DE102011108139A1 - Fluiddynamisches Lagersystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wobei das Lagersystem mindestens zwei relativ zueinander drehbar angeordnete Lagerbauteile aufweist, die durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt durch mindestens einen Dichtungsspalt abgedichtet ist, wobei der Dichtungsspalt ein flüssiges oder gasförmiges Dichtungsmedium enthält. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, in den Dichtungsspalt, der zur Abdichtung des Lagerspaltes verwendet wird, eine ionische Flüssigkeit einzubringen. Dadurch wird ein Austreten von verdunstetem Lagerfluid aus dem Lager drastisch reduziert.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wobei das Lagersystem mindestens zwei relativ zueinander drehbar angeordnete Lagerbauteile aufweist, die durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt durch mindestens einen Dichtungsspalt abgedichtet ist, wobei der Dichtungsspalt ein flüssiges Dichtungsmedium enthält.
• Stand der Technik
• Fluiddynamische Lagersysteme der oben genannten Art werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt. Es handelt sich dabei um Miniaturlager, deren Lagerkomponenten Abmessungen von einigen Millimetern aufweisen. Die bekannten fluiddynamischen Lager umfassen mindestens ein feststehendes Lagerbauteil, beispielsweise in Form einer Lagerbuchse, in welchem ein drehbares Lagerbauteil, beispielsweise in Form einer Welle, drehbar gelagert ist. Die beiden Lagerbauteile umfassen Lagerflächen, die durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Die Lagerflächen sind durch einen Lagerspalt voneinander getrennt, der einige Mikrometer breit ist und mit einem vorzugsweise flüssigen Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
• Sobald sich die beiden Lagerbauteile relativ zueinander drehen, erzeugen die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid, wodurch im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, der das Lager tragfähig macht.
• Es sind neben fluiddynamischen konischen Lagern sowohl fluiddynamische Radiallager als auch fluiddynamische Axiallager bekannt.
• Als Lagerfluid in solchen fluiddynamischen Lagersystemen kleiner Bauart werden insbesondere Esteröle bzw. Diesteröle verwendet. Die verwendeten Esteröle oder Diesteröle haben üblicherweise eine Viskosität von 3 bis 25 mm²/s und besitzen einen relativ hohen Dampfdruck.
• Auf Grund des hohen Dampfdruckes ergibt sich eine relativ hohe Verdampfungsrate des Lageröls. Durch die Verdampfung des Lageröls reduziert sich die im Lagerspalt vorhandene Menge an Lagerfluid. Ist die Fluidmenge im Lagerspalt zu gering, kann es zu einer Beschädigung des Lagers kommen. Um die Verdampfung des Lagerfluids aus dem Lager zu reduzieren, ist der Lagerspalt abgedichtet, beispielsweise durch Dichtungsspalte oder, soweit möglich, luftdicht abgedeckt. Dennoch besitzen derartige fluiddynamische Lagersysteme einen durch Verdampfung verursachten Verlust an Lagerfluid von beispielsweise 0,5 Milligramm bis 10 Milligramm bei 70 Grad Temperatur über einen Zeitraum von 5 Jahren.
• Daher ist es notwenig, einen bestimmten Vorrat an Lagerfluid im Lagersystem vorzusehen, um die Verluste an Lagerfluid aufgrund von Verdampfung zu ersetzen. Hierzu sind entsprechende Reservoirs vorgesehen, die mit dem Lagerspalt verbunden sind. Andererseits darf der Vorrat an Lagerfluid nicht zu groß sein, da sich dadurch die Eigenschaften des fluiddynamischen Lagers bezüglich Schockbelastbarkeit und Vibrationseigenschaften verschlechtern können bzw. die Gefahr eines Austretens von Lageröl aus dem Lager besteht.
• Bei der Entwicklung und der Spezifizierung von fluiddynamischen Lagersystemen muss daher eine Balance zwischen der vorgesehenen Lebensdauer und der Robustheit des Lagers auf äußere Einwirkungen, wie beispielsweise Schocks gewählt werden.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem die Verluste an Lagerfluid durch Verdunstung reduziert werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, in den Dichtungsspalt, der zur Abdichtung des Lagerspaltes verwendet wird, eine ionische Flüssigkeit (Ionic Liquid) einzubringen. Dadurch wird ein Austreten von verdunstetem Lagerfluid aus dem Lager drastisch reduziert.
