DE102013020131A1

DE102013020131A1 - Verfahren zur praktischen Bestimmung der Abhebe-Drehzahl eines fluiddynamischen Lagers

Info

Publication number: DE102013020131A1
Application number: DE102013020131.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Bauer
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur praktischen Bestimmung der Abhebe-Drehzahl nA eines fluiddynamischen Lagers, wobei das fluiddynamische Lager mit Hilfe eines elektronisch geregelten elektromotorischen Antriebs in Rotation versetzt wird. Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf Vorgeben einer Soll-Drehzahl nsoll für den elektromotorischen Antrieb, die oberhalb der erwarteten Abhebe-Drehzahl liegt, stufenweise Verringern oder Erhöhen der Soll-Drehzahl nsoll um einen bestimmten Betrag |Δn|, – Messen der Zeit t bis Erreichen einer stabilen Ist-Drehzahl, und/oder Messen von Drehzahlschwankungen der aktuellen Ist-Drehzahl und/oder Messen der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs – nach jeder Änderung der Soll-Drehzahl nsoll, Ermitteln der Abhebe-Drehzahl des fluiddynamischen Lagers unter Verwendung der aktuellen Ist-Drehzahl nist und Auswertung von mindestens einer der gemessenen Größen: der Zeit t und/oder den Drehzahlschwankungen der Ist-Drehzahl nist und/oder der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur praktischen Bestimmung der Abhebe-Drehzahl eines fluiddynamischen Lagers, insbesondere eines fluiddynamischen Lagers zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
Unter Abhebe-Drehzahl wird beispielsweise die Drehzahl des Lagers verstanden, bei der die Lagerflächen gerade keine kontinuierliche Festkörperberührung mehr haben und das Lager in die Fluidreibung übergeht. Es kann erfindungsgemäß auch eine andere Definition der Abhebe-Drehzahl verwendet werden.
Stand der Technik
Anfang des 20. Jahrhunderts hat der Ingenieur Richard Striebeck in einer nach ihm benannten Striebeck-Kurve den Verlauf der Reibkraft in einem fluiddynamischen Lager in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit beschrieben.
In 8 ist ein typischer Verlauf einer Striebeck-Kurve für ein fluiddynamisches Lager dargestellt. Auf der Abszisse ist die Drehzahl n aufgetragen, während auf der Ordinate die Reibkraft FR aufgetragen ist. Bei einer Drehzahl n = 0 findet keine Relativbewegung der Lagerkomponenten statt, so dass Haftreibung herrscht.
Sobald die Drehzahl n erhöht wird und die Haftreibung überwunden ist, ändert sich die Reibung zunächst wenig wie es im Bereich I. der Kurve dargestellt ist. Im Bereich II. bei noch größerer Drehzahl n verringert sich die Reibung dadurch, dass auf Grund von Rauheit der Lageroberflächen bereits einige Moleküle des Schmierstoffes die Lageroberflächen voneinander trennen, so dass die Reibung drastisch sinkt. In diesem Bereich herrscht die sogenannte Mischreibung.
Im Abschnitt III. bei noch größerer Drehzahl geht die Mischreibung in Flüssigkeitsreibung über. Die sogenannte Abhebe-Drehzahl liegt an der Grenze zwischen den Bereichen II. und III.
In Folge einer weiteren Drehzahlerhöhung steigt die Reibung im Lager wieder durch die Reibverluste im Schmierstoff an.
Insbesondere bei fluiddynamischen Lagersystemen zur Drehlagerung von Spindelmotoren im Bereich von Festplattenlaufwerken wird angestrebt, die Abhebe-Drehzahl so gering wie möglich zu halten. Insbesondere wird dadurch der Verschleiß des Lagers durch die Kontaktreibung beim Start- und Stoppbetrieb des Spindelmotors verringert. Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung des Stromverbrauchs insbesondere beim Start-Stoppbetrieb und die erreichbare höhere Anzahl der möglichen Start- und Stoppzyklen.
Ein typischer Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes ist in 7 dargestellt. Es ist ein Spindelmotor mit einem STTCA-Lager (Single Thrust Top Cover Attached) dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, mit einer zentralen Öffnung, in welche ein erstes feststehendes Lagerbauteil 16 eingeklebt bzw. eingepresst ist. Das feststehende Lagerbauteil 16 weist wiederum eine zentrale Bohrung auf, in welche eine Welle 12 eingepresst ist. Die feststehende Welle 12 ist von einem Rotorbauteil 14 umgeben, wobei zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und dem Innenumfang des Rotorbauteils 14 ein Lagerspalt 20 von einigen Mikrometern Breite verbleibt. Der Lagerspalt 20 ist mit einem geeigneten Lagerfluid gefüllt. Entlang eines axialen Abschnitts des Lagerspaltes 20 sind zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 angeordnet, welche durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Der Lagerspalt 20 setzt sich zwischen einer Stirnfläche des Rotorbauteils 14 und einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des ersten feststehenden Lagerbauteils 16 in radialer Richtung fort, wobei zwischen diesen beiden Teilen ein fluiddynamisches Axiallager 26 gebildet ist.
Der Lagerspalt 20 ist beidseitig offen und wird in bekannter Weise durch entsprechende konische Kapillar-Dichtungsspalte 32 und 34 abgedichtet. Ein zweites feststehendes Lagerbauteil 18 ist an einem freien Ende der Welle befestigt oder mit diesem einteilig ausgebildet und bildet, angeordnet zwischen dem Dichtungsspalt 34 und dem Lagerspalt 20, eine fluiddynamische Pumpdichtung 36 aus, die durch Pumprillenlagerstrukturen gekennzeichnet ist. An diesem Ende des Lagers ist der Dichtungsspalt 34 durch eine Abdeckung 30 abgedeckt.
Ein Rezirkulationskanal 28 verbindet die beiden entgegen gesetzten Enden des Lagerspalts 20 und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids sowie einen Druckausgleich im Lager.
Das Rotorbauteil 14, das zweiteilig aus einer inneren Lagerbuchse und einer äußeren Nabe bestehen oder alternativ einteilig ausgebildet sein kann, wird angetrieben durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, bestehend aus einem Rotormagneten 42, der an der Nabe angeordnet ist und einer Statoranordnung 40, welche an der feststehenden Basisplatte 10 angeordnet ist.
Ein ferromagnetischer Ring 38, der axial gegenüber dem Rotormagneten positioniert ist, erzeugt eine magnetische Anziehungskraft, die der Lagerkraft des einzigen Axiallagers 26 entgegen wirkt und für eine axiale Vorspannung des Axiallagers sorgt.
