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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, vorzugsweise mit niedriger Bauhöhe, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors, der beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden kann.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische Lagersysteme der genannten Art werden insbesondere zur Drehlagerung von Spindelmotoren verwendet, wie sie zum Antrieb von modernen Festplattenlaufwerken eingesetzt werden.
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Ein solcher Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil sowie ein drehbares Motorbauteil, welches mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das drehbare Motorbauteil wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben. Ein derartiger Spindelmotor ist in der Regel auf einer Basisplatte aufgebaut, welche gleichzeitig ein unteres Gehäusebauteil darstellt, das mittels eines Gehäusedeckels verschließbar ist. In der Regel sind entsprechende Bauelemente des feststehenden und des drehbaren Motorbauteils gleichzeitig als Lagerbauteile ausgebildet, welche einander zugeordnete Lagerflächen aufweisen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind.
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Es sind sowohl fluiddynamische Radiallager als auch fluiddynamische Axiallager vorgesehen, die in bekannter Weise den Lagerflächen zugeordnete Lagerrillenstrukturen aufweisen, welche bei einer Relativbewegung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt angeordnete Lagerfluid ausüben. Durch die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen wird innerhalb des Lagerspaltes ein hydrodynamischer Druck erzeugt, der die Lagerfläche nahezu reibungsfrei voneinander trennt und die Lager tragfähig macht. Für die Radiallager werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die auf parallel zur Rotationsachse des Lagersystems angeordneten Lagerflächen eines feststehenden oder drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind. Für die Axiallager werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die auf senkrecht zur Rotationsachse stehenden Lagerflächen eines feststehenden oder drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind.
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Bei Spindelmotoren werden grundsätzlich zwei Bauarten unterschieden: Spindelmotoren mit feststehender Welle und Spindelmotoren mit drehbarer Welle.
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Die
DE 10 2008 031 618 A1 zeigt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und einer feststehenden Welle, wobei der Spindelmotor eine Grundplatte aufweist, in welcher ein erstes etwa U-förmiges Lagerbauteil aufgenommen ist. In einer zentralen Öffnung dieses Lagerbauteils ist eine Welle befestigt. An dem freien Ende der Welle ist ein sogenanntes Stopperbauteil angeordnet. In dem Zwischenraum zwischen dem Lagerbauteil, der Welle und dem Stopperbauteil rotiert ein Rotorbauteil des Spindelmotors, welches durch einen Lagerspalt von den feststehenden Motorbauteilen, d. h. dem Lagerbauteil, der Welle und dem Stopperbauteil getrennt ist. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid gefüllt und entsprechende fluiddynamische Radiallager und Axiallager sind entlang dieses Lagerspalts angeordnet. Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, die jeweils durch Dichtungsanordnungen, vorzugsweise kapillare Dichtungsanordnungen, abgedichtet sind. An ihrem oberen Ende weist die Welle eine Gewindebohrung auf, durch welche sie mittels einer zugeordneten Schraube an einem Gehäusedeckel des Spindemotors bzw. des Festplattenlaufwerkes befestigt wird. Das Rotorbauteil wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, welches eine Statoranordnung aufweist, die an der Basisplatte angeordnet ist, sowie einen Rotormagneten, der gegenüberliegend der Statoranordnung an einem Innenumfang des Rotorbauteils befestigt ist.
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Die
DE 10 2012 013 186 A1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, der eine Bauhöhe von etwa 5 mm hat. Eine feststehende Welle ist im Querschnitt etwa T-förmig ausgebildet und ein topfförmiges feststehendes Lagerbauteil weist in der Mitte ein Loch auf, in dem die Welle formschlüssig verbunden ist. Um die Verbindungsfestigkeit der Welle mit dem feststehenden Lagerbauteil zu erhöhen und um zu gewährleisten, dass das Lager dicht ist und kein Lagerfluid austreten kann, ist das Lagerbauteil mit der Welle zusätzlich zum Formschluss mittels Laserschweißen verbunden.
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Spindelmotoren bekannter Bauart für den Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken haben bisher eine Bauhöhe von typischerweise etwa 7 bis 15 Millimetern. Davon entfallen etwa 4 bis 8 mm auf das fluiddynamische Lagersystem, also insbesondere den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes, entlang welchem die fluiddynamischen Radiallager angeordnet sind. Weitere zwei Millimeter entfallen für die Befestigung der Welle in dem Lagerbauteil und weitere ca. 1,5 Millimeter beträgt die Bauhöhe des Stopperbauteils und einer zugeordneten Abdeckkappe.
