DE102014006498A1

DE102014006498A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102014006498A1
Application number: DE102014006498.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fuss
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Fluiddynamisches Lagersystem, mit einem feststehenden Lagerbauteil und einem um eine Drehachse drehbaren Lagerbauteil, wobei das feststehende und drehbare Lagerbauteil im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind, wobei entlang des Lagerspalts ein erstes fluiddynamisches Radiallager und in einem axialen Abstand dazu ein zweites fluiddynamisches Radiallager angeordnet sind, und mindestens ein Axiallager vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist die Spaltbreite eines Abschnitts des Lagerspalts im Bereich des ersten Radiallagers kleiner als die Spaltbreite eines Abschnitts des Lagerspalts im Bereich des zweiten Radiallagers.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei in einem Abstand voneinander angeordneten fluiddynamischen Radiallagern und mindestens einem Axiallager, das vorzugsweise ebenfalls als fluiddynamisches Axiallager ausgebildet ist.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme werden unter anderem zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, wie sie zum Antrieb von modernen Festplattenlaufwerken verwendet werden. Diese Spindelmotoren sind Miniaturmotoren, die ein feststehendes Motorbauteil sowie ein drehbares Motorbauteil aufweisen, welches mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das drehbare Motorbauteil wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, bestehend aus einem Stator mit Spulenwicklungen sowie aus einem permanentmagnetischen Rotor, drehend angetrieben.
Spindelmotoren gibt es in unterschiedlichen Ausführungsformen. Ein sogenanntes Single Plate Design ist in der DE 10 2004 040 295 A1 offenbart. Ein sogenanntes STT Design ist in der DE 10 2007 008 860 B4 offenbart. Ein sogenanntes SYOV Design ist in der DE 10 2005 019 944 B3 offenbart. Ein sogenanntes STTCA bzw. TCA Design ist in der DE 10 2008 052 469 A1 offenbart. Ein sogenanntes DTTCA Design ist in der DE 10 2012 010 945 A1 offenbart.
In der Regel sind entsprechende Bauelemente des feststehenden und des drehbaren Motorbauteils gleichzeitig als Lagerbauteile des fluiddynamischen Lagersystems ausgebildet, welche einander zugeordnete Lagerflächen aufweisen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Es sind vorzugsweise zwei in einem axialen Abstand angeordnete fluiddynamische Radiallager sowie zumindest ein Axiallager, vorzugsweise ein fluiddynamisches 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 Lagerflächen während des Betriebs nahezu reibungsfrei voneinander trennt und die Lager tragfähig macht.
Die beiden fluiddynamischen Radiallager weisen abgesehen von ihrer Lagerfläche (axiale Lagerlänge) dieselben geometrischen Eigenschaften auf, wobei eine Optimierung bzw. Anpassung der Lagereigenschaften beispielsweise durch unterschiedliche axiale Lagerlängen bezogen auf die Ausdehnung entlang der Drehachse erreicht werden kann. Dadurch ist eine Optimierung der beiden fluiddynamischen Radiallager in Bezug zueinander kaum möglich, da die Lager einerseits für eine hohe Lagersteifigkeit und Kippsteifigkeit und andererseits im Gegensatz dazu für einen geringen Reibungswiderstand optimiert sein sollen.
Um die Lagersteifigkeit der Anordnung von zwei Radiallagern zu erhöhen, ist es beispielsweise aus der DE 10 2011 111 062 A1 oder der DE 10 2012 016 575 A1 bekannt, die beiden Radiallager auf unterschiedlichen Lagerdurchmessern anzuordnen. Je größer der Lagerdurchmesser ist, desto besser wird die Lagersteifigkeit und Kippsteifigkeit des Lagers.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, dessen fluiddynamisches Radiallager sowohl in Bezug auf Lagersteifigkeit und Kippsteifigkeit als auch auf eine geringe Lagerreibung optimiert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil und ein um eine Drehachse drehbares Lagerbauteil, wobei das feststehende und drehbare Lagerbauteil im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Entlang des Lagerspalts sind ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Radiallager in einem Abstand voneinander angeordnet, die Lagerrillenstrukturen aufweisen. Ferner ist mindestens ein Axiallager vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist die Spaltbreite des Lagerspalts im Bereich des ersten fluiddynamischen Radiallagers kleiner als die Spaltbreite des Lagerspalts im Bereich des zweiten fluiddynamischen Radiallagers und/oder die Lagerrillenstrukturen des ersten und des zweiten Radiallagers weisen unterschiedliche geometrische Eigenschaften auf, wobei die geometrischen Eigenschaften folgende Merkmale umfassen: Lagerrillenbreite, Lagerrillentiefe, Lagerrillenwinkel, Lagerrillenanzahl, Grove-to-Pitch-Verhältnis.
Hierbei zeichnet sich das erste fluiddynamische Radiallager dadurch aus, dass die axiale Länge des symmetrischen Anteils größer oder gleich der axialen Länge des symmetrischen Anteils des zweiten Radiallagers ist. Desweiteren zeichnet sich das erste fluiddynamische Radiallager dadurch aus, dass der Abstand des Schwerpunktes des drehbaren Lagerbauteils zu seinem Apex geringer oder gleich dem Abstand des Schwerpunktes des drehbaren Lagerbauteils zum Apex des zweiten Radiallagers ist.
Die beiden fluiddynamischen Radiallager lassen sich im Hinblick auf Lagerreibung und Kippsteifigkeit in Bezug zueinander optimieren, indem man die Spaltbreite des Lagerspalts für beide Radiallager unterschiedliche wählt, insbesondere die Spaltbreite des ersten fluiddynamischen Radiallagers kleiner wählt als die Spaltbreite des zweiten fluiddynamischen Radiallagers.
