DE102013013987A1

DE102013013987A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102013013987A1
Application number: DE201310013987
Authority: DE
Inventors: Martin Engesser
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Es ist ein fluiddynamisches Lagersystem beschrieben mit einem feststehenden Lagerbauteil (12, 14) und einem relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse (42) drehbar gelagerten Lagerbauteil (16, 24). Die Lagerbauteile weisen jeweils sich gegenüber liegende Lagerflächen auf, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (22) voneinander getrennt sind, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (26, 28) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (30) ausbilden. Es ist ein Rezirkulationskanal (34) vorgesehen, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes (22) miteinander verbindet. Erfindungsgemäß besteht das feststehende Lagerbauteil (12, 14) oder das drehbare Lagerbauteil zu einem Teil aus Eisenmetall oder Keramik, wobei dieser Teil Lagerflächen des fluiddynamischen Lagers ausbildet, und zum anderen Teil aus Leichtmetall, wobei der Rezirkulationskanal (34) vollständig in dem aus Leichtmetall bestehenden Teil dieses Lagerbauteils angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors. Spindelmotoren dienen beispielsweise zum Antrieb von Festplatten- oder anderen Speicher-Laufwerken, wie etwa von CD-, DVD oder Blu-Ray-Laufwerken oder von Lüftern.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbar angeordnete Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Lagerflächen bilden mindestens ein Radiallager und mindestens ein Axiallager aus, die durch entsprechende Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind, die auf den Lagerflächen angeordnet sind. Der Lagerspalt weist mindestens ein offenes Ende auf, an welches sich ein Dichtungsspalt anschließt, der die Abdichtung des Lagerspaltes übernimmt. Der Dichtungsspalt ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt und beispielsweise als im Querschnitt konischer Kapillarspalt ausgebildet. Der Dichtungsspalt dient oftmals auch als Fluidreservoir zur Bevorratung von Lagerfluid.
Ein Spindelmotor mit einem typischen fluiddynamischen Lagersystem ist in der DE 10 2009 037 519 A1 offenbart. Hier ist erkennbar, dass eine Welle drehbar in einer Lagerbuchse gelagert ist, wobei sich der Lagerspalt zwischen Welle und Lagerbuchse befindet und sich zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse und der Unterseite eines Rotorbauteils fortsetzt. Um eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt zu ermöglichen, ist es bekannt, beispielsweise in der Lagerbuchse einen Rezirkulationskanal vorzusehen. Bisher wird der Rezirkulationskanal in der Regel in der Lagerbuchse angeordnet. Die Lagerbuchse besteht vorzugsweise aus Stahl, da die Lagerflächen eines fluiddynamischen Lagers aufgrund der guten Reibungs- und Verschleißeigenschaften bevorzugt aus Stahlwerkstoffen ausgeführt werden. Der Rezirkulationskanal wird durch Bohren in die stählerne Lagerhülse eingebracht. In der Regel sind die Rezirkulationskanäle relativ lang mit einem vergleichsweise geringen Durchmesser, so dass diese nur durch Bohren hergestellt werden können. In seltenen Fällen, bei denen viel kürzere Rezirkulationskanäle verwendet werden können, können diese alternativ durch elektrochemische Abtragung (ECM-Verfahren) oder Fräsen und Fügen erzeugt werden.
Die mögliche Länge des Rezirkulationskanals ist limitiert durch die verfügbare Bohrerlänge bei dem notwendigen Bohrdurchmesser. Aufgrund der geringen Bohrerdurchmesser von 0,4 bis 0,7 mm ist die verfügbare Bohrerlänge für Stahlbohrer limitiert, da ansonsten die Standzeit des Werkzeuges zu klein werden würde und der Bohrer zu schnell abbrechen würde. In vielen Fällen ist die benötigte Länge des Rezirkulationskanals zu groß, um mit herkömmlichen Stahlbohrern gefertigt werden zu können. Die maximale Lagerlänge, d. h. die Länge der Lagerbuchse, ist dann in vielen Fällen durch die erhältlichen Bohrwerkzeuge begrenzt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem die Länge des Rezirkulationskanals und somit die radiale Lagerspanne und erreichbare Lagersteifigkeit vergrößert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß 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 ist ein fluiddynamisches Lagersystem beschrieben mit einem feststehenden Lagerbauteil und einem relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Lagerbauteil. Die Lagerbauteile weisen jeweils sich gegenüber liegende Lagerflächen auf, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager um mindestens ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden. Es ist ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes miteinander verbindet.
Erfindungsgemäß besteht das feststehende Lagerbauteil oder das drehbare Lagerbauteil teilweise aus Leichtmetall, wobei der Rezirkulationskanal vollständig in dem aus Leichtmetall bestehenden Teil dieses Lagerbauteils angeordnet ist.
Das bedeutet, dass nun der Rezirkulationskanal nicht wie bisher in den Stahlwerkstoff eines Lagerbauteils gebohrt werden muss, was aufgrund der Härte des Stahlwerkstoffs und der Länge und des geringen Durchmessers des Rezirkulationskanals problematisch war. Vielmehr wird nun der Rezirkulationskanal in ein Leichtmetall als sehr viel weicheres Material, vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminium-Legierung eingebracht. Dadurch können entweder sehr viel geringere Bohrerdurchmesser oder sehr viel längere Bohrerlängen verwendet werden, als es beim Bohren von Stahlwerkstoffen der Fall war.
Erfindungsgemäß wird der Rezirkulationskanal also von einem Lagerbauteil aus Stahl in ein Lagerbauteil aus Leichtmetall, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminium-Legierung, verlegt. Das Lagerbauteil kann beispielsweise eine die Lagerbuchse umgebende Lagerhülse oder ein Rotorbauteil sein. Für das einfacher zu bohrende Aluminium sind im Verhältnis Länge zu Durchmesser längere beziehungsweise dünnere Bohrer erhältlich. Dies ermöglicht das Bohren von längeren Rezirkulationskanälen bei gleichem Durchmesser oder von dünneren Rezirkulationskanälen bei gleich bleibender Länge. Beispielsweise kann der Durchmesser des Rezirkulationskanals bei gleich bleibender Länge von 0,7 auf 0,4 mm reduziert werden. Dadurch reduziert sich nicht nur das wirksame Volumen an Lagerfluid im Lager, sonder es reduziert sich auch die Beweglichkeit des Lagerfluids im Schockfall. Dies verbessert die Schockfestigkeit des Lagers.
