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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors, vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind auf den Lagerflächen Lagerrillenstrukturen vorgesehen, die bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben. Diese Lagerrillenstrukturen sind beispielsweise in Form von Vertiefungen oder Erhebungen auf den Lagerflächen aufgebracht. Durch die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen auf das Lagerfluid wird im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck erzeugt, der das Lager tragfähig macht.
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Die
DE 10 2007 039 231 A1 offenbart ein solches fluiddynamisches Lagersystem mit einer feststehenden Lagerbuchse und einer relativ zur Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbaren Welle. Zwischen der Lagerbuchse und der Welle ist ein mit Lagerfluid gefüllter Lagerspalt gebildet, wobei die Welle eine Stufe aufweist, so dass sich an einem Ende ein Flanschring mit größerem Durchmesser ausbildet.
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Entlang der Welle sind zwei fluiddynamische Radiallager angeordnet, wobei ein erstes Radiallager auf dem kleineren Durchmesser der Welle ausgebildet ist und ein zweites Radiallager auf dem größeren Durchmesser der Welle im Bereich des Flanschrings. Durch diese Anordnung wird die Lagersteifigkeit erhöht, da das Lager umso steifer wird, je größer der Durchmesser der Radiallager ist. Durch Vergrößerung des Durchmessers eines oder beider Radiallager ist es möglich, die Lagersteifigkeit bei gleich bleibender Bauhöhe des Lagers zu verbessern, oder bei gleich bleibender Lagersteifigkeit die Bauhöhe des Lagersystems zu reduzieren.
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Für die aktuellen elektronischen Geräte, wie beispielsweise die so genannten Netbooks oder Netpads, ist es notwendig, Massenspeicher vorzusehen, die eine sehr geringe Bauhöhe aufweisen, damit diese in die meist weniger als einen Zentimeter dicken Geräte eingebaut werden können. Es sind daher Festplattenlaufwerke vorzusehen, die eine Bauhöhe von 7 mm oder weniger aufweisen. In der herkömmlichen Bauweise, wie sie beispielsweise oben beschrieben ist, lassen sich derartig flache Festplattenlaufwerke, insbesondere fluiddynamische Lagersysteme, zur Drehlagerung der die Festplatten antreibenden Spindelmotoren nicht realisieren. Es sind daher fluiddynamische Lagersysteme und Spindelmotoren mit geringer Bauhöhe zu entwickeln.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem mit kleiner axialer Bauhöhe anzugeben, welches eine vergleichbare Tragkraft und Steifigkeit wie herkömmliche fluiddynamische Lager aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil und ein relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Drehachse drehbares Lagerbauteil. Zwischen den Lagerbauteilen ist ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt angeordnet, wobei entlang des Lagerspaltes mindestens zwei Radiallager und mindestens ein Axiallager angeordnet sind. Eine übermäßige axiale Verschiebung zwischen dem feststehenden Lagerbauteil und dem beweglichen Lagerbauteil wird durch ein Stopperelement begrenzt.
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Erfindungsgemäß sind die beiden Radiallager auf einem unterschiedlichen Radius bezüglich der Drehachse angeordnet, wobei das Stopperelement entlang eines zwischen den beiden Radiallagern liegenden Abschnitts des Lagerspaltes angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist das obere Radiallager, also das näher bei der Nabe des drehgelagerten Spindelmotors liegende Radiallager, auf einem größeren Durchmesser angeordnet als das untere Radiallager. Trotzdem der axiale Abstand zwischen den Radiallagern sehr klein ist, kann dadurch eine gute Lagersteifigkeit erzielt werden, da das obere Radiallager nahe am Schwerpunkt des Spindelmotors angeordnet ist. Die axiale Bauhöhe des Lagers kann klein gehalten werden.
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Das Stopperelement ist entlang eines zwischen den beiden Radiallagern liegenden Abschnitts des Lagerspaltes angeordnet. Dadurch ergibt sich eine gute Schockfestigkeit des Lagers, da das Stopperelement eine natürliche Barriere für das im Lagerspalt fließende Lagerfluid darstellt. Durch die Barrierewirkung des Stopperelements wird die Fließgeschwindigkeit des Lagerfluids im Lagerspalt im Falle einer Schockeinwirkung erheblich reduziert.
