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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor zum Antrieb von mindestens einer Speicherplatte eines Speicherplattenlaufwerks, insbesondere eines magnetischen oder optischen Speicherplattenlaufwerks.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Spindelmotoren zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken hinlänglich bekannt. Insbesondere werden dabei Spindelmotoren verwendet, die mittels eines fluiddynamischen Lagersystems gelagert sind. Ein typischer Spindelmotor der beschriebenen Art mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der
DE 10 2009 031 219 A1 offenbart. Es handelt sich um einen Spindelmotor zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken im 2,5 Zoll Format, d. h. zum Antrieb von Speicherplatten mit 2,5 Zoll Durchmesser.
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Derartige Speicherplattenlaufwerken werden in elektronische Geräte, wie beispielsweise Laptops, Netbooks, Video-Player oder ähnliche Geräte als preisgünstige Massenspeicher eingebaut.
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In jüngster Zeit werden so genannte Tablett-PCs immer beliebter, die portabel und insbesondere sehr flach aufgebaut sind. Aufgrund der flachen Bauweise mit einer Gehäusehöhe von beispielsweise weniger als 10 mm können in diese Geräte keine herkömmlichen Speicherplattenlaufwerke als Massenspeicher eingebaut werden, denn diese Festplattenspeicher haben standardmäßig selbst eine Bauhöhe von 9,5 mm oder mehr. Bisher bekannte Festplatten-Laufwerke bestehen in der Regel aus einer Basisplatte, die als Montageplattform für die Motorkomponenten z. B. den Stator, den Aktuator für die Schreib-/Leseeinheit, die PCB und weiteren mechanischen und elektronischen Bauteilen dient und die mit einer aufgeschraubten Metallabdeckung (top cover) z. B. als Abdichtung gegen Umgebungspartikel geschlossen wird.
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Es werden daher in diesen Geräten anstelle von Festplattenspeicherlaufwerken bislang bevorzugt Halbleiterspeicher, beispielsweise so genannte Flash-Speicher, eingesetzt. Diese Halbleiterspeicher sind im Vergleich zu Festplattenspeichern jedoch relativ teuer, so dass angestrebt wird, in den Tablett-PCs ebenfalls preisgünstige Massenspeicher in Form von Speicherplattenlaufwerken zu verwenden. Mit herkömmlichen Speicherplattenlaufwerken ist dies jedoch nicht zu realisieren, so dass ein Bedarf für Festplattenspeicher mit sehr geringer Bauhöhe besteht.
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Die Firma Seagate Technology, USA, hat flache Festplattenspeicher mit einer Bauhöhe von 7 mm unter dem Namen Momentus® Thin auf den Markt gebracht. Diese Festplattenspeicher sind in herkömmlicher Weise in ein eigenes geschlossenes Gehäuse eingebaut und dieses Gehäuse wird dann wiederum in ein größeres Gehäuse des elektronischen Gerätes eingebaut. Eine Reduktion der Bauhöhe kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Lagerabstand der beiden Radiallager des fluiddynamischen Lagersystems drastisch reduziert ist oder anstelle von zwei voneinander beanstandeten Radiallagern lediglich ein einziges Radiallager vorgesehen ist. Dies kann jedoch zu einer Verringerung der Lagersteifigkeit und Laufgenauigkeit des Laugwerkes führen, so dass Maßnahmen vorgesehen werden müssen, um die benötigte Lagersteifigkeit sicher zu stellen. Bei Speicherplattenlaufwerken mit hoher Speicherdichte ist die Laufgenauigkeit der Lager ausschlaggebend, damit das Beschreiben und Lesen der Daten auf die Speicherplatte überhaupt mit der erforderlichen Genauigkeit reproduzierbar möglich wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks bereitzustellen, der es erlaubt, Speicherplattenlaufwerke mit einer Bauhöhe von weniger als 6 mm zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der Spindelmotor zum Antrieb einer Speicherplatte eines Speicherplattenlaufwerks ist geeignet zum Einbau in ein Gehäuse eines elektronischen Gerätes und umfasst eine Basisplatte, mindestens eine feststehende Motorkomponente, die an der Basisplatte befestigt ist, mindestens eine bewegliche Motorkomponente, ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung der beweglichen Motorkomponente relativ zur feststehenden Motorkomponente um eine Rotationsachse und ein elektromagnetisches Antriebssystem für den Drehantrieb der beweglichen Motorkomponente.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass entweder die Basisplatte oder die Abdeckung, oder die Basisplatte und die Abdeckung als Teil des Gehäuses des elektronischen Geräts ausgebildet sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann lediglich die Basisplatte einteilig, d. h. also als integrales Teil des Gehäuses des elektronischen Gerätes ausgebildet sein.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist lediglich die Abdeckung als integrales Bauteil des Gehäuses des elektronischen Gerätes ausgebildet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind jedoch sowohl die Basisplatte als auch die Abdeckung einteilig, das heißt als integrales Bauteil des Gehäuses des elektronischen Gerätes ausgebildet.
