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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Abstract

The system has a fixed bearing component (12), and a rotatable bearing component (14) separated from each other by a bearing gap (20). The bearing gap is filled with bearing fluid and provided with two open ends, which are sealed by two sealants (32, 34). Fluid-dynamic radial bearings (22a, 22b) and a fluid-dynamic thrust bearing (26) or a conical fluid-dynamic bearing are arranged along the bearing gap. An air gap (48) is on each side of one of the sealants and measured with a flow constant for which a preset value is applied. Independent claims are also included for the following: (1) a spindle motor comprising a fixed motor component and a fluid-dynamic bearing system (2) a hard disk drive comprising a storage disk.

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 US 2010/0296190 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit stehender Welle und Dichtungsspalten zur Abdichtung des Lagerspalts. Um ein Austreten von verdampftem Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt zu reduzieren wird vorgeschlagen, die Breite des Dichtungsspalts an seinem offenen Ende zu reduzieren. Dadurch wird der Lagerfluiddampf weitgehend im Dichtungsspalt zurück gehalten.The US 2010/0296190 A1 discloses a fluid dynamic bearing system with a standing shaft and sealing gaps for sealing the bearing gap. In order to reduce the escape of vaporized bearing fluid from the sealing gap, it is proposed to reduce the width of the sealing gap at its open end. As a result, the bearing fluid vapor is largely retained in the sealing gap.

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 DE 10 2009 020 474 A1 offenbart ein Verfahren zum Befüllen eines Fluidlagers mit einem beidseitig offenen Lagerspalt. Hierbei wird das zu befüllende Lager in eine abgeschlossene und evakuierbare Arbeitskammer eingebracht und innerhalb der Arbeitskammer auf einer Haltevorrichtung derart positioniert, dass das erste offene Ende des Lagerspalts in die Arbeitskammer mündet und das zweite offene Ende in einen gegenüber der Arbeitskammer separaten Hohlraum der Haltevorrichtung mündet. Der Druck in der Arbeitskammer wird auf einen Wert P1 eingestellt, wobei sich über den Lagerspalt des Lagers im separaten Hohlraum ein Druck P2 = P1 einstellt. Nun wird eine vorgegebene Menge des Schmiermittels in den Bereich des ersten offenen Endes des Lagerspalts durch eine Befüllvorrichtung eingebracht. Dann wird zumindest temporär eine Druckdifferenz zwischen der Arbeitskammer und dem separaten Hohlraum mit P2 < P1 erzeugt, wodurch sich das Schmiermittel ausgehend vom ersten offenen Ende im gesamten Lagerspalt verteilt.The DE 10 2009 020 474 A1 discloses a method for filling a fluid bearing with a bearing gap open on both sides. Here, the bearing to be filled is introduced into a closed and evakuierbare working chamber and positioned within the working chamber on a holding device such that the first open end of the bearing gap opens into the working chamber and the second open end opens into a separate chamber from the working chamber cavity of the holding device. The pressure in the working chamber is set to a value P1, whereby a pressure P2 = P1 adjusts itself over the bearing gap of the bearing in the separate cavity. Now, a predetermined amount of the lubricant is introduced into the region of the first open end of the bearing gap by a filling device. Then, at least temporarily, a pressure difference between the working chamber and the separate cavity with P2 <P1 is generated, whereby the lubricant is distributed from the first open end in the entire bearing gap.

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 claim 1.

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: Q = k· 1 / η·Δp According to the invention, during the filling process and during the ventilation of the bearing for introducing the bearing fluid, the amount of air flowing through the bottleneck of the air gap, that is to say the volume flow Q, is of importance. The volume flow Q through a gap depends on a flow constant k determined by the geometry of the gap, the viscosity η (of air) and the driving pressure difference Δp: Q = k · 1 / η · Δp

Die Konstante k multipliziert mit dem Kehrwert der Viskosität η wird auch als sogenannte Strömungsleitfähigkeit σ = k·1/η bezeichnet, so dass gilt Q = σ·Δp The constant k multiplied by the reciprocal of the viscosity η is also referred to as so-called flow conductivity σ = k · 1 / η, so that applies Q = σ · Δp

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.

Figure DE102013019911A1_0002

Ri
= Innerer Radius des Luftspalts
Ro
= Äußerer Radius des Luftspalts
Equation 1 shows the calculation of the volume flow Q for an axial air gap with the width d = R o - R i and a length L.
Figure DE102013019911A1_0002
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.

Figure DE102013019911A1_0003

Ri
= Innerer Radius des Luftspalts (Länge L)
Ro
= Äußerer Radius des Luftspalts (Länge L)
Equation 2 shows calculation of the volume flow Q for an air gap extending radially, ie perpendicular to the axis of rotation.
Figure DE102013019911A1_0003
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

1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers. 1 shows a section through a spindle motor with a first preferred embodiment of a bearing according to the invention.

1A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Lagers von 1 im Bereich des Luftspalts. 1A shows an enlarged section of the bearing of 1 in the area of the air gap.

2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers. 2 shows a section through a spindle motor with a second preferred embodiment of a bearing according to the invention.

