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

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 Download PDF

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Abstract

The system has a movable bearing component (12) that is rotatably mounted relative to a fixed bearing component (10) about an axis of rotation (16). A bearing gap (14) formed between the bearing surfaces of the fluid dynamic bearings (18,22,28,30), is filled with storage fluid. A sealing gap (36) for sealing an open end of the bearing gap, is formed adjacent to the bearing gap towards direction of the rotation axis, such that the ratio of axial length and the width of the sealing gap is less than 40. Independent claims are included for the following: (1) a spindle motor; and (2) a method for optimizing shock resistance of fluid dynamic bearing system.

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:

1 zeigt einen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß der Erfindung. 1 shows a section through a fluid dynamic storage system according to the invention.

2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das Lagersystem von 1 im Bereich des Dichtungsspaltes. 2 shows an enlarged section through the storage system of 1 in the area of the sealing gap.

3 zeigt ein Diagramm der Schockfestigkeit des fluiddynamischen Lagers in Abhängigkeit der minimalen Spaltbreite b des Dichtungsspaltes für Lagerfluide unterschiedlicher Viskosität. 3 shows a diagram of the shock resistance of the fluid dynamic bearing as a function of the minimum gap width b of the sealing gap for bearing fluids of different viscosity.

4 zeigt ein Diagramm der Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers in Abhängigkeit der minimalen Spaltbreite b des Dichtungsspaltes bei reduzierter axialer Länge H des Dichtungsspaltes für Lagerfluide unterschiedlicher Viskosität. 4 shows a diagram of the shock resistance of a fluid dynamic bearing as a function of the minimum gap width b of the sealing gap with reduced axial length H of the sealing gap for bearing fluids of different viscosity.

5 zeigt ein Diagramm der Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers in Abhängigkeit der axialen Länge H des Dichtungsspaltes für verschiedene Breiten b des Dichtungsspaltes und einem Lagerfluid von niedriger Viskosität. 5 shows a diagram of the shock resistance of a fluid dynamic bearing as a function of the axial length H of the sealing gap for different widths b of the sealing gap and a bearing fluid of low viscosity.

6 zeigt ein Diagramm der Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers in Abhängigkeit der axialen Länge H des Dichtungsspaltes für verschiedene Breiten b des Dichtungsspaltes und einem Lagerfluid mit hoher Viskosität. 6 shows a diagram of the shock resistance of a fluid dynamic bearing as a function of the axial length H of the sealing gap for different widths b of the sealing gap and a bearing fluid with high viscosity.

7 zeigt ein Diagramm der Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers in Abhängigkeit der minimalen Breite b des Dichtungsspaltes für verschiedene Öffnungswinkel α des Dichtungsspaltes und der Verwendung eines Lagerfluids mit hoher Viskosität. 7 shows a diagram of the shock resistance of a fluid dynamic bearing as a function of the minimum width b of the sealing gap for different opening angles α of the sealing gap and the use of a bearing fluid with high viscosity.

8 zeigt ein Diagramm der Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers in Abhängigkeit der minimalen Breite b des Dichtungsspaltes für verschiedene Öffnungswinkel α des Dichtungsspaltes und der Verwendung eines Lagerfluids mit niedriger Viskosität. 8th shows a diagram of the shock resistance of a fluid dynamic bearing as a function of the minimum width b of the sealing gap for different opening angles α of the sealing gap and the use of a bearing fluid with low viscosity.

9 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß 1. 9 shows a section through a spindle motor with a fluid dynamic bearing according to 1 ,

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention

Das Lagersystem nach 1 umfasst eine Lagerbuchse 10 mit einer axialen zylindrischen Bohrung, in welcher eine Welle 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar aufgenommen ist. Zwischen einander angrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 sind Lagerflächen definiert, die zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 in gegenseitigem axialen Abstand ausbilden. Die Lagerflächen der Radiallager 18, 22 sind durch einen Lagerspalt 14 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Radiallager 18, 22 sind durch Lagerrillenstrukturen 20, 24 gekennzeichnet, die auf einer der Oberflächen von Lagerbuchse 10 bzw. Welle 12, bevorzugt jedoch auf der Lagerbuchse, aufgebracht sind. Die Lagerrillenstrukturen 20, 24 können beispielsweise sinusförmig, parabelförmig oder fischgrätenförmig ausgebildet sein.The storage system after 1 includes a bushing 10 with an axial cylindrical bore, in which a shaft 12 around a rotation axis 16 is received rotatably. Between adjacent surfaces of the bearing bush 10 and the wave 12 are defined bearing surfaces, the two fluid dynamic radial bearings 18 . 22 form in mutual axial distance. The bearing surfaces of the radial bearings 18 . 22 are through a bearing gap 14 separated from each other, which is filled with a bearing fluid, preferably a bearing oil. The radial bearings 18 . 22 are through bearing groove structures 20 . 24 marked on one of the surfaces of bearing bush 10 or wave 12 , but preferably on the bearing bush, are applied. The bearing groove structures 20 . 24 For example, they may be sinusoidal, parabolic or herringbone.