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Durch die Erfindung wird eine drastische Reduktion der Bauhöhe des Spindelmotors möglich, denn das Gehäuse des elektronischen Gerätes ist nun als Teil des Spindelmotors ausgebildet, so dass ein eigenes Gehäuse für den Spindelmotor bzw. das fertig aufgebaute Speicherplattenlaufwerk entfällt. Es sind keine separat ausgebildete Basisplatte und/oder Abdeckung mehr notwendig, sondern das Gehäuse des elektronischen Gerätes wird anstelle dieser Bauteile verwendet. Dadurch ist es möglich, einen Spindelmotor bzw. ein Festplattenlaufwerk mit einer Bauhöhe von weniger als 6 mm aufzubauen. Ein solcher sehr flacher Spindelmotor bzw. Festplattenlaufwerk kann dann in entsprechende Tablett PCs, Tablett-Reader, oder auch andere mobile Endgeräte eingebaut werden und bietet gegenüber Halbleiter-Speichern preisgünstigen Speicherplatz hoher Kapazität. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, dass die Komponenten des Spindelmotors bzw. des Speicherplattenlaufwerks direkt in das Gehäuse des elektronischen Gerätes eingebaut sind, so dass ein separates, den Spindelmotor bzw. das Speicherplattenlaufwerk umschließendes Gehäuse entfällt. In dem Gehäuse des elektronischen Gerätes sind neben den Komponenten des Spindelmotors und Speicherplattenlaufwerkes vor allem eine Vielzahl von anderen Komponenten und Bauelementen angeordnet, die nicht Teil des Spindelmotors bzw. Speicherplattenlaufwerks sind. Der Spindelmotor bzw. das Speicherplattenlaufwerk stellt nur einen kleinen Teil der in das elektronische Gerät eingebauten Komponenten dar. Zusätzliche Bestandteile können dabei etwa ein Bildschirm und eine Eingabevorrichtung, etwa in Form einer Tastatur sein, wobei die Tastatur etwa als Touch-Screen in den Bildschirm integriert sein kann. Weitere Komponenten des elektronischen Gerätes sind etwa ein Mikroprozessor und ein Halbleiterspeicher als Ergänzung des Speicherplattenlaufwerkes, insgesamt auch als Hybridspeicher bezeichnet.
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Die Speicherplatte des Speicherplattenlaufwerks ist an der beweglichen Motorkomponente befestigt, und es sind an der Basisplatte Schreib-Lesevorrichtungen zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte angeordnet.
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Das Speicherplattenlaufwerk ist insbesondere als magnetisches Speicherplattenlaufwerk in Form eines Festplattenlaufwerks ausgebildet.
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Dieses Festplattenlaufwerk ist nun gegenüber den übrigen Bauteilen separat und staubdicht gekapselt im Gehäuse des elektronischen Gerätes angeordnet.
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Beispielsweise wird der Spindelmotor mit Festplattenlaufwerk zunächst als erstes im Gehäuse des elektronischen Gerätes in einem geeigneten Reinraum montiert und gekapselt. Danach können die übrigen Komponenten des elektronischen Gerätes außerhalb des Reinraums bzw. in einem geringer klassifizierten Reinraum montiert werden. Durch die Kapselung des Speicherplattenlaufwerks können keine Verunreinigungen in das Speicherplattenlaufwerk eindringen.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das Festplattenlaufwerk auch als abnehmbare Einheit in einer Aussparung des Gehäuses des elektronischen Gerätes angeordnet sein. Dabei bildet das Festplattenlaufwerk ein abnehmbares Teil des Gehäuses des elektronischen Gerätes, das sich in Form und Ausgestaltung in bzw. an das elektronische Gerät integriert, jedoch als Wechselspeicher ausgebildet ist.
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Durch die Integration des Speicherplattenlaufwerks in das jeweilige elektronische Gerät, z. B. ein Tablett-PC, welches in der Regel mit einem Außengehäuse ausgestattet ist, und dessen vorzugsweise kombinierte Nutzung als Abdeckung für das Speicherplattenlaufwerk kann auf einen zusätzlichen separaten Gehäusedeckel verzichtet werden. Die eingesparte Bauhöhe steht somit für funktionsrelevante Bauteile des Lagersystems zur Verfügung, ohne dass eine wesentliche Funktion des Speicherplattenlaufwerks beeinträchtigt ist. Der Ersatz der Abdeckung durch das Gehäuse des elektronischen Geräts erfordert ein aufeinander abgestimmte Geometrien, Dichtelemente (auf dem Gerätegehäuse oder auf der Basisplatte des Laufwerks), gegebenenfalls ein Befestigungselement für die Welle des Spindelmotors (z. B. Schraube) und gegebenenfalls weitere Befestigungselemente für die Basisplatte.
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Zum Schutz des Speicherplattenlaufwerks vor Umgebungspartikeln kann zusätzlich eine dünne Metall- oder Kunststofffolie oder Platte anstelle der Abdeckung (Top Cover) befestigt z. B. aufgeklebt oder aufgeschrumpft werden, die das Speicherplattenlaufwerk staubdicht verschließt und somit dessen Montage in das Gehäuse des elektronischen Geräts außerhalb eines Reinraumes ermöglicht. Da jedoch ein Druckausgleich erforderlich ist, werden bei einer starren Abdeckung entweder Filter verwendet oder die Abdeckung ist flexibel. Alternativ wirk ein Druck-ausgleichendes, flexibles Element vorgesehen, welches zwischen dem Innenraum des Festplattenlaufwerks und dem Innenraum des elektronischen Gerätes angeordnet ist.
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Als weitere Ausführung kann auch auf Seitenwände und Boden an der Basisplatte verzichtet werden, wenn die funktionsrelevanten Bauteile des Speicherplattenlaufwerks direkt oder auf einem minimierten Trägerkörper in dem Gehäuse des elektronischen Geräts montiert werden. Der Bereich des Speicherplattenlaufwerks kann partiell abgetrennt mit einem Dichtungsdeckel oder einer Folie gegen Partikel geschützt werden.