Insbesondere hat sich herausgestellt, dass die radiale Übertragungsfunktion durch die geometrische Auslegung des zweiten Radiallagers kaum beeinflusst wird. Das bedeutet, dass das erste fluiddynamische Radiallager in Bezug auf Lagersteifigkeit optimiert und ausgelegt werden kann, wogegen das zweite fluiddynamische Radiallager für andere Anforderungen, beispielsweise Reibung, optimiert werden kann, unabhängig vom ersten Radiallager.
Bevorzugt weisen beide fluiddynamische Radiallager denselben Lagerdurchmesser auf, wogegen die Spaltbreite des Lagerspalts im Bereich des zweiten Radiallagers um 30–60% größer ist als die Spaltbreite im Bereich des ersten Radiallagers.
Hierbei kann die Spaltbreite des ersten fluiddynamischen Radiallagers beispielsweise zwischen 1,5 und 4 μm betragen.
Der Lagerspalt im Bereich der Radiallager wird einerseits durch eine Lagerfläche an einer Welle, und andererseits durch eine Lagerfläche an einer Lagerbohrung begrenzt. Die unterschiedliche Spaltbreite des Lagerspalts lässt sich dadurch erreichen, dass entweder der Durchmesser der Welle im Bereich der Radiallager geringfügig unterschiedlich gewählt wird oder aber der Durchmesser der Lagerbohrung im Bereich der Radiallager geringfügig unterschiedlich gewählt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben das erste und das zweite fluiddynamische Radiallager jeweils unterschiedliche geometrische Eigenschaften. Durch Anpassung von einem oder mehreren dieser geometrischen Größen, jeweils für jedes der beiden Radiallager unabhängig voneinander, können bestimmte Lagereigenschaften optimiert werden, wie beispielsweise Lagersteifigkeit und/oder Lagerreibung.
Beispielsweise kann die Tiefe der Lagerrillen der Radiallager zwischen 1,5 und 12 μm betragen, wobei die Tiefe der Lagerrillen des ersten Radiallagers vorzugsweise kleiner gewählt ist als die Tiefer der Lagerrillen des zweiten Radiallagers.
Das Grove-to-Pitch Verhältnis beträgt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,3, gemessen am Ende der Radiallagerrillen, wobei das Groove-to-Pitch Verhältnis des ersten Radiallagers vorzugsweise kleiner gewählt ist als das Groove-to-Pitch Verhältnis des zweiten Radiallagers.
Der Winkel der Lagerrillen der Radiallager in Bezug auf die Umfangsrichtung beträgt am Ende der Lagerrillen vorzugsweise 10° bis 30°, wobei der Lagerrillenwinkel des ersten Radiallagers vorzugsweise kleiner gewählt ist als der Lagerrillenwinkel des zweiten Radiallagers.
Die Breite der Lagerrillen der Radiallager kann zwischen 0,1 mm und 0,3 mm betragen, wobei die Lagerrillenbreite des ersten Radiallagers geringer ist als die Lagerrillenbreite des zweiten Radiallagers.
Vorzugsweise ist also mindestens eine der Größen umfassend die Lagerrillenbreite oder die Lagerrillentiefe oder der Lagerrillenwinkel oder das Groove-to-Pitch (GPR) Verhältnis des ersten Radiallagers kleiner als die entsprechende Größe des zweiten Radiallagers. Dadurch wird insbesondere der Reibungswiderstand des zweiten Radiallagers und somit der Reibungswiderstand des gesamten fluiddynamischen Lagersystems reduziert.
Die oben beschriebene Erfindung kann sich auf alle verschieden Ausführungsformen von Spindelmotoren beziehen, wie beispielsweise das Single Plate Design, das STT Design, das SYOV Design, das TCA Design oder das DTTCA Design.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
2 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
3 zeigt schematisch einen Ausschnitt der axialen Abschnitte des Lagerspalts.
4 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
5 zeigt ein Detail aus 4, das Radiallagerrillen gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zeigt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Spindelmotor in dem sogenannten STTCA Design mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine durch einen Rand 10a gebildete im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein erstes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das feststehende Lagerbauteil 16 ist beispielsweise mit Übergangspassung in der Öffnung der Basisplatte 10 angeordnet und vorzugsweise zusätzlich mit Klebstoff befestigt. Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa becherförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle 12 befestigt ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 12 ist ein Stopperbauteil 18 angeordnet, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Welle 12 und 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 fluiddyna mische Lager umfasst ein drehbares Rotorbauteil 14, auf dem mindestens eine Speicherplatte mittels einer Druckklammer, die an dem Rotorbauteil 14 befestigt ist (nicht zeichnerisch dargestellt), gehalten ist. Sind mehrere Speicherplatten vorgesehen, sind diese durch Abstandshalter voneinander getrennt (nicht zeichnerisch dargestellt). Das Rotorbauteil 14 ist im zentralen Teil als Lagerbuchse 14a ausgebildet und weist eine Lagerbohrung zur Aufnahme der Welle 12 auf. Die Lagerbuchse 14a ist in einem durch die Welle 12 und die beiden Bauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen 16, 18 drehbar angeordnet. Das Stopperbauteil 18 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14a angeordnet. Am radial außen gelegenen Rand der ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14a ist in der Lagerbuchse 14a eine umlaufende Rille 19 angeordnet, die das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter Vibrationen verbessert. Flächen der Welle 12 und der Bauteile 16, 18 sind von daran angrenzenden Flächen der Lagerbuchse 14a – die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können – durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der in verschiedene Abschnitte 20a, 20b und 20c unterteilt und mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Die Lagerbuchse 14a des Rotorbauteils 14 hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei in einem Abstand voneinander angeordnete zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet sind. Die Lagerflächen sind durch einen dazwischen umlaufenden Separatorspalt 26 getrennt, der gegenüber den axial verlaufenden Abschnitten 20a, 20b des Lagerspalts 20 eine vergrößerte Spaltbreite aufweist. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung der axial verlaufenden Abschnitte 20a, 20b des Lagerspalts und sind mit geeigneten Lagerrillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22 und 24 ausbilden. Die Lagerflächen der beiden Radiallager 22, 24 sind beispielsweise mit sinus-, chevron- oder parabelförmigen Lagerrillenstrukturen versehen. Das obere Radiallager 22 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass die Lagerrillenstrukturen oberhalb und unterhalb eines Apex 52 gleich lang ausgebildet sind. Die Pumpwirkung der Strukturen weist daher zum Apex 52, d. h. zur Mitte des Radiallagers 22, so dass es tragfähig wird. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen gibt es keine generierte Netto-Pumpwirkung, die auf das Lagerfluid wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 24 asymmetrisch ausgebildet, insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der unterhalb eines Apex 54 angeordnet ist, länger ausgebildet ist als der Teil, der oberhalb angeordnet ist. Hierdurch entsteht einerseits eine Drucksteigerung innerhalb des Lagerfluids in Richtung zum Apex 54, wodurch das Radiallager 24 tragfähig wird, andererseits wird eine Netto-Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 22 befördert. Der symmetrische Anteil des oberen Radiallagers 22 ist in axialer Richtung länger ausgebildet als der symmetrische Anteil des unteren Radiallagers 24. Der Apex 52 des oberen Radiallagers 22 hat einen geringeren Abstand zum Schwerpunkt des drehbaren Lagerbauteils, das neben dem Rotorbauteil 14 und der Lagerbuchse 14a auch die montierten Speicherplatten, die dazugehörigen Abstandshalter und die Druckklammer beinhaltet, als der Apex 54 des unteren Radiallagers 24.
Wie man der 3 entnehmen kann, haben die beiden axialen Abschnitte 20a und 20b des Lagerspaltes 20, die den beiden fluiddynamischen Radiallagern 22, 24 zugeordnet sind, nicht dieselbe Spaltbreite. Die Spaltbreite des Abschnittes 20a im Bereich des oberen Radiallagers 22 beträgt erfindungsgemäß zwischen 1,5 und 4 μm, während die Spaltbreite des axialen Abschnittes 20b im Bereich des unteren Radiallagers 24 um 30% bis 60% größer ist und beispielsweise zwischen 2 μm und 6,5 μm betragen kann. Der Separatorspalt 26, der die beiden axialen Abschnitte 20a, 20b des Lagerspaltes 20 voneinander trennt, hat gegenüber den beiden Abschnitten 20a und 20b eine deutlich größere Spaltbreite von 10 μm bis 100 μm.
Erfindungsgemäß können auch die geometrischen Eigenschaften der fluiddynamischen Radiallager 22, 24 unterschiedlich ausgebildet sein. Bisher hatten sich die Radiallager 22, 24 lediglich in dem symmetrischen Anteil ihrer axialen Lagerlängen, also ihrer Ausdehnung entlang des axialen Lagerspalts voneinander unterschieden, was sich dann auch in einer unterschiedlichen Länge der Lagerrillenstrukturen des symmetrischen Anteils niederschlägt.
Erfindungsgemäß kann nun beispielsweise die Tiefe der Lagerrillenstrukturen der beiden Radiallager 22, 24 unterschiedlich sein. Während das obere Radiallager 22 für eine hohe Steifigkeit optimiert werden wird, kann das untere Radiallager 24 für eine geringe Lagerreibung optimiert werden. Das bedeutet, dass beispielsweise die Tiefe der Lagerrillenstrukturen des oberen Radiallagers 22 kleiner gewählt wird, als die Tiefe der Lagerrillenstrukturen des unteren Radiallagers 24. Während das untere Radiallager 24 Lagerrillenstrukturen mit einer Tiefe im Bereich zwischen 2 μm und 12 μm, beispielsweise 8 μm aufweist, hat das obere Radiallager 22 Lagerrillenstrukturen mit einer Tiefe von beispielsweise 3 μm.
Ferner kann das Groove-to-Pitch Verhältnis (GPR: Groove-to-Pitch Ratio) der beiden Radiallager 22, 24 unterschiedlich groß sein. Groove-to-Pitch Verhältnis beschreibt den Anteil der Fläche der Lagerrillenstrukturen in Bezug auf die gesamte Lagerfläche und beträgt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,3. Hierbei kann beispielsweise das GPR des oberen Radiallagers 22 kleiner sein als das GPR des unteren Radiallagers 24.
Außerdem kann beispielsweise der Winkel der Radiallagerrillen der beiden Radiallager 22, 24 in Bezug auf die Umfangsrichtung der Lagerflächen unterschiedlich Ausgebildet sein, wobei das obere Radiallager 22 einen kleineren Winkel aufweisen kann als das untere Radiallager 24. Typische Winkel sind beispielsweise zwischen 10° und 30° jeweils gemessen an den Enden der Lagerrillenstrukturen.
An das untere Radiallager 24 schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 an, der durch eine stirnseitige Lagerfläche der Lagerbuchse 14a und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des feststehenden Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 28 mit Lagerflächen in Form von zu einer Drehachse 46 senkrechten Kreisringen. Das fluiddynamische Axiallager 28 ist in bekannter Weise durch fischgräten- oder spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14a, dem ersten Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen des Axiallagers 28 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze untere Stirnfläche der Lagerbuchse 14a, also von inneren Rand bis zum äußeren Rand und münden radial außen in einem Ringspalt 29, der eine größere Spaltbreite aufweist, als der radial verlaufende Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 28. Das Axiallager 28 erzeugt bei Betrieb des Lagers eine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des unteren Radiallagers 24 In vorteilhafter Weise sind alle Lagerrillenstrukturen der beiden Radiallager 22, 24 und des Axiallagers 28 an der Lagerbuchse 14a angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht.