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Das obere Radiallager ist auf einem größeren Durchmesser angeordnet, und wird im Folgenden auch als äußeres Radiallager bezeichnet. Das äußere Radiallager ist entlang eines äußeren Lagerspaltes mit einem größeren Radius bezüglich der Drehachse angeordnet. Das innere, untere Radiallager ist entlang eines inneren Lagerspaltes mit einem kleineren Radius bezüglich der Drehachse angeordnet.
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Der äußere und der innere Lagerspalt überlappen sich vorzugsweise in axialer Richtung und sind durch einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts miteinander verbunden. Das Stopperelement ist im Bereich entlang des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts im Bereich der Verbindung zwischen äußerem und innerem Lagerspalt angeordnet. Der äußere Lagerspalt ist koaxial zum inneren Lagerspalt angeordnet.
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Da sich der äußere und der innere Lagerspalt in axialer Richtung überlappen und entlang jedes Lagerspalts ein Radiallager angeordnet ist, ist es auch möglich, dass sich das äußere Radiallager und das innere Radiallager in axialer Richtung überlappen. Diese Bauweise ermöglicht eine sehr niedrige axiale Bauform des Lagersystems, da kein Minimalabstand zwischen den beiden Radiallagern mehr vorgesehen werden muss, sondern sich die Radiallager in axialer Richtung überlappen können.
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Die Steifigkeit eines fluiddynamischen Lagers hängt insbesondere auch von der Spaltbreite des Lagerspaltes ab. Zur Beeinflussung der Steifigkeit der beiden Radiallager ist es daher vorzugsweise vorgesehen, dass sich die Spaltbreite des äußeren Lagerspaltes von der Spaltbreite des inneren Lagerspaltes unterscheidet. Auf diese Weise kann die Steifigkeit der einzelnen Radiallager beeinflusst werden.
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Vorzugsweise ist die Spaltbreite des äußeren Lagerspalts zumindest im Bereich des äußeren Radiallagers kleiner als die Spaltbreite des inneren Lagerspalts im Bereich des inneren Radiallagers, wodurch die Lagersteifigkeit des äußeren Radiallagers, das nahe des Schwerpunkts der Rotoranordnung positioniert ist, erhöht wird im Vergleich zur Lagersteifigkeit des inneren Radiallagers, das weiter entfernt ist vom Schwerpunkt der Rotoranordnung. Die Rotoranordnung umfasst dabei sämtliche mit der Nabe verbundene Bauteile, insbesondere die Welle sowie den Rotormagnet und die Speicherplatten des Festplattenantriebs.
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Dadurch, dass das innere Radiallager auf einem kleineren Radius angeordnet ist als das äußere Radiallager, erzeugt das innere Radiallager bei Betrieb des Lagers a priori eine geringere Lagerkraft als das äußere Radiallager. Zur Erhöhung der Lagerkraft des inneren Radiallagers, wird alternativ die Spaltbreite des inneren Lagerspalts kleiner als die Spaltbreite des äußeren Lagerspalts vorgesehen.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Lagerbauteil eine in einer Öffnung der Basisplatte befestigte Lagerbuchse und einen in der Lagerbuchse angeordneten Lagerzapfen, wobei zwischen einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse und einer äußeren Umfangsfläche des Lagerzapfens ein ringförmiger Freiraum gebildet ist. Das bewegliche Lagerbauteil umfasst eine Hohlwelle und ein mit der Hohlwelle verbundenes ringförmiges Bauteil, wobei die Hohlwelle teilweise in dem ringförmigen Freiraum angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung der Erfindung dreht sich demnach die Hohlwelle in dem durch die Lagerbuchse und den Lagerzapfen gebildeten Freiraum.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das bewegliche Lagerbauteil eine Lagerbuchse und einen in der Lagerbuchse angeordneten Lagerzapfen, wobei ein ringförmiger Freiraum zwischen der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse und einer äußeren Umfangsfläche des Lagerzapfens gebildet ist.
