DE102014003474A1

DE102014003474A1 - Spindelmotor

Info

Publication number: DE102014003474A1
Application number: DE102014003474.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wildpreth; Sergey Avdeev
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit niedriger Bauhöhe, welcher umfasst:
ein feststehendes Motorbauteil mit einer Basisplatte (10) und einer feststehenden Welle (12), ein Rotorbauteil (14), ein fluiddynamisches Lagersystem (22, 24, 28) zur Drehlagerung des Rotorbauteils (14) relativ zum feststehenden Motorbauteil, und
ein elektromagnetisches Antriebssystem mit einer Statoranordnung (40) und einem am Rotorbauteil angeordneten Rotormagneten (42), und einen ferromagnetischen Zugring (46), der zusammen mit dem Rotormagneten (42) eine magnetische Vorspannung in axialer Richtung für das fluiddynamische Lagersystem erzeugt.
Erfindungsgemäß ist der Innendurchmesser Z_ID des ferromagnetischen Zugrings (46) größer als der Innendurchmesser R_ID des Rotormagneten (42), und der Außendurchmesser Z_OD des ferromagnetischen Zugrings (46) größer als der Außendurchmesser R_OD des Rotormagneten (42).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor, insbesondere einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, wie er zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden kann.
Stand der Technik
Spindelmotoren, wie sie zum Antrieb von modernen Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, sind Miniaturmotoren, die mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert sind. Bei Spindelmotoren werden grundsätzlich zwei Bauarten unterschieden: Spindelmotoren mit feststehender Welle und Spindelmotoren mit drehbarer Welle.
Die DE 10 2011 106 511 A1 zeigt beispielsweise einen Spindelmotor mit feststehender Welle, wobei der Spindelmotor eine Grundplatte aufweist, in welcher ein erstes etwa U-förmiges Lagerbauteil aufgenommen ist. In einer zentralen Öffnung dieses Lagerbauteils ist eine Welle befestigt. An dem freien Ende der Welle ist ein sogenanntes Stopperbauteil angeordnet. In dem Zwischenraum zwischen dem Lagerbauteil, der Welle und dem Stopperbauteil rotiert ein Rotorbauteil des Spindelmotors, welches durch einen Lagerspalt von den feststehenden Motorbauteilen, d. h. dem Lagerbauteil, der Welle und dem Stopperbauteil getrennt ist. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid gefüllt und entsprechende fluiddynamische Radiallager und Axiallager sind entlang dieses Lagerspalts angeordnet. Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, die jeweils durch Dichtungsanordnungen, vorzugsweise kapillare Dichtungsanordnungen, abgedichtet sind. Das Rotorbauteil wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben, welches eine Statoranordnung aufweist, die an der Basisplatte angeordnet ist, sowie einen Rotormagneten, der gegenüberliegend der Statoranordnung an einem Innenumfang des Rotorbauteils befestigt ist. Es sind sowohl fluiddynamische Radiallager als auch fluiddynamische Axiallager vorgesehen, die in bekannter Weise den Lagerflächen zugeordnete Lagerrillenstrukturen aufweisen, welche bei einer Relativbewegung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt angeordnete Lagerfluid ausüben. Durch die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen wird innerhalb des Lagerspaltes ein hydrodynamischer Druck erzeugt, der die Lagerfläche nahezu reibungsfrei voneinander trennt und die Lager tragfähig macht. Für die Radiallager werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die auf parallel zur Rotationsachse des Lagersystems angeordneten Lagerflächen eines feststehenden oder drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind. Für die Axiallager werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die auf senkrecht zur Rotationsachse stehenden Lagerflächen eines feststehenden oder drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind.
