-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, insbesondere einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes.
-
Stand der Technik
-
Festplattenlaufwerke, die von Spindelmotoren angetrieben werden, werden beispielsweise in Computern zur Massendatenspeicherung verwendet.
-
Die Festplattenlaufwerke umfassen ein geschlossenes Gehäuse, in welchem ein oder mehrere Speicherplatten durch den Spindelmotor drehend angetrieben werden. Die Datenspeicherung auf den Speicherplatten erfolgt durch einen oder mehrere Schreib-Leseköpfe, welche die Daten in konzentrischen Spuren auf die Speicherplatte schreiben bzw. die Daten von diesen Spuren lesen. Bei einem typischen Festplattenlaufwerk sind die Speicherplatten direkt auf der Nabe des Spindelmotors befestigt. Die Nabe ist mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehbar gegenüber einem feststehenden Motorbauteil des Spindelmotors gelagert.
-
Zum Drehantrieb der Nabe umfasst der Spindelmotor ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einem an der Nabe befestigten Permanentmagneten und einer am feststehenden Motorbauteil befestigten Statoranordnung mit Statorwicklungen besteht. Das Rotorbauteil des Spindelmotors umfasst die Welle des Spindelmotors, die daran befestigte Nabe, den Rotormagneten, einen Rückschlussring sowie alle anderen sich drehenden Teile des Spindelmotors.
-
Bei einem Festplattenlaufwerk wird als sogenannte Rotoreinheit die Gesamtheit aller sich drehenden Teile bezeichnet. Die Rotoreinheit umfasst also die Nabe und die Welle des Spindelmotors, den Rotormagneten und den Rückschlussring, die auf der Nabe montierte Speicherplatte bzw. die mehreren Speicherplatten sowie die zur Montage der Speicherplatten notwendigen Befestigungsmittel. Die Rotoreinheit umfasst also zusätzlich zum Rotorbauteil auch die Speicherplatten sowie die Befestigungsmittel zum Fixieren der Speicherplatten. Diese Rotoreinheit hat im Wesentlichen drei Vibrationsmodi: Vibrationen der Nabe und der darauf befestigten Speicherplatte in radialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse, Vibrationen der Nabe und der Speicherplatte in axialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse und eine sogenannte „Second Rocking Mode”, also eine taumelnde Vibration der Nabe und der Speicherplatte relativ zur Rotationsachse.
-
Diese Vibrationen werden angeregt durch Schwingungen, die im Betrieb des Spindelmotors bzw. Festplattenlaufwerkes auftreten, wobei hier insbesondere die Resonanzfrequenzen des Festplattenlaufwerkes bzw. der Rotoreinheit und deren harmonischen Frequenzen von Bedeutung sind.
-
Diese „Second Rocking Mode” entsteht durch Resonanzen der schwingenden Speicherplatte, die eine Verformung zur Folge hat, welche wiederum die Funktion des Schreib-Lesekopfes erheblich beeinträchtigt. Ist die Amplitude dieser Verformung der Speischerplatte zu groß, kann es zu einer Berührung zwischen dem Schreib-Lesekopf und der Speicherplatte kommen, wobei der Schreib-Lesekopf zerstört wird.
-
Die Frequenz dieser „Second Rocking Mode” und deren harmonische Frequenzen hängen insbesondere von der Konstruktion der Rotoreinheit, deren Masse und deren Trägheitsmoment ab.
-
Die „Second Rocking Mode” wird angeregt durch das elektromagnetische Antriebssystems in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotoreinheit.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor zum Antrieb von Festplattenlaufwerken anzugeben, der weniger anfällig gegen unerwünschte Resonanzen ist, insbesondere sollen die Frequenzen der „Second Rocking Mode” reduziert oder verschoben werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Der Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein drehbares Motorbauteil, das mittels eines fluiddynamischen Lagersystems gegenüber dem feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist.
-
Erfindungsgemäß umfasst das drehbare Motorbauteil eine Nabe, die zur Massenreduktion im Bereich ihres Außendurchmessers mit Aussparungen oder Nuten versehen ist, um die Eigenfrequenz der Nabe und deren harmonische Frequenzen zu verändern.
-
Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Nabe zugleich das Massenträgheitsmoment der Nabe reduziert, wobei die Frequenz der „Second Rocking Mode” um einen gewissen Betrag erhöht wird, erfindungsgemäß um etwa 100 Hz.
-
Ein weiterer Vorteil der verringerten Masse der Nabe und des dadurch verringerten Massenträgheitsmomentes ist, dass der Spindelmotor weniger Strom verbraucht, da im Start- und Stoppbetrieb des Motors weniger Energie für die Beschleunigung der Nabe und für die Aufrechterhaltung der Nenndrehzahl benötigt wird.