• Der Vorteil von ionischen Flüssigkeiten ist deren sehr geringer Dampfdruck von typischerweise 10^–13 bar. Die Erfindung kombiniert die Vorteile von ionischen Flüssigkeiten mit den bekannten exzellenten Schmiereigenschaften von Esterölen für die Verwendung in fluiddynamischen Lagersystemen.
• Die ionische Flüssigkeit wird in den Dichtungsspalt zur Abdichtung des Lagerspaltes eingebracht und dient als Dampfsperre, die ein Verdunsten des Lagerfluids aus dem Lagerspalt verhindert oder minimiert.
• Die ionische Flüssigkeit selbst, die sich im Dichtungsspalt befindet, zeigt aufgrund ihres äußerst geringen Dampfdrucks keine merkliche Verdunstung, so dass der Dampf des Lagerfluids im Dichtungsspalt zurückgehalten wird und nicht aus dem Lager austreten kann.
• Alle bekannten Bauarten von fluiddynamischen Lagersystemen zur Drehlagerung von Spindelmotoren, also beispielsweise Radiallager, Axiallager sowie konische oder sphärische Lager können mit den erfindungsgemäßen Dichtungsspalten mit ionischen Flüssigkeiten ausgerüstet werden.
• Da auf Grund der Dichtwirkung der ionischen Flüssigkeit in dem Dichtungsspalt keine nennenswerte Verdampfung von Lagerfluid aus dem Lagerspalt mehr erfolgt, kommen derartige fluiddynamische Lager mit einem sehr kleinen Fluidreservoir oder sogar ganz ohne ein Fluidreservoir aus.
• Die ionische Flüssigkeit wird dabei insbesondere separat vom Lagerfluid in den Bereich des Dichtungsspalts eingebracht. Auf Grund der hohen Oberflächenspannung von ionischen Flüssigkeiten, typischerweise größer als 35 Millinewton/Meter, wird die ionische Flüssigkeit allein durch Kapillarkräfte im Dichtungsspalt gehalten. Dichtungsspalte für fluiddynamische Lagersysteme, wie sie in Festplattenmotoren eingesetzt werden, haben typischerweise eine Spaltbreite von wenigen Mikrometern und eine Länge von einigen hundert Mikrometern.
• Auf Grund des extrem niedrigen Dampfdruckes der ionischen Flüssigkeit wird für die Abdichtung in dem Dichtungsspalt nur eine sehr geringe Menge dieser ionischen Flüssigkeit benötigt, beispielsweise wenige Mikroliter, da kaum ionische Flüssigkeit durch Verdunstung verloren geht.
• Verdampfendes Esteröl aus dem Inneren des Lagers wird durch die ionische Flüssigkeit zurückgehalten, die als Diffusionssperre wirkt. Es tritt daher auf Grund der Verdampfung kein Lagerfluid und auch keine ionische Flüssigkeit aus dem Lager aus und kann folglich nicht in den Bereich des Motorraumes gelangen.
• Eine weitere Eigenschaft von ionischen Flüssigkeiten sind deren Schmiereigenschaften, die erfindungsgemäß von Vorteil sind, um die Reibung im Bereich des Dichtungsspalts zwischen der ionischen Flüssigkeit und den Dichtungsoberflächen gering zu halten.
• Wie bekannt, bestehen ionische Flüssigkeiten ausschließlich aus Ionen. Es handelt sich somit um flüssige Salze, ohne dass das Salz zusätzlich in einem Lösungsmittel gelöst ist. Ionische Flüssigkeiten haben im Vergleich zu festen Salzen einen sehr niedrigen Schmelzpunkt und sind weit unterhalb der Raumtemperatur bereits flüssig. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus Kationen und Anionen, wobei die Größe und die Symmetrie der beteiligten Ionen so angeordnet sind, dass die Bildung eines starken Kristallgitters verhindert wird, so dass die Salze bei Raumtemperatur nicht zu einer festen Kristallstruktur erhärten.
• Ionische Flüssigkeiten besitzen einen extrem niedrigen Dampfdruck und eine hohe Viskosität. Ein weiterer Vorteil ist, dass ionische Flüssigkeiten durch die beweglichen Kationen und Anionen elektrisch leitfähig sind. Die beiden Lagerbauteile eines fluiddynamischen Lagers sind durch den Lagerspalt und das nicht leitende Lagerfluid elektrisch voneinander getrennt. Dadurch können statische Ladungen nicht abfließen. Durch die elektrisch leitende ionische Flüssigkeit, die in der Regel zwischen Oberflächen der beiden Lagerbauteile angeordnet ist, kann jedoch ein Potentialausgleich stattfinden und somit eine statische Aufladung verhindert werden.