An einem Ende der Welle 12 ist eine ringförmige Druckplatte 32 befestigt, die in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 10 angeordnet ist. Diese Aussparung wird durch eine Abdeckplatte 34 abgedeckt, welche das Lagersystem an dieser Seite verschließt. Die beiden Stirnflächen der Druckplatte 32 bilden zusammen mit den gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 10 und der Abdeckplatte 34 jeweils fluiddynamische Axiallager 28, 30 aus. Die Axiallager 28, 30 sind in bekannter Weise durch Lagerrillenstrukturen (nicht dargestellt) gekennzeichnet, die beispielsweise fischgrätenförmig oder spiralförmig ausgebildet sein können. Die Lagerflächen der beiden Axiallager 28, 30 sind durch radial verlaufende Abschnitte des Lagerspaltes 14 voneinander getrennt, wogegen die Lagerflächen der beiden Radiallager 18, 22 durch einen axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 14 voneinander getrennt sind. Die Lagerrillenstrukturen 20, 24 der Radiallager 18, 22 bzw. der Axiallager 28, 30 erzeugen während einer Rotation der Welle 12 mitsamt der Druckplatte 32 relativ zur Lagerbuchse 10 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid. Dadurch wird im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut, welcher die Lager 18, 22, 28, 30 tragfähig macht. Die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen 20, 24 kann gleichmäßig in beide Richtungen des Lagerspaltes 14 oder aber überwiegend in eine Richtung gerichtet sein. Beispielsweise pumpen die Lagerrillenstrukturen des äußeren Radiallagers 18 überwiegend in Richtung der Druckplatte 32, um das Lagerfluid im Lagerspalt 14 unter einem Überdruck zu halten, während die Lagerrillenstrukturen des inneren Radiallagers 22 vorzugsweise symmetrisch zur Mittenlinie (Apex) 23 ausgebildet sind und somit eine ungerichtete Pumpwirkung in Richtung zum Apex erzeugen. Die Lagerrillenstrukturen der beiden Axiallager 28, 30 pumpen das Lagerfluid vorzugsweise radial nach innen in Richtung der Rotationsachse 16.At one end of the wave 12 is an annular pressure plate 32 fixed in an annular recess of the bearing bush 10 is arranged. This recess is made by a cover plate 34 covered, which closes the storage system on this page. The two end faces of the pressure plate 32 form together with the opposite surfaces of the bearing bush 10 and the cover plate 34 each fluid dynamic thrust bearing 28 . 30 out. The thrust bearings 28 . 30 are characterized in a known manner by bearing groove structures (not shown), which may be formed, for example herringbone or spiral. The bearing surfaces of the two thrust bearings 28 . 30 are by radially extending portions of the bearing gap 14 separated, whereas the bearing surfaces of the two radial bearings 18 . 22 through an axially extending portion of the bearing gap 14 are separated from each other. The bearing groove structures 20 . 24 the radial bearing 18 . 22 or the thrust bearing 28 . 30 generate during a rotation of the shaft 12 together with the pressure plate 32 relative to the bearing bush 10 a pumping action on the bearing fluid in the bearing gap. As a result, a hydrodynamic pressure is built up in the bearing gap, which the bearings 18 . 22 . 28 . 30 makes it workable. The pumping action of the bearing groove structures 20 . 24 can be uniform in both directions of the bearing gap 14 or be directed predominantly in one direction. For example, the bearing groove structures of the outer radial bearing pump 18 mainly in the direction of the pressure plate 32 to the bearing fluid in the bearing gap 14 under an overpressure while the bearing groove structures of the inner radial bearing 22 preferably symmetrical to the center line (Apex) 23 are formed and thus produce a non-directional pumping action towards the apex. The bearing groove structures of the two thrust bearings 28 . 30 preferably pump the bearing fluid radially inward in the direction of the axis of rotation 16 ,

Nach außen ist der Lagerspalt 14 durch einen kapillaren Dichtungsspalt 36 abgedichtet, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Ein durch Kapillarkräfte erzeugter Fluidmeniskus 38 definiert die Füllhöhe des Lagerfluids im Dichtungsspalt 36. Der Dichtungsspalt 36 hält einen gewissen Vorrat an Lagerfluid, um Verluste, beispielsweise durch Verdunstung, sowie infolge von Temperaturschwankungen erzeugte Volumenänderungen des Lagerfluids auszugleichen.To the outside is the bearing gap 14 through a capillary sealing gap 36 sealed, which is proportionally filled with bearing fluid. A fluid meniscus created by capillary forces 38 defines the filling level of the bearing fluid in the sealing gap 36 , The sealing gap 36 keeps a certain supply of bearing fluid to compensate for losses, for example due to evaporation, as well as volume changes of the bearing fluid caused by temperature fluctuations.

