DE102011108465A1

DE102011108465A1 - Fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors

Info

Publication number: DE102011108465A1
Application number: DE102011108465A
Authority: DE
Inventors: Martin Hafen
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2011-07-23
Filing date: 2011-07-23
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen, die einander gegenüberliegende Lagerflächen ausbilden und durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Ein Lagerbauteil umfasst eine Lagerbuchse mit einer axialen Lagerbohrung, die an einer Seite durch eine Abdeckplatte verschlossen ist. Das andere Lagerbauteil umfasst eine in der axialen Lagerbohrung gelagerte Welle und eine mit der Welle verbundene ringförmige Druckplatte. Ein offenes Ende des Lagerspaltes ist durch einen kapillaren Dichtungsspalt abgedichtet, wobei im Bereich der Lagerbuchse ferner ein Rezirkulationskanal angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der einen an den Außenumfang der Druckplatte angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts mit einem ringförmigen Spalt verbindet, welcher wiederum den Rezirkulationskanal mit dem Dichtungsspalt verbindet.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wie er bevorzugt zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt wird.
Stand der Technik
Ein Spindelmotor der eingangs genannten Art umfasst im Wesentlichen einen Stator, einen Rotor und mindestens ein zwischen diesen beiden Teilen angeordnetes fluiddynamisches Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des fluiddynamischen Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert.
Eine bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der DE 102 39 650 B3 offenbart. Die DE 102 39 650 B3 zeigt ein bei Festplattenmotoren häufig verwendetes Single-Plate-Design, d. h. es ist nur eine Druckplatte vorhanden, insbesondere für den gängigen Formfaktor 3,5 Zoll. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte, in die eine Lagerbuchse eingesetzt ist. Die Lagerbuchse weist eine axiale Lagerbohrung zur Aufnahme einer Welle auf. Die Welle rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse, wobei entsprechende Lageroberflächen von Welle und Lagerbuchse durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind und ein fluiddynamisches Radiallager ausbilden. In wenigstens einer Lageroberfläche ist eine Oberflächenstruktur eingearbeitet, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung zwischen Welle und Lagerbuchse lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausübt. Auf diese Weise entsteht eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid, die zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms innerhalb des Lagerspalts führt, der durch Zonen fluiddynamischen Druckes stabilisiert wird.
Die Welle trägt eine Nabe, auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der Rotoranordnung entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager verhindert. Die fluiddynamischen Axiallager werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt an einem 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 Abdeckplatte zugeordnet ist. Die Abdeckplatte bildet ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt die betreffende Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt eindringt oder das Lagerfluid ausläuft. Bei dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges Lagerfluid, beispielsweise ein Lageröl verwendet. Es ist ein elektromagnetisches Antriebssystem vorhanden, das aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung und einem an der Nabe angeordneten Rotormagnet besteht.
Alle Bauteile des Motors sind im wesentlichen unter der glockenförmigen Nabe angeordnet, insbesondere auch das fluiddynamische Lagersystem, das auf der Seite der Axiallager verschlossen ist, wobei die gegenüberliegende offene Seite durch einen kapillaren Dichtungsspalt abgedichtet ist.
