DE102012007423A1 - Fluid dynamic bearing system of spindle motor for driving e.g. compact disk (CD), has fluid dynamic bearings whose sealing gap is formed adjacent to bearing gap, so that ratio of axial length and gap width satisfies preset value - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wie er beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet wird.The invention relates to a fluid dynamic bearing system, in particular for the rotary mounting of a spindle motor, as used for example for driving hard disk drives.
Stand der TechnikState of the art
Fluiddynamische Lagersysteme, wie sie in Spindelmotoren eingesetzt werden, sind in vielfältigen Bauformen bekannt. Ein fluiddynamisches Lager umfasst in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Als Lagerfluid wird bevorzugt ein flüssiges Fluid, beispielsweise ein Lageröl, verwendet. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerrillenstrukturen vorgesehen, die in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide einander gegenüberliegenden Lagerflächen aufgebracht sind. Die Lagerillenstrukturen wirken als Lager- oder Pumpstrukturen, die bei Drehung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben, so dass im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, wodurch die gegenüberliegenden Lagerflächen separiert werden. Dieser hydrodynamische Druck ist für die Tragfähigkeit und Steifigkeit des fluiddynamischen Lagersystems verantwortlich.Fluid dynamic bearing systems, as used in spindle motors, are known in a variety of designs. As a rule, a fluid-dynamic bearing comprises at least two bearing components rotatable relative to one another, which form a bearing gap filled with a bearing fluid between mutually associated bearing surfaces. The bearing fluid used is preferably a liquid fluid, for example a bearing oil. In a known manner, bearing surfaces assigned to the bearing surfaces and acting on the bearing fluid bearing groove structures are provided, which are usually applied in the form of depressions or elevations on individual or both opposing bearing surfaces. The Lagerillenstrukturen act as storage or pumping structures that exert a pumping action on the bearing fluid in the bearing gap on rotation of the bearing components, so that a hydrodynamic pressure is built up in the bearing gap, whereby the opposite bearing surfaces are separated. This hydrodynamic pressure is responsible for the load capacity and rigidity of the fluid dynamic bearing system.
Gemäß einer bekannten Bauform umfasst ein fluiddynamisches Lagersystem eine Welle, die in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert ist. 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. Die Oberflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen auf, die mindestens ein fluiddynamisches Radiallager entlang eines axialen Abschnitts des Lagerspaltes ausbilden. Ein freies Ende der Welle ist mit einem Rotorbauteil (Nabe) verbunden. An einem Ende der Welle ist eine Druckplatte befestigt, deren beiden Stirnflächen zusammen mit gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse bzw. einer Abdeckplatte zwei in axialer Richtung gegeneinander arbeitende fluiddynamische Axiallager ausbilden. Jeweils eine Lagerfläche der beiden Axiallager ist mit Druck erzeugenden Lagerrillenstrukturen versehen.According to a known design, a fluid-dynamic bearing system comprises a shaft which is rotatably mounted in a bearing bore of a bearing bush. The diameter of the bearing bore is slightly larger than the diameter of the shaft, so that between the surfaces of the bearing bush and the shaft remains filled with a bearing fluid bearing gap. The surfaces of the shaft and / or the bearing bush have pressure-generating bearing groove structures which form at least one fluid dynamic radial bearing along an axial portion of the bearing gap. A free end of the shaft is connected to a rotor component (hub). At one end of the shaft, a pressure plate is attached, forming the two end faces together with opposite surfaces of the bearing bush or a cover plate in the axial direction against each other working fluid dynamic thrust bearing. In each case, a bearing surface of the two thrust bearing is provided with pressure generating Lagerrillenstrukturen.