Ein verringerter Durchmesser des Rezirkulationskanals wirkt sich ebenfalls stark auf die Reibflächendurchmesser im Dichtungsspalt bzw. in der Pumpdichtung und im Reservoir für das Lagerfluid aus. Diese Durchmesser können erheblich reduziert werden, was die Reibung des Lagers herabsetzt und effizientere Spindelmotoren möglich macht.
Die Lagerflächen der fluiddynamischen Radiallager und des mindestens einen Axiallagers werden nach wie vor durch eine Lagerbuchse aus Stahlwerkstoff gebildet. Die Lagerbuchse aus Stahl kann aber wesentlich dünner und kleiner im Durchmesser sein als bisher, was erstens die Herstellungskosten senkt und zweitens eine einfachere Geometrie möglich macht. Weiterhin wird es einfacher, die Abdichtung zwischen der Lagerbuchse und der sie umgebenden Lagerhülse bzw. dem Rotorbauteil vorzusehen.
In einer ersten, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Bauteil des Lagersystems eine nahezu zylindrische Lagerhülse und eine in einer Bohrung der Lagerhülse angeordnete Lagerbuchse. Das drehbare Lagerbauteil umfasst eine in der Lagerbuchse drehbar gelagerte Welle und ein mit der Welle verbundenes Rotorbauteil. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ist der Rezirkulationskanal vollständig in der feststehenden Lagerhülse angeordnet, wobei die Lagerhülse aus Leichtmetall besteht, während die in die Lagerhülse beispielsweise eingepresste und/oder eingeklebte Lagerbuchse aus Eisenmetall oder Keramik besteht.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden die Lagerhülse und die Lagerbuchse das drehbare Lagerbauteil, während die Welle das feststehende Lagerbauteil bildet. Auch in dieser Ausgestaltung ist der Rezirkulationskanal vollständig in der (drehbaren) Lagerhülse angeordnet, die aus Leichtmetall besteht, während die Lagerbuchse aus Eisenmetall oder Keramik besteht.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das drehbare Lagerbauteil ein Rotorbauteil, beispielsweise in Form einer Nabe, und eine in einer Bohrung des Rotorbauteils angeordnete Lagerbuchse. Das feststehende Lagerbauteil umfasst eine in der Lagerbuchse angeordnete Welle und ein mit der Welle verbundenes becherförmiges Bauteil, das mit einer Basisplatte verbunden ist. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist der Rezirkulationskanal vollständig im Rotorbauteil angeordnet, wobei das Rotorbauteil aus Leichtmetall besteht, während die im Rotorbauteil angeordnete Lagerbuchse aus Eisenmetall oder Keramik besteht.
Zusammen mit der Welle bildet die Lagerbuchse jeweils Lagerflächen eines ersten und zweiten Radiallagers aus sowie zumindest teilweise die Lagerflächen eines Axiallagers.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Lagerbuchse zweiteilig ausgebildet sein und aus einem ersten Lagerring bestehen, der zusammen mit der Welle ein erstes Radiallager bildet, und einem zweiten Lagerring, der zusammen mit der Welle ein zweites Radiallager bildet. Dabei kann der zweite Lagerring sowohl Lagerflächen des zweiten Radiallagers als auch zumindest Teile der Lagerflächen des Axiallagers ausbilden.
Das beschriebene fluiddynamische Lager in den verschiedenen Ausgestaltungen kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
4 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Lagersystems von 3.
5 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems und
6 zeigt einen Schnitt durch ein Lagersystem gemäß 5 in einer abgewandelten Form.
7 zeigt einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems gemäß 3.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch ein Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer etwa zylindrischen Lagerhülse 12 aufweist. In einer zentralen Bohrung der Lagerhülse 12 ist eine Lagerbuchse 14 angeordnet, beispielsweise mittels Fügeverbindung eingepresst und/oder eingeklebt. Die Lagerbuchse 14 besteht vorzugsweise aus Stahl und hat im Vergleich zu ihrem Durchmesser und auch im Vergleich zur Lagerhülse eine relativ kleine Wandstärke. Die Lagerhülse ist aus Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, hergestellt. Eine Welle 16 ist in einer Bohrung der Lagerbuchse 14 drehbar aufgenommen, wobei ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt 22 die Oberflächen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14 voneinander trennt. Die Welle 16 und die Lagerbuchse 14 weisen einander zugeordnete Lagerflächen auf, die vorzugsweise zwei Radiallager 26, 28 ausbilden.
Ein Ende der Welle 16 steht über ein Ende der Lagerbuchse 12 hinaus und ist mit einem Rotorbauteil 24 verbunden. Das Rotorbauteil 24 umfasst eine ebene Unterseite, die den oberen Stirnseiten der Lagerhülse 12 und der Lagerbuchse 14 gegenüberliegt und von diesen durch einen radial verlaufenden Abschnitt des mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalts 22 getrennt ist. Auf der Unterseite des Rotorbauteils 24 sind Lagerflächen angeordnet, die zusammen mit der auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14 angeordneten Lagerfläche ein fluiddynamisches Axiallager 30 ausbilden.
Die beiden in einem axialen Abstand zueinander angeordneten Radiallager 26, 28 und das Axiallager 30 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf einer oder beiden sich jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen angeordnet sind. Vorzugsweise sind sämtliche Lagerrillenstrukturen sowohl des Axiallagers 30 als auch beider Radiallager 26, 28 in der Lagerbuchse 14 angeordnet. Der Lagerspalt 22 erstreckt sich in axialer Richtung zwischen der Lagerbuchse 14 und der Welle 16 und weiter in radialer Richtung zwischen den Stirnseiten der Lagerhülse 12 und der Lagerbuchse 14 und der Unterseite des Rotorbauteils 24.
Am Außendurchmesser des Axiallagers 30 geht der Lagerspalt 22 in einen Spalt mit einem größeren Spaltabstand über, der zunächst in radialer Richtung und im weiteren Verlauf in axialer Richtung verläuft, als kapillarer Dichtungsspalt 32 wirkt und teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. Der axial verlaufende Teil des Dichtungsspalts 32 wird begrenzt durch eine radial innen liegende Dichtungsfläche, welche durch eine Außenfläche der Lagerhülse 12 gebildet ist, und eine radial außen liegende Dichtungsfläche, welche durch eine innere Umfangsfläche eines zylindrischen Ansatzes des Rotorbauteils 24 gebildet ist. Die beiden Dichtungsflächen verlaufen vorzugsweise nicht parallel zueinander, sondern weiten sich ausgehend vom Lagerspalt 22 auf, so dass sich ein im Querschnitt konischer Dichtungsspalt 32 ergibt, der eine konische Kapillardichtung bildet.