2A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Lagers von 2 im Bereich des Luftspalts. 2A shows an enlarged section of the bearing of 2 in the area of the air gap.

3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers. 3 shows a section through a spindle motor with a third preferred embodiment of a bearing according to the invention.

3A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Lagers von 3 im Bereich des Luftspalts. 3A shows an enlarged section of the bearing of 3 in the area of the air gap.

3B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Lagers von 3 mit einer abgewandelten Anordnung und Form des Luftspalts. 3B shows an enlarged section of the bearing of 3 with a modified arrangement and shape of the air gap.

4 zeigt eine Vorrichtung zum Befüllen eines erfindungsgemäßen Lagers mit Lagerfluid. 4 shows a device for filling a bearing according to the invention with bearing fluid.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention

Die 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.The 1 shows a spindle motor with a fluid dynamic bearing according to the invention. Such a spindle motor can be used to drive disks of a hard disk drive.

Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein erstes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa becherförmig mit einem Rand 16a ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher die Welle 12 befestigt ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 12 ist ein Stopperbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise ringförmig und einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 16 und 18 bilden die feststehende Komponente des Spindelmotors. Das fluiddynamische Lager umfasst ein drehbares Rotorbauteil 14, das eine Lagerbohrung zur Aufnahme der Welle 12 aufweist und in einem durch die Welle 12 und die beiden Bauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das Stopperbauteil 18 ist in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 14 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, des Rotorbauteils 14 und der Bauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.The spindle motor comprises a base plate 10 having a substantially central cylindrical opening in which a first bearing member 16 is included. The first bearing component 16 is about cup-shaped with a border 16a formed and includes a central opening, in which the shaft 12 is attached. At the free end of the fixed shaft 12 is a stopper component 18 arranged, preferably annular and integral with the shaft 12 is trained. The named components 10 . 12 . 16 and 18 form the fixed component of the spindle motor. The fluid dynamic bearing comprises a rotatable rotor component 14 , which has a bearing bore for receiving the shaft 12 and in one through the shaft 12 and the two components 16 . 18 formed intermediate space is rotatably arranged relative to these components. The stopper component 18 is in an annular recess of the rotor component 14 arranged. Adjacent surfaces of the shaft 12 , the rotor component 14 and the components 16 . 18 are by a bearing gap open on both sides 20 separated from each other, which is filled with a bearing fluid, such as a bearing oil.

Das Rotorbauteil 14 hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Lagerflächen ausbildet sind, welche durch einen dazwischen umlaufenden Separatorspalt 24 mit gegenüber dem Lagerspalt 20 vergrößerter Spaltbreite getrennt sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und sind mit geeigneten Lagerrillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22a und 22b ausbilden.The rotor component 14 has a cylindrical bearing bore, on whose inner circumference two cylindrical bearing surfaces are formed, which by a circulating separator gap between them 24 with opposite the bearing gap 20 enlarged gap width are separated. These storage areas enclose the standing wave 12 at a distance of a few microns to form an axially extending portion of the bearing gap 20 and are provided with suitable Lagerrillenstrukturen so that they with the respective opposite bearing surfaces of the shaft 12 two fluid dynamic radial bearings 22a and 22b form.

An das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen des Rotorbauteils 14 und entsprechend gegenüberliegende Lagerflächen des feststehenden Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 mit Lagerflächen in Form von zur Drehachse 46 senkrechten Kreisringen. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite des Rotorbauteils 14, dem ersten Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze untere Stirnfläche des Rotorbauteils 14, also von inneren Rand bis zum äußeren Rand. Dadurch ergibt sich im Betrieb eine definierte Druckverteilung im gesamten Axiallagerspalt und Unterdruckzonen werden vermieden, da der Fluiddruck von einer radial äußeren zu einer radial inneren Position des Axiallagers kontinuierlich zunimmt. In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b und das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen am Rotorbauteil 14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht.To the lower radial bearing 22b closes a radially extending portion of the bearing gap 20 on, by radially extending bearing surfaces of the rotor component 14 and corresponding opposite bearing surfaces of the fixed bearing component 16 is formed. These bearing surfaces form a fluid dynamic thrust bearing 26 with bearing surfaces in the form of to the axis of rotation 46 vertical circle rings. The fluid dynamic thrust bearing 26 is characterized in a known manner by spiral bearing groove structures, either on the front side of the rotor component 14 , the first bearing component 16 or both parts can be attached. The groove structures of the thrust bearing 26 preferably extend over the entire lower end face of the rotor component 14 that is, from the inner edge to the outer edge. This results in operation in a defined pressure distribution in the entire thrust bearing gap and vacuum zones are avoided because the fluid pressure increases continuously from a radially outer to a radially inner position of the thrust bearing. Advantageously, all are for the radial bearings 22a . 22b and the thrust bearing 26 necessary bearing groove structures on the rotor component 14 arranged what the production of the bearing, in particular the shaft 12 and the bearing component 16 simplified.