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20c im Bereich des Axiallagers 28 bzw. an den Ringspalt 29 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 36 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 14a und eines Randes des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt ist und diese Seite des Lagerspalts 20 abdichtet. Der Dichtungsspalt 36 umfasst den im Vergleich zum Lagerspalt 20 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt des Ringspalts 29, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 14a und einer inneren Umfangsfläche des Randes des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 36 als Vorratsvolumen für das Lagerfluid 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 36 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 14a und dem feststehenden Lagerbauteil 16 können jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0 Grad und 5 Grad. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 14a größer ist als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des Randes 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.
Oberhalb des kapillaren Dichtungsspalts 36 schließt sich ein axial verlaufender Luftspalt 48 an, der in radiale Richtung abknickt und anschließend wieder in axiale Richtung abknickt und der durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14a und eine innere Umfangsfläche des Randes 10a der Basisplatte 10 bzw. des Randes des Lagerbauteils 16 begrenzt ist. Die Breite des Luftspalts 48 ist im oberen axial verlaufenden Bereich deutlich kleiner als die Breite des Dichtungsspaltes 36. Der Luftspalt 48 verhindert ein übermäßiges Entweichen von Lagerfluiddampf aus dem Bereich des Dichtungsspalts 36.
Im Bereich des oberen Radiallagers 22 ist die Lagerbuchse 14a so gestaltet, dass sie eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 18 einen mit Lagerfluid gefüllten radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 bildet. Entlang dieses radialen Abschnitts des Lagerspalts 20 kann ein zweites optionales Axiallager angeordnet sein. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 34 an, der durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 14a und des Stopperbauteils 18 begrenzt ist und das fluiddynamische Lagersystem an diesem Ende abschließt. Dabei verläuft die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 18 im Verlauf zum Lageräußeren zunächst parallel zur Drehachse 46, ist anschließend im Bereich der konischen Kapillardichtung kegelförmig ausgebildet, wobei sie dabei einen Winkel von mehr als 45 Grad relativ zur Drehachse 46 aufweist und verläuft anschließend an den kegelförmigen Abschnitt wieder parallel zur Drehachse 46. Die gegenüberliegende innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14a verläuft dabei parallel zur Drehachse 46, so dass sich zunächst ein axial verlaufender Spalt mit einer sich daran anschließenden konischen Kapillardichtung ergibt. Entlang des Dichtungsspalts 34 unterhalb der konischen Kapillardichtung ist vorzugsweise eine durch entsprechende Rillenstrukturen gekennzeichnete dynamische Pumpdichtung 38 angeordnet. Die Pumprillenstrukturen können dabei auf Oberfläche des Stopperbauteils 18 und/oder der Lagerbuchse 14a angeordnet sein. Die Pumpdichtung 38 reicht im axialen Verlauf nicht bis in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20, da zwischen der Pumpdichtung 38 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20 eine sogenannte Ruhezone benötigt wird, um zu vermeiden, dass Luft in das Lager gelangt. Der Dichtungsspalt 34 ist vorzugsweise von einer ringförmigen Abdeckkappe 32 abgedeckt, die auf der Lagerbuchse 14a befestigt ist. Der innere Rand der Abdeckkappe 32 bildet zusammen mit dem Außenumfang des Stopperbauteils 18 eine Spaltdichtung 33 aus. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 34.
Am axial äußeren Ende des Dichtungsspalts 34 weitet sich der Dichtungsspalt 34 in einen Freiraum 35 auf, der vorzugsweise so groß ist, dass er das gesamte im Lager befindliche Volumen aufnehmen kann. Dieser Freiraum 35 dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid. Hierbei werden der Lagerspalt 20, seine Abschnitte 20a, 20b, 20c und die Dichtungsspalte 34, 36 evakuiert und das Gesamtvolumen an Lagerfluid in den Freiraum 35 gefüllt, wobei sich ein Ölring bildet, der in axialer Richtung über die Höhe der erst zu einem späteren Zeitpunkt zu montierenden Abdeckkappe 32 hinausragt. Danach wird das Lager wieder belüftet, wodurch das Volumen an Lagerfluid aus dem Freiraum 35 in den Lagerspalt 20, seine Abschnitte 20a, 20b, 20c und die Dichtungsspalt 34, 36 gedrückt wird.
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors umfasst eine an der Basisplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung 42 in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche eines äußeren Randes des Rotorbauteils 14 angeordnet ist. Die elektrische Kontaktierung der Wicklungen der Statoranordnung erfolgt über eine Durchführung 50 in der Basisplatte 10.
Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 28 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 28 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 42 und der Rotormagnet 44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 44 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die magnetische Mitte der Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die ebenfalls entgegengesetzt zum Axiallager 28 wirkt.
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist im Rotorbauteil 14 ein Rezirkulationskanal 30 angeordnet, der schräg nach unten durch das Rotorbauteil 14 verläuft und an seinem unteren Ende in den Ringspalt 29 mündet. An seinem oberen Ende bricht der Rezirkulationskanal 30 in die um laufende Rille 19 durch. Der Rezirkulationskanal 30 ist mit Lagerfluid gefüllt und verbindet entfernt voneinander liegende Abschnitt des Lagerspalts 20 direkt miteinander.
