DE102011101827A1

DE102011101827A1 - Spindelmotor mit einem Bauteil aus Chromstahl

Info

Publication number: DE102011101827A1
Application number: DE102011101827A
Authority: DE
Inventors: Tobias Kirchmeier
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem Stator und einem mittels eines fluiddynamischen Lagers drehgelagerten Rotor, wobei mindestens ein Bauteil des Stators oder des Rotors aus Chromstahl besteht. Erfindungsgemäß enthält der Chromstahl 3–9 Gewichtsprozent Mangan.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem Bauteil aus Chromstahl, wobei das Bauteil sowohl ein Teil des Stators als auch ein Teil des Rotors des Spindelmotors sein kann.
Stand der Technik
In Spindelmotoren werden bisher hoch belastete Bauteile, wie z. B. Lagerbauteile oder die Nabe aus Chromstahl gefertigt. Bauteile aus herkömmlichem Chromstahl sind nur in bedingtem Maße abriebfest, wobei eine gewisse Abriebfestigkeit durch einen Gehalt an Kohlenstoff, Chrom und Silizium in der Legierung erreicht wird.
Während der Produktion und dem Zusammenbau von Spindelmotoren entstehen hauptsächlich durch das Handling der Einzelteile oder der Baugruppen Stahlpartikel durch Abrasion der Chromstahlteile. Diese Stahlpartikel müssen durch Reinigung der Bauteile entfernt werden, da sie ansonsten die Lebensdauer des Spindelmotors bzw. des durch den Spindelmotor angetriebenen Festplattenlaufwerkes negativ beeinflussen können.
Insbesondere bei dem Zusammenbau bzw. Einbau der Lagerbuchse oder der Nabe des Spindelmotors ergibt sich die Gefahr einer Erzeugung von Stahlpartikeln durch Abrasion, da diese Bauteile mit Ausnahme der Basisplatte die größte Oberfläche aller Bauteile aufweisen.
Die Abriebfestigkeit von Bauteilen wird von den Oberflächeneigenschaften des Materials, hauptsächlich von dessen Rauhigkeit und Härte bestimmt. Eine Erhöhung der Abriebfestigkeit von Chromstahl kann beispielsweise durch einfache Erhöhung der Härte des Stahls oder der Verringerung der Rauhigkeit erreicht werden. Wenn man die Stahlhärte merklich erhöht, verschlechtern sich jedoch die Schweißbarkeit und die Bearbeitbarkeit des Stahls auf Grund des hohen Zulegierens. Ferner steigen durch Härten der Bauteile die Herstellungskosten für derartige Stähle deutlich an. Dementsprechend stehen in praktischer Hinsicht dem deutlichen Anstieg der Abriebfestigkeit von gehärtetem Stahl Schwierigkeiten bei der Bearbeitbarkeit dieses Stahls gegenüber.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit einem Bauteil aus Chromstahl anzugeben, welches eine verbesserte Abriebfestigkeit aufweist. Gleichzeitig soll eine gute Bearbeitbarkeit bei relativ geringen Herstellungskosten gegeben sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der beschriebene Spindelmotor umfasst einen Stator und einen mittels eines fluiddynamischen Lagers drehgelagerten Rotor, wobei mindestens ein Bauteil des Stators oder des Rotors aus Chromstahl besteht. Erfindungsgemäß wird die Abriebfestigkeit des Bauteils aus Chromstahl durch eine erhöhte Menge des Legierungselementes Mangan erreicht. Vorzugsweise enthält der Chromstahl 3 bis 9 Gewichtsprozent Mangan.
Die Abriebfestigkeit des Chromstahls wird erfindungsgemäß nicht durch eine Wärmebehandlung, z. B. Härten erhöht.
Die Verwendung von Bauteilen aus Chromstahl mit mindestens 3% Gewichtsanteil Mangan in Spindelmotoren hat mehrere Vorteile. Die erhöhte Abriebfestigkeit des erfindungsgemäßen Chromstahls verringert sowohl die Bildung von Stahlpartikeln während der Montage und des Handlings der Bauteile als auch innerhalb des Motors während dessen Betrieb. Die sich im Betrieb berührenden Flächen der Motorbauteile erfahren einen verringerten Abrieb, was die Anzahl an Partikeln im Motor reduziert und die Lebensdauer verlängert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der Chromstahl 3 bis 7,5 Gewichtsprozent Mangan.
Der hohe Anteil an Mangan in der Chromstahllegierung erhöht die Festigkeit des Stahls. Die Dehnung wird dadurch nur wenig verringert. Zudem wirkt sich Mangen günstig auf die Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit des Stahls aus. Höhere Mangangehalte bewirken bei Vorhandensein von Kohlenstoff einen großen Verschleißwiderstand. Zudem steigt bei einem hohen Anteil an Mangen im Stahl die Zugfestigkeit. Größere Mengen an Mangan im Chromstahl vergrößern insbesondere auch die Einhärtetiefe und erhöhen die Korrosionsbeständigkeit.
Da es sich um nichtrostenden Chromstahl handelt, ist vorzugsweise ein Anteil an Chrom in der Legierung von mindestens 10 Gewichtsprozenten vorgesehen.
