DE102013019911A1 - Fluid-dynamic bearing system for spindle motor to drive hard disk drive, has fixed and rotatable bearing components separated from each other, and sealants formed with air gap measured with flow constant for which preset value is applied - Google Patents
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- F16C2370/00—Apparatus relating to physics, e.g. instruments
- F16C2370/12—Hard disk drives or the like
Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, wie es beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt wird. Derartige Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem werden unter anderem zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet.The invention relates to a fluid dynamic bearing system, as used for example for the rotary mounting of spindle motors. Such spindle motors with a fluid-dynamic bearing system are used inter alia for driving disk drives.
Stand der TechnikState of the art
Fluiddynamische Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerstrukturen in Form von Rillenmustern als Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide jeweils gegenüber liegende Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Lagerstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige („herringbone”) Lagerstrukturen verwendet, die an einer Fläche parallel zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätartige Lagerstrukturen verwendet, die in einer Ebene quer zur Rotationsachse angeordnet werden.Fluid dynamic bearing systems generally comprise at least two relatively rotatable bearing components, the bearing surfaces between one another with a bearing fluid, for. B. bearing oil, filled bearing gap form. In a known manner, bearing surfaces assigned to and acting on the bearing fluid bearing structures are provided. In fluid dynamic bearings, the bearing structures in the form of groove patterns as depressions or elevations are usually applied to individual or both opposing bearing surfaces. These bearing structures arranged on corresponding bearing surfaces of the bearing partners serve as bearing and / or pump structures which generate a hydrodynamic pressure with relative rotation of the bearing components within the bearing gap. For radial bearings, for example, sinusoidal, parabolic or herringbone bearing structures are used, which are arranged on a surface parallel to the axis of rotation of the bearing components distributed over the circumference of at least one bearing component. In axial bearings, for example, helical or herringbone bearing structures are used, which are arranged in a plane transverse to the axis of rotation.
Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem, wie sie beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, können generell in zwei unterschiedliche Gruppen, sprich Bauformen, eingeteilt werden: Motoren mit drehender Welle und üblicherweise nur einseitig geöffnetem Lagersystem (z. B. ein sogenanntes „single plate bearing” oder „single top thrust bearing”) und Motoren mit stehender Welle und beidseitig offenen Lagerspalt. Die offenen Enden des Lagerspaltes müssen abgedichtet werden, damit kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt austritt und andere Komponenten des Spindelmotors verschmutzt. Die Abdichtung des Lagerspalts erfolgt durch geeignete Dichtungsmittel, beispielsweise durch statische Kapillardichtungen oder dynamische Pumpdichtungen oder eine Kombination dieser beiden Dichtungsarten.Spindle motors with fluid-dynamic bearing system, as used for example for driving hard disk drives, can generally be divided into two different groups, ie types: motors with rotating shaft and usually only one-sided opened storage system (eg a so-called "single-plate bearing" or "single top thrust bearing") and motors with a stationary shaft and a bearing gap open on both sides. The open ends of the bearing gap must be sealed so that no bearing fluid escapes from the bearing gap and contaminates other components of the spindle motor. The sealing of the bearing gap is carried out by suitable sealing means, for example by static Kapillardichtungen or dynamic pump seals or a combination of these two types of seals.
Die
Für das Befüllen eines fluiddynamischen Lagers mit Lagerfluid werden verschiedene Methoden angewandt, insbesondere abhängig davon, ob der Lagerspalt nur an einem Ende oder an beiden Enden zur Umgebung hin offen ist.For the filling of a fluid dynamic bearing with bearing fluid various methods are used, in particular depending on whether the bearing gap is open only at one end or at both ends to the environment.