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Das feststehende Lagerbauteil umfasst eine Hohlwelle und ein mit der Hohlwelle verbundenes ringförmiges Bauteil, wobei die Hohlwelle teilweise in dem ringförmigen Freiraum angeordnet ist und sich die Lagerbuchse und der Lagerzapfen um die Hohlwelle drehen.
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In beiden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung grenzen der innere und der äußere Lagerspalt demnach an die Umfangsflächen der Hohlwelle an. Der äußere Lagerspalt ist durch eine äußere Umfangsfläche der Hohlwelle und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse begrenzt, und der innere Lagerspalt ist durch eine innere Umfangsfläche der Hohlwelle und eine äußere Umfangsfläche des Lagerzapfens begrenzt.
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Der Lagerspalt ist lediglich an einer Seite geöffnet und zwar am Ende des äußeren Lagerspalts. Angrenzend an den äußeren Lagerspalt ist ein Dichtungsspalt vorgesehen, der sich auf einem größeren Radius befindet als der äußere Lagerspalt und teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Dichtungsspalt wird durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche des ringförmigen Bauteils begrenzt. Vorzugsweise ist der Dichtungsspalt als kapillarer Dichtungsspalt mit konischem Querschnitt ausgebildet.
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Vorzugsweise kann das fluiddynamische Lagersystem bis zu drei fluiddynamische Axiallager aufweisen. Ein erstes Axiallager kann zwischen einer Stirnseite der Lagerbuchse und einer gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Bauteils gebildet sein, wobei dieses Axiallager in einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes angeordnet ist, der sich zwischen dem äußeren Lagerspalt und dem Dichtungsspalt befindet. Dieses erste Axiallager übt bei Betrieb des Lagers auf die Nabe eine axiale Kraft parallel zur Drehachse aus und sorgt somit dafür, dass die Nabe bei Betrieb des Lagers von der Lagerbuchse abhebt.
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Ein zweites Axiallager kann zwischen einer in einem radial außen liegenden Bereich liegenden Stirnseite des Lagerzapfens und einer gegenüberliegenden Fläche der Hohlwelle angeordnet sein. Dieses Axiallager befindet sich entlang eines radialen Abschnitts des Lagerspalts im Bereich des Stopperelements, also im Verbindungsbereich zwischen dem inneren Lagerspalt und dem äußeren Lagerspalt.
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Ein drittes Axiallager kann zwischen einer in einem radial innen liegenden Bereich liegenden Stirnseite des Lagerzapfens und einer gegenüberliegenden Fläche der Hohlwelle angeordnet sein, wobei dieses Axiallager entlang eines radialen Abschnitts des inneren Lagerspalts angeordnet ist. Dieses dritte Axiallager übt bei Betrieb des Lagers ebenso wie das erste Axiallager auf die Nabe eine Kraft parallel zur Drehachse aus. Erfindungsgemäß kann nur eines der oben beschriebenen Axiallager oder aber zwei oder drei der oben beschriebenen Axiallager in beliebigen Kombinationen vorhanden sein.
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Ist eines der drei Axiallager nicht vorhanden, kann der an dieser Stelle radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts vergrößert werden, um einen geringeren Stromverbrauch zu generieren.
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Der äußere Lagerspalt ist zum einen im Bereich des Stopperelements mit dem inneren Lagerspalt verbunden und kann andererseits auch über einen zusätzlichen Rezirkulationskanal mit dem inneren Lagerspalt verbunden sein. Der Rezirkulationskanal kann beispielsweise als eine oder mehrere radiale Bohrungen in der Hohlwelle ausgebildet sein und dadurch den Bereich des äußeren Dichtungsspalts zwischen dem ersten Axiallager und dem oberen Radiallager mit dem Bereich des inneren Dichtungsspalts zwischen dem unteren Radiallager und dem dritten Axiallager verbinden. Durch diesen Rezirkulationskanal wird eine Zirkulation des Lagerfluids zwischen innerem und äußerem Lagerspalt ermöglicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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1A zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Lagersystems von 1 mit separatem Stopperelement.