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Mobile Geräte, wie beispielsweise Laptops, Notebooks, Notepads und andere Geräte, werden immer kleiner und flacher aufgebaut, so dass auch entsprechende Festplattenlaufwerke, Spindelmotoren und fluiddynamische Lagersysteme mit entsprechend geringer Bauhöhe entwickelt werden müssen, um in die Geräte eingebaut werden zu können. Die Spindelmotoren müssen daher mit der Entwicklung der mobilen Geräte mithalten. Angestrebt wird eine Bauhöhe des Spindelmotors von ca. 5 mm. Um dies zu erreichen, sind ausgehend von der oben beschriebenen herkömmlichen Bauweise erhebliche konstruktive Änderungen notwendig. Einerseits soll die Lagerspanne der Radiallager (radial bearing span) möglichst nicht verringert werden, da sich dadurch die Stabilität und die Lagersteifigkeit erheblich verschlechtert und andererseits darf auch die Einspannung der Welle in dem Lagerbauteil bzw. die Bauhöhe des Stopperbauteils nicht zu gering werden, da dadurch die notwendigen Verbindungskräfte zwischen den Bauteilen nicht mehr erreicht werden können. Ferner benötigen die kapillaren Dichtungsspalte einen ausreichenden Bauraum, damit eine ausreichende Dichtungswirkung auch unter Schock-Einwirkungen gewährleistet ist.
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Bei Spindelmotoren mit reduzierter Bauhöhe wird es zunehmend schwieriger, die Lagerbauteile zusammen zu fügen, da die Fügelängen für die benötigten Auspresskräfte nicht mehr realisiert werden können.
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Daher ist es bekannt, beispielsweise das feststehende Lagerbauteil oder das Stopperelement einteilig mit der Welle auszubilden, da dann eine Fügeverbindung entfällt.
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Ein einteiliges Design von Welle und Lagerbauteil kann jedoch bauartbedingt nicht aus härtbarem Material hergestellt werden, da ein nachträgliches Schleifen des Außendurchmessers der Welle zumindest im Bereich des unteren Radiallagers nicht möglich ist.
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Die Verwendung eines weicheren und leicht spanbaren Materials ist auf Grund der Materialkombination und Motoranforderungen nicht empfehlenswert, da sich auf dem Außenumfang der Welle bzw. des Lagebauteils Lagerflächen befinden, die ausreichend hart und verschleißresistent sein müssen.
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Auf Grund der im Querschnitt etwa U-förmigen Ausgestaltung des feststehenden Lagerbauteils ist auch eine nachträgliche Hartbeschichtung auf den Innenflächen des Lagerbauteils nicht möglich, da hier Schatteneffekte auftreten, die eine gleichmäßige Beschichtung nicht zulassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art anzugeben, das trotz geringer Bauhöhe eine ausreichend steife Verbindung zwischen der Welle, dem die Welle aufnehmenden Lagerbauteil und der Basisplatte aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem 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 beschriebene fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil, eine mit dem feststehenden Lagerbauteil verbundene Welle und ein an einem freien Ende der Welle befestigtes Stopperbauteil, sowie ein drehbares Lagerbauteil, das ein Rotorbauteil umfasst. Ein Lagerspalt trennt einander zugeordnete Lagerflächen des feststehenden und des drehbaren Lagerbauteils voneinander und ist mit einem Lagerfluid gefüllt. Das Lagersystem weist mindestens ein fluiddynamisches Radiallager auf, das entlang von axial verlaufenden Abschnitten des Lagerspalts angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Welle an einem Ende einen verbreiterten Wellenflansch, der in einer Aussparung des feststehenden Lagerbauteils aufgenommen und mit dem feststehenden Lagerbauteil verbunden ist. Vorzugsweise ist die Welle mitsamt Wellenflansch einteilig ausgebildet und weist die Form eines kopfstehenden T's auf. Das feststehende Lagerbauteil ist U-förmig ausgebildet und auf derjenigen Seite, die den Wellenflansch umfasst, verschlossen.
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Vorzugsweise ist die Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung in Form einer großflächigen Klebeverbindung.