An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 26 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster Dichtungsspalt 34 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils 14 und des Randes 16a des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt ist und diese Seite des Lagerspalts 20 abdichtet. Der erste Dichtungsspalt 34 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 20 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 und einer äußeren Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 34 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. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 34 bildenden Flächen am Rotorbauteil 14 und dem feststehenden Lagerbauteil 16 können jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.At the radial portion of the bearing gap 20 in the area of the thrust bearing 26 closes a proportionately filled with bearing fluid first sealing gap 34 on, by opposing surfaces of the rotor component 14 and the edge 16a of the fixed bearing component 16 is limited and this side of the storage gap 20 seals. The first sealing gap 34 includes one opposite the bearing gap 20 widened radially extending portion that merges into a conically opening nearly axially extending portion of an inner peripheral surface of the rotor member 14 and an outer peripheral surface of the fixed bearing member 16 is limited. In addition to the function as a capillary seal, the sealing gap is used 34 as a fluid reservoir and provides the required for the life of the storage system fluid amount. Furthermore, filling tolerances and a possible thermal expansion of the bearing fluid can be compensated. The two of the conical section of the sealing gap 34 forming surfaces on the rotor component 14 and the fixed bearing component 16 can each relative to the axis of rotation 46 to be inclined inwards. As a result, the bearing fluid in a rotation of the bearing due to the centrifugal force inward in the direction of the bearing gap 20 pressed.

An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist das Rotorbauteil 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 32 an, der durch einander gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils 14 und des Stopperbauteils 18 begrenzt ist und das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Entlang des zweiten Dichtungsspalts 32 ist vorzugsweise eine durch entsprechende Rillenstrukturen gekennzeichnete Pumpdichtung 36 angeordnet, wobei sich der zweite Dichtungsspalt 32 sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt aufweitet. Der zweite Dichtungsspalt 32 ist vorzugsweise von einer ringförmigen Abdeckkappe 30 abgedeckt, die auf dem Rotorbauteil 14 befestigt ist. Der innere Rand der Abdeckkappe 30 bildet zusammen mit dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung aus. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32.On the other side of the fluid bearing system is the rotor component 14 following the upper radial bearing 22a designed so that it forms a radial extending surface, which with a corresponding opposite surface of the stopper member 18 forms a radial gap. At the radial gap, an axially extending second sealing gap closes 32 on, by opposing surfaces of the rotor component 14 and the stopper member 18 is limited and the fluid bearing system terminates at this end. Along the second sealing gap 32 is preferably a pump seal characterized by corresponding groove structures 36 arranged, wherein the second sealing gap 32 widens at the outer end with preferably conical cross-section. The second sealing gap 32 is preferably of an annular cap 30 covered on the rotor component 14 is attached. The inner edge of the cap 30 forms together with the outer circumference of the shaft 12 a gap seal. This increases the safety against leakage of bearing fluid from the seal gap 32 ,

Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche eines äußeren Randes des Rotorbauteils 14 angeordnet ist.The electromagnetic drive system of the spindle motor is formed in a known manner by a on the base plate 10 arranged stator arrangement 42 and a ring-shaped permanent magnet surrounding the stator assembly at a distance 44 at an inner circumferential surface of an outer edge of the rotor component 14 is arranged.

Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 26 aufweist, das eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 18 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann die Basisplatte 10 einen ferromagnetischen Ring 40 aufweisen, 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 der Rotormagnet 44 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die ebenfalls entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen dem Stopperbauteil 18 und dem Rotorbauteil 14 entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 ein zweites Axiallager 38 mit spiralförmigen Lagerrillen vorgesehen werden, das dem Axiallager 26 entgegenwirkt.Since the spindle motor only a fluid dynamic thrust bearing 26 having a force in the direction of the stopper member 18 generated, a corresponding counterforce or biasing force must be provided on the movable bearing part, which holds the bearing system axially in balance. For this, the base plate 10 a ferromagnetic ring 40 have, the rotor magnet 44 axially opposite and is magnetically attracted by this. This magnetic attraction acts against the force of the thrust bearing 26 and keeps the bearing axially stable. Alternatively or in addition to this solution, the stator assembly 42 and the rotor magnet 44 axially offset from each other, in such a way that the rotor magnet 44 axially further away from the base plate 10 is arranged as the stator assembly 42 , As a result, an axial force is built up by the magnet system of the motor, which also opposite to the thrust bearing 26 acts. Alternatively or additionally, between the stopper member 18 and the rotor component 14 along a radially extending portion of the bearing gap 20 a second thrust bearing 38 be provided with spiral bearing grooves, the thrust bearing 26 counteracts.

Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 28 ist ebenfalls mit Lagerfluid gefüllt und verbindet entfernt voneinander liegende Abschnitt des Lagerspalts 20 direkt miteinander.In order to ensure a continuous flushing of the storage system with bearing fluid, in a known manner, a recirculation channel 28 intended. The recirculation channel 28 is also filled with bearing fluid and connects remote section of the bearing gap 20 directly with each other.