Die
Die Druckdifferenz zwischen der Arbeitskammer und dem separaten Hohlraum kann über eine Ventilationsöffnung erzeugt werden, welche den separaten Hohlraum mit der Arbeitskammer verbindet. Beim Belüften der Arbeitskammer ergibt sich aufgrund der Ventilationsöffnung zwischen der Arbeitskammer und dem Hohlraum eine temporäre Druckdifferenz mit P2 < P1, wodurch sich das Schmiermittel ausgehend vom ersten offenen Ende im Lagerspalt verteilt, so lange bis ein Druckausgleich P1 = P2 über die Ventilationsöffnung erfolgt ist. Die Ventilationsöffnung kann beispielsweise durch einen schmalen Spalt zwischen Teilen des Lagers und Teilen der Haltevorrichtung gebildet werden. Sie kann aber auch durch eine Bohrung in Teilen der Haltevorrichtung gebildet sein.The pressure difference between the working chamber and the separate cavity can be generated via a ventilation opening which connects the separate cavity to the working chamber. When venting the working chamber results due to the ventilation opening between the working chamber and the cavity, a temporary pressure difference with P2 <P1, whereby the lubricant distributed starting from the first open end in the bearing gap, until a pressure equalization P1 = P2 is carried out via the ventilation opening. The ventilation opening can be formed for example by a narrow gap between parts of the bearing and parts of the holding device. But it can also be formed by a hole in parts of the holding device.
Der Nachteil bei dieser Befüllmethode ist, dass für jeden Lagertyp und Motortyp eine spezielle Vorrichtung notwenig ist. Bei jeder Änderung des Lagerdesigns wird in der Regel eine Änderung entsprechende Anpassung der Befüllvorrichtung notwendig. The disadvantage with this filling method is that a special device is necessary for each type of bearing and motor type. Whenever the bearing design changes, a change to the filling device is usually necessary.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, das den Befüllvorgang zum Einfüllen des Lagerfluids in das Lager unabhängig von der verwendeten Befüllvorrichtung erleichtert und verbessert.It is the object of the invention to provide a fluid dynamic bearing system that facilitates and improves the filling process for filling the bearing fluid into the bearing, regardless of the filling device used.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen den Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a fluid dynamic bearing system having the features of
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the invention and further advantageous features emerge from the subclaims.
Das fluiddynamische Lager umfasst ein erstes feststehendes Lagerbauteil und ein zweites um eine Drehachse drehbar angeordnetes Lagerbauteil, wobei das erste und das zweite Lagerbauteil im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Der Lagerspalt weist ein erstes und ein zweites offenes Ende auf, die durch ein erstes und ein zweites Dichtungsmittel abgedichtet sind. Entlang des Lagerspaltes ist mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager oder alternativ mindestens ein konisches fluiddynamisches Lager angeordnet.The fluid dynamic bearing comprises a first fixed bearing component and a second bearing component rotatably arranged about an axis of rotation, the first and the second bearing component being separated from one another during operation of the bearing by a bearing gap filled with a bearing fluid. The bearing gap has first and second open ends sealed by first and second sealing means. Along the bearing gap at least one fluid dynamic radial bearing and at least one fluid dynamic thrust bearing or alternatively at least one conical fluid dynamic bearing is arranged.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass jenseits des ersten Dichtungsmittels ein Luftspalt angeordnet ist, der so bemessen ist, dass er eine Strömungskonstante k aufweist, die zwischen 0,06·10–12 m3 <= k <= 1,62·10–12 m3 oder sogar zwischen 0,06·10–12 m3 <= k <= 8·10–12 m3 liegt.The invention is characterized in that, beyond the first sealing means, an air gap is arranged which is dimensioned such that it has a flow constant k which is between 0.06 × 10 -12 m 3 <= k <= 1.62 × 10 -12 m 3 or even between 0.06 × 10 -12 m 3 <= k <= 8 × 10 -12 m 3 .
Bei bisherigen Verfahren zum Befüllen des Lagerspaltes dieser fluiddynamischen Lager hat sich gezeigt, dass durch eine unkontrollierte Belüftung des Lagers während des Füllprozesses eine relativ große Menge an Luft in das Lager gelangen kann, was dann das Lager unbrauchbar macht und einen erneuten Füllprozess erfordert.In previous methods for filling the bearing gap of these fluid dynamic bearings has been shown that by uncontrolled ventilation of the bearing during the filling process, a relatively large amount of air can get into the camp, which then makes the camp unusable and requires a new filling process.