Mobile Geräte, wie beispielsweise Laptops, Notebooks, Notepads und andere Geräte, werden immer kleiner und flacher aufgebaut, so dass auch entsprechende Festplattenlaufwerke und Spindelmotoren mit entsprechend geringer Bauhöhe entwickelt werden müssen, um in die Geräte eingebaut werden zu können. Die Spindelmotoren müssen mit der Entwicklung der mobilen Geräte mithalten. Angestrebt wird eine Bauhöhe des Spindelmotors von ca. 7 mm oder weniger. Um dies zu erreichen, sind ausgehend von der oben beschriebenen herkömmlichen Bauweise erhebliche konstruktive Änderungen notwendig.
Die oben beschriebene Bauweise eines Spindelmotors weist ein fluiddynamisches Axiallager auf, sodass zur Sicherstellung eines axialen Gleichgewichts eine Gegenkraft zum Axiallager erzeugt werden muss, die in der Regel mittels magnetischer Vorspannung erzeugt wird. Hierzu ist es bekannt, beispielsweise unterhalb des Rotormagneten einen ferromagnetischen Zugring anzuordnen, der von den Rotormagneten axial angezogen wird und eine Gegenkraft zu der vom fluiddynamischen Axiallager erzeugten Lagerkraft generiert. Der ferromagnetische Zugring ist wie der Name schon sagt ringförmig ausgebildet, wobei der Innendurchmesser etwa dem Innendurchmesser des ringförmigen Rotormagneten entspricht. Der Zugring ist im Querschnitt rechteckig und hat eine axiale Höhe von typischerweise 0,4 mm.
Aufgrund von eingeschränkten Platzverhältnissen bei Spindelmotoren mit kleiner Bauhöhe kann ein solcher Zugring mit einer Höhe von 0,4 mm nicht verwendet werden, da ansonsten keine ausreichende Materialstärke für die Basisplatte zur Verfügung stehen würde oder aber andere Lagerbauteile Einbußen in der Höhe hinnehmen müssten. Auch eine Verringerung des Abstandes zwischen dem Rotormagneten und dem Zugring ist nicht ohne weiteres möglich, da ansonsten die magnetische Kraft zu groß werden würde und nicht mehr der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers entsprechen würde.
Außerdem ist es bekannt, eine magnetische axiale Vorspannung dadurch zu erzeugen, dass die Statoranordnung und der Rotormagnet axial zueinander versetzt angeordnet werden. Die damit erreichbare Kraft ist jedoch oftmals nicht ausreichend als Gegenkraft für das fluiddynamische Axiallager.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor der eingangs genannten Art anzugeben, dessen magnetische Vorspannung des fluiddynamischen Axiallagers für die geringe Bauhöhe des Motors optimiert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil, mit feststehender Welle, ein Rotorbauteil, ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung des Rotorbauteils, relativ zum feststehenden Motorbauteil, ein elektromagnetisches Antriebssystem mit einer Statoranordnung und einem am Rotorbauteil angeordneten Rotormagneten und einen ferromagnetischen Zugring, der zusammen mit den Rotormagneten eine magnetische Vorspannung in axialer Richtung für das fluiddynamische Lagersystem erzeugt. Erfindungsgemäß ist der Innendurchmesser des ferromagnetischen Zugrings größer als der Innendurchmesser des Rotormagneten und gleichzeitig ist der Außendurchmesser des ferromagnetischen Zugrings größer als der Außendurchmesser des Rotormagneten.
Es wird eine Verringerung der magnetischen Vorspannung erreicht, indem der Innendurchmesser des Zugrings größer gewählt wird, während der Innendurchmesser des Rotormagneten im Wesentlichen gleich bleibt und gleichzeitig der Außendurchmesser des magnetischen Zugrings größer gewählt wird, während der Außendurchmesser des Rotormagneten ebenfalls im Wesentlichen gleich bleibt.
Durch die gewählte Dimensionierung des Zugrings wird die radiale Überlappung zwischen dem Rotormagneten und dem Zugring verringert, sodass sich entsprechend die magnetische Vorspannungskraft verringert. Der magnetische Zugring reicht über den Außendurchmesser des Rotormagneten hinaus und zwar soweit, dass er bevorzugt mit einer am äußeren Rand des Rotorbauteils vorhandenen Auflagefläche radial überlappt. Die Auflagefläche dient beispielsweise als Auflagefläche für Speicherplatten, sofern der Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt wird.