Der Lagerspalt weist mindestens ein offenes Ende auf, das gegenüber der Umgebung abgedichtet werden muss, damit kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt austreten kann. Die Abdichtung erfolgt in bekannter Weise mittels eines kapillaren Dichtungsspaltes, der an den radialen Abschnitt des Lagerspaltes oberhalb des äußeren Radiallagers angrenzt. Der Dichtungsspalt ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Das mit Lagerfluid gefüllte Volumen des Dichtungsspaltes dient gleichzeitig als Fluidreservoir, welches ausreichend Lagerfluid für die gesamte Lebensdauer des fluiddynamischen Lagers bereitstellt. Außerdem dient der Dichtungsspalt als Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid, beispielsweise auf Grund von Temperaturänderungen des Lagerfluids und resultierenden Volumenänderungen oder aufgrund von Volumenänderungen im Dichtungsspalt, die zwischen dem Stillstand und dem Betrieb des Lagers auftreten können.The bearing gap has at least one open end, which must be sealed from the environment, so that no bearing fluid can escape from the bearing gap. The sealing takes place in a known manner by means of a capillary sealing gap which adjoins the radial portion of the bearing gap above the outer radial bearing. The sealing gap is proportionally filled with bearing fluid. The filled with bearing fluid volume of the sealing gap serves as a fluid reservoir, which provides sufficient storage fluid for the entire life of the fluid dynamic bearing. In addition, the sealing gap serves as a compensating volume for the bearing fluid, for example, due to temperature changes of the bearing fluid and resulting volume changes or due to volume changes in the sealing gap, which can occur between standstill and the operation of the bearing.
Wenn das fluiddynamische Lager starken Vibrationen oder einer Schockeinwirkung ausgesetzt ist, führt dies insbesondere zu einer starken axialen Bewegung zwischen dem beweglichen und dem feststehenden Lagerbauteil, so dass sich insbesondere die Breite der senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Abschnitte des Lagerspalts ändert. Diese Änderung der Breite des Lagerspalts führt zu einer Änderung des Fluidvolumens zwischen den Lagerbauteilen. Je nach der Richtung der Bewegung der Welle in der Lagerbuchse bzw. des Rotorbauteils in Bezug auf die Lagerbuchse wird das Lagerfluid aus dem Lagerspalt herausgedrückt oder mit hoher Geschwindigkeit hineingezogen, während die Spaltbreite des Axiallagerspaltes sich ändert.In particular, if the fluid dynamic bearing is subjected to strong vibrations or to a shock effect, this leads to a strong axial movement between the movable and the stationary bearing component, so that in particular the width of the sections of the bearing gap running perpendicular to the axial direction changes. This change in the width of the bearing gap leads to a change in the fluid volume between the bearing components. Depending on the direction of movement of the shaft in the bearing bush or the rotor component with respect to the bearing bush, the bearing fluid is forced out of the bearing gap or pulled in at high speed, while the gap width of the axial bearing gap changes.
Da der Lagerspalt lediglich über den Dichtungsspalt mit der Außenumgebung verbunden ist, kann es bei einem übermäßig großen, auf das Lager einwirkenden Schock vorkommen, dass Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt austritt. Selbstverständlich haben fluiddynamische Lager entsprechende Vorgaben für die Schockfestigkeit, die eingehalten werden müssen.Since the bearing gap is only connected to the outside environment via the sealing gap, it can occur in the case of an excessively large shock acting on the bearing that bearing fluid escapes from the sealing gap. Of course, fluid dynamic bearings have appropriate requirements for the shock resistance, which must be complied with.
Die Schockfestigkeit hängt von vielen Faktoren ab, insbesondere von den Eigenschaften, wie etwa der Viskosität, des verwendeten Lagerfluids, vom Füllstand des Lagerfluids im Dichtungsspalt, von der Geometrie des Dichtungsspaltes, von der Umgebungstemperatur usw. Dabei ist zu beachten, dass das fluiddynamische Lager mit einer Mindestmenge an Lagerfluid befüllt werden muss, damit die spezifizierte Mindest-Lebensdauer des Lagers erreicht wird, da immer ein Verlust an Lagerfluid durch Verdunstung etc. einzuplanen ist. Die vorgeschriebene Füllmenge an Lagerfluid ist daher bei der Auslegung des Lagers zu beachten.The shock resistance depends on many factors, in particular on the properties, such as the viscosity of the bearing fluid used, the level of the bearing fluid in the sealing gap, the geometry of the sealing gap, the ambient temperature, etc. It should be noted that the fluid dynamic bearing with a minimum amount of bearing fluid must be filled in order to reach the specified minimum life of the bearing, as there is always a loss of bearing fluid due to evaporation, etc. The prescribed filling quantity of bearing fluid must therefore be taken into account when designing the bearing.