2 zeigt eine andere Ausgestaltung eines Spindelmotors mit dem sogenannten TCA Design mit fluiddynamischem Lagersystem. Die Spindelmotoren und die fluiddynamischen Lager gemäß den 1 und 2 sind in ihrem Grundaufbau weitgehend identisch und unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Bauhöhe. 1 zeigt einen Spindelmotor mit ca. 15 mm Bauhöhe, während 2 einen Spindelmotor mit ca. 5 mm Bauhöhe zeigt.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein feststehendes Lagerbauteil 116 aufgenommen ist. Das feststehende Lagerbauteil 116 ist im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet und weist eine zentrale Öffnung auf. Das feststehende Lagerbauteil 116 ist beispielsweise mit Übergangspassung in der Öffnung der Basisplatte 110 angeordnet und vorzugsweise zusätzlich mit Klebstoff befestigt. Der verwendete Klebstoff kann ein elektrisch leitfähiger Klebstoff sein, um statische Aufladungen einzelner Lagerbauteile zu vermeiden.
Es ist eine zylindrische Welle 112 vorgesehen, die an einem Ende einen Flansch 112a aufweist, so dass die Welle 12 im Querschnitt etwa T-förmig ist. Der Flansch 112a der Welle 112 ist in der zentralen Öffnung des feststehenden Lagerbauteils 116 angeordnet, wobei der Flansch 112a mit seinem Außenumfang am Innenumfang des Lagerbauteils 116 angrenzt und vorzugsweise stoffschlüssig mit diesem verbunden ist. Diese stoffschlüssige Verbindung kann eine umlaufende Schweißnaht 113 sein. Das feststehende Lagerbauteil 116 kann auch einteilig mit dem Flansch 112a der Welle 112 ausgebildet sein. Das macht jedoch die maschinelle Bearbeitung der Oberflächen der Welle 112 und des Flansches 112a schwieriger. Bei einer zweiteiligen Ausbildung des Flansches 112a und des Lagerbauteils 116 können die am Außenumfang der Welle 112 und auf der oberen Stirnseite des Flansches 112a angeordneten Lageroberflächen leichter maschinell bearbeitet werden.
Der zylindrische Teil der Welle 112 erstreckt sich von der radial verlaufenden Grundfläche des Flansches 112a in axialer Richtung nach oben. An dem freien Ende der Welle 112 ist ein ringförmiges Stopperbauteil 118 angeordnet, dessen Durchmesser wesentlich größer als der Durchmesser der Welle 112 ist und das vorzugsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig an der Welle 112 befestigt ist.
Die Welle 112 und der Flansch 112a bilden zusammen mit dem Lagerbauteil 116 und dem Stopperbauteil 118 eine kompakte Anordnung und die feststehende Lagerkomponente.
Der Spindelmotor umfasst ein drehbares Rotorbauteil 114, auf dem mindestens eine Speicherplatte mittels einer Druckklammer, die an dem Rotorbauteil 114 befestigt ist (nicht zeichnerisch dargestellt), gehalten ist. Sind mehrere Speicherplatten vorgesehen, sind diese durch Abstandshalter voneinander getrennt (nicht zeichnerisch dargestellt). Das Rotorbauteil 114 umfasst im zentralen Bereich eine zylindrische Lagerbuchse 114a. Die Lagerbuchse 114a des Rotorbauteils 114, ist in einem durch die Welle 112, den Flansch 112a und die beiden Bauteile 116, 118 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen 112, 112a, 116, 118 drehbar um eine Drehachse 146 angeordnet. Das Stopperbauteil 118 ist zumindest teilweise in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 114 angeordnet, an deren radial außen gelegenem Rand eine umlaufen de Rille 119 angeordnet ist, die das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter Vibrationen verbessert. Flächen der Welle 112, des Flansches 112a und der beiden Bauteile 116, 118 sind von gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 114a – die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können – durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 120 getrennt, der in verschiedene Abschnitte 120a, 120b, 120c unterteilt und mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Die als Teil des Rotorbauteils 114 ausgebildete Lagerbuchse 114a hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet sind, welche axial durch einen Separatorspalt 126 voneinander beabstandet sind. Die Lagerflächen der Lagerbuchse 114a bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 112 zwei fluiddynamische Radiallager 122, 124. Die Lagerflächen der beiden Radiallager 122, 124 sind beispielsweise mit sinus-, chevron- oder parabelförmigen (herringbone) Lagerrillenstrukturen versehen. Das obere Radiallager 122 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der oberhalb eines Apex 152 angeordnet ist, genauso lang ausgebildet ist, wie der untere Teil der Lagerrillen. Die Pumpwirkung beider Teile der Radiallagerrillen weist in Richtung zum Apex 152, d. h. zur Lagermitte, so dass das Radiallager 122 tragfähig wird. Es gibt aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen des oberen Radiallagers 122 jedoch keine definierte Pumprichtung, die auf das Lagerfluid im Lagerspalt 120 wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 124 asymmetrisch ausgebildet insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der unterhalb eines Apex 154 angeordnet ist, länger ausgebildet als der obere Teil der Radiallagerrillen. Hierdurch entsteht einerseits eine Drucksteigerung innerhalb des Lagerfluids in Richtung zum Apex 154 des Radiallagers 124, wodurch das Radiallager 124 tragfähig wird, andererseits wird eine definierte Pumpwirkung auf das in Lagerspalt 120 befindliche Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 122 befördert. Der Separatorspalt 126 weist eine im Vergleich zu den beiden axialen Abschnitten 120a, 120b des Lagerspalts 120 deutlich größere Spaltbreite auf.
Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Spaltbreite des axialen Abschnitts 120a des Lagerspaltes 120 im Bereich des ersten Radiallagers 122 kleiner als die Spaltbreite des axialen Abschnitts des 120b des Lagerspalts 120, im Bereich des zweiten Radiallagers 124, wie es weiter oben mit Bezug auf 3 schematisch dargestellt und beschrieben ist.