Für eine gute Spanbarkeit des Chromstahls ist ein Anteil an Schwefel in der Legierung von mindestens 0,1 Gewichtsprozent vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können insbesondere die Lagerbuchse des Spindelmotors als auch die Nabe aus dem erfindungsgemäßen Chromstahl bestehen. Es kann aber auch nur die Nabe oder die Lagerbuchse aus dem erfindungsgemäßen Chromstahl hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Spindelmotor wird vorzugsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors wird nun anhand von 1 beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem.
Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Motoranordnung und ein rotierendes Motorbauteil, das mittels des Lagersystems relativ zur feststehenden Anordnung drehbar gelagert ist. Die feststehende Anordnung umfasst eine Basisplatte 10, an welcher die übrigen feststehenden Motorkomponenten angeordnet sind. Die Basisplatte 10 umfasst ein zentrales hülsenförmiges Teil mit einer zentralen Bohrung, in welcher eine im Wesentlichen hohlzylindrische Lagerbuchse 12 befestigt ist, beispielsweise durch Einpressen, Einkleben oder Schweißen. Die Basisplatte 10 kann beispielsweise aus Leichtmetall, wie Aluminium, gefertigt sein, während die Lagerbuchse 12 aus Chromstahl bestehen kann. Erfindungsgemäß kann für die Herstellung der Lagerbuchse 14 ein Chromstahl verwendet werden, der 3–9 Gewichtsprozent Mangan, mindestens 10 Gewichtsprozent Chrom und mindestens 0,1 Gewichtsprozent Schwefel enthält. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an Mangan im Stahl der Lagerbuchse 3–7,5 Gewichtsprozent. Eine Welle 14, beispielsweise aus Stahl, ist in der Bohrung der Lagerbuchse 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar angeordnet. Die Welle 14 hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Bohrung in der Lagerbuchse 12, so dass zwischen der Welle 14 und der Lagerbuchse 12 ein Lagerspalt 18 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise Lageröl, gefüllt ist. In einem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 18 sind in einem gegenseitigen Abstand zwei fluiddynamische Radiallager 20 und 22 angeordnet, welche durch entsprechende Lagerrillenstrukturen auf der Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 12 bzw. der Umfangsfläche der Welle 14 gekennzeichnet sind. Bei einer Drehung der Welle 14 in der Lagerbuchse 12 wird durch diese Lagerrillenstrukturen der Radiallager 20, 22 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 18 befindliche Lagerfluid erzeugt, durch welche ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 18 aufgebaut wird. Mindestens eines der beiden Radiallager 20, 22 hat vorzugsweise eine Pumpwirkung in eine spezifische axiale Richtung, vorzugsweise in Richtung des geschlossenen Endes des Lagers, das durch eine Abdeckplatte 24 verschlossen ist, die in einer Aussparung der Lagerbuchse 12 befestigt ist und die Lagerbuchse 12 Luft- und Öldicht verschließt. An diesem Ende der Welle 14 ist ein Stopperring 38 angeordnet, der in einer Aussparung der Lagerbuchse 12 zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckplatte 24 angeordnet ist. Der Stopperring ist in dem dargestellten Beispiel einteilig mit der Welle 14 ausgebildet, kann aber auch als separates Bauteil mit der Welle 14 verbunden sein. Der Stopperring bildet Anschlagflächen zusammen mit der Lagerbuchse und der Abdeckplatte und verhindert eine übermäßige axiale Verschiebung und ein Herausfallen der Welle 14 aus der Lagerbuchse 12. Zwischen der unteren Stirnseite des Stopperrings 38 und der Abdeckplatte 24 verbleibt ein Spalt, der mit dem Lagerspalt verbunden und mit Lagerfluid gefüllt ist.
Ein freies Ende der Welle 14, welches aus der Bohrung der Lagerbuchse 12 hinausragt, ist mit einer Nabe 26 verbunden, welche im Wesentlichen einen becherförmigen Querschnitt hat und das Lagersystem teilweise umschließt. Erfindungsgemäß kann für die Herstellung der Nabe 26 ein Chromstahl verwendet werden, der 3–9 Gewichtsprozent Mangan, mindestens 10 Gewichtsprozent Chrom und mindestens 0,1 Gewichtsprozent Schwefel enthält. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an Mangan im Stahl der Nabe 3–7,5 Gewichtsprozent. Die Nabe 26 ist beispielsweise auf das freie Ende der Welle 14 aufgepresst. Die Nabe 26 weist einen umlaufenden, etwa zylindrischen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein Rotormagnet 28 befestigt ist. Der Rotormagnet 28 umschließt eine Statoranordnung 30, die an einem hülsenförmigen Ansatz der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Statoranordnung 30 bildet mit dem Rotormagneten 28 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors. Die Statoranordnung 30 besteht aus einem geblechten Kern sowie entsprechenden Phasenwicklungen, die auf den geblechten Kern gewickelt sind. Wird der Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes verwendet, werden auf der Nabe 26 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) befestigt und von dieser in Drehung versetzt.