Erfindungsgemäß schließt sich an den ersten Dichtungsspalt 34 unmittelbar ein Luftspalt 48 an, der durch radial gegenüberliegende Flächen 14a des Rotorbauteils 14 und des Randes 16a des feststehenden Lagerbauteils 16 gebildet wird. Das Rotorbauteil 14 besitzt im Bereich des Luftspalts 48 an ihrem Außendurchmesser oberhalb des ersten Dichtungsspaltes 34 einen Bereich 14a mit vergrößertem Außendurchmesser, der bewirkt, dass die Breite des Luftspalts 48 deutlich kleiner ist, als die Breite des ersten Dichtungsspaltes 34. Beispielsweise beträgt die Breite des ersten Dichtungsspaltes 34 an seiner schmalsten Stelle typischerweise 0,08 bis 0,15 mm und erweitert sich auf einer axialen Länge von ungefähr 2,5 bis 3 mm bis auf etwa 0,18 bis 0,25 mm auf. Die Breite des Luftspalts 48 ist deutlich kleiner als die kleinste Breite des Dichtungsspalts 34.According to the invention closes at the first sealing gap 34 immediately an air gap 48 on, by radially opposed surfaces 14a of the rotor component 14 and the edge 16a of the fixed bearing component 16 is formed. The rotor component 14 owns in the area of the air gap 48 at its outer diameter above the first sealing gap 34 an area 14a with increased outside diameter, which causes the width of the air gap 48 is significantly smaller than the width of the first sealing gap 34 , For example, the width of the first sealing gap 34 typically 0.08 to 0.15 mm at its narrowest point, expanding to about 0.18 to 0.25 mm over an axial length of about 2.5 to 3 mm. The width of the air gap 48 is significantly smaller than the smallest width of the sealing gap 34 ,

Die optimale Breite d und Länge L des Luftspalts 48 können aus der erfindungsgemäß definierten Strömungsleitfähigkeit σ und der angelegten Druckdifferenz Δp zwischen den beiden offenen Enden des Lagerspalts 20 bestimmt werden. Dieser optimale Wert der Strömungsleitfähigkeit σ wurde durch Simulationen und/oder praktische Versuche bestimmt.The optimal width d and length L of the air gap 48 can from the flow conductivity defined according to the invention σ and the applied pressure difference Ap between the two open ends of the bearing gap 20 be determined. This optimum value of the flow conductivity σ was determined by simulations and / or practical experiments.

Aus 1A lassen sich die benötigten Größen des Luftspaltes 48 und der Lagerbauteile deutlicher entnehmen.Out 1A can be the required sizes of the air gap 48 and remove the bearing components more clearly.

Die Breite d des Luftspaltes wird definiert durch einen inneren Radius Ri, der durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 bestimmt ist, und einen äußeren Radius Ro, der durch eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 bestimmt ist. Die Länge L des Luftspaltes 48 wird je nach Platzverhältnissen im Lager vorgegeben.The width d of the air gap is defined by an inner radius R i passing through an outer peripheral surface of the rotor component 14 is determined, and an outer radius R o , by an inner peripheral surface of the fixed bearing member 16 is determined. The length L of the air gap 48 is specified depending on space in the warehouse.

Bei dem in den 1 und 1A dargestellten Spindelmotor handelt es sich um einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem zum Antrieb eines 2,5'' Festplattenlaufwerkes mit einer Bauhöhe von mehr als 10 mm. Da hier eine relativ große Bauhöhe vorhanden ist, kann die Länge L des Spaltes relativ groß gewählt werden, beispielsweise L = 1,77 mm. In the in the 1 and 1A Spindle motor shown is a spindle motor with fluid dynamic storage system for driving a 2.5 '' hard disk drive with a height of more than 10 mm. Since a relatively large overall height is present here, the length L of the gap can be chosen to be relatively large, for example L = 1.77 mm.

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 48 zu 70 Mikrometer.Using equation 1 and a flow constant k according to the invention, the viscosity η of air and a pressure difference Δp between the ends of the bearing gap which is typical during filling, the gap width d of the air gap is calculated 48 to 70 microns.

Beträgt der Durchmesser Ri des Rotorbauteils 14 beispielsweise 3,055 mm, so muss der Durchmesser Ro des Lagerbauteils 16 zu Ro = 3,125 mm gewählt werden.Is the diameter R i of the rotor component 14 For example, 3.055 mm, so the diameter R o of the bearing component 16 to R o = 3.125 mm.

Im Bereich des Luftspaltes 48 kann beispielsweise an der Fläche 14a des Rotorbauteils 14 eine umlaufende Nut oder Aussparung vorhanden sein, welche dazu dient, eventuell aus dem Dichtungsspalt 34 in den Luftspalt 48 austretendes Lagerfluid aufzunehmen und im Lager festzuhalten. Diese Nut oder Aussparung dient als zusätzliche Sicherung gegen Austreten von Lagerfluid aus dem Lager.In the area of the air gap 48 for example, on the surface 14a of the rotor component 14 a circumferential groove or recess may be present, which serves, possibly from the sealing gap 34 in the air gap 48 Pick up leaking bearing fluid and hold in the camp. This groove or recess serves as an additional safeguard against leakage of bearing fluid from the camp.

Die 2 und 2A zeigen einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager in einer ähnlichen Bauform wie 1, wobei gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit denselben Funktionen mit denselben Bezugszeichen versehen sind.The 2 and 2A show a spindle motor with fluid dynamic bearing in a similar design as 1 , wherein the same components or components with the same functions are provided with the same reference numerals.

