-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Stand der Technik
-
Fluiddynamische Lager werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren, Lüftern oder Pumpen verwendet. Ein fluiddynamisches Lager umfasst wenigstens zwei relativ zueinander bewegliche, vorzugsweise relativ zueinander drehbare, Lagerkomponenten, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt von einigen Mikrometern Breite voneinander getrennt sind. Durch einen fluiddynamischen Effekt, der im Betrieb des Lagers einen Druckaufbau im Lagerfluid innerhalb des Lagerspaltes erzeugt, werden die Lagerflächen auf Abstand gehalten und das Lager wird tragfähig. Dieser fluiddynamische Effekt wird erzeugt durch Lagerrillenstrukturen, die auf einer oder beiden der einander zugewandten Lagerflächen vorgesehen sind. Diese Lagerrillenstrukturen erzeugen im Betrieb des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid und dadurch einen Druckaufbau im Lagerspalt.
-
Je nach Bauart des fluiddynamischen Lagers ist der Lagerspalt an einem oder beiden Enden zur Umgebung hin offen und muss durch entsprechende Dichtungsanordnungen abgedichtet werden, damit kein Lagerfluid aus dem Lager austreten kann. In der Regel werden zur Abdichtung des Lagerspaltes kapillare Dichtungsspalte verwendet, die außerdem bevorzugt als Reservoir für das Lagerfluid und als Ausgleichsvolumen im Hinblick auf die Temperaturausdehnung des Lagerfluids dienen. Da diese kapillaren Dichtungsspalte eine relativ große Grenzfläche zur Umgebung bilden, ist es unvermeidlich, dass geringe Mengen des im Dichtungsspalt befindlichen Lagerfluids verdampft und so aus dem Lager entkommt kann. Des Weiteren kann insbesondere bei axialem Schock Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt entweichen und somit für die fluiddynamische Lagerung verloren gehen. Dabei können auch andere Bauteile des Elektromotors verschmutzt werden.
-
Diese Verdampfung muss bei der Auslegung des fluiddynamischen Lagers berücksichtigt werden und entsprechendes Volumen an Lagerfluid vorgesehen werden, damit für die Lebensdauer des Lagers immer ein ausreichender Vorrat an Lagerfluid vorhanden ist. Um ein Entweichen von flüssigem und/oder verdampftem Lagerfluid zu verhindern bzw. zu erschweren ist es bekannt, am Ende des Dichtungsspaltes einen engen Luftspalt anzuordnen, der es dem Fluiddampf erschwert nach außen in die Umgebung auszutreten.
-
Die
DE 10 2011 014 372 A1 offenbart einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager, bei dem ein unterer Dichtungsspalt zwischen einer inneren Umfangsfläche eines feststehenden Lagerbauteils und einer äußeren Umfangsfläche eines Rotorbauteils gebildet ist. Am Ende des Dichtungsspaltes verläuft ein relativ breiter radial verlaufender Luftspalt, der dann in einen schmalen axial verlaufenden Luftspalt übergeht. Dieser axiale Luftspalt wird durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils und eine gegenüberliegende innen liegende Umfangsfläche eines Randes einer Basisplatte gebildet, an welchem Rand ebenfalls die Statoranordnung des Spindelmotors befestigt ist. Die
US20100296190A1 offenbart eine Dichtungsanordnung, bei der ein Dichtungsspalt zwischen einem Rotorbauteil und einem Statorbauteil durch das Vergrößern des Außenumfangs des Rotorbauteils definiert wird.
