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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit einem ersten Lagerbauteil, welches eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung umfasst, und einem zweiten Lagerbauteil, welches eine in der Lagerbohrung angeordnete Welle umfasst. Die Welle und die Lagerbuchse sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt und mittels zwei axial voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallager relativ zueinander drehgelagert, wobei zwischen den beiden Radiallagern ein Separatorspalt mit einer im Vergleich zum Lagerspalt vergrößerten Spaltbreite angeordnet ist. Der Aufbau kann aber ebenso umgekehrt, das heißt mit stehender Welle und drehender Lagerbuchse, erfolgen
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Stand der Technik
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Es sind vielfältige Bauformen von fluiddynamischen Lagersystemen bekannt. In der Regel bestehen diese Lagersysteme aus mindestens zwei Lagerbauteilen, die um eine gemeinsame Drehachse relativ zueinander drehbar angeordnet sind. Die beiden Lagerbauteile umfassen in der Regel eine Welle und eine Lagerbuchse, die eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Welle rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse und bildet zusammen mit dieser ein fluiddynamisches Radiallager. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerbuchse sind durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. Die Welle trägt eine Nabe, auf der z. B. Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der beschriebenen Anordnung entlang der Rotationsachse wird durch mindestens ein fluiddynamisches Axiallager verhindert. Gemäß einer verbreiteten Bauweise werden zwei fluiddynamische Axiallager vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise am Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse und der anderen Stirnfläche die innen liegende Stirnfläche einer Gegenplatte zugeordnet ist. Die Gegenplatte bildet ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt eindringt. Bei dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges Lagerfluid, beispielsweise ein Lageröl verwendet.
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Bei anderen bekannten Bauformen von fluiddynamischen Lagern ist das Axiallager nicht im Bereich einer Druckplatte angeordnet, sondern befindet sich beispielsweise zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse und an der Unterseite der Nabe. Ein solches Lagersystem ist beispielsweise in
DE 10 2009 019 936 A1 offenbart.
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Es ist bekannt, dass der Lagerspalt zwischen den beiden Radiallagern eine Verbreiterung aufweist, die als Separator oder Separatorspalt bezeichnet wird. Der Sinn des Separatorspalts ist, dass eine Verbreiterung in diesem Bereich die Lagerreibung reduziert, da eine größere Spaltbreite zwischen den Lagerbauteilen geringere Reibungsverluste im Schmiermittel bewirkt. Bei einer Verwendung des Lagers in einem Elektromotor kann dadurch der Stromverbrauch deutlich reduziert werden. Ein weiterer Grund für den Separatorspalt ist die Vergleichmäßigung von Druckschwankungen an den Rändern der Radiallager durch die Aufweitung der Spaltbreite. Dadurch beeinflussen sich die Druckverteilungen der beiden Radiallager nicht.
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Bei bisherigen fluiddynamischen Lagern wird der gegenüber dem Lagerspalt verbreitete Separatorspalt durch eine umlaufende Nut in der Lagerbohrung erzeugt. Im Betrieb des Lagers wirkt auf das Lagerfluid im Separatorspalt eine Zentrifugalkraft in radialer Richtung nach außen. Es ist bekannt, dass sich Luftbläschen immer von Bereichen höheren Druckes zu Bereichen niedrigeren Druckes bewegen. Die im Bereich des Separatorspalts auf das Lagerfluid wirkende Zentrifugalkraft erzeugt einen höheren Druck an der Lagerfläche der Lagerbuchse als an der Welle. Wenn sich also Luftblasen im Bereich des Separatorspalts während des Betriebs des Lagers ansammeln, tendieren sie dazu, sich radial nach innen in Richtung des geringeren Drucks zu bewegen, also an die Oberfläche der Welle und damit direkt in axialer Verlängerung der Radiallagerspalte. Die Luftblasen können daher sehr leicht in die Spalte der Radiallager wandern. Dadurch verschlechtern sich die Druckverteilungen und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des fluiddynamischen Lagers kann dadurch reduziert werden.