Erfindungsgemäß wird an dem Ende des Lagerspaltes, an welchem das Lagerfluid nicht eingebracht wird, eine kontrollierte Ventilationsöffnung in Form eines genau definierten Luftspaltes angeordnet.According to the invention, a controlled ventilation opening in the form of a precisely defined air gap is arranged at the end of the bearing gap at which the bearing fluid is not introduced.
Dieser Luftspalt ist Teil des Lagers und wird unmittelbar durch die Lagerbauteile gebildet und begrenzt.This air gap is part of the bearing and is formed and limited directly by the bearing components.
Die Breite und Länge des Luftspaltes ist so bemessen, dass die optimale Menge an Luft in den Bereich des Lagers, also in den Bereich des ersten Dichtungsmittels, fließen kann, während das Lager beim Befüllprozess belüftet wird und dadurch das Lagerfluid in das Lager eingebracht wird.The width and length of the air gap is dimensioned so that the optimum amount of air in the region of the bearing, ie in the region of the first sealant, flow, while the bearing is vented in the filling process and thereby the bearing fluid is introduced into the camp.
Die genau definierten Abmaße dieses Luftspaltes verhindert, dass unzulässig große Mengen an Luft in den Lagerspalt gelangen.The precisely defined dimensions of this air gap prevent inadmissibly large amounts of air from entering the bearing gap.
Ist dieser Luftspalt zu groß, gelangt zuviel Luft in den Lagerspalt, was das Lager unbrauchbar macht oder dessen Lebensdauer reduziert. Ist der Luftspalt zu klein, gelangt während des Befüllprozesses zu wenig Luft in den Dichtungsbereich, so dass zuviel Lagerfluid in den Dichtungsbereich gedrückt wird. Das dadurch im Lagerspalt fehlende Lagerfluid kann durch Luft ersetzt werden, welche die Betriebseigenschaften des Lagers einschränken kann.If this air gap is too large, too much air gets into the bearing gap, which makes the bearing unusable or reduces its service life. If the air gap is too small, too little air enters the sealing area during the filling process, so that too much bearing fluid is forced into the sealing area. The lack thereof in the bearing gap bearing fluid can be replaced by air, which can limit the operating characteristics of the camp.
Erfindungsgemäß ist beim Befüllprozess und bei der Belüftung des Lagers zum Einbringen des Lagerfluids die durch die Engstelle des Luftspaltes hindurch fließende Menge an Luft, also der Volumenstrom Q, von Bedeutung. Der Volumenstrom Q durch einen Spalt hängt ab von einer durch die Geometrie des Spaltes bestimmten Strömungskonstante k, der Viskosität η (von Luft) und der treibenden Druckdifferenz Δp:
Die Konstante k multipliziert mit dem Kehrwert der Viskosität η wird auch als sogenannte Strömungsleitfähigkeit σ = k·1/η bezeichnet, so dass gilt
Bei einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager ist dieser Luftspalt ringförmig und konzentrisch zur Drehachse des Lagers angeordnet. Diese ringförmige Form des Luftspaltes muss bei der Berechnung der Strömungsleitfähigkeit σ des Luftspaltes berücksichtigt werden.In a fluid dynamic bearing according to the invention, this air gap is arranged annularly and concentrically to the axis of rotation of the bearing. This annular shape of the air gap must be taken into account in the calculation of the flow conductivity σ of the air gap.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Luftspalt parallel zur Drehachse des drehbaren Lagerbauteils angeordnet ist, wobei der Luftspalt durch eine Spaltbreite d und eine Länge L definiert ist. Diese axial verlaufende Form des Luftspaltes kann insbesondere bei fluiddynamischen Lagern mit ausreichend großer Bauhöhe angewendet werden.In particular, it is provided that the air gap is arranged parallel to the axis of rotation of the rotatable bearing component, wherein the air gap is defined by a gap width d and a length L. This axially extending shape of the air gap can be used in particular in fluid dynamic bearings with sufficiently large height.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Luftspalt senkrecht oder schräg zur Drehachse des drehbaren Lagerbauteils angeordnet und weist ebenfalls eine Spaltbreite d und Länge L auf. Diese Anordnung bzw. Ausrichtung des Luftspaltes ist insbesondere auch für sehr flache fluiddynamische Lager geeignet, bei denen eine axiale Anordnung des Luftspaltes auf Grund mangelnder Bauhöhe nicht in Frage kommt.In another embodiment of the invention, the air gap is arranged perpendicular or oblique to the axis of rotation of the rotatable bearing component and also has a gap width d and length L. This arrangement or orientation of the air gap is particularly suitable for very flat fluid dynamic bearings in which an axial arrangement of the air gap due to lack of height is out of the question.
