DE102011106511A1 - Fluid-dynamic bearing system for spindle motor for e.g. 2.5 inch hard disk drive for laptop, has bearing component arranged at shaft, where ratio of length of shaft and mutual distance between radial bearings is larger than specified value - Google Patents
Fluid-dynamic bearing system for spindle motor for e.g. 2.5 inch hard disk drive for laptop, has bearing component arranged at shaft, where ratio of length of shaft and mutual distance between radial bearings is larger than specified value Download PDFInfo
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- F16C33/741—Sealings of sliding-contact bearings by means of a fluid
- F16C33/743—Sealings of sliding-contact bearings by means of a fluid retained in the sealing gap
- F16C33/745—Sealings of sliding-contact bearings by means of a fluid retained in the sealing gap by capillary action
Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, wie es beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt wird. Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem werden u. a. zum Antrieb von Festplattenlaufwerken oder Lüftern verwendet.The invention relates to a fluid dynamic bearing system, as used for example for the rotary mounting of spindle motors. Spindle motors with fluid dynamic bearing system u. a. used to drive hard disk drives or fans.
Stand der TechnikState of the art
Ein fluiddynamisches Lagersystem besteht in der Regel aus einem feststehenden Lagerbauteil und einem beweglichen Lagerbauteil, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt und um eine gemeinsame Rotationsachse relativ zueinander drehgelagert sind. In bekannter Weise sind Lagerflächen vorgesehen, die mit Lagerrillenstrukturen versehen sind, die bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerrillenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf eine oder beide jeweils einander gegenüber liegende Lagerflächen aufgebracht. Bei Drehung der Lagerbauteile relativ zueinander üben die Lagerrillenstrukturen auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung aus und erzeugen im Lagerspalt einen hydrodynamischen Druck. Durch diesen hydrodynamischen Druck werden die beiden zueinander rotierenden Lagerbauteile durch entsprechende Lagerkräfte berührungsfrei voneinander getrennt und gelagert.A fluid dynamic bearing system generally consists of a fixed bearing component and a movable bearing component, which are separated by a bearing gap filled with a bearing fluid and rotatably supported about a common axis of rotation relative to each other. In a known manner, bearing surfaces are provided which are provided with bearing groove structures which exert a pumping action on the bearing fluid in the bearing gap during rotation of the bearing. In fluid dynamic bearings, the bearing groove structures in the form of depressions or elevations are usually applied to one or both opposing bearing surfaces. Upon rotation of the bearing components relative to each other, the bearing groove structures exert a pumping action on the bearing fluid in the bearing gap and generate a hydrodynamic pressure in the bearing gap. As a result of this hydrodynamic pressure, the two bearing components rotating relative to one another are separated and stored without contact by corresponding bearing forces.
Ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der
Moderne Festplattenlaufwerke haben eine sehr kleine Baugröße, damit sie in den immer kleiner werdenden elektronischen Geräten Platz finden. Insbesondere wird eine geringe Bauhöhe angestrebt, um sehr flache Laptops und andere Geräte realisieren zu können. Durch eine Reduktion der Bauhöhe der Festplattenlaufwerke sind die maximale Bauhöhe des fluiddynamischen Lagersystems und insbesondere der Lagerabstand der Radiallager limitiert. Ein kleiner Lagerabstand geht jedoch auf Kosten der Lagersteifigkeit, insbesondere der Kippfestigkeit des Lagers. Man kann den Lagerabstand im Rahmen der verfügbaren Bauhöhe nicht beliebig vergrößern, denn dadurch wird die verfügbare Fläche zum Aufbringen der Lagerrillenstrukturen zu klein. Für eine Optimierung der Kippsteifigkeit müssen also die Länge der Welle (was in etwa der Bauhöhe des Lagers entspricht), der Lagerabstand und die verfügbare Lagerfläche der Radiallager optimiert werden.Modern hard disk drives are very small in size so they can fit in the ever-shrinking electronic devices. In particular, a low height is sought in order to realize very flat laptops and other devices. By reducing the height of the hard disk drives, the maximum height of the fluid dynamic bearing system and in particular the bearing distance of the radial bearings are limited. However, a small bearing distance is at the expense of the bearing stiffness, in particular the Kippfestigkeit the camp. You can not increase the storage distance within the available height arbitrarily, because this is the available area for applying the Lagerrillenstrukturen too small. For optimization of the tilting rigidity, therefore, the length of the shaft (which roughly corresponds to the overall height of the bearing), the bearing distance and the available bearing surface of the radial bearings must be optimized.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, welches eine verbesserte Steifigkeit gegen Verkippen aufweist.It is the object of the invention to specify a fluid-dynamic bearing system which has improved rigidity against tilting.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved by a fluid dynamic bearing system with the features of claim 1.
