DE102013008049A1 - Fluid dynamic storage system - Google Patents
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Abstract
Beschrieben ist ein fluiddynamisches Lagersystem, das ein feststehendes Lagerbauteil sowie ein drehbares Lagerbauteil umfasst, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Zwischen einander gegenüber liegenden Flächen der beiden Lagerbauteile ist ein Lagerspalt angeordnet, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist, wobei entlang des Lagerspaltes mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet sind. Das feststehende Bauteil umfasst eine Welle mit einem Stopperbauteil, wobei zwischen dem Stopperbauteil und dem drehbaren Lagerbauteil ein Einfüllreservoir für das Lagerfluid angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Welle im Bereich des Stopperbauteils eine umlaufende Rille in Form einer Hohlkehle aufweist.A fluid dynamic bearing system is described which comprises a fixed bearing component and a rotatable bearing component which is rotatably mounted about an axis of rotation relative to the fixed bearing component. A bearing gap, which is filled with a bearing fluid, is arranged between mutually opposite surfaces of the two bearing components, at least one fluid dynamic radial bearing and at least one fluid dynamic axial bearing being arranged along the bearing gap. The fixed component comprises a shaft with a stopper component, a filling reservoir for the bearing fluid being arranged between the stopper component and the rotatable bearing component. The invention is characterized in that the shaft has a circumferential groove in the form of a fillet in the area of the stopper component.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, wie sie wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet werden.The invention relates to a fluid dynamic bearing system according to the features of the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Fluiddynamische Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen wenige Mikrometer breiten und mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerrillenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerrillenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Lagerrillenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige („herringbone”) Lagerrillenstrukturen verwendet, die in an einer Fläche parallel zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang mindestens eines Lagerbauteils verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätartige Lagerrillenstrukturen verwendet, die in einer Ebene quer zur Rotationsachse angeordnet werden.Fluid dynamic bearing systems usually comprise at least two relatively rotatable bearing components, the bearing surfaces between each other a few microns wide and with a bearing fluid, for. B. bearing oil, filled bearing gap form. In a known manner, the bearing surfaces assigned and acting on the bearing fluid Lagerrillenstrukturen are provided. In fluid dynamic bearings, the bearing groove structures in the form of depressions or elevations are usually applied to individual or both bearing surfaces. These bearing groove structures arranged on corresponding bearing surfaces of the bearing partners serve as bearing and / or pumping structures which generate a hydrodynamic pressure upon relative rotation of the bearing components within the bearing gap. In radial bearings, for example, sinusoidal, parabolic or herringbone ("herringbone") bearing groove structures are used, which are arranged distributed on a surface parallel to the axis of rotation of the bearing components over the circumference of at least one bearing component. In axial bearings, for example, helical or herringbone bearing groove structures are used, which are arranged in a plane transverse to the axis of rotation.
Es sind fluiddynamische Lagersysteme für Spindelmotoren mit feststehender Welle und beidseitig offenem Lagerspalt bekannt. Diese Lagersysteme umfassen beispielsweise zwei axial voneinander beabstandete fluiddynamische Radiallager und ein fluiddynamisches Axiallager, das oftmals durch ein entgegengesetzt wirkendes magnetisches Axiallager vorgespannt ist. Ein entscheidender Vorteil einer feststehenden Welle ist es, dass diese an beiden Enden fest eingespannt werden kann. Dadurch erhält ein solches Lagersystem eine sehr hohe strukturelle Steifigkeit, wodurch es besonders geeignet ist für Spindelmotoren mit hoher Last, beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken für Server-Anwendung oder Festplattenlaufwerke mit erhöhten oder besonderen Anforderungen, wie heute unter anderem bei vielen mobilen Anwendungen mit stetig wachsender Datendichte und gleichzeitig während des normalen Betriebs bestehenden Vibrationen auftreten.There are known fluid dynamic bearing systems for spindle motors with fixed shaft and both sides open bearing gap. These storage systems include, for example, two axially spaced-apart fluid dynamic radial bearings and a fluid dynamic thrust bearing, which is often biased by an oppositely acting magnetic thrust bearing. A decisive advantage of a fixed shaft is that it can be firmly clamped at both ends. This gives such a storage system a very high structural rigidity, making it particularly suitable for spindle motors with high load, for example for driving hard disk drives for server application or hard disk drives with increased or special requirements, such as today in many mobile applications with steadily growing Data density and at the same time during normal operation existing vibrations occur.