In bekannter Weise kann ein solcher Spindelmotor auch eine mit der Basisplatte verbundene feststehende Welle aufweisen, die von einer rotierenden Lagerbuchse umgeben ist. Die Nabe ist in diesem Fall mit der Lagerbuchse verbunden. Die an der Welle angeordnete Druckplatte steht ebenfalls fest. Im Stand der Technik ist es hierbei bekannt, eine Rezirkulation des Lagerfluids über Kanäle zu ermöglichen, die zwischen dem Außenumfang der Welle und dem Innenumfang der Druckplatte vorgesehen sind. Die Kanäle sind dabei ihrerseits mit einem durch den Innendurchmesser der Lagerhülse und den Außendurchmesser der Welle gebildeten Lagerspalt verbunden, wie dies auch aus der DE 10 2004 040 295 A1 bekannt ist. Insbesondere bei bekannten Lagersystemen im Single-Plate-Design kann es vorkommen, dass vor allem bei hohen Lasten und ungünstiger Einbaulage, beispielsweise einem Über-Kopf-Einbau, sich im Lagerspalt eine ungünstige Druckverteilung ergibt. Dadurch ist die Druckplatte nicht mehr zentrisch in der zugehörigen Aussparung angeordnet, sondern verschiebt sich in Richtung der Lagerbuchse oder der Abdeckplatte und kann teilweise die Lagerbuchse oder aber die Abdeckplatte berühren. Dadurch entsteht unerwünschter Abrieb an den Lagerbauteilen, welcher die Lebensdauer des Lagers verringert. Ferner können Unterdruckzonen im Lager entstehen, die diesen Effekt noch verstärken.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein eingangs beschriebenes fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors hinsichtlich seiner Betriebssicherheit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das fluiddynamische Lagersystem umfasst zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die einander gegenüberliegende Lagerflächen ausbilden und durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Ein Lagerbauteil umfasst eine Lagerbuchse mit einer axialen Lagerbohrung, die an einer Seite durch eine Abdeckplatte verschlossen ist. Das andere Lagerbauteil umfasst eine in der axialen Lagerbohrung gelagerte Welle und eine mit der Welle verbundene ringförmige Druckplatte. Ein offenes Ende des Lagerspaltes ist durch einen kapillaren Dichtungsspalt abgedichtet, wobei im Bereich der Lagerbuchse ferner ein Rezirkulationskanal angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der einen an den Außenumfang der Druckplatte angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts mit einem ringförmigen Spalt verbindet, welcher wiederum den Rezirkulationskanal mit dem Dichtungsspalt verbindet. Der an den Außenumfang der Druckplatte angrenzende Abschnitt des Lagerspalts weist vorzugsweise eine Spaltbreite von etwa 75 μm auf, kann aber auch so aufgeweitet sein, dass sein Aussenumfang mit dem des Rezirkulationskanals übereinstimmt. Dabei kann der Lagerspalt bündig an den Rezirkulationskanal anschließen und zum Beispiel mittels Räumen ausgeformt werden. Der zur Rezirkulation des Lagerfluids ausgebildete und an die Welle angrenzende Kanal am Innenumfang der Druckplatte ist optional und kann in einer anderen Ausführung der Erfindung fehlen.
Durch den Rezirkulationskanal wird erreicht, dass das Innere des Lagers im Bereich der Druckplatte derselbe Druck herrscht, wie im Bereich des Dichtungsspaltes, nämlich Umgebungsdruck. Dadurch wird einerseits verhindert, dass im Lagerspalt im Bereich der Druckplatte durch ungünstige Betriebsverhältnisse ein Unterdruck entsteht, welcher die Betriebssicherheit des Lagers beeinträchtigen kann.
Andererseits wird erreicht, dass durch die Verbindung des unteren Lagerbereichs mit der Außenatmosphäre (Umgebungsdruck) im Bereich der Druckplatte ein Druckgleichgewicht hergestellt wird, welches die Druckplatte mittig in ihrer Aussparung hält, wodurch beide Axiallager ohne Beeinträchtigung arbeiten und Druck aufbauen können. Dadurch kann das Lager in jeder Einbaulage betriebssicher arbeiten.
Die Erfindung betrifft insbesondere sogenannte Single-Plate-Lagersysteme, bei welchen eine Druckplatte als Teil der Axiallager ausgebildet ist.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Lager eine rotierende Welle, d. h. die Lagerbuchse ist feststehend in einer Basisplatte angeordnet, während die Welle in der Lagerbuchse drehbar gelagert ist, wobei zwischen der Welle und der Lagerbuchse vorzugsweise zwei fluiddynamische Radiallager in axialem Abstand angeordnet sind.