• Durch Variation der Seitenketten des Kations und durch die Auswahl geeigneter Anionen lässt sich beispielsweise die Löslichkeit der ionischen Flüssigkeit in anderen Flüssigkeiten bestimmen. Erfindungsgemäß ist es notwendig, wenn sich die ionische Flüssigkeit nicht in dem verwendeten Lagerfluid löst oder mit diesem reagiert. Daher ist es alternativ möglich, dass die ionische Flüssigkeit im Dichtungsspalt direkt auf dem Lagerfluid aufliegt und es somit keinen direkten Übergang zwischen dem Lagerfluid und der Umgebungsluft gibt, sondern einen Übergang zwischen dem Lagerfluid und der ionischen Flüssigkeit einerseits sowie zwischen der ionischen Flüssigkeit und der Umgebungsluft andererseits.
• In der Regel haben ionische Flüssigkeiten eine sehr hohe elektrochemische Stabilität, so dass sie grundsätzlich mit anderen Stoffen nicht oder nur in geringem Maße reagieren.
• Für die Verwendung in fluiddynamischen Lagersystemen als Dichtungsmedium geeignete ionische Flüssigkeiten sind vorzugsweise nicht mit dem Lagerfluid mischbar, wie es für einige ionische Flüssigkeiten auf Basis von Imidazolsalzen in Esterölen der Fall ist. Dies ist beispielsweise für die Löslichkeit von 1-Butyl-3-Methylimidazolium Tosylate [C4MIM][Tos] in Capronsäuremethylester bei einer Zusammensetzung der Mischung mit einem Massenbruch ω_IL > 0.2 im Temperaturbereich von 5 bis 78 Grad Celsius gegeben. Es können aber auch andere ionische Flüssigkeiten benutzt werden, wenn diese lediglich partiell, aber nicht vollständig mit dem Lagerfluid mischbar sind, beispielsweise 1-Butyl-3-Methylimidazolium Oktylsulfat [C4MIM][OcSO4], 1-Oktyl-3-Methylimidazolium Tetrafluoroborsäure [C8MIM][BF4] oder andere chemisch verwandte Zusammensetzungen.
• Der Temperaturbereich für die Anwendung von ionischen Flüssigkeiten liegt beispielsweise zwischen –20 bis +80 Grad Celsius, was sich sehr gut mit dem geforderten Betriebstemperaturbereich von fluiddynamischen Lagersystemen deckt.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
• 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
• 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines fluiddynamischen Lagers mit konischen Lagerflächen gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
• 4 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines fluiddynamischen Lagers gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
• Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
• 1 zeigt einen Schnitt durch einen Aufbau eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein rotierendes Motorbauteil, das mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist. Das feststehende Motorbauteil umfasst eine Basisplatte 32, an welcher die übrigen feststehenden Motorkomponenten angeordnet sind. Die Basisplatte 32 umfasst ein zentrales hülsenförmiges Teil mit einer zentralen Bohrung, in welcher eine im Wesentlichen hohlzylindrische Lagerbuchse 10 befestigt ist, beispielsweise durch Einpressen, Einkleben oder Schweißen. Die Lagerbuchse 10 ist Teil eines feststehenden Lagerbauteils. Eine Welle 12 ist in der Bohrung der Lagerbuchse 10 um eine Rotationsachse 18 drehbar angeordnet. Die Welle 12 ist Teil eines drehbaren Lagerbauteils. Die Welle 12 hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Bohrung in der Lagerbuchse 10, sodass zwischen der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 ein Lagerspalt 16 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise Lageröl, gefüllt ist.