Bisher wurde versucht, die Schockfestigkeit dadurch zu optimieren, indem man die Länge des Dichtungsspaltes in axialer Richtung möglichst groß macht, so dass das Lagerfluid genügend Platz hat, sich bei einem Schock auszudehnen bzw. auszubreiten. Eine Verlängerung des Dichtungsspaltes führt allerdings bei konstanter Gesamtlänge des Lagers zu einer Verkürzung des verfügbaren Lagerabstandes zwischen den beiden Radiallagern, da der Dichtungsspalt und die beiden Radiallager axial in Reihe zueinander, d. h. hintereinander angeordnet sind.So far, attempts have been made to optimize the shock resistance by making the length of the sealing gap in the axial direction as large as possible, so that the bearing fluid has enough space to expand or spread in a shock. An extension of the sealing gap leads However, with a constant total length of the bearing to a shortening of the available bearing distance between the two radial bearings, since the sealing gap and the two radial bearings are arranged axially in series, ie one behind the other.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers der eingangs genannten Art zu optimieren, ohne den Lagerabstand verringern zu müssen.The object of the invention is to optimize the shock resistance of a fluid dynamic bearing of the type mentioned, without having to reduce the bearing distance.
Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a fluid dynamic bearing system having the features of claim 1.
Bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiment of the invention and further advantageous features are specified in the dependent claims.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil und ein bewegliches Lagerbauteil, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Zwischen einander zugeordneten Lagerflächen der beiden Lagerbauteile ist ein Lagerspalt angeordnet, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Es ist mindestens ein fluiddynamisches Radiallager vorgesehen, das durch Lagerflächen entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes gebildet ist. Mindestens ein fluiddynamisches Axiallager ist durch Lagerflächen entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts gebildet. Zur Abdichtung eines offenen Endes des Lagerspaltes, der eine radiale Lagerspaltbreite d im Bereich von etwa zwei bis fünf Mikrometern aufweist, ist ein Dichtungsspalt vorgesehen, der an den radialen Abschnitt des Lagerspaltes angrenzt und eine an den Lagerspalt angrenzende minimale radiale Breite b senkrecht zur Rotationsachse und eine in Richtung der Rotationsachse verlaufende Länge H aufweist.The fluid-dynamic bearing system comprises a fixed bearing component and a movable bearing component which is mounted so as to be rotatable relative to the stationary bearing component about a rotation axis. Between bearing surfaces assigned to the two bearing components, a bearing gap is arranged, which is filled with a bearing fluid. At least one fluid-dynamic radial bearing is provided, which is formed by bearing surfaces along an axially extending portion of the bearing gap. At least one fluid dynamic thrust bearing is formed by bearing surfaces along a radially extending portion of the bearing gap. For sealing an open end of the bearing gap, which has a radial bearing gap width d in the range of about two to five microns, a sealing gap is provided, which adjoins the radial portion of the bearing gap and adjacent to the bearing gap minimum radial width b perpendicular to the axis of rotation and Has a running in the direction of the axis of rotation H length.
Erfindungsgemäß gilt für das das Verhältnis zwischen der Länge H und der Breite b des Dichtungsspaltes: H/b < 40.According to the invention, the ratio between the length H and the width b of the sealing gap is H / b <40.
Die Erfindung befasst sich insbesondere mit der Optimierung der Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers für ein bestimmtes, vorgegebenes Volumen an Lagerfluid im Lager, welches bestimmt ist durch die Verdunstungsrate, die thermische Ausdehnung des Lagerfluids und der Lagerkomponenten, das Axiallagerspiel und andere geometrische Toleranzen der Lagerauteile. Mit Hilfe der Erfindung wird für ein vorgegebenes Volumen des Lagerfluids die geeignetste konstruktive Auslegung des Dichtungsspaltes ermittelt.The invention is particularly concerned with optimizing the shock resistance of a fluid dynamic bearing for a given, predetermined volume of bearing fluid in the bearing, which is determined by the rate of evaporation, the thermal expansion of the bearing fluid and the bearing components, the thrust bearing clearance and other geometrical tolerances of the bearing components. With the help of the invention, the most appropriate structural design of the sealing gap is determined for a given volume of the bearing fluid.