Die Abhebe-Drehzahl von Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lager wurde bisher durch eine Messung der Axial und/oder Radialbewegung des Rotorbauteils des Spindelmotors in Abhängigkeit der Drehzahl gemessen. Beispielsweise kann hier ein kapazitiver Messsensor eingesetzt werden. Ausgehend vom Stillstand des Lagers bzw. des Spindelmotors wird die Drehzahl langsam erhöht und die Verschiebung des Rotors in axialer und/oder radialer Richtung gemessen, wobei, wenn eine bestimmte Verschiebung des Rotorbauteils gemessen wird, die zugehörige Drehzahl dann als Abhebe-Drehzahl definiert wird. Alternativ kann die Messung auch bei einer zuvor festgelegten Drehzahl beginnen und beim Erreichen des Stillstandes des Lagers enden, so dass die Abhebedrehzahl während des Verringerns der Drehzahl bestimmt wird.
Ein Nachteil des bisherigen Messverfahrens war, dass eine entsprechende Messvorrichtung benötigt wird, in welche der Spindelmotor eingesetzt wird und zusätzliche kapazitive Messsensoren, mit denen die Messung durchgeführt wird. Da die Abhebe-Drehzahl auch temperaturabhängig bis ca. 100°C ermittelt werden muss, besteht ein weiterer Nachteil in einer eventuell vorhandenen Temperaturdrift der Messvorrichtung.
Die Messung mittels eines kapazitiven Sensors war schwierig auf Grund von störenden Einflüssen anderer Lagerparameter, wie z. B. wiederholbarer Schlag und Motorschwingungen, die das Messergebnis verfälschen bzw. eine genaue Messung schwierig machen. Bei den bevorzugten fluiddynamischen Lagern, wie sie zum Antrieb von Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke eingesetzt werden, beträgt die zu messende axiale Verschiebung des Rotors beispielsweise nur wenige Mikrometer. Daher ist jeder Störeinfluss für eine genaue Messung der Abhebe-Drehzahl hinderlich.
Zum Stand der Technik sei noch auf den Artikel von X. Lu et al: „On the Lift-off Speed in Journal Bearings", Tribology Letters, Vol. 20, Nr. 3–4, Dezember 2005 hingewiesen.
Dort sind Versuche zur Bestimmung der Abhebe-Drehzahl beschrieben, die dann mit berechneten Werten der Abhebe-Drehzahl verglichen werden. In einem Versuchsstand wird die mechanische Reibung direkt in Abhängigkeit von der Drehzahl gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur praktischen Bestimmung der Abhebe-Drehzahl eines fluiddynamischen Lagers anzugeben, dass direkt im Betrieb des Spindelmotors ohne zusätzliche mechanische Vorrichtungen und Sensoren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Abhebe-Drehzahl n_A von Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lager kann beispielsweise als eine erste Abhebe-Drehzahl n_A1 definiert werden, bei der das fluiddynamische Lager beginnt von kontinuierlicher Materialberührung der Lagerflächen zur Mischreibung überzugehen, so dass erste Abhebe-Ereignisse auftreten, währende die Drehzahl erhöht wird. Es kann aber auch eine zweite Abhebe-Drehzahl n_A2 zur Definition der Abhebe-Drehzahl n_A verwendet werden, bei der das fluiddynamische Lager während des Erhöhens der Drehzahl von der Mischreibung zur reinen Fluidreibung übergeht, so dass gerade keine Materialberührungen mehr auftreten. Desweiteren kann die Erfindung auch zur Bestimmung anders definierter Abhebedrehzahlen verwendet werden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das in einen Spindelmotor eingebaute Lager durch den elektromotorischen Antrieb des Spindelmotors in Betrieb genommen. In der Regel werden elektronisch kommutierte Motoren verwendet, die eine elektronisch geregelte Drehzahlregelung aufweisen. Falls der Spindelmotor mehrere fluiddynamische Lager aufweist, ist es zweckmäßig diejenige Drehzahl als Abhebe-Drehzahl zu bezeichnen, bei der alle fluiddynamischen Lager Ihre individuelle Abhebe-Drehzahl erreicht haben. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch auch die Abhebe-Drehzahl jedes einzelnen fluiddynamischen Lagers des Spindelmotors individuell bestimmt werden, so dass eine detaillierte Analyse der Start-Stopp-Eigenschaften des Spindelmotors möglich ist. Insbesondere bei Radiallagern ist die Abhebe-Drehzahl nicht notwendiger Weise im wörtlichen Sinne aufzufassen. Vielmehr kann diejenige Drehzahl gemeint sein, bei der die betreffenden Lagerflächen miteinander keinen direkten Kontakt oder keinen permanenten direkten Kontakt mehr haben, so dass Fluidreibung oder Mischreibung vorliegt.
Die Erfindung basiert nun darauf, dass die notwendigen Messgrößen zur Bestimmung der Abhebe-Drehzahl n_A direkt von der elektronischen Drehzahlregelung abgegriffen werden.
Es sind weder eine zusätzliche mechanische Messvorrichtung noch zusätzliche elektronische Messsensoren notwendig.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das fluiddynamische Lager durch einen elektronisch geregelten elektromotorischen Antrieb, beispielsweise die Antriebsvorrichtung eines Spindelmotors, in Rotation versetzt.
Es wird zunächst eine Soll-Drehzahl n_Soll gewählt, die oberhalb oder unterhalb der erwarteten Abhebe-Drehzahl n_A des fluiddynamischen Lagers liegt. Diese Soll-Drehzahl n_Soll wird in Folge stufenweise um einen bestimmten Betrag verringert, wenn die Soll-Drehzahl n_Soll unterhalb der erwarteten Abhebe-Drehzahl n_A des fluiddynamischen Lagers liegt oder erhöht, wenn die Soll-Drehzahl n_Soll oberhalb der erwarteten Abhebe-Drehzahl n_A des fluiddynamischen Lagers liegt.
Mit anderen Worten muss also nicht vom Stillstand des Lagers ausgegangen und die Drehzahl entsprechend erhöht werden, sondern es kann beispielsweise auch von einer Nenndrehzahl des Lagers ausgegangen und die Drehzahl im Laufe des Verfahrens stufenweise verringert werden. Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren der Klarheit wegen für den Fall erläutert, dass zur Bestimmung der Abhebe-Drehzahl die Drehzahl einer fluiddynamischen Lageranordnung verringert wird. Die Erfindung ist aber gleichermaßen auf den Fall anwendbar, dass das Verfahren während der Erhöhung der Drehzahl angewendet wird.
Nach jeder Änderung der Soll-Drehzahl n_Soll wird eine Messung der Zeit t bis zum erreichen einer stabilen Ist-Drehzahl, also der Zeit t bis die Ist-Drehzahl die Soll-Drehzahl n_Soll erreicht, und/oder von Drehzahlschwankungen der aktuellen Ist-Drehzahl des fluiddynamischen Lagers durchgeführt und/oder eine Messung der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs.