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Es wird somit erfindungsgemäß ein zweiteiliges Design von Welle bzw. Wellenflansch und dem feststehenden Lagerbauteil gewählt. Allerdings wird im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik die Welle nicht mittels einer Fügeverbindung mit dem feststehenden Lagerbauteil verbunden, sondern das feststehende Lagerbauteil wird als eine Art Kappe ausgeführt, welche die Welle von unten umschließt und mit der Welle verklebt wird.
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Die Verbindung zwischen dem Wellenflansch und dem feststehenden Lagerbauteil erfolgt großflächig mittels eines geeigneten Klebstoffs.
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Der Vorteil der Erfindung ist, dass die Welle mitsamt dem Wellenflansch zunächst gehärtet und geschliffen werden kann, insbesondere können die Lagerflächen hochgenau bearbeitet werden und aus entsprechend hartem Material gefertigt werden bzw. gehärtet werden.
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Das feststehende Lagerbauteil wird erst nach der Bearbeitung der Welle und des Wellenflansches mit dem Wellenflansch verbunden und kann aus demselben Material wie die Welle, einem anderen Stahl oder sogar einem anderen Metall, z. B. Messing, bestehen, da es keine Lagerfunktion erfüllt und daher keinem übermäßigen Verschleiß ausgesetzt ist.
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Das feststehende Lagerbauteil kann auch aus einem Nichtmetall, beispielsweise einem geeignetem Kunststoff bestehen.
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Für eine stabile Verbindung zwischen dem Wellenflansch und dem feststehenden Lagerbauteil ist der Durchmesser des Wellenflansches vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser der Welle im Bereich der Radiallagerflächen. Somit ist eine große Klebefläche zwischen dem Wellenflansch und dem feststehenden Lagerbauteil gegeben.
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Ferner ist dadurch auch sicher gestellt, dass die Axiallagerflächen, die durch entsprechende Oberflächen des Wellenflansches gebildet sind, einen ausreichend großen Durchmesser aufweisen.
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Die axiale Dicke des feststehenden Lagerbauteils radial außerhalb des Verbindungsbereichs mit dem Wellenflansch ist vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Mal so groß wie die axiale Dicke des Wellenflansches. Dadurch ist eine ausreichende Stabilität des feststehenden Lagerbauteils gegeben, ohne dass die axiale Höhe der Verbindung zwischen Wellenflansch und Lagerbauteil zu groß wird.
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Die Oberseite des Wellenflansches bildet, wie oben beschrieben, zusammen mit einer Unterseite des Rotorbauteils bzw. der Lagerbuchse des Rotorbauteils Lagerflächen eines fluiddynamischen Axiallagers aus.
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Das feststehende Lagerbauteil ist im Wesentlichen im Querschnitt U-förmig ausgebildet und bildet zusammen mit dem Rotorbauteil einen kapillaren konischen Dichtungsspalt zur Abdichtung des Lagerspalts.
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Der Spindelmotor der erfindungsgemäßen Bauart ist insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks mit niedriger Bauhöhe geeignet, welches mindestens eine Speicherplatte aufweist, die vom Spindelmotor drehend angetrieben wird. Festplattenlaufwerke weisen in bekannter Weise eine Schreib-Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte auf. Der Gehäusedeckel des Spindelmotors ist vorzugsweise gleichzeitig der Gehäusedeckel des Festplattenlaufwerkes und ist vorzugsweise mit der feststehenden Welle des fluiddynamischen Lagersystems verbunden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die einzige 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit niedriger Bauhöhe und einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist. In der zylindrischen Öffnung ist ein feststehendes Lagerbauteil 16 befestigt, beispielsweise eingepresst und/oder eingeklebt. Das feststehende Lagerbauteil 16 ist im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet. Eine feststehende Welle 12 weist einen verbreiterten Flansch 12a auf, welcher in einer Aussparung des feststehenden Lagerbauteils 16 aufgenommen ist. Die Welle 12 ragt von einer radial verlaufenden Grundfläche des Flansches 12a in axialer Richtung nach oben. An einem freien Ende der Welle 12 ist ein ringförmiges Stopperbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig an der Welle 12 befestigt ist. Das Stopperbauteil 18 weist einen deutlich größeren Durchmesser als die Welle 12 auf. Die genannten Bauteile 10, 12, 12a, 16 und 18 bilden die feststehende Komponente des Spindelmotors.