An einem Ende der Welle ist eine Druckplatte angeordnet, wobei an mindestens einer Stirnseite der Druckplatte Lagerflächen vorgesehen, die zusammen mit Lagerflächen der Lagerbuchse oder Lagerflächen der Abdeckplatte mindestens ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden. Vorzugsweise sind beide Stirnseiten der Druckplatte als Lagerflächen ausgebildet und bileden zusammen mit Lagerflächen der Lagerbuchse und Lagerflächen der Abdeckplatte zwei sich gegenüberliegende fluiddynamisches Axiallager aus.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Welle feststehend ausgebildet und in einer Basisplatte befestigt, wobei zwischen einander zugeordneten Lagerflächen der feststehenden Welle und einer auf der Welle drehbar gelagerten Lagerbuchse mindestens ein fluiddynamisches Radiallager, vorzugsweise jedoch zwei fluiddynamische Radiallager, sind. An mindestens einer Stirnseite der Druckplatte sind Lagerflächen angeordnet, die zusammen mit Lagerflächen der Lagerbuchse oder Lagerflächen der Abdeckplatte ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden.
In beiden bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung erstreckt sich der Rezirkulationskanal im Wesentlichen in Längsrichtung der Lagerbuchse entweder parallel zur Rotationsachse oder leicht schräg zur Rotationsachse.
Ein Ende des axial verlaufenden Rezirkulationskanal mündet in den ringförmigen Spalt, welcher durch eine Stirnseite der Lagerbuchse und eine die Stirnseite der Lagerbuchse abdeckende ringförmige Abdeckung begrenzt ist. Der ringförmige Spalt verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Lagers und steht mit dem kapillaren Dichtungsspalt in Verbindung. Insbesondere mündet der ringförmige Spalt in den Übergangsbereich zwischen dem Lagerspalt und dem kapillaren Dichtungsspalt. Die Höhe des Ringspalts kann zusätzlich durch Nasen oder Ausformungen, die als Abstandshalter in der Abdeckkappe ausgeformt sind, gesichert werden. Die Abdeckkappe selbst kann auch aus Kunststoff gefertigt und etwa im Spritzgußverfahren hergestellt werden.
Der kapillare Dichtungsspalt wird durch eine äußere Umfangsfläche der Welle und eine innere Umfangsfläche einer Bohrung der ringförmigen Abdeckung begrenzt. Der kapillare Dichtungsspalt ist im Querschnitt vorzusweise konisch ausgebildet, was insbesondere dadurch erreicht wird, dass die innere Umfangsfläche der Abdeckung eine konische Bohrung, d. h. konisch verlaufende Flächen aufweist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Rezirkulationskanal in zwei Abschnitte unterteilt. Diese Ausgestaltung des Rezirkulationskanals kann sowohl bei Lagersystemen mit feststehender Welle als auch bei Lagersystemen mit rotierender Welle eingesetzt werden. Ein erster Abschnitt des Rezirkulationskanals verläuft innerhalb der Lagerbuchse in Längsrichtung ausgehend von einem am Außenaumfang der Druckplatte angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts. Ein zweiter Abschnitt des Rezirkulationskanals verläuft zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse und einer inneren Umfangsfläche einer topfförmigen, die Lagerbuchse teilweise umgebende Abdeckkappe. Ein Ende des zweite Abschnitts des Rezirkulationskanals mündet in den ringförmigen Spalt, der durch eine Stirnseite der Lagerbuchse und eine innere Stirnseite der Abdeckkappe begrenzt ist und den Rezirkulationskanal mit dem Dichtungsspalt verbindet.
Die Ausbildung eines in zwei Abschnitte unterteilten Rezirkulationskanals hat den Vorteil, dass zur Herstellung des Rezirkulationskanals nicht die gesamte Länge der Lagerbuchse durchbohrt werden muss, was technisch relativ aufwändig ist, sondern nur ein Bruchteil der Länge der Lagerbuchse durchbohrt werden muss, während der zweite Abschnitt des Rezirkulationskanals durch eine nutförmige Ausfräsung am Außenumfang der Lagerbuchse bzw. Innenumfang der Abdeckkappe gebildet wird. Alternativ kann der zweite Abschnitt des Rezirkulationskanals zum Beispiel auch durch Tiefziehen oder Räumen ausgeformt werden.
Natürlich muss die Abdeckkappe vollkommen dicht mit der Lagerbuchse abschließen, damit kein Lagerfluid aus dem Rezirkulationskanal austreten kann.