Eine stabile Ist-Drehzahl ist dann erreicht, wenn eine festgelegte Anzahl – typischerweise fünf und mehr – von in kurzen Zeitabständen durchgeführten Messungen der Ist-Drehzahl innerhalb eines engen Bereichs von beispielsweise 2,5 U/min um die Soll-Drehzahl erkannt wurde. Ein typischer, kurzer Zeitabstand liegt beispielsweise im Bereich der Zeitkonstanten einer Umdrehungsperiode. Die Messung der Drehzahlschwankungen, bzw. der Stromaufnahme, geschieht während mindestens einer Umdrehung, insbesondere während 1 bis 10 Umdrehungen, nach dem Erreichen einer stabilen Ist-Drehzahl.
Aus der aktuellen Ist-Drehzahl und einer Auswertung der gemessenen Zeit t und/oder der Drehzahlschwankungen der Ist-Drehzahl des Lagers und/oder der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs kann die Abhebe-Drehzahl n_A des fluiddynamischen Lagers ermittelt werden.
Mit diesem Verfahren kann die Abhebe-Drehzahl n_A mit einfachen Mitteln zuverlässig und wiederholbar gemessen werden. Dabei kann die Messung sehr schnell und quasi nebenbei bei der Testinbetriebnahme des Spindelmotors erfolgen.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ausgehend von einer gegebenen Ist-Drehzahl des Lagers die aktuelle Soll-Drehzahl n_Soll um einen bestimmten Betrag verringert. Dann wird die Zeit t gemessen, die benötigt wird bis die aktuelle Ist-Drehzahl des Lagers die vorgegeben Soll-Drehzahl n_Soll erreicht hat.
Diese Schritte werden solange wiederholt, bis die gemessene Zeit t eine deutliche Abnahme zeigt, wobei die Abhebe-Drehzahl n_A durch die zweite Abhebe-Drehzahl n_A2 definiert ist und der aktuellen Ist-Drehzahl am Punkt des deutlichen Abfalls des Wertes t entspricht.
Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung wird demnach die Zeit t gemessen, die das Lager benötigt, bis dessen Ist-Drehzahl einer Verringerung der Soll-Drehzahl n_Soll gefolgt ist und sich eine stabile Drehzahl einstellt.
Wird die Drehzahl nach und nach gesenkt, so nähert sie sich von oben der Abhebe-Drehzahl an.
Im Bereich der Fluidreibung ergeben sich nur geringe Schwankungen in der Zeit t um einen Mittelwert bis zum Einstellen einer stabilen Drehzahl. Sobald jedoch die Mischreibung einsetzt, d. h. es auf Grund zu geringer Drehzahl sporadische Berührungen zwischen Lagerflächen gibt, so sinkt die Zeit t, die für eine Stabilisierung der Drehzahl benötigt wird, auf Grund dieser zusätzlichen Reibeffekte relativ sprunghaft und zeigt einen deutlichen Abfall.
Die Drehzahl, bei der die Zeit t eine deutliche Reduktion zeigt, kann als die zweite Abhebe-Drehzahl n_A2 angenommen werden. Diese Reduktion der Drehzahl kann anhand eines Knicks der Ausgleichsgeraden durch die Messwerte der Zeit t, die für eine Stabilisierung der Drehzahl benötigt wird, als Funktion der Drehzahl definiert werden. Dieser Knick kann auch als Schnittpunkt zweier Ausgleichsgeraden aufgefasst werden kann.
Die aktuelle Soll-Drehzahl n_Soll wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung somit vorzugsweise um einen bestimmten Betrag |Δn| verringert, bis die gemessene Zeit t als Funktion der Drehzahl von einem Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit im statistischen Mittel kleinerer Steigung in einen Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit im statistischen Mittel größerer Steigung übergeht und wobei die Abhebe-Drehzahl n_A der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist mit Hilfe des Schnittpunkts der beiden Ausgleichsgeraden bestimmt wird.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ausgehend von einer Anfangsdrehzahl die Soll-Drehzahl n_Soll um einen bestimmten Betrag verringert und abgewartet, bis die aktuelle Ist-Drehzahl des Lagers die vorgegebene Soll-Drehzahl n_Soll erreicht hat.
Beim Erreichen der Soll-Drehzahl n_Soll werden die relativen Drehzahlschwankungen bei der aktuellen Drehzahl während mindestens einer Umdrehung des Lagers gemessen. Im Normalbetrieb des Lagers sollten diese Drehzahlschwankungen nur geringe Abweichungen um einen Mittelwert zeigen. Sobald jedoch Berührung zwischen den Lageroberflächen, d. h. Mischreibung einsetzt, erzeugen die sporadischen Berührungen der Lagerflächen ein zusätzliches zeitlich variierendes Bremsmoment, welches stärkere Abweichungen der Ist-Drehzahl zur Folge hat.
Die Drehzahl, bei der diese Drehzahlschwankungen relativ sprunghaft zunehmen, kann als zweite Abhebe-Drehzahl n_A2 angenommen werden. Dieser sprunghafte Anstieg der Drehzahlschwankungen kann beispielsweise anhand eines Knicks der Ausgleichsgeraden durch die Messdaten der Drehzahlschwankungen als Funktion der Drehzahl, bzw. anhand des Schnittpunktes zweier solcher Ausgleichsgeraden, definiert werden. Dabei ist der Betrag der Steigung der Ausgleichsgeraden, die den Drehzahlbereich oberhalb der Abhebe-Drehzahl n_A beschreibt, kleiner als der Betrag der Steigung der Ausgleichsgeraden, die den sich daran anschließenden Drehzahlbereich unterhalb der Abhebe-Drehzahl n_A beschreibt.
Die aktuelle Soll-Drehzahl n_Soll wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung somit vorzugsweise um einen bestimmten Betrag |Δn| verringert, bis die gemessene Zeit t als Funktion der Drehzahl von einem Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit im statistischen Mittel kleinerer Steigung in einen Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit im statistischen Mittel größerer Steigung übergeht und wobei die Abhebe-Drehzahl n_A der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist mit Hilfe des Schnittpunkts der beiden Ausgleichsgeraden bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird Ausgehend von einer Anfangsdrehzahl die aktuelle Soll-Drehzahl n_Soll um einen bestimmten Betrag verringert und abgewartet, bis die Ist-Drehzahl des Lagers die vorgegebene Soll-Drehzahl n_Soll erreicht.
Es wird sodann die Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs bei der aktuellen Ist-Drehzahl gemessen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis die Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs ein Minimum erreicht, wobei dann die Abhebe-Drehzahl n_A der aktuellen Ist-Drehzahl bei einem Minimum der Stromaufnahme entspricht. Dieses Minimum der Stromaufnahme kann zum Beispiel durch den Schnittpunkt zweier Ausgleichsgeraden durch die Messwerte für die Stromaufnahme als Funktion der Drehzahl bestimmt werden.