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Weiterhin kann eine Basisplatte so ausgestaltet werden, dass sie direkt als Gehäuse des elektronischen Geräts oder als Montage-Plattform oder -Rahmen für weitere mechanische und elektronische Bauteile, wie Leiterplatten, Bildschirm ausgeführt ist. Somit übernimmt das Speicherplattenlaufwerk ganz oder teilweise die Gehäusefunktion des elektronischen Geräts.
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Ebenso kann ein Speicherplattenlaufwerk im Außengehäuse so auf das elektronische Gerät abgestimmt werden, dass es z. B. an dieses angedockt wird und die Gehäusefunktion partiell übernimmt.
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Aufgrund der geringen Bauhöhe des Spindelmotors können die herkömmlichen Methoden zur Erzeugung einer axialen Vorspannung für das fluiddynamische Axiallager nicht oder nur eingeschränkt verwendet werden. Es wird daher vorgeschlagen, zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannkraft mindestens einen separaten Permanentmagneten zu verwenden, der beispielsweise am feststehenden Motorbauteil, vorzugsweise am feststehenden Lagerbauteil, in der Nähe eines ersten Dichtungsspalts angeordnet ist und nur durch einen schmalen axialen Spalt vom Rotorbauteil getrennt ist. Das Rotorbauteil besteht aus ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Stahl, und wird durch den Permanentmagneten magnetisch angezogen. Diese magnetische Kraft wirkt der Kraft des fluiddynamischen Axiallagers axial entgegen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Festplattenlaufwerks, das in ein Gehäuse eines elektronischen Geräts integriert ist.
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1A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Festplattenlaufwerks von 1.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Festplattenlaufwerks, das in ein Gehäuse eines elektronischen Geräts integriert ist.
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2A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Festplattenlaufwerks von 2.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Festplattenlaufwerks, das in ein Gehäuse eines elektronischen Geräts integriert ist.
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3A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Festplattenlaufwerks von 3.
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4 zeigt eine Ansicht einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Festplattenlaufwerks als Teil eines Gehäuses eines elektronischen Geräts.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Festplattenlaufwerkes in einer gegenüber 2A abgewandelten Ausgestaltung.
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6 zeigt einen Schnitt durch ein Festplattenlaufwerk gemäß der 5.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die 1 und 1A zeigen eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Festplattenlaufwerks 10, das in ein Gehäuse 14 eines elektronischen Gerätes integriert ist. Das Festplattenlaufwerk 10 umfasst eine Basisplatte 12, die als Montageplattform für die Motorkomponenten und weitere mechanische und elektronische Bauteile dient. Das Gehäuse 14 des elektronischen Gerätes, in welches das Festplattenlaufwerk 10 eingebaut ist, dient dabei als Abdeckung für das Festplattenlaufwerk 10. Hierzu umfasst die Basisplatte 12 einen umlaufenden hochgezogen Rand, der durch Dichtungsmittel 20 abgedichtet wird und auf dem Gehäuse 14 des elektronischen Gerätes aufliegt. Das Gehäuse 14 des elektronischen Gerätes wird durch einen Gehäusedeckel 16 verschlossen. Dieser kann beispielsweise einen Bildschirm aufweisen.
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Das Festplattenlaufwerk 10 besteht aus der Basisplatte 12, mit einer Öffnung, in welche eine Lagerbuchse 22 aufgenommen ist. Die Lagerbuchse 22 umfasst eine Lagerbohrung, in welcher eine Welle 24 mittels eines fluiddynamischen Lagers um eine Drehachse 42 drehbar gelagert ist. Das fluiddynamische Lagersystem umfasst zwei Radiallager 44, 46, die zwischen den aneinander angrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 22 und der Welle 24 angeordnet sind, sowie mindestens ein fluiddynamisches Axiallager 48, welches zwischen einer Stirnseite der Lagerbuchse 22 und einer gegenüberliegenden Seite eines Rotorbauteils 26 angeordnet ist. Das Rotorbauteil 26 ist mit der Welle 24 fest verbunden und wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben. Das elektromagnetische Antriebssystem umfasst eine Statoranordnung 30, die an der Basisplatte befestigt ist und aus einer Anzahl von gestapelten Statorblechen besteht, die mit Statorwicklungen bewickelt sind. Ferner ist ein Rotormagnet 32 vorgesehen, welcher der Statoranordnung 30 gegenüberliegend an dem Rotorbauteil 26 befestigt ist. Auf dem Rotorbauteil 26 ist mindestens eine Speicherplatte 34 angeordnet, welche zur Aufzeichnung und Wiedergabe von elektronischen Daten dient. Seitlich des Spindelmotors und der Speicherplatte 34 bildet die Basisplatte 12 einen Bauraum 36, der zur Anordnung der mechanischen und elektronischen Bauteilen der Schreib-Lesevorrichtung (nicht dargestellt) dient, mittels welcher Daten auf die Speicherplatte 34 geschrieben und von dieser gelesen werden können.
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Durch die Verwendung des Gehäuses 14 des elektronischen Geräts als Abdeckung für das Festplattenlaufwerk 10 kann die Bauhöhe des Festplattenlaufwerks reduziert werden. In einem verbleibenden Bauraum 38 des Gehäuses 14 können ferner weitere Komponenten des elektronischen Gerätes, beispielsweise elektronische Bauteile, Akkus, Anzeigeeinrichtungen and anderes eingebaut werden.