Ein Spindelmotor mit dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem sowie ein Festplattenlaufwerk, das von einem solchen Spindelmotor angetrieben wird, sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.A spindle motor with the fluid dynamic bearing system according to the invention and a hard disk drive, which is driven by such a spindle motor, are the subject of the independent claims.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and further advantageous features of the invention are specified in the dependent claims.
Das beschriebene fluiddynamische Lagersystem umfasst ein erstes Lagerbauteil, welches mindestens eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung aufweist, und ein zweites Lagerbauteil, welches mindestens eine in der Lagerbohrung angeordnete Welle, ein die Welle aufnehmendes feststehendes Lagerbauteil und ein an der Welle angeordnetes ringförmiges Lagerbauteil aufweist. Das erste und das zweite Lagerbauteil sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt und mittels zwei axial voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallagern und mindestens einem fluiddynamischen Axiallager relativ zueinander drehgelagert. Die Welle weist eine Länge lw auf und die fluiddynamischen Radiallager weisen einen gegenseitigen Lagerabstand sL auf. Letzterer ist bestimmt als Distanz der Apexe der jeweiligen Radiallager zueinander.The described fluid dynamic bearing system comprises a first bearing component, which has at least one bearing bush with a bearing bore, and a second bearing component which has at least one shaft arranged in the bearing bore, a stationary bearing component receiving the shaft and an annular bearing component arranged on the shaft. The first and the second bearing component are separated from one another by a bearing gap filled with a bearing fluid and are rotatably mounted relative to one another by means of two fluid-dynamic radial bearings spaced apart axially from one another and at least one fluid-dynamic axial bearing. The shaft has a length l w and the fluid dynamic radial bearings have a mutual bearing distance s L on. The latter is determined as the distance of the apexes of the respective radial bearings from each other.
Erfindungsgemäß ist das Verhältnis zwischen der Länge lW der Welle und dem Lagerabstand sL größer als 2,6. According to the invention, the ratio between the length l W of the shaft and the bearing distance s L is greater than 2.6.
Durch dieses erfindungsgemäße Verhältnis zwischen Länge der Welle und dem Lagerabstand von größer als 2,6 wird sichergestellt, dass zum einen ein relativ zur Länge der Welle ausreichend großer Lagerabstand realisiert ist und zum anderen der Lagerabstand aber nicht zu groß ist, damit noch genügend verfügbare Lagerfläche zum Aufbringen der Lagerrillenstrukturen der Radiallager verbleibt. Zwangsweise muss bei Lagern mit sehr geringer Bauhöhe der Lagerabstand auch sehr klein sein, damit die Lagerflächen ausreichend groß bemessen werden können. Das erfindungsgemäße Lagersystem kann insbesondere zur Drehlagerung von Spindelmotoren zum Antrieb von 2,5 oder 3,5 Zoll Festplattenlaufwerken eingesetzt werden.This inventive ratio between the length of the shaft and the bearing distance of greater than 2.6 ensures that, on the one hand, a relatively large bearing distance is realized relative to the length of the shaft and on the other hand, the bearing distance but not too large, so still enough available storage space for applying the Lagerrillenstrukturen the radial bearings remains. Forced storage of bearings with very low height of the storage space must also be very small, so that the storage space can be sized sufficiently large. The storage system according to the invention can be used in particular for the rotary storage of spindle motors for driving 2.5 or 3.5 inch hard disk drives.
Um die Kippstabilität weiter zu erhöhen, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, den Durchmesser des ringförmigen Lagerbauteils an den Lagerabstand sL anzupassen. Es hat sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d des ringförmigen Lagerbauteils und dem Lagerabstand sL größer ist als 1,0.In order to further increase the tilt stability, it is advantageous according to the invention to adapt the diameter of the annular bearing component to the bearing spacing s L. It has proven particularly advantageous if the ratio between the diameter d of the annular bearing component and the bearing spacing s L is greater than 1.0.