Der kapillare Dichtungsspalt wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle und eine innere Umfangsfläche der Bohrung in der Abdeckkappe, wobei diese innere Umfangsfläche konisch abgeschrägt ist, so dass auch der Querschnitt des Dichtungsspaltes konisch ist.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen einen Spindelmotor mit einem feststehenden Motorbauteil und einem mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehgelagerten Motorbauteil, wobei das fluiddynamische Lagersystem gemäß der oben beschriebenen Erfindung ausgebildet ist. Mit einem solchen Spindelmotor mit erfindungsgemäßen fluiddynamischem Lagersystem kann ein Festplattenlaufwerk angetrieben werden, welches eine oder mehrere Speicherplatten umfasst, die drehend angetrieben und durch entsprechende Lese- und Schreibeinrichtungen mit Daten beschrieben oder Daten gelesen werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Zeichnungsfiguren näher erläutert, wobei sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnugen
1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
2: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
3: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
4: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
5: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer fünften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der mittels eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert ist. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10 mit einer hülsenförmigen Öffnung, in welcher eine Lagerbuchse 12 befestigt ist. Die Lagerbuchse 12 weist eine axiale, zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 14 drehbar aufgenommen ist. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 14 ist ein Lagerspalt 18 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist. Einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 bilden zusammen zwei fluiddynamische Radiallager 24, 26, die durch entsprechende Radiallagerrillen 25, 27 gekennzeichnet sind. Die Radiallagerrillen 25, 27 sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 14 angeordnet. Sobald sich die Welle 14 in der Lagerbuchse 12 dreht, üben die Radiallagerrillen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 18 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 18 ausbildet, der die Radiallager 24, 26 tragfähig macht. Solange sich die Welle 14 in der Lagerbohrung dreht, wird diese durch den durch die Radiallagerrillen 25, 27 erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung getrennt durch den Lagerspalt 18. Die beiden Radiallager 24, 26 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem so genanntem Separatorspalt 28 axial voneinander getrennt.
An einem Ende der Welle 14 ist eine Druckplatte 20 angeordnet, die auf die Welle 14 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 14 ausgebildet ist. Gegenüberliegend der Druckplatte 20 ist die Lagerbuchse 12 durch eine Abdeckplatte 22 verschlossen. Sowohl die Druckplatte 20 als auch die Abdeckplatte 22 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse konzentrisch zur Lagerbohrung aufgenommen. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 20 bilden zusammen mit gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 12 bzw. der Abdeckplatte 22 zwei Axiallager 30, 32 aus. Die Axiallager sind durch Axiallagerrillen gekennzeichnet, die auf den Lagerflächen der Druckplatte 20 oder der Lagerbuchse beziehungsweise der Abdeckplatte 22 angeordnet sind. Sobald die Welle 14 in der Lagerbuchse 12 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen auf den Axiallagerflächen ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 20 auf, so dass die Axiallager Lager tragfähig werden und die Druckplatte im wesentlichen mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse posititioniert wird.
Das offene Ende des Lagerspaltes 18 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 36, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 36 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 14 und eine innere Umfangsfläche einer ringförmigen Abdeckung 34. Die Abdeckung 34 ist in einer Aussparung an der Stirnseite der Lagerbuchse 12 angeordnet und deckt die Lagerbuchse ab. Die innere Umfangsfäche der Abdeckung 24 ist abgeschrägt, so dass der Dichtungsspalt 36 einen im wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Die Abdeckung 34 liegt nur an ihrem äußeren Rand auf einer ringförmigen Stufe der Lagerbuchse 12 auf. Dadurch verbleibt zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 12 und der Unterseite der Abdeckung 34 ein Ringspalt 40, der an seinem inneren Durchmesser mit dem Dichtungsspalt 36 verbunden ist. Der äußere Durchmesser des Ringspaltes 40 ist mit einem Rezirkulationskanal 38 verbunden.