Wenn das Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt wird, ist auf einem freien Ende der Welle 12 eine Nabe 26 des Spindelmotors angeordnet, die durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben wird. Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 40 des Spindelmotors gehalten.When the bearing system is used to pivotally mount a spindle motor, it is on a free end of the shaft 12 a hub 26 of the spindle motor which is driven by an electromagnetic drive system. The bearing bush 10 is in a base plate 40 held the spindle motor.

2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Dichtungsspaltes 36 des Lagers von 1. Der Dichtungsspalt 36 beginnt am Ende des Lagerspaltes 14 mit einer etwa rechtwinkligen Stufe 46, d. h. der Lagerspalt 14 weitet sich schlagartig von einer Breite d auf eine Breite b des Dichtungsspaltes 36 auf, welche die minimale Breite des Dichtungsspalts 36 darstellt. Diese minimale Breite b ist erfindungsgemäß um eine Größenordnung größer als die Breite d des Lagerspaltes. 2 shows an enlarged view of the sealing gap 36 of the camp of 1 , The sealing gap 36 begins at the end of the storage gap 14 with an approximately right-angled step 46 ie the bearing gap 14 widens abruptly from a width d to a width b of the sealing gap 36 on which the minimum width of the sealing gap 36 represents. This minimum width b is according to the invention by an order of magnitude greater than the width d of the bearing gap.

Während die Breite d des Lagerspaltes wenige Mikrometer, beispielsweise zwei bis fünf Mikrometer beträgt, beträgt die minimale Breite b des Dichtungsspaltes 36 mindestens 40 Mikrometer oder mehr.While the width d of the bearing gap is a few micrometers, for example two to five micrometers, the minimum width b of the sealing gap is 36 at least 40 microns or more.

Ausgehend von dieser Stufe 46 zwischen Lagerspalt 14 und Dichtungsspalt 36 weitet sich der Dichtungsspalt 36 in Richtung seiner Öffnung in einem Öffnungswinkel α auf, wobei dieser Öffnungswinkel α zwischen 3 Grad und 20 Grad betragen kann. In der Regel weitet sich nur eine einzige Begrenzungsfläche des Dichtungsspaltes 36, beispielsweise die Fläche der Lagerbuchse 10, in einem Winkel α auf, während die andere Begrenzungsfläche, beispielsweise die Fläche der Welle 12, parallel zur Rotationsachse 16 verläuft. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass beide Begrenzungsflächen des Dichtungsspalts 36 in einem spitzen Winkel zur Rotationsachse 16 verlaufen.Starting from this stage 46 between bearing gap 14 and sealing gap 36 the sealing gap widens 36 in the direction of its opening at an opening angle α, wherein this opening angle α can be between 3 degrees and 20 degrees. As a rule, only a single boundary surface of the sealing gap widens 36 , For example, the surface of the bearing bush 10 at an angle α, while the other boundary surface, for example, the surface of the shaft 12 , parallel to the axis of rotation 16 runs. However, it can be provided that both boundary surfaces of the sealing gap 36 at an acute angle to the axis of rotation 16 run.