-
Ferner beschleunigt der Motor durch das Verringern des Massenträgheitsmomentes der Nabe auch schneller auf seine Nenndrehzahl.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Nabe an ihrer äußeren Umfangsfläche mit entsprechenden Aussparungen oder einer umlaufenden Nut zur Massenreduktion versehen.
-
In dieser Ausgestaltung erfolgt die Reduktion der Masse der Nabe auf deren größtmöglichem Radius, so dass ein größtmöglicher Effekt auf das Massenträgheitsmoment der Nabe erzielt wird.
-
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Nabe an einer Stirnfläche oder beiden Stirnflächen mit Aussparungen oder einer umlaufenden Nut versehen sein.
-
Hierbei erfolgt die Massenreduktion der Nabe nicht unmittelbar am maximalen Außenradius, sondern auf einem etwas geringeren Radius, wobei die Abnahme des Massenträgheitsmomentes etwas geringer ausfällt.
-
Die vorgesehene Massenreduktion der Nabe bedingt eine Massenreduktion des Rotorbauteils von vorzugsweise mindestens 15% der ursprünglichen Masse des Rotorbauteils, wobei sich dabei eine Reduktion des Massenträgheitsmomentes des Rotorbauteils im Vergleich zum Massenträgheitsmoment des ursprünglichen Rotorbauteils von mindestens 25% ergibt.
-
Die Erfindung betrifft gleichermaßen ein Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor und mit einer Nabe von reduzierter Masse. Das Festplattenlaufwerk umfasst mindestens eine Speicherplatte, wobei der Spindelmotor ein feststehendes Motorbauteil und ein drehbares Motorbauteil umfassend die Nabe aufweist. Das drehbare Motorbauteil ist mittels eines fluiddynamischen Lagersystems gegenüber dem feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert. Die Speicherplatte ist auf der Nabe montiert und bildet mit der Nabe und der Welle des Spindelmotors eine Rotoreinheit des Festplattenlaufwerkes. Eine Schreib-Leseeinrichtung dient zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte.
-
Die Nabe ist zur Massenreduktion im Bereich ihres Außendurchmessers mit Aussparungen oder einer umlaufenden Nut versehen, um die Eigenfrequenz der Rotoreinheit und deren harmonische Frequenzen zu verändern.
-
Die Nabe kann an ihrer äußeren Umfangsfläche mit entsprechenden Aussparungen oder einer umlaufenden Nut zur Massenreduktion versehen sein, oder im Bereich einer Stirnfläche in der Nähe des größten Außenradius.
-
Erfindungsgemäß beträgt die Massenreduktion der Rotoreinheit des Festplattenlaufwerks erfindungsgemäß mindestens 4% der ursprünglichen Masse der Rotoreinheit.
-
Die Reduktion des Massenträgheitsmoments der Rotoreinheit des Festplattenlaufwerks gegenüber dem Massenträgheitsmoment der ursprünglichen Rotoreinheit beträgt erfindungsgemäß mindestens 1,25% beträgt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Spindelmotors eines Festplattenlaufwerks mit einer Nabe mit reduzierter Masse.
-
2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Spindelmotors eines Festplattenlaufwerks mit einer Nabe mit reduzierter Masse.
-
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 zylindrischen 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.
-
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.
-
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 hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 20 auf, so dass die Axiallager tragfähig werden und die Druckplatte im wesentlichen axial mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse positioniert wird.
-
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 gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen der radialen Abschnitte der Lagerspalte erzeugen.
-
Das offene Ende des Lagerspaltes 18 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 34, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 34 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 14 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 ist vorzugsweise abgeschrägt, so dass der Dichtungsspalt 34 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsspalt 34 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 18 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
-
Das freie Ende der Welle 14 ist mit einer Nabe 16 verbunden. Die Nabe 16 Ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet und im vorliegenden Beispiel aus Aluminium gefertigt. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerkes gedacht, werden auf der Nabe 16 eine oder mehrere Speicherplatten 50 des Festplattenlaufwerkes angeordnet und befestigt. Die Befestigung der Speicherplatte 50 erfolgt beispielsweise mittels einer Klammer 46, die durch Schrauben 48 befestigt ist und die Speicherplatte auf die Nabe 16 presst. Die Speicherplatten 50 sind im Beispiel ebenfalls aus Aluminium hergestellt.
-
An einem inneren, unteren Rand der Nabe 16 ist ein ringförmiger Rotormagnet 40 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet. Der Rotormagnet 40 liegt an einem Rückschlussring 38 an. Gegenüberliegend dem Rotormagnet 40 ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 36 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagnet 40 getrennt ist. Die Statoranordnung 36 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor, bestehend aus der Nabe 16 und Welle 14, in Drehung versetzt wird.