Durch die Verringerung der Geschwindigkeit verringert sich auch die Fluidreibung des Lagers, so dass die Stromaufnahme zunächst mit der Drehzahl abnimmt. Wenn die Fluidreibung teilweise zusammenbricht und an den Lagerflächen erste Materialberührungen stattfinden, also bei der zweiten Abhebe-Drehzahl n_A2, steigt die Stromaufnahme noch nicht signifikant bemerkbar an. Erst wenn die Materialberührungen kontinuierlich auftreten und die entsprechenden Reibungskräfte dominieren, steigt die Stromaufnahme bei der ersten Abhebe-Drehzahl n_A1 deutlich an.
Das Minimum der Stromaufnahme vor dem Anstieg zeigt also die durch erste Abhebe-Drehzahl n_A1 definierte Abhebe-Drehzahl n_A an.
Die aktuelle Soll-Drehzahl n_Soll wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung somit vorzugsweise um einen bestimmten Betrag |Δn| verringert, bis der Wert der Drehzahlschwankung als Funktion der Drehzahl von einem Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit im statistischen Mittel kleinerem Steigungsbetrag in einen Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit im statistischen Mittel größerem Steigungsbetrag übergeht und wobei die Abhebe-Drehzahl n_A der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist mit Hilfe des Schnittpunkts der beiden Ausgleichsgeraden bestimmt wird.
Vorzugsweise kann die Abhebe-Drehzahl n_A durch jede einzelne der oben genannten bevorzugten Ausgestaltungen bestimmt werden. Es können jedoch auch eine oder zwei oder drei der oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen in Kombination zur Ermittlung der Abhebe-Drehzahl n_A, die beispielsweise durch die erste Abhebe-Drehzahl n_A1 und/oder durch die zweite Abhebe-Drehzahl n_A2 definiert werden kann, verwendet werden. Selbstverständlich können auch auf anderen Definitionen basierende Abhebe-Drehzahlen n_A mit Hilfe der beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung ermittelt werden.
Bei allen Verfahren wird die Abhebe-Drehzahl n_A unter Belastung des fluiddynamischen Lagers bestimmt. Je größer die Belastung des Lagers ist, natürlich im Rahmen der zulässigen Belastung, desto deutlicher zeigen sich die oben beschriebenen Effekte, die zur Ermittlung der Abhebe-Drehzahl n_A verwendet werden können.
Die beschriebenen Verfahren zur Ermittlung der Abhebe-Drehzahl können für jede Art von Lager, also sei es fluiddynamisches Radiallager oder fluiddynamisches Axiallager, verwendet werden. Die Messung kann auch in jeder Ausrichtung des Lagers, also stehend, liegend, kopfüber verwendet werden und gibt in jeder Lage zuverlässige Ergebnisse.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren im Betrieb eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager eingesetzt, insbesondere eines Spindelmotors eines Festplattenlaufwerkes. Dabei kann durch Verwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens eine höhere Datensicherheit und/oder ein geringerer Stromverbrauch erzielt werden. Um diese Ziele zu erreichen, kann der Spindelmotor derart eingerichtet sein, dass die für das Verfahren benötigten Größen durch seine Motorelektronik gemessen werden können und aus den gemessenen Größen die Abhebe-Drehzahl bestimmt werden kann. Somit kann der Motor ein drohendes Versagen des Lagersystems selbst detektieren und anzeigen, so dass der Anwender entsprechende Maßnahmen, wie zum Beispiel eine Datensicherung, einleiten kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Spindelmotor die bestimmte Abhebe-Drehzahl in einem Speicher ablegen kann. Unabhängig davon ist es auch denkbar, dass der Spindelmotor die Abhebe-Drehzahl über eine Schnittstelle an einen Computer weiterleitet, so dass dieser, beispielsweise mit Hilfe entsprechender Treiber, die gemeldete Abhebedrehzahl anzeigt und/oder abspeichert.
Die zuvor bestimmte Abhebe-Drehzahl kann von der Motorelektronik oder von einem Computer weiter ausgewertet werden und beispielsweise mit einem Wert für die Mindestdrehzahl des Spindelmotors verglichen werden. Üblicherweise weist ein Festplattenlaufwerk mehrere Betriebsmodi auf. Beispielsweise können neben dem regulären Betrieb bei der regulären Drehzahl des Spindelmotors ein erster Ruhemodus mit verminderter Drehzahl und ein zweiter Ruhemodus mit ruhendem Spindelmotor vorgesehen sein, um die Stromaufnahme des Festplattenlaufwerkes zu minimieren. Es kann daher zur Reduzierung der Stromaufnahme vorteilhaft sein, die Drehzahl im ersten Ruhemodus so weit wie möglich zu reduzieren, wobei die Drehzahl über der Abhebe-Drehzahl des Spindelmotors liegen muss. Dadurch, dass der erfindungsgemäße Spindelmotor die von ihm berechnete Abhebe-Drehzahl mit den Soll-Drehzahlen n_Soll des regulären Betriebes und der Ruhemodi vergleichen kann, ist der Spindelmotor in der Lage die Soll-Drehzahlen n_Soll der Abhebedrehzahl anzupassen. Jeder Spindelmotor kann damit individuell kalibriert werden, bzw. sich selbst kalibrieren. Damit kann der Spindelmotor auf eine Veränderung der Abhebe-Drehzahl mit zunehmender Betriebsdauer reagieren und die Soll-Drehzahlen n_Soll entsprechend anpassen, zum Beispiel indem er seinen internen Speicher für die Soll-Drehzahlen überschreibt. Beispielsweise kann der Spindelmotor überprüfen, ob die Soll-Drehzahl n_Soll des entsprechenden Betriebsmodus größer als die Abhebe-Drehzahl n_A plus einem optionalen Offset n_offset ist, also ob die Ungleichung n_Soll > n_A + n_offset erfüllt ist. Der Offset n_offset kann nun relativ klein gewählt werden und damit die Stromaufnahme minimiert werden, da eine Veränderung der Abhebe-Drehzahl n_A mit steigender Betriebsdauer nicht durch einen einmal festgelegten Offset n_offset abgedeckt sein muss. Vielmehr kann sich der Spindelmotor im Laufe der Zeit neu kalibrieren und die Solldrehzahlen n_Soll an die ermittelte Abhebedrehzahl n_A anpassen. Das Bestimmen der Abhebe-Drehzahl und gegebenenfalls eine Neukalibrierung des Spindelmotors können beispielsweise periodisch nach Ablauf eines festgelegten Betriebszeitintervalls oder nach einer gegebenen Anzahl von Start-Stopp-Zyklen erfolgen. Die Bestimmung der Abhebe-Drehzahl und gegebenenfalls weitere Verfahrensschritte, wie zum Beispiel das Schreiben der zuvor bestimmten