Die obere Stirnfläche der Lagerbuchse 12, die an die Unterseite der Nabe 26 angrenzt, so wie auch die angrenzende Fläche der Unterseite der Nabe 26 bilden die Lagerflächen eines Axiallagers 32. Die beiden Lagerflächen des Axiallagers 32 sind entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 18 angeordnet, welcher sich an den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 18 anschließt. Das Axiallager 32 ist, wie die beiden Radiallager 20, 22, ebenfalls durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 12 und/oder der Oberfläche der Nabe 26 angeordnet sind. Das Axiallager 32 umfasst beispielsweise spiralförmige oder fischgrätförmige Lagerrillenstrukturen, die eine in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 18 gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid in das Innere des Lagerspaltes 18 in Richtung der Radiallager 20, 22 fördern.
In axialer Richtung gegenüberliegend dem Rotormagneten 28 ist ein ferromagnetischer Ring 34 vorgesehen, welcher der unteren Stirnseite des Rotormagneten 28 gegenüber liegt. Der ferromagnetische Ring 34 zieht den Rotormagneten 28 magnetisch an und erzeugt eine dem Axiallager 32 entgegengesetzt gerichtet axiale Kraft auf die Nabe 26. Dadurch wird das Lagersystem in axialer Richtung vorgespannt und stabilisiert.
Vorzugsweise ist in der Lagerbuchse 12 ein Rezirkulationskanal 42 vorgesehen, der das geschlossene Ende des Lagers, also den Bereich des Spaltes unterhalb des Stopperrings 38 mit dem offenen Ende des Lagers im Bereich des Axiallagers 32 verbindet. Dadurch kann das Lagerfluid im Lagerspalt 18 und dem Rezirkulationskanal 42 zirkulieren. Die Zirkulation des Lagerfluids ist durch die neben dem Lagerspalt 18 bzw. der Rezirkulationsbohrung 42 angeordneten Pfeile gekennzeichnet.
Radial auswärts des Axiallagers 32 weitet sich der Lagerspalt 18 in einen Spalt 36 mit größerem Spaltabstand auf, der dann etwa rechtwinklig abknickt und in einen im wesentlichen axial verlaufenden und anteilig mit Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt 40 übergeht. Der Dichtungsspalt 40 ist als Kapillardichtung, insbesondere als konische Kapillardichtung, ausgebildet. Der Dichtungsspalt 40 wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 sowie eine gegenüberliegende innere Unfangsfläche eines Randes 26a der Nabe 26. Die den Dichtungsspalt 40 begrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 12 und des Randes 26a der Nabe 26 können parallel zur Rotationsachse 16 verlaufen, sie sind jedoch vorzugsweise beide leicht nach innen in Richtung der Rotationsachse 16 geneigt. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser des Randes 26a in Richtung zur Öffnung des Dichtungsspaltes 40 in geringerem Maße ab als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 12, so dass sich ein im Wesentlichen konischer Querschnitt des Dichtungsspaltes 40 ergibt.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: Lagerbuchse
14: Welle
16: Rotationsachse
18: Lagerspalt
20: Radiallager
22: Radiallager
24: Abdeckplatte
26: Nabe
26a: Rand
28: Rotormagnet
30: Statoranordnung
32: Axiallager
34: Ferromagnetischer Ring
36: Spalt
38: Stopperring
40: Dichtungsspalt
42: Rezirkulationskanal

Claims

Spindelmotor mit einem Stator (10, 12, 30) und einem mittels eines fluiddynamischen Lagers drehgelagerten Rotor (14, 26), wobei mindestens ein Bauteil (12; 26) des Stators oder des Rotors aus Chromstahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromstahl 3–9 Gewichtsprozent Mangan enthält.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromstahl bevorzugt 3–7,5 Gewichtsprozent Mangan enthält.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromstahl mindestens 10 Gewichtsprozent Chrom enthält.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromstahl mindestens 0,1 Gewichtsprozent Schwefel enthält.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Chromstahl bestehende Bauteil eine Lagerbuchse (12) ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Chromstahl bestehende Bauteil eine Nabe (26) ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Festplattenlaufwerk verwendet wird.
Verwendung von Chromstahl mit 3–9 Gewichtsprozent Mangan, mindestens 10 Gewichtsprozent Chrom und mindestens 0,1 Gewichtsprozent Schwefel für die Herstellung von Naben (26) und/oder Lagerbuchsen (12) von Spindelmotoren.