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 110, eine Welle 112, ein Rotorbauteil 114, ein Lagerbauteil 116, ein Stopperbauteil 118, ein Axiallager 126 und einen Rezirkulationskanal 128.Again, it is a spindle motor for driving a 2.5 '' hard disk drive with a height of 7 mm. The spindle motor includes, among other things, a base plate 110 , a wave 112 , a rotor component 114 , a bearing component 116 , a stopper component 118 , a thrust bearing 126 and a recirculation channel 128 ,

Im Unterschied zu 1 ist das fluiddynamische Lager von 2 wesentlich flacher aufgebaut und besitzt nur etwa die halbe Bauhöhe, wobei aber die Länge des Dichtungsspaltes 34 im Wesentlichen beibehalten wird, aber die Länge L des Luftspaltes 148 gegenüber 1 verkürzt ist.In contrast to 1 is the fluid dynamic bearing of 2 built much flatter and has only about half the height, but the length of the sealing gap 34 is maintained substantially, but the length L of the air gap 148 across from 1 is shortened.

Ein weiterer Unterschied ist eine T-förmige Welle 112, die am unteren Ende einen senkrechten und flachen Flansch aufweist, welcher in einem hülsenförmigen festen Lagerbauteil 116 befestigt ist, vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung. Diese Verbindung der Welle 112 mit dem Lagerbauteil 116 erhöht die Festigkeit der Verbindung und die Steifigkeit des Lagersystems. Ferner ist durch diese Bauweise eine leichtere Bearbeitung der Lagerflächen auf der Welle 112 bzw. der Axiallagerflächen, die durch den T-förmigen Fortsatz der Welle 112 gebildet sind, möglich.Another difference is a T-shaped shaft 112 , which has at the lower end a vertical and flat flange, which in a sleeve-shaped fixed bearing component 116 is fixed, preferably by means of a welded connection. This connection of the wave 112 with the bearing component 116 increases the strength of the connection and the rigidity of the storage system. Furthermore, this design allows easier machining of the bearing surfaces on the shaft 112 or the thrust bearing surfaces passing through the T-shaped extension of the shaft 112 are formed, possible.

Die Länge L des axial verlaufenden Luftspaltes 148 wird bestimmt durch die Platzverhältnisse im Lager. Damit ein ausreichend großer Dichtungsspalt 34 und auch Dichtungsvolumen vorgesehen werden kann, wird beispielsweise als Länge L = 1,14 mm gewählt.The length L of the axially extending air gap 148 is determined by the space available in the warehouse. So that a sufficiently large sealing gap 34 and sealing volume can be provided, for example, is selected as the length L = 1.14 mm.

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 48 zu 60 Mikrometer.Using equation 1 and a flow constant k according to the invention, the viscosity η of air and a pressure difference Δp between the ends of the bearing gap which is typical during filling, the gap width d of the air gap is calculated 48 to 60 microns.

Bei einem vorgegebenen Radius des Rotorbauteils 114 von Ri = 3,225 mm muss für den Radius Ro des Lagerbauteils 116 ein Wert von Ro = 3,285 mm gewählt werden.For a given radius of the rotor component 114 of R i = 3,225 mm must be for the radius R o of the bearing component 116 a value of R o = 3.285 mm can be selected.

Die 3 und 3A zeigen eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Dieses Lagersystem bzw. der Spindelmotor entspricht in seiner Bauweise dem Spindelmotor von 2, ist jedoch in seiner Höhe um weitere 2 mm auf nun 5 mm reduziert. Der Spindelmotor umfasst unter anderem eine Basisplatte 210, eine Welle 212, ein Rotorbauteil 214, ein Lagerbauteil 216, ein Stopperbauteil 218, ein Axiallager 226 und einen Rezirkulationskanal 228.The 3 and 3A show a further embodiment of the invention. This bearing system or the spindle motor corresponds in its construction to the spindle motor of 2 , but is reduced in height by another 2 mm to 5 mm. The spindle motor includes, among other things, a base plate 210 , a wave 212 , a rotor component 214 , a bearing component 216 , a stopper component 218 , a thrust bearing 226 and a recirculation channel 228 ,

Durch die geringe Höhe des Spindelmotors wird insbesondere auch die axiale Länge des Dichtungsspaltes 34 als auch in starker Maße die axiale Länge L des Luftspaltes 248 reduziert, der in dieser Ausführung eine Länge von lediglich noch 0,56 mm aufweist.Due to the small height of the spindle motor in particular, the axial length of the sealing gap 34 as well as to a large extent the axial length L of the air gap 248 reduced, which in this embodiment has a length of only 0.56 mm.

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 248 von d = 47 Mikrometern. Mit diesen Maßen wird unter Verwendung von Gleichung 1 die erfindungsgemäß erforderliche Strömungsleitfähigkeit dieses Luftspaltes 248 erreicht. This results in a gap width of the air gap 248 of d = 47 microns. With these dimensions, using equation 1, the flow conductivity of this air gap required according to the invention is obtained 248 reached.

