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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem Ein solcher Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder ähnlichem verwendet werden.
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Stand der Technik
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Ein Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein bewegliches Motorbauteil, das mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist. Das feststehende Motorbauteil weist in der Regel eine Basisplatte mit einer Öffnung auf, in welcher eine Lagerbuchse befestigt ist. In einer Lagerbohrung der Lagerbuchse ist eine Welle drehbar gelagert, die zusammen mit einem Rotorbauteil das bewegliche Motorbauteil bildet. Der Durchmesser der Lagerbohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt verbleibt. In bekannter Weise sind bei einem fluiddynamischen Lagersystem den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerrillenstrukturen vorgesehen. Die Lagerrillenstrukturen sind in Form von Vertiefungen oder Erhebungen Oblicherweise auf einzelne oder beide der einander gegenüber liegenden Lagerflächen aufgebracht. Die Lagerrillenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile zueinander innerhalb des Lagerspalts aufgrund der auf das Lagerfluid ausgeübten Pumpwirkung einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei einer bekannten Bauart eines Spindelmotors ist ein freies Ende der Welle mit dem Rotorbauteil verbunden, dessen untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Dabei sind die einander zugewandten Oberflächen des Rotorbauteils und/oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerrillenstrukturen versehen.
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Der Spindelmotor umfasst ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte angeordneten Statoranordnung sowie einem am Rotorbauteil angeordneten Rotormagneten besteht. Durch entsprechende Bestromung der einzelnen Phasenwicklungen der Statoranordnung ergibt sich ein elektromagnetisches Feld, welches das Rotorbauteil in Drehung versetzt.
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Bei der Montage des Spindelmotors wird die Lagerbuchse in einer Öffnung der Basisplatte befestigt. Es wird hierbei eine Spielpassung verwendet, d. h. der Durchmesser der Öffnung in der Basisplatte ist größer bzw. gleich groß wie der größte Durchmesser der Lagerbuchse.
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Die Befestigung der Lagerbuchse in der Öffnung der Basisplatte erfolgt durch eine Klebeverbindung. Die Lagerbuchse muss sehr genau relativ zur Basisplatte ausgerichtet und positioniert werden, wobei bei der Montage die Lagerbuchse fixiert werden muss, bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Dies erhöht den Aufwand und die Prozesszeit bei der Montage.
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Insbesondere wird die Montage zwischen Lagerbuchse und Basisplatte ausgeführt, nachdem das elektromagnetische Antriebssystem bereits montiert wurde. Wird die Montage nicht sorgfältig ausgeführt, so ist die Lagerbuchse nicht konzentrisch mit der Öffnung der Basisplatte. Durch die elektromagnetischen Kräfte des Antriebssystems kann es zu einer Verschiebung der Lagerbuchse in der Öffnung der Basisplatte kommen, wenn der Klebstoff noch nicht ausgehärtet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem hinsichtlich der Montage der Bauteile des feststehenden Lagerbauteils zu verbessern. insbesondere soll eine einfachere und genauere Montage erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein bewegliches Motorbauteil, das mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert und von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben ist. Das feststehende Motorbauteil weist eine Basisplatte mit einer Öffnung auf, in welcher eine Lagerbuchse befestigt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Lagerbuchse mittels Presspassung mit der Basisplatte verbunden und mittels Klebstoff in der Öffnung der Basisplatte fixiert. Die Verbindung mittels Presspassung hat den Vorteil, dass die Konzentrizität zwischen der Lagerbuchse und der Basisplatte bereits durch die Presspassung gegeben ist und sich während der weiteren Montage nicht mehr ändern kann.
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Die Lagerbuchse muss daher während der Montage nicht mehr separat durch ein entsprechendes Werkzeug fixiert werden, da die radiale Position durch die Presspassung vorgegeben ist. Durch die zusätzliche Klebeverbindung wird die Lagerbuchse in der Öffnung der Basisplatte fixiert.
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Vorzugsweise wird zwischen der Lagerbuchse und der Öffnung der Basisplatte eine leichte Presspassung mit einem Übermaß von ein bis acht Mikrometern vorgesehen. Die Lagerbuchse hat bei einem typischen Spindelmotor von erfindungsgemäßer Bauart einen Durchmesser von 7 bis 10 Millimetern, was entsprechend auch für die Öffnung in der Basisplatte gilt.
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Die Verbindungslänge der Presspassung zwischen der Basisplatte und der Lagerbuchse beträgt erfindungsgemäß insgesamt 50 bis 120 Mikrometer. Dabei kann die Verbindungslänge in mehrere separate Abschnitte unterteilt sein.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Verbindung einer Lagerbuchse mit einer Basisplatte bei der Montage eines Spindelmotors, wobei in einem ersten Schritt ein Klebstoff auf die Basisplatte und/oder die Lagerbuchse aufgebracht wird und die Lagerbuchse und die Basisplatte mittels Presspassung miteinander verbunden werden.