Der Dichtungsspalt 36 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 14 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt, wobei sich auf Grund der Kapillarkräfte zwischen dem Lagerfluid und der Wandung des Dichtungsspaltes 36 ein Fluidmeniskus 38 ausbildet, der die Füllhöhe des Lagerfluids im Dichtungsspalt 36 anzeigt. Der Dichtungsspalt 26 hat eine axiale Länge H, die so bemessen ist, dass sie zum einen eine ausreichende Schockfestigkeit des Lagers gewährleistet, also eine ausreichende Dichtwirkung entfaltet, und andererseits die Lagerspanne, d. h. den Abstand zwischen den Mittenlinien 19, 23 der beiden Radiallager 18, 22 nicht unnötig verkürzt. Es hat sich herausgestellt, dass nicht – wie bislang vermutet – die axiale Länge H des Dichtungsspaltes 36 den größten Einfluss auf die Schockfestigkeit der Dichtung hat, sondern die Breite b des Dichtungsspaltes 36. Je größer man die Breite b (in vernünftigem Rahmen) wählt, desto kürzer kann bei gleichem Dichtungsspalt-Volumen die axiale Länge H des Dichtungsspaltes sein und umso größer ist dann die Lagerspanne zwischen den beiden Radiallagern 18, 22. Dadurch wird nicht nur die Schockfestigkeit der Dichtung bzw. des Lagers optimiert, sondern auch die Lagerspanne und damit die Steifigkeit des Lagers. Die Erfindung beruht darauf, optimale Werte für die Breite b und die Höhe H des Dichtungsspaltes 36 zu finden.The sealing gap 36 is directly with the bearing gap 14 connected and proportionally filled with bearing fluid, which is due to the capillary forces between the bearing fluid and the wall of the sealing gap 36 a fluid meniscus 38 forms the filling height of the bearing fluid in the sealing gap 36 displays. The sealing gap 26 has an axial length H, which is so dimensioned that it ensures on the one hand a sufficient shock resistance of the bearing, so unfolds a sufficient sealing effect, and on the other hand, the bearing clearance, ie the distance between the center lines 19 . 23 the two radial bearings 18 . 22 not shortened unnecessarily. It has been found that not - as previously suspected - the axial length H of the sealing gap 36 the greatest impact on the shock resistance of the seal, but the width b of the sealing gap 36 , The larger one chooses the width b (in a reasonable frame), the shorter can be the axial length H of the sealing gap with the same sealing gap volume and the greater is then the bearing clearance between the two radial bearings 18 . 22 , As a result, not only the shock resistance of the seal or the bearing is optimized, but also the bearing clearance and thus the rigidity of the bearing. The invention is based on optimum values for the width b and the height H of the sealing gap 36 to find.

3 zeigt eine Darstellung der Schockfestigkeit in [g] eines fluiddynamischen Lagers ähnlich 1 in Abhängigkeit von der minimalen Breite b des Dichtungsspaltes 36. Die axiale Länge H des Dichtungsspaltes 36 beträgt in diesem Beispiel 1,6 Millimeter. Bei bisherigen Lagern betrug die typische Breite b des Dichtungsspalts 36 lediglich etwa 0,012 Millimeter. 3 Fig. 10 is a graph similar to the shock resistance in [g] of a fluid dynamic bearing 1 depending on the minimum width b of the sealing gap 36 , The axial length H of the sealing gap 36 is 1.6 millimeters in this example. In previous camps was the typical width b of the sealing gap 36 only about 0.012 millimeters.

Die obere Kurve 100 zeigt die Schockfestigkeit eines Lagers mit einem Lagerfluid hoher Viskosität, wobei man erkennt, dass ein Maximum der Schockfestigkeit von etwa 700 g bei einer Breite b von etwa 0,08 Millimetern erreicht ist.The upper curve 100 shows the shock resistance of a bearing with a bearing fluid of high viscosity, it can be seen that a maximum of the shock resistance of about 700 g with a width b of about 0.08 millimeters is reached.

Die untere Kurve 102 zeigt dieselbe Darstellung für ein Lager mit einem Lagerfluid niederer Viskosität. Erwartungsgemäß ist hierbei die Schockfestigkeit geringer, da das Lagerfluid aufgrund der niedrigen Viskosität leichter fließt. Man erkennt aber, dass auch hier die optimale Breite b des Dichtungsspaltes bei etwa 0,08 Millimetern liegt, dass also dort die Schockfestigkeit ihren maximalen Wert von etwa 575 g erreicht. Die axiale Länge H ist nach wie vor 1,6 Millimeter.The lower curve 102 shows the same representation for a bearing with a bearing fluid of low viscosity. As expected, the shock resistance is lower because the bearing fluid flows more easily due to the low viscosity. It can be seen, however, that here too the optimum width b of the sealing gap is about 0.08 millimeters, so that there the shock resistance reaches its maximum value of about 575 g reached. The axial length H is still 1.6 millimeters.