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1B zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems von 1 mit zusätzlichem Rezirkulationskanal.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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2A zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Lagersystems von 2 mit separatem Stopperelement.
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2B zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Lagersystems von 2 mit zusätzlichem Rezirkulationskanal.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung:
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagers. Das Lager ist in einer Basisplatte 10 gehalten, welches gleichzeitig ein Gehäuseteil des Spindelmotors ausbildet und neben dem Lagersystem weitere Komponenten des Spindelmotors trägt oder beinhaltet. Die Basisplatte 10 hat eine Öffnung, in welcher eine Lagerbuchse 12 angeordnet ist. Die Lagerbuchse 12 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und hat an der inneren Umfangsfläche eine Stufe, die als Anschlag für ein später beschriebenes Stopperelement dient. Im Bereich des größeren Innendurchmessers der Lagerbuchse 12 ist ein Lagerzapfen 14 angeordnet und mit der Lagerbuchse 12 verbunden. Der Lagerzapfen 14 ist im Querschnitt etwa T-förmig ausgebildet, wobei der Flanschbereich des Lagerzapfens 14 mit der Lagerbuchse 12 verbunden ist, beispielsweise durch eine Pressverbindung, während der schmalere zapfenförmige Bereich des Lagerzapfens 14 sich konzentrisch zur Lagerbuchse 12 und ebenfalls konzentrisch zur Drehachse 22 des Lagers erstreckt. Zwischen der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 und der äußeren Umfangsfläche des Lagerzapfens 14 verbleibt ein Freiraum, in welchem eine Hohlwelle 16 eingreift. Die Hohlwelle 16 ist etwa hohlzylindrisch ausgebildet und umfasst am Ende ein radial sich ringförmig erstreckendes Stopperelement 16a, welches ein Herausfallen der Hohlwelle aus dem durch die Lagerbuchse 12 und den Lagerzapfen 14 gebildeten Freiraum verhindert. Zusätzlich ergibt sich dadurch eine gute Schockfestigkeit des Lagers, da das Stopperelement 16a eine natürliche Barriere für das im Lagerspalt fließende Lagerfluid darstellt. Durch die Barrierewirkung des Stopperelements 16a wird die Fließgeschwindigkeit des Lagerfluids im Lagerspalt im Falle einer Schockeinwirkung erheblich reduziert.
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Ein ringförmiges Lagerbauteil 18 ist am oberen Bereich der Hohlwelle 16 angeordnet, welches im Querschnitt etwa L-förmig ausgebildet ist und an seiner äußeren Umfangsfläche eine Nabe 20 des Spindelmotors trägt.
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Die Basisplatte 10, die Lagerbuchse 12 und der Lagerzapfen 14 bilden das feststehende Bauteil des Lagersystems bzw. Spindelmotors, während die Hohlwelle 16, das Lagerbauteil 18 und die Nabe 20 das drehbare Lagerbauteil bzw. Motorbauteil des Spindelmotors bilden.
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Zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Lagerzapfens 14 und einer inneren Umfangsfläche der Hohlwelle 16 ist ein innerer Lagerspalt 26 gebildet. Der innere Lagerspalt 26 teilt sich in einen radial verlaufenden Abschnitt 26b und einen axial verlaufenden Abschnitt 26c auf. Entlang dieses axial verlaufenden inneren Lagerspaltes 26 ist ein inneres fluiddynamisches Radiallager 32 angeordnet. Das innere Radiallager 32 ist durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Oberfläche des Lagerzapfens 14 oder der Oberfläche der Hohlwelle 16 angeordnet sind und beispielsweise sinus- oder parabelförmig ausgebildet sind. Das innere Radiallager 32 befindet sich vorzugsweise näher am freien Ende der Hohlwelle im Bereich des Stopperelements 16a.