Abhebe-Drehzahl, bzw. einer daraus abgeleiteten Soll-Drehzahl n_Soll, in einen Speicher der Motorelektronik, können anstelle von der Motorelektronik selbst auch von einer daran angeschlossenen Messapparatur ausgeführt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Ermitteln der Abhebedrehzahl des Lagers mit einer Sicherheitsfunktion zum Abbremsen des Lagers kombiniert werden, beispielsweise zum Schutz des Lagers nach dem Erkennen einer Taumelbewegung, beziehungsweise einer Präzession und/oder Nutation der Kreiselbewegung. Mittels solch einer Sicherheitsfunktion können die Auswirkungen eines Schocks des Lagers, der aufgrund der Trägheit der rotierenden Lagerbauteile eine Störung der Kreiselbewegung bewirkt, abgeschwächt werden, indem das Lager abgebremst wird bevor gegenüberliegende Lagerflächen miteinander in Kontakt kommen und Festkörperreibung einsetzt. Dazu kann das Lager entweder vollständig gestoppt werden oder leicht über seine Abhebedrehzahl abgebremst, beziehungsweise auf solch einer Drehzahl gehalten werden. Insbesondere wenn ein Schock nicht sicher erkannt werden kann und eine unnötige Unterbrechung des Arbeitsbetriebes vermieden werden soll, kann ein Abbremsen auf eine Drehzahl, die leicht über der Abhebedrehzahl liegt, sinnvoll sein. Kommt es in diesem Fall tatsächlich zu einem Schock, wird die Festkörperreibung immerhin reduziert und das Lager so vor Zerstörung geschützt. Je niedriger die reduzierte Drehzahl ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es bei einem Schock zu einer ernsthaften Beschädigung des Lagers kommt. Desweiteren kann auch in einem Bereitschaftszustand, in dem das Lager nicht vollständig angehalten wird, die Drehzahl des Lagers vorsorglich minimal gehalten werden, wodurch nicht nur der Energieverbrauch reduziert wird, sondern auch eine Schutzfunktion bereitgestellt wird. Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Abhebedrehzahl eine wirksame Schutzfunktion im oben beschriebenen Sinne implementiert werden, wobei eine individuelle und relativ niedrige Abhebedrehzahl für jedes Lager bestimmt, über dessen Lebenszeit angepasst und für eine Sicherheitsfunktion zum Stoppen des Lagers verwendet werden kann. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Motorelektronik und die Sensorik des Antriebes derart ausgelegt sind, dass die Drehbewegung störende Kräfte schnell erkannt werden und ein Abbremsen des Rotors eingeleitet oder vollzogen werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn auf das Lager wirkende Drehmomente, die zu einer Präzession dessen Drehbewegung führen, schnell detektiert werden können. Beispielsweise kann die Sensorik Beschleunigungs-, Gyro-, Neigungs- und/oder Lagesensoren umfassen. Beispielsweise können piezoelektrische, induktive und/oder mikro-elektro-mechanische Beschleunigungssensoren zur Erkennung eines Schocks verwendet werden, wobei insbesondere letztere auch als Gyrosensoren ausgestaltet sein können.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen zeigen Beispiele für Messergebnisse zum Ermitteln der Abhebe-Drehzahl bei Spindelmotoren mit verschiedenen fluiddynamischen Lagern. Alle bei den Messungen verwendeten Spindelmotoren weisen ein fluiddynamisches Lager mit mindestens einem Radiallager und mindestens einem Axiallager auf.
1 zeigt ein Diagramm der Messung der Zeit t bis zum Erreichen einer stabilen Drehzahl in Abhängigkeit von der Drehzahl für einen Spindelmotor mit einem ersten Lagertyp.
2 zeigt ein Diagramm der gemessenen Drehzahlschwankungen in Abhängigkeit von der Drehzahl bei einem Spindelmotor mit einem ersten Lagertyp.
3 zeigt ein Diagramm einer Messung der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs in Abhängigkeit der von Drehzahl bei einem Spindelmotor mit einem ersten Lagertyp.
4 zeigt ein Diagramm einer Messung der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs in Abhängigkeit von der Drehzahl für einen Spindelmotor mit einem zweiten Lagertyp bei Raumtemperatur.
5 zeigt ein Diagramm einer Messung der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs in Abhängigkeit von der Drehzahl für einen Spindelmotor mit einem zweiten Lagertyp bei einer Temperatur von 39°C.
6 zeigt ein Diagramm der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs in Abhängigkeit von der Drehzahl bei einem Spindelmotor mit einem dritten Lagertyp bei einer Temperatur von 85°C.
7 zeigt einen Schnitt durch eine Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.
8 zeigt schematisch eine sogenannte Striebeck-Kurve, welche eine typische Lagerreibung eines fluiddynamischen Lagers in Abhängigkeit von der Drehzahl darstellt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt ein Diagramm, bei dem für einen Spindelmotor mit einem ersten Lagertyp die Zeit t bis zum Erreichen einer stabilen Ist-Drehzahl in Abhängigkeit von der Drehzahl aufgetragen ist.
Die Abhebe-Drehzahl n_A wird dadurch bestimmt, dass zunächst der Motor bei einer bestimmten Ausgangsdrehzahl, beispielsweise 1800 U/min, betrieben wird.
Dann wird die Soll-Drehzahl um einen bestimmten Drehzahlbetrag |Δn|, beispielsweise um 10 U/min oder weniger verringert. Auf Grund der Trägheit des Rotors und der Regelschleife der Motorelektronik stellt sich die vorgegebene Soll-Drehzahl nicht sofort ein, sondern es dauert eine Weile, bis die Ist-Drehzahl des Motors bzw. Lagers auf die vorgegebene Soll-Drehzahl gesunken ist. Diese Zeit t wird als Zeit zum Erreichen einer stabilen Drehzahl bezeichnet.
Bei dem betrachteten Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager beträgt diese Zeit t durchschnittlich etwa 2,25 Sekunden. Solange das Lager im fluiddynamischen Betrieb arbeitet, schwankt die Zeit t nur geringfügig um diesen Mittelwert von 2,25 Sekunden. Die Standardabweichung der ermittelten Zeit t, bis eine stabile Drehzahl erreicht wurde, liegt für ein 3,5'' Festplattenlaufwerk üblicherweise im Bereich zwischen 0,02 und 0,4 Sekunden. Die entsprechende Ausgleichsgerade durch die Messwerte für die Zeit t im fluiddynamischen Betrieb hat dabei keine oder nur eine betragsmäßig geringe Steigung, beispielsweise eine Steigung deren Betrag kleiner als 3·10^–4 s/(U/min) ist.