Die 4 zeigt ähnliche Diagramme wie die 3, wobei hier ebenfalls die Schockfestigkeit eines Lagers in Abhängigkeit der Breite b des Dichtungsspaltes 36 dargestellt ist. Allerdings sind hier geringere Werte für die axiale Länge H des Dichtungsspaltes gewählt. Die obere Kurve 104 zeigt ein Lager mit einem Dichtungsspalt 36 mit der axialen Länge H = 1,32 Millimeter und einem Lagerfluid von hoher Viskosität. Man erkennt, dass die Schockfestigkeit ihren maximalen Wert von etwa 550 g bei etwa b = 0,12 Millimetern erreicht, während bei der Kurve 106 bei einem Lagerfluid in niederer Viskosität und etwas längerer axialer Länge H = 1,4 Millimetern die optimale Schockfestigkeit von etwa 500 g bei etwa b = 0,10 Millimeter erreicht ist.The 4 shows similar diagrams as the 3 , here also the shock resistance of a bearing as a function of the width b of the sealing gap 36 is shown. However, lower values for the axial length H of the sealing gap are selected here. The upper curve 104 shows a bearing with a sealing gap 36 with the axial length H = 1.32 millimeters and a bearing fluid of high viscosity. It can be seen that the shock resistance reaches its maximum value of about 550 g at about b = 0.12 millimeters, while in the curve 106 with a bearing fluid in low viscosity and a slightly longer axial length H = 1.4 millimeters, the optimum shock resistance of about 500 g at about b = 0.10 millimeters is reached.

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.

5 zeigt die Schockfestigkeit eines Lagers in Abhängigkeit der axialen Länge H des Dichtungsspaltes 36. Die Kurve 108 zeigt die Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagers mit einer bisher üblichen Breite des Dichtungsspaltes 36 von b = 0,012 Millimetern, wobei man erkennt, dass die Schockfestigkeit ihren Maximalwert von etwa 800 g bei einer axialen Länge von H = 1,4 Millimetern erreicht. Die Kurve 110 zeigt im Vergleich die Schockfestigkeit eines erfindungsgemäßen Lagers, bei dem b = 0,080 Millimeter gewählt wurde. Hier erkennt man, dass die maximale Schockfestigkeit von etwa 850 g bereits bei einer axialen Länge von H = 0,9 Millimeter erreicht ist. D. h., die axiale Länge H des Dichtungsspaltes 36 kann bei größeren Werten für die Breite b sehr viel kleiner gewählt werden wie bisher üblich, so dass eine größere radiale Lagerspanne zur Verfügung steht, wodurch sich die Lagerstabilität erhöht. Die dargestellten Verläufe der Schockfestigkeit gelten für einen Spindelmotor mit einem Lagerfluid niederer Viskosität. 5 shows the shock resistance of a bearing as a function of the axial length H of the sealing gap 36 , The curve 108 shows the shock resistance of a fluid dynamic bearing with a previously common width of the sealing gap 36 of b = 0.012 millimeters, where it can be seen that the shock resistance reaches its maximum value of about 800 g with an axial length of H = 1.4 millimeters. The curve 110 shows in comparison the shock resistance of a bearing according to the invention, in which b = 0.080 millimeters was chosen. Here you can see that the maximum shock resistance of about 850 g has already been achieved with an axial length of H = 0.9 millimeters. D. h., The axial length H of the sealing gap 36 can be chosen much smaller for larger widths b as usual, so that a larger radial bearing span is available, which increases the storage stability. The illustrated shock resistance curves apply to a spindle motor with a bearing fluid of low viscosity.

6 zeigt die Schockfestigkeit in Abhängigkeit der axialen Länge H des Dichtungsspaltes 36 für ein fluiddynamisches Lager mit einem Lagerfluid mit größerer Viskosität. Im Vergleich zu 5 erkennt man, dass die Schockfestigkeit generell größer ist, da das Lagerfluid durch die größere Viskosität schlechter fließt und damit besser im Dichtungsspalt 36 gehalten wird. 6 shows the shock resistance as a function of the axial length H of the sealing gap 36 for a fluid dynamic bearing with a larger viscosity bearing fluid. Compared to 5 it can be seen that the shock resistance is generally greater, since the bearing fluid flows worse due to the greater viscosity and thus better in the sealing gap 36 is held.

Die Kurve 112 zeigt wieder das Verhalten eines fluiddynamischen Lagers von herkömmlicher Bauart mit einem Dichtungsspalt 36 mit der typischen Breite b = 0,012 Millimeter. Hier wird der größte Wert der Schockfestigkeit von etwa 950 g bei einer axialen Länge von etwa H = 1,4 Millimetern erreicht. Im Vergleich dazu zeigt die Kurve 114 ein fluiddynamisches Lager mit b = 0,08 Millimetern, wobei hier der größte Wert der Schockfestigkeit von 1025 g bei H = 0,9 Millimetern erreicht wird.The curve 112 again shows the behavior of a fluid dynamic bearing of conventional design with a sealing gap 36 with the typical width b = 0.012 millimeters. Here, the greatest value of the shock resistance of about 950 g is achieved with an axial length of about H = 1.4 millimeters. In comparison, the curve shows 114 a fluid dynamic bearing with b = 0.08 millimeters, whereby here the greatest value of the shock resistance of 1025 g at H = 0.9 millimeters is achieved.

