DE102012016003A1

DE102012016003A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102012016003A1
Application number: DE201210016003
Authority: DE
Inventors: Lei Jiang
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2012-08-11
Filing date: 2012-08-11
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Es wird ein fluiddynamisches Lagersystem vorgeschlagen, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welches eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung umfasst, eine Welle, die in der Lagerbohrung der Lagerbuchse drehbar angeordnet ist, eine Lagerplatte, die mit der Welle verbunden ist, eine Aussparung in der Lagerbuchse zur Aufnahme der Lagerplatte, einen Lagerspalt, der zwischen aneinander angrenzenden Oberflächen der Welle, der Lagerbohrung, der Lagerplatte und der Aussparung gebildet ist und einen axialen Abschnitt und radiale Abschnitte aufweist, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager, das entlang des axialen Abschnitts des Lagerspalts angeordnet ist, und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager, das entlang des radialen Abschnitts des Lagerspalts angeordnet ist.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerplatte entweder flexibel ausgebildet ist und eine Durchbiegung von mehreren Mikrometern zulässt oder dass die Lagerplatte gelenkig an der Welle angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welcher seinerseits zum Antrieb beispielsweise eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden kann.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von fluiddynamischen Lagersystemen bekannt.
In der Regel bestehen diese Lagersysteme aus mindestens zwei Lagerbauteilen, die getrennt durch einen Fluidfilm um eine gemeinsame Drehachse relativ zueinander drehbar angeordnet sind.
Die beiden Lagerbauteile umfassen in der Regel eine Welle und eine Lagerbuchse, die eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Welle rotiert frei in der Lagerbuchse und bildet zusammen mit dieser mindestens ein fluiddynamisches Radiallager. Die Lageroberflächen von Welle und Lagerbuchse sind durch einen dünnen, konzentrischen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet.
Gemäß einer verbreiterten Bauweise eines fluiddynamischen Lagers ist vorzugsweise an einem Ende der Welle eine Lagerplatte angeordnet, die Lagerflächen bildet, welche senkrecht zur Drehachse der Welle angeordnet sind. Diese Lagerflächen bilden zusammen mit gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerbuchse bzw. einer Abdeckplatte mindestens ein fluiddynamisches Axiallager, das axiale Lagerkräfte aufnimmt und eine übermäßige eine axiale Verschiebung der Welle entlang der Rotationsachse verhindert.
Der notwendige fluiddynamische Druck im Lagerspalt wird durch Lagerrillenstrukturen erzeugt, die bei Drehung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben und die erforderliche Lagerkraft generieren.
Ein typisches Lager dieser Bauart ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift US 2007/0196035 A1 offenbart.
Derartige fluiddynamische Lager für Spindelmotoren sind sehr klein, wobei die Lagerbauteile nur wenige Millimeter groß sind und die Lagerspalte eine Breite von wenigen Mikrometern bis einige zehn Mikrometer aufweisen.
Auf Grund dieser geringen Abmessungen und engen Toleranzen müssen diese Lager sehr genau hergestellt werden, damit die Funktion des fluiddynamischen Lagers unter allen Betriebsbedingungen gegeben ist.
Auf Grund von Fertigungstoleranzen und Montagetoleranzen kommt es jedoch vor, dass die Lagerflächen oder Lagerspalte ungleichmäßig ausgebildet sind. Beispielswiese können die Welle und die Lagerplatte nicht genau senkrecht zueinander montiert sein, oder die Breite des Lagerspaltes, insbesondere im Bereich des Axiallagers, kann durch ungenaue Lagerflächen ungleichmäßig sein und entlang der Lagerfläche variieren.
11 zeigt beispielsweise schematisch eine Lagerbuchse 10 mit einer Lagerbohrung, in welcher eine Welle 12 angeordnet ist. Am Ende der Welle 12 ist eine Lagerplatte 14 angeordnet, die sich idealer Weise senkrecht zur Drehachse der Welle 12 erstreckt. Die Lagerplatte 14 ist in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 10 angeordnet. Die Lagerflächen der Welle 12 und der Lagerplatte 14 sind durch einen Lagerspalt 16 von den Lagerflächen der Lagerbuchse 10 getrennt, wobei in den Zeichnungen der Lagerspalt zur Verdeutlichung übertrieben breit dargestellt ist.
11 zeigt den Idealfall, d. h. die Lagerbohrung sowie die Aussparung in der Lagerbuchse 10 sind maßgenau gearbeitet und die Lagerplatte 14 ist exakt rechtwinklig zur Welle 12 angeordnet.
In diesem Idealfall haben sowohl der axiale Abschnitt 16a des Lagerspaltes als auch die beiden radialen Abschnitte 16b und 16c des Lagerspaltes über ihre Wirklänge eine gleich bleibende Breite.
Durch Toleranzen, die bei der Montage oder bei der Herstellung der Bauteile hervorgerufen werden, lässt sich der in 11 gezeigte Idealfall in der Regel jedoch nicht erreichen.
12 zeigt den Fall, bei dem die Lagerplatte 14 schief an der Welle 12 befestigt ist, so dass zwar der axiale Abschnitt 16a des Lagerspaltes 16 eine gleich bleibende Breite aufweist, jedoch die radialen Abschnitte 16b und 16c des Lagerspaltes 16 sich entlang der Lagerplatte 14 in ihrer Breite ändern, was Auswirkungen auf die Funktionalität des Lagers, insbesondere die Druckverteilung in den Abschnitten 16b, 16c des Lagerspalts hat, wie es weiter unten beschrieben ist.
13 zeigt den Fall, bei dem die Lagerplatte 14 beispielsweise durch die Montage auf der Welle 12 verbogen wurde, so dass zwar der axiale Abschnitt 16a des Lagerspaltes eine gleich bleibende Breite aufweist, jedoch wiederum die radialen Abschnitte 16b und 16c entlang der Fläche der Lagerplatte 14 eine veränderliche Breite aufweisen.
14 zeigt einen weiteren beispielhaften Fall, bei dem die Aussparung in der Lagerbuchse zur Aufnahme der Lagerplatte 14 ungenau gefertigt ist und schräg verlaufende Radiallagerflächen aufweist, so dass insbesondere die Breite des radialen Abschnitts 16b des Lagerspaltes sich entlang der Lagerplatte 14 verändert.