Die Soll-Drehzahl wird nun solange verringert und die entsprechende Zeit t gemessen, bis das Lager in den Bereich der Mischreibung kommt, also erste Berührungen der Lagerflächen erfolgen. Durch diese Berührungen wird der Motor zusätzlich abgebremst, was bedeutet, dass die Zeit t zum Erreichen einer bestimmten vorgegebenen Drehzahl aufgrund dieser zusätzlichen Bremskraft deutlich abnimmt. Beispielsweise wird die Zeit t im Bereich der Mischreibung derart stark abnehmen, dass sie ihren im fluiddynamischen Betrieb ermittelten Mittelwert um mehr als 15% unterschreiten wird und dabei eine fallende Tendenz aufweist. Eine Entsprechende Ausgleichsgerade, wie sie auch in der 1 im Bereich zwischen 300 U/min und 400 U/min eingezeichnet ist, hat dann üblicherweise eine Steigung, deren Betrag um einen Faktor 5 größer ist als im fluiddynamischen Betrieb.
Der Schnittpunkt der beiden Ausgleichsgeraden kann dann als die Abhebe-Drehzahl n_A bezeichnet werden, die in diesem Fall der zweiten Abhebe-Drehzahl n_A2 entspricht.
Reduziert man die Drehzahl nun weiter, reduziert sich auch die Zeit t weiter bis es zur vollkommenen Festkörperreibung der Lagerflächen kommt, bei der dann die Zeit t sprunghaft ansteigt.
Die Abhebe-Geschwindigkeit bzw. Abhebe-Drehzahl n_A kann nun dort festgestellt werden, wo die Zeit t zum ersten Mal stark abnimmt und einen deutlichen Einbruch zeigt. Dies ist im Beispiels nach 1 bei einer Drehzahl n_A von ca. 413 U/min der Fall. Die Abhebe-Drehzahl n_A der 1 entspricht somit der zweiten Abhebe-Drehzahl n_A2.
2 zeigt ein Diagramm, bei dem Drehzahlschwankungen in U/min über die Drehzahl aufgetragen sind. Es wird derselbe Motor mit demselben Lager wie in 1 betrachtet.
Entsprechend dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird der Motor wiederum mit einer Ausgangsdrehzahl von beispielsweise 1800 U/min betrieben.
Die Soll-Drehzahl wird ebenfalls um einen bestimmten Betrag stufenweise verringert, beispielsweise 10 U/min und es wird gewartet bis die Ist-Drehzahl des Motors der vorgegebenen Soll-Drehzahl entspricht.
Bei der aktuellen Ist-Drehzahl werden Drehzahlschwankungen des Motors über eine oder mehrere Umdrehungen gemessen. Man erkennt, dass nur sehr geringe Drehzahlschwankungen im Bereich von ca. 0,15 bis 0,2 U/min als Standardabweichung vorhanden sind.
Wenn man die Soll-Drehzahl bzw. Ist-Drehzahl nun weiter verringert, so kommt man an einen Punkt, bei dem die Drehzahlschwankungen relativ sprunghaft ansteigen. Im Beispiel führt dies am lokalen Maximum bei ca. 320 U/min näherungsweise zu einer Verdoppelung der Amplitude der Drehzahlschwankungen. Die Abhebe-Drehzahl n_A ist im vorliegenden Fall als der Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden mit negativer und betragsmäßig großer Steigung durch dieses Maximum mit der Ausgleichsgeraden für die Messwerte im Bereich des fluiddynamischen Betriebes gegeben. Die Steigung der Ausgleichsgeraden für die Messwerte im Bereich des fluiddynamischen Betriebes hat dabei einen vergleichsweise geringen Betrag, der üblicherweise betragsmäßig kleiner als 2·10^–4 ist. Der Betrag der Steigung der Ausgleichsgeraden für die Messwerte im Bereich der Mischreibung ist in einigen Ausführungsformen um mindestens einen Faktor 5 betragsmäßig größer als die Ausgleichsgerade für die Messwerte im Bereich des fluiddynamischen Betriebes. Die Abhebe-Drehzahl n_A in 2 entspricht ebenfalls der zweiten Abhebe-Drehzahl n_A2.
Dieser Anstieg der Drehzahlschwankungen wird durch ein zusätzliches Bremsmoment hervorgerufen, das durch erste Berührungen der Lagerflächen erzeugt wird und vor allem sporadisch auftritt, so dass größere Drehzahlschwankungen auftreten als im fluiddynamischen Betrieb.
Wird die Drehzahl nun weiter verringert, so treten immer mehr Reibkontakte zwischen den Lagerflächen auf und die Drehzahlschwankungen vergrößern sich, wobei bei weiterer Verringerung der Drehzahl die Drehzahlschwankungen wieder leicht sinken können, da die Reibung regelmäßiger auftritt bis dann ein Vollkontakt der Lagerflächen stattfindet, wo die Drehzahlschwankungen sprunghaft ansteigen. Bei wenig Berührung der Lagerflächen sind die Drehzahlschwankungen groß durch nur gelegentliches sporadisches Abbremsen. Bei viel Berührung der Lagerflächen sind die Drehzahlschwankungen wieder kleiner, da ein gleichmäßigeres Abbremsen stattfindet.
Die Drehzahl, bei der die Drehzahlschwankungen erstmals ansteigen, wird als Abhebe-Drehzahl definiert. Mit diesem Verfahren wurde bei demselben Motor eine Abhebe-Drehzahl von ca. 390 U/min ermittelt.
Der in 2 ermittelte Wert der Abhebe-Drehzahl stimmt relativ gut überein mit dem in 1 ermittelten Wert der Abhebe-Drehzahl.
Legt man an die in den 1 und 2 ermittelten Kurven entsprechende Steigungsgeraden an, so kann man die Abhebe-Drehzahl am Schnittpunkt der Steigungsgeraden leicht ablesen.
3 zeigt ein weiteres Diagramm, bei dem die Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs für das fluiddynamische Lager in Abhängigkeit von der Drehzahl aufgetragen ist.
Auch in diesem Beispiel wird derselbe Motor mit demselben fluiddynamischen Lager wie bei den 1 und 2 verwendet.
Zunächst wird der Motor mit einer Ausgangsdrehzahl von beispielsweise 1800 U/min betrieben und die Drehzahl wird stufenweise um einen bestimmten Betrag, beispielsweise 10 U/min verringert. Dann wird die Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs gemessen. Die Strommessung wird vorzugsweise direkt am Steuerkreis für die Regelung der Drehzahl des Spindelmotors durchgeführt.
In der Regel werden bürstenlose Antriebe mit Block- oder Sinuskommutierung verwendet.
Man erkennt, dass bei stetiger Verringerung der Drehzahl die Stromaufnahme entsprechend linear abnimmt.