Aus den 5 und 6 kann man entnehmen, dass die optimalen Werte für die Breite b und die axiale Länge H des Dichtungsspalts 36 in beiden Beispielen im Wesentlichen übereinstimmen. Die absolute Schockfestigkeit wird durch die Viskosität des verwendeten Lagerfluids bestimmt.From the 5 and 6 It can be seen that the optimum values for the width b and the axial length H of the sealing gap 36 in both examples are substantially the same. The absolute shock resistance is determined by the viscosity of the bearing fluid used.

Nicht nur die Breite b und die axiale Länge H des Dichtungsspaltes 36 haben einen Einfluss auf die Schockfestigkeit eines Lagers, sondern auch der Öffnungswinkel α des Dichtungsspaltes bzw. der Neigungswinkel α der Begrenzungsfläche des Dichtungsspaltes 36 in Bezug auf die Rotationsachse, genauer gesagt der Neigungswinkel α in Bezug auf die Richtung des Verlaufs des angrenzenden Dichtungsspalts 14. Der bisher übliche Öffnungswinkel α bei fluiddynamischen Lagern der Anmelderin betrug 10,38 Grad.Not only the width b and the axial length H of the sealing gap 36 have an influence on the shock resistance of a bearing, but also the opening angle α of the sealing gap or the inclination angle α of the boundary surface of the sealing gap 36 with respect to the axis of rotation, more specifically the inclination angle α with respect to the direction of the course of the adjacent sealing gap 14 , The hitherto customary opening angle α in fluid dynamic bearings of the Applicant was 10.38 degrees.

7 zeigt eine Darstellung der Schockfestigkeit in Abhängigkeit von der minimalen Breite b des Dichtungsspaltes 36 für verschiedene Öffnungswinkel α des Dichtungsspaltes bei einer konstanten axialen Länge des Dichtungsspalts von H = 1,6 Millimeter sowie einem konstanten Füllvolumen mit Lagerfluid innerhalb des Dichtungsspalts. Die Kurvenschar zeigt von unten nach oben einen abnehmenden Öffnungswinkel α des Dichtungsspaltes von anfänglich 20 Grad bis 3 Grad. Man erkennt, dass bei großen Öffnungswinkeln über 15 Grad die Schockfestigkeit bei unterschiedlichen Breiten b des Dichtungsspaltes sich nicht wesentlich ändert. Bei Öffnungswinkel α kleiner als 15 Grad erkennt man jedoch, dass die Schockfestigkeit sich je nach dem Wert der Breite b relativ stark ändert. Für kleinere Öffnungswinkel α nimmt die Schockfestigkeit zu und es gibt für jeden Öffnungswinkel α ein Maximum der Schockfestigkeit für eine bestimmte Breite b des Dichtungsspaltes, welches bei Öffnungswinkeln kleiner als α < 10° bei etwa b = 0,1 Millimetern liegt. Allerdings ist zu erkennen, dass bei kleinen Öffnungswinkeln α von weniger als 7° für kleine minimale Breiten b des Dichtungsspalts die Schockfestigkeit rapide abnimmt, da das Lagerfluid aufgrund der konstanten axialen Länge H des Dichtungsspalts sowie eines konstanten Füllvolumens mit Lagerfluid innerhalb des Dichtungsspalts bis nahe an den oberen Rand des Dichtungsspalts 38 gelangt und somit unter Schockeinwirkung vergleichsweise leicht aus dem Dichtungsspalt austreten kann. 7 shows a representation of the shock resistance as a function of the minimum width b of the sealing gap 36 for different opening angles α of the sealing gap with a constant axial length of the sealing gap of H = 1.6 millimeters and a constant filling volume with bearing fluid within the sealing gap. The family of curves shows from bottom to top a decreasing opening angle α of the sealing gap of initially 20 degrees to 3 degrees. It can be seen that with large opening angles above 15 degrees, the shock resistance at different widths b of the sealing gap does not change significantly. At an opening angle α smaller than 15 degrees, however, it can be seen that the shock resistance changes relatively strongly depending on the value of the width b. For smaller opening angles α the shock resistance increases and there is for each opening angle α a maximum of the shock resistance for a certain width b of the sealing gap, which at opening angles is smaller than α <10 ° at about b = 0.1 millimeters. However, it can be seen that at small aperture angles α of less than 7 ° for small minimum widths b of the seal gap, the shock resistance decreases rapidly as the bearing fluid becomes close due to the constant axial length H of the seal gap and a constant fill volume with bearing fluid within the seal gap the upper edge of the sealing gap 38 passes and thus relatively easily escape from the sealing gap under shock action.