15 zeigt einen Fall, bei dem die Aussparungen der Lagerbuchse 10 zur Aufnahme der Lagerplatte 14 durch eine schräg aufgeschweißte Abdeckplatte 30 verschlossen, so dass insbesondere der radiale Abschnitt 16c des Lagerspaltes entlang der Lagerplatte 14 eine veränderliche Breite aufweist.
Diese variierende Breite, insbesondere der radialen Abschnitte 16b und 16c des Lagerspaltes 16, hat ungünstige Auswirkungen auf die Druckverteilung im Lagerspalt und die Funktionalität des Lagers, insbesondere der Axiallager, die im Bereich der Lagerplatte 14 angeordnet sind.
16 zeigt schematisch die Druckverteilung in einem ideal aufgebauten Lager, wie es in 11 dargestellt ist. Auf das Lager wirkt die Gewichtskraft 40 ein, die die Welle 12 und die daran befestigte Lagerplatte 14 nach unten zieht.
Durch fluiddynamische Radiallager 20, 22, die entlang des axialen Abschnitts 16a des Lagerspaltes angeordnet sind, wirken Radialkräfte 42, die auf Grund der gleich bleibenden Breite des Abschnitts 16a des Lagerspalts gleich groß und damit im Gleichgewicht sind und die Welle 12 zentrisch in der Lagerbohrung halten.
Entlang der radialen Abschnitte 16b und 16c sind jeweils fluiddynamische Axiallager 26, 28 angeordnet, welche Axialkräfte 44 erzeugen, die ebenfalls im Gleichgewicht sind, da die Breite der Abschnitte 16b und 16c des Lagerspalts 16 entlang der Axiallager gleich bleibt. Somit wird die Lagerplatte 14 im Wesentlichen zentrisch innerhalb der Aussparung der Lagerbuchse 10 im Gleichgewicht gehalten.
17 zeigt den Fall, bei dem die Lagerplatte 14 schräg an der Welle 12 befestigt ist. Dies ist auch in 12 dargestellt und beschrieben. Durch die schräge Befestigung der Lagerplatte 14 auf der Welle 12 ist im Grunde der axiale Abschnitt 16a des Lagerspaltes nicht oder kaum betroffen und weist im Betrieb des Lagers eine im Wesentlichen gleich bleibende Breite auf, so dass die Radiallagerkräfte 42 entlang des axialen Abschnittes zumindest weitgehend im Gleichgewicht sind.
Durch die Schrägstellung der Lagerplatte 14 ergeben sich jedoch unterschiedliche Spaltbreiten der Abschnitte 16b und 16c des Lagerspaltes, wobei die fluiddynamischen Lagerkräfte der Axiallager in Bereichen mit kleiner Spaltbreite naturgemäß höher sind, als in Bereichen mit größerer Spaltbreite.
Im Beispiel der 17 sind also die Kräfte 44lt und 44rb jeweils größer als 44lb, beziehungsweise 44rt. Dadurch ergibt bei Rotation der fest verbundenen Anordnung aus Lagerplatte 14 und Welle 12 ein Ungleichgewicht der Axiallagerkräfte 44, die der Verkippung der Lagerplatte 14 entgegenwirken. Diese Kraft wird auf die Welle 12 übertragen und kann nicht vollständig durch die Radiallagerkräfte 42 der beiden Radiallager 20, 22 kompensiert werden, weshalb es aber ebenfalls zu einer in 18 skizzierten Schrägstellung der Welle 12 in der Lagerbohrung kommt. Dies führt wiederum zu ungleichmäßigen Lagerspaltbreiten im axialen Abschnitt 16a des Lagerspalts und letztendlich zu einer Taumelbewegung des Lagers.
Eine Variation der Breite des Lagerspalts im Bereich der Axiallager um wenige Mikrometer kann im Herstellungsprozess nicht vermieden werden. Jedoch wird dadurch die sogenannte Flughöhe der Lagerplatte innerhalb ihrer Aussparung beeinträchtigt, was zu Vibrationen, Kavitationseffekten und ggf. zum Verschleiß der Lagerplatte führen kann. Ferner werden dadurch radiale Instabilitäten der Welle hervorgerufen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das sehr viel unanfälliger gegen Herstellungs- und Montagetoleranzen ist.
Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein fluiddynamisches Lagersystem vorgeschlagen, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welches eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung umfasst, eine Welle, die in der Lagerbohrung der Lagerbuchse drehbar angeordnet ist, eine Lagerplatte, die mit der Welle verbunden ist, eine Aussparung in der Lagerbuchse zur Aufnahme der Lagerplatte, einen Lagerspalt, der zwischen aneinander angrenzenden Oberflächen der Welle, der Lagerbohrung, der Lagerplatte und der Aussparung gebildet ist und einen axialen Abschnitt und radiale Abschnitte aufweist, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager, das entlang des axialen Abschnitts des Lagerspalts angeordnet ist, und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager, das entlang des radialen Abschnitts des Lagerspalts angeordnet ist.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerplatte entweder flexibel ausgebildet ist und eine Durchbiegung von mehreren Mikrometern zulässt oder dass die Lagerplatte gelenkig an der Welle angeordnet ist.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird vorzugsweise eine flexible Lagerplatte vorgeschlagen, die entweder sehr dünn ausgebildet ist, vorzugsweise 0,6 Millimetern oder weniger, oder aus einem relativ flexiblen Material besteht, beispielsweise einem flexiblen Kunststoff wie PTFE (Polytetrafluorethylen), Polyimid oder Polyaryletherketone (PKAE).
Diese flexible Lagerplatte passt sich im Betrieb des Lagers mit ihrer Form an die auftretenden Kräfte an. Beispielsweise können variierende Breiten der radialen Abschnitte des Lagerspalts, welche unterschiedliche Kräfte auf die Lagerplatte zur Folge haben, durch eine flexible Verformung der Lagerplatte ausgeglichen werden.
Dabei kann sich die Lagerplatte im Betrieb des Lagers insbesondere im Bereich von einigen Mikrometern verformen. Diese Flexibilität der Lagerplatte führt zu einem Ausgleich der Kräfte im Lager, insbesondere im Bereich der Lagerplatte, ohne dass die Zentrierung der Welle in der Lagerbohrung beeinträchtigt wird. Die führt zu einer stabilen Flughöhe, d. h. einem stabilen Spaltabstand im Bereich des radialen Lagerspaltes um die Lagerplatte, und reduziert Vibrationen des Lagers; insbesondere die Vibrationen auf die Welle, die durch ungleiche Kraftverhältnisse im Bereich der Axiallager hervorgerufen werden.