Der radial verlaufende Teil des Dichtungsspaltes schließt sich direkt am Außenumfang des Axiallagers 30 an und weist einen im Vergleich zum Lagerspalt des Axiallagers vergrößerten Spaltabstand auf. Dieser vergrößerte Spaltabstand wird beispielsweise dadurch erzielt, dass die Oberseite der Lagerbuchse 14 gegenüber der Oberseite der Lagerhülse 12 in axialer Richtung um etwa 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer übersteht.
An ihrem unteren Ende ist die Welle 16 verbreitert und weist einen Stopperring 18 auf, der in dem dargestellten Beispiel einteilig mit der Welle 16 ausgebildet ist, aber auch als separates und mit der Welle 16 verbundenes Bauteil ausgebildet sein kann. Der Stopperring 18 weist einen größeren Außendurchmesser auf als die Welle 16 und ist vom Lagerspalt 22 umgeben und in einer Aussparung der Lagerhülse 12 drehbar angeordnet. Der Stopperring 18 hat die Aufgabe, die axiale Beweglichkeit der Welle 16 zu begrenzen und die Welle 16 gegen ein Herausfallen aus der Lagerbuchse 14 zu sichern. Das untere Ende der Lagerhülse 12 ist durch eine Abdeckung 20 dicht verschlossen.
Der Spindelmotor umfasst einen elektromagnetischen Antrieb, der aus einer an der Basisplatte 10 angeordneten Statoranordnung 36 mit Statorwicklungen sowie einem am Rotorbauteil 24 angeordneten Rotormagneten 38 besteht. Durch entsprechende Versorgung der Statorwicklungen mit Strom ergibt sich ein elektromagnetisches Drehfeld, welches das Rotorbauteil 24 zusammen mit der Welle 16 in Drehung versetzt.
Als Gegenlager zu dem einzigen und einseitig wirkenden Axiallager 30 kann ein magnetisches Axiallager vorgesehen sein, welches aus dem Rotormagneten 38 und einem dem Rotormagneten axial gegenüberliegenden ferromagnetischen Ring 40 besteht. Alternativ oder zusätzlich kann ein axialer Versatz nach oben zwischen den magnetischen Mitten des Rotormagneten 38 und der Statoranordnung 36 (ein so genannter magnetischer Offset) vorgesehen sein. Durch dieses magnetische Axiallager wird eine Gegenkraft zur axialen Kraft des Axiallagers 30 erzeugt.
Vorzugsweise ist in der Lagerhülse 12 ein Rezirkulationskanal 34 angeordnet, der einen an den Außenumfang des Axiallagers angrenzenden radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 22 mit im Vergleich zum Axiallagerbereich vergrößerten Spaltabstand mit einem an den Außendurchmesser des Stopperrings 18 angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts 22 verbindet. Dadurch kann das Lagerfluid im Lager in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren. Insbesondere das Axiallager 30 und das obere Radiallager 26 pumpen das im Lagerspalt 22 befindliche Lagerfluid in Richtung des Stopperrings 18 von wo es durch den Rezirkulationskanal 34 wieder in den Bereich des Axiallagers strömt. Ferner ermöglicht der Rezirkulationskanal 34 einen Druckausgleich zwischen den miteinender verbundenen Abschnitten des Lagerspalts.
Erfindungsgemäß hat die Lagerbuchse 14 eine relativ kleine Wandstärke und besteht aus Stahl, und ist in der aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehenden Lagerhülse 12, die eine sehr viel größere Wandstärke hat, befestigt. Der Rezirkulationskanal 34 verläuft vollständig in der aus Leichtmetall bestehenden Lagerhülse 12. Dadurch kann der Rezirkulationskanal sehr einfach gefertigt werden, da das Bohren von Leichtmetall wesentlich einfacher ist, als das Bohren von Stahl, wie es bei bekannten fluiddynamischen Lagersystemen notwendig war. Dadurch können deutlich längere Bohrungen bzw. Bohrungen mit deutlich geringerem Bohrungs-Durchmesser vorgesehen werden. Aufgrund von längeren Bohrungen kann der Lagerabstand der beiden Radiallager 26 und 28 deutlich vergrößert werden, während infolge von dünneren Bohrungen sich ein geringeres Ölvolumen innerhalb des Rezirkulationskanals 34 befindet, wodurch sich die Lebensdauer des Lagers erhöht bzw. wodurch ein geringeres Ölreservoir notwendig wird und wodurch sich die Schock-Anfälligkeit des Lagers verringert.
Weiterhin ist es möglich, die aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehende Lagerhülse 12 einteilig mit der ebenfalls aus Aluminium bzw. einer Aluminium-Legierung bestehenden Basisplatte 10 auszubilden (nicht zeichnerisch dargestellt).
Die 2 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein becherförmiges Lagerbauteil 111 aufgenommen ist. Das Lagerbauteil 111 umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle 116 befestigt ist. An dem freien Ende der Welle 116 ist ein Stopperring 118 angeordnet, der vorzugsweise einteilig mit der Welle 116 ausgebildet ist, jedoch auch als separates Bauteil vorgesehen sein kann. Der Stopperring 118 hat einen deutlich größeren Außendurchmesser als die Welle 116. Die genannten Bauteile 110, 111, 116 und 118 bilden das feststehende Lagerbauteil.
Das drehbare Lagerbauteil umfasst eine etwa zylindrische, aus Leichtmetall bestehende Lagerhülse 112, wobei in einer zentralen Bohrung der Lagerhülse 112 eine vorzugsweise stählerne Lagerbuchse 114 angeordnet, beispielsweise eingepresst und/oder eingeklebt ist. Die Lagerhülse 112 und die Lagerbuchse 114 sind in einem durch die Welle 116 und die beiden Bauteile 111, 118 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet. Der Stopperring 118 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerhülse 112 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 116, der Lagerhülse 112, der Lagerbuchse 114 und der beiden Bauteile 111 und 118 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 122 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird gebildet durch eine an der Basisplatte 110 angeordnete Statoranordnung 136 und einen die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 138, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 124 angeordnet ist. Prinzipiell ist es auch möglich, das Rotorbauteil 124 und die Lagerhülse 122 als ein einziges Bauteil auszubilden.