Unterhalb des unteren Radiallagers 124 gehen die axial verlaufenden Abschnitte 120a, 120b des Lagerspalts 120 in einen radial verlaufenden Abschnitt 120c über, entlang dessen ein fluiddynamisches Axiallager 128 angeordnet ist. Das Axiallager 128 ist durch radial verlaufende Lagerflächen auf der Stirnseite der Lagerbuchse 114a und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Flansches 112a der Welle 112 gebildet. Die Lagerflächen des Axiallagers 128 sind in Form von zur Drehachse 146 senkrechten Kreisringen ausgebildet. Das fluiddynamische Axiallager 128 ist in bekannter Weise durch beispielsweise fischgrät- oder spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 114a, dem Flansch 112a oder auf beiden Teilen angebracht werden können.
Vorzugsweise ist das Axiallager 128 lediglich zwischen der radial verlaufenden Oberfläche des Flansches 112a und der gegenüber liegenden Unterseite der Lagerbuchse 114a angeordnet. Die angrenzende und ebenfalls radial verlaufende Oberfläche des feststehenden Lagerbauteils 116 ist um etwa 10 bis 100 Mikrometer tiefer angeordnet als die radial verlaufende Oberfläche des Flansches 112a, wodurch sich im zusammengebauten Zustand des fluiddynamischen Lagers ein entsprechend größerer Spaltabstand zwischen den radial verlaufenden Flächen der Lagerbuchse 114a und dem feststehenden Lagerbauteil 116 ergibt.
In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 122, 124 und das Axiallager 128 notwendigen Lagerrillenstrukturen an entsprechenden Lagerflächen der Lagerbuchse 114a angeordnet, was die Herstellung des Lagers, insbesondere der hochgenauen Lagerflächen an der Welle 112 und dem Flansch 112a vereinfacht. Vorzugsweise münden die Axiallagerrillen radial außen in einen Ringspalt 129, der eine größere Spaltbreite aufweist als der Axiallagerspalt. Der Ringspalt 129 beginnt etwa an der Stelle, an welcher ein Rezirkulationskanal 130, der innerhalb des Rotorbauteils 114 vorgesehen ist, in die radiale Verlängerung des Axiallagerspalts 128 mündet. Der Rezirkulationskanal 130 verläuft ausgehend von dem radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 zwischen der Stirnfläche des Rotorbauteils 114 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Stopperbauteils 118 schräg nach unten durch das Rotorbauteil 114 und mündet radial außerhalb des Axiallagers 128 in den Ringspalt 129 oder aber der Rezirkulationskanal 130 mündet nur zu einem Teil im Ringspalt 129, d. h. es kommt zur Überlappung des Rezirkulationskanal 130 mit der Axiallagerfläche 128 und dem Ringspalt 129.
An den radialen Abschnitt 120c des Lagerspalts 120 im Bereich des Axiallagers 128 bzw. den Ringspalt 129 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter kapillarer Dichtungsspalt 136 an. Der Dichtungsspalt 136 dichtet den Lagerspalt 120 an dieser Seite ab. Der Dichtungsspalt 136 umfasst den gegenüber dem Lagerspalt 120 verbreiterten kurzen radial verlaufenden Abschnitt des Ringspalts 129, der radial außerhalb des Axiallagers 128 angeordnet ist. Dieser geht in einen längeren, sich konisch aufweitenden und nahezu axial verlaufenden Abschnitt über, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 114a und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 116 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 136 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 136 bildenden Flächen der Lagerbuchse 114a und des Lagerbauteils 116 können beide jeweils im Verlauf des Dichtungsspalts zum Lageräußeren hin relativ zur Rotationsachse 146 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0 Grad und 5 Grad. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 114a größer ist als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 116, wodurch sich eine konische Erweiterung der Kapillardichtung ergibt. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 120 gedrückt.
Am oberen Ende des ersten Dichtungsspaltes 134 schließt sich ein axial verlaufender Luftspalt 148, der in radiale Richtung abknickt und anschließend wieder in axiale Richtung abknickt. Der Luftspalt 148 ist durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 114 bzw. der Lagerbuchse 114a und eine innere Umfangsfläche des Lagerbauteil 116 bzw. des Randes 110a der Basisplatte 110 begrenzt ist. Dieser Luftspalt 148 verhindert zum einen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 134 und ferner eine übermäßige Abdampfung des Lagerfluids aus dem Bereich des Dichtungsspaltes 134, was die Lebensdauer des Fluidlagers erhöht.
Auf der anderen Seite des Lagersystems ist das Rotorbauteil 114 bzw. die Lagerbuchse 114a im Anschluss an das obere Radiallager 122 so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 118 einen radialen mit Lagerfluid gefüllten Abschnitt des Lagerspalts 120 bildet. Entlang dieses radialen Abschnitts des Lagerspalts 20 kann ein zweites optionales Axiallager angeordnet sein. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 134 an, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und das Lagersystem an diesem Ende abdichtet. Der Dichtungsspalt 134 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 114a und des Stopperbauteils 118 begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Dabei ist die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 118 im Verlauf zum Lageräußeren zunächst parallel zur Drehachse 146, ist anschließend im Bereich der konischen Kapillardichtung kegelförmig ausgebildet, wobei sie dabei einen Winkel von mehr als 45 Grad relativ zur Drehachse 146 aufweist und verläuft anschließend an den kegelförmigen Abschnitt wieder parallel zur Drehachse 146. Die gegenüber liegende innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 114a verläuft dabei parallel zur Drehachse 146, so dass sich zunächst ein axial verlaufender Spalt mit einer sich daran anschließenden konische Kapillardichtung ergibt. Entlang eines Abschnitts des Dichtungsspalts 134 unterhalb der konischen Kapillardichtung kann vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 138 angeordnet sein. Die Pumpdichtung 138 umfasst Rillenstrukturen, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 118 und/oder vorzugsweise der Lagerbuchse 114a angeordnet sind. Die Pumpdichtung 138 reicht im axialen Verlauf nicht bis in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 120, da zwischen der Pumpdichtung 138 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 120 eine sogenannte Ruhezone benötigt wird, um zu vermeiden, dass Luft in das Lager gelangt. Während sich das Lager dreht, erzeugen die Rillenstrukturen der Pumpdichtung 138 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 134 befindliche Lagerfluid. Diese Pumpwirkung ist in Richtung des Radiallagers 122 gerichtet.