Ein wichtiger Verfahrenschritt bei der Herstellung eines solchen Lagers ist das Befüllen des Lagerspalts mit Lagerfluid. Das Lagerfluid wird in der Regel erst nach der Montage der Lagerkomponenten in den Lagerspalt eingefüllt. Bei einem bekannten Einfüllverfahren wird eine genau bemessene Menge an Lagerfluid mittels einer Dosiervorrichtung in ein speziell dafür ausgelegtes ringförmiges Einfüllreservoir eingebracht. Das Einfüllreservoir ist beispielsweise zwischen Rotorbauteil und Welle angeordnet und mit dem Lagerspalt verbunden. Das eingefüllte Lagerfluid bildet im Einfüllreservoir einen geschlossenen Ring aus Lagerfluid aus. Das im Einfüllreservoir befindliche Lagerfluid kriecht aufgrund von Kapillarkräften in den Lagerspalt. Durch Vakuumverfahren oder Drehung des Lagers kann der Befüllvorgang beschleunigt bzw. optimiert werden.An important step in the production of such a bearing is the filling of the bearing gap with bearing fluid. The bearing fluid is usually filled in the bearing gap after assembly of the bearing components. In a known filling method, a precisely measured amount of bearing fluid is introduced by means of a metering device in a specially designed annular filling reservoir. The filling reservoir is arranged, for example, between the rotor component and the shaft and connected to the bearing gap. The filled bearing fluid forms a closed ring of bearing fluid in the filling reservoir. The bearing fluid in the filling reservoir creeps into the bearing gap due to capillary forces. By vacuum process or rotation of the bearing, the filling process can be accelerated or optimized.
Damit das Einfüllreservoir die gesamte Menge an Lagerfluid für die Befüllung des Lagers auf einmal aufnehmen kann, muss es ein bestimmtes Volumen aufweisen. Das Einfüllreservoir befindet sich in der Regel zwischen der Welle und der Lagerbuchse bzw. dem Rotorbauteil des Lagers, wobei der Durchmesser der Welle mitbestimmend für die verfügbare Größe und Geometrie des Einfüllreservoirs ist.In order for the filling reservoir to be able to hold the entire amount of bearing fluid for filling the bearing at once, it must have a certain volume. The filling reservoir is usually located between the shaft and the bearing bush or the rotor component of the bearing, wherein the diameter of the shaft is co-determining the available size and geometry of the filling reservoir.
Da die fluiddynamischen Lager immer kleiner werden, spielt die Befestigung der Welle an ihrem oberen Ende eine immer bedeutendere Rolle um die Schwingungsneigung und Stabilität des Lagers zu verbessern. Insbesondere die stirnseitige Auflagefläche der Welle für die Befestigung an einem Gehäuse muss eine gewisse Größe, d. h. einen gewissen Durchmesser, aufweisen. Bei den geringen verfügbaren Platzverhältnissen in einem fluiddynamischen Lager würde eine Vergrößerung des Wellendurchmessers im Bereich des Einfüllreservoirs eine Reduzierung des Volumens des Einfüllreservoirs bedeuten. Die obere Fläche der Welle muss auch ausreichend groß sein für die Einbringung einer Bohrung, welche zur Schraubbefestigung eines Gehäusedeckels (top cover) vorgesehen ist.As the fluid dynamic bearings become smaller and smaller, the attachment of the shaft at its upper end plays an increasingly important role in order to improve the tendency of vibration and stability of the bearing. In particular, the frontal bearing surface of the shaft for attachment to a housing must have a certain size, d. H. have a certain diameter. Given the small space available in a fluid-dynamic bearing, increasing the shaft diameter in the region of the filling reservoir would mean a reduction in the volume of the filling reservoir. The upper surface of the shaft must also be large enough for the introduction of a hole, which is provided for the screw-fastening of a housing cover (top cover).