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Die 2 und 2A zeigen eine zweite Ausgestaltung der Erfindung. Bei dieser Ausgestaltung sind insbesondere Teile des Gehäuses 114 des elektronischen Gerätes als Basisplatte für das Festplattenlaufwerk 110 ausgebildet. Hierzu ist das Gehäuse 114 des elektronischen Gerätes entsprechend geformt, um die Motorkomponenten und weitere mechanische und elektronische Bauteile des Festplattenlaufwerks 110 aufnehmen zu können.
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Wie man insbesondere in 2A erkennt, umfasst das Gehäuse 114 eine Öffnung, in welcher ein feststehendes Lagerbauteil 128 befestigt ist. Das feststehende Lagerbauteil 128 nimmt eine feststehende Welle 124 auf, deren freies Ende mit einer Abdeckung 118 verbunden ist, welche das Festplattenlaufwerk 110 partikelfrei verschließt, wobei die Abdeckung 118 auf einem umlaufenden Rand des Gehäuses 114 aufliegt und durch Dichtungsmittel 120 abgedichtet ist.
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Ein Rotorbauteil 126, das eine einteilig angeformte Lagerbuchse 122 umfasst, ist auf der feststehenden Welle 124 mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehbar gelagert. Das Rotorbauteil 126 wird angetrieben von einer elektromagnetischen Antriebseinheit, die gebildet ist durch eine Statoranordnung 130, die am Gehäuse 114 befestigt ist, sowie einen Rotormagneten 132, der an einem umlaufenden Rand des Rotorbauteils 126 befestigt ist.
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Das Rotorbauteil 126 trägt beispielsweise zwei Speicherplatten 134, auf welche mittels einer Schreib-Leseeinrichtung (nicht dargestellt) Daten aufgebracht und gelesen werden können. Die Schreib Leseeinrichtung ist in einem entsprechenden Bauraum 136 seitlich von den Motorkomponenten und Speicherplatten angeordnet.
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Das Gehäuse 114 wird mittels eines Gehäusedeckels 116 abgedeckt. In den verbleibenden Bauraum 138 des Gehäuses 114 können nun weitere Komponenten des elektronischen Gerätes, beispielsweise elektronische Bauteile, Akkus, Anzeigeeinrichtungen, and anderes eingebaut werden.
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Die 3 und 3A zeigen nunmehr eine dritte Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Festplattenlaufwerk 210 wiederum in das Gehäuse 214 des elektronischen Gerätes integriert ist. Das Gehäuse 214 bildet hierbei die Basisplatte des Festplattenlaufwerks 210 zur Anordnung der Motorkomponenten und notwendigen mechanischen und elektronischen Komponenten. An den äußeren Rändern des Festplattenlaufwerks 110 sind Dichtmittel 220 angeordnet, die zusammen mit dem montierten Gehäusedeckel 216 das Festplattenlaufwerk 210 staubdicht abdichten.
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Wie in 3A zu erkennen ist, umfasst das Festplattenlaufwerk 210 eine feststehende Lagerbuchse 222, die in einer Öffnung des Gehäuses 214 angeordnet ist. In einer Lagerbohrung der Lagerbuchse 222 ist eine Welle 224 angeordnet, die in der Lagerbuchse mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehbar gelagert ist. Ein freies Ende der Welle 224 trägt ein Rotorbauteil 226, welches die Speicherplatten 234 des Festplattenlaufwerks 210 trägt. Das Rotorbauteil 226 wird angetrieben von einer elektromagnetischen Antriebseinheit, welche aus einer Statoranordnung 230 besteht, die am Gehäuse 114 angeordnet ist, und einem Rotormagneten 232, welcher am Innenumfang des Rotorbauteils 226 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Festplattenlaufwerk 210 besonders flach ausgebildet sein, denn sowohl die Basisplatte als auch die Abdeckung des Festplattenlaufwerks werden durch das Gehäuse 214 bzw. dem Gehäusedeckel 216 des elektronischen Gerätes gebildet. Das Gehäuse 214 wird mittels eines Gehäusedeckels 216 abgedeckt. In den verbleibenden Bauraum 238 des Gehäuses 214 können nun weitere Komponenten des elektronischen Gerätes, beispielsweise elektronische Bauteile, Akkus, Anzeigeeinrichtungen, and anderes eingebaut werden.
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4 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, bei dem das Gehäuse 314 des elektronischen Gerätes ein separates, vorzugsweise vom Gehäuse 314 abnehmbares Gehäuseteil 315 aufweist. In dieses Gehäuseteil 315 ist das erfindungsgemäße Festplattenlaufwerk 310 integriert, welches beispielsweise eine Basisplatte 312 als Montageplattform für die Motorkomponenten und für weitere mechanische und elektronische Bauteile aufweist, wobei das Gehäuseteil 315 als Abdeckung des Festplattenlaufwerks 310 dient. In ähnlicher Weise wie es in 3 dargestellt ist, kann das Gehäuseteil 315 aber auch sowohl als Basisplatte als auch Abdeckung des Festplattenlaufwerks 310 ausgebildet sein. Das Gehäuseteil 315 ist an das restliche Gehäuse 314 des elektronischen Gerätes angedockt und übernimmt teilweise dessen Gehäusefunktion. Der Vorteil ist, dass das Festplattenlaufwerk 310 zusammen mit dem Gehäuseteil 315 bei einem Defekt oder zum Zwecke einer Aufrüstung der Speicherkapazität ausgetauscht werden kann. Ferner kann das Gehäuseteil zusätzliche Batterien 340 aufweisen.