Durch entsprechende Formgebung, d. h. Variation des Innendurchmessers und des Außendurchmessers kann die Überdeckung zwischen dem Rotormagneten und dem Zugring eingestellt werden und damit auch die magnetische Kraft zur Kompensation der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers.
Zusätzlich oder alternativ kann die magnetische Vorspannungskraft beeinflusst und eingestellt werden durch Wahl der Überdeckung zwischen dem Rotorbauteil und der Stirnfläche des Rotormagneten. Vorzugsweise liegen mindestens 75% der Stirnfläche des Rotormagneten am Rotorbauteil an. D. h. zwischen dem Rotorbauteil und dem Rotormagnet ist eine Überdeckung in radialer Richtung vom 75% oder mehr erwünscht. Der Magnetsitz, d. h. die Größe der gemeinsamen Fläche zwischen Rotormagnet und Rotorbauteil, an welcher der Rotormagnet befestigt ist, wird verringert. Je größer die Überdeckung ist, desto kürzer wird die effektive axiale Länge des Rotormagneten und desto geringer dessen magnetische Anziehungskraft. Durch die Wahl der Überdeckung ist die magnetische Vorspannung einstellbar.
Auch durch einen magnetischen Versatz zwischen der magnetischen Mitte des Rotormagneten und der magnetischen Mitte der Statoranordnung kann eine axiale Vorspannung zur Kompensation der fluiddynamischen Lagerkraft erzeugt werden.
Der ferromagnetische Zugring besteht erfindungsgemäß aus einem Metallblech, mit einer Stärke zwischen 0,1 und 0,3 mm, vorzugsweise kleiner gleich 0,2 mm. Aufgrund der geringen Dicke des Zugrings kann der Abstand zwischen dem Zugring und dem Rotormagneten in axialer Richtung ausreichend groß bleiben, ohne dass dies zu Lasten der Bauhöhe des gesamten Spindelmotors geht oder die axiale Höhe des Rotormagneten verringert werden müsste.
Der ferromagnetische Zugring besteht vorzugsweise aus einem profilierten Metallblech, zum Einen, um eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten und zum Anderen, um die Befestigung des Zugrings auf der Basisplatte zu erleichtern.
Vorzugsweise wird der ferromagnetische Zugring mittels einer stoffschlüssigen Verbindung an der Basisplatte befestigt. Insbesondere wird hier eine Klebeverbindung zwischen Basisplatte und ferromagnetischen Zugring bevorzugt. Aufgrund der Profilierung weist der ferromagnetische Zugring am Außenumfang einen hochgezogenen Rand auf, der nicht auf der Basisplatte aufliegt. Vorzugsweise kann der Zwischenraum zwischen dem Rand des Zugrings und der Basisplatte mit Klebstoff ausgefüllt werden bzw. genutzt werden, um überschüssigen Klebstoff aufzufangen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die radiale Überlappung zwischen dem Rotormagneten und dem ferromagnetischen Zugring maximal 75% der radialen Breite des Rotormagneten. Das Verhältnis der Differenz des Innendurchmessers des ferromagnetischen Zugrings und des Innendurchmessers des Rotormagneten zu einem axialen Abstand zwischen der Unterseite des Rotormagneten und der Oberseite des ferromagnetischen Zugrings beträgt insbesondere zwischen 160% und 240%.
Der Spindelmotor der erfindungsgemäßen Bauart ist insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks mit niedriger Bauhöhe geeignet, welches mindestens eine Speicherplatte aufweist, die vom Spindelmotor drehend angetrieben ist. Festplattenlaufwerke weisen in bekannter Weise eine Schreib-Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit niedriger Bauhöhe.