Die Lagerbuchse 114 hat eine zylindrische Bohrung, an deren Innenumfang zwei voneinander axial beabstandete zylindrische Radiallagerflächen ausbildet sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 116 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 122 und sind mit geeigneten Lagerrillen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 116 zwei fluiddynamische Radiallager 126 und 128 ausbilden. Zwischen beiden Radiallagern befindet sich ein Separatorspalt mit gegenüber den Radiallagerspalten 126, 128 deutlich vergrößertem Spaltabstand. Die Vergrößerung des Spaltabstandes im Bereich des Separatorspaltes kann durch eine Verringerung des Außendurchmessers der Welle 116 und/oder durch eine Vergrößerung des Innendurchmessers der Lagerbuchse 114 im Bereich des Separatorspalts gebildet werden.
An das untere Radiallager 128 schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 122 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 114 und Lagerhülse 112 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des becherförmigen Lagerbauteils 111 gebildet wird. Diese radial verlaufenden Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 130 in Form eines zur Rotationsachse 142 senkrechten Kreisringes. Das fluiddynamische Axiallager 130 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf einer oder beiden Lagerflächen angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 130 erstrecken sich zumindest über die gesamte Stirnfläche der Lagerbuchse 114, vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 114 und der Lagerhülse 112.
Vorzugsweise sind die Lagerrillen sowohl des Axiallagers 130 (zumindest der radial innen liegende Teil), als auch beider Radiallager 126, 128 in der Oberfläche der Lagerbuchse 114 angeordnet.
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 122 im Bereich des Axiallagers 130 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 132 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerhülse 112 und des Lagerbauteils 111 gebildet wird und das Lagersystem an dieser Seite abdichtet. Der Dichtungsspalt 132 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 122 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer inneren Umfangsfläche der Lagerhülse 112 und einer äußeren Umfangsfläche des Lagerbauteils 111 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 132 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit.
Vorzugsweise befindet sich eine axiale Stufe am Übergang zwischen der Lagerbuchse 114 und der Lagerhülse 112, so dass der Lagerspalt 122 des Axiallagers 130 im Bereich zwischen der Lagerbuchse 114 und dem becherförmigen Lagerbauteil 111 um mindestens 5 Mikrometer kleiner ist als der Lagerspalt 122 oder der radial verlaufende Teil des Dichtungsspalts 132 im Bereich zwischen der Lagerhülse 112 und dem becherförmigen Lagerbauteil 111. Dies wird dadurch erreicht, dass die Oberfläche der Lagerhülse 112 im Bereich des Axiallagers 130 gegenüber der Oberfläche der Lagerbuchse 114 geringfügig axial nach oben versetzt angeordnet ist. Hierdurch wird vermieden, dass im Stillstand oder im Schockfall die aus vergleichsweise weichem Material bestehende Lagerhülse 112 auf das becherförmige Lagerbauteil 111 auftrifft, da sich lediglich die Oberflächen der jeweils aus Stahl bestehenden Lagerbuchse 114 und des becherförmigen Lagerbauteils 111 berühren. Alternativ kann vorgesehen werden, dass die Oberfläche der Lagerhülse 112 im Bereich des Axiallagers 130 im Verlauf radial nach außen eine nach oben geneigte Fläche darstellt, wodurch sich der axiale Lagerspalt in Verlauf radial nach außen (d. h. von der Welle weggerichtet) vergrößert und dadurch vermieden wird, dass die Oberfläche der aus vergleichsweise weichem Material bestehenden Lagerhülse 112 im Stillstand des Lagers oder unter Schock auf das aus vergleichsweise hartem Material bestehende becherförmige Lagerbauteil 111 auftrifft und somit einem erhöhten Verschleiß unterworfen wird.
Im Anschluss an das obere Radiallager sind die Lagerhülse 112 und die Lagerbuchse 114 so gestaltet, dass sie eine radiale verlaufende Fläche ausbilden, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperrings 118 einen radial verlaufenden Spalt bilden. Auch hier ist die Oberfläche der Lagerbuchse 114 vorzugsweise in axialer Richtung einige Mikrometer gegenüber der Oberfläche der Lagerhülse 112 vorstehend, so dass im Schockfall oder bei einem Stillstand des Motors im umgedrehten Zustand in einer über-Kopf Lage lediglich die aus Stahlwerkstoff bestehenden Teile des Stopperringes 118 und der Lagerbuchse 114 in Berührung kommen.
An den radial verlaufenden Spalt schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 144 an, der das Lagersystem an diesem Ende abschließt. Entlang des Dichtungsspalts 144 ist vorzugsweise eine Pumpdichtung 146 angeordnet, wobei sich der Dichtungsspalt 144 am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt aufweitet. Der Dichtungsspalt 144 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerhülse 112 und des Stopperringes 118 begrenzt und kann von einer ringförmigen Abdeckung 120 abgedeckt sein. Die Abdeckung 120 ist an einer Stufe der Lagerhülse 112 befestigt. Vorzugsweise befinden sich die Pumprillen der Pumpdichtung innerhalb der Lagerhülse 112.
Da der Spindelmotor in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 nur ein einziges fluiddynamisches Axiallager 130 aufweist, das eine Kraft in Richtung des Stopperrings 118 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann die Basisplatte 110 einen ferromagnetischen Ring 140 aufweisen, der dem Rotormagneten 138 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 130 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 136 und der Rotormagnet 138 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 138 axial weiter entfernt von der Basisplatte 110 angeordnet ist als die magnetische Mitte der Statoranordnung 136. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 130 wirkt.
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal 134 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 134 ist erfindungsgemäß als axial oder leicht schräg verlaufender Kanal in der aus Leichtmetall bestehenden Lagerhülse 112 ausgebildet und vorzugsweise in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse 142 des Lagers angeordnet. Der Rezirkulationskanal 134 verbindet die beiden radialen Abschnitte des Lagerspalts 122 zwischen den Lagerbereichen und den Dichtungsbereichen direkt miteinander und endet vorzugsweise im radial äußeren Abschnitt des Axiallagers 130, in welchem der axiale Spaltabstand größer ist als der Teil des Lagerspaltes, der näher zur Welle 116 benachbart angeordnet ist. Aufgrund der Pumpwirkungen der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 130 und der beiden Radiallager 126, 128 ergibt sich im Lagerspalt 122 vorzugsweise eine Strömung des Lagerfluids vom Axiallager 130 in Richtung des oberen Dichtungsspalts 144 und von dort durch den Rezirkulationskanal 134 wieder zurück bis zum Außenumfang des Axiallagers 130. Außerdem wird das Lagerfluid im schrägen Rezirkulationskanal 134 aufgrund der Wirkung der Fliehkraft nach unten in Richtung des Axiallagers 130 gefördert, so dass sich ein stabiler Fluidkreislauf einstellt.