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Der Lagerspalt verläuft ausgehend vom inneren Lagerspalt 26 als radial verlaufender Abschnitt 26a um das freie Ende der Hohlwelle 16 und um das Stopperelement 16a herum und geht in einen äußeren Lagerspalt 24 über, der zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Hohlwelle 16 und einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 gebildet ist. Entlang des äußeren Lagerspalts ist ein äußeres fluiddynamisches Radiallager 30 angeordnet, welches vorzugsweise axial versetzt leicht oberhalb des inneren Radiallagers 32 vorgesehen ist. Der innere 26 und äußere Lagerspalt 24 sind mit einem Lagerfluid gefüllt. Der äußere Lagerspalt 24 geht oberhalb des äußeren Radiallagers 30 über in einen radial verlaufenden Abschnitt 24a und grenzt dann an einem in axialer Richtung verlaufenden Dichtungsspalt 28 an, der die offene Seite des Lagers abdichtet und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist.
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In dem radial verlaufenden Abschnitt 24a des äußeren Lagerspaltes 24 ist ein fluiddynamisches Axiallager 34 angeordnet, welches durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet ist, die entweder auf der Stirnfläche der Lagerbuchse 12 oder aber einer gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Bauteils 18 angeordnet sind und beispielsweise spiralrillenförmig ausgebildet sind. Dieses erste Axiallager 34 pumpt bei Betrieb des Lagers das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren und übt dadurch auf die Nabe 20 eine axiale Kraft parallel zur Drehachse 22 (in der Darstellung der 1 nach oben) aus. Dadurch wird das Lagerfluid zusätzlich zur Wirkung des Dichtungsspalts 28 im Lagerinneren gehalten und desweiteren kann dadurch eine Vorspannung des Lagers erreicht werden.
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In dem radial verlaufenden Abschnitt 26a des inneren Lagerspalts 26 kann ein zweites fluiddynamisches Axiallager 36 zwischen einer in einem radial außen liegenden Bereich liegenden Stirnfläche des Lagerzapfens 14 und einer gegenüberliegenden Fläche der Hohlwelle 16 ausgebildet sein und beispielsweise spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen aufweisen. Diese zweite Axiallager 36 pumpt bei Betrieb des Lagers das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren und übt dadurch auf die Hohlwelle 16 eine Kraft parallel zur Drehachse 22 in Richtung der Nabe 20, also in der Darstellung der 1 nach oben aus.
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In dem Abschnitt 26b des inneren Lagerspalts 26 kann ein drittes Axiallager 38 im Inneren des Lagers zwischen einer im radial inneren Bereich liegenden Stirnfläche des Lagerzapfens 14 und einer gegenüberliegenden Fläche der Hohlwelle 16 ausgebildet sein und beispielsweise ebenfalls spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen aufweisen. Dieses dritte Axiallager 38 pumpt bei Betrieb des Lagers das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren und übt dadurch auf die Nabe 20 eine axiale Kraft parallel zur Drehachse 22 nach oben aus. Ist das dritte Axiallager 38 nicht vorgesehen, kann der an dieser Stelle radial verlaufende Abschnitt 26b des inneren Lagerspalts 26 vergrößert werden, um einen geringeren Stromverbrauch zu generieren.
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Auch das äußere Radiallager 30 kann eine gerichtete Pumpwirkung aufweisen, die vorzugsweise in Richtung des Lagerinneren, also in Richtung des inneren Lagerspaltes 24 gerichtet ist. Hierzu sind zum Beispiel die Lagerrillenstrukturen unterschiedlich lang oder unterschiedlich breit bzw. unterschiedlich tief ausgebildet, so dass das Radiallager 30 eine überwiegende Pumpwirkung in das Lagerinnere erzeugt.
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Das optionale zweite Axiallager 36 pumpt das Lagerfluid ebenfalls in das Lagerinnere in Richtung des inneren Radiallagers 32, während das innere Radiallager 32 beispielsweise symmetrisch ausgebildete Radiallagerrillen aufweist und keine gerichtete Pumpwirkung erzeugt.
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Die Axiallager 34, 36 und 38 wirken alle in dieselbe Richtung, d. h., sie erzeugen eine Lagerkraft auf die Nabe 20, die axial nach oben gerichtet ist. Zur Kompensation dieser Lagerkraft bzw. zur Ausübung einer Vorspannung ist das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors entsprechend ausgestaltet. Das Antriebssystem umfasst eine Statoranordnung 40, die ringförmig an der Basisplatte 10 angeordnet ist.