Der Dichtungsspalt 134 ist von einer ringförmig profilierten Abdeckung 132 abgedeckt. Die Abdeckung 132 ist auf einen Rand der Lagerbuchse 114a aufgesteckt und dort beispielsweise angeklebt, wobei die Abdeckung 132 auf einem umlaufenden Rand der Lagerbuchse 114a aufliegt. Ein innerer Rand der Abdeckung 132 bildet zusammen mit dem Außenumfang des Stopperbauteils 118 einen Luftspalt als Spaltdichtung 133. Diese Spaltdichtung 133 erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 134 bzw. verringert ein Abdampfen des Lagerfluids und erhöht somit die Lebensdauer des Fluidlagers.
Am axial äußeren Ende des Dichtungsspalts 134 weitet sich der Dichtungsspalt 134 in einen Freiraum 135 auf, der vorzugsweise so groß ist, dass er das gesamte im Lager befindliche Volumen aufnehmen kann. Dieser Freiraum 135 dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid. Hierbei werden der Lagerspalt 120, seine Abschnitte 120a, 120b, 120c und die Dichtungsspalte 134, 136 evakuiert und das Gesamtvolumen an Lagerfluid in den Freiraum 135 gefüllt, wobei sich ein Ölring bildet, der in axialer Richtung über die Höhe der erst zu einem späteren Zeitpunkt zu montierenden Abdeckkappe 132 hinausragt. Danach wird das Lager wieder belüftet, wodurch das Volumen an Lagerfluid aus dem Freiraum 135 in den Lagerspalt 120, seine Abschnitte 120a, 120b, 120c und die Dichtungsspalt 134, 136 gedrückt wird.
Der Spindelmotor weist ein elektromagnetisches Antriebssystem auf, das in bekannter Weise gebildet ist durch eine an der Basisplatte 110 angeordnete Statoranordnung 142 und einem die Statoranordnung 142 in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 144, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 114 angeordnet ist. Dargestellt ist somit ein Außenläufermotor, jedoch kann ohne Einschränkung alternativ ein Innenläufermotor verwendet werden, bei welchem die Statoranordnung radial außerhalb des Rotormagneten angeordnet ist. Die Statoranordnung 142 wird über eine Durchführung 150 in der Basisplatte 110 mit Strom versorgt.
Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein fluiddynamisches Axiallager 128 aufweist, das auf das Rotorbauteil 114 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 118 erzeugt, ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft notwendig, die das Rotorbauteil 114 axial im Kräftegleichgewicht hält. Hierzu können die Statoranordnung 142 und der Rotormagnet 144 axial zueinander versetzt angeordnet sein, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 144 axial weiter entfernt von der Basisplatte 110 angeordnet wird als die Mitte der Statoranordnung 142. Dadurch wird vom Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft auf das Rotorbauteil 114 ausgeübt, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des Axiallagers 128 im Betrieb desselben wirkt. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung kann die Basisplatte 110 einen ferromagnetischen Ring 140 aufweisen, der dem Rotormagneten 144 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 128 und hält das Lager axial stabil.
4 zeigt einen Spindelmotor in einem sogenannten DTTCA Design. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 210, in der eine Welle 212 befestigt ist. An der Welle 212 sind ein feststehendes Lagerbauteil 216, das im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet ist und ein in einem Abstand davon angeordnetes Stopperbauteil 218 angeordnet. Diese Bauteile 210, 212, 216, 218 bilden das feststehende Bauteil des Lagersystems. Die Welle 212 ist verlängert ausgebildet und durchdringt das feststehende Lagerbauteil 216. Das feststehende Lagerbauteil 216 ist auf die Welle 212 aufgepresst und mittels Klebstoff gedichtet. Alternativ ist das feststehende Lagerbauteil 216 mit der Basisplatte 210 verbunden (nicht zeichnerisch dargestellt).
Im Zwischenraum zwischen der feststehenden Welle 212, dem feststehenden Lagerbauteil 216 und dem Stopperbauteil 218 ist eine Lagerbuchse 214a um eine Rotationsachse 246 drehbar gelagert, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sein kann. An ihrem Außenumfang ist ein Rotorbauteil 214 befestigt, das beispielsweise aus Aluminium oder ebenfalls aus Stahl gefertigt sein kann. Das Rotorbauteil 214 weist eine Öffnung auf, in der das Stopperbauteil 218 angeordnet ist. Eine umlaufende Rille 219, die das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter Vibrationen verbessert, ist in der Lagerbuchse 214a angeordnet. Dabei weist der Außenumfang der umlaufenden Rille 219 den gleichen Radius auf wie der Innenumfang der Öffnung im Rotorbauteil 214, in der das Stopperbauteil 218 angeordnet ist.
Auf dem Rotorbauteil 214 sind mittels einer Druckklammer 260 5 Speicherplatten 256 befestigt. Die Druckklammer 260 ist dabei mittels Schraubverbindungen (nicht zeichnerisch dargestellt) an dem Rotorbauteil 214 befestigt. Zwischen den Speicherplatten 256 befinden sich Abstandshalter 258, die verhindern, dass sich die Speicherplatten 256 berühren. Der Spindelmotor wird mittels einer Abdeckplatte 262, die mittels einer Schraube an 264 der Welle 212 befestigt wird, verschlossen.