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Der Spindelmotor umfasst ein Rotorbauteil 14, das eine zylindrische Lagerbuchse und ein einteilig mit der Lagerbuchse verbundenes Nabenbauteil umfasst. Die Lagerbuchse und das Nabenbauteil können auch zweiteilig ausgebildet sein (nicht zeichnerisch dargestellt). Das Rotorbauteil 14, genauer gesagt die Lagerbuchse des Rotorbauteils 14, ist in einem durch die Welle 12, den Flansch 12a, das Lagerbauteil 16 und das Stopperbauteil 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu den Bauteilen 10, 12, 12a, 16 und 18 drehbar um eine Drehachse 38 angeordnet. Das Stopperbauteil 18 ist zumindest teilweise in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 14 versenkt angeordnet und berührt das Rotorbauteil 14 nicht.
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Eine umlaufende Rille 35 ist entweder im radialen Außenbereich des Stopperbauteils 18 oder im radialen Außenbereich der ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 14 angeordnet und verbessert die Lagereigenschaften im Schockfall. Ein Rezirkulationskanal 30, der entfernte Bereiche des Lagers miteinander verbindet, mündet entweder direkt in die Rille 35 oder ist über einen Verbindungskanal (nicht zeichnerisch dargestellt) mit dieser verbunden.
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Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, des Flansches 12a, des Stopperbauteils 18 und der Lagerbuchse 14 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
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Die am Rotorbauteil 14 angeformte Lagerbuchse hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet sind, welche axial durch einen Separatorspalt 26 voneinander beabstandet sind. Der Separatorspalt 26 weist einen im Vergleich zu den Radiallagerspalten größeren Spaltabstand auf. Die Lagerflächen der Lagerbohrung umschließen die feststehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24. Die Lagerflächen der beiden Radiallager 22, 24 sind beispielsweise mit sinus- oder parabelförmigen Lagerrillenstrukturen 22a, 24a versehen. Das obere Radiallager 22 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen 22a, der oberhalb des Apex angeordnet ist, etwa genauso lang ausgebildet ist, wie der untere Teil der Lagerrillen. Die Pumpwirkung beider Teile der Radiallagerrillen 22a weist in Richtung zum Apex, d. h. zur Lagermitte, so dass das Radiallager 22 tragfähig wird. Es gibt aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen 22a des oberen Radiallagers 22 jedoch keine generierte Netto-Pumprichtung, die auf das Lagerfluid wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 24 asymmetrisch ausgebildet insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen 24a, der unterhalb des Apex angeordnet ist, länger ausgebildet als der obere Teil der Radiallagerrillen 24a. Hierdurch entsteht einerseits eine Drucksteigerung innerhalb des Lagerfluids in Richtung zum Apex des Radiallagers 24, wodurch das Radiallager 24 tragfähig wird, andererseits wird eine Netto-Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 22 befördert.
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Unterhalb des unteren Radiallagers 24 geht der axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 20 in einen radial verlaufenden Abschnitt über, der in einen Ringspalt 29 mündet. Der Ringspalt 29 weist eine größere Spaltbreite auf als der radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 20. Entlang des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und des Ringspalts 29 ist ein fluiddynamisches Axiallager 28 angeordnet. Das Axiallager 28 ist durch radial verlaufende Lagerflächen des Rotorbauteils 14 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Flansches 12a der Welle 12 bzw. des Lagerbauteils 16 gebildet. Die Lagerflächen des Axiallagers 28 sind als zur Drehachse 38 senkrechte Kreisringe ausgebildet. Das fluiddynamische Axiallager 28 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder wie dargestellt auf der Stirnseite des Rotorbauteils 14 oder auf der Stirnseite des Flansches 12a oder auf beiden Teilen angebracht werden können.