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Gegenstand der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein fluiddynamisches Lagersystem mit Separatorspalt und einen Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem anzugeben, der eine höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das fluiddynamische Lagersystem, das insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors Verwendung finden kann, umfasst ein erstes Lagerbauteil, welches eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung umfasst sowie ein zweites Lagerbauteil, welches eine in der Lagerbohrung angeordnete Welle umfasst. Die Welle und die Lagerbuchse sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt, und mittels zwei axial voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallagern relativ zueinander drehgelagert. Zwischen den beiden Radiallagern ist ein Separatorspalt mit einer im Vergleich zum Lagerspalt vergrößerten Spaltbreite angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Separatorspalt durch eine an der Welle angeordnete Nut gebildet ist. Durch die Nut wird der Lagerspalt zum Separatorspalt aufgeweitet.
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Die Anordnung der Nut in der Welle hat mehrere Vorteile. Im Betrieb des Lagers wirkt auf das Lagerfluid im Separatorspalt eine Zentrifugalkraft in radialer Richtung nach außen. Da der Separatorspalt durch die Nut in der Welle gebildet ist, wird das Lagerfluid durch die beschriebene Zentrifugalkraft radial nach außen gegen die Lagerbohrung der Lagerbuchse gedrückt und kann so leichter in den Lagerspalt und in den Bereich der Radiallager gelangen.
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Dies hat auch Auswirkungen auf möglicherweise im Lagerfluid gelöste Luftbläschen. Es ist bekannt, dass sich Luftbläschen immer von Bereichen höheren Drucks zu Bereichen niedrigeren Drucks bewegen. Die im Bereich des Separatorspalts auf das Lagerfluid wirkende Zentrifugalkraft erzeugt einen höheren Druck an der Lagerfläche der Lagerbuchse als an der Welle. Wenn sich also Luftblasen im Bereich des Separatorspalts während des Betriebs des Lagers ansammeln, tendieren sie dazu, sich radial nach innen in Richtung des geringeren Drucks zu bewegen, also in die Nut der Welle, und sich dort zu sammeln. Somit werden Luftbläschen bzw. größere Ansammlungen von Luftbläschen in der Nut der Welle gehalten und gelangen nicht in den Lagerspalt.
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Bei fluiddynamischen Lagern wird eine relativ große Lagerspanne, d. h. ein relativ großer axialer Abstand der beiden Radiallager bevorzugt. Da zwischen den Radiallagern die Separatornut angeordnet ist, ergibt es sich auch vorzugsweise, dass die axiale Länge der Nut in der Welle relativ groß ist. Die axiale Länge der Nut ist vorzugsweise mindestens so groß, wie die axiale Länge des axial kürzeren Radiallagers. Durch die relativ große axiale Länge der Separatornut ergeben sich Vorteile bezüglich Lagerreibung und Druckverteilung im Lagerspalt.
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Die Tiefe der Nut in der Welle, die den Separatorspalt ausbildet, beträgt vorzugsweise 40 bis 300 μm.
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Im Vergleich dazu beträgt die Spaltbreite des Lagerspaltes in der Regel weniger als 10 μm. Diese Zahlenwerte gelten für fluiddynamische Lager, wie sie in Spindelmotoren zum Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken eingesetzt werden. Hierbei beträgt der Durchmesser der Lagerbohrung, und entsprechend auch der Durchmesser der Welle, beispielsweise 1 bis 4 mm.