Wichtig ist, dass die Lagerplatte ausreichend flexibel ist. Dazu kann die Lagerplatte beispielsweise aus dünnem Metall bestehen oder aber aus entsprechend flexiblem Kunststoff, welcher eine Durchbiegung von mehreren Mikrometern in Folge der auftretenden Kräfte im Axiallagerbereich zulässt. Typische Werte für die Durchbiegung der im Stand der Technik bekannten Lagerplatten liegen im Normalbetrieb in Nanometerbereich, insbesondere unter einem halben Mikrometer. Dagegen soll die erfindungsgemäße Lagerplatte bevorzugt Durchbiegungen von mindestens einem halben Mikrometern bis zu 15 Mikrometer erlauben. Besonders bevorzugt soll die erfindungsgemäße Lagerplatte Durchbiegungen von mindestens einem Mikrometer bis zu 10 Mikrometer erlauben. Besonders starke Durchbiegungen können vor allem durch die Wahl flexibler Kunststoffe erreicht werden und so leicht im Bereich 5 bis 15 Mikrometer liegen.
Die Lagerplatte kann aber auch aus einem Komposit aus Metall und Kunststoff bestehen, beispielsweise aus einem Metallkern mit einer Kunststoffumhüllung, oder einer Metallscheibe mit einem am Umfang angeordneten Kunststoffring.
Dabei kann die spezifische Wärmeausdehnung von Kunststoff als weiterer Vorteil angesehen werden. Dadurch, dass Kunststoff beispielsweise einen 10 mal größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als Metall, kann diese große Ausdehnungsrate dazu verwendet werden, die Verringerung der Viskosität des Lagerfluids bei steigender Betriebstemperatur des Lagers zu kompensieren.
Bei höheren Temperaturen wird das Lagerfluid flüssiger, d. h. es weist eine geringere Viskosität auf, so dass der hydrodynamische Druck im Lagerspalt und somit die Lagersteifigkeit, insbesondere im Axiallagerbereich, abnimmt.
Durch die große Wärmeausdehnung des Kunststoffmaterials wird die Breite des Lagerspalts im Bereich der Axiallager bei Temperaturerhöhung reduziert, was eine Erhöhung des hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt bewirkt und die Lagersteifigkeit erhöht.
PTFE hat im Bereich 10°C bis 100°C beispielsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 10·10^–5 1/K und 21·10^–5 1/K während der von Aluminium bei 23,8·10^–6 1/K und der von Stahl bei ca. 12·10^–6 1/K liegt.
Ferner hat Kunststoff den Vorteil, dass bei geeigneter Wahl des Kunststoffes die Reibung zwischen der Lagerplatte und den an die Lagerplatte angrenzenden Lagerteilen, insbesondere während des Start- oder Stoppbetriebes des Lagers, reduziert werden kann. Eine verminderte Reibung zwischen den Lagerbauteilen verringert den Verschleiß des Lagers. Ferner sind Kunststoffbauteile teilweise günstiger herzustellen und haben ein geringeres Gewicht als Metallteile. Zum Beispiel hat PTFE einen sehr geringen Reibungskoeffizienten und die Haftreibung ist in etwa genauso gering wie die Gleitreibung, was beim Anlaufen des Motors vorteilhaft sein kann. Zwischen Stahl und PTFE betragen die Werte beider Koeffizienten 0,04, während zwischen zwei Stahloberflächen der Haftreibungskoeffizient ca. 0,08 bis 0,25 und der Gleitreibungskoeffizient ca. 0,06 bis 0,20 beträgt.
Es wird also insbesondere ein Kunststoff bevorzugt, der einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten umfasst, welcher etwa umgekehrt zu einer temperaturabhängigen Änderung der Viskosität des Lagerfluids ausgebildet ist. Ferner wird ein Kunststoffmaterial bevorzugt, das einen geringen Reibungskoeffizienten bei der Paarung mit dem gegenüber liegenden Lagermaterial, beispielsweise Stahl, aufweist.
Die Lagerplatte kann auch eine unterschiedliche Dicke aufweisen, wobei insbesondere die Dicke im Bereich der Verbindung mit der Welle größer ist als an den Außenbereichen. Diese vergrößerte Dicke stabilisiert die Lagerplatte im Verbindungsbereich mit der Welle und verhindert eine übermäßige axiale Bewegung der Welle bzw. eine übermäßige Durchbiegung der Lagerplatte im Verbindungsbereich mit der Welle. Es ist vorteilhaft, wenn die Dicke im Bereich der Verbindung mit der Welle mindestens doppelt so groß ist wie an den Außenbereichen.
Lagerplatte und Welle können auch einteilig ausgeformt sein, wodurch der Übergang zwischen Welle und Lagerplatte besonders stabil sein kann.
Die flexible oder gelenkig an der Welle befestigte Lagerplatte muss nicht unbedingt eine Lagerfunktion erfüllen. Sie kann vielmehr als ein reines Stopperelement ausgelegt sein, das eine Bewegung der Welle in axialer Richtung begrenzt. Ein solches flexibles oder gelenkig an der Welle befestigtes Stopperelement führt zu einer „sanfteren” Begrenzung der axialen Bewegung Welle durch einen „sanften” Anschlag an entsprechenden Anschlagflächen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Lagers, z. B. durch axialen Schock, reduziert werden kann. Auch hier ist ein geringer Reibungskoeffizient der Lagerplatte von Vorteil.
Die Verwendung von Kunststoff kann auch weitere Vorteile im Schwingungsverhalten mit sich bringen. So kann durch die Ausgestaltung der Lagerplatte aus Kunststoff oder aus einer Materialpaarung aus Kunststoff und Metall zum Einen eine Veränderung der Resonanzfrequenzen von Schwingungen der Lagerplatte alleine und zum Anderen eine Veränderung der Resonanzfrequenzen von Schwingungen der Gesamtheit aus Welle und Lagerplatte erreicht werden. Dadurch kann der Resonanzfall im Betrieb besser vermieden werden kann.
Die Lagerbauteile eines Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes weisen typischerweise Durchmesser von nur wenigen Millimetern auf, wobei z. B. die radialen Abschnitte des Lagerspaltes im Bereich der Lagerplatte einige bis einige 10 Mikrometer Spaltbreite aufweisen. Der axiale Abschnitt des Lagerspaltes im Bereich der Radiallager weist nur wenige Mikrometer Spaltbreite auf. An den Radiallagern beträgt diese Spaltbreite typischerweise 1,5 Mikrometer bis 5 Mikrometer. Zwischen den beiden Radiallagern kann zur Verminderung von Reibungskräften auch ein tieferer Separatorspalt vorhanden sein, der typischerweise zu einer Spaltbreite zwischen 10 und 100 Mikrometern führt.
Die Erfindung betrifft auch einen Spindelmotor der ein fluiddynamisches Lager mit den oben genannten Merkmalen aufweist. Ein solcher Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt werden, wobei der Spindelmotor an einem Gehäuse des Festplattenlaufwerkes angeordnet ist und mindestens eine Speicherplatte drehend antreibt. Das Festplattenlaufwerk umfasst ferner eine Schreib-Leseeinrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte. Der Spindelmotor wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer ersten Ausgestaltung der Lagerplatte.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer zweiten Ausgestaltung der Lagerplatte.
3 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer dritten Ausgestaltung der Lagerplatte.
4 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer vierten Ausgestaltung der Lagerplatte.
5 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer fünften Ausgestaltung der Lagerplatte.
6 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer sechsten Ausgestaltung der Lagerplatte.
7 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer siebten Ausgestaltung der Lagerplatte.
8 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer achten Ausgestaltung der Lagerplatte.
9 zeigt einen Schnitt durch Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer gelenkig an der Welle befestigten Lagerplatte gemäß einer ersten Ausführungsform.
10 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch die Komponenten eines fluiddynamischen Lagers mit einer gelenkig an der Welle befestigten Lagerplatte in einer zweiten Ausführungsform.
11 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit idealer Ausrichtung von Welle und Lagerplatte.
12 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit schräger Ausrichtung zwischen Welle und Lagerplatte.
13 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit einer verbogenen Lagerplatte.
14 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit schrägen Lagerflächen.
15 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit unregelmäßig geformter Aussparung für die Lagerplatte.
16 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager in idealer Anordnung und die Kräfteverteilung an den Lagerflächen.
17 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit schräger Lagerplatte und zugeordneter Kräfteverteilung im Lager.
18 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit schräger Lagerplatte bei Kräftegleichgewicht.
19 zeigt einen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit erfindungsgemäßer Lagerplatte.
20 zeigt einen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager mit erfindungsgemäßer Lagerplatte im Kräftegleichgewicht.
21 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager.
22 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager.
23 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
21 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Ein solcher Spindelmotor wird beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 32, wobei eine Lagerbuchse 10 in einer Öffnung der Basisplatte 32 befestigt. Die Lagerbuchse 10 weist eine axiale zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 12 drehbar aufgenommen ist. Auf der Welle 12 ist eine Nabe 34 angeordnet.
Der Spindelmotor umfasst eine fluiddynamische Lageranordnung zur Drehlagerung der Welle in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle 12, so dass sich ein Lagerspalt 16 von einigen Mikrometern Breite zwischen der Welle und der Lagerbuchse ergibt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem geeigneten Lageröl, gefüllt ist. Die fluiddynamische Lageranordnung umfasst zwei Radiallager 20, 22, die durch einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 gebildet sind. Jedes Radiallager 20, 22 ist durch eine Lagerrillenstruktur 20a, 22a gekennzeichnet, die auf den jeweiligen Lagerflächen der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 angeordnet ist. Sobald die Welle 12, in Rotation versetzt wird, üben die Lagerrillenstrukturen 20a, 22a eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 befindlichen Lagerfluid aus. Aufgrund dieser Pumpwirkung baut sich ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 16 auf, so dass die Radiallager 20, 22 tragfähig werden. Die beiden Radiallager 20, 22 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand angeordnet und durch einen Separatorspalt 24 voneinander getrennt. Der Separatorspalt 24 erstreckt sich in Verlängerung des Lagerspalts 16 und besitzt eine deutlich größere Spaltbreite als der Lagerspalt 16, wodurch zum Beispiel Reibungskräfte reduziert werden. An den Radiallagern 20, 22 beträgt diese Spaltbreite typischerweise 1,5 Mikrometer bis 5 Mikrometer während der Separatorspalt 24 typischerweise zu einer Spaltbreite zwischen 10 Mikrometern und 100 Mikrometern führt.
Am unteren Ende der Welle 12 ist eine Lagerplatte 14 angeordnet, die entweder einteilig mit der Welle oder als separates Bauteil ausgebildet sein kann. Die Lagerplatte 14 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 frei drehbar angeordnet, wobei die Aussparung in Verlängerung der Lagerbohrung und konzentrisch zur Lagerbohrung vorgesehen ist. Im Bereich der Lagerplatte 14 sind zwei gegeneinander wirkende fluiddynamische Axiallager 26, 28 vorgesehen. Die obere Stirnfläche der Lagerplatte 14 bildet mit zugeordneten Lagerflächen der Lagerbuchse 10 ein erstes Axiallager 26, das sich entlang eines radialen Abschnitts 16b der Lagerspalts 16 erstreckt. Eine Abdeckplatte 30 verschließt die Aussparung am unteren Ende der Lagerbuchse 10, so dass kein Schmiermittel aus dem Lagerspalt 16 austreten kann. Die untere Stirnfläche der Lagerplatte 14 bildet mit zugeordneten Lagerflächen der Abdeckplatte 30 ein zweites Axiallager 28, das sich entlang eines weiteren radialen Abschnitts 16c der Lagerspalts 16 erstreckt. Die beiden Axiallager 26, 28 nehmen die axialen Kräfte der Lageranordnung auf. Die beiden Axiallager 26, 28 sind durch Lagerrillenstrukturen (nicht dargestellt) gekennzeichnet, die auf den jeweiligen Lagerflächen der Lagerplatte 14 und/oder der Lagerbuchse 10, sowie der Lagerplatte 14 und/oder der Abdeckplatte 30 angeordnet sind. Diese Lagerrillenstrukturen können zum Beispiel fischgrätenartig oder spiralförmig sein.
An einem inneren, unteren Rand der Nabe 34 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 38 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, welcher einer Statoranordnung 36 gegenüberliegt, die radial außerhalb der Lagerbuchse 10 an der Basisplatte 32 befestigt ist. Die Statoranordnung 36 ist durch einen Luftspalt von dem Permanentmagneten 38 getrennt und wird mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt, so dass der Rotor des Motors, bestehend aus der Nabe 34 und der Welle 12, in Drehung versetzt wird.
Auf der Nabe 34 können beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt sein.
In den nachfolgenden Zeichnungsfiguren werden mögliche Ausgestaltungen der Lagerplatte für den Einsatz in einem Spindelmotor gemäß 21 beschrieben.
1 zeigt schematisch einen Schnitt durch das fluiddynamische Lager von 21 im Bereich der Welle 12 und Lagerplatte 14 mit einer ersten Ausgestaltung der Lagerplatte 14.
Man erkennt die Welle 12, die in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 angeordnet ist.
Am Ende der Lagerbuchse ist eine Aussparung vorgesehen, in welche eine Lagerplatte 14 angeordnet ist, die an einem Ende der Welle 12 angeordnet und beispielsweise einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Schematisch sind noch zwei Radiallager 20, 22 und zwei Axiallager 26, 28 dargestellt, wie sie in 21 beschrieben wurden. Dieser schematische Aufbau gilt für alle 1 bis 10.
Im Ausführungsbeispiel von 1 sind die Lagerplatte 14 sowie die Welle aus Metall gefertigt, vorzugsweise aus Stahl, wobei die Welle beispielsweise einen Durchmesser von wenigen Millimetern aufweist und die Lagerplatte 14 eine Dicke von kleiner gleich 0,6 Millimetern aufweist. Aufgrund dieser geringen Dicke ist die Lagerplatte 14 relativ flexibel und kann sich in ihrer Formgebung an die herrschenden Druckverhältnisse in den radialen Abschnitten 16b, 16c des Lagerspalts 16 im Bereich der Axiallager 26, 28 anpassen.
2 zeigt schematisch eine Ausgestaltung ähnlich wie in der 1, wobei jedoch hier die Lagerplatte 14 im Bereich der Verbindung mit der Welle 12 eine Verdickung 14a aufweist und die Lagerbuchse 10 im Bereich der Verdickung 14a eine breitere Aussparung 10a zur Aufnahme der Verdickung 14a. Die Außenbereiche der Lagerplatte 14 sind nach wie vor sehr dünn und flexibel ausgebildet, wie beim Ausführungsbeispiel von 1. Der zentrale Bereich der Lagerplatte 14 ist durch die Verdickung 14a wesentlich steifer und bietet daher einen besseren Schutz gegen axialen Schock der Welle und eine übermäßige Bewegung der Welle in axialer Richtung dadurch, dass die Verdickung 14a an der durch die Aussparung 10a gebildeten Stufe anschlägt. Ferner wird auch eine stabilere Verbindung mit der Welle 12 hergestellt.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich wie in der 1, wobei jedoch hier die Lagerplatte 114 als separates Bauteil ausgebildet ist und beispielsweise mit der Welle 12 verschweißt oder verklebt ist.
Hierbei kann die Lagerplatte 114 aus demselben Material wie die Welle 12 bestehen, beispielsweise aus Stahl, oder aber auch aus einem anderen Material, beispielsweise aus dünnem Kunststoff.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Lagerplatte 14 wiederum vorzugsweise einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist und in ihrem Verbindungsbereich mit der Welle eine Verdickung 14b aufweist, die jedoch nicht abgestuft ausgebildet ist, wie bei 2, sondern in Form einer Schräge in die Welle 12 übergeht. Diese Schräge, die durch die Verdickung 14b gebildet wird, wird ebenso in der Lagerbuchse als Schräge 10b vorgesehen. Dadurch hat die Lagerplatte ausreichend Bewegungsspielraum in der Aussparung, wird jedoch durch die Verdickung 14b im Verbindungsbereich mit der Welle 12 stabilisiert. Dieser Verdickungsbereich 14b dient ebenfalls als stabiler Anschlag für die Welle 12 bzw. Lagerplatte 14 bei einem axialen Schock auf das Lagersystem.
5 zeigt einen schematischen Schnitt durch das Lagersystem mit einer Lagerplatte 214, die vorzugsweise aus einem Kunststoff besteht, beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), ein Polyimid oder Polyaryletherketone (PKAE). Die Welle 12 ist in der Regel aus Stahl gefertigt.
Die Lagerplatte 214 wird in diesem Beispiel mittels einer Schraube 215 an der Welle 12 befestigt. Der Kunststoff der Lagerplatte 214 ist hinreichend elastisch, so dass die Lagerplatte 214 die geforderte Flexibilität für eine erfindungsgemäße Funktion aufweist. Ferner weist der Kunststoff einen geringen Reibungskoeffizienten auf, der den Verschleiß des Lagers reduziert.
6 zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung, bei dem die Lagerplatte 314 ein metalisches Mittelteil 314a aufweist, das am unteren Ende der Welle 12 befestigt ist. Hierzu kann beispielsweise die Welle 12 mit einem Außengewinde 46a versehen sein und das metallische Mittelteil 314a mit einer zentralen Bohrung mit einem Innengewinde 46b, so dass die Welle 12 mit dem metallischen Mittelteil 314a verschraubt werden kann.
Dieses metallische Mittelteil 314a ist von einem Kunststoffring 314b umgeben, der beispielsweise mittels Presspassung oder Klebeverbindung mit dem metallischen Mittelteil 314a verbunden ist.
Der Kunststoff besteht beispielsweise aus PTFE oder einem Polyimid oder Polyaryletherketone (PKAE) und ist hinreichend flexibel für die erfindungsgemäß geforderte Funktion. Der Metallkern 314a stellt die erforderliche Festigkeit der Verbindung zwischen Welle und Lagerplatte 314 sicher.
7 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Lagersystem mit einer Lagerplatte 414 aus Kunststoff, die mit einer Welle 12 aus Stahl verbunden ist. Hierbei kann die Welle ein Außengewinde 46a aufweisen und die Lagerplatte 414 eine zentrale Bohrung mit einem Innengewinde 46b, so dass die Welle 12 in die Bohrung der Lagerplatte 414 eingeschraubt werden kann und fest verbunden wird.
Die Lagerplatte 414 kann wiederum beispielsweise aus PTFE, einem Polyimid, Polyaryletherketone (PKAE) oder einem anderen hinreichend flexiblen Kunststoff bestehen.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem die Lagerplatte 514 wiederum zweiteilig ausgebildet ist und einen metallischen Kern 514a und ein sehr dünnes äußeres ringförmiges Teil 514b umfasst.
Der metallische Kern 514a ist beispielsweise mit der stählernen Welle 12 verschraubt, wobei die Welle 12 ein Außengewinde 46a aufweist und der metallische Kern 514a eine Bohrung mit einem Innengewinde 46b zur Verbindung der beiden Bauteile. Der dünne Kunststoffring 514b ist beispielsweise mittels Pressverbindung oder Klebeverbindung an dem metallischen Kern 514a befestigt.
Da der metallische Kern 514a relativ dick im Vergleich zum äußeren Kunststoffring 514b ist, weist die Lagerbuchse 10 eine entsprechende Aussparung 10a mit Stufe auf, um den dickeren metallischen Kern 514a aufnehmen zu können.
9 zeigt einen Schnitt durch ein Lagersystem, bei dem die Beweglichkeit der Lagerplatte 614 nicht durch besondere Flexibilität des Materials sondern auf eine andere Weise sichergestellt wird.
Es ist wiederum eine Welle 12 in der Lagerbuchse 10 gelagert, die beispielsweise aus Stahl besteht. Die Lagerplatte 614 kann ebenfalls aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein, wobei die Lagerplatte 614 erfindungsgemäß gelenkig mit der Welle 12 verbunden ist. Hierzu kann beispielsweise zwischen der Lagerplatte und der Welle 12 ein Kugelgelenk 615 vorgesehen sein, wodurch die Lagerplatte 614 beweglich an der Welle 12 angeordnet ist und der Winkel zwischen der Welle 12 und der Lagerplatte 614 in bestimmten Grenzen variabel ist.
10 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung der Erfindung im Vergleich zu 9, wobei hier die Lagerplatte 714 im Zentrum eine Verjüngung aufweist, damit diese besser mittels des Kugelgelenks 715 an der Welle 12 befestigt werden kann.
In den 19 und 20 ist die Wirkungsweise der Erfindung dargestellt. 19 zeigt den Fall bei dem die Lagerplatte 414, im Beispiel aus 7, rechtwinklig zur Welle 12 angeordnet ist, wobei auch die Aussparung zur Aufnahme der Lagerplatte 414 innerhalb der Toleranz gefertigt wurde. Hierbei treten gleichmäßige Lagerkräfte auf, so dass der erfindungsgemäße Effekt einer flexiblen Lagerplatte nicht zum Tragen kommt und auch nicht notwendig ist.
20 zeigt dagegen einen Fall, bei dem auf Grund von Toleranzen und Ungleichmäßigkeiten in der Formgebung der Aussparung oder aber einer schräg an der Welle 12 befestigte Lagerplatte 414 ein Ungleichgewicht zwischen den Lagerkräften herrscht.
Durch die Flexibilität der Lagerplatte 414 wird erreicht, dass die Lagerplatte 414 auf unterschiedliche Lagerkräfte 44 reagieren kann, die durch unterschiedliche Breiten der radialen Abschnitte 16a und 16b des Lagerspalts 16 hervorgerufen werden.
Die Lagerplatte 414 biegt sich durch die angreifenden Lagerkräfte in eine entsprechende Form, um möglichst ein Kräftegleichgewicht zwischen den Lagerkräften herzustellen. Dadurch wird erreicht, dass das Lager wesentlich ruhiger und vibrationsfreier dreht.
Ohne die Verwendung einer flexiblen oder gelenkig an der Welle angeordneten Lagerplatte würden die ungleichen Lagerkräfte große Vibrationen und eine taumelnde Bewegung des Lagers erzeugen.
Die 11 bis 18 sind im einleitenden Teil dieser Schrift beschrieben.
Die 22 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil, das im Wesentlichen durch eine Basisplatte 132 und eine Lagerbuchse 110 gebildet ist. Die zylindrisch ausgebildete Lagerbuchse 110 ist in einer entsprechenden Öffnung der Basisplatte 136 angeordnet und befestigt.
Die Lagerbuchse 110 weist eine Lagerbohrung auf, in welche eine Welle 112 eingesetzt ist, deren Durchmesser geringfügig, d. h. nur um einige Mikrometer, kleiner ist, als der Durchmesser der Lagerbohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 110 und der Welle 112 verbleibt ein Lagerspalt 116 von wenigen Mikrometern Breite. Der Lagerspalt 116 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Einander gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 112 und der Lagebuchse 110 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 120, 122 aus, mittels denen die Welle 112 um eine Rotationsachse 118 drehbar in der Lagerbuchse 110 gelagert ist. Die Radiallager 120, 122 sind durch Lagerrillenstrukturen 120a, 122a gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 112 und/oder der Lagerbuchse 110 aufgebracht sind. Die Lagerrillenstrukturen 120a, 122a üben bei Rotation der Welle 112 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 116 zwischen Welle 112 und Lagerbuchse 110 befindliche Lagerfluid aus, so dass im Lagerspalt 116 ein hydrodynamischer Druck entsteht, der die Radiallager 120, 122 tragfähig macht. Das obere Radiallager 120 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 120a, die das Lagerfluid überwiegend in Richtung des unteren Radiallagers 122 pumpen. Das untere Radiallager 122 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 122a, die eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 116 erzeugen. Die beiden Radiallager 120, 122 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand angeordnet und durch einen Separatorspalt 124 voneinander getrennt. Der Separatorspalt 124 erstreckt sich in Verlängerung des Lagerspalts 116 und besitzt eine deutlich größere Spaltbreite als der Lagerspalt 116.
Ein freies Ende der Welle 112 ist mit einer Nabe 134 verbunden, welche einen topfförmigen Querschnitt aufweist und einen inneren zylindrischen Abschnitt aufweist, der die Lagerbuchse 110 teilweise umgibt. Die Nabe 134 bildet zusammen mit der Welle 112 das bewegliche Motorbauteil des Spindelmotors.
Eine untere, ebene Fläche der Nabe 134 bildet zusammen mit einer angrenzenden Stirnfläche der Lagerbuchse 110 ein fluiddynamisches Axiallager 126 aus. Das Axiallager ist in einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 116 angeordnet, der zwischen der Fläche der Nabe 134 und der angrenzenden Stirnfläche der Lagerbuchse 110 gebildet ist. Die Stirnfläche der Lagerbuchse 110 und/oder die gegenüberliegende untere Fläche der Nabe 134 sind mit vorzugsweise spiralförmigen Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Rotation der Nabe 134 eine radial nach innen in Richtung der Radiallagers 120, 122 gerichtete Pumpwirkung auf das in diesem radialen Abschnitt des Lagerspalts 116 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 126 tragfähig wird.
In der Lagerbuchse 110 ist vorzugsweise ein Rezirkulationskanal 148 vorgesehen sein, der einen am radial äußeren Rand des Axiallagers 126 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 116 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 122 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 116 direkt miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager ermöglicht.
Der Lagerspalt 116 umfasst einen axialen Abschnitt 116a, der sich entlang der Welle 112 und der beiden Radiallager 120, 122 erstreckt, und einen oberen radialen Abschnitt 116d, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 110 und des Axiallagers 126 erstreckt. Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 116 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher teilweise als Dichtungsspalt 150 wirkt und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 116 radial nach außen und geht in einen axialen Dichtungsspalt 150 über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 110 zwischen der Lagerbuchse 110 und dem inneren zylindrischen Abschnitt der Nabe 134 erstreckt. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 110 sowie die innere Mantelfläche des zylindrischen Abschnitts der Nabe 134 verlaufen weitgehend in axialer Richtung, sie sind jedoch vorzugsweise leicht konisch geneigt und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 150. Dadurch, dass die obere Öffnung des Rezirkulationskanals 148 sehr nahe an der Übergangszone zwischen Lagerfluid und Atmosphäre angeordnet ist, können im Lagerfluid gelöste Luftblasen relativ leicht in die Atmosphäre entweichen.
An der in der Basisplatte 132 befestigten Seite verbreitert sich die Lagerbohrung der Lagerbuchse 110 zu einer Aussparung, deren Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Die Lagerbuchse 110 ist an dieser Seite durch eine Abdeckplatte 130 verschlossen. Innerhalb der Aussparung der Lagerbuchse 110 ist eine mit der Welle 112 verbundene Lagerplatte 152 in Form eines Stopperrings in der Aussparung frei beweglich angeordnet. Die Aussparung, in welcher die Lagerplatte 152 angeordnet ist, ist mit dem Lagerspalt 116 sowie dem Rezirkulationskanal 148 verbunden und vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Bei einer übermäßigen axialen Bewegung der Welle 112 stößt die Lagerplatte 152 an einer Stufe der Lagerbuchse 110 an, die durch den Übergang zwischen der Lagerbohrung und der Aussparung der Lagerbuchse 110 gebildet wird. Die Lagerplatte 152 verhindert dadurch ein Herausfallen der Welle 112 aus der Lagerbuchse 110. Entlang der Stirnflächen der Lagerplatte 152 verlaufen radiale Abschnitte 116b und 116c des Lagerspalts.
Erfindungsgemäß ist die Lagerplatte 152 sehr dünn ausgebildet, vorzugsweise mit einer Dicke von kleiner gleich 0,6 Millimetern. Aufgrund dieser geringen Dicke ist die Lagerplatte 152 relativ flexibel und kann sich innerhalb der Aussparung in ihrer Formgebung an die herrschenden Druckverhältnisse in den radialen Abschnitten 116b, 116c des Lagerspalts 116 anpassen. Dabei kann die Lagerplatte 152 entsprechend den in den 1 bis 20 beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein.
Die Lagerplatte 152 muss keine aktive Lagerfunktion haben, sondern kann lediglich als Ausfallsicherung wirken. Es kann aber vorgesehen sein, dass entlang der radialen Abschnitte des Lagerspalts 116b, 116c, aber insbesondere entlang des radialen Abschnitts 116c, ein weiteres fluiddynamisches Axiallager angeordnet ist, das dem oberen fluiddynamischen Axiallager 126 entgegenwirkt.
Der Spindelmotor umfasst ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte 132 angeordneten Statoranordnung 136 sowie einem an der Nabe 134 angeordneten Permanentmagneten 138 besteht. Die Statoranordnung besteht aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen. Der Permanentmagnet 138 ist an einem Innenumfang der Nabe 134 angeordnet und umgibt die Statoranordnung 136 in radialer Richtung unter Bildung eines Luftspalts. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Unterhalb des Permanentmagneten 138 kann ein ferromagnetischer Zugring 139 angeordnet sein, der vom Permanentmagneten magnetisch angezogen wird, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 132 hin gerichtete magnetische Kraft ergibt. Diese magnetische Kraft wirkt der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 126 entgegen und dient der axialen Vorspannung des Lagersystems. Ein axialer Versatz der magnetischen Mitte des Permanentmagneten 138 relativ zur Statoranordnung 136 erzeugt eine zusätzlich magnetische Kraft in axialer Richtung, die der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 126 entgegenwirkt.
23 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine Lagerbuchse 210, in der eine Welle 212 drehbar gelagert ist. Die Oberflächen der Welle 212 und der Lagerbuchse 210 sind durch einen schmalen Lagerspalt 216 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Zwischen den sich gegenüber liegenden Oberflächen der Welle 212 und der Lagerbuchse 210 in einem axialen Abschnitt 216a des Lagerspalts sind zwei fluiddynamische Radiallager 220, 222 ausgebildet, welche durch Lagerrillenstrukturen 220a, 222a gekennzeichnet sind, die auf der Oberfläche der Welle 212 bzw. der Oberfläche der Lagerbuchse 210 angeordnet sind.
Die Radiallager 220, 222 sind axial beabstandet, wobei zwischen den Radiallagern ein Separatorspalt 224 angeordnet ist.
Ein freies Ende der Welle 212 ist mit einer Nabe 234 verbunden, welche zusammen mit der Welle 212 in Drehung versetzt werden kann. Die obere Stirnseite der Lagerbuchse 210 ist durch eine Abdeckkappe 254 abgedeckt, wobei zwischen den Oberflächen des oberen Abschnitts der Lagerbuchse 210 und der Abdeckkappe 254 ein Freiraum gebildet wird, der als Reservoir für das Lagerfluid dient und einen Dichtungsspalt 250 ausbildet, der sich ausgehend vom Lagerspalt 216 zunächst radial nach außen aufweitet und dann um 90 Grad in axialer Richtung parallel zur Welle 212 verläuft. Zwischen der Abdeckkappe 54 und der Welle 212 befindet sich dabei ein kleiner Spalt, der als Kapillardichtung für das Lageröl wirkt.
Am unteren Ende der Welle 212 weist die Lagerbuchse 210 eine Aussparung auf, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Welle 212 bzw. der Lagerbohrung. Die Lagerbuchse 210 ist an dieser Seite durch eine Abdeckplatte 230 verschlossen. Innerhalb der Aussparung der Lagerbuchse 210 ist eine Lagerplatte 252 in Form eines Stopperringes an der Welle 212 angeordnet. Die Aussparung, in welcher die Lagerplatte 252 angeordnet ist, ist mit dem Lagerspalt 216 verbunden und vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Die Lagerplatte 252 verhindert ein Herausfallen der Welle 212 aus der Lagerbuchse 210.
Zwischen den Stirnseiten der Lagerplatte 252 und der gegenüberliegenden Seite der Abdeckplatte 230 bzw. der Lagerbuchse 210 sind radiale Abschnitte 216b und 216c des Lagerspalts angeordnet. Die untere Stirnseite der Abdeckplatte 230 bzw. die Oberfläche der Lagerplatte 252 ist mit Lagerrillenstrukturen versehen, die ein fluiddynamisches Axiallager 128 ausbilden, welches eine nach oben in Richtung der Nabe 234 gerichtete Lagerkraft erzeugt.
Die Lagerbuchse 210 ist in einer Basisplatte 232 des Spindelmotors angeordnet und von einer Statoranordnung 236 umgeben, die an der Basisplatte 232 befestigt ist. Sie Statoranordnung 236 wirkt zusammen mit an einem inneren Rand der Nabe 234 befestigten Permanentmagneten 238 und bildet das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors. Ein axialer Versatz der magnetischen Mitte des Permanentmagneten 238 relativ zur Statoranordnung 236 erzeugt eine magnetische Kraft in axialer Richtung. Diese magnetische Kraft wirkt der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 228 entgegen und dient der axialen Vorspannung des Lagersystems.
Zwischen dem radialen Abschnitt des Dichtungsspaltes 250 und einem Raum radial außerhalb des Außenumfangs der Lagerplatte 252 Stopperrings 246 ist ein Rezirkulationskanal 248 angeordnet, der diese beiden Abschnitte des Lagerspalts miteinander verbindet. Der Rezirkulationskanal 248 verläuft im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 218 innerhalb der Lagerbuchse 210.
Erfindungsgemäß ist die Lagerplatte 252 sehr dünn ausgebildet, vorzugsweise mit einer Dicke von kleiner gleich 0,6 Millimetern. Aufgrund dieser geringen Dicke ist die Lagerplatte 252 relativ flexibel und kann sich innerhalb der Aussparung in ihrer Formgebung an die herrschenden Druckverhältnisse in den radialen Abschnitten 216b, 216c des Lagerspalts 216 anpassen. Dabei kann die Lagerplatte 252 entsprechend den in den 1 bis 20 beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

10, 110, 210: Lagerbuchse
10a: Aussparung
10b: Abschrägung
12, 112, 212: Welle
14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714: Lagerplatte
14a, 314a: Teil der Lagerplatte
14b, 314b: Teil der Lagerplatte
215: Schraube
615, 715: Kugelgelenk,
16, 116, 216: Lagerspalt
16a, 116a, 216a: axialer Abschnitt d. Lagerspalts
16b, 116b, 216b: radialer Abschnitt d. Lagerspalts
16c, 116c, 216c: radialer Abschnitt d. Lagerspalts
116d: radialer Abschnitt d. Lagerspalts
18, 118, 218: Drehachse
20, 120, 220: Radiallager
20a, 120a, 220a: Lagerrillenstrukturen
22, 122, 222: Radiallager
22a, 122a, 222a: Lagerrillenstrukturen
24, 124, 224: Separatorspalt
26, 126: Axiallager
28, 228: Axiallager
30, 130, 230: Abdeckplatte
32, 132, 232: Basisplatte
34, 134, 234: Nabe
36, 136, 236: Statoranordnung
38, 138, 238: Permanentmagnet
139: Zugring
40: Gewichtskraft
42: Lagerkraft
44, 44lt, 44lb, 44rt, 44rb: Lagerkraft
46a: Außengewinde
46b: Innengewinde
148, 248: Rezirkulationskanal
150, 250: Dichtungsspalt
152, 252: Lagerplatte
254, 254: Abdeckkappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0196035 A1 [0007]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: eine Lagerbuchse (10, 110, 210) mit einer Lagerbohrung, eine Welle (12, 112, 212), die in der Lagerbohrung der Lagerbuchse (10, 110, 210) drehbar angeordnet ist, eine Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252), die mit der Welle verbunden (12, 112, 212) ist, eine Aussparung in der Lagerbuchse zur Aufnahme der Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252), einen Lagerspalt (16, 116, 216), der zwischen aneinander angrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse (10, 110, 210), der Welle (12, 112, 212), der Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252) und einer Abdeckplatte (30, 130, 230) gebildet ist und einen axialen Abschnitt (16a, 116a, 216a) und radiale Abschnitte (16b, 16c, 116b, 116c, 116d; 216b, 216c) aufweist, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (20, 22; 120, 122; 220, 222), das entlang des axialen Abschnitts (16a, 116a, 216a) des Lagerspaltes (16, 116, 216) angeordnet ist, und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (26, 28), das entlang mindestens eines der radialen Abschnitte (16b, 16c, 116b, 116c, 116d, 216b, 216c) des Lagerspaltes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 152, 252) entweder flexibel ausgebildet ist und eine Durchbiegung von mehr als einem halben Mikrometer zulässt, oder dass die Lagerplatte (614, 714) gelenkig an der Welle (12) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252) zumindest teilweise eine Dicke von kleiner oder gleich 0,6 mm aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252) aus Metall besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252) aus Kunststoff besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (314, 514) teilweise aus einem Metall und teilweise aus Kunststoff besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252) zumindest teilweise aus einem Material mit einem spezifischen Wärmeausdehungskoeffizienten von größer als 30 × 10^–6 1/K besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252) zumindest teilweise aus einem Material mit einem Gleitreibungskoeffizienten kleiner als 0,05 besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 114, 214, 314, 414, 514, 614, 714, 152, 252) zumindest teilweise aus PTFE (Polytetrafluorethylen) oder aus einem Polyimid oder aus Polyaryletherketone besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerplatte (14, 514) eine unterschiedliche Dicke aufweist, wobei die Dicke im Bereich der Verbindung mit der Welle (12) größer ist als an den Außenbereichen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (26, 28, 228) im Bereich der Lagerplatte (14, 252) entlang eines radialen Abschnitts (16b, 16c, 216c) des Lagerspalts (116, 216) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluiddynamisches Axiallager (126) entlang eines radialen Abschnitts (116d) des Lagerspalts (116, 216) zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse (110) und eine gegenüberliegenden Fläche der Nabe (134) angeordnet ist.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher ein feststehendes Motorbauteil und ein rotierbares Motorbauteil, und ein elektromagnetisches Antriebssystem umfasst, bestehend aus einem Permanentmagnet (38, 128, 238) und einer Statoranordnung (36, 136, 236).
Spindelmotor nach Anspruch 12 zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.