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In vorteilhafter Weise sind sämtliche für die Radiallager 22, 24 und das Axiallager 28 notwendigen Lagerrillenstrukturen an Lagerflächen des Rotorbauteils 14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Flansches 12a vereinfacht. Vorzugsweise erstrecken sich die Axiallagerrillen 28a in radialer Richtung komplett über die Stirnseite des Rotorbauteils 14, das heißt vom Innendurchmesser der Lagerbohrung zur Aufnahme der Welle 12 bis zum Außenumfang der Lagerbuchse des Rotorbauteils 14. Im Bereich des Ringspalts 29 ist zwar noch eine Pumpwirkung radial nach innen vorhanden, die durch die Axiallagerrillen 28a verursacht wird, allerdings ist sie im Bereich des Ringspalts 29 aufgrund der größeren Spaltbreite schwächer als die Pumpwirkung im radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20, der sich radial innen an den Ringspalt 29 anschließt. Der Ringspalt 29 beginnt im Übergangsbereich zwischen dem Wellenflansch 12a und dem feststehenden Lagerbauteil 16. Im Bereich des radialen Ringspalts 29 mündet der Rezirkulationskanal 30, der innerhalb des Rotorbauteils 14 angeordnet ist.
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An den Ringspalt 29 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster kapillarer Dichtungsspalt 32 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils 14 und eines Randes des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt wird und das Ende des Lagerspalts 20 abdichtet. Der Ringspalt 29 geht in einen vergleichsweise längeren, sich konisch aufweitenden und nahezu axial verlaufenden Dichtungsspalt 32 über, der von einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 und einer inneren Umfangsfläche des Randes des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 32 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Menge an Lagerfluid bereit. Ferner können hierdurch Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden.
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Die den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 32 bildende innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 kann im Verlauf des Dichtungsspalts 32 zum Lageräußeren hin entweder relativ zur Rotationsachse 38 nach innen geneigt sein oder parallel dazu verlaufen, während die gegenüberliegende Außenumfangsfläche des Rotorbauteils 14 im Verlauf zum Lageräußeren nach innen in Richtung zur Rotationsachse 38 geneigt ist. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 größer ist als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16, wodurch sich eine konische Erweiterung der Dichtungsspaltes 32 ergibt. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
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Am oberen Ende der Welle 12 ist das Rotorbauteil 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22 so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 18 einen radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 bildet. An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 34 an, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und den Lagerspalt 20 an diesem Ende abdichtet. Der zweite Dichtungsspalt 34 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils 14 und des Stopperbauteils 18 begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Dabei verläuft die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 18 im Verlauf zum Lageräußeren zunächst parallel zur Drehachse 38 und ist anschließend im Bereich der Kapillardichtung kegelförmig ausgebildet, wobei sie dabei einen Winkel von mehr als 45 Grad relativ zur Drehachse 38 aufweist. Die gegenüberliegende innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 verläuft dabei parallel zur Drehachse 38, so dass sich zunächst ein axial verlaufender Spalt mit einer sich daran anschließenden konischen Kapillardichtung ergibt. Der zweite Dichtungsspalt 34 weist vorzugsweise eine Pumpdichtung 36 auf, die unterhalb der konischen Kapillardichtung angeordnet ist. Die Pumpdichtung 36 umfasst Pumpdichtungsrillen 36a, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 18 oder des Rotorbauteils 14 angeordnet sind und im axialen Verlauf nicht bis in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20 reichen, da zwischen der Pumpdichtung 36 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20 eine sogenannte Ruhezone benötigt wird, um zu vermeiden, dass Luft in das Lager gelangt. Während sich das Lager dreht, erzeugen die Rillenstrukturen 36a der Pumpdichtung 36 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 34 befindliche Lagerfluid. Diese Pumpwirkung ist in das Innere des Lagerspalts 20, also in Richtung des oberen Radiallagers 22 gerichtet.
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Der zweite Dichtungsspalt 34 ist von einer Abdeckung 44 abgedeckt, die vorzugsweise als flache ringförmige Scheibe ausgebildet ist. Die flache Abdeckung 44 benötigt nur wenig Platz aufgrund ihrer geringen Bauhöhe und ist in einer flachen Aussparung des Rotorbauteils 14 befestigt, beispielsweise eingeklebt. Ein innerer Rand der Abdeckung 44 bildet zusammen mit dem Außenumfang des Stopperbauteils 18 einen engen Luftspalt als Spaltdichtung 37 aus. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 34 bzw. verringert ein Abdampfen des Lagerfluids und erhöht somit die Lebensdauer des Fluidlagers.
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Am axial äußeren Ende des Dichtungsspaltes 34 weitet sich der Dichtungsspalt in einen Freiraum auf, der vorzugsweise so groß ist, dass er das gesamte im Lager befindliche Volumen an Lagerfluid aufnehmen kann. Dieser Freiraum dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid. Hierbei werden der Lagerspalt 20, der Ringspalt 29, der Rezirkulationskanal 30 und die Dichtungsspalte 32, 34 vorzugsweise evakuiert und das Gesamtvolumen an Lagerfluid in den Freiraum gefüllt. Danach wird das Lager wieder belüftet, wodurch das Volumen an Lagerfluid aus dem Freiraum in das Lager, also in den Lagerspalt 20, den Ringspalt 29, den Rezirkulationskanal 30 und partiell in die Dichtungsspalte 32, 34 gedrückt wird.
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Ein Rezirkulationskanal 30 verläuft ausgehend vom dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich der umlaufenden Rille 35 zwischen der Stirnfläche des Rotorbauteils 14 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Stopperbauteils 18 schräg nach unten durch das Rotorbauteil 14 und mündet in den Ringspalt 29.
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Der Spindelmotor weist ein elektromagnetisches Antriebssystem auf, das in bekannter Weise gebildet ist durch eine an der Basisplatte 10 angeordnete Statoranordnung 40 und einem die Statoranordnung 40 in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 42, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 angeordnet ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor, jedoch kann ohne Einschränkung alternativ ein Innenläufermotor verwendet werden, bei welchem die Statoranordnung radial außerhalb des Rotormagneten angeordnet ist.
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Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 28 aufweist, das im Betrieb auf das Rotorbauteil 14 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 18 erzeugt, ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft (Bias-Force) notwendig, die das Rotorbauteil 14 axial im Kräfte-Gleichgewicht hält. Hierfür sind die Statoranordnung 40 und der Rotormagnet 42 axial zueinander versetzt angeordnet, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 42 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die Mitte der Statoranordnung 40. Dadurch wird vom Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft auf das Rotorbauteil 14 ausgeübt, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des Axiallagers 28 im Betrieb des Motors wirkt.
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Wie es weiter oben schon angesprochen wurde, weist das feststehende Lagerbauteil 16 im Querschnitt eine U-Form auf und hat eine zentrale Aussparung, deren Tiefe etwa die Hälfte der axialen Dicke des Lagerbauteils beträgt. Das feststehende Lagerbauteil 16 kann entweder aus dem gleichen Material wie die Welle 12, einem anderen Stahl oder Metall, wie beispielsweise Messing oder Bronze, oder aus einem Kunststoff hergestellt werden, da das Lagerbauteil 16 nicht als Lagerfläche dient und somit keine besonders große Härte aufweisen muss. Die Welle 12 hingegen bildet einen Teil der axialen und radialen Lagerflächen und besteht daher aus einem Stahl, der geschliffen und gehärtet oder beispielsweise mit Nickel oder DLC (diamond like carbon) beschichtet ist, um die nötige Formgenauigkeit sowie Härte für die Lagerflächen aufweisen zu können.
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Die Aussparung im Lagerbauteil 16 ist so ausgebildet, dass der Wellenflansch 12a der Welle 12 darin Platz findet und mittels eines Klebstoffs flächig in die Aussparung eingeklebt werden kann.
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Der Wellenflansch 12a wird derart in die Aussparung des Lagerbauteils 16 eingeklebt, dass die beiden Oberflächen des Wellenflansches 12a und des Lagerbauteils 16 im Wesentlichen eine Ebene bilden. Alternativ kann der Wellenflansch so eingepasst sein, dass die Oberfläche des Wellenflansches 12a geringfügig in axialer Richtung um etwa 10 bis 40 Mikrometer über die Oberfläche des Lagerbauteils 16 hinaus steht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 12a
- Flansch d. Welle
- 14
- Rotorbauteil
- 16
- feststehendes Lagerbauteil
- 18
- Stopperbauteil
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Radiallager
- 22a
- Lagerrillenstrukturen
- 24
- Radiallager
- 24a
- Lagerrillenstrukturen
- 26
- Separatorspalt
- 28
- Axiallager
- 29
- Ringspalt
- 30
- Rezirkulationskanal
- 32
- Dichtungsspalt
- 34
- Dichtungsspalt
- 35
- Rille
- 36
- Pumpdichtung
- 36a
- Pumprillenstrukturen
- 37
- Spaltdichtung
- 38
- Drehachse
- 40
- Statoranordnung
- 42
- Rotormagnet
- 44
- Abdeckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008031618 A1 [0006]
- DE 102012013186 A1 [0007]