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Die beiden Radiallager werden durch einander gegenüberliegende Lagerflächen gebildet, die auf der Welle und der Lagerbohrung der Lagerbuchse angeordnet sind. Eine der Lagerflächen der Welle oder der Lagerbuchse oder auch beide dieser Lagerflächen weisen Lagerrillenstrukturen auf. Diese Lagerrillenstrukturen können beispielsweise parabelförmige oder fischgrätenförmige Muster sein, die in die Oberflächen der Lagerflächen eingebracht sind. Vorzugsweise sind die Lagerrillenstrukturen aber nur einseitig entweder auf der Welle oder aber auf der Lagerbuchse angeordnet. Die Lagerrillenstrukturen dienen dazu, im Betrieb des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt zu erzeugen und damit einen Druck im Lagerspalt aufzubauen, der das Lager tragfähig macht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Lagerbohrung zwei Übergangsnuten aufweisen, die in einem axialen Abstand voneinander in der Lagerbohrung angeordnet sind. Die Übergangsnuten befinden sich in einem Übergangsbereich, der zwischen der Nut der Welle und den Lagerflächen der Radiallager liegt, und überlappen mit der Nut der Welle sowie den Lagerflächen der Radiallager. Mit anderen Worten befinden sich die Übergangsnuten teilweise noch im Bereich des Lagerspaltes und teilweise im Bereich des Separatorspalts. Diese Übergangsnuten sollen den Fluidaustausch zwischen dem Separatorspalt und dem Lagerspalt verbessern sowie auch den Druckausgleich an den Enden der Lagerrillenstrukturen, die insbesondere direkt in diese Übergangsnuten münden. Die Übergangsnuten vermeiden die Druckverteilungsschwankungen aufgrund axialer Bewegungen des Separatorspalts während des Betriebs.
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Die Übergänge zwischen dem mittleren Abschnitt des Separatorspalts und den seitlichen Abschnitten können entweder abrupt sein, also eine Stufe bilden, aber auch flache Übergänge bilden, wie es in den nachfolgenden Beispielen bevorzugt wird.
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Die Erfindung betrifft auch einen Spindelmotor, der ein fluiddynamisches Lager mit den oben genannten Merkmalen aufweist. Ein solcher Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt werden, wobei der Spindelmotor in einem Gehäuse des Festplattenlaufwerkes angeordnet ist und mindestens eine Speicherplatte drehend antreibt. Das Festplattenlaufwerk umfasst ferner eine Schreib-Leseeinrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich 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 einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
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2: zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das erfindungsgemäße Lagersystem des Spindelmotors von 1.
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3: zeigt einen schematischen Schnitt des Lagersystems von 2 im Bereich der Welle und Lagerbuchse.
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4: zeigt einen schematischen Schnitt des durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems im Bereich der Welle und Lagerbuchse.
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5: zeigt einen schematischen Schnitt des durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems im Bereich der Welle und Lagerbuchse.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Ein solcher Spindelmotor wird beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10, an der eine ringförmige Statoranordnung 12 als Teil eines elektromagnetischen Antriebssystems angeordnet ist. Eine Lagerbuchse 14 ist in einer hülsenförmigen Aufnahme der Basisplatte 10 befestigt. Die Lagerbuchse 14 weist eine axiale zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 16 drehbar aufgenommen ist. Auf der Welle 16 ist eine Nabe 18 fest angeordnet.
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Wie aus 2 in Kombination mit 1 ersichtlich ist, umfasst der Spindelmotor eine fluiddynamische Lageranordnung zur Drehlagerung der Welle in der Lagerbohrung. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle 16, so dass sich ein Lagerspalt 22 von einigen Mikrometern Spaltbreite ergibt, der mit einem Schmiermittel, beispielsweise einem geeigneten Lageröl, gefüllt ist. Die fluiddynamische Lageranordnung umfasst zwei Radiallager 28, 30, die durch einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbohrung und der Welle 16 gebildet sind. Jedes Radiallager 28, 30 ist durch eine Lagerrillenstruktur 28a, 30a gekennzeichnet, die auf den jeweiligen Lagerflächen der Welle 16 und/oder der Lagerbuchse 14 angeordnet ist. Sobald die Nabe 18, und somit auch die Welle 16, in Rotation versetzt werden, baut sich aufgrund der Lagerrillenstrukturen ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 22 bzw. im darin befindlichen Schmiermittel auf, so dass die Radiallager tragfähig werden. Die beiden Radiallager 28, 30 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand angeordnet und durch einen Separatorspalt 36 voneinander getrennt. Der Separatorspalt 36 erstreckt sich in Verlängerung des Lagerspalts 22 und besitzt eine wesentlich größere Spaltbreite als der Lagerspalt 22.