Die Erfinder haben durch Schocktests und Simulationen festgestellt, dass die radiale Breite des Dichtungsspaltes einen sehr viel größeren Einfluss auf die Schockfestigkeit hat, als die axiale Länge des Dichtungsspaltes bzw. der Füllstand des Lagerfluids innerhalb des Dichtungsspalts. Die Schockfestigkeit kann durch Vergrößern der minimalen Breite des Dichtungsspaltes optimiert werden, wobei gleichzeitig die axiale Länge des Dichtungsspaltes verringert und somit der Lagerabstand im Falle der Verwendung von zwei Radiallagern entsprechend vergrößert werden kann, wodurch sich die Lagersteifigkeit erhöht. Auch spielt der Öffnungswinkel des Dichtungsspaltes bzw. der Neigungswinkel einer Begrenzungsfläche des Dichtungsspaltes in Bezug auf die Rotationsachse eine Rolle für die Schockfestigkeit.The inventors have found through shock tests and simulations that the radial width of the sealing gap has a much greater influence on the shock resistance than the axial length of the sealing gap or the level of the bearing fluid within the sealing gap. The shock resistance can be optimized by increasing the minimum width of the sealing gap, at the same time reducing the axial length of the sealing gap and thus the bearing distance can be increased accordingly in the case of using two radial bearings, which increases the bearing stiffness. Also, the opening angle of the seal gap or the inclination angle of a boundary surface of the seal gap with respect to the rotation axis plays a role for the shock resistance.
Insbesondere ist der Übergang zwischen dem Lagerspalt und dem Dichtungsspalt als Stufe ausgebildet, d. h. der Lagerspalt geht abrupt in den Dichtungsspalt über, wobei sich der Lagerspalt, der eine Breite von wenigen (etwa 2 bis 5) Mikrometern aufweist, schlagartig auf mindestens 0,04 Millimeter aufweitet, was der minimalen Breite b des Dichtungsspaltes entspricht.In particular, the transition between the bearing gap and the sealing gap is formed as a step, d. H. the bearing gap abruptly merges into the sealing gap, wherein the bearing gap, which has a width of a few (about 2 to 5) micrometers, abruptly widens to at least 0.04 millimeters, which corresponds to the minimum width b of the sealing gap.
Eine gute Schockfestigkeit wird erreicht, wenn die minimale Breite b des Dichtungsspaltes bevorzugt zwischen 0,04 mm und 0,16 Millimeter beträgt.Good shock resistance is achieved if the minimum width b of the sealing gap is preferably between 0.04 mm and 0.16 mm.
Der Dichtungsspalt verläuft im Wesentlichen in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse und hat vorzugsweise eine axiale Länge H zwischen 0,7 mm und 1,4 Millimetern und ist partiell mit Lagerfluid gefüllt.The sealing gap extends substantially in the axial direction parallel to the axis of rotation and preferably has an axial length H between 0.7 mm and 1.4 millimeters and is partially filled with bearing fluid.
Es ergibt sich hieraus, dass das optimale Verhältnis zwischen der Länge und der Breite des Dichtungsspaltes H/b < 40 ist, vorzugsweise jedoch < 25. Mit diesen Werten lässt sich eine optimierte Schockfestigkeit erreichen.It follows that the optimum ratio between the length and the width of the sealing gap H / b is <40, but preferably <25. With these values, an optimized shock resistance can be achieved.
Ausgehend von dem abrupten Übergang zwischen Lagerspalt und Dichtungsspalt weitet sich zumindest eine den Dichtungsspalt begrenzende Fläche in einem kontinuierlichen Öffnungswinkel α in Bezug auf die Rotationsachse konisch auf, wobei der Öffnungswinkel α erfindungsgemäß zwischen 3 Grad und 20 Grad beträgt.Based on the abrupt transition between the bearing gap and sealing gap, at least one surface delimiting the sealing gap widens conically in a continuous opening angle α with respect to the axis of rotation, wherein the opening angle α is between 3 degrees and 20 degrees.
Bisher war ein Öffnungswinkel α von etwa 10 Grad üblich, wobei sich jedoch ergeben hat, dass insbesondere Öffnungswinkel, die kleiner als 10 Grad sind, Vorteile bei der Schockfestigkeit aufweisen können.So far, an opening angle α of about 10 degrees was common, but it has been found that in particular opening angles that are less than 10 degrees, may have advantages in shock resistance.