2 zeigt einen vergrößerten Schnitt im Bereich des Magnetsystems des Spindelmotors von 1.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors niedriger Bauhöhe und einem fluiddynamischen Lagersystem. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist. In der zylindrischen Öffnung ist ein feststehendes Lagerbauteil 16 befestigt, beispielsweise eingefügt oder eingeklebt. Das feststehende Lagerbauteil 16 ist im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet. Eine feststehende Welle 12 weist einen verbreiterten Flansch 12a auf, welcher in einer Öffnung des feststehenden Lagerbauteils 16 aufgenommen ist. Die Welle 12 ragt von einer radial verlaufenden Grundfläche des Flansches 12a in axialer Richtung nach oben. An einem freien Ende der Welle 12 ist ein ringförmiges Stopperbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig an der Welle 12 befestigt ist. Das Stopperbauteil 18 weist einen deutlich größeren Durchmesser als die Welle 12 auf. Die genannten Bauteile 10, 12, 12a und 18 bildet die feststehende Komponente des Spindelmotors.
Der Spindelmotor umfasst ein Rotorbauteil 14, das eine zylindrische Lagerbuchse 14a und ein einteilig mit der Lagerbuchse 14a verbundenes Nabenbauteil umfasst. Das Rotorbauteil 14, genauer gesagt die Lagerbuchse 14a des Rotorbauteils 14, ist in einem durch die Welle 12, den Flansch 12a, das Lagerbauteil 16 und das Stopperbauteil 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen 12, 12a, 16 und 18 drehbar um eine Drehachse 38 angeordnet. Das Stopperbauteil 18 ist zumindest teilweise in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 14 versenkt angeordnet und berührt das Rotorbauteil 14 nicht.
Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, des Flansches 12a, des Stopperbauteils 18 und der Lagerbuchse 14a sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Die mit dem Rotorbauteil 14 einteilig ausgebildete Lagerbuchse 14a hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausbildet sind, welche axial durch einen Separatorspalt 26 voneinander beabstandet sind. Der Separatorspalt 26 weist einen im Vergleich zu den Radiallagerspalten deutlich größeren Spaltabstand auf. Die Lagerflächen der Lagerbohrung umschließen die feststehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24. Die Lagerflächen der beiden Radiallager 22, 24 sind beispielsweise mit sinus- oder parabelförmigen Lagerrillenstrukturen 22a, 24a versehen. Das obere Radiallager 22 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen 22a, der oberhalb des Apex angeordnet ist, etwa genauso lang ausgebildet ist, wie der untere Teil der Lagerrillen. Die Pumpwirkung beider Teile der Radiallagerrillen 22a weist in Richtung zum Apex, d. h. zur Lagermitte, so dass das Radiallager 22 tragfähig wird. Es gibt aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen 22a des oberen Radiallagers 22 jedoch keine generierte Netto-Pumprichtung, die auf das Lagerfluid wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 24 asymmetrisch ausgebildet insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen 24a, der unterhalb des Apex angeordnet ist, länger ausgebildet als der obere Teil der Radiallagerrillen 24a. Hierdurch entsteht einerseits eine Drucksteigerung innerhalb des Lagerfluids in Richtung zum Apex des Radiallagers 22, wodurch das Radiallager 22 tragfähig wird, andererseits wird eine Netto-Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 22 befördert.
Unterhalb des unteren Radiallagers 24 geht der axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 20 in einen radial verlaufenden Abschnitt über, entlang dessen ein fluiddynamisches Axiallager 28 angeordnet ist. Das Axiallager 28 ist durch radial verlaufende Lagerflächen des Rotorbauteils 14 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Flansches 12a der Welle 12 gebildet. Die Lagerflächen des Axiallagers 28 sind als zur Drehachse 38 senkrechte Kreisringe ausgebildet. Das fluiddynamische Axiallager 28 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite des Rotorbauteils 14, der Stirnseite des Flansches 12a oder beiden Teilen angebracht werden können.
