir ( 38 ) is formed and that the fluid reservoir ( 38 ) with the radial bearing gap ( 14 ) and in the direction of the radial bearing gap ( 14 ) rejuvenated. Fluidlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (36) becherförmig ausgebildet ist.Fluid bearing according to claim 7, characterized in that the cover ( 36 ) is cup-shaped. Fluidlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rezirkulationskanal (34) innerhalb der Lagerbuchse (10) verläuft, der das Fluidreservoir (38) mit einem Bereich am radialen Außenrand des unteren Endes der Welle (12, 112) verbindet.Fluid bearing according to one of claims 1 to 8, characterized in that a recirculation channel ( 34 ) within the bearing bush ( 10 ) passing the fluid reservoir ( 38 ) with an area at the radial outer edge of the lower end of the shaft ( 12 . 112 ) connects. Spindelmotor mit einem Fluidlager, insbesondere für den Antrieb von Speicherplatten in Festplattenlaufwerken, mit einer Basisplatte (42), einer bezogen auf die Basisplatte (42) feststehenden Statoranordnung (44), einem feststehenden Lagerbauteil (10), einer mittels des Fluidlagers im feststehenden Lagerbauteil (10) drehgelagerten Welle (12) und einer mit der Welle (12) verbundenen, drehend angetriebenen Nabe (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidlager fluiddynamische Radiallager (20, 22; 120, 122) und ein hydrostatisches Axiallager (26) umfasst.Spindle motor with a fluid bearing, in particular for driving storage disks in hard disk drives, with a base plate ( 42 ), one related to the base plate ( 42 ) fixed stator arrangement ( 44 ), a fixed bearing component ( 10 ), one by means of the fluid bearing in the fixed bearing component ( 10 ) rotatably mounted shaft ( 12 ) and one with the shaft ( 12 ), rotationally driven hub ( 40 ), characterized in that the fluid bearing fluid dynamic radial bearings ( 20 . 22 ; 120 . 122 ) and a hydrostatic thrust bearing ( 26 ).
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