Auch in dieser Ausführungsform der Erfindung befindet sich der Rezirkulationskanal 134 vollständig in der aus Leichtmetall bestehenden Lagerhülse 12, die einen Einsatz in Form einer Lagerbuchse 114 hat, die wiederum aus Stahl oder einem anderen harten Werkstoff besteht und die Lagerflächen der beiden Radiallager sowie des Axiallagers bildet. Vorzugsweise sind sämtliche Lagerrillen der Radiallager sowie des Axiallagers innerhalb der Oberfläche der Lagerbuchse 114 angeordnet.
3 zeigt einen Spindelmotor mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems, dessen Aufbau im wesentlichen dem Aufbau des Lagersystems gemäß 2 entspricht.
Das Lagersystem umfasst eine feststehende Welle 216, an welcher ein erstes becherförmiges Bauteil 211 und ein in einem Abstand davon angeordnetes feststehendes Stopperbauteil 218 angeordnet sind. Die Bauteile 216, 211 und 218 bilden das feststehende Lagerbauteil des Lagersystems. Die Welle 216 durchdringt das becherförmige Lagerbauteil 211 und ist mit ihrem freien Ende in eine Basisplatte 210 eingepresst.
Im ringförmigen Zwischenraum zwischen der feststehenden Welle 216 und den beiden Bauteilen 211 und 218 ist eine Lagerbuchse 214 um eine Rotationsachse drehbar gelagert. Die Lagerbuchse 214 ist in einer zentralen Bohrung eines Rotorbauteils 224 befestigt. Das Rotorbauteil bildet zusammen mit der Lagerbuchse 214 das bewegliche Lagerbauteil und den Rotor des Spindelmotors.
Die Oberflächen der feststehenden Lagerbauteile 216, 211 und 218 und die entsprechend zugewandten Oberflächen der drehbaren Lagerbauteile 214, 224 sind durch einen Lagerspalt 222 voneinander getrennt, der nur wenige Mikrometer breit und mit einem Lagerfluid gefüllt ist.
Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 222 sind in einem Abstand voneinander zwei fluiddynamische Radiallager 226, 228 angeordnet. Die Radiallager 226, 228 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Innenwand der Lagerbohrung der Lagerbuchse 214 bzw. dem Außenumfang der Welle 216 angeordnet sind. Durch diese Lagerrillenstrukturen wird bei Drehung des Lagers ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 222 erzeugt, der die Radiallager tragfähig macht. Die Lagerrillenstrukturen können beispielsweise sinusförmig oder fischgrätenförmig sein und symmetrisch oder unsymmetrisch im Bezug auf die Umfangslinie im Apex der Lagerflächen ausgebildet sein. Zwischen den beiden Radiallagern 226 und 228 befindet sich ein Separatorspalt mit gegenüber den Radiallagerspalten deutlich vergrößertem Spaltabstand zwischen der Welle 216 und der Lagerbuchse 214.
Unterhalb des unteren Radiallagers 228 geht der axial verlaufende Lagerspalt 222 in einen radial verlaufenden Abschnitt über, der durch eine Stirnfläche der Lagerbuchse 214 und des Rotorbauteils 224 und eine gegenüber liegende Fläche des becherförmigen Lagerbauteils 211 begrenzt ist. Entlang dieses radialen Abschnitts des Lagerspaltes 222 ist ein fluiddynamisches Axiallager 230 angeordnet, das ebenfalls durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet ist, die auf der Lagerbuchse 214 und evtl. zusätzlich auf dem Rotorbauteil 224 bzw. auf dem Rotorbauteil 224 angeordnet sind. Die Axiallagerrillen sind beispielsweise spiralrillenförmig ausgebildet und derart ausgebildet, dass diese das im Lagerspalt 222 befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung des Radiallagers 228 pumpen.
An diesem Ende ist der Lagerspalt 222 durch einen kapillaren Dichtungsspalt 232 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 232 ist durch eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 211 und eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 224 begrenzt. Die innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 211 und die äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 224 sind dabei beide im axialen Verlauf in Richtung zum Lageräußeren zumindest partiell radial nach innen geneigt, wobei die äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 224 gemessen zur Drehachse 242 einen größeren Neigungswinkel aufweist, wodurch sich im axialen Verlauf zum Lageräußeren ein sich im Querschnitt konisch öffnender Dichtungsspalt 232 ausbildet. Am gegenüber liegenden Ende des Lagerspalts 222 ist ein zweiter Dichtungsspalt 244 angeordnet, der ebenfalls als konische Kapillardichtung ausgebildet ist und durch eine äußere Umfangsfläche des Stopperrings 218 und eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 224 begrenzt ist. Die beiden Dichtungsspalte 232, 244 verlaufen in etwa parallel zur Rotationsachse 242 und sind je nach Betriebszustand des Lager mehr oder weniger mit Lagerfluid gefüllt. Der obere Dichtungsspalt 244 ist durch eine Abdeckung 220 verschlossen, die ein Eindringen von Schmutz bzw. ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsbereich verhindern soll. Entlang des oberen Dichtungsspalts 244 kann ferner eine dynamische Pumpdichtung 246 vorgesehen sein, welche zwischen der konischen Kapillardichtung und dem Lagerspalt angeordnet ist und das im Dichtungsspalt 244 befindliche Lagerfluid nach unten in Richtung des ersten Radiallagers 226 fördert, sobald das Lagersystem in Drehung versetzt wird.
Im Rotorbauteil 224 ist ein Rezirkulationskanal 234 angeordnet, der voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes 222 direkt miteinander verbindet, so dass das Lagerfluid durch den gesamten Lagerspalt 222 hindurch zirkulieren und durch den Rezirkulationskanal 234 wieder zurück fließen kann und wodurch sich ferner ein Druckausgleich der mit dem Rezirkulationskanal 234 verbundenen Lagerstellen einstellt.
Ein Antrieb des Rotorbauteils 224 erfolgt durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das eine elektrische Statoranordnung 236 umfasst, die fest an der Basisplatte 210 angeordnet ist. Ein Rotormagnet 238 ist radial gegenüberliegend der Statoranordnung an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 224 befestigt. Ein Joch 248 stellt den magnetischen Rückfluss für den Rotormagneten 238 sicher. Wie bereits in Bezug auf die 2 beschrieben wurde, ist der Rotormagnet 238 gegenüber der Statoranordnung 236 aus seiner magnetischen Mitte axial nach oben versetzt angeordnet, wodurch eine axiale magnetische Zugkraft nach unten auf den Rotormagneten 238 ausgeübt wird, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 230 gerichtet ist. Unterhalb des Rotormagneten 238 kann zusätzlich oder optional ein ferromagnetischer Ring (nicht zeichnerisch dargestellt) vorgesehen werden, der ebenfalls eine axiale magnetische Zugkraft auf den Rotormagneten 238 ausübt, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 230 gerichtet ist. Dieser ferromagnetische Ring erzeugt dadurch eine magnetische Vorspannung für das einzige Axiallager 230.