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Ein Rotormagnet 42 ist auf einer inneren Umfangsfläche der Nabe 20 angeordnet und liegt der Statoranordnung 40 radial gegenüber. Unterhalb des Rotormagneten 42 ist ein Zugring 44 angeordnet, der vom Rotormagneten 42 magnetisch angezogen wird und eine Zugkraft axial nach unten erzeugt, die der Lagerkraft der Axiallager 34, 36, 38 entgegengesetzt ist. Somit befinden sich die auf die Rotoranordnung einwirkenden axialen Kräfte im Gleichgewicht.
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Wichtig ist, dass das äußere Radiallager 30 auf einem wesentlich größeren Radius bezüglich der Drehachse 22 angeordnet ist, als das innere Radiallager 32, so dass die Lagersteifigkeit trotz der geringen axialen Höhe des Lagersystems ausreichend groß ist. Die beiden Radiallager 30, 32 können sich auch in axialer Richtung überlappen, d. h., das äußere Radiallager 30 kann sich axial entlang eines großen Bereiches des äußeren Lagerspaltes 24 erstrecken und auch das innere Radiallager 32 kann sich axial über einen großen Bereich des inneren Lagerspalters 26 erstrecken, so dass sich die Radiallager 32, 30 axial überlappen können, was bei Radiallagern, die entlang eines Lagerspalts gleichen Durchmessers angeordnet wären, nicht möglich wäre.
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Die Breite des äußeren Lagerspaltes und die Breite des inneren Lagerspaltes können sich unterscheiden. In der Regel sind die Radiallagerspalte lediglich wenige Mikrometer breit, wobei z. B. der äußere Radiallagerspalt 24 beispielsweise 3 Mikrometer breit sein kann, während der innere Lagerspalt 26 beispielsweise 4 Mikrometer breit ist.
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1A zeigt eine Abwandlung des Lagersystems von 1, bei dem das an der Hohlwelle 16 angeordnete Stopperelement 16a nicht einteilig mit der Hohlwelle 16 ausgebildet ist, sondern als separates Stopperelement 16a' an der Hohlwelle 16' befestigt ist. Dies kann beispielsweise bei der Fertigung der Lagerbauteile und/oder der Montage des Lagers von Vorteil sein.
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1B zeigt ein Lager gemäß 1, bei dem der innere Lagerspalt 26 zusätzlich durch einen Rezirkulationskanal 46 mit dem äußeren Lagerspalt 24 verbunden ist. Der Rezirkulationskanal 46 kann dabei einen axialen Abschnitt des äußeren Lagerspaltes 24 zwischen dem ersten Axiallager 34 und dem oberen Radiallager 30 mit einem axialen Abschnitt des inneren Lagerspalts 26 zwischen dem inneren Radiallager 32 und dem optionalen dritten Axiallager 38 verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Rezirkulationskanal einen axialen Abschnitt des äußeren Lagerspaltes 24 zwischen dem ersten Axiallager 34 und dem oberen Radiallager 30 mit einem axialen Abschnitt des inneren Lagerspalts 26 zwischen dem inneren Radiallager 32 und dem zweiten Axiallager 36 verbinden. Desweiteren kann ein Rezirkulationskanal einen axialen Abschnitt des äußeren Lagerspaltes 24 zwischen dem zweiten Axiallager 36 und dem oberen Radiallager 30 mit einem axialen Abschnitt des inneren Lagerspalts 26 zwischen dem inneren Radiallager 32 und dem dritten Axiallager 38 verbinden. Durch diesen (mindestens einen) Rezirkulationskanal 46 bildet sich eine durchgehende Verbindung zwischen den beiden Lagerspalten 24, 26 durch eine oder mehrere Bohrungen, die vorzugsweise als Quer- oder Schrägbohrungen in der Hohlwelle 16 ausgebildet sind, so dass das Lagerfluid in den Lagerspalten 24, 26 in der angegebenen Pfeilrichtung zirkulieren kann.