• In einem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 16 sind in einem gegenseitigen Abstand zwei fluiddynamische Radiallager 20 und 22 angeordnet, welche durch entsprechende Lagerrillenstrukturen auf der Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 10 bzw. der Umfangsfläche der Welle 12 gekennzeichnet sind. Bei einer Drehung der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 wird durch diese Lagerrillenstrukturen der Radiallager 20, 22 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 befindliche Lagerfluid erzeugt, durch welche ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 16 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 Abdeckung 30 verschlossen ist, die in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 befestigt ist und die Lagerbuchse 10 Luft- und Öldicht verschließt. An diesem Ende der Welle 12 ist ein Stopperring 14 angeordnet, der in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckung 30 angeordnet ist. Der Stopperring 14 bildet Anschlagflächen zusammen mit der Lagerbuchse 10 und der Abdeckung 30 und verhindert eine übermäßige axiale Verschiebung und ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10.
• Ein freies Ende der Welle 12, welches aus der Bohrung der Lagerbuchse 10 hinausragt, ist mit einer Nabe 34 verbunden, welche im Wesentlichen einen becherförmigen Querschnitt hat und das Lagersystem teilweise umschließt. Die Nabe 34 ist beispielsweise auf das freie Ende der Welle 12 aufgepresst. Die Nabe 34 weist einen umlaufenden, etwa zylindrischen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein Rotormagnet 46 befestigt ist. Der Rotormagnet 46 umschließt eine Statoranordnung 44, die an einem hülsenförmigen Ansatz der Basisplatte 32 befestigt ist. Die Statoranordnung 44 bildet mit dem Rotormagneten 46 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors. Die Statoranordnung 44 besteht aus einem Magnetkern sowie entsprechenden Phasenwicklungen, die auf den Magnetkern gewickelt sind. Wird der Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes verwendet, werden auf der Nabe 34 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) befestigt und von dieser in Drehung versetzt.
• Die obere Stirnfläche der Lagerbuchse 10, die an die Unterseite der Nabe 34 angrenzt, so wie die angrenzende Fläche der Unterseite der Nabe 34 bilden die Lagerflächen eines Axiallagers 26. Die beiden Lagerflächen des Axiallagers 26 sind entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 16 angeordnet, welcher sich an den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 16 anschließt. Das Axiallager 26 ist, wie die beiden Radiallager 20, 22, ebenfalls durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 10 und/oder der Oberfläche der Nabe 34 angeordnet sind. Das Axiallager 26 umfasst beispielsweise spiralförmige oder fischgrätförmige Lagerrillenstrukturen, die eine in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 16 gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid in das Innere des Lagerspaltes 16 in Richtung der Radiallager 20, 22 fördern.
• In axialer Richtung gegenüberliegend dem Rotormagneten 46 ist ein ferromagnetischer Zugring 48 vorgesehen, welcher der unteren Stirnseite des Rotormagneten 46 gegenüber liegt. Der ferromagnetische Zugring 48 wird vom Rotormagneten 46 magnetisch angezogen und erzeugt eine dem Axiallager 26 entgegengesetzt gerichtet axiale Kraft auf die Nabe 34. Dadurch wird das Lagersystem in axialer Richtung vorgespannt und stabilisiert. Zusätzlich oder alternativ ist ein magnetischer Versatz (Offset) zwischen der Statoranordnung 44 und dem Rotormagneten 46 vorgesehen, der erreicht wird durch einen axialen Versatz des Rotormagneten 26 relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 44. Auch hierdurch wird eine axiale Gegenkraft zum fluiddynamischen Axiallager generiert.
• Vorzugsweise ist in der Lagerbuchse 10 ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen, der das geschlossene Ende des Lagers, also den Bereich des Spaltes unterhalb des Stopperrings 14 mit dem offenen Ende des Lagers im Bereich des Axiallagers 26 miteinander verbindet. Dadurch kann das Lagerfluid im Lagerspalt 16 und dem Rezirkulationskanal 28 zirkulieren.