3B zeigt eine alternative Ausgestaltung des Lagers von 3, bei der Luftspalt 348 nicht in axialer Richtung, sondern in radialer Richtung angeordnet ist. 3B shows an alternative embodiment of the bearing of 3 , at the air gap 348 is not arranged in the axial direction, but in the radial direction.

Durch diese Bauweise kann die Länge des Dichtungsspaltes 34 vergrößert werden, da der Luftspalt 348 nun nicht in Verlängerung des Dichtungsspaltes 34, sondern senkrecht dazu angeordnet ist.By this construction, the length of the sealing gap 34 be enlarged, since the air gap 348 now not in extension of the sealing gap 34 but is arranged perpendicular thereto.

In diesem Falle gilt für die Berechung des Volumenstroms Q die Gleichung 2.In this case, the equation 2 applies to the calculation of the volume flow Q.

Die Radien Ri und Ro bestimmen nun nicht mehr die Breite d sondern die Länge L des Luftspaltes 248, während der Abstand d durch den Abstand des feststehenden Lagerbauteils 216 zum Rotorbauteil 214 bestimmt ist.The radii R i and R o no longer determine the width d but the length L of the air gap 248 , while the distance d by the distance of the fixed bearing component 216 to the rotor component 214 is determined.

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 348 ein Wert von L = 0,295 mm und eine optimale Spaltbreite d des Luftspaltes 348 von 37 Mikrometern.For a given flow constant of k = 0.323 · 10 -12 m 3 , equation 2 yields the length L of the air gap 348 a value of L = 0.295 mm and an optimum gap width d of the air gap 348 of 37 microns.

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 48, 148, 248, 348 bietet jedoch noch andere Vorteile. Durch dessen geringe Breite und den axialen Verlauf entstehen in dem Luftspalt 48, 148, 248, 348 nur sehr geringe Fliehkräfte, die auf den im ersten Dichtungsspalt 34 befindlichen Fluiddampf wirken können. Dadurch wird erreicht, dass das verdampfte Lagerfluid nur sehr langsam durch den Luftspalt 48, 148, 248, 348 entweichen (diffundieren) kann. Stattdessen sammelt sich der Fluiddampf im Bereich des ersten Dichtungsspaltes 34. Durch die hohe Konzentration an Fluiddampf im Dichtungsspalt 34 oberhalb der Oberfläche des Lagerfluids verlangsamt sich zusätzlich die Verdampfungsrate durch den eintretenden Sättigungseffekt. Der verringerte Verlust von Lagerfluid wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer des Lagers aus.The air gap 48 . 148 . 248 . 348 but offers other benefits. Due to its small width and the axial course arise in the air gap 48 . 148 . 248 . 348 only very low centrifugal forces acting on the first sealing gap 34 can act fluid vapor. This ensures that the evaporated bearing fluid only very slowly through the air gap 48 . 148 . 248 . 348 can escape (diffuse). Instead, the fluid vapor collects in the region of the first sealing gap 34 , Due to the high concentration of fluid vapor in the sealing gap 34 Above the surface of the bearing fluid, the evaporation rate is additionally slowed down by the incoming saturation effect. The reduced loss of bearing fluid has a beneficial effect on the life of the bearing.

4 zeigt eine Vorrichtung zum Befüllen eines erfindungsgemäßen, fluiddynamischen Lagers mit einem Lagerfluid. Das zu befüllende Lagersystem wird dazu in eine Arbeitskammer eingebracht, die durch ein das Lagersystem umgebende Rechteck angedeutet ist, wobei die Arbeitskammer hermetisch verschlossen wird. In der Arbeitskammer ist eine Haltevorrichtung 350 angeordnet, die einen zylindrischen Abschnitt aufweist. Der Durchmesser und die Breite des zylindrischen Abschnitts sind gerade so groß, dass die Nabe 216 mit dem topfförmige Rand 216a mit ihrer unteren Ausnehmung über den zylindrischen Abschnitt gestülpt werden kann. Der zylindrische Abschnitt ist so bemessen, dass sich im Beispiel zwischen den gegenüberliegenden Obenlächen des Randes 216a und der Oberseite, beziehungsweise dem Innenumfang, des zylindrischen Abschnitts jeweils ein ringförmiger Spalt bildet. Diese beiden Spalte 357, 358 verbinden das bei dem ersten Dichtungsspalt 34 liegende offene Ende des Lagerspaltes mit der Arbeitskammer. Wichtig ist, dass der die Kapillardichtung des ersten Dichtungsspaltes 34 nicht hermetisch gegenüber dem Volumen der Arbeitskammer abgedichtet ist. Eine weitere Verbindung zwischen dem Volumen der Arbeitskammer und dem Hohlraum des ersten Dichtungsspaltes 34 besteht über den Lagerspalt 20 des Lagers. 4 shows a device for filling a fluid dynamic bearing according to the invention with a bearing fluid. The storage system to be filled is introduced into a working chamber, which is indicated by a rectangle surrounding the storage system, wherein the working chamber is hermetically sealed. In the working chamber is a holding device 350 arranged, which has a cylindrical portion. The diameter and width of the cylindrical section are just so great that the hub 216 with the cup-shaped edge 216a can be slipped over the cylindrical portion with its lower recess. The cylindrical section is dimensioned so that in the example between the opposite upper surfaces of the edge 216a and the top, or the inner circumference, of the cylindrical portion forms an annular gap in each case. These two columns 357 . 358 connect this at the first sealing gap 34 lying open end of the bearing gap with the working chamber. It is important that the capillary seal of the first sealing gap 34 is not hermetically sealed from the volume of the working chamber. Another connection between the volume of the working chamber and the cavity of the first sealing gap 34 exists over the bearing gap 20 of the camp.