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In einem weiteren Schritt wird nun die Position und Ausrichtung der Lagerbuchse relativ zur Basisplatte vermessen.
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Entspricht die axiale Position und Ausrichtung nicht den Vorgaben, so wird die axiale Position und Ausrichtung, insbesondere die Parallelität zwischen der Mittellängsachse der Bohrung und der Mittellängsachse der Lagerbuchse, durch Krafteinwirkung auf die Lagerbuchse korrigiert.
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In einem weiteren Schritt kann dann der Klebstoff aushärten, beispielsweise durch Wärmezufuhr oder Bestrahlung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Basisplatte des Spindelmotors mit einem nicht maßstäblichen Profil der Öffnung.
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3A zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Basisplatte
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3B zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Basisplatte
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3C zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Basisplatte
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3D zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Basisplatte
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3E zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Basisplatte
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3F zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Basisplatte
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil, das im Wesentlichen durch eine Basisplatte 36 und eine Lagerbuchse 10 gebildet ist. Die zylindrisch ausgebildete Lagerbuchse 10 ist in einer entsprechenden Öffnung 36a (2) der Basisplatte 36 angeordnet und befestigt.
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Die Lagerbuchse 10 weist eine Lagerbohrung auf, in welche eine Welle 12 eingesetzt ist, deren Durchmesser geringfügig, d. h. nur um einige Mikrometer, kleiner ist, als der Durchmesser der Lagerbohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 verbleibt ein Lagerspalt 14 von wenigen Mikrometern Breite. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und der Lagebuchse 10 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 aus, mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar in der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager 18, 22 sind durch Lagerrillenstrukturen 20, 24 gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 aufgebracht sind. Der Lagerspalt 14 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerrillenstrukturen 20, 24 üben bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid aus, so dass im Lagerspalt 14 ein hydrodynamischer Druck entsteht, der die Radiallager 18, 22 tragfähig macht. Das obere Radiallager 18 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 20, die das Lagerfluid überwiegend in Richtung des unteren Radiallagers pumpen. Das untere Radiallager 22 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 24, die eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 14 erzeugen.
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Ein freies Ende der Welle 12 ist mit einem Rotorbauteil 26 verbunden, welches einen topfförmigen Querschnitt aufweist und die Lagerbuchse 10 teilweise umgibt. Das Rotorbauteil 26 bildet zusammen mit der Welle 12 das bewegliche Motorbauteil des Spindelmotors.
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Eine untere, ebene Fläche des Rotorbauteils 26 bildet zusammen mit einer angrenzenden Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 28 aus. Hierzu ist die Stirnfläche der Lagerbuchse 10 und/oder die gegenüberliegende Fläche des topfförmigen Rotorbauteils 26 mit vorzugsweise spiralförmigen Lagerrillenstrukturen 30 versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine radial nach innen in Richtung des Radiallagers 18 gerichtete Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen dem Rotorbauteil 26 und der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 28 tragfähig wird.
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In der Lagerbuchse 10 kann ein Rezirkulationskanal 32 vorgesehen sein, der einen am radial äußeren Rand des Axiallagers 28 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 22 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
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Der Spindelmotor umfasst ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte 10 angeordneten Statoranordnung 38 sowie einem am Rotorbauteil 26 angeordneten Rotormagneten 40 besteht. Die Statoranordnung besteht aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen. Die Lagerbuchse 10 ist von einer Statoranordnung 38 umgeben, die an der Basisplatte 36 angeordnet ist. Der Rotormagnet 40 umgibt die Statoranordnung 38 in radialer Richtung unter Bildung eines Luftspalts. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Unterhalb des Rotormagneten 40 kann ein ferromagnetischer Metallring 42 angeordnet sein, der den Rotormagneten 40 anzieht, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 36 hin gerichtete Kraft ergibt. Diese Kraft wirkt der Lagerkraft des Axiallagers 28 entgegen und dient der axialen Vorspannung des Lagersystems.
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Der Lagerspalt 14 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 10 und der beiden Radiallager 18, 22 erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 28 erstreckt. Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 14 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher teilweise als Dichtungsspalt 44 wirkt und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 14 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse 10 und einem zylindrischen Abschnitt des topfförmigen Rotorbauteils 26 erstreckt und den Dichtungsspalt 44 bildet. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 10 sowie die innere Mantelfläche des topfförmigen Rotorbauteils 26 sind weitgehend zylindrisch, jedoch vorzugsweise leicht konisch geneigt und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 44. Dadurch, dass die obere Öffnung des Rezirkulationskanals 32 sehr nahe an der Übergangszone zwischen Lagerfluid und Atmosphäre angeordnet ist, können im Lagerfluid gelöste Luftblasen relativ leicht in die Atmosphäre entweichen.