Sobald jedoch der fluiddynamische Effekt nachlässt und es zu einer sporadischen Berührung der Lagerflächen kommt, steigt die Stromaufnahme deutlich an, da durch diese zusätzliche Reibung mehr Energie zum Antrieb des Lagers benötigt wird.
Durch Anlegen entsprechender Steigungsgeraden kommt man an einen entsprechenden Drehzahlwert n_A, bei dem die Stromaufnahme sprunghaft ansteigt und der als Abhebe-Drehzahl n_A definiert werden kann.
Der in 3 bestimmte Wert der Abhebe-Drehzahl n_A von ca. 242 U/min liegt deutlich unterhalb der in den 1 und 2 bestimmten Abhebe-Drehzahlen. Dies kann beispielsweise dadurch erklärt werden, dass die Stromaufnahme zum Antrieb des Lagersystems weniger empfindlich auf sporadische Berührungen reagiert, als die beiden anderen Messverfahren gemäß 1 und 2. Daher tritt eine merkliche Änderung der Stromaufnahme erst bei einer niedrigeren Drehzahl ein. Erst bei einer deutlichen Berührung der Lagerflächen steigt die Stromaufnahme merklich an. Die Abhebe-Drehzahl n_A in 3 entspricht somit der ersten Abhebe-Drehzahl n_A1. Die Abhebe-Drehzahl n_A kann durch den Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden durch die Messwerte im Bereich des fluiddynamischen Betriebes, die eine positive Steigung aufweist, mit der Ausgleichsgeraden für die Messwerte im Bereich der Mischreibung, die eine negative Steigung aufweist, bestimmt werden. Da sich für einige fluiddynamische Lager die Änderung der Stromaufnahme als Funktion der Drehzahl im Bereich der Mischreibung kaum von derjenigen im Bereich der Festkörperreibung unterscheidet, kann es vorteilhaft sein die Messwerte beider Bereiche zur Bestimmung einer einzigen Ausgleichsgeraden zu verwenden.
4 zeigt ein Diagramm der Stromaufnahme eines Spindelmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl für eine andere Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers.
Das Messverfahren ist dasselbe, wie es im Zusammenhang mit 3 beschrieben ist. Es wurde bei Raumtemperatur (20°C) gemessen.
Man erkennt, dass bei dieser Art des Lagers die ermittelte Abhebe-Drehzahl wesentlich höher liegt, bei etwa 558 U/min. Dies liegt u. a. am anderen Aufbau des fluiddynamischen Lagers und ggf. auch an der unterschiedlichen Last und dem unterschiedlichen elektromagnetischen Antriebssystem. Die Abhebe-Drehzahl n_A in 4 entspricht analog zu 3 der ersten Abhebe-Drehzahl n_A1.
5 zeigt ein Diagramm der Stromaufnahme in Abhängigkeit von der Drehzahl für denselben Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem wie in 4, nur bei einer erhöhten Umgebungstemperatur von 39°C.
Man erkennt, dass sich die Abhebe-Drehzahl n_A bei Erhöhung der Umgebungstemperatur im Vergleich zu 4 ebenfalls erhöht und zwar von 558 U/min, wie bei 4, auf 785 U/min wie bei 5.
Dies rührt daher, dass die Viskosität des Schmiermittels bei höherer Temperatur in der Regel abnimmt, so dass auch der fluiddynamische Effekt sehr viel später einsetzt und sich dadurch die Abhebe-Drehzahl erhöht. Die Abhebe-Drehzahl n_A in 5 entspricht, analog zu den 3 und 4, der ersten Abhebe-Drehzahl n_A1.
6 zeigt ein Diagramm der Stromaufnahme eines Spindelmotors mit einer dritten Bauart in Abhängigkeit von der Drehzahl. In diesem Beispiel wurde der Spindelmotor bei einer Umgebungstemperatur von 85°C betrieben. Der Spindelmotor weist ein fluiddynamisches Lager mit mindestens einem Radiallager und mindestens einem Axiallager auf.
Auf Grund der hohen Temperatur ist das Schmiermittel, vorzugsweise ein Lageröl, sehr dünnflüssig, was auch den fluiddynamischen Effekt und damit die Abhebe-Drehzahl stark beeinflusst.
Ausgehend von einer hohen Drehzahl von beispielsweise 8000 U/min erkennt man, dass bei sinkender Drehzahl die Stromaufnahme ebenfalls zurückgeht, wie es zu erwarten ist.
Bei einer Drehzahl von etwa 5000 U/min ist die Reduktion der Stromaufnahme bei sinkender Drehzahl jedoch deutlich geringer was durch Eintreten der vollkommenen Festkörperreibung der Lagerflächen eines der Radiallager zu erklären ist. D. h. in diesem Bereich treten bereits dauerhafte Berührungen der Lagerflächen insbesondere der Radiallagerflächen ein, was zu einer Vergrößerung der Reibung und einem langsameren Rückgang der Stromaufnahme im Vergleich zur Drehzahl führt. Somit kann der mit bc gekennzeichnete Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden bei circa 5000 U/min wiederum als Abhebe-Drehzahl n_A interpretiert werden und entspricht dann der ersten Abhebe-Drehzahl n_A1 für eines der Radiallager
Dieser Bereich ist relativ groß und stabil bis zu einer Drehzahl von etwa 1250 U/min. In diesem Bereich tritt in großem Maße lediglich eine Reibung der Radiallager auf, während die Axiallagerflächen noch einen entsprechenden Abstand voneinander haben und hier noch Fluidreibung herrscht.
Unterhalb von 1250 U/min jedoch tritt Reibung auch an den Axiallagerflächen auf, so dass die Stromaufnahme deutlich ansteigt. Die Abhebe-Drehzahl liegt bei diesem Übergang. Somit kann auch der mit ab gekennzeichnete Schnittpunkt der Ausgleichsgeraden bei circa 1250 U/min als Abhebe-Drehzahl n_A interpretiert werden und entspricht dann der ersten Abhebe-Drehzahl n_A1 für eines der Axiallager.
6 illustriert somit auch, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der individuellen Lagereigenschaften des Gesamtlagersystems verwendet werden kann.