Das fluiddynamische Lagersystem kann entweder ein Lagersystem mit rotierender Welle sein, an welcher ein Rotorbauteil befestigt ist, wobei die Welle in einer feststehenden Lagerbuchse drehbar gelagert ist oder aber ein Lagersystem mit einer feststehenden Welle, die in einem feststehendem Bauteil angeordnet ist und von einer drehbar gelagerten Lagerbuchse umgeben ist. Bei einem Lagersystem mit rotierender Welle ist der Dichtungsspalt durch Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle begrenzt. Der Dichtungsspalt kann aber ohne Einschränkung auch zwischen Oberflächen der Welle und des Rotorbauteils angeordnet sein.The fluid dynamic bearing system can either be a bearing system with a rotating shaft to which a rotor component is attached, wherein the shaft is rotatably mounted in a stationary bearing bush or a bearing system with a fixed shaft which is arranged in a stationary component and is surrounded by a rotatably mounted bearing bush. In a bearing system with a rotating shaft, the sealing gap is limited by surfaces of the bearing bush and the shaft. However, the sealing gap can also be arranged between surfaces of the shaft and the rotor component without restriction.
Die Erfindung bezieht sich gleichermaßen auf einen Spindelmotor mit einem Stator und einem Rotor, der mittels des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers gegenüber dem Stator drehgelagert ist. Der Rotor wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, wobei der Spindelmotor vorzugsweise zum Antrieb von Lüftern, Festplatten-, oder anderen Speicherlaufwerken dient, wie etwa für optische Medien, also beispielsweise CD, DVD oder Blu Ray.The invention equally relates to a spindle motor with a stator and a rotor, which is rotatably mounted relative to the stator by means of the fluid dynamic bearing according to the invention. The rotor is driven by an electromagnetic drive system, wherein the spindle motor is preferably for driving fans, hard drives, or other storage drives, such as for optical media, such as CD, DVD or Blu Ray.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und deren Beschreibung weitere vorteilhafte Merkmale und Vorteile der Erfindung.The invention will be described in more detail with reference to several embodiments with reference to the drawings. In this case, from the drawings and their description further advantageous features and advantages of the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Brief description of the drawings:
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention
Das Lagersystem nach
An einem Ende der Welle
Nach außen ist der Lagerspalt
Wenn das Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt wird, ist auf einem freien Ende der Welle
Während die Breite d des Lagerspaltes wenige Mikrometer, beispielsweise zwei bis fünf Mikrometer beträgt, beträgt die minimale Breite b des Dichtungsspaltes
Ausgehend von dieser Stufe
Der Dichtungsspalt
Die obere Kurve
Die untere Kurve
Die
Erfindungsgemäß lässt sich die axiale Länge H des Dichtungsspaltes noch weiter reduzieren, wobei die erreichbare Schockfestigkeit immer noch deutlich über der spezifizierten Schockfestigkeit von 300 g liegt.According to the invention, the axial length H of the sealing gap can be further reduced, the achievable shock resistance still being significantly above the specified shock resistance of 300 g.
Die Kurve
Aus den
Nicht nur die Breite b und die axiale Länge H des Dichtungsspaltes
Die hier dargestellte Kurvenschar gilt für ein fluiddynamisches Lager mit einem Lagerfluid hoher Viskosität.The family of curves shown here applies to a fluid dynamic bearing with a bearing fluid of high viscosity.
Aus den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Lagerbuchsebearing bush
- 1212
- Wellewave
- 1414
- Lagerspaltbearing gap
- 1616
- Rotationsachseaxis of rotation
- 1818
- Radiallagerradial bearings
- 1919
- Mittenlinie (Apex)Center line (Apex)
- 2020
- LagerrillenstrukturenBearing groove structures
- 2222
- Radiallagerradial bearings
- 2323
- Mittenlinie (Apex)Center line (Apex)
- 2424
- LagerrillenstrukturenBearing groove structures
- 2626
- Rotorbauteil (Nabe)Rotor component (hub)
- 2828
- Axiallagerthrust
- 3030
- Axiallagerthrust
- 3232
- Druckplatte, StopperplattePressure plate, stopper plate
- 3434
- Abdeckplattecover
- 3636
- Dichtungsspaltseal gap
- 3838
- Fluidmeniskusfluid meniscus
- 4040
- Basisplattebaseplate
- 4242
- Statoranordnungstator
- 4444
- Rotormagnetrotor magnet
- 4646
- Stufestep
- bb
- Minimale Breite des DichtungsspaltsMinimum width of the sealing gap
- HH
- axiale Länge des Dichtungsspaltsaxial length of the sealing gap
- dd
- Breite des LagerspaltsWidth of the storage gap
- αα
- Öffnungswinkelopening angle
Claims (10)
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DE102012007423A1 true DE102012007423A1 (en) | 2013-10-17 |
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ID=49231947
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- 2012-04-16 DE DE201210007423 patent/DE102012007423A1/en not_active Ceased
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