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5 zeigt einen Ausschnitt eines Festplattenlaufwerkes 410 in einer gegenüber 2A abgewandelten Ausgestaltung und ist mit angegebenem Maßstab maßstäblich gezeichnet. Der in 2A gezeigte Spindelmotor kann unmittelbar gegen den in 5 beschriebenen Spindelmotor ausgetauscht werden.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 412, die erfindungsgemäß als Teil des Gehäuses 114 eines elektronischen Geräts (siehe 2) ausgebildet ist. Die Basisplatte 412 weist eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung auf, in welcher ein feststehendes Lagerbauteil 428 aufgenommen ist. Das feststehende Lagerbauteil 428 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und hat an einem Ende einen radial nach innen gerichteten Rand 428a, der eine Öffnung definiert. Es ist ferner eine Welle 424 vorgesehen, die im Querschnitt etwa T-förmig ausgebildet ist aus drei Abschnitten besteht, einem unteren 424a, einem mittleren 424b und einem oberen Abschnitt 424c. Der untere Abschnitt der Welle 424 besteht aus einem Flansch 424a, der einen größeren Durchmesser als der mittlere Abschnitt 424b der Welle aufweist. Somit wird keine zusätzliche Fügelänge und damit Bauhöhe für die Verbindung zwischen Welle 424 und Lagerbauteil 428 benötigt und die am Außenumfang der Welle 424 und auf der oberen Stirnseite des Flansches 424a befindlichen Oberflächen können relativ leicht maschinell bearbeitet werden. Der Flansch 424a der Welle 424 ist in der durch den Rand 428a des Bauteils 428 gebildeten Öffnung aufgenommen. Vorzugsweise werden der Rand 428a und der Flansch 424a an ihren Berührungsflächen stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung und/oder Klebeverbindung.
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Der mittlere Abschnitt 424b und der obere Abschnitt 424c der Welle 424 stehen senkrecht bezüglich der Basisplatte 412 und dem feststehenden Lagerbauteil 428 und ragen über diese Bauteile axial hinaus. An dem oberen Abschnitt 424c der Welle 424 ist ein ringförmiges Stopperbauteil 425 angeordnet, das vorzugsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig an der Welle 424 befestigt ist. Das Stopperbauteil 425 hat einen deutlich größeren Außendurchmesser als die Welle 424 im mittleren Abschnitt 424b aufweist. Die Welle 424 weist in dem oberen Abschnitt 424c, der als Verbindungsbereich mit dem Stopperbauteil 425 dient, einen gegenüber dem mittleren Abschnitt 424b verkleinerten Außendurchmesser auf. Im mittleren Abschnitt 424b der Welle 424 befindet sich der Radiallagerbereich. Die Basisplatte 412, die Welle 424, das Lagerbauteil 428 und das Stopperbauteil 425 bilden das feststehende Motorbauteil des Spindelmotors.
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Der Spindelmotor umfasst ein Rotorbauteil 426, an dem eine zylindrische Lagerbuchse 422 einstückig angeformt ist. Die Lagerbuchse 422 des Rotorbauteils 426 hat eine zylindrische Lagerbohrung, durch welche die Welle 424 hindurchgesteckt ist und in welcher Radiallager ausgebildet sind. Die Lagerbuchse ist in einem durch die Welle 424 und die beiden Bauteile 425 und 428 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen um eine Drehachse 442 drehbar angeordnet. Das Stopperbauteil 425 ist zumindest teilweise in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 426 angeordnet. Der Durchmesser der Aussparung ist größer als der Durchmesser der Lagerbohrung.
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Ein mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllter Lagerspalt 423 trennt aneinander angrenzende Flächen der Welle 424, des Flansches 424a, der Lagerbuchse 422 und der beiden Bauteile 425, 428 voneinander.
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An der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 422 sind zwei zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet. Die Radiallagerflächen der Lagerbuchse 422 umschließen den mittleren Abschnitt 424b der feststehende Welle 424 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 423 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Radiallagerflächen der Welle 424 zwei fluiddynamische Radiallager 444, 446. Die beiden Radiallager 444, 446 sind durch einen kurzen Separatorabschnitt voneinander getrennt. Entlang des Separatorabschnitts hat der Lagerspalt 420 einen im Vergleich zu den Radiallagerspalten deutlich größeren radialen Spaltabstand.
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Die Radiallagerflächen der beiden Radiallager 444, 446 sind beispielsweise mit sinus- oder parabelförmigen Radiallagerrillen versehen. Die Radiallagerrillen 444a des oberen Radiallagers 444 sind vorzugsweise weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der Teil der Radiallagerrillen, der oberhalb des Apex angeordnet ist, etwa genauso lang ausgebildet ist, wie der untere Teil der Radiallagerrillen. Die Pumpwirkung beider Teile der Radiallagerrillen 444a des oberen Radiallager 444 weist in Richtung zum Apex, d. h. zur Lagermitte, so dass das Radiallager 444 tragfähig wird. Es gibt aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen des oberen Radiallagers 444 jedoch keine generierte Netto-Pumprichtung, die auf das Lagerfluid wirkt.