Das begründet sich damit, dass erfindungsgemäß aneinander angrenzende Flächen des ringförmigen Lagerbauteils und der Lagerbuchse oder einer mit der Lagerbuchse verbundenen Nabe einen ersten, mit Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt definieren, der mit dem Lagerspalt verbunden ist. Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts dieses ersten Dichtungsspalts ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine dynamische Pumpdichtung mit Pumprillenstrukturen angeordnet. Die Pumprillenstrukturen erzeugen bei einer Rotation des Lagers eine in Richtung des ersten Radiallagers gerichtete Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt befindliche Lagerfluid.This is based on the fact that according to the invention adjacent surfaces of the annular bearing member and the bearing bush or a hub connected to the bearing bushing define a first, filled with bearing fluid sealing gap, which is connected to the bearing gap. Along an axially extending section of this first sealing gap, in a preferred embodiment of the invention, a dynamic pumping seal with pumping groove structures is arranged. The pumping groove structures generate during a rotation of the bearing directed in the direction of the first radial bearing pumping action on the bearing fluid located in the sealing gap.
Vorzugsweise sind die Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung auf einer den ersten Dichtungsspalt begrenzenden Umfangsfläche des ringförmigen Lagerbauteils angeordnet.The pumping groove structures of the pumping seal are preferably arranged on a peripheral surface of the annular bearing component delimiting the first sealing gap.
Der Durchmesser d des ringförmigen Lagerbauteils, die Breite des Dichtungsspalts und die Formgebung der Pumprillenstrukturen bestimmen maßgeblich die Wirksamkeit der dynamischen Pumpdichtung. Bei einem ausreichend großen Durchmesser des ringförmigen Bauteils wirkt die Pumpdichtung wie ein Teil eines fluiddynamischen Radiallagers.The diameter d of the annular bearing component, the width of the sealing gap and the shape of the pump groove structures significantly determine the effectiveness of the dynamic pumping seal. With a sufficiently large diameter of the annular member, the pumping seal acts as part of a fluid dynamic radial bearing.
Die beiden fluiddynamischen Radiallager sind durch einander gegenüberliegende Lagerflächen der Welle und der Lagerbohrung der Lagerbuchse gebildet und weisen Radiallagerrillen auf. Ein erstes Radiallager ist im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet und umfasst zu einer Umfangslinie im Wesentlichen symmetrisch ausgebildete Radiallagerrillen.The two fluid dynamic radial bearings are formed by opposing bearing surfaces of the shaft and the bearing bore of the bearing bush and have radial bearing grooves. A first radial bearing is formed substantially symmetrically and comprises a circumferential line substantially symmetrical radial bearing grooves.
Die dynamische Pumpdichtung entlang des ersten Dichtungsspalts ergänzt die Wirkung dieses ersten Radiallagers, so dass die Steifigkeit des Lagers insgesamt verbessert wird.The dynamic pumping seal along the first sealing gap supplements the effect of this first radial bearing, so that the rigidity of the bearing is improved overall.
Ein zweites Radiallager ist in einem axialen Abstand zum ersten Radiallager angeordnet und ist asymmetrisch ausgebildet. Es umfasst Radiallagerrillen, die relativ zu einer durch den Apex verlaufenden Umfangslinie asymmetrische Längen der Lagerrillen aufweisen, die bei einer Rotation des Lagers eine überwiegend in Richtung des ersten Radiallagers gerichtete Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid erzeugen.A second radial bearing is arranged at an axial distance from the first radial bearing and is asymmetrical. It comprises radial bearing grooves, which have asymmetrical lengths of the bearing grooves relative to a circumferential line passing through the apex, which generate a pumping action directed predominantly in the direction of the first radial bearing on the bearing fluid in the bearing gap during rotation of the bearing.