In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22, 24 und das Axiallager 28 notwendigen Lagerrillenstrukturen an Lagerflächen des Rotorbauteils 14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Flansches 12a vereinfacht. Vorzugsweise münden die Axiallagerrillen 28a radial außen in einen Ringspalt mit größerer Spaltbreite als der Axiallagerspalt. Dieser Ringspalt beginnt im Übergangsbereich zwischen dem Wellenflansch 12a und dem feststehenden Lagerbauteil 16. Im Bereich des radialen Ringspalts mündet ein Rezirkulationskanal 30, der innerhalb des Rotorbauteils 14 angeordnet ist.
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 28 bzw. des Ringspalts schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster kapillarer Dichtungsspalt 32 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils 14 und eines Randes des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt wird und das Ende des Lagerspalts 20 abdichtet. Der Dichtungsspalt 32 umfasst den gegenüber dem Lagerspalt 20 verbreiterten kurzen radial verlaufenden Abschnitt des Ringspalts, der radial außerhalb des Axiallagers 28 angeordnet ist. Der kurze radial verlaufende Abschnitt des Dichtungsspalts 32 geht in einen längeren, sich konisch aufweitenden und nahezu axial verlaufenden Abschnitt über, der von einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 und einer inneren Umfangsfläche des Randes des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 32 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Menge an Lagerfluid bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden.
Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 32 bildenden Flächen an dem Rotorbauteil 14 und dem feststehenden Lagerbauteil 16 können beide jeweils im Verlauf des Dichtungsspalts 32 zum Lageräußeren hin relativ zur Rotationsachse 38 nach innen geneigt sein. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 größer ist als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16, wodurch sich eine konische Erweiterung der Dichtungsspaltes 32 ergibt. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
Am oberen Ende der Welle 12 ist das Rotorbauteil 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22 so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 34 an, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und den Lagerspalt 20 an diesem Ende abdichtet. Der zweite Dichtungsspalt 34 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils 14 und des Stopperbauteils 18 begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Dabei ist die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 18 im Verlauf zum Lageräußeren leicht nach innen in Richtung zur Drehachse 38 geneigt. Die gegenüber liegende innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 verläuft entweder parallel zur Drehachse 38 oder ist ebenfalls leicht nach innen geneigt, wobei der Neigungswinkel allerdings kleiner ist, als der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche des Stopperbauteils 18, so dass sich eine konische Kapillardichtung ergibt. Der zweite Dichtungsspalt 34 kann vorzugsweise durch eine Pumpdichtung 36 ergänzt sein, die entlang des Dichtungsspalts 34 angeordnet ist. Die Pumpdichtung 36 umfasst Pumpdichtungsrillen 36a, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 18 oder des Rotorbauteils 14 angeordnet sind. Während sich das Lager dreht, erzeugen die Rillenstrukturen 36a der Pumpdichtung 36 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 34 befindliche Lagerfluid. Diese Pumpwirkung ist in das innere des Lagerspalts, also in Richtung des oberen Radiallagers 22 gerichtet.
Der zweite Dichtungsspalt 34 ist von einer Abdeckung 44 abgedeckt, die vorzugsweise als flache ringförmige Scheibe ausgebildet ist. Die flache Abdeckung 44 benötigt nur wenig Platz aufgrund ihrer geringen Bauhöhe und ist in einer flachen Aussparung des Rotorbauteils 14 befestigt, beispielsweise eingeklebt. Ein innerer Rand der Abdeckung 44 bildet zusammen mit dem Außenumfang des Stopperbauteils 18 einen Luftspalt als Spaltdichtung. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 34 bzw. verringert ein Abdampfen des Lagerfluids und erhöht somit die Lebensdauer des Fluidlagers.
Am axial äußeren Ende des Dichtungsspaltes 34 weitet sich der Dichtungsspalt in einen Freiraum auf, der vorzugsweise so groß ist, dass er das gesamte im Lager befindliche Volumen an Lagerfluid aufnehmen kann. Dieser Freiraum dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid. Hierbei wird der Lagerspalt und die Dichtungsspalte vorzugsweise evakuiert und das Gesamtvolumen an Lagerfluid in den Freiraum gefüllt. Danach wird der Lagerspalt wieder belüftet, wodurch das Volumen an Lagerfluid aus dem Freiraum in das Lager und die Dichtungsspalte gedrückt wird.