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Am unteren Ende der Welle 16 sind zwei gegeneinander wirkende fluiddynamische Axiallager 32, 34 vorgesehen. Die Axiallager 32, 34 umfassen eine am unteren Ende der Welle befestigte Druckplatte 24, die in einer Aussparung der Lagerbuchse 14 frei drehbar angeordnet ist. Die Stirnfläche der Druckplatte 24 bildet mit zugeordneten Lagerflächen der Lagerbuchse 14 das erste Axiallager 32. Eine Gegenplatte 26 verschließt das untere Ende der Lagerbuchse 14, so dass kein Schmiermittel aus dem Lagerspalt 22 austreten kann. Die Druckplatte 24 bildet mit zugeordneten Lagerflächen der Gegenplatte 26 das zweite Axiallager 34. Die Axiallager 32, 34 nehmen die axialen Kräfte der Lageranordnung auf. Die beiden Axiallager sind durch Lagerrillenstrukturen (nicht dargestellt) gekennzeichnet, die auf den jeweiligen Lagerflächen der Druckplatte 24 und/oder der Lagerbuchse 14, und der Druckplatte 24 und/oder der Gegenplatte 26 angeordnet ist.
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An dem inneren, unteren Rad der Nabe 18 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 20 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, welcher der Statoranordnung 12 gegenüberliegt. Die Statoranordnung 12 ist durch einen Arbeitsluftspalt von dem Permanentmagneten 20 getrennt und wird mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt, so dass der Rotor des Motors, bestehend aus der Nabe 18 und der Welle 16, in Drehung versetzt wird. Auf der Nabe 18 können beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt sein.
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In 2 erkennt man den Separatorspalt 36, der in Verlängerung des Lagerspaltes 22 zwischen den beiden Radiallagern 28, 30 angeordnet ist. Der Separatorspalt 36 hat eine gegenüber dem Lagerspalt 22 vergrößerte Spaltbreite. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an der Weile 16 im Bereich zwischen den beiden Radiallagern 28, 30 eine Nut 38 vorgesehen ist, die beispielsweise eine Tiefe von 40 bis 300 μm aufweist.
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3 zeigt einen Ausschnitt des strichpunktierten Bereiches in 2. 3 ist lediglich eine schematische Darstellung, in welcher die Abmessungen nicht maßstäblich dargestellt sind. Man erkennt die Welle 16, die in ihrem mittleren Abschnitt die Nut 38 umfasst, die eine Tiefe T von beispielsweise 40 bis 300 μm aufweist. Die Welle selbst hat einen Durchmesser von 1 bis 4 mm. Man erkennt ebenfalls den Lagerspalt 22, der die Welle 16 von der Lagerbuchse 14 trennt. In der Ausgestaltung gemäß 3 sind die Lagerrillenstrukturen, welche die Radiallager 28, 30 kennzeichnen, an der Welle 16 angeordnet. Dies ist in 3 durch die Linien an der Welle 16 schematisch angedeutet, welche schematisch die Lagerrillenstrukturen 28a, 30a darstellen sollen. Die Lagerrillenstrukturen 28a, 30a weisen freie Enden auf, welche in der dargestellten Ausführungsform bis in die Nut 38, d. h. den durch die Nut gebildeten Separatorspalt 36 hineinreichen. Die Lagerrillenstrukturen 28a sind vorzugsweise asymmetrisch in Richtung des Separatorspalts pumpend, die Lagerrillenstrukturen 30a vorzugsweise symmetrisch ausgebildet. Das heißt, das durch die Lagerrillenstrukturen 28a, 30a im Betrieb des Lagers verdrängte Lagerfluid erzeugt im Separatorspalt 36 einen erhöhten Druck, der erwünscht ist, da ein Unterdruck in der Nut 38, das heißt im Separatorspalt 36 nicht günstig wäre, da dadurch Luftbläschen leichter aus dem Lagerfluid ausgasen können.