Alternativ kann gegenüberliegend dem Axiallager 230 unterhalb der Pumpdichtung ein zweites Axiallager 250 angeordnet sein, welches in einem radialen Abschnitt des Lagerspaltes durch eine Lagerfläche auf der Unterseite des Stopperringes 218 und eine gegenüber liegende Lagerfläche auf der Oberseite der Lagerbuchse 214 gebildet ist. Wenn zwei fluiddynamische Axiallager 230, 250 vorgesehen sind, kann die magnetische Vorspannung durch einen ferromagnetischen Ring entfallen, da die beiden fluiddynamischen Axiallager sich gegenseitig stabilisieren. Da allerdings das obere Axiallager 250 auf einem kleineren Durchmesser angeordnet ist als das untere Axiallager 230 und somit die axiale Lagerkraft des oberen Axiallagers 250 schwächer ist als diejenige des unteren Axiallagers 230, wird zur Kompensation ein axialer Versatz (Offset) zwischen der magnetischen Mitte des Rotormagneten 238 und der Statoranordnung 236 vorgesehen, wodurch eine axiale magnetische Zugkraft nach unten auf den Rotormagneten 238 ausgeübt wird, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 230 gerichtet ist.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist das Rotorbauteil 224 vorzugsweise aus Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, gefertigt. Die in das Rotorbauteil 224 eingepresste Lagerbuchse 214 besteht vorzugsweise aus Stahl. Der Rezirkulationskanal 234 ist erfindungsgemäß vollständig im Rotorbauteil 224 angeordnet und verbindet einen Bereich des Lagerspalts radial außerhalb des Axiallagers 230 direkt mit einem Bereich des Lagerspalts 222 zwischen dem oberen Radiallager 226 und dem Dichtungsspalt 244. Vorzugsweise befindet sich in dieser Ebene radial innen das obere Axiallager 250. Die Lagerrillen des Axiallagers 250 befinden sich bevorzugt innerhalb der Oberfläche der Lagerbuchse 214. Radial außerhalb können sich optional weitere Axiallagerrillen befinden, etwa innerhalb der angrenzenden Oberfläche des Rotorbauteil 224. Bevorzugt ist der Lagerspalt zwischen dem Stopperring 218 und der Lagerbuchse 214 dabei um mindestens fünf Mikrometer kleiner ausgebildet als der Lagerspalt zwischen dem Stopperring 218 und dem Rotorbauteil 224, in welchem der Rezirkulationskanal 234 mündet.
Bei den oben beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den 1 bis 3 sind die Lagerflächen der beiden Radiallager vorzugsweise aus Stahl oder entsprechend hartem oder hartbeschichteten, etwa Diamond-like Carbon(DLC)-beschichtetem Material gefertigt. Insbesondere sind sowohl die Welle als auch die Lagerbuchse aus Stahl oder ähnlich harten Materialien gefertigt.
Das bzw. die Axiallager bei den oben beschriebenen Ausgestaltungen umfasst jedoch eine Lagerfläche, die zumindest teilweise aus Leichtmetall besteht, und zwar den Teil, der durch die Lagerhülse bzw. das Rotorbauteil gebildet wird. Der übrige Teil der Lagerfläche des Axiallagers wird durch die Lagerbuchse gebildet, die beispielsweise aus Stahl besteht. Die Lagerfläche des Axiallagers besteht also aus einer Kombination von Leichtmetall und Stahl, wobei es aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnung diese Materialien erfindungsgemäß vorgesehen ist, die aus Leichtmetall bestehenden Lagerflächen geringfügig abzusetzen derart, dass im Stillstand des fluiddynamischen Lagers nur die härtere Stahlfläche der Lagerbuchse auf der gegenüber liegenden Lagerfläche aufsitzt. Dies bedeutet, dass der axiale Lagerspalt in den Bereichen, in welchem mindestens einer der gegenüberliegenden Lagerbauteile aus einem weicherem Werkstoff besteht, größer ist als der Lagerspalt in denjenigen Bereichen, in denen beide sich gegenüber liegende Lagerbauteile aus härteren Werkstoffen, wie etwa Stahl, bestehen. Dadurch wird ein unnötiger Verschleiß im Start-Stopp-Betrieb sowie auch im Schockfall des fluiddynamischen Lagers vermieden.
4 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung von 3, bei der die aus Stahl oder einem harten Werkstoff bestehende Lagerbuchse 214' im Bereich des Axiallagers 230 eine flanschartige Verbreiterung aufweist. Dadurch ist ein Großteil der oberen Axiallagerfläche durch die Lagerbuchse 214' gebildet, während die gegenüber liegende Axiallagerfläche durch das becherförmige Bauteil 211 gebildet ist, welches vorzugsweise ebenfalls aus Stahl besteht. Somit wird nur ein kleiner Teil der Axiallagerfläche mit vergrößertem Lagerspalt durch das Rotorbauteil 224 gebildet und muss gegenüber der Lagerfläche aus Stahl um etwa 20 bis 50 Mikrometer nach oben abgesetzt werden, damit beim Start-Stopp-Betrieb kein Verschleiß des Leichtmetallwerkstoffes zu befürchten ist, wie in der vergrößerten Detaildarstellung in der 4A zu erkennen ist.
5 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers in einem Spindelmotor. In diesem Ausführungsbeispiel ist keine einteilige Lagerbuchse vorhanden, sondern die Lagerbuchse besteht aus zwei Teilen, nämlich einem oberen Lagerring 214a und einem axial davon beabstandeten unteren Lagerring 214b. Der obere Lagerring 214a bildet zusammen mit der Welle 216 die Lagerflächen des oberen Radiallagers 226. Ferner werden die Lagerflächen des oberen Axiallagers 250 gebildet durch die Oberseite des oberen Lagerringes 214a sowie der Unterseite des Stopperringes 218. Der untere Lagerring 214b bildet zusammen mit gegenüber liegenden Flächen der Welle 216 die Lagerflächen des unteren Radiallagers 228. Die Lagerflächen des Axiallagers 230 werden gebildet durch Lagerflächen des becherförmigen Bauteils 211, sowie einerseits Lagerflächen des unteren Lagerrings 214b als optional zusätzlich auch Lagerflächen des Rotorbauteils 224'', in welches die Lagerringe 214a und 214b eingesetzt sind. Die beiden Lagerringe 214a und 214b müssen keinen rechteckigen Querschnitt haben, sondern können auch einen konischen, dreieckigen oder anderen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des oberen Lagerringes 214a kleiner als der Außendurchmesser des unteren Lagerringes 214b.