Der Rezirkulationskanal 38 verläuft im Wesentlichen in Längsrichtung der Lagerbuchse 12 als Bohrung innerhalb der Lagerbuchse 12. Ein oberes Ende des Rezirkulationskanals 38 ist mit dem äußeren Durchmesser des Ringspaltes 40 verbunden, während ein unteres Ende des Rezirkulationskanals 38 in den Lagerspalt im Bereich des äußeren Umfangs der Druckplatte 20 mündet.
Im Bereich des Dichtungsspaltes 36 herrscht Umgebungsdruck, da der Dichtungsspalt 36 direkt an die Umgebungsatmosphäre angrenzt, setzt sich der Umgebungsdruck auch durch den Ringspalt 40 und über den Rezirkulationskanal 38 bis in den Bereich des Lagerspaltes 18 im Bereich der Druckplatte 20 fort, so dass auch im Bereich um die Druckplatte 20 Umgebungsdruck herrscht. Dadurch wird die Gefahr einer Erzeugung von Unterdruck an diesem geschlossenen Ende des Lagersystems vermieden.
Die Lagerrillenstrukturen 25 des oberen Radiallagers 24 sind vorzugsweise asymmetrisch ausgestaltet, d. h. sie erzeugen keine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 26 gerichtet ist.
Das zweite Radiallager 26 umfasst Lagerrillenstrukturen 27, die beispielsweise symmetrisch angeordnet sind, so dass das zweite Radiallager 26 eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 18 erzeugt. Durch den Einfluss des oberen Radiallagers 24 ist eine Fließrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt 18 nach unten gegeben.
Die beiden Axiallager 30, 32 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die vorzugsweise spiralrillenförmig oder aber auch fischgrätenförmig ausgebildet sind. Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Lagerrillenstrukturen der Axiallager 30, 32 eine gleichmäßge Pumpwirkung in beide Richtungen der radialen Abschnitte der Lagerspalte erzeugen.
Der Rezirkulationskanal 38 dient nicht nur dem Druckausgleich im Lager, sondern ermöglicht es, dass das Lagerfluid, das im Lagerspalt 20 nach unten in Richtung der Axiallager 30, 32 fließt, über den Rezirkulationskanal 38 nach oben wieder zurück in den Bereich des ersten Radiallagers 24 gelangt, so dass ein geschlossener Fluidkreislauf entsteht.
Die Druckplatte 20 kann an ihrem inneren Durchmesser angrenzend an die Welle 14 einen Kanal 50 aufweisen, die beide Stirnseiten der Druckplatte miteinander verbindet. Es können auch mehrere Kanäle 50 vorgesehen sein, die über den Umfang der Druckplatte verteilt angeordnet sind. Diese Kanäle 50 ermöglichen ebenfalls einen Druckausgleich zwischen den beiden Stirnseiten der Druckplatte 20 sowie die Möglichkeit der Zirkulation des Lagerfluids.
Das freie Ende der Welle 14 ist mit einer Nabe 16 verbunden. Die Nabe 16 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerkes gedacht, werden auf der Nabe 16 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerkes angeordnet und befestigt. An einem inneren, unteren Rand der Nabe ist ein ringförmiger Rotormagnet 46 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet. Der Rotormagnet 46 liegt an einem Rückschlussring 44 an. Gegenüberliegend dem Rotormagnet ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 42 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagnet 46 getrennt ist. Die Statoranordnung 42 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend bestromt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor, bestehend aus der Nabe 16 und Welle 14, in Drehung versetzt wird.
Insbesondere die Radiallagerrillen 25, 27 der Radiallagerbereiche 24, 26 erzeugen bei Drehung der Welle eine Pumpwirkung, die das Lagerfluid antreibt und im Lagerspalt 18 einen fluiddynamischen Druck erzeugt. Zum Ausgleich des Druckes am Umfang der Welle und zur Vermeidung von Unterdruckzonen an den Enden der Radiallagerrillen 25, 27 sind diese an Ihren Enden durch jeweils eine umlaufende Verbindungsrille miteinander verbunden.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor einer anderen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems. Der Spindelmotor von 2 entspricht in seinem Aufbau und der Funktionsweise im Wesentlichen dem Spindelmotor von 1, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und entsprechend dieselben Aufgaben erfüllen, wie es im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist.