Ein Rezirkulationskanal 30 verläuft ausgehend vom dem radial verlaufenden Spalt zwischen der Stirnfläche des Rotorbauteils 14 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Stopperbauteils 18 schräg nach unten durch das Rotorbauteil 14 und mündet radial außerhalb des Axiallagers 28 in den radial verlaufenden Abschnitt des Dichtungsspalts 34 (Ringspalt).
Der Spindelmotor weist ein elektromagnetisches Antriebssystem auf, das in bekannter Weise gebildet ist durch eine an der Basisplatte 10 angeordnete Statoranordnung 40 und einem die Statoranordnung 40 in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 42, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 angeordnet ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor, jedoch kann ohne Einschränkung alternativ ein Innenläufermotor verwendet werden, bei welchem die Statoranordnung radial außerhalb des Rotormagneten angeordnet ist.
Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 28 aufweist, das auf das Rotorbauteil 14 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 18 erzeugt, ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft notwendig, die das Rotorbauteil 14 axial im Kräfte-Gleichgewicht hält.
Zum einen sind die Statoranordnung 40 und der Rotormagnet 42 axial zueinander versetzt angeordnet, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 42 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die magnetische Mitte der Statoranordnung 40. Dadurch wird vom Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft auf das Rotorbauteil 14 ausgeübt, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des Axiallagers 28 im Betrieb desselben wirkt.
Zum Andern wird der Großteil der magnetischen Vorspannung durch einen ferromagnetischen Zugring 46 erzeugt, der axial unterhalb des Rotormagneten 42 fest an der Basisplatte 10 angeordnet ist. Der Zugring 46 wird vom Rotormagneten 42 magnetisch angezogen, sodass der Rotor 14 eine Kraft in Richtung der Basisplatte 10 erfährt, die der Lagerkraft des Axiallagers 28 entgegengerichtet ist.
Die magnetische Vorspannungskraft ist die Summe der magnetischen Kräfte, die durch den axialen Versatz des Antriebssystems einerseits und durch den magnetischen Zugring 46 andererseits erzeugt werden.
2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Spindelmotor von 1 im Bereich des magnetischen Antriebssystems und des Zugrings 46. Man erkennt einen Teil der Statoranordnung 40 und radial gegenüberliegend der Statoranordnung 40 den Rotormagneten 42, der mit einer Stirnseite und mit seinem Außenumfang an einem Innenumfang eines Randes des Rotorbauteils 14 befestigt ist. Der Zugring 46 ist an der Basisplatte 10 befestigt und im Wesentlichen axial unterhalb des Rotormagneten 42 angeordnet ist.
Der ringförmige Zugring 46 weist einen Innendurchmesser Z_ID, sowie einen Außendurchmesser Z_OD auf. Der ringförmige Rotormagnet 42 weist ebenfalls einen Innendurchmesser R_ID sowie einen Außendurchmesser R_OD auf. Erfindungsgemäß ist der Innendurchmesser Z_ID des Zugrings 46 größer als der Innendurchmesser R_ID des Rotormagneten 42. Dadurch ergibt sich eine radiale Überlappung zwischen dem Rotormagneten 42 und dem ferromagnetischen Zugring 46, die vorzugsweise maximal 70% der radialen Breite des Rotormagneten 42 beträgt. Der Außendurchmesser Z_OD des Zugrings 46 ebenfalls größer als der Außendurchmesser R_OD des Rotormagneten 42. Durch Veränderung des Innendurchmessers Z_ID des Zugrings 46 lässt sich die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Rotormagneten 42 und dem Zugring 46 einstellen.