Ein verringertes Volumen des Einfüllreservoirs ist jedoch ungünstig für den Einfüllprozess. Wenn beim Füllprozess die vorgesehene Menge an Lagerfluid für das Lager nicht auf einmal im Einfüllreservoir aufgenommen werden kann, besteht die Gefahr, dass dem Einfüllreservoir benachbarte Oberflächen der Welle oder die zentrale Bohrung der Welle mit Lagerfluid kontaminiert werden. Um das zu verhindern ist eine aufwendigere Prozessführung beispielsweise ein mehrstufiger Füllprozess notwendig.However, a reduced volume of the filling reservoir is unfavorable for the filling process. If, during the filling process, the intended amount of storage fluid for the bearing can not be accommodated at once in the filling reservoir, there is a risk that the filling reservoir adjacent surfaces of the shaft or the central bore of the shaft are contaminated with bearing fluid. To prevent this, a more complex process management, for example, a multi-stage filling process is necessary.
Auch eine Verringerung der axialen Höhe des Lagers führt automatisch zu einer verringerten axialen Höhe des Einfüllreservoirs und damit zu einem verringerten Einfüllvolumen.A reduction of the axial height of the bearing automatically leads to a reduced axial height of the filling reservoir and thus to a reduced filling volume.
Es besteht daher die Notwendigkeit bei fluiddynamischen Lagern mit verringerter Bauhöhe bzw. mit größerem Wellendurchmesser ein ausreichend großes Einfüllreservoir bereit zu stellen. There is therefore the need to provide a sufficiently large filling reservoir for fluid-dynamic bearings with a reduced overall height or with a larger shaft diameter.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere für einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, anzugeben, bei dem trotz verringerter Bauhöhe und/oder größerem Wellendurchmesser ein problemloses Befüllen mit Lagerfluid gewährleistet ist.It is the object of the invention to provide a fluid-dynamic bearing system, in particular for a spindle motor for driving a storage disk drive, in which despite reduced overall height and / or larger shaft diameter easy filling with bearing fluid is guaranteed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a storage system with the features of
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and further advantageous features of the invention are specified in the dependent claims.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil sowie ein drehbares Lagerbauteil, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Zwischen einander gegenüber liegenden Flächen der beiden Lagerbauteile ist ein Lagerspalt angeordnet, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist, wobei entlang des Lagerspaltes mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet sind. Das feststehende Bauteil umfasst eine Welle mit einem Stopperbauteil, wobei zwischen dem Stopperbauteil und dem drehbaren Lagerbauteil ein Einfüllreservoir für das Lagerfluid angeordnet ist, dessen Volumen ausreicht, um vorzugsweise das gesamte im Lagersystem benötigte Lagerfluid aufzunehmen.The fluid-dynamic bearing system comprises a fixed bearing component and a rotatable bearing component which is rotatably mounted relative to the stationary bearing component about a rotation axis. Between opposing surfaces of the two bearing components, a bearing gap is arranged, which is filled with a bearing fluid, wherein along the bearing gap at least one fluid dynamic radial bearing and at least one fluid dynamic thrust bearing are arranged. The fixed component comprises a shaft with a stopper component, wherein between the stopper member and the rotatable bearing member, a filling reservoir for the bearing fluid is arranged, the volume of which is sufficient to accommodate preferably the entire storage fluid required in the storage system.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Welle im Bereich des Stopperbauteils eine umlaufende Rille in Form einer Hohlkehle aufweist.The invention is characterized in that the shaft has a circumferential groove in the form of a groove in the region of the stopper component.
Durch die hohlkehlige Ausführung der Welle im Bereich des Einfüllreservoirs wird das Volumen des Einfüllreservoirs vergrößert, ohne den Durchmesser der Welle insgesamt verringern oder die Bauhöhe des Lagersystems vergrößern zu müssen. Erfindungsgemäß ist insbesondere der kleinste Durchmesser des Stopperbauteils im Bereich der Hohlkehle angeordnet, d. h., der kleinste Durchmesser der Hohlkehle ist kleiner als der Durchmesser des freien Endes des Stopperbauteils, das eine obere Befestigungsfläche aufweist.Due to the hollowed-out design of the shaft in the region of the filling reservoir, the volume of the filling reservoir is increased without reducing the diameter of the shaft as a whole or having to increase the overall height of the storage system. According to the invention, in particular the smallest diameter of the stopper component is arranged in the region of the groove, d. h., The smallest diameter of the groove is smaller than the diameter of the free end of the stopper member having an upper mounting surface.