Im Unterschied zum Lagersystem von 1 ist in 2 die Lagerbuchse 112 unterschiedlich ausgebildet. Die Lagerbuchse 112 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und umfasst etwa auf halber Länge eine Stufe 112a, wobei sich der Durchmesser der Lagerbuchse 112 durch die Stufe 112a nach oben entsprechend verkleinert.
Dieser obere, im Durchmesser kleinere Bereich der Lagerbuchse 112 ist durch eine becherförmige Abdeckkappe 134 abgedeckt, wobei die Abdeckkappe 134 fest mit der Lagerbuchse 112 verbunden ist, beispielsweise durch Kleben, Schweißen oder mittels einer Pressverbindung.
Die Abdeckkappe 134 bildet zusammen mit der Welle 14 einen Dichtungsspalt 36, der durch eine innere Umfangsfläche einer Bohrung der Abdeckkappe 134 und eine äußere Umfangsfläche der Welle 14 begrenzt ist.
Ferner verbleibt zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 112 und der inneren Stirnfläche der Abdeckkappe 134 ein Ringspalt 140, der an seinem Innendurchmesser mit dem Dichtungsspalt 36 verbunden ist. Der äußere Durchmesser des Ringspaltes 140 ist über einen Rezirkulationskanal 138 mit dem Lagerspalt 18 im Bereich des äußeren Durchmessers der Druckplatte 20 verbunden.
Der Rezirkulationskanal 138 ist erfindungsgemäß in zwei Abschnitte unterteilt und umfasst einen ersten Abschnitt 138a, der als Bohrung in der Lagerbuchse 112 ausgebildet ist und vom Lagerspalt 18 am Außendurchmesser der Druckplatte 20 in axialer Richtung hinauf bis zur Stufe 112a verläuft.
Ein zweiter Abschnitt 138b des Rezirkulationskanals 138 ist zwischen dem Außenumfang der Lagerbuchse 112 und dem Innenumfang der Abdeckkappe 134 ausgebildet.
Dieser zweite Abschnitt ist beispielsweise als Längsnut am Außenumfang der Lagerbuchse 112 bzw. am Innenumfang der Abdeckkappe 134 vorgesehen und verbindet das Ende des ersten Abschnitts 138a des Rezirkulationskanals 138 mit dem Außendurchmesser des Ringspaltes 140.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung des Rezirkulationskanals ist, dass die Lagerbuchse 112 nicht in ihrer gesamten Länge durchbohrt werden muss, was technisch aufwendig ist, sondern lediglich über etwa die halbe Länge, nämlich von der Aussparung für die Druckplatte 20 bis hinauf zur Stufe 112a.
Der restliche Abschnitt 138b des Rezirkulationskanals 138 wird dann durch eine einfache Längsnut am Außendurchmesser der Lagerbuchse 112 bzw. Innendurchmesser der Abdeckkappe 134 gebildet, was herstellungstechnisch einfach zu realisieren ist.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für fluiddynamische Lager mit einem relativ großen Lagerabstand, d. h. einem grollen Abstand zwischen den beiden Radiallagern, wodurch die Länge der Lagerbuchse 112 und des Rezirkulationskanals 138 relativ groß sein müssen.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der das in 1 dargestelle Lagersystem im Wesentlichen auf den Kopf gestellt ist. Das Lagersystem von 3 ist identisch ausgebildet wie das Lagersystem von 1. Lediglich die Orientierung der Lagerkomponenten ist um 180 Grad gedreht.
Es gilt bei 3, dass gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen beziffert sind.
Das Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 12, in welcher die Welle 14 drehbar gelagert ist. An der Welle 12 ist die Druckplatte 20 befestigt, wobei das Lager auf der Seite der Druckplatte 20 durch eine Abdeckplatte 22 abgedeckt ist.
Im Bereich des Dichtungsspaltes 36 ist das Lager durch eine Abdeckung 34 verschlossen, wobei ein Rezirkulationskanal 38 den Dichtungsspalt 36 über einen Ringkanal 40 mit dem Lagerspalt 18 im Bereich des Außendurchmessers der Druckplatte 20 miteinander verbindet.