Natürlich lassen sich erfindungsgemäß auch beide Ausgestaltungen der Erfindung kombinieren und einen Luftspalt schaffen, der sowohl einen axial verlaufenden Abschnitt als auch einen radial verlaufenden Abschnitt aufweist. Derartige Mischformen des Luftspaltes sind ebenfalls denkbar.Of course, according to the invention, both embodiments of the invention can also be combined and create an air gap which has both an axially extending section and a radially extending section. Such mixed forms of the air gap are also conceivable.
Gleichung 1 zeigt die Berechnung des Volumenstroms Q für einen axial verlaufenden Luftspalt mit der Breite d = Ro – Ri und einer Länge L.
- Ri
- = Innerer Radius des Luftspalts
- Ro
- = Äußerer Radius des Luftspalts
- R i
- = Inner radius of the air gap
- R o
- = Outer radius of the air gap
Für den erfindungsgemäß definierten Wert von Q lässt sich bei gegebener Länge L die erforderliche Spaltbreite d bestimmen bzw. bei gegebener Spalt breite d die Länge L des Luftspalts bestimmen.For the value of Q defined according to the invention, the required gap width d can be determined for a given length L or, for a given gap width d, the length L of the air gap can be determined.
Die Gleichung 2 zeigt Berechnung des Volumenstroms Q für einen Luftspalt der radial sich erstreckt, also senkrecht zur Drehachse.
- Ri
- = Innerer Radius des Luftspalts (Länge L)
- Ro
- = Äußerer Radius des Luftspalts (Länge L)
- R i
- = Inner radius of the air gap (length L)
- R o
- = Outer radius of the air gap (length L)
Die Länge des Luftspaltes L ergibt sich aus dem Wert Ro – Ri und die Spaltbreite d des Luftspaltes wird durch den Abstand zwischen dem feststehenden Lagerbauteil bzw. dessen oberer Kante und einer Unterkante des Rotorbauteils bestimmt.The length of the air gap L results from the value R o - R i and the gap width d of the air gap is determined by the distance between the fixed bearing component or its upper edge and a lower edge of the rotor component.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.Preferred embodiments of the invention and further advantageous features are described in the following drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention
Die
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte
Das Rotorbauteil
An das untere Radiallager
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts
An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist das Rotorbauteil
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte
Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal
Erfindungsgemäß schließt sich an den ersten Dichtungsspalt
Die optimale Breite d und Länge L des Luftspalts
Aus
Die Breite d des Luftspaltes wird definiert durch einen inneren Radius Ri, der durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils
Bei dem in den
Unter Verwendung von Gleichung 1 und einer erfindungsgemäß vorgegebenen Strömungskonstante k, der Viskosität η von Luft und einer beim Befüllen typischen Druckdifferenz Δp zwischen den Enden des Lagerspalts berechnet sich die Spaltbreite d des Luftspaltes
Beträgt der Durchmesser Ri des Rotorbauteils
Im Bereich des Luftspaltes
Die
Auch hier handelt es sich um einen Spindelmotor zum Antrieb eines 2,5'' Festplattenlaufwerkes mit einer Bauhöhe von 7 mm. Der Spindelmotor umfasst unter anderem eine Basisplatte
Im Unterschied zu
Ein weiterer Unterschied ist eine T-förmige Welle
Die Länge L des axial verlaufenden Luftspaltes
Unter Verwendung von Gleichung 1 und einer erfindungsgemäß vorgegebenen Strömungskonstante k, der Viskosität η von Luft und einer beim Befüllen typischen Druckdifferenz Δp zwischen den Enden des Lagerspalts berechnet sich die Spaltbreite d des Luftspaltes
Bei einem vorgegebenen Radius des Rotorbauteils
Die
Durch die geringe Höhe des Spindelmotors wird insbesondere auch die axiale Länge des Dichtungsspaltes
Der innere Radius Ri dieses Lagers beträgt Ri = 3,235 mm und der äußere Radius Ro beträgt Ro = 3,282 mm.The inner radius R i of this bearing is R i = 3.235 mm and the outer radius R o is R o = 3.282 mm.