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.

8 zeigt eine vergleichbare Kurvenschar für ein Lager mit einem Lagerfluid geringerer Viskosität, wobei hier die Werte für unterschiedliche Öffnungswinkel und unterschiedliche Breiten b mit 7 vergleichbar sind. Es ist lediglich die maximal erreichbare Schockfestigkeit auf Grund der niederen Viskosität des Lagerfluids insgesamt geringer. 8th shows a comparable set of curves for a bearing with a bearing fluid of lower viscosity, in which case the values for different opening angles and different widths b with 7 are comparable. It is only the maximum achievable shock resistance due to the lower viscosity of the bearing fluid overall lower.

Aus den 7 und 8 lässt sich entnehmen, dass bei ausrechend bemessener Breite des Dichtungsspaltes 36 von etwa b > 0,06 mm sich die Schockfestigkeit bei kleineren Öffnungswinkeln α von beispielsweise 5 Grad bis 7 Grad wesentlich erhöht. Im Gegenzug könnte dann die axiale Länge H des Dichtungsspaltes 36 weiter reduziert und die Lagerspanne vergrößert werden, wobei die spezifizierte Schockfestigkeit dennoch erfüllt wäre.From the 7 and 8th it can be seen that, when the width of the sealing gap is suitably dimensioned 36 of about b> 0.06 mm, the shock resistance at smaller opening angles α of, for example, 5 degrees to 7 degrees significantly increased. In turn, then could the axial length H of the sealing gap 36 be further reduced and the storage margin increased, the specified shock resistance would still be met.

9 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager. Mit Bezug auf 1 sind gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 40, in welcher die Lagerbuchse 10 des fluiddynamischen Lagers befestigt ist. Das freie Ende der Welle 12 ist mit der Nabe 26 verbunden. Die Nabe 26 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerkes gedacht, werden auf der Nabe 26 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht zeichnerisch dargestellt) des Festplattenlaufwerkes angeordnet und befestigt. An einem inneren, unteren Rand der Nabe ist ein ringförmiger Permanentmagnet 44 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet. Im Falle einer aus Aluminium bestehenden Nabe 26 ist der Permanentmagnet von einem ferromagnetischen Rückschluss (Joch) umgeben. Gegenüberliegend dem Permanentmagnet 44 ist an der Basisplatte 40 eine Statoranordnung 42 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Permanentmagnet 44 getrennt ist. Die Statoranordnung 42 weist mehrere Statorwicklungen auf, die entsprechend mit Strom beaufschlagt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor des Spindelmotors, bestehend aus der Nabe 26 und Welle 12, in Drehung versetzt wird. 9 shows a section through a spindle motor with a fluid dynamic bearing according to the invention. Regarding 1 are the same components designated by the same reference numerals. The spindle motor includes a fixed base plate 40 , in which the bearing bush 10 is attached to the fluid dynamic bearing. The free end of the shaft 12 is with the hub 26 connected. The hub 26 is designed according to the purpose of the spindle motor. If the spindle motor is intended to drive a hard disk drive, be on the hub 26 one or more storage disks (not shown in the drawing) of the hard disk drive are arranged and fastened. At an inner, lower edge of the hub is an annular permanent magnet 44 arranged with a plurality of pole pairs. In the case of an aluminum hub 26 the permanent magnet is surrounded by a ferromagnetic yoke. Opposite the permanent magnet 44 is at the base plate 40 a stator assembly 42 attached by a radial air gap from the permanent magnet 44 is disconnected. The stator arrangement 42 has a plurality of stator windings, which act accordingly energized generate an alternating electric field, so that the rotor of the spindle motor, consisting of the hub 26 and wave 12 , is set in rotation.

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)

Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: ein feststehendes Lagerbauteil (10), ein bewegliches Lagerbauteil (12), das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse (16) drehbar gelagert ist, einen Lagerspalt (14), der zwischen einander zugeordneten Lagerflächen der beiden Lagerbauteile angeordnet und mit einem Lagerfluid gefüllt ist, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (18; 22), das durch Lagerflächen entlang eines axial verlaufenden Abschnittes des Lagerspalts (14) gebildet ist, mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (28), das durch Lagerflächen entlang eines radial verlaufenden Abschnittes des Lagerspalts (14) gebildet ist, einen anteilig mit Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt (36) zur Abdichtung eines offenen Endes des Lagerspalts (14), wobei der Dichtungsspalt (36) an den Lagerspalt (14) angrenzt und eine an den Lagerspalt angrenzende minimale Breite b und eine in Richtung der Rotationsachse (16) verlaufende axiale Länge H aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis zwischen der axialen Länge H und der Breite b des Dichtungsspaltes gilt: H/b < 40.Fluid dynamic bearing system, comprising: a fixed bearing component ( 10 ), a movable bearing component ( 12 ), which relative to the fixed bearing component about an axis of rotation ( 16 ) is rotatably mounted, a bearing gap ( 14 ), which is arranged between mutually associated bearing surfaces of the two bearing components and filled with a bearing fluid, at least one fluid dynamic radial bearing ( 18 ; 22 ) by bearing surfaces along an axially extending portion of the bearing gap ( 14 ) is formed, at least one fluid dynamic thrust bearing ( 28 ) by bearing surfaces along a radially extending portion of the bearing gap ( 14 ) is formed, a proportionately filled with bearing fluid sealing gap ( 36 ) for sealing an open end of the storage gap ( 14 ), wherein the sealing gap ( 36 ) to the bearing gap ( 14 ) adjacent and adjacent to the bearing gap minimum width b and one in the direction of the axis of rotation ( 16 ) has axial length H, characterized in that the relationship between the axial length H and the width b of the sealing gap is H / b <40. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen dem Lagerspalt (14) und dem Dichtungsspalt (36) als Stufe ausgebildet ist.Fluid dynamic bearing system according to claim 1, characterized in that the transition between the bearing gap ( 14 ) and the sealing gap ( 36 ) is formed as a stage. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Breite b des Dichtungsspalts (36) zwischen 0,04 mm und 0,16 mm beträgt.Fluid dynamic bearing system according to claim 1 or 2, characterized in that the minimum width b of the sealing gap ( 36 ) is between 0.04 mm and 0.16 mm. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge H des Dichtungsspaltes (36) zwischen 0,7 mm und 1,4 mm beträgt. Fluid dynamic bearing system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the axial length H of the sealing gap ( 36 ) is between 0.7 mm and 1.4 mm. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine den Dichtungsspalt (36) begrenzende Fläche in einem gleich bleibenden Öffnungswinkel α in Bezug auf die Rotationsachse (16) verläuft, wobei der Öffnungswinkel α zwischen 3° und 20° beträgt.Fluid dynamic bearing system according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the sealing gap ( 36 ) limiting surface in a constant opening angle α with respect to the axis of rotation ( 16 ), wherein the opening angle α is between 3 ° and 20 °. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse (10) und das bewegliche Lagerbauteil eine Welle (12) und ein mit der Welle verbundenes Rotorbauteil (26) umfasst.Fluid dynamic bearing system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fixed bearing component is a bearing bush ( 10 ) and the movable bearing component a shaft ( 12 ) and a rotor component connected to the shaft ( 26 ). Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil eine Welle und ein mit der Welle verbundenes feststehendes Bauteil und das bewegliche Lagerbauteil eine Lagerbuchse umfasst.Fluid dynamic bearing system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fixed bearing component comprises a shaft and a stationary member connected to the shaft and the movable bearing member comprises a bearing bush. Spindelmotor mit einem Stator und einem Rotor, der mittels eines fluiddynamischen Lagers gemäß einem dem der Ansprüche 1 bis 7, gegenüber dem Stator drehbar gelagert ist, und einem elektromagnetischen Antriebssystem zum Antrieb des Rotors.Spindle motor with a stator and a rotor which is rotatably supported by means of a fluid dynamic bearing according to one of the claims 1 to 7, relative to the stator, and an electromagnetic drive system for driving the rotor. Verfahren zur Optimierung der Schockfestigkeit eines fluiddynamischen Lagersystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bei gegebenen Gesamtfüllvolumen an Lagerfluid im Lager die minimale Breite b und die axiale Länge H des Dichtungsspalts (36) des fluiddynamischen Lagers derart bemessen werden, dass der Dichtungsspalt anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und wobei gilt: H/b < 40.Method for optimizing the shock resistance of a fluid dynamic bearing system according to one of claims 1 to 7, wherein for a given total filling volume of bearing fluid in the bearing, the minimum width b and the axial length H of the sealing gap ( 36 ) of the fluid dynamic bearing are dimensioned such that the sealing gap is proportionally filled with bearing fluid and where: H / b <40. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel α des Dichtungsspaltes (36) zwischen 3° und 20° gewählt wird.A method according to claim 9, characterized in that the opening angle α of the sealing gap ( 36 ) is selected between 3 ° and 20 °.
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