Flächen der feststehenden Bauteile 210, 212, 216, 218 sind von angrenzenden Flächen der Lagerbuchse 214a und des Rotorbauteils 214 – die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können – durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 220 voneinander getrennt, der in verschiedene Abschnitte 220a, 220b, 220c unterteilt, nur wenige Mikrometer breit und mit einem Lagerfluid gefüllt ist.
Die Lagerbuchse 214a des Rotorbauteils 214 hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei in einem Abstand voneinander angeordnete zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet sind. Die Lagerflächen sind durch einen dazwischen umlaufenden Separatorspalt 226 getrennt, der gegenüber den axial verlaufenden Abschnitten 220a, 220b des Lagerspalts 220 eine vergrößerte Spaltbreite aufweist. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle 212 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung der axial verlaufenden Abschnitte 220a, 220b des Lagerspalts 220 und sind mit geeigneten Lagerrillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 212 zwei fluiddynamische Radiallager 222, 242 ausbilden. Die Lagerflächen der beiden Radiallager 222, 224 sind beispielsweise mit sinus-, chevron- oder parabelförmigen Lagerrillenstrukturen versehen. Das obere Radiallager 222 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass die Lagerrillenstrukturen oberhalb und unterhalb eines Apex 252 gleich lang ausgebildet sind. Die Pumpwirkung der Strukturen weist daher zum Apex 252, d. h. zur Mitte des Radiallagers 222, so dass es tragfähig wird. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen gibt es keine generierte Netto-Pumpwirkung, die auf das Lagerfluid wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 224 asymmetrisch ausgebildet, insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der unterhalb eines Apex 254 angeordnet ist, länger ausgebildet ist als der Teil, der oberhalb angeordnet ist. Hierdurch entsteht einerseits eine Drucksteigerung innerhalb des Lagerfluids in Richtung zum Apex 254, wodurch das Radiallager 224 tragfähig wird, andererseits wird eine Netto-Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 222 befördert. Der symmetrische Anteil des oberen Radiallagers 222 ist in axialer Richtung gleich lang ausgebildet wie der symmetrische Anteil des unteren Radiallagers 224. Der Apex 252 des oberen Radiallagers 222 hat einen größeren Abstand zum Schwerpunkt des drehbaren Lagerbauteils, das neben dem Rotorbauteil 214 und der Lagerbuchse 214a auch die monierten Speicherplatten 256, die dazugehörigen Abstandshalter 258 und die Druckklammer 260 beinhaltet, als der Apex 254 des unteren Radiallagers 224.
Unterhalb des unteren Radiallagers 224 geht der axial verlaufende Abschnitt 220b des Lagerspalts 220 in einen radial verlaufenden Abschnitt über, der durch eine untere Stirnfläche der Lagerbuchse 214a und eine gegenüberliegende obere Fläche des ersten feststehenden Lagerbauteils 216 begrenzt ist. Entlang dieses radialen Abschnitts des Lagerspalts 220 ist ein fluiddynamisches Axiallager 228 angeordnet, das ebenfalls durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet ist, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 214a und/oder der Oberfläche des feststehenden Lagerbauteils 216 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 228 sind beispielsweise spiralrillenförmig ausgebildet und erstrecken sich vorzugsweise über die ganze untere Stirnfläche der Lagerbuchse 214a, also von inneren Rand bis zum äußeren Rand und münden radial außen in einem Ringspalt 229, der eine größere Spaltbreite aufweist, als der radial verlaufende Abschnitt 220c des Lagerspalts 220 im Bereich des Axiallagers 228. Die Lagerrillenstrukturen sind derart angeordnet, dass diese das im Lagerspalt 220 befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung der Welle 212 und weiter in Richtung des unteren Radiallagers 224 pumpen. Im Ringspalt 229 ist die Pumpwirkung der Axiallagerrillenstrukturen nicht so stark ausgeprägt, wie in dem Bereich, in dem der radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 220 eine geringere Spaltbreite aufweist.
Radial außerhalb des Axiallagers 228 ist der Lagerspalt 220 durch einen ersten konisch ausgebildeten kapillaren Dichtungsspalt 236 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 236 ist durch eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 216 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 214a begrenzt. Die innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 216 verläuft parallel zur Drehachse 246, während die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 214a im axialen Verlauf in Richtung zum offenen Ende des Dichtungsspalts 236 zumindest partiell radial nach innen geneigt ist. Alternativ können beide den konischen Dichtungsspalt 236 bildende Flächen im axialen Verlauf in Richtung zum offenen Ende des Dichtungsspalts 236 zumindest partiell radial nach innen geneigt sein. Dabei weist die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 214a in Bezug zur Drehachse 246 einen größeren Neigungswinkel auf als die innere Umfangs fläche des feststehenden Lagerbauteils 216, wodurch sich im axialen Verlauf zum Ende des Dichtungsspalts 236 ein sich konisch öffnender kapillarer Dichtungsspalt ausbildet. Oberhalb des kapillaren Dichtungsspalts 236 schließt sich ein axial verlaufender Luftspalt 248 an, der in radiale Richtung abknickt und anschließend wieder in axiale Richtung abknickt. Der Luftspalt 248 ist durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 214a und eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagebauteils 216 sowie durch eine äußere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 216 und eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 214 begrenzt. Die Breite des Luftspalts 248 ist im axial verlaufenden Bereich zwischen Lagerbauteil 216 und Rotorbauteil 214 deutlich kleiner als die Breite des Dichtungsspaltes 236. Der Luftspalt 248 verhindert ein