-
In der Regel wir die Statoranordnung auf diesen Rand aufgesteckt oder aufgepresst und ggf. mittels Klebstoff fixiert. Durch dieses Aufpressen der Statoranordnung kann es vorkommen, dass der Rand der Basisplatte sich verformt und dadurch auch die Breite des dünnen Luftspaltes beeinflusst wird. Andererseits wird auch das feststehende Lagerbauteil zusammen mit der Welle und der Rotoreinheit in einer Öffnung der Basisplatte befestigt, was ebenfalls toleranzbehaftet ist. Dadurch ist es nicht möglich, einen Luftspalt mit gleich bleibender sehr geringer Breite zu schaffen, da diese Toleranzen jedes mal mit eingerechnet werden müssen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem der Verlust von Lagerfluid durch Verdampfung und/oder axialen Schock wesentlich reduziert ist, indem ein Luftspalt als Spaltdichtung mit reproduzierbar geringem Spaltdurchmesser bereit gestellt wird, an dessen Innenumfang sich zumindest teilweise eine das Lagerfluid abweisende Oberfläche befindet. Entsprechend soll auch ein Spindelmotor mit einem solchen fluiddynamischen Lagersystem angegeben werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ein Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem ist im Anspruch 14 angegeben.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
-
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerkomponente und eine drehbewegliche Lagerkomponente, die relativ zueinander um eine Rotationsachse drehbar angeordnet und durch einen mit Lagerfluid gefüllten und zwei offene Enden aufweisenden Lagerspalt voneinander getrennt sind. Entlang des Lagerspalts sind mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet. Die beiden offenen Enden des Lagerspaltes sind jeweils durch eine Dichtungsanordnung abgedichtet, wobei eine erste Dichtungsanordnung zwischen einer inneren Umfangsfläche eines feststehenden Lagerbauteils der feststehenden Lagerkomponente und einer äußeren Umfangsfläche der drehbeweglichen Lagerkomponente gebildet ist.
-
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass angrenzend an die erste Dichtungsanordnung ein Luftspalt angeordnet ist, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des feststehenden Lagerbauteils und der drehbeweglichen Lagerkomponente gebildet ist, wobei sich im Bereich des Übergangs zwischen Dichtungsanordnung und Luftspalt und/oder entlang des Luftspaltes zumindest teilweise eine das Lagerfluid abweisende Oberfläche am Innenumfang der Spalte befindet.
-
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der Luftspalt nun nicht mehr zwischen einem Fortsatz bzw. Rand der Basisplatte und der drehbeweglichen Lagerkomponente gebildet ist, sondern zwischen einem von der Basisplatte separaten feststehenden Lagerbauteil und der drehbeweglichen Lagerkomponente.
-
Das feststehende Lagerbauteil ist während der Montage des Stators bzw. der Rotoreinheit keinen Kräften ausgesetzt und verformt sich im Bereich des Luftspaltes nicht, so dass engere Toleranzvorgaben vorgesehen sein können und dadurch der Luftspalt mit geringer und reproduzierbarer Breite realisiert werden kann.
-
Der Luftspalt kann erfindungsgemäß gerade oder abgewinkelt ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der Luftspalt entweder lediglich einen axial verlaufenden Abschnitt aufweisen oder aber mindestens einen axial verlaufenden Abschnitt und einen radial verlaufenden Abschnitt.
-
Je nach Ausgestaltung des abgewinkelten Luftspaltes schließt sich zunächst der axial verlaufende Abschnitt unmittelbar an die erste Dichtungsanordnung an, wonach dann der radial verlaufende Abschnitt des Luftspalts folgt. In einer anderen Ausgestaltung kann sich der radial verlaufende Abschnitt unmittelbar an die erste Dichtungsanordnung anschließen und in einen axial verlaufenden Abschnitt des Luftspaltes übergehen. Der Luftspalt weist erfindungsgemäß eine möglichst geringe Breite auf, insbesondere weist er an seiner breitesten Stelle eines axialen Abschnittes eine Breite von höchstens 0,1 mm auf. Ferner weist der Luftspalt eine gewisse minimale Gesamtlänge auf, die insbesondere mindestens 1,5 mm beträgt.
-
Je länger der Luftspalt ist und je geringer die Breite des Luftspaltes ist, desto weniger kann verdampftes Lagerfluid vom Dichtungsspalt über den Luftspalt in die Umgebung des Lagers bzw. Spindelmotors entweichen. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt eine möglichst kleine Fläche aufweist, mit der das Lagerfluid in Kontakt zur Umgebung (Luft) steht. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind daher der Dichtungsspalt und der Luftspalt derart ausgeführt, dass diese Kontaktfläche zwischen Lagerfluid und Umgebungsatmosphäre auf einen relativ kleinen Durchmesser aufweist, so dass die Kontaktfläche möglichst klein ist.
-
Die oben angeführten Abmessungen für die Länge und Breite des Luftspaltes gelten insbesondere für ein fluiddynamisches Lager zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Dichtungsanordnung als zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt, vorzugsweise als kapillarer Dichtungsspalt, ausgebildet.