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Demgegenüber sind die Radiallagerrillen 446a des unteren Radiallagers 446 vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet insofern, als dass der Teil der Radiallagerrillen, der unterhalb des Apex angeordnet ist, länger ausgebildet als der obere Teil der Radiallagerrillen. Hierdurch entsteht einerseits eine Drucksteigerung innerhalb des Lagerfluids in Richtung zum Apex des Radiallagers 446, wodurch das Radiallager 446 tragfähig wird. Andererseits wird eine Netto-Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 444 befördert.
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Unterhalb des unteren Radiallagers 446 geht der axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 423 in einen radial verlaufenden Abschnitt über, entlang dessen ein fluiddynamisches Axiallager 448 angeordnet ist. Das Axiallager 448 ist durch radial verlaufende Axiallagerflächen der Lagerbuchse 422 und entsprechend gegenüber liegende Axiallagerflächen des Flansches 424a der Welle 424 gebildet. Das Axiallager endet radial außen am Außenumfang des Flansches 424a und radial innen am axial verlaufenden mittleren Abschnitt 424b der Welle 424. Die Axiallagerflächen des Axiallagers 448 sind als zur Drehachse 442 senkrechte Kreisringe ausgebildet. Das fluiddynamische Axiallager 448 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Axiallagerrillen 448a gekennzeichnet, die entweder auf der unteren Stirnseite der Lagerbuchse 422, dem Flansch 424a der Welle 424 oder beiden Teilen angebracht sind. Auf der Oberfläche des Randes 428a des feststehenden Lagerbauteils 428 bzw. den direkt gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 422 sind keine Axiallagerrillen angeordnet. Der zwischen dem Flansch 424a der Welle 424 und der Lagerbuchse 422 angeordnete radial verlaufende Axiallagerspalt ist kleiner als der axiale Spalt zwischen der Lagerbuchse 422 und dem Rand 428a des feststehenden Lagerbauteils 428.
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Im der Lagerbuchse 422 ist ein Rezirkulationskanal 450 angeordnet, der ausgehend vom einem radial verlaufenden Spalt zwischen der oberen Stirnfläche der Lagerbuchse 422 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Stopperbauteils 425 schräg nach unten durch die Lagerbuchse 422 verlauft und radial außerhalb des Axiallagers 448 in einen radial verlaufenden Abschnitt eines ersten kapillaren Dichtungsspalts 452 mündet.
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Der Dichtungsspalt 452 schließt sich an den radialen Abschnitt des Lagerspalts 423 im radial außerhalb des Axiallagers 448 an und ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 452 ist durch Oberflächen der Lagerbuchse 422 und des Lagerbauteils 428 begrenzt ist und dichtet das Ende des Lagerspalts 423 ab. Der Dichtungsspalt 452 umfasst einen kurzen radial verlaufenden Abschnitt und einen längeren, sich konisch aufweitenden und nahezu axial verlaufenden Abschnitt, der von einer äußeren Umfangsfläche des Lagerbuchse 422 und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 428 begrenzt ist. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 452 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Menge an Lagerfluid bereit. Ferner können hierdurch Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden.
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Auf der anderen Seite des Lagersystems ist die Lagerbuchse 422 des Rotorbauteils 426 im Anschluss an das obere Radiallager 444 so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 425 einen radialen Spalt bildet. Innerhalb dieses radialen Spaltes werden optional, aber nicht notwendigerweise spiralrillenförmige Pump- oder Axiallagerrillen vorgesehen. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 454 an, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und den Lagerspalt 423 an diesem Ende abdichtet. Der zweite Dichtungsspalt 454 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 422 und des Stopperbauteils 425 begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Dabei kann die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 425 im Verlauf zum Lageräußeren leicht nach innen in Richtung zur Drehachse 442 geneigt sein. Die gegenüber liegende innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 422 verläuft entweder parallel zur Drehachse 442 oder ist ebenfalls leicht nach innen geneigt, wobei der Neigungswinkel allerdings kleiner ist, als der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche des Stopperbauteils 425, so dass sich eine konische Kapillardichtung ergibt. Der resultierende Winkel zwischen der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 422 und der äußeren Umfangsfläche des Stopperbauteils 425 ist deutlich größer, bevorzugt mindestens viermal so groß wie der Winkel des ersten Dichtungsspaltes 452, der gebildet ist zwischen der inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 428 und der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 422.
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Der zweite Dichtungsspalt 454 kann vorzugsweise durch eine Pumpdichtung 456 ergänzt sein. Die Pumpdichtung 456 umfasst Pumprillenstrukturen 456a, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 425 oder der Lagerbuchse 246a angeordnet sind. Während sich das Lager dreht, erzeugen die Pumprillenstrukturen 456a eine Pumpwirkung auf das im zweiten Dichtungsspalt 454 befindliche Lagerfluid. Diese Pumpwirkung ist in Richtung des Lagerspalts 423, also in Richtung der Radiallager 444 und 446 gerichtet.
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Der zweite Dichtungsspalt 454 ist von einer ringförmig profilierten Abdeckung 458 abgedeckt. Die Abdeckung 458 ist auf einen Rand des Rotorbauteils 426 aufgesteckt und dort beispielsweise angeklebt, wobei die Abdeckung 426 auf einer radial verlaufenden, stirnseitigen Fläche des Rotorbauteils 426 aufliegt. Ein innerer Rand der Abdeckung 458 bildet zusammen mit einer Umfangsfläche des Stopperbauteils 425 einen Luftspalt als Spaltdichtung. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 454 bzw. verringert ein Abdampfen des Lagerfluids und erhöht somit die Lebensdauer des Fluidlagers.