Die andere Seite des Lagerspalts ist durch einen mit dem Lagerspalt verbundenen zweiten Dichtungsspalt abgedichtet. Der zweite Dichtungsspalt wird durch einander angrenzende Oberflächen der Lagerbuchse und des feststehenden Lagerbauteils oder eines im feststehenden Lagerbauteil angeordneten feststehenden Lagerrings gebildet.The other side of the bearing gap is sealed by a second sealing gap connected to the bearing gap. The second sealing gap is formed by adjacent surfaces of the bearing bush and the fixed bearing component or a fixed bearing ring arranged in the fixed bearing component.
Eine Stabilisierung des Lagers in axialer Richtung wird durch ein erstes fluiddynamisches Axiallager erreicht, das in einem radialen Abschnitt des Lagerspalts angeordnet ist, der sich zwischen einer oberen Stirnseite des feststehenden Lagerbauteils oder eines mit diesem Lagerbauteil verbundenen Lagerrings und einer gegenüber liegenden Stirnseite der Lagerbuchse befindet.A stabilization of the bearing in the axial direction is achieved by a first fluid-dynamic thrust bearing, which is arranged in a radial portion of the bearing gap, which is located between an upper end side of the fixed bearing member or a bearing ring connected to this bearing member and an opposite end face of the bearing bush.
Das erste fluiddynamische Axiallager kann magnetisch vorgespannt sein, oder es kann zusätzlich oder alternativ ein zweites fluiddynamisches Axiallager vorgesehen sein, das zwischen einer oberen Stirnseite der Lagerbuchse und dem mit der Welle verbundenen ringförmigen Lagerbauteil angeordnet ist. Das zweite fluiddynamische Axiallager wirkt entgegengesetzt zum ersten fluiddynamischen Axiallager. Beide Axiallager weisen vorzugsweise spiralförmige Lagerrillen auf, welche das Lagerfluid radial nach innen pumpen.The first fluid-dynamic thrust bearing may be magnetically biased, or it may be additionally or alternatively provided a second fluid-dynamic thrust bearing, which is arranged between an upper end side of the bearing bush and the annular bearing member connected to the shaft. The second fluid dynamic thrust bearing acts opposite to the first fluid dynamic thrust bearing. Both thrust bearings preferably have spiral-shaped bearing grooves which pump the bearing fluid radially inwards.
Damit eine fortwährende Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt gewährleistet ist, ist vorzugsweise in der Lagerbuchse ein Rezirkulationskanal angeordnet, der den radial verlaufenden Abschnitt des ersten Dichtungsspalts mit dem radialen Abschnitt des zweiten Dichtungsspalts verbindet.So that a continuous circulation of the bearing fluid is ensured in the bearing gap, a recirculation passage is preferably arranged in the bearing bush, which connects the radially extending portion of the first sealing gap with the radial portion of the second sealing gap.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Dabei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to drawing figures. This results in further features and advantages of the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte
Die Lagerbuchse
Erfindungsgemäß wird gefordert, dass das Verhältnis zwischen der Länge lW der Welle und dem Lagerabstand sL größer als 2,6 ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt: lW/sL = 8,35 mm/1,83 mm = 4,56, also deutlich mehr als der geforderte Wert. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis vom Durchmesser d des ringförmigen Lagerbauteils und dem Lagerabstand sL größer ist als 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt: d/sL = 4,2 mm/1,83 mm = 2,3.According to the invention, it is required that the ratio between the length l W of the shaft and the bearing spacing s L is greater than 2.6. In the present embodiment: l W / s L = 8.35 mm / 1.83 mm = 4.56, ie significantly more than the required value. Further, it is advantageous if the ratio of the diameter d of the annular bearing member and the bearing distance s L is greater than 1. In the present embodiment is: d / s L = 4.2 mm / 1.83 mm = 2.3.