-
Als das Lagerfluid abweisende Beschichtung wird vorzugsweise eine auf Fluorcarbon basierende Beschichtung gewählt, die in Form einer dünnen Schicht zumindest auf Teile der Oberfläche des Luftspaltes aufgetragen wird. Die Beschichtung kann dabei bis in den Dichtungsspalt hineinreichen, so dass Tropfen des Lagerfluids bereits vom Eindringen in den Luftspalt abgehalten werden. Der Luftspalt selbst ist möglichst lange ausgebildet, so dass Lagerfluid nur schwer bis an dessen Ende vordringen kann und damit nicht als Lagerfluid verloren geht.
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1a zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
-
1b zeigt das Detail X der 1a im Bereich des Dichtungsspaltes und des Luftspaltes.
-
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
-
3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
-
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
-
Die 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor wird vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplatten eines 2,5 Zoll Festplattenlaufwerks verwendet.
-
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein feststehendes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das feststehende Lagerbauteil 16 ist etwa becherförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher die Welle 12 befestigt ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 12 ist ein ringförmiges Lagerbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 16 und 18 bilden die feststehende Lagerkomponente des fluiddynamischen Lagers. Die Welle 12 weist an ihrem oberen Ende eine Gewindebohrung (nicht dargestellt) zur Befestigung an einem Gehäusedeckel des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks auf.
-
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein Rotorbauteil 14 mit einer Lagerbuchse 14a, die vorzugsweise einteilig mit dem Rotorbauteil 14 ausgebildet ist. Das Rotorbauteil 14 bildet mit der Lagerbuchse 14 die drehbewegliche Lagerkomponente. Die Lagerbuchse 14a ist in einem durch die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 18 ist in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 14 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, der Lagerbuchse 14a und der beiden Lagerbauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
-
Die am Rotorbauteil 14 angeordnete Lagerbuchse 14a hat eine zylindrische Bohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausbildet sind, welche durch einen dazwischen liegenden Separatorspalt 24 getrennt sind. Die Radiallagerflächen umschließen die stehende 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 22a, 22b, die durch sinus- oder parabelförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind.
-
An das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 14a und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des feststehenden Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen sind als zur Rotationsachse 38 senkrechte Kreisringe ausgebildet und bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der unteren Stirnseite der Lagerbuchse 14a, der oberen Fläche des feststehenden Lagerbauteils 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b und das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen an Lagerflächen der Lagerbuchse 14a angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des feststehenden Lagerbauteils 16 vereinfacht. Da der Spindelmotor nur ein einziges fluiddynamisches Axiallager 26 aufweist, das auf das Rotorbauteil 14 eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils 18 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierzu ist an der Basisplatte 10 ein ferromagnetischer Ring 40 angeordnet, der dem Rotormagneten 44 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 26 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 42 und der Rotormagnet 44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 44 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die Mitte der Statoranordnung 42. Auch dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt.
-
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 radial außerhalb des Axiallagers 26 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster Dichtungsspalt 32 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils 14 und des Lagerbauteils 16 gebildet wird und das Ende des fluiddynamischen Lagersystems an dieser Seite abdichtet. Der erste Dichtungsspalt 32 beginnt in einem Spaltabschnitt radial außerhalb des Axiallagers 26 und geht in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt über, der von einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 und einer äußeren Umfangsfläche des Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der erste Dichtungsspalt 32 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Hierbei verläuft die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14a parallel zur Drehachse 38 während sich die innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 in einem spitzen Winkel zur Drehachse 38 öffnet, so dass sich der Querschnitt des ersten Dichtungsspalts 32 konisch aufweitet.
-
An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist das Rotorbauteil 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten Lagerbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 34 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Entlang des zweiten Dichtungsspalts 34 ist vorzugsweise eine Pumpdichtung 36 angeordnet, wobei sich der zweite Dichtungsspalt 34 am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt aufweitet. Der zweite Dichtungsspalt 34 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt und kann von einer ringförmigen Abdeckkappe 30 abgedeckt sein. Die Abdeckkappe 30 ist an einer Stufe des Rotorbauteils 14 gehalten und dort beispielsweise angeklebt. Der innere Rand der Abdeckkappe 30 kann zusammen mit dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung ausbilden. Diese Spaltdichtung erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten Von Lagerfluid aus dem zweiten Dichtungsspalt 34.