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2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers zur Drehlagerung eines Spindelmotors. Im Prinzip ist das in 2 dargestellte Lager eine auf den Kopf gestellte Version des Lagers aus 1, wobei die in 1 beschriebenen feststehenden Bauteile in 2 die drehbaren Bauteile bilden und mit der Nabe 120 verbunden sind, während die in 1 beschriebenen drehbaren Bauteile in 2 die feststehenden Bauteile bilden und mit der Basisplatte 110 verbunden sind.
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In der Basisplatte 110 ist das im Querschnitt L-förmige ringförmige Bauteil 118 sowie die feststehende Hohlwelle 116 gehalten. Die Bauteile 110, 118, 116 bilden das feststehende Lagerbauteil. Das drehbare Lagerbauteil wird gebildet durch die drehbare Lagerbuchse 112, an welcher eine Nabe 120 befestigt ist sowie ein innen mit der Lagerbuchse 112 verbundener drehbarer Lagerzapfen 114. Zwischen einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 112 und einer äußeren Umfangsfläche der Hohlwelle 116 ist ein äußerer Lagerspalt 124 gebildet, entlang welchem ein äußeres Radiallager 130 angeordnet ist.
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Zwischen einem Innenumfang der Hohlwelle 116 und einer äußeren Umfangsfläche des Lagerzapfens 114 ist ein innerer Lagerspalt 126 angeordnet, der sich in einen radial verlaufenden Abschnitt 126b und einen axial verlaufenden Abschnitt 126c, entlang welchem ein inneres Radiallager 132 angeordnet ist, aufteilt.
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In einem radial verlaufenden Abschnitt 124a des äußeren Lagerspalts 124 wird ein erstes fluiddynamisches Axiallager 134 gebildet durch Lagerrillenstrukturen, die in einer in einem radial innen liegenden Bereich liegende Stirnfläche des ringförmigen Bauteils 118 oder einer gegenüberliegende Fläche der Lagerbuchse 112 angeordnet sind und beispielsweise spiralrillenförmig ausgebildet sind. Dieses Axiallager 134 befindet sich in der Nähe des Stopperelements 112a, das als radial nach innen weisender Ring an der Lagerbuchse 112 angeordnet ist. Dieses erste Axiallager 134 pumpt bei Betrieb des Lagers das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren und übt dadurch auf die Nabe 120 eine axiale Kraft parallel zur Drehachse 122 in der Darstellung der 2 nach oben aus. Dadurch wird das Lagerfluid zusätzlich zur Wirkung des Dichtungsspalts 128 im Lagerinneren gehalten und desweiteren kann dadurch eine Vorspannung des Lagers erreicht werden.
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Die Hohlwelle 116 umfasst eine Stufe oder Aussparung, in welcher das Stopperelement 112a eingreift und eine übermäßige axiale Verschiebung der Lagerbauteile verhindert.
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In einem radial verlaufenden Abschnitt 126a des inneren Lagerspalts 126 kann ein zweites optionales fluiddynamisches Axiallager 136 gebildet sein zwischen einer in einem radial außen liegenden Bereich liegenden Stirnfläche der Hohlwelle 116 und einer unteren Stirnfläche des Lagerzapfens 114. Dieses zweite Axiallager 136 kann beispielsweise spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen aufweisen und pumpt damit bei Betrieb des Lagers das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren und übt dadurch auf die Nabe 120 eine axiale Kraft parallel zur Drehachse 122 nach oben gerichtet aus.
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In dem radial verlaufenden Abschnitt 126b des inneren Lagerspalts 126 kann optional ein drittes fluiddynamisches Axiallager vorgesehen sein zwischen einer in einem radial inneren Bereich liegenden Stirnfläche der Hohlwelle 116 sowie einer gegenüberliegenden Fläche des Lagerzapfens 114. Dieses dritte Axiallager 138 kann beispielsweise spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen aufweisen und pumpt damit bei Betrieb des Lagers das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren und übt dadurch auf die Nabe 120 ebenfalls eine Kraft parallel zur Drehachse 122 nach oben aus. Ist das dritte Axiallager 138 nicht vorgesehen, kann der an dieser Stelle radial verlaufende Abschnitt 126b des inneren Lagerspalts 126 vergrößert werden, um einen geringeren Stromverbrauch zu generieren.