Das erste Radiallager
An den vertikal verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes unterhalb des zweiten Radiallagers
In einem radial äußeren Bereich des feststehenden Lagerbauteils
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind alle für die Radiallager
Im Anschluss an das obere Radiallager
Entlang des axialen Abschnittes
Die Enden der Pumprillenstrukturen
Eine Abdeckkappe
Unter normalen Betriebsbedingungen des Lagers befindet sich das Lagerfluid innerhalb des ersten Dichtungsspalts
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte
In dem Fall, dass der Spindelmotor nur ein einziges fluiddynamisches Axiallager
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte
Die Lagerbuchse
Erfindungsgemäß wird gefordert, dass das Verhältnis zwischen der Länge lW der Welle und dem Lagerabstand sL größer als 2,6 ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt: lW/sL = 22,73 mm/6,5 mm = 3,5, also deutlich mehr als der geforderte Wert. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis vom Durchmesser d des ringförmigen Lagerbauteils und dem Lagerabstand sL größer ist als 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt: d/sL = 7,8 mm/6,5 mm = 1,2.According to the invention, it is required that the ratio between the length l W of the shaft and the bearing spacing s L is greater than 2.6. In the present Embodiment is: l W / s L = 22.73 mm / 6.5 mm = 3.5, ie significantly more than the required value. Further, it is advantageous if the ratio of the diameter d of the annular bearing member and the bearing distance s L is greater than 1. In the present embodiment is: d / s L = 7.8 mm / 6.5 mm = 1.2.
Eine ringförmige Stirnfläche des hülsenförmigen Abschnitts
Die radial verlaufenden Flächen des hülsenförmigen Abschnitts
Zur Abdichtung des oberen Endes des Lagerspalts
In dem radialen Abschnitt
An den radial verlaufenden Abschnitt
An den vertikal verlaufenden Abschnitt
An den kurzen radialen Abschnitt
Die beiden den konischen Abschnitt
Entlang des axialen Abschnittes
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind alle für die Radiallager
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal
Dichtungsspalts
Zwischen dem Außenumfang des oberen Randes des feststehenden Lagerbauteils
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 11010, 110
- Basisplattebaseplate
- 12, 11212, 112
- Wellewave
- 14, 11414, 114
- Lagerbuchsebearing bush
- 114a114a
- hülsenförmiger Abschnittsleeve-shaped section
- 14b14b
- umlaufender Randsurrounding border
- 16, 11616, 116
- feststehendes Lagerbauteilfixed bearing component
- 18, 11818, 118
- ringförmiges Lagerbauteilannular bearing component
- 20, 12020, 120
- Lagerspaltthe bearing gap
- 20a, 120a20a, 120a
- axialer Abschnitt des Lagerspaltsaxial section of the bearing gap
- 20b, 120b20b, 120b
- radialer Abschnitt des Lagerspaltsradial section of the bearing gap
- 22a, b; 122a, b22a, b; 122a, b
- Radiallagerradial bearings
- 24, 12424, 124
- Separatorspaltseparator gap
- 125125
- Lagerplattebearing plate
- 26, 12626, 126
- Axiallagerthrust
- 127127
- Axiallagerthrust
- 28, 12828, 128
- Rezirkulationskanalrecirculation
- 129129
- Spaltgap
- 30, 13030, 130
- Abdeckkappecap
- 32, 13232, 132
- erster Dichtungsspaltfirst sealing gap
- 32a, 132a32a, 132a
- radialer Abschnittradial section
- 32b, 132b32b, 132b
- axialer Abschnittaxial section
- 33, 13333, 133
- konischer Ringraumconical annulus
- 34, 13434, 134
- zweiter Dichtungsspaltsecond sealing gap
- 134a, 134c134a, 134c
- axialer Abschnitt des Dichtungsspaltsaxial portion of the sealing gap
- 134b134b
- radialer Abschnitt des Dichtungsspaltsradial section of the sealing gap
- 36, 13636, 136
- Pumpdichtungpump seal
- 36a, 136a36a, 136a
- Rillenstrukturengroove structures
- 137137
- Pumpdichtungpump seal
- 38 38
- ferromagnetischer Ringferromagnetic ring
- 40, 14040, 140
- Rotormagnetrotor magnet
- 42, 14242, 142
- Statoranordnungstator
- 44, 14444, 144
- Drehachseaxis of rotation
- 146146
- RückschlussringReturn ring
- 48, 14848, 148
- Nabehub
- dd
- Durchmesser des ringförmigen LagerbauteilsDiameter of the annular bearing component
- lW l W
- Länge der WelleLength of the shaft
- sL s L
- Lagerabstand der RadiallagerBearing clearance of radial bearings
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008031618 A1 [0003] DE 102008031618 A1 [0003]
Claims (15)
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Publication Number | Publication Date |
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