• Radial auswärts des Axiallagers 26 weitet sich der Lagerspalt 16 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand auf, der dann etwa rechtwinklig abknickt und in einen im wesentlichen axial verlaufenden und anteilig mit Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt 38 übergeht. Der Dichtungsspalt 38 ist als Kapillardichtung, insbesondere als konische Kapillardichtung ausgebildet und bildet ferner ein Reservoir und ein Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid. Der Dichtungsspalt 38 ist anteilig mit Lagerfluid 40 gefüllt und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 sowie eine gegenüberliegende innere Unfangsfläche eines Randes der Nabe 34. Die den Dichtungsspalt 38 begrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 10 und des Randes der Nabe 34 können parallel zur Rotationsachse 18 verlaufen, sie sind jedoch vorzugsweise beide im Verlauf vom Lager-Inneren zum Lager-Äußeren (d. h. in der 1 nach unten) leicht radial nach innen in Richtung zur Rotationsachse 18 geneigt. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser des Randes der Nabe 34 in Richtung zur Öffnung des Dichtungsspaltes 38 in geringerem Maße ab als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 10, so dass sich ein im Wesentlichen konischer Querschnitt des Dichtungsspaltes 38 ergibt.
• Der Dichtungsspalt 38 stellt die Schnittstelle zwischen dem Lagerfluid 40, welches sich im Dichtungsspalt befindet, und der Umgebung dar. Da die üblichen Lagerfluide eine relativ hohe Verdunstungsrate aufweisen, verdunstet das Lagerfluid während des Betriebes des Lagersystems über den Dichtungsspalt 38 in den Motorraum des Spindelmotors. Um diese Verluste an Lagerfluid durch Verdunstung aufzufangen, dient der Dichtungsspalt 38 gleichzeitig als Fluidreservoir und muss ein entsprechend großes Volumen aufweisen, um für die Lebensdauer des Lagersystems ausreichend Lagerfluid zur Verfügung stellen zu können.
• Erfindungsgemäß wird die Verdunstung des Lagerfluids 40 aus dem Dichtungsspalt 38 reduziert, indem die Öffnung des Dichtungsspaltes zur Umgebung mittels einer ionischen Flüssigkeit 42 verschlossen wird.
• Die ionische Flüssigkeit wird in Form eines Fluidrings vorzugsweise im Bereich der Öffnung des Dichtungsspaltes 38 eingebracht und wird dort durch Kapillarkräfte gehalten, da die ionische Flüssigkeiten eine große Oberflächenspannung aufweisen.
• Die ionische Flüssigkeit 42 verschließt den Dichtungsspalt nach außen und bildet eine Dampfsperre zur Umgebung und verhindert somit, dass verdampfendes Lagerfluid über den Dichtungsspalt 38 aus dem Lager austreten kann. Die mit der ionischen Flüssigkeit 42 in Berührung kommenden Flächen der Lagerbuchse 10 bzw. des Randes der Nabe 34 können vorzugsweise mit einem ionischen Material beschichtet sein, das eine den freien Enden der Molekülketten der ionischen Flüssigkeit entgegen gesetzte Polarität aufweist. Dadurch wird, als zusätzliche Maßnahme zur Kapillarkraft, die ionische Flüssigkeit durch elektrostatische Kräfte in dem vorgesehenen Bereich des Dichtungsspaltes 38 gehalten. Ferner ist es im Falle einer Nicht-Mischbarkeit von Lagerfluid 40 und ionischer Flüssigkeit 42 möglich, dass die ionische Flüssigkeit 42 direkt auf der Oberfläche des Lagerfluids 40 angeordnet ist und sich somit keine Luft zwischen dem Lagerfluid 40 und der ionischen Flüssigkeit 42 befindet.
• Die 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine drehende Lagerbuchse 110, die eine zentrale Bohrung aufweist und das drehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. In die Bohrung der Lagerbuchse 110 ist eine stehende Welle 112 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 110 und der Welle 112 verbleibt ein Lagerspalt 116, der mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 112 und der Lagebuchse 110 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 120, 122 aus, mittels derer die Lagerbuchse 110 um eine Drehachse 118 drehbar um die feststehende Welle 112 gelagert ist. Die Radiallager 120, 122 sind durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 112 und/oder der Lagerbuchse 110 aufgebracht sind. Die Lagerstrukturen der Radiallager 120, 122 üben bei Rotation der Lagerbuchse 110 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 116 zwischen Welle 112 und Lagerbuchse 110 befindliche Lagerfluid aus. Dadurch wird im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut, der die Radiallager 120, 122 tragfähig macht.