Der Rezirkulationskanal 234 verläuft schräg innerhalb des Rotorbauteils 224'' und mündet jeweils radial außerhalb der Lagerringe 214a und 214b in den Bereichen mit vergrößertem Axiallagerspalt.
6 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Lagers von 5. Es sind wieder zwei Lagerringe 214a', 214b' vorgesehen, die jeweils an ihren voneinander abgewandten Stirnseiten eine flanschartige Verbreiterung aufweisen. Die Verbreiterung des unteren Lagerrings 214b' bildet zusammen mit dem becherförmigen Bauteil 211 die Lagerflächen des Axiallagers 230 während die Verbreiterung des oberen Lagerrings 214a' eine härtere Auflagefläche bzw. Abriebfläche mit dem Stopperring 218 als Gegenfläche bildet. In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der flanschartigen Verbreiterung des oberen Lagerrings 214a' und der gegenüber liegenden Stirnseite des Stopperrings 218 ein weiteres fluiddynamisches Axiallager 250 vorgesehen sein. Auch hier ist der Außendurchmesser des oberen Lagerrings 214a' vorzugsweise kleiner als der Außendurchmesser des unteren Lagerringes 214b'.
7 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem in einer gegenüber 3 abgewandelten Ausgestaltung. Mit Bezug auf 3 sind gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und haben entsprechend dieselbe Funktion.
Im Unterschied zu 3 hat das fluiddynamische Lagersystem von 7 zwei fluiddynamische Axiallager 230 und 250, die hinsichtlich Ihrer Lagerkraft vorzugsweise gleich groß ausgebildet sind.
Sämtliche Lagerrillen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt 222 sind vorzugsweise auf der Oberfläche der Lagerbuchse 214, also auf der Oberfläche der Lagerbohrung und beider Stirnflächen der Lagerbuchse 214, angeordnet.
Auf Grund der beiden gegensätzlich arbeitenden Axiallager 230, 250, welche dieselbe axiale Lagerkraft erzeugen, ist im Unterschied zum Spindelmotor von 3 keine magnetische Vorspannung für das untere Axiallager mehr notwendig. D. h., in 7 ist die magnetische Mitte der Statoranordnung 236 auf derselben axialen Ebene wie die magnetische Mitte des Rotormagneten 238 angeordnet, so dass kein axialer Versatz dieser Bauteile notwendig ist, welcher eine axial gerichtete magnetische Kraft (bias force) erzeugen würde.
Erfindungsgemäß befinden sich die Lagerflächen der beiden Radiallager 226 und 228 sowie der beiden Axiallager 230 und 250 an der Lagerbuchse 214, die aus Eisenmetall, vorzugsweise aus Stahl besteht. Demgegenüber besteht der übrige Teil des Rotorbauteils 224'''' aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium. Der Rezirkulationskanal 234 sowie die dynamische Pumpdichtung 246 sind innerhalb des aus Aluminium bestehenden Anteils des Rotorbauteils angeordnet bzw. werden von dem Rotorbauteil aus Aluminium begrenzt.
Dadurch, dass der Rezirkulationskanal 234 in dem relativ weichem Rotorbauteil 224'''' aus Aluminium angeordnet ist, kann der Bohrungsdurchmesser sehr klein gewählt werden und beispielsweise zwischen 0,4 mm bis 0,5 mm betragen. Ein solch geringer Bohrungsdurchmesser über diese vergleichsweise große axiale Länge von 8 mm bis 12 mm Millimeter kann in einem Rotorbauteil aus Stahl nicht wirtschaftlich, d. h. nur mit hohem Aufwand sowie mit entsprechend hohen Kosten gefertigt werden.
Durch den relativ kleinen Durchmesser des Rezirkulationskanals 234 kann im Vergleich zu einem Rotorbauteil 224'''' aus Stahl auch der radiale Durchmesser des den Rezirkulationskanal 234 aufnehmenden Bereichs bzw. der Durchmesser des unteren Dichtungsspalts 232 kleiner gewählt werden. Dadurch kann die Reibung des Fluidlagers verringert und somit der Stromverbrauch des Spindelmotors reduziert werden.
Vorzugsweise mündet der Rezirkulationskanal 234 radial außerhalb des oberen Axiallagers 250 vollständig in eine umfänglich umlaufende Rille 254, die zwischen der Oberseite des aus Aluminium bestehenden Teils des Rotorbauteils 224'''' und der Unterseite des Stopperrings 218 angeordnet ist. Diese Rille 254 ist radial außerhalb des radial verlaufenden Axiallagerspaltes angeordnet und weist einen deutlich größeren (in axialer Richtung gemessenen) Spaltabstand auf als der Axiallagerspalt.
Im Bereich des unteren Dichtungsspaltes 232 ist eine Labyrinthdichtung in Form eines engen Luftspaltes 252 angeordnet, der einen übermäßigen Verlust von aus dem Dichtungsspalt 232 verdampfenden Lagerfluids reduziert. Die Labyrinthdichtung besteht vorzugsweise aus einer in das Rotorbauteil 224'''' eingebrachten Nut 256, in welche der obere Rand des Lagerbauteils 211 eingreift.
Eine äußere Umfangsfläche des oberen Randes des Lagerbauteils 211 bildet mit einer inneren Umfangsfläche eines die Nut 256 begrenzenden Randes des Rotorbauteils 224'''' einen relativen engen Luftspalt 252. Der enge Luftspalt 252 verläuft vorzugsweise axial und etwa parallel zum Dichtungsspalt 232. Im Gegensatz dazu ist in 3 der Luftspalt 252 in direkter Verlängerung des axial verlaufenden Dichtungsspaltes 232 angeordnet.