In einem nächsten Schritt wird die Arbeitskammer über die Vakuumpumpe 356 evakuiert und auf einen Druck P1, beispielsweise 10 Millibar, gebracht. In einem nächsten Schritt wird mittels einer nicht gezeigten Befüllvorrichtung beispielsweise eine vorgegebene Menge an Lagerfluid als umlaufender Fluidring im Bereich des zweiten Dichtungsspaltes 32 auf das Lager aufgebracht, so dass der Fluidring den offenen Dichtungsspalt 32 vollständig benetzt und verschliesst. Ist das Lagerfluid im Bereich des zweiten Dichtungsspalts 32 aufgetragen, so wird die Arbeitskammer schlagartig entlüftet und vorzugsweise auf Umgebungsdruck gebracht, wobei P1 dann dem Atmosphärendruck entspricht. Dies kann mittels eines Ventils 354 erfolgen. In dem Hohlraum im Bereich des Dichtungsspalts 34 stellt sich jedoch nicht sofort derselbe Druck ein, wie in der Arbeitskammer, denn es ist über die Spalte 357 und 358 nur ein sehr geringer Strömungsquerschnitt vorhanden, um einen Druckausgleich zu ermöglichen. Dadurch herrscht in diesem Hohlraum immer noch Unterdruck P2, während in der Arbeitskammer ein höherer Druck P1 herrscht. Folglich wird das Lagerfluid durch den höheren Druck über den ersten Dichtungsspalt 32 in den Lagerspalt 20 hineingedrückt und verteilt sich im Lagerspalt gleichmässig bis hinein in den ersten Dichtungsspalt 34. Gleichzeitig erfolgt über die engen Spalte 357 und 358 langsam ein Druckausgleich zwischen der Arbeitskammer und dem Hohlraum im Bereich des ersten Dichtungsspalts 34. Der Befüllvorgang ist beendet, sobald der Druck P2 dem Druck P1 entspricht. Die Zeitdauer für den Druckausgleich zwischen der Arbeitskammer und dem Hohlraum 114 kann durch die Abmessungen der Spalte 357 und 358 bestimmt und variiert werden. Je nach Spaltbreite und dem zu befüllenden Volumen des Lagerspaltes mit Lagerfluid muss der Druckausgleich entweder schneller oder langsamer erfolgen.In a next step, the working chamber via the vacuum pump 356 evacuated and brought to a pressure P1, for example, 10 millibars. In a next step, by means of a filling device, not shown, for example, a predetermined amount of bearing fluid as a circumferential fluid ring in the region of the second sealing gap 32 applied to the bearing, so that the fluid ring the open sealing gap 32 completely wetted and closed. Is the bearing fluid in the region of the second sealing gap 32 applied, the working chamber is suddenly vented and preferably brought to ambient pressure, wherein P1 then corresponds to the atmospheric pressure. This can be done by means of a valve 354 respectively. In the cavity in the region of the sealing gap 34 However, it does not immediately set the same pressure as in the working chamber, because it is over the gap 357 and 358 only a very small flow cross-section available to allow pressure equalization. As a result, vacuum P2 still prevails in this cavity, while in the working chamber a higher pressure P1 prevails. As a result, the bearing fluid becomes higher pressure over the first seal gap 32 in the storage gap 20 pushed in and distributed in the bearing gap evenly into the first sealing gap 34 , At the same time takes place over the narrow column 357 and 358 slowly a pressure equalization between the working chamber and the cavity in the region of the first sealing gap 34 , The filling process is completed as soon as the pressure P2 corresponds to the pressure P1. The duration of pressure equalization between the working chamber and the cavity 114 can by the dimensions of the column 357 and 358 be determined and varied. Depending on the gap width and the volume of the bearing gap to be filled with bearing fluid, the pressure equalization must be either faster or slower.