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An seinem axial äußeren Ende weitet sich der Dichtungsspalt 454 in einen Freiraum auf, der vorzugsweise so groß ist, dass er das gesamte im Lager befindliche Volumen an Lagerfluid aufnehmen kann. Dieser Freiraum dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid. Hierbei werden der Lagerspalt und die Dichtungsspalte vorzugsweise evakuiert und das Gesamtvolumen an Lagerfluid in den Freiraum gefüllt. Danach wird der Lagerspalt wieder belüftet, wodurch das Volumen an Lagerfluid aus dem Freiraum in den Lagerspalt und die Dichtungsspalte gedrückt wird.
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Der Spindelmotor weist ein elektromagnetisches Antriebssystem auf, das in bekannter Weise gebildet ist durch eine an der Basisplatte 412 angeordnete Statoranordnung 430 aus gestapelten Statorblechen, und einem die Statoranordnung in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Rotormagneten 432, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 426 angeordnet ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor, jedoch kann ohne Einschränkung alternativ ein Innenläufermotor verwendet werden, bei welchem die Statoranordnung radial außerhalb des Rotormagneten angeordnet ist.
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Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 448 aufweist, das auf das Rotorbauteil 426 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 425 erzeugt, ist eine entsprechende axiale Gegenkraft oder Vorspannkraft notwendig, die das Rotorbauteil 426 axial im Kräfte-Gleichgewicht hält. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten.
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Die Statoranordnung 430 und der Rotormagnet 432 können beispielsweise axial zueinander versetzt angeordnet werden (magnetischer Offset), und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 432 axial weiter entfernt von der Basisplatte 412 angeordnet ist als die Mitte der Statoranordnung 430. Dadurch wird vom Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft auf das Rotorbauteil 426 ausgeübt, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des Axiallagers 448 wirkt.
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Eine andere bekannte Möglichkeit ist die Verwendung eines ferromagnetischen Zugringes 460, der axial unterhalb des Rotormagneten 432 angeordnet ist und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Kraft wirkt der Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 448 entgegen. Bei sehr flachen Spindelmotoren mit einer Bauhöhe von 6 mm oder weniger, ist diese Methode aufgrund mangelnder Platzverhältnisse nicht mehr sinnvoll anwendbar.
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Die bei dem dargestellten Spindelmotor bevorzugte Variante besteht darin, zur magnetischen Vorspannung des Axiallagers mindestens einen separaten Permanentmagneten 462 zu verwenden, der beispielsweise am feststehenden Motorbauteil, vorzugsweise am feststehenden Lagerbauteil 428, in der Nähe des oberen Bereichs des ersten Dichtungsspalt 452 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 462 ist an einem axial in Richtung des Rotorbauteils 426 gerichteten Rand des feststehenden Lagerbauteils 428 angeordnet, wobei sich zwischen dem Permanentmagnet 462 und dem Rotorbauteil 426 ein Luftspalt verbleibt, der angrenzend an die Öffnung des Dichtungsspalts 452 angeordnet ist.
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Der Permentmagnet 462 kann ringförmig ausgebildet sein oder aus mehreren einzelnen Magneten bestehen, die über den Umfang des feststehenden Lagerbauteils 428 verteilt angeordnet sind. Das Rotorbauteil 426 besteht aus ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Stahl, und wird durch den Permanentmagneten 462 magnetisch angezogen. Diese magnetische Kraft wirkt der Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 448 entgegen.
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Es kann in umgekehrter Weise vorgesehen sein, das der Permanentmagnet 462 an der Unterseite des Rotorbauteils 426 dem Rand des feststehende Lagerbauteils 428 gegenüberliegend angeordnet ist. In diesem Fall besteht das feststehende Lagerbauteil 428 aus einem ferromagnetischen Material und wird durch den Permanentmagneten 462 magnetisch angezogen.
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Die drei beschriebenen Methoden der magnetischen Vorspannung können entweder einzeln angewendet oder beliebig untereinander kombiniert werden.
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Diese Variante hat mehrere Vorteile. Es ist kein magnetischer Offset und kein Zugring notwendig, welche insbesondere die akustischen Eigenschaften des Spindelmotors verschlechtern, da sie bei Drehung des Motors rasch wechselnde magnetische Kräfte erzeugen, die Störgeräusche insbesondere im akustischen Bereich verursachen. Ferner entfällt der Bremseffekt, der sich infolge der Ausbildung von Wirbelströmen bei Verwendung eines Zugsringes aufgrund der wechselnden Magnetisierung de Rotormagneten einstellt und bislang eine erhöhte Stromaufnahme des Motors zur Folge hatte.
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Der Permanentmagnet 462 wirkt gleich bleibend auf das Rotorbauteil 426, so dass keine rasch wechselnden magnetischen Kräfte auftreten, die Störgeräusche oder Wirbelströme verursachen.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Effekt der magnetischen Vorspannung mit einem separaten Permanentmagneten 462 ist eine Verringerung des Austretens von verdunstetem Lagerfluid aus dem ersten Dichtungsspalt 452 des Lagers.