Damit keine Reste von Lagerfluid im Einfüllreservoir zurückbleiben, nachdem das Fluid in den Lagerspalt eingefüllt wurde, wird es bevorzugt, dass die Oberfläche des Stopperbauteils im Bereich des Einfüllreservoirs abgerundete Formen ohne scharfe Kanten oder Grate aufweist, an denen das Lagerfluid haften bleiben könnte.So that no residues of bearing fluid remain in the filling reservoir after the fluid has been introduced into the bearing gap, it is preferred that the surface of the stopper component in the region of the filling reservoir has rounded shapes without sharp edges or burrs, on which the bearing fluid could adhere.
Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion der Welle im Bereich des Stopperbauteils kann eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Stirnfläche des Stopperbauteils und einem Gehäusebauteil realisiert werden. Mit anderen Worten kann das Stopperbauteil einen relativ großen Durchmesser an der oberen Stirnfläche aufweisen, ohne dass die Bauhöhe des Lagersystems oder der Durchmesser der Welle bzw. des Stopperbauteils vergrößert werden müsste.With the inventive construction of the shaft in the region of the stopper component, an enlargement of the contact area between the end face of the stopper component and a housing component can be realized. In other words, the stopper component may have a relatively large diameter at the upper end face, without the height of the bearing system or the diameter of the shaft or the stopper component would have to be increased.
Bei geeigneter Konstruktion kann durch geeignete Formgebung der Hohlkehle erreicht werden, dass das Lagerfluid bei Schockeinwirkung durch die Hohlkehle umgelenkt wird und somit den Bereich des Einfüllreservoirs nicht verlassen und nach außen austreten kann.With a suitable design can be achieved by suitable shaping of the groove that the bearing fluid is deflected by shock during the action of the groove and thus can not leave the area of the filling reservoir and escape to the outside.
Insbesondere liegt der kleinste Durchmesser des Stopperbauteils im Bereich der Hohlkehle.In particular, the smallest diameter of the stopper component is in the region of the groove.
Dabei ist die Hohlkehle so ausgebildet, dass die Oberfläche des Stopperbauteils im Bereich der Hohlkehle zumindest an einem Punkt eine parallel zur Rotationsachse verlaufenden Tangende aufweist.In this case, the groove is formed so that the surface of the stopper member has in the region of the groove at least at one point parallel to the axis of rotation extending Tangende.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet für ein fluiddynamisches Lager mit feststehender Welle, die mit einem Ende in einem ersten Lagerbauteil aufgenommen ist und an einem anderen Ende ein Stopperbauteil aufweist.The invention is particularly suitable for a fluid-dynamic bearing with a fixed shaft, which is accommodated with one end in a first bearing component and having a stopper component at another end.
Das rotierende Bauteil des Lagersystems wird vorzugsweise durch eine Lagerbuchse oder ein eine Lagerbuchse aufweisendes Rotorbauteil gebildet, wobei die Lagerbuchse zwischen dem feststehenden Lagerbauteil und dem Stopperbauteil auf der Welle drehbar angeordnet ist.The rotating component of the bearing system is preferably formed by a bearing bush or a bearing component having a rotor component, wherein the bearing bush between the fixed bearing member and the stopper member is rotatably mounted on the shaft.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers weist der Lagerspalt zwei offene Enden auf, welche durch Dichtungsmittel, beispielsweise Kapilardichtungen oder dynamische Pumpdichtungen, abgedichtet sind. Das Einfüllreservoir ist angrenzend an die Dichtungsmittel angeordnet, d. h. die Dichtungsmittel befinden sich zwischen dem Lagerspalt und dem Einfüllreservoir.In the embodiment according to the invention of a fluid-dynamic bearing, the bearing gap has two open ends, which are sealed by sealing means, for example capillary seals or dynamic pump seals. The filling reservoir is disposed adjacent to the sealing means, i. H. the sealing means are located between the bearing gap and the filling reservoir.