-
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Masse der Rotoreinheit, insbesondere der Nabe 16, zu reduzieren. Die Rotoreinheit besteht aus dem Rotorbauteil, das die rotierende Welle 14, die mit der Welle verbundene Nabe 16, den Rotormagneten 40 und den Rückschlussring 38 umfasst, sowie aus mindestens einer an der Nabe 16 befestigten Speicherplatte 50 mit Befestigungsmitteln 46, 48. Erfindungsgemäß wird die Masse dieser gesamten Rotoreinheit dadurch reduziert, indem am Außenumfang der Nabe 16 eine umlaufende Nut 44 vorgesehen ist. Diese umlaufende Nut 44 ist vorzugsweise in radialer Richtung außerhalb der Statoranordnung 36 und in axialer Richtung zwischen der Auflagefläche der Speicherplatten und dem Rotormagneten 40 beziehungsweise zwischen der Auflagefläche der Speicherplatten und dem Rückschlussring 38 angeordnet.
-
Durch die Nut wird am Außenumfang der Nabe 16 Material entfernt und damit die Masse der Nabe 16 und somit deren gesamten Rotoreinheit um vorzugsweise mindestens 4% reduziert. Das bedeutet, die Masse des Rotorbauteils allein wird erfindungsgemäß um mindestens 15% reduziert.
-
Bei einem 3,5 Zoll Spindelmotor betrug die Masse der Rotoreinheit bisher etwa 56 g und das Massenträgheitsmoment etwa 414 g cm2.
-
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Masse der Nabe 16 reduziert, so dass sich die Masse der Rotoreinheit auf von bisher 56 g auf 53 g, vorzugsweise jedoch 52,5 g, reduziert und das Massenträgheitsmoment von bisher 414 g cm2 auf 407 g cm2 bzw. 405 g cm2 abnimmt.
-
Der Durchmesser der Welle beträgt 3,5 mm bis 4 mm und der Durchmesser der Nabe 30 mm bis 36 mm.
-
Bei einer gegebenen Drehzahl von 7200 U/min trat die „Second Rocking Mode” bisher bei einem Frequenzbereich von etwa 3000 Hz auf. Durch die Massenreduktion der Nabe 16 und die Verringerung des Massenträgheitsmomentes der Rotoranordnung kann die Frequenz der „Second Rocking Mode” auf etwa 3100 Hz nach oben verschoben werden.
-
Die Verschiebung der Frequenz der „Second Rocking Mode” um 100 Hz nach oben reduziert die Auswirkungen auf die Schreib-Leseeinheit des Festplattenlaufwerks.
-
Insbesondere wird das Servo-System zum Antrieb der Schreib-Leseeinheit durch die nun höhere Frequenz der „Second Rocking Mode” wesentlich weniger gestört.
-
2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der hier dargestellte Spindelmotor in seiner Ausgestaltung im Wesentlichen dem Spindelmotor von 1 entspricht, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen beziffert sind.
-
Im Unterschied zu 1 ist die Nabe 116 anders ausgebildet, sie kann jedoch weiterhin aus Aluminium hergestellt sein. Die Nabe 116 weist eine Aussparung bzw. umlaufende Nut 144 zur Massenreduktion auf, die auf der unteren Stirnfläche nahe des äußeren Randes der Nabe 116 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Nut 144 in radialer Richtung außerhalb der Bohrung 49 für die Klammer 46 zum Fixieren der Speicherplatten 50 und innerhalb des Rückschlussrings 38 angeordnet. Da die Nut 144 sich auf einem kleineren Radius befindet, als vergleichsweise die Nut 44 in 1, ist die Reduktion des Massenträgheitsmomentes der Rotoranordnung evtl. etwas kleiner als bei 1 bei gleichem Volumen der Nuten 44 bzw. 144.
-
Während in 1 die umlaufende Nut 44 in Form eine Rechtecks mit leicht abgerundeten Ecken dargestellt ist, zeigt 2 eine umlaufende Nut 144 in Form eines Trapez, wobei der radial außen liegende Schenkel länger ist als der radial innen liegende. Beide Darstellungen zeigen exemplarisch ausgewählte, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die keinesfalls auf diese Varianten beschränkt ist.
-
Vielmehr kann die Aussparung bzw. Nut 44, 144 in beiden Fällen nahezu beliebig ausgestaltet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Basisplatte
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16, 116
- Nabe
- 18
- Lagerspalt
- 20
- Druckplatte
- 22
- Abdeckplatte
- 24
- Radiallager
- 25
- Radiallagerrillen
- 26
- Radiallager
- 27
- Radiallagerrillen
- 28
- Separatorspalt
- 30
- Axiallager
- 32
- Axiallager
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rückschlussring
- 40
- Rotormagnet
- 42
- Drehachse
- 44, 144
- Nut
- 46
- Klammer
- 48
- Schraube
- 49
- Bohrung
- 50
- Speicherplatte