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Der Permanentmagnet 462 sitzt am Rand des feststehenden Lagerbauteils 428 unmittelbar gegenüberliegend dem Rotorbauteil 426. Zwischen dem Permanentmagneten 462 und dem Rotorbauteil 426 wird ein enger Luftspalt 464 in Form einer Labyrinthdichtung gebildet. Aus dem angrenzenden ersten Dichtungsspalt 452 verdampfendes Lagerfluid kann nur über diesen engen Luftspalt 464 aus dem Lager austreten. Aufgrund von diamagnetischen Eigenschaften wird der Fluiddampf zusätzlich durch das im Luftspalt 464 wirkende Magnetfeld des Permanentmagneten 462 im Dichtungsspalt 452 zurückgehalten. Ein Entweichen von Fluiddampf aus dem Dichtungsspalt 452 wird dadurch deutlich verringert.
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Zwischen dem Permanentmagneten 462 und der Statoranordnung 430 ist ein zylindrischer Abschnitt der Basisplatte 412 angeordnet. Falls die Basisplatte aus ferromagnetischem Material, etwa aus ferromagnetischem Stahl besteht, wirkt dieser zylindrische Abschnitt als magnetische Abschirmung und verringert störende Einflüsse des Permanentmagneten 462 auf die magnetischen Eigenschaften der Statoranordnung 430.
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Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei Spindelmotoren für ein Festplattenlaufwerk mit magnetischen Speicherplatten mit einem Durchmesser von 2,5 Zoll. Vorzugsweise haben die in den
1 bis
6 dargestellten Spindelmotoren folgende Daten und Abmessungen: Stator:
| Anzahl A der Statorbleche: | 3 bis 8, bevorzugt 4 bis 6 (jeweils inklusive) |
| Axiale Höhe B des Statorblechpakets: | 0,8 bis 1,8 mm, bevorzugt 1 bis 1,4 mm |
| Dicke C der einzelnen Statorbleche: | 0,15 bis 0,35 mm, bevorzugt 0,2 mm |
| Zahnbreite D in Umfangsrichtung: | 1 bis 2 mm, bevorzugt 1,2 bis 1,6 mm |
| Statornut-Öffnung E in Umfangsrichtung: | 0,8 bis 1,8 mm, bevorzugt 1 bis 1,4 mm |
| Stator-Außendurchmesser F für | |
| eine Speicherplatte: | 14 bis 18 mm, bevorzugt 15 bis 17 mm |
| Stator-Außendurchmesser F für | |
| mehrere Speicherplatten: | 18 bis 22 mm, bevorzugt 19 bis 21 mm |
Rotormagnet:
| axiale Höhe G des Rotormagneten: | 1,5 bis 3,0 mm, bevorzugt 2 bis 2,5 mm |
| Magnet-Innendurchmesser H: | 14,5 bis 19 mm, bevorzugt 16 bis 18 mm |
| Magnet-Außendurchmesser I: | 18,5 bis 23 mm, bevorzugt 20 bis 22 mm |
| Magnetdicke J, radial: | ca. 1 mm, bevorzugt 0,8 mm bis 1,4 mm |
| radiale Anlagelänge K von axialer Oberseite des | |
| Rotormagneten an Unterseite der Nabe: | 10% bis 80%, bevorzugt 30% bis 60% |
| Quotient aus Statorhöhe/Magnethöhe: | 40% bis 80% |
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Wicklung:
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Bevorzugt wird Kupferlackdraht als Statorwicklung verwendet.
| Wickeldraht-Durchmesser: | 0,1 bis 0,2 mm, bevorzugt 0,12 bis 0,14 mm |
| | (gemessen ohne Lack-Isolierung) |
| Anzahl der Windungen pro Statorpol: | 30 bis 80, bevorzugt 50 bis 70 |
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Es wird ein magnetischer Offset (= Abstand der magnetischen Mitten von Stator und Rotormagnet) ungleich Null zwischen Stator und Rotormagnet vorgesehen, um eine axiale magnetische Gegenkraft zur Fluidlager zu generieren. Alternativ oder zusätzlich wird ein Zugring (attractive plate) zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein separater Permanentmagnet zur magnetischen Vorspannung verwendet werden.
| Magnetischer Offset L: | 0,1 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,3 bis 0,4 mm |
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110, 210, 310, 410
- Festplattenlaufwerk
- 12, 312, 412
- Basisplatte
- 14, 114, 214, 314
- Gehäuse
- 315
- Gehäuseteil (abnehmbar)
- 16, 116, 216
- Gehäusedeckel
- 118
- Abdeckung
- 20, 120, 220
- Dichtung
- 22, 122, 222, 422
- Lagerbuchse
- 423
- Lagerspalt
- 24, 124, 224, 424
- Welle
- 424a, 424b, 424c
- Abschnitte der Welle 424
- 425
- Stopperbauteil
- 26, 126, 226, 426
- Rotorbauteil
- 128, 428, 428a
- Lagerbauteil
- 30, 130, 230, 430
- Statoranordnung
- 32, 132, 232, 432
- Rotormagnet
- 34, 134, 234
- Speicherplatte
- 36, 136, 236
- Bauraum (für Schreib-Leseeinrichtung)
- 38, 138, 238, 338
- Bauraum
- 340
- Batterie
- 42, 442
- Drehachse
- 44, 444, 444a
- Radiallager
- 46, 446, 446a
- Radiallager
- 48, 448, 448a
- Axiallager
- 450
- Rezirkulationskanal
- 452
- Dichtungsspalt, erster
- 454
- Dichtungsspalt, zweiter
- 456, 456a
- Pumpdichtung
- 458
- Abdeckung
- 460
- Zugring
- 462
- Permanentmagnet
- 464
- Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009031219 A1 [0002]