Das beschriebene Lagersystem ist geeignet zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welcher einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird.The described bearing system is suitable for the rotary mounting of a spindle motor, which has a stator and a rotor, wherein the rotor is driven by an electromagnetic drive system.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.Preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. This result from the Drawings and their description further features and advantages of the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der ErfindungDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Die
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte
Das Lagersystem umfasst ein Rotorbauteil in Form einer Nabe mit integrierter Lagerbuchse
Die Lagerbuchse
An das untere Radiallager
In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts
An der anderen Seite des Lagersystems ist die Lagerbuchse
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte
Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal
Aufgrund der Fliehkraft, die innerhalb des Kanals auf das Lagerfluid wirkt, ist es für die Aufrechterhaltung einer Strömung des Lagerfluids im Lagerspalt
Zwischen der Welle
Oberhalb des Radiallagers
Der Dichtungsspalt
Das Einfüllreservoir
Entlang des Dichtungsspaltes
Bei Drehung der Lagerbuchse
Die Pumpdichtung
Das Einfüllreservoir
Gegenüberliegend wird das Einfüllreservoir
Der Durchmesser D3 des Stopperbauteils
Ferner ist der Durchmesser D3 kleiner als der Durchmesser D2 des Stopperbauteils
Nach dem Zusammenbau des Lagers befindet sich im Lagerspalt
Durch Kapillarkräfte und/oder Anwendung eines Vakuumverfahrens wandert nun das im Einfüllreservoir
Axial oberhalb des Dichtungsbereichs der Kapillardichtung
Die in dem Einfüllbereich
Der Unterschied zu
Im Wesentlichen kann die Fläche
Oberhalb der Hohlkehle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Basisplattebaseplate
- 1212
- Wellewave
- 1414
- Rotorbauteilrotor component
- 14a14a
- Lagerbuchsebearing bush
- 1616
- Lagerbauteilbearing component
- 1818
- Stopperbauteilstop member
- 2020
- Lagerspaltbearing gap
- 2121
- Separatorspaltseparator gap
- 2222
- Radiallagerradial bearings
- 22a22a
- RadiallagerrillenRadial grooves
- 22b22b
- Verbindungsrillenconnecting grooves
- 2424
- Radiallagerradial bearings
- 24a24a
- RadiallagerrillenRadial grooves
- 24b24b
- Verbindungsrillenconnecting grooves
- 2626
- Axiallagerthrust
- 26a26a
- AxiallagerrillenAxiallagerrillen
- 2828
- Rezirkulationskanalrecirculation
- 3030
- Abdeckkappecap
- 3131
- Spaltdichtunggap seals
- 3232
- Dichtungsspaltseal gap
- 3434
- Dichtungsspaltseal gap
- 3535
- Kapillardichtungcapillary
- 3636
- Pumpdichtungpump seal
- 36a36a
- PumprillenstrukturenPumping groove structures
- 3838
- Stufestep
- 4040
- ferromagnetischer Ringferromagnetic ring
- 4242
- Statoranordnungstator
- 4444
- Rotormagnetrotor magnet
- 4646
- Rotationsachseaxis of rotation
- 4848
- EinfüllreservoirEinfüllreservoir
- 4949
- Ruhezonerest area
- 5050
- Dichtungsbereich PumpdichtungSealing area pump seal
- 5252
- Dichtungsbereich KapillardichtungSealing area capillary seal
- 5454
- Einfüllbereichfilling area
- 5656
- Hohlkehlefillet
- 5858
- InnenumfangsflächeInner circumferential surface
- 6060
- Flächearea
- 62, 62'62, 62 '
- Flächearea
- D1D1
- Durchmesserdiameter
- D2D2
- Durchmesserdiameter
- D3D3
- Durchmesserdiameter
- D4D4
- Durchmesserdiameter
- RR
- Radius der HohlkehleRadius of the fillet
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