• Die Welle 112 ist an ihrer Unterseite in einem feststehenden Lagerbauteil 115 drehfest befestigt. Das feststehende Lagerbauteil 115 ist in einer Basisplatte 132 eingelassen, kann aber auch einteilig mit dieser ausgeführt werden. An der Oberseite der Welle 112 ist ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 114 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring 114 verhindert eine Übermäßige axiale Verschiebung der Lagerbuchse 110 auf der Welle 112. Das Lager ist an dieser Seite der Lagerbuchse 110 durch eine Abdeckung 130 verschlossen.
• In diesem Bereich ist die Lagerbuchse 110 mit einer Nabe 134 verbunden. Eine obere, ebene Fläche des feststehenden Lagerbauteils 115 bildet zusammen mit einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 110 ein fluiddynamisches Axiallager 126 aus. Die Stirnfläche der Lagerbuchse 110 oder die gegenüberliegende Fläche des feststehenden Lagerbauteils 115 ist mit einer Lagerrillenstruktur versehen, die bei Rotation der Lagerbuchse 110 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 116 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 126 tragfähig wird. Der Lagerspalt 116 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 112 und der beiden Radiallager 120, 122 erstreckt, und radiale Abschnitte, die sich entlang der Stirnseiten der Lagerbuchse 110 erstrecken. Die Nabe 134 weist an ihrem Außenumfang einen umlaufenden Rand auf. Wenn der Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt wird, ist auf diesem umlaufenden Rand mindestens eine Speicherplatte (nicht dargestellt) angeordnet.
• An den radial äußeren Enden der radialen Abschnitte des Lagerspalts 116 ist je ein Spalt mit größerem Spaltabstand angeordnet, welcher teilweise als Dichtungsspalt 136, 138 wirkt. Der obere Dichtungsspalt 138 erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 116 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Innenumfangs der Lagerbuchse 110 zwischen der Lagerbuchse 110 und dem Stopperring 114 erstreckt. Der untere Dichtungsspalt 136 erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 116 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 110 zwischen der Lagerbuchse 110 und dem feststehenden Lagerbauteil 115 erstreckt. Entlang des axialen Abschnitts des oberen Dichtungsspalts 138 können auf einer der einander gegenüberliegenden Flächen des Stopperrings 114 und der Lagerbuchse 110 Pumprillenstrukturen einer Pumpdichtung 124 ausgebildet sein, die während des Betriebes das Lagerfluid zusätzlich in den Lagerspalt 116 hinein pumpen und somit die Dichtwirkung erhöhen.
• In der Lagerbuchse 110 ist eine Öffnung bzw. ein Rezirkulationskanal 128 vorgesehen, der einen am äußeren Rand des Axiallagers 126 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 116 mit einem oberhalb des oberen Radiallagers 120 befindlichen Abschnitt des Dichtungsspalts 138 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
• Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Lagersystem einen Lagerspalt 116 mit zwei offenen Enden und jeweils einem Dichtungsspalt 136 und 138 zur Abdichtung der beiden Enden des Lagerspaltes 116. Über diese Dichtungsspalte 136, 138 kann verdampfendes Lagerfluid in den Motorraum austreten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, dass am Ende des unteren Dichtungsspaltes 136 ein Fluidring einer ionischen Flüssigkeit 142 angebracht wird, die als Dampfsperre wirkt und ein Verdampfen bzw. Austreten von verdampfendem Lagerfluid 140 aus dem unteren Dichtungsspalt 136 wirksam unterbindet.