Der Außendurchmesser Z_OD des Zugrings 46 ist vorzugsweise wesentlich größer als der Außendurchmesser R_OD des Rotormagneten 42, so dass der Zugring 46 mit einer Auflagefläche 14b am äußeren Rand des Rotorbauteils 14 in radialer Richtung überlappt. Durch die relativ große Oberfläche des Zugrings 46 lässt dieser sich gut an der Basisplatte 10 befestigen, ohne dass es zu einer Ablösung oder Verschiebung des Zugrings 46 kommen kann, was die Funktion des Spindelmotors beinträchtigen würde. Der Zugring 46 wird mittels einer stoffschlüssigen Verbindung an der Basisplatte 10 befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise durch Kleben, Löten Punkt- oder Widerstandsschweißen erfolgen.
Die Höhe Z_H des Zugrings 46 in axialer Richtung ist erfindungsgemäß relativ gering und liegt zwischen 0,1 bis 0,3 mm, vorzugsweise jedoch kleiner gleich 0,2 mm. Der Zugring 46 ist profiliert und weist im Bereich seines Außendurchmessers Z_OD eine Stufe 46a auf, sodass der Zugring im Bereich der Stufe 46a und darüber hinaus nicht mehr auf der Basisplatte 10 aufliegt. Der Zwischenraum zwischen der Stufe 46a des Zugrings 46 und der Basisplatte 10 wird vorzugsweise mit Klebstoff gefüllt, welcher Klebstoff auch für die Befestigung des Zugrings 46 auf der Basisplatte sorgt. Dadurch ergibt sich ein sehr guter Halt des Zugrings 46 auf der Basisplatte 10. Die Profilierung des Zugrings verbessert die mechanische Stabilität gegen mechanischen Verzug.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis eines axialen Maßes MO zu einem axialen Abstand D_ZR zwischen der Unterseite des Rotormagneten 42 und der Oberseite des ferromagnetischen Zugrings 46 zwischen 25% und 100%.
Die axiale Höhe R_H des Rotormagneten 42 ist erfindungsgemäß größer als die axiale Höhe S_H des Eisenkerns der Statoranordnung 40. Die magnetische Mitte der Statoranordnung 40, bzw. des Eisenkerns der Statoranordnung 40 ist axial versetzt zur magnetischen Mitte des Rotormagneten 42 und zwar um das axiale Maß MO. Dadurch erfährt der Rotor 14 eine magnetische Kraft in Richtung der Basisplatte 10, welche entgegengesetzt zur axialen Lagerkraft des Axiallagers 28 gerichtet ist.
Der Rotormagnet 42 weist eine radiale Dicke R_D auf, welche der Dicke der Stirnfläche des Rotormagneten 42 entspricht. Erfindungsgemäß liegt ein Großteil der Stirnfläche des Rotormagneten an dem Rotorbauteil 14 an, jedoch zumindest 70% der Stirnfläche des Rotormagneten 42 liegt am Rotorbauteil 14 an. Das Rotorbauteil 14 weist im Bereich der Anlagefläche für den Rotormagneten 42 eine Stufe auf, die einen Innendurchmesser RS_ID aufweist. Vorzugweise entspricht RS_ID dem Innendurchmesser R_ID des Rotormagneten 42 oder ist nur geringfügig größer.