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Das äußere Radiallager 130 ist vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet und umfasst Radiallagerrillen, die das Lagerfluid überwiegend ebenfalls in das Lagerinnere in Richtung des optionalen zweiten Axiallagers 136 fördern. Das innere Radiallager 132 ist vorzugsweise symmetrisch ausgebildet und generiert keine gerichtete Pumpwirkung.
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Das elektromagnetische Antriebssystem umfasst eine Statoranordnung 140, einen Rotormagneten 142 und den Zugring 144 zur Vorspannung der Axiallagerkraft und entspricht der Anordnung in 1.
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2a zeigt eine Darstellung des Lagers von 2, bei dem das Stopperelement 112a' nicht einteilig sondern zweiteilig mit der Lagerbuchse 112' ausgebildet ist. Dies erleichtert beispielsweise die Fertigung der Lagerbauteile und/oder die Montage des Lagers.
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2b zeigt eine Ausgestaltung des Lagers von 2, bei dem ein Rezirkulationskanal 146 den inneren Lagerspalt 126 mit dem äußeren Lagerspalt 124 verbindet. Der Rezirkulationskanal 146 kann dabei zwischen einem axialen Abschnitt des äußeren Lagerspaltes 124, der sich zwischen dem ersten Axiallager 134 und dem äußeren Radiallager 130 befindet, und einem axialen Abschnitt des inneren Lagerspaltes 126, der zwischen dem inneren Radiallager 132 und dem optionalen dritten Axiallager 138 angeordnet ist, verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Rezirkulationskanal einen axialen Abschnitt des äußeren Lagerspaltes 124 zwischen dem ersten Axiallager 134 und dem oberen Radiallager 130 mit einem axialen Abschnitt des inneren Lagerspalts 126 zwischen dem inneren Radiallager 132 und dem zweiten Axiallager 136 verbinden. Desweiteren kann ein Rezirkulationskanal einen axialen Abschnitt des äußeren Lagerspaltes 124 zwischen dem zweiten Axiallager 136 und dem oberen Radiallager 130 mit einem axialen Abschnitt des inneren Lagerspalts 126 zwischen dem inneren Radiallager 132 und dem dritten Axiallager 138 verbinden. Durch einen derartigen Rezirkulationskanal 146 bildet sich eine durchgehende Verbindung zwischen den beiden Lagerspalten 124, 126 durch eine oder mehrere Bohrungen, die vorzugsweise als Quer- oder Schrägbohrungen in der Hohlwelle 116 ausgebildet sind, so dass das Lagerfluid in den Lagerspalten 124, 126 in der angegebenen Pfeilrichtung zirkulieren kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- Basisplatte
- 12, 112, 112'
- Lagerbuchse
- 14, 114
- Lagerzapfen
- 16, 16' 116
- Hohlwelle
- 168,168', 112a, 112a'
- Stopperelement
- 18, 118
- Bauteil, ringförmig
- 20,120
- Nabe
- 22, 122
- Drehachse
- 24, 124
- Lagerspalt, äußerer
- 24a, 124a
- radialer Abschnitt d. Lagerspalts 24, 124
- 26, 126
- Lagerspalt, innerer
- 26a, 126a
- radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 26, 126
- 26b, 126b
- radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 26, 126
- 26c, 126c
- axial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 26, 126
- 28, 128
- Dichtungsspalt
- 30, 130
- Radiallager, äußeres
- 32, 132
- Radiallager, inneres
- 34, 134
- Axiallager, erstes
- 36, 136
- Axiallager, zweites
- 38, 138
- Axiallager, drittes
- 40, 140
- Statoranordnung
- 42, 142
- Rotormagnet
- 44, 144
- Zugring
- 46, 146
- Rezirkulationskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007039231 A1 [0003]