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]

Claims (7)

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit einem feststehenden Lagerbauteil (12, 112; 16, 116; 18) und einem um einer Drehachse (46) drehbar angeordneten Lagerbauteil (14), wobei das feststehende und drehbare Lagerbauteil im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (20) voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt (20) ein erstes und ein zweites offenes Ende aufweist, die durch ein erstes (34) und ein zweites Dichtungsmittel (32) abgedichtet sind, und wobei entlang des Lagerspalts (20) mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (22a, 22b) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (26) oder alternativ mindestens ein konisches fluiddynamisches Lager angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jenseits des ersten Dichtungsmittels (34) ein Luftspalt (48; 148; 248; 348) angeordnet ist, der so bemessen ist, dass er eine Strömungskonstante k aufweist, für die gilt: 0,06·10–12 m3 <= k <= 1,62·10–12 m3.Fluid dynamic bearing system, in particular for the rotary mounting of a spindle motor, with a stationary bearing component ( 12 . 112 ; 16 . 116 ; 18 ) and one about a rotation axis ( 46 ) rotatably arranged bearing component ( 14 ), wherein the fixed and rotatable bearing component during operation of the bearing by a bearing fluid filled with a bearing gap ( 20 ) are separated from each other, wherein the bearing gap ( 20 ) has a first and a second open end, which is defined by a first ( 34 ) and a second sealant ( 32 ) and along the storage gap ( 20 ) at least one fluid dynamic radial bearing ( 22a . 22b ) and at least one fluid dynamic thrust bearing ( 26 ) or alternatively at least one conical fluid-dynamic bearing is arranged, characterized in that beyond the first sealing means ( 34 ) an air gap ( 48 ; 148 ; 248 ; 348 ) which is dimensioned to have a flow constant k for which: 0.06 x 10 -12 m 3 <= k <= 1.62 x 10 -12 m 3 . Fluiddynamisches Lager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit einem feststehenden Lagerbauteil (12, 112; 16, 116; 18) und einem um einer Drehachse (46) drehbar angeordneten Lagerbauteil (14), wobei das feststehende und drehbare Lagerbauteil im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (20) voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt (20) ein erstes und ein zweites offenes Ende aufweist, die durch ein erstes (34) und ein zweites Dichtungsmittel (32) abgedichtet sind, und wobei entlang des Lagerspalts (20) mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (22a, 22b) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (26) oder alternativ mindestens ein konisches fluiddynamisches Lager angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jenseits des ersten Dichtungsmittels (34) ein Luftspalt (48; 148; 248; 348) angeordnet ist, der so bemessen ist, dass er eine Strömungskonstante k aufweist, für die gilt: 0,06·10–12 m3 <= k <= 8·10–12 m3.Fluid dynamic bearing, in particular for the rotary mounting of a spindle motor, with a stationary bearing component ( 12 . 112 ; 16 . 116 ; 18 ) and one about a rotation axis ( 46 ) rotatably arranged bearing component ( 14 ), wherein the fixed and rotatable bearing component during operation of the bearing by a bearing fluid filled with a bearing gap ( 20 ) are separated from each other, wherein the bearing gap ( 20 ) has a first and a second open end, which is defined by a first ( 34 ) and a second sealant ( 32 ) and along the storage gap ( 20 ) at least one fluid dynamic radial bearing ( 22a . 22b ) and at least one fluid dynamic thrust bearing ( 26 ) or alternatively at least one conical fluid-dynamic bearing is arranged, characterized in that beyond the first sealing means ( 34 ) an air gap ( 48 ; 148 ; 248 ; 348 ), which is dimensioned to have a flow constant k, for which: 0.06 × 10 -12 m 3 <= k <= 8 × 10 -12 m 3 . Fluiddynamisches Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (48; 148; 248; 348) ringförmig ist und konzentrisch zur Drehachse (46) angeordnet ist.Fluid dynamic bearing according to claim 1 or 2, characterized in that the air gap ( 48 ; 148 ; 248 ; 348 ) is annular and concentric with the axis of rotation ( 46 ) is arranged. Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (48; 148; 248) parallel zur Drehachse (46) des Lagers angeordnet ist und eine Spaltbreite d und eine Länge L aufweist.Fluid dynamic bearing according to one of claims 1 to 3, characterized in that the air gap ( 48 ; 148 ; 248 ) parallel to the axis of rotation ( 46 ) of the bearing is arranged and has a gap width d and a length L. Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (348) senkrecht oder schräg zur Drehachse (46) des Lagers angeordnet ist und eine Spaltbreite d und eine Länge L aufweist.Fluid dynamic bearing according to one of claims 1 to 3, characterized in that the air gap ( 348 ) perpendicular or oblique to the axis of rotation ( 46 ) of the bearing is arranged and has a gap width d and a length L. Spindelmotor mit einem feststehenden Motorbauteil (10, 12, 112, 16, 116, 18) und einen mittels eines fluiddynamischen Lagersystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 drehbar gelagerten Motorbauteil (14), und einem elektromagnetischen Antriebssystem (42; 44) zum Antrieb des drehbaren Motorbauteils.Spindle motor with a fixed motor component ( 10 . 12 . 112 . 16 . 116 . 18 ) and a means of a fluid dynamic bearing system according to any one of claims 1 to 5 rotatably mounted engine component ( 14 ), and an electromagnetic drive system ( 42 ; 44 ) for driving the rotatable engine component. Festplattenlaufwerk, das von einem Spindelmotor gemäß Anspruch 6 angetrieben ist, und mindestens eine Speicherplatte und mindestens eine Lese-Schreibeinrichtung zum Lesen und Schreiben von Daten von und auf die Speicherplatte aufweist.A hard disk drive driven by a spindle motor according to claim 6 and comprising at least one storage disk and at least one read-write device for reading and writing data from and to the storage disk.
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