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An der in der Basisplatte befestigten Seite verbreitert sich die Lagerbohrung zu einer Aussparung, deren Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Die Lagerbuchse 10 ist an dieser Seite durch eine Abdeckplatte 34 verschlossen. Innerhalb der Aussparung der Lagerbuchse 10 ist ein Stopperbauteil in Form eines Stopperrings 46 angeordnet. Die Aussparung, in welcher der Stopperring 46 angeordnet ist, ist mit dem Lagerspalt sowie dem Rezirkulationskanal 32 verbunden und vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Bei einer übermäßigen axialen Bewegung der Welle 12 stößt der Stopperring 46 an einer Stufe an, die durch den Übergang zwischen der Lagerbohrung und der Aussparung gebildet wird. Der Stopperring 46 verhindert dadurch ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Basisplatte des Spindelmotors von 1 und insbesondere die Öffnung 36a in der Basisplatte, in welche die Lagerbuchse 10 eingesetzt wird, wobei das Profil der Öffnung nicht maßstäblich dargestellt ist.
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Die Innenwandung der Öffnung 36a ist profiliert und weist mindestens einen Abschnitt auf, der in Bezug auf den Außendurchmesser der Lagerbuchse 10 ein Untermaß aufweist, so dass beim Einsetzen der Lagerbuchse 10 in die Öffnung 36a eine Presspassung zwischen der Basisplatte 36 und der Lagerbuchse 10 gegeben ist.
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Vorzugsweise wird zwischen der Lagerbuchse und der Öffnung der Basisplatte eine leichte Presspassung mit einem Übermaß von ein bis acht Mikrometern vorgesehen. Die Lagerbuchse hat bei einem typischen Spindelmotor von erfindungsgemäßer Bauart einen Durchmesser von 7 bis 10 Millimetern, was entsprechend auch für die Öffnung in der Basisplatte gilt.
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Die Verbindungslänge der Presspassung zwischen der Basisplatte und der Lagerbuchse beträgt erfindungsgemäß insgesamt 50 bis 120 Mikrometer. Dabei kann die Verbindungslänge in mehrere separate Abschnitte unterteilt sein. Die Tiefe der Abschnitte, an denen Klebstoff angebracht wird, beträgt in Bezug auf die Oberfläche des kleinsten Innendurchmessers der Öffnung der Basisplatte zwischen 5 und 20 Mikrometer.
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Die 3A bis 3F zeigen schematisch und nicht maßstäblich eine Teilansicht der Basisplatte 36, die in 2 mit X bezeichnet ist, und insbesondere verschiedene Profilierungen der Bohrung 36a der Basisplatte. Dabei ist die Fügerichtung der Lagerbuchse 10 in die Basisplatte durch einen Pfeil angedeutet. Die Stellen, an denen vorzugsweise Klebstoff angebracht wird, sind durch eine strichpunktierte Linie und das Bezugszeichen A angedeutet. Während des Fügevorgangs wird der Klebstoff durch die Lagerbuchse 10 in Fügerichtung verteilt.
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3A zeigt einen Ausschnitt einer Basisplatte 36, bei dem die Wandung der Öffnung 36a zwei abgestufte Abschnitte l1 und l2 aufweist, welche zusammen die Verbindungslänge der Pressverbindung zwischen der Basisplatte 36 und der Lagerbuchse 10 bilden.
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3B zeigt einen Ausschnitt der Basisplatte 36, bei dem die Wandung der Öffnung 36a einen abgestuften Abschnitt mit der Verbindungslänge l aufweist.
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3C zeigt einen Ausschnitt der Basisplatte 36, bei dem die Wandung der Öffnung 36a drei abgestufte Abschnitte l1, l2 und l3 aufweist.
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3D zeigt einen Ausschnitt der Basisplatte 36, bei dem die Wandung der Öffnung 36a einen oberen abgestuften Abschnitt l aufweist.
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3E zeigt einen Ausschnitt der Basisplatte 36, bei dem die Wandung der Öffnung 36a einen mittleren Verbindungsabschnitt l aufweist.
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3F zeigt einen Ausschnitt der Basisplatte 36, bei dem im Wesentlichen die gesamte Länge der Wandung der Öffnung 36a die Verbindungslänge l der Pressverbindung bildet. Dabei bewegt sich die Verbindungslänge im Bereich der Dicke der Basisplatte. Die Verbindungslänge liegt dabei im Bereich von 3 bis 7 mm.
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Weitere Varianten der Profilierung der Wandung der Öffnung in der Basisplatte 36 sind denkbar und werden in den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche eingeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Lagerspalt
- 16
- Rotationsachse
- 18
- Radiallager
- 20
- Lagerrillenstruktur
- 22
- Radiallager
- 24
- Lagerrillenstruktur
- 26
- Rotorbauteil (Nabe)
- 28
- Axiallager
- 30
- Lagerrillenstruktur
- 32
- Rezirkulationskanal
- 34
- Abdeckplatte
- 36
- Basisplatte
- 36a
- Öffnung
- 38
- Statoranordnung
- 40
- Rotormagnet
- 42
- Metallring
- 44
- Dichtungsspalt
- 46
- Stopperring
- l
- Abschnitt
- l1
- Abschnitt
- l2
- Abschnitt
- l3
- Abschnitt
- X
- Bereich der Teilansicht