• Im Bereich des oberen Dichtungsspaltes 138 wird ein Austreten von Lagerfluiddampf dadurch verhindert, dass eine Abdeckung 130 vorgesehen ist, welche den Dichtungsspalt 138 nach oben hin abdeckt.
• Da die Abdeckung 130 zusammen mit der Lagerbuchse 110 relativ zur feststehenden Welle 112 bzw. dem Stopperbauteil 114 rotiert, muss zwischen einem Innenumfang der Abdeckung 130 und einem Außenumfang der Welle 112 ein Spalt vorgesehen sein. Dieser Spalt ist erfindungsgemäß mit einer ionischen Flüssigkeit 142 abgedichtet, so dass auch hier kein Lagerfluiddampf aus dem Lager entweichen kann.
• 3 zeigt einen Ausschnitt eines fluiddynamischen Lagers mit konischen Lagerflächen. Ein solches konisches Lager 223 umfasst zwei zueinander symmetrische konische Lagerbereiche, von denen in 3 lediglich ein Lagerbereich im Querschnitt dargestellt ist. An einer feststehenden Welle 212 ist ein ringförmiger Lagerkonus 213 mit konischen Lagerflächen angeordnet, der durch einen Lagerspalt 216 von einer rotierenden Lagerbuchse 210 mit konischen Lagerflächen getrennt ist. Der Lagerspalt 216 ist mit Lagerfluid gefüllt und durch einen Dichtungsspalt 238 am Ende abgedichtet, welcher zwischen einem Außenumfang des Lagerkonus 213 und einem Innenumfang einer Abdeckung 230 gebildet ist.
• Die Abdeckung ist an der Lagerbuchse 210 befestigt und rotiert zusammen mit der Lagerbuchse um die feststehende Welle 212 bzw. den Lagerkonus 213. Über einen Rezirkulationskanal 228 zirkuliert das Lagerfluid durch den Lagerspalt 216. Zwischen der Abdeckung 230 bzw. einem Innenumfang der Abdeckung 230 und dem Außenumfang der Welle 212 verbleibt ein schmaler Dichtungsspalt, der erfindungsgemäß mit einem umlaufenden Ring aus einer ionischen Flüssigkeit 242 abgedichtet ist. Somit wird ein Austreten von Dämpfen des Lagerfluids aus dem Lager bzw. dem Dichtungsspalt 238 verhindert. Zum Einfüllen des Lagerfluids in den Lagerspalt bzw. Dichtungsspalt 238 kann die Abdeckung zusätzlich eine Bohrung umfassen, die ebenfalls nach dem Einfüllen des Lagerfluids mittels einer ionischen Flüssigkeit 242 abgedichtet werden kann.
• 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers, wobei nur ein Ausschnitt dieses Lagers dargestellt ist. Das Lager umfasst eine feststehende Lagerbuchse 310, in welcher eine Welle 312 drehbar gelagert ist.
• Zwischen der Lagerbuchse 310 und der Welle 312 verbleibt ein Lagerspalt 316, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Der Lagerspalt 316 endet in einem Dichtungsspalt 338, der anteilig mit Lagerfluid 340 gefüllt ist und als kapillarer Dichtungsspalt ausgebildet ist. Ein freies Ende der rotierenden Welle 312 trägt eine Nabe 334 und rotiert mit dieser um die Rotationsachse 318. Um ein Austreten von Lagerfluid aus dem Lagerspalt 316 bzw. dem Dichtungsspalt 338 zu verhindern, kann erfindungsgemäß eine Abdeckung 330 im oberen Bereich des Dichtungsspaltes 338 vorgesehen sein, wobei zwischen dem inneren Umfang der Abdeckung 330 und dem Außenumfang der Welle 312 ein kleiner Spalt verbleibt, der schmaler als der Dichtungsspalt 338 ist. Dieser Spalt zwischen der Abdeckung 330 und der Welle 312 ist erfindungsgemäß mit einer ionischen Flüssigkeit 342 abgedichtet. Die ionische Flüssigkeit wird durch Kapillarkräfte im Spalt zwischen der Abdeckung 330 und der Welle 312 gehalten.
• Bei allen gezeigten Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den 1 bis 4 können die mit der ionischen Flüssigkeit in Berührung kommenden Oberflächen der Lager mit einem ionischen Material beschichtet sein oder aus einem ionischem Material, beispielsweise Kunststoff, bestehen. Die Polarität des ionischen Materials ist entgegengesetzt zur Polarität des Kettenendes der ionischen Flüssigkeit. Dadurch wird die ionische Flüssigkeit zu den zwischen den Oberflächen wirkenden Kapillarkräften durch elektrostatische Kräfte im jeweiligen Dichtungsspalt gehalten.
• Bezugszeichenliste