Zur Bestimmung der Ausgleichsgeraden (allgemein: der Näherungsfunktionen) zu den gezeigten Messkurven können verschiedene mathematische Modelle verwendet werden. Die Erfindung ist also nicht auf das Verwenden einer bestimmten statistischen Methode zum Auswerten der gemessenen Größen festgelegt. Die durch die Motorelektronik bereitgestellten Werte können beispielsweise an einen Computer weitergeleitet und dort ausgewertet werden, so dass eine statistische Analyse einfach und eventuell vollständig automatisiert durchgeführt werden kann. Es ist aber auch denkbar, dass ein einfacher Algorithmus zum Auswerten der Messdaten direkt von der Motorelektronik ausgeführt wird. Dadurch kann der Motor Veränderungen seiner Abhebe-Drehzahl selbst detektieren und gegebenenfalls auf ein drohendes Versagen des Lagersystems hinweisen und/oder seine Soll-Drehzahl entsprechend anpassen. Somit kann beispielsweise in Festplattenlaufwerken eine höhere Datensicherheit erzielt werden, da der Anwender vor einem Ausfall der Festplatte aufgrund eines Lagerschadens rechtzeitig gewarnt wird und daher noch rechtzeitig eine Datensicherung durchführen kann.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: Welle
14: Rotorbauteil
15: Nabe
16: erstes feststehendes Lagerbauteil
18: zweites feststehendes Lagerbauteil
20: Lagerspalt
22: Radiallager
24: Radiallager
26: Axiallager
28: Rezirkulationskanal
30: Abdeckung
32: Dichtungsspalt
34: Dichtungsspalt
36: Pumpdichtung
38: ferromagnetischer Ring
40: Statoranordnung
42: Magnet
44: Drehachse
n_soll: Soll-Drehzahl
n_ist: Ist-Drehzahl
n_A: Abhebe-Drehzahl
|Δn|: Betrag der Reduktion der Drehzahl

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 Nicht-Patentliteratur

Artikel von X. Lu et al: „On the Lift-off Speed in Journal Bearings”, Tribology Letters, Vol. 20, Nr. 3–4, Dezember 2005 [0017]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Abhebe-Drehzahl n_A eines fluiddynamischen Lagers, wobei das fluiddynamische Lager mit Hilfe eines elektronisch geregelten elektromotorischen Antriebs in Rotation versetzt wird, gekennzeichnet durch die Schritte: Vorgeben einer Soll-Drehzahl n_soll für den elektromotorischen Antrieb, die oberhalb oder unterhalb der erwarteten Abhebe-Drehzahl liegt, Verringern der Soll-Drehzahl n_soll um einen bestimmten Betrag |Δn|, falls die Soll-Drehzahl n_Soll oberhalb der erwarteten Abhebe-Drehzahl liegt oder Erhöhen der Soll-Drehzahl n_Soll _, falls die Soll-Drehzahl n_Soll unterhalb der Abhebe-Drehzahl liegt, Messen der Zeit t bis Erreichen einer stabilen Ist-Drehzahl, und/oder Messen von Drehzahlschwankungen der aktuellen Ist-Drehzahl und/oder Messen der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs nach jeder Änderung der Soll-Drehzahl n_soll, Ermitteln der Abhebe-Drehzahl des fluiddynamischen Lagers unter Verwendung der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist und der Auswertung von mindestens einer der gemessenen Größen: der Zeit t und/oder den Drehzahlschwankungen der Ist-Drehzahl n_ist und/oder der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte a) Verringern oder Erhöhen der aktuellen Soll-Drehzahl n_soll um einen bestimmten Betrag |Δn|, b) Messen der benötigten Zeit t, bis die aktuelle Ist-Drehzahl n_ist des Lagers die vorgegebene Soll-Drehzahl n_soll erreicht hat, c) Wiederholen der Schritte a) und b) solange, bis die gemessene Zeit t als Funktion der Drehzahl von einem Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit einer ersten Steigung in einen Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit einer zweiten Steigung übergeht, wobei die Steigung der ersten Ausgleichsgeraden von der Steigung der zweiten Ausgleichsgeraden verschieden ist und wobei die Abhebe-Drehzahl n_A der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist mit Hilfe des Schnittpunkts der beiden Ausgleichsgeraden bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte a) Verringern oder Erhöhen der Soll-Drehzahl n_soll um einen bestimmten Betrag |Δn|, b) Abwarten bis die aktuelle Ist-Drehzahl n_ist des Lagers die vorgegebene Soll-Drehzahl n_soll erreicht hat, c) Messen einer relativen Drehzahlschwankung um die aktuelle Ist-Drehzahl n_ist während mindestens einer Umdrehung des Lagers, d) Wiederholen der Schritte a) bis c) solange, bis der Wert der Drehzahlschwankung als Funktion der Drehzahl von einem Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit einer ersten Steigung in einen Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit einer zweiten Steigung übergeht, wobei die Steigung der ersten Ausgleichsgeraden von der Steigung der zweiten Ausgleichsgeraden verschieden ist und wobei die Abhebe-Drehzahl n_A der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist mit Hilfe des Schnittpunkts der beiden Ausgleichsgeraden bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Verringern oder Erhöhen der aktuellen Soll-Drehzahl n_soll des Lagers um einen bestimmten Betrag |Δn|, b) Abwarten bis die aktuelle Ist-Drehzahl n_ist des Lagers die vorgegebene Soll-Drehzahl n_soll erreicht hat, c) Messen der Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs bei der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist, d) Wiederholen der Schritte a) bis c) solange, bis die Stromaufnahme als Funktion der Drehzahl von einem Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit einer ersten Steigung in einen Bereich mit einer Ausgleichsgeraden mit einer zweiten Steigung übergeht, wobei die Steigung der ersten Ausgleichsgeraden von der Steigung der zweiten Ausgleichsgeraden verschieden ist und wobei die Abhebe-Drehzahl n_A der aktuellen Ist-Drehzahl n_ist mit Hilfe des Schnittpunkts der beiden Ausgleichsgeraden bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der ersten Ausgleichsgeraden mindestens 10% größer oder kleiner als die Steigung der zweiten Ausgleichsgeraden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuelle Soll-Drehzahl n_soll im Schritt a) jeweils um einen konstanten Betrag |Δn| verringert oder erhöht wird.
Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 zur Bestimmung der Abhebe-Drehzahl eines fluiddynamischen Lagers eines Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
Spindelmotor der dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit t bis zum Erreichen einer stabilen Ist-Drehzahl, und/oder die Drehzahlschwankungen der aktuellen Ist-Drehzahl und/oder die Stromaufnahme des elektromotorischen Antriebs mit Hilfe der Motorelektronik des Spindelmotors gemessen werden.
Spindelmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorelektronik des Spindelmotors dazu eingerichtet ist, mit Hilfe der gemessenen Größen die Abhebedrehzahl zu bestimmen.
Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit fluiddynamischem Lager, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor dazu eingerichtet ist, einen Schock des fluiddynamischen Lagers zu detektieren und nach Detektion eines Schocks die Drehzahl des Elektromotors zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor zur Detektion eines Schocks mindestens einen Bewegungssensor und/oder Beschleunigungssensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Detektion eines Schocks die Drehzahl des Motors auf Null reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Drehzahl kleiner als die Nenndrehzahl jedoch größer als die Abhebedrehzahl ist, wobei die Abhebedrehzahl gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ermittelt wurde.