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In 4 ist eine gegenüber 3 abgewandelte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Es ist wieder der strichpunktierte Ausschnitt aus 2 dargestellt, wobei schematisch die Welle 16 und die Lagerbuchse 14 gezeigt sind. Zwischen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14 erstreckt sich der Lagerspalt 22, der im Bereich einer Nut 138, die in der Welle zwischen den beiden Radiallagern 28, 30 angeordnet ist, verbreitert ist. Der Separatorspalt 36 wird durch den durch die Nut 138 verbreiterten Lagerspalt gebildet. Die Radiallager 28, 30 sind durch die schematisch dargestellten Radiallagerstrukturen 28a und 30a dargestellt. In dieser Ausgestaltung befinden sich die Radiallagerstrukturen 28a, 30a auf der Oberfläche der Lagerbohrung in der Lagerbuchse 14. Im Gegensatz zum Beispiel aus 3 ist die Nut 138 in der Welle kürzer ausgebildet und zwischen den Lagerrillenstrukturen 28a und 30a und dem Beginn der Nut 138 verbleiben Freiflächen 140, 142. Aufgrund dieser Freiflächen 140, 142 münden die Enden der Lagerrillenstrukturen 28a und 30a nicht direkt in den Bereich des Separatorspalts 36.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Wesentlichen identisch zum Ausführungsbeispiel von 4 ist. Im Unterschied zur 4 ist nicht nur an der Welle 16 eine Nut 138 vorgesehen, sondern auch an der Lagerbuchse 14 sind zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Übergangsnuten 144 und 146 vorgesehen. Die beiden Übergangsnuten 144, 146 sind in einem axialen Abstand an der Wandung der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 angeordnet. Die Übergangsnuten 144, 146 sind in ihrer Position im Übergangsbereich zwischen der Nut 138 der Welle 16 und den Lagerflächen der beiden Radiallager 28, 30 angeordnet, die durch die angedeuteten Lagerrillenstrukturen 28a und 30a gekennzeichnet sind. Ferner sind die Übergangsnuten 144, 146 so angeordnet, dass sie mit der Nut 138 der Welle 16 sowie den Lagerflächen der Radiallager 28, 30 axial überlappen. Die Tiefe T1, T2 der Übergangsnuten 144, 146 beträgt beispielsweise 1 bis 15 μm, also etwa die Rillentiefe. Die an der Bohrung der Lagerbuchse 14 angeordneten Lagerrillenstrukturen 28a, 30a sind so angeordnet, dass die einander zugewandten Enden dieser Lagerrillenstrukturen 28a, 30a in den Übergangsnuten 144, 146 münden. Im Betrieb des Lagers wird das im Separatorspalt 36, d. h. in der Nut 138 befindliche Lagerfluid durch die Zentrifugalkraft radial nach außen gegen die Wandung der Lagerbuchse 14 gedrückt und insbesondere in die Übergangsnuten 144, 146. Die Übergangsnuten vermeiden die Druckverteilungsschwankungen aufgrund axialer Bewegungen zwischen Welle und Lagerbuchse während des Betriebs.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Statoranordnung
- 14
- Lagerbuchse
- 16
- Welle
- 18
- Nabe
- 20
- Permanentmagnet
- 22
- Lagerspalt
- 24
- Druckplatte
- 26
- Gegenplatte
- 28
- Radiallager
- 28a
- Lagerrillenstruktur
- 30
- Radiallager
- 30a
- Lagerrillenstruktur
- 32
- Axiallager
- 34
- Axiallager
- 36
- Separatorspalt
- 38
- Nut (an der Welle)
- 138
- Nut (an der Welle)
- 140
- Freifläche
- 142
- Freifläche
- 144
- Übergangsnut (Lagerbuchse)
- 146
- Übergangsnut (Lagerbuchse)
- T
- Tiefe der Nut 38, 138
- T1
- Tiefe der Übergangsnut
- T2
- Tiefe der Übergangsnut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009019936 A1 [0003]