10, 110, 210, 310

Lagerbuchse

12, 112, 212, 312

Welle

213

Lagerkonus

14, 114

Stopperring

115

feststehendes Lagerbauteil

16, 116, 216, 316

Lagerspalt

18, 118, 218, 318

Rotationsachse

20, 120, 320

Radiallager

22, 122

Radiallager

223

Konisches Lager

124

Pumpdichtung

26, 126

Axiallager

28, 128, 228

Rezirkulationskanal

30, 130, 230, 330

Abdeckung

32, 132,

Basisplatte

34, 134, 334

Nabe

136

Dichtungsspalt

38, 138, 238, 338

Dichtungsspalt

40, 140, 240, 340

Lagerfluid

42, 142, 242, 342

Ionische Flüssigkeit

44, 144,

Statoranordnung

46, 146

Rotormagnet

48, 148

Zugring

Claims (9)

1. Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wobei das Lagersystem mindestens zwei relativ zueinander drehbar gelagerte Lagerbauteile (10, 110, 210, 310, 12, 112, 212, 312) aufweist, die durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (16, 116, 216, 316) voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt durch mindestens einen Dichtungsspalt (136; 38, 138, 238, 338) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (136, 38, 138, 238, 338) zumindest teilweise mit einer ionischen Flüssigkeit gefüllt ist.
2. Fluiddynamisches Lagersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete ionische Flüssigkeit vorzugsweise nicht, und höchstens teilweise, mit dem Lagerfluid mischbar ist.
3. Fluiddynamisches Lagersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete ionische Flüssigkeit aus der Gruppe der auf Imidazolsalzen basierenden ionischen Flüssigkeiten ausgewählt ist.
4. Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit zwischen dem Lagerfluid und der Außenatmosphäre des Lagers angeordnet ist.
5. Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Dichtungsspalt (136, 38, 138, 238, 338) vorgesehene ionische Flüssigkeit zwischen Dichtungsflächen von zwei relativ zueinander beweglichen Lagerbauteilen angeordnet ist.
6. Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Dichtungsspalt (136, 38, 138, 238, 338) vorgesehene ionische Flüssigkeit zwischen Dichtungsflächen eines oder zwei relativ zueinander feststehenden Lagerbauteilen angeordnet ist.
7. Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsflächen des Dichtungsspalts (136, 38, 138, 238, 338) mit einem ionischen Material beschichtet sind oder aus einem ionischen Material bestehen, dessen Polarität entgegengesetzt der Polarität der Kettenenden der ionischen Flüssigkeit ist.
8. Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem umfassend mindestens zwei relativ zueinander drehbar angeordnete Lagerbauteile (10, 110, 210, 310, 12, 112, 212, 312), die durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (16, 116, 216, 316) voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt durch mindestens einen Dichtungsspalt (136, 38, 138, 238, 338) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (136, 38, 138, 238, 338) zumindest teilweise mit einer ionischen Flüssigkeit gefüllt ist.
9. Verwendung einer ionischen Flüssigkeit in einem Dichtungsspalt (136, 38, 138, 238, 338) zur Abdichtung eines fluiddynamischen Lagersystems.

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