Dabei ergibt sich eine Spaltbreite des Luftspaltes
Durch diese Bauweise kann die Länge des Dichtungsspaltes
In diesem Falle gilt für die Berechung des Volumenstroms Q die Gleichung 2.In this case, the
Die Radien Ri und Ro bestimmen nun nicht mehr die Breite d sondern die Länge L des Luftspaltes
Der innere Radius Ri beträgt Ri = 3,395 mm und der äußere Radius Ro = 3,690 mm.The inner radius R i is R i = 3.395 mm and the outer radius R o = 3.690 mm.
Bei einer vorgegebenen Strömungskonstanten von k = 0,323·10–12 m3 ergibt sich aus Gleichung 2 für die Länge L des Luftspaltes
In diesem Falle muss beachtet werden, dass der Abstand d beim Befüllen des Lagers den vorgegeben Wert einnimmt. Das Lager weist ein axiales Spiel auf, so dass der Abstand d nur für eine bestimmte axiale Position des Lagers gilt. Beim Befüllen des Lagers muss also sichergestellt werden, dass ein reproduzierbarer Abstand d vorhanden ist.In this case, it must be noted that the distance d when filling the bearing assumes the specified value. The bearing has an axial play, so that the distance d applies only to a certain axial position of the bearing. When filling the bearing so it must be ensured that a reproducible distance d is present.
Der Luftspalt
In einem nächsten Schritt wird die Arbeitskammer über die Vakuumpumpe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 110, 21010, 110, 210
- Basisplattebaseplate
- 12, 11212, 112
- Wellewave
- 14, 114, 21414, 114, 214
- Rotorbauteilrotor component
- 14a, 114a, 214a14a, 114a, 214a
- BereichArea
- 16, 116, 21616, 116, 216
- Lagerbauteilbearing component
- 16a, 116a, 216a16a, 116a, 216a
- Randedge
- 18, 118, 21818, 118, 218
- Stopperbauteilstop member
- 2020
- Lagerspaltbearing gap
- 22a, 22b22a, 22b
- Radiallagerradial bearings
- 2424
- Separatorspaltseparator gap
- 26, 126, 22626, 126, 226
- Axiallagerthrust
- 28, 128, 22828, 128, 228
- Rezirkulationskanalrecirculation
- 30, 130, 23030, 130, 230
- Abdeckkappecap
- 3232
- zweiter Dichtungsspaltsecond sealing gap
- 3434
- erster Dichtungsspaltfirst sealing gap
- 36, 136, 23636, 136, 236
- Pumpdichtungpump seal
- 3838
- zweites Axiallagersecond thrust bearing
- 40, 14040, 140
- ferromagnetischer Ringferromagnetic ring
- 42, 142, 24242, 142, 242
- Statoranordnungstator
- 4444
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 4646
- Drehachseaxis of rotation
- 48, 14848, 148
- Luftspaltair gap
- 248, 348248, 348
- Luftspaltair gap
- 350350
- Haltevorrichtungholder
- 354354
- VentilValve
- 356356
- Vakuumpumpevacuum pump
- 357, 358357, 358
- Spaltgap
- dd
- Breite des LuftspaltsWidth of the air gap
- Ri R i
- Innerer Radius des LuftspaltsInner radius of the air gap
- Ro R o
- Äußerer Radius des LuftspaltsOuter radius of the air gap
- LL
- Länge des LuftspaltsLength of the air gap
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2010/0296190 A1 [0004] US 2010/0296190 A1 [0004]
- DE 102009020474 A1 [0006] DE 102009020474 A1 [0006]
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