Für einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes von etwa 5 bis 7 mm Bauhöhe ergeben sich folgende bevorzugte Werte für die oben genanten Größen:
R_OD = 17,5 bis 20,2 mm vorzugsweise 19,02 mm
R_ID = 16,1 bis 18,1 mm vorzugsweise 17,1 mm,
R_D = 0,7 bis 1,3 mm vorzugsweise 0,96 mm
R_H = 2 bis 3,2 mm vorzugsweise 2 mm
S_H = 1,0 bis 2,2 mm vorzugsweise 1,2 mm
Z_ID = 16,4 bis 18,9 mm vorzugsweise 17,4 mm
Z_H = 0,1 bis 0,3 mm vorzugsweise kleiner gleich 0,2 mm
D_ZR = 0,2 bis 0,45 mm vorzugsweise 0,3 mm
RS_ID = 16,4 bis 18,9 mm vorzugsweise 17,4 mm
MO = 0,05 bis 0,31 mm vorzugsweise 0,15 mm
Typische Werte für die magnetische Vorspannungskraft eines solchen Spindelmotors liegen im Bereich von 0,25 bis 0,45 Newton, je nach Auslegung des fluiddynamischen Axiallagers.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: Welle
12a: Flansch d. Welle
14: Rotorbauteil
14a: Lagerbuchse
14b: Auflagefläche
16: feststehendes Lagerbauteil
18: Stopperbauteil
20: Lagerspalt
22: Radiallager
22a: Lagerrillenstrukturen
24: Radiallager
24a: Lagerrillenstrukturen
26: Separatorspalt
28: Axiallager
30: Rezirkulationskanal
32: Dichtungsspalt
34: Dichtungsspalt
36: Pumpdichtung
36a: Pumprillenstrukturen
38: Drehachse
40: Statoranordnung
42: Rotormagnet
44: Abdeckung
46: Ferromagnetischer Zugring
46a: Stufe
R_OD: Außendurchmesser Rotormagnet
R_ID: Innendurchmesser Rotormagnet
R_D: radiale Dicke Rotormagnet
R_H: axiale Höhe Rotormagnet
S_H: axiale Höhe Statoranordnung
Z_ID: Innendurchmesser Zugring
Z_OD: Außendurchmesser Zugring
Z_H: axiale Höhe Zugring
D_ZR: axialer Abstand Zugring Rotormagnet
RS_ID: Innendurchmesser Stufe Zugring
MO: axiales Maß magnetischer Offset

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011106511 A1 [0003]

Claims

Spindelmotor, welcher umfasst: ein feststehendes Motorbauteil mit einer Basisplatte (10) und einer feststehenden Welle (12), ein Rotorbauteil (14), ein fluiddynamisches Lagersystem (22, 24, 28) zur Drehlagerung des Rotorbauteils (14) relativ zum feststehenden Motorbauteil, und ein elektromagnetisches Antriebssystem mit einer Statoranordnung (40) und einem am Rotorbauteil (14) angeordneten Rotormagneten (42), und einen ferromagnetischen Zugring (46), der zusammen mit dem Rotormagneten (42) eine magnetische Vorspannung in axialer Richtung für das fluiddynamische Lagersystem (22, 24, 28) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser Z_ID des ferromagnetischen Zugrings (46) größer ist als der Innendurchmesser R_ID des Rotormagneten (42), dass der Außendurchmesser Z_OD des ferromagnetischen Zugrings (46) größer ist als der Außendurchmesser R_OD des Rotormagneten (42).
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Zugring (46) mit einer Auflagefläche (14b) am äußeren Rand des Rotorbauteils (14) in radialer Richtung überlappt.
Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (42) mit mindestens 70% seiner Stirnfläche am Rotorbauteil (14) anliegt.
Spindelmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Zugring (46) aus einem Metallblech mit einer Stärke von 0,1–0,3 mm besteht.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Zugring (46) aus einem profilierten Metallblech besteht.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Zugring (46) mittels einer stoffschlüssigen Verbindung an der Basisplatte (10) befestigt ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Zugring (46) am Außenumfang einen hochgezogenen Rand (46a) aufweist, der nicht auf der Basisplatte (10) aufliegt.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen dem Rand (46a) des ferromagnetischen Zugrings (46) und der Basisplatte (10) mit Klebstoff ausgefüllt ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Überlappung zwischen dem Rotormagneten (42) und dem ferromagnetischen Zugring (46) maximal 70% der radialen Breite des Rotormagneten (42) beträgt.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Abstand D_ZR zwischen der Unterseite des Rotormagneten (42) und der Oberseite des ferromagnetischen Zugrings (46) zwischen 0,2 mm und 0,45 mm beträgt.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des axialen Abstands D_ZR zu einem axialen Maß MO, das den axialen Versatz zwischen der magnetischen Mitte des Rotormagneten 42 zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 40 darstellt, zwischen 25% und 100% beträgt.
Festplattenlaufwerk mit niedriger Bauhöhe mit mindestens einer Speicherplatte, die von einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 drehend angetrieben ist, und eine Schreib-Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte umfasst.