Das fluiddynamische Lagersystem ist eine für sich abgeschlossene Einheit, die im Vergleich zu 1 umgekehrt in den Spindelmotor eingebaut ist. Der Spindelmotor weist eine Basisplatte 210 aufweist, in welcher nun die Welle 14 als feststehendes Lagerbauteil befestigt ist.
Die Lagerbuchse 12 bildet bei diesem Spindelmotor das rotierende Lagerbauteil, an welchem die Nabe 216 des Spindelmotors angeordnet ist.
Die Nabe 216 wird zusammen mit der Lagerbuchse 12 von einem elektromagnetischen Antriebssystem, bestehend aus einer an der Basisplatte 10 befestigten Statoranordnung 42, und einem an der Nabe 216 angeordneten Rückschlussring 44 und Rotormagnet 46 angetrieben.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die konische Form der durch den Dichtungspalt 336 gebildeten Kapillardichtung, im Gegensatz zu dem Dichtungspalt 36 des in 1 gezeigten Lagers, nun durch eine Abschrägung an der Welle 314 und einen in axialer Richtung verlaufenden Rand der Abdeckplatte 334 gebildet ist. In allen weiteren Punkten ist das in 4 gezeigte Lagersystem identisch ausgebildet wie das Lagersystem von 1, weshalb die Darstellung auf den gezeigten Ausschnitt beschränkt ist. Es gilt bei 4, dass gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen beziffert sind. Es wird auf die Beschreibung von 1 verwiesen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in 5 gezeigt, wobei das Lagersystem von 5 bis auf den zusätzlichen Rezirkulationskanal 39 identisch ausgebildet ist wie das Lagersystem von 1. Der Rezirkulationskanal 39 ist durch eine Bohrung in der Welle 14 gegeben, welche den Seperatorspalt 28 mit einem Spalt zwischen der Unterseite der Welle 14 und der Abdeckplatte 22 verbindet. Dadurch ist ein weiterer Kreislauf für die Rezirkulation des Lagerfluids implementiert. Auch bei 5 gilt, dass gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen beziffert sind. Es wird auf die Beschreibung von 1 verwiesen.
Bezugszeichenliste

10, 210: Basisplatte
12, 112: Lagerbuchse
112a: Stufe
14, 314: Welle
16, 216: Nabe
18: Lagerspalt
20: Druckplatte
22: Abdeckplatte
24: Radiallager
25: Radiallagerrillen
26: Radiallager
27: Radiallagerrillen
28: Separatorspalt
30: Axiallager
32: Axiallager
34, 134, 334: Abdeckung, Abdeckkappe
36, 336: Dichtungsspalt
38, 138: Rezirkulationskanal
138a, 138b: Abschnitte des Rezirkulationskanals
39: Rezirkulationskanal (Welle)
40, 140: Ringspalt
42: Statoranordnung
44: Rückschlussring
46: Rotormagnet
48: Drehachse
50: Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10239650 B3 [0003, 0003]
DE 102004040295 A1 [0006]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit zwei relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen, die einander gegenüberliegende Lagerflächen ausbilden und durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (18) voneinander getrennt sind, wobei ein Lagerbauteil eine Lagerbuchse (12; 112) mit einer axialen Lagerbohrung aufweist, die an einer Seite durch eine Abdeckplatte (22) verschlossen ist, und das andere Lagerbauteil eine in der axialen Lagerbohrung der Lagerbuchse (12; 112) gelagerte Welle (14; 314) und eine mit der Welle verbundene ringförmige Druckplatte (20) umfasst, ein offenes Ende des Lagerspalts (18) durch einen kapillaren Dichtungsspalt (36; 336) abgedichtet ist, wobei im Bereich der Lagerbuchse (12; 112) ein Rezirkulationskanal (38; 138) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (38; 138) einen an den Außenumfang der Druckplatte (20) angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts (18) mit einem Ringspalt (40; 140) verbindet, der den Rezirkulationskanal (38; 138) mit dem Dichtungsspalt (36; 336) verbindet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (12; 112) feststehend in einer Basisplatte (10; 210) angeordnet ist, und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen der feststehenden Lagerbuchse und der in der Lagerbuchse drehbar gelagerten Welle (14) mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (24; 26) angeordnet ist, und an der Druckplatte (20) angeordnete Lagerflächen zusammen mit Lagerflächen der Lagerbuchse (12; 112) oder Lagerflächen der Abdeckplatte (22) mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (30; 32) ausbilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) feststehend in einer Basisplatte (210) angeordnet ist, und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen der feststehenden Welle (14) und der auf der Welle drehbar gelagerten Lagerbuchse (12; 112) mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (24; 26) angeordnet ist, und an der Druckplatte (20) angeordnete Lagerflächen zusammen mit Lagerflächen der Lagerbuchse (12; 112) oder Lagerflächen der Abdeckplatte (22) mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (30; 32) ausbilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rezirkulationskanal (38; 138) in Längsrichtung der Lagerbuchse (12; 112) erstreckt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (40) durch eine Stirnseite der Lagerbuchse (12; 112) und eine die Stirnseite der Lagerbuchse verdeckende ringförmige Abdeckung (34; 134) begrenzt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kapillare Dichtungsspalt (36) im Querschnitt konisch ausgebildet ist und ein offenes Ende des Lagerspalts (18) abschließt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kapillare Dichtungsspalt (36) durch eine äußere Umfangsfläche der Welle (14) und eine innere Umfangsfläche der ringförmigen Abdeckung (34; 134) begrenzt ist, wobei der konische Querschnitt des kapillaren Dichtungsspalts (36) durch eine abgeschrägte innere Umfangsfläche der ringförmigen Abdeckung (34; 134) gebildet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kapillare Dichtungsspalt (36) durch eine äußere Umfangsfläche der Welle (14) und eine innere Umfangsfläche der ringförmigen Abdeckung (34) begrenzt ist, wobei der konische Querschnitt des kapillaren Dichtungsspalts (36) durch eine abgeschrägte äußere Umfangsfläche der Welle (14) gebildet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (138) in zwei Abschnitte (138a, 138b) unterteilt ist, wobei ein erster Abschnitt (138a) ausgehend von dem am Außenumfang der Druckplatte (20) angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts (18) in Längsrichtung der Lagerbuchse (112) verläuft und in einen zweiten Abschnitt (138b) übergeht, der durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse (112) und eine die Lagerbuchse zumindet teilweise umgebende Abdeckkappe (134) begrenzt ist, wobei der zweite Abschnitt (138b) des Rezirkulationskanal (138) in den Ringspalt (140) mündet, der durch eine Stirnseite der Lagerbuchse (112) und eine innere Stirnseite der Abdeckkappe (134) begrenzt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) einen Rezirkulationskanal (39) aufweist, welcher den Seperatorspalt (28) mit einem Spalt zwischen der Unterseite der Welle (14) und der Abdeckplatte (22) verbindet.
Spindelmotor mit einem feststehenden Motorbauteil und einem mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehgelagerten Motorbauteil, das von einem elektromagnetischen Antriebssystem (42; 44; 46) drehend angetrieben wird, wobei das fluiddynamische Lagersystem zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile aufweist, die einander gegenüberliegende Lagerflächen ausbilden und durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (18) voneinander getrennt sind, wobei ein Lagerbauteil eine Lagerbuchse (12; 112) mit einer axialen Bohrung aufweist, die an einer Seite durch eine Abdeckplatte (22) verschlossen ist, und das andere Lagerbauteil eine in der axialen Lagerbohrung der Lagerbuchse gelagerte Welle (14) und eine mit der Welle verbundene ringförmige Druckplatte (20) umfasst, wobei zwischen der Welle und der Lagerbuchse mindestens ein kapillarer Dichtungsspalt (36) zur Abdichtung des Lagerspalts (18) vorgesehen ist, und im Bereich der Lagerbuchse (12; 112) ein Rezirkulationskanal (38; 138) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (38; 138) einen an den Außenumfang der Druckplatte (20) angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts (18) mit einem Ringspalt (40; 140) verbindet, der den Rezirkulationskanal (38; 138) mit dem Dichtungsspalt (36) verbindet.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 11.