Alternativ kann das becherförmige Lagerbauteil in der Basisplatte befestigt werden. Die Welle ist dann lediglich im becherförmigen Lagerbauteil, nicht jedoch in der Basisplatte befestigt. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit des Lagers besteht die Welle aus gehärtetem Edelstahl, der darüber hinaus Nickel- oder DLC-beschichtet sein kann (DLC = Diamond like carbon). Die Innenseite des becherförmigen Lagerbauteils sowie die Unterseite des Stopperbauteils sind vorzugsweise DLC-beschichtet. Alternativ oder zusätzlich sind die obere und die untere Axiallagerfläche der Lagerbuchse DLC-beschichtet.
Bezugszeichenliste

10, 110, 210: Basisplatte
111, 211: becherförmiges Lagerbauteil
12, 112, 212: Lagerhülse
14, 114, 214: Lagerbuchse
214a, 214b: Lagerring
214a', 214b': Lagerring
16, 116, 216: Welle
18, 118, 218: Stopperring
20, 120, 220: Abdeckung
22, 122, 222: Lagerspalt
24, 124, 224, 224': Rotorbauteil
224'', 224''', 224'''': Rotorbauteil
26, 126, 226: Radiallager
28, 128, 228: Radiallager
30, 130, 230: Axiallager
32, 132, 232: Dichtungsspalt
34, 134, 234: Rezirkulationskanal
36, 136, 236: Statoranordnung
38, 138, 238: Rotormagnet
40, 140: ferromagnetischer Ring
42, 142, 242: Rotationsachse
144, 244: Dichtungsspalt
146, 246: Pumpdichtung
248, 248: Joch
250: Axiallager (optional)
252: Luftspalt
254: Rille
256: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009037519 A1 [0003]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit einem feststehenden Lagerbauteil und einem relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse (42; 142; 242) drehbar gelagerten Lagerbauteil, wobei die Lagerbauteile jeweils sich gegenüberliegende Lagerflächen aufweisen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (22; 122; 222) voneinander getrennt sind, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (26; 126; 226; 28; 128; 228) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (30; 130; 230) ausbilden, und ein Rezirkulationskanal (34; 134; 234) vorgesehen ist, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil (12; 14) oder das drehbare Lagerbauteil (112, 114; 214, 224, 224', 224'', 224''', 224'''') zu einem Teil aus Eisenmetall oder Keramik besteht, wobei dieser Teil Lagerflächen des fluiddynamischen Lagers ausbildet, und zum anderen Teil aus Leichtmetall besteht, und der Rezirkulationskanal (34; 134; 234) vollständig in dem aus Leichtmetall bestehenden Teil dieses Lagerbauteils angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil eine Lagerhülse (12) und eine in einer Bohrung der Lagerhülse angeordnete Lagerbuchse (14) umfasst, und das drehbare Lagerbauteil eine in der Lagerbuchse drehbar gelagerte Welle (16) und ein mit der Welle verbundenes Rotorbauteil (24) umfasst, wobei der Rezirkulationskanal (34) vollständig in der Lagerhülse (12) angeordnet ist und die Lagerhülse aus Leichtmetall besteht, während die Lagerbuchse aus Eisenmetall oder Keramik besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Lagerbauteil eine Lagerhülse (112) und eine in einer Bohrung der Lagerhülse angeordnete Lagerbuchse (114) umfasst, und das feststehende Lagerbauteil eine in der Lagerbuchse (114) angeordnete Welle (116) und ein mit der Welle verbundenes Bauteil (111) umfasst, wobei der Rezirkulationskanal vollständig in der Lagerhülse (112) angeordnet ist, und die Lagerhülse aus Leichtmetall besteht während die Lagerbuchse (114) aus Eisenmetall oder Keramik besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Lagerbauteil ein Rotorbauteil (224) und eine in einer Bohrung des Rotorbauteils angeordnete Lagerbuchse (214) umfasst, und das feststehende Lagerbauteil eine in der Lagerbuchse (214) angeordnete Welle (216) und ein mit der Welle verbundenes Bauteil (211) umfasst, wobei der Rezirkulationskanal (234) vollständig im Rotorbauteil (224, 224', 224'', 224''', 224'''') angeordnet ist, und das Rotorbauteil aus Leichtmetall besteht während die Lagerbuchse aus Eisenmetall oder Keramik besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (14; 114; 214) Lagerflächen eines ersten und zweiten fluiddynamischen Radiallagers (26; 126; 226; 28; 128; 228) und eines fluiddynamisches Axiallagers (30; 130; 230) ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (214') mindestens an einer Stirnseite eine flanschartige Verbreiterung aufweist, welche Lagerfläche eines Axiallagers (230) sowie Anlageflächen für angrenzende Lagerbauteile (218) ausbilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse zweiteilig ausgebildet ist und aus einem ersten Lagerring (214a, 214a') besteht, der einem ersten Radiallager (226) zugeordnet ist, und einem zweiten Lagerring (214b, 214b') besteht, der einem zweiten Radiallager (228) zugeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerring (214b, 214b') sowohl Lagerflächen des zweiten Radiallagers (228) als auch Lagerflächen eines Axiallagers (230) ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (214a, 214a') sowohl Lagerflächen des ersten Radiallagers (226) als auch Lagerflächen eines Axiallagers (250) ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (214a') und (214b') an einer Stirnseite eine flanschartige Verbreiterung aufweisen, welche Lagerflächen mindestens eines Axiallagers (230, 250) sowie Anlageflächen für angrenzende Lagerbauteile (218) ausbilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Lagerbuchse (14, 114, 214) bzw. des unteren Lagerringes (214b, 214b') im Bereich des unteren Axiallagers (30, 130, 230) größer ist als der Außendurchmesser der Lagerbuchse bzw. des oberen Lagerringes (214a, 214a') im Bereich des oberen Axiallagers (250).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (22, 122, 222) zwischen der Lagerhülse (12) und dem Rotorbauteil (24) größer ist als der Lagerspalt zwischen der Lagerbuchse (14) und dem Rotorbauteil (24).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (22, 122, 222) zwischen der Lagerhülse (112) beziehungsweise dem Rotorbauteil (224, 224', 224'', 224''', 224'''') und dem Bauteil (111, 211) größer ist als der Lagerspalt zwischen der Lagerbuchse (114, 214, 214') beziehungsweise dem unteren Lagerring (214b, 214b') und dem Bauteil (111, 211).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (22, 122, 222) zwischen dem Stopperring (118, 218) und der Lagerhülse (112) beziehungsweise dem Rotorbauteil (224, 224', 224'', 224''', 224'''') größer ist als der Lagerspalt zwischen dem Stopperring (118, 218) und der Lagerbuchse (114, 214, 214') beziehungsweise dem oberen Lagerring (214a, 214a').
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 15.