-
Ein Rezirkulationskanal 28 verläuft ausgehend vom Spalt zwischen der Stirnfläche des Rotorbauteils 14 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Lagerbauteils 18 axial nach unten und schräg radial nach außen in Längsrichtung durch das Rotorbauteil 14 und mündet radial außerhalb des Axiallagers 26 in den Spaltabschnitt zwischen dem Lagerspalt 20 und dem Dichtungsspalt 34.
-
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an einem Rand 10a der Basisplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 angeordnet ist.
-
In der in 1a dargestellten ersten Ausgestaltung der Erfindung schließt sich an das aufgeweitete Ende des ersten Dichtungsspaltes 32 ein sehr enger Luftspalt 48 an, der im Wesentlichen den sehr engen axialen Abschnitt 48a und einen sich an den axialen Abschnitt 48a anschließenden radial verlaufenden breiteren Abschnitt 48b aufweist.
-
Der erste Dichtungsspalt 32 weitet sich ausgehend vom Lagerspalt im Querschnitt konisch auf, wobei im Bereich des ersten Dichtungsspalts 32 die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14a im wesentlichen parallel zur Rotationsachse verläuft während die innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils sich radial nach Außen in einem Winkel öffnet und eine Ausbuchtung bildet. Der Luftspalt 48 kann sich beispielsweise oberhalb des Dichtungsspaltes 32 an diesen anschließen und durch einen Überhang an einem Rand 16a des feststehenden Lagerbauteils 16 in radialer Richtung nach außen begrenzt sein. Die beiden Abschnitte 48a und 48b des Luftspaltes 48 sind also durch einen Rand 16a des feststehenden Lagerbauteils 16 und gegenüberliegende Flächen der drehbeweglichen Rotorkomponente, sprich des Rotorbauteils 14, gebildet. Dadurch kann der Luftspalt 48, insbesondere der axiale Abschnitt 48a, im Anschluss an den Dichtungsspalt 32 deutlich enger werden. Im konisch aufgeweiteten Teil des Dichtungsspalts 32 kann sich somit verdampfendes Lagerfluid in der Gasphase ansammeln und somit das Entweichen des Lagerfluids in andere Bereiche des Spindelmotors reduziert werden. Wenigstens ein Teil des sublimierten Lagerfluids kann nach dem Abkühlen des Elektromotors an den Wänden des Dichtungsspaltes 32 kondensieren, so dass es wieder als Lagerfluid wirken kann.
-
Vorzugsweise gilt für die Länge LA des Dichtungsspaltes 32 in axialer Richtung 1 mm ≤ LA ≤ 4,0 mm. Die Länge LB des angrenzenden Abschnittes 48a des Luftspaltes 48 liegt vorzugsweise im Bereich 0,5 mm ≤ LB ≤ 2,5 mm während die Länge LC des in radialer Richtung verlaufenden Abschnittes 48b des Luftspaltes 48 im Bereich 0,5 mm ≤ LC < 1,5 mm liegt. Die Breite des Dichtungsspaltes 32 weitet sich von einer kleinsten Breite BAmin zu einer größten Breite BAmax, wobei vorzugsweise 0,05 mm ≤ BAmin < 0,3 mm und 0,12 mm ≤ BAmax < 0,6 mm gelten, so dass der Öffnungswinkel α im Bereich 1° ≤ α < 8° liegt. Hierbei ist die Breite BAmin durch die Schnittpunkte der in radialer Richtung verlaufenden Gerade entlang der Oberkante des Axiallagerspaltes 21 mit den geradlinigen Verlängerungen der in 1a gezeigten Seitenwänden der Dichtungsanordnung 32 definiert. Der axiale Abschnitt 48a des Luftspaltes 48 weist vorzugsweise eine Breite BB im Bereich 0,02 mm ≤ BB < 0,1 mm auf während für die Breite BC des radialen Abschnitts 48c 0,05 mm ≤ BC gilt. Die Breite BD des Lagerspalts 21 des Axiallagers beträgt im Beispiel etwa 0,006 mm und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0 mm und 0,05 mm. Zwischen dem Axiallager und dem Dichtungsspalt 32 ist ein geweiteter Abschnitt 21a des Lagerspaltes vorhanden, in den auch der Rezirkulationskanal 28 mündet. Der Abschnitt 21a hat vorzugsweise eine Breite BE, die im Bereich 0,01 mm ≤ BE < 0,05 mm liegt. Die oben genannten Größen sind in dem in 1b gezeigten Ausschnitt der 1a veranschaulicht. Die Breite BD des Axiallagerspaltes ist dort zur besseren Anschauung vergrößert dargestellt.
-
Vorzugsweise befindet sich zumindest teilweise im Luftspalt 48 und/oder im Bereich des Übergangs zwischen Dichtungsspalt 32 und Luftspalt 48 an den Wänden der Spalte eine das Lagerfluid abweisende Oberfläche 50, die besonders bevorzugt in Form einer dünnen Schicht (barrier film) aufgetragen wird. Zum Beispiel kann die das Lagerfluid abweisende Oberfläche 50 eine Fluorcarbon enthaltende Beschichtung, insbesondere eine Perfluoralkyl enthaltende Beschichtung wie zum Beispiel NyeBar® sein. Die das Lagerfluid abweisende Oberfläche 50 kann sich beispielsweise nur im Bereich des oben erwähnten Übergangs befinden oder von dort bis an das vom Lagerspalt 32 entfernte Ende des Dichtungsspaltes 48 aufgebracht sein. Besonders bevorzugt sind in dieser Ausgestaltung sowohl der axial verlaufende Abschnitt 48a und der radial verlaufende Abschnitt 48b des Luftspalts sowohl am Rotorbauteil 214 als auch am Rand 16a des feststehenden Lagerbauteils 16 mit einer das Lagerfluid abweisenden Oberfläche versehen.
-
Dadurch, dass der Überhang im Beispiel der 1a an dem feststehenden Lagerbauteil 16 ausgebildet ist und radial nach Innen zeigt, wird das Lagerfluid im Betrieb durch Zentripetalkräfte in Richtung der Ausbuchtung des Dichtungsspaltes 32 und nicht in Richtung des Luftspaltes 48 gedrückt. Somit kann der Verlust von Lagerfluid im Betrieb weiter verringert werden. Des Weiteren liegt die Oberfläche des Lagerfluids, die in Kontakt zur Umgebung (z. B. Luft) steht, auf einem kleineren Durchmesser, als dies für einen Luftspalt der Fall ist, der durch einen Überhang am Rotorbauteil verengt wird. Somit wird durch das Reduzieren der Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt dessen Verdampfen weiter verlangsamt.
-
Die Statoranordnung 42 ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, auf einem Vorsprung bzw. Rand 10a der Basisplatte 10 angeordnet, welcher keine Kraft auf den Rand 16a des feststehenden Lagerbauteils ausübt, so dass die Dimensionen des Luftspaltes 48 durch Montage der Statoranordnung nicht beeinflusst werden.
-
In 2 ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind.
-
Insbesondere die Ausgestaltung des feststehenden Lagerbauteils 116 und der entsprechenden Flächen des Rotorbauteils 114 unterscheidet sich von 1.
-
Das feststehende Lagerbauteil 116 bildet zusammen mit entsprechenden Flächen des Rotorbauteils 114 wiederum den ersten Dichtungsspalt 132, der sich ausgehend vom Lagerspalt 20 im Querschnitt konisch nach außen öffnet.
-
In dieser Ausgestaltung verläuft die innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 116 im Wesentlichen parallel zur Drehachse oder kann ganz leicht nach innen zur Drehachse geneigt sein, während die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 114a des Rotorbauteils 114 in Bezug auf die Drehachse 38 stärker abgeschrägt ist, so dass sich ein konischer Querschnitt des ersten Dichtungsspaltes 132 ergibt.
-
Im oberen Bereich weist der Rand 116a des feststehenden Lagerbauteils 116 eine Stufe 116b auf und weitet sich nach außen auf, wobei durch diese Stufe 116b und eine entsprechende Stufe des Rotorbauteils 114 ein radial verlaufender Abschnitt 148a und ein sich daran anschließender axial verlaufender Abschnitt 148b des Luftspaltes 148 gebildet wird.
-
Der radial verlaufende Abschnitt 148a wird gebildet durch eine radial verlaufende Fläche des feststehenden Lagerbauteils 116 und eine gegenüberliegende Fläche des Rotorbauteils 114 und weist eine relativ große Breite auf, während der sich daran anschließende axial verlaufende Abschnitt 148a des Luftspaltes eine sehr kleine Breite aufweist und durch einen axial verlaufenden Rand des feststehenden Lagerbauteils 116 und eine gegenüberliegende axiale Fläche des Rotorbauteils 114 gebildet ist. Somit hat der Dichtungsspalt 148 der 2 ein relativ großes Volumen um Lagerfluid aufzunehmen und eine relativ große Spaltlänge. Beide Umstände sind vorteilhaft im Falle eines axialen Schocks, da so die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass das Lagerfluid den Dichtungsspalt 148 an dem vom Lagerspalt entfernten Ende wieder verlassen kann.
-
Wichtig ist, dass der Rand 116a des feststehenden Lagerbauteils 116 nicht mit der Statoranordnung 42 in Berührung kommt und bei der Montage der Statoranordnung 42 damit keine Verformung erfährt.
-
3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem aus 2. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in 2 bezeichnet.
-
Das feststehende Lagerbauteil 216 ist becherförmig ausgebildet, wobei der Rand 216a keine Stufe aufweist.
-
Vielmehr wirkt der Rand 216a mit einer Stufe am Außenumfang der Lagerbuchse 214a des Rotorbauteils 214 zusammen und bildet einen ersten axialen Abschnitt 248a des Luftspaltes 248, der sich direkt an den ersten Dichtungsspalt 32 anschließt.
-
An diesen axialen Abschnitt 248a schließt sich ein radialer Abschnitt 248b an, der zwischen der Stirnseite des Randes 216a und einer Unterseite des Rotorbauteils 214 verläuft.
-
Im Gegensatz zu den anderen beiden Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den 1 und 2 ist nun ein weiterer Abschnitt 248c des Luftspaltes 248 vorgesehen, der in axialer Richtung verläuft.
-
Dieser dritte Abschnitt 248c wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 214 und eine innere Umfangsfläche am Rand des Vorsprunges der Basisplatte 210 oberhalb der Stelle, an der die Statoranordnung 42 befestigt ist.
-
Die Ausgestaltung gemäß 3 zeigt demnach einen zweifach abgewinkelten Luftspalt 248 mit drei Abschnitten 248a, 248b, 248c. Im Beispiel der 3 ist der Abschnitt 248c 1,2 mm lang und hat eine Breite von 0,07 mm.
-
Vorzugsweise liegt die Breite des Spaltes 248c im Bereich von 0,02 mm bis 0,2 mm.
-
Eine, wie in 1a beschriebene, das Lagerfluid abweisende Oberfläche im Bereich des Übergangs zwischen Lagerspalt 32 und dem Luftspalt 48, 148, 248, sowie entlang des kompletten Luftspaltes 48, 148, 248 ist für alle gezeigten Ausführungsformen vorteilhaft.
-
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr sind auch andere vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen, fluiddynamischen Lagersystems denkbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Basisplatte
- 10a
- Rand
- 12
- Welle
- 14, 114, 214
- Rotorbauteil
- 14a. 114a, 214a
- Lagerbuchse
- 16, 116, 216
- feststehendes Lagerbauteil
- 16a, 116a, 216a
- Rand
- 18
- ringförmiges Lagerbauteil
- 20
- Lagerspalt
- 21
- Axiallagerspalt
- 21a
- Abschnitt Axiallagerspalt
- 22a
- Radiallager
- 22b
- Radiallager
- 24
- Separatorspalt
- 26
- Axiallager
- 28
- Rezirkulationskanal
- 30
- Abdeckkappe
- 32
- Dichtungsspalt
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Pumpdichtung
- 38
- Rotationsachse
- 40
- ferromagnetischer Ring
- 42
- Statoranordnung
- 44
- Rotormagnet
- 46
- Leiterplatte
- 48
- Luftspalt
- 48a
- axialer Abschnitt
- 48b
- radialer Abschnitt
- 50
- Lagerfluid abweisende Oberfläche
- 114
- Rotorbauteil
- 114a
- Lagerbuchse
- 116
- feststehendes Lagerbauteil
- 116a
- Rand
- 116b
- Stufe
- 148
- Luftspalt
- 148a
- axialer Abschnitt
- 148b
- radialer Abschnitt
- 214
- Rotorbauteil
- 214a
- Lagerbuchse
- 216
- feststehendes Lagerbauteil
- 216a
- Rand
- 216b
- Stufe
- 248
- Luftspalt
- 248a
- axialer Abschnitt
- 248b
- radialer Abschnitt
- 248c
- axialer Abschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011014372 A1 [0005]
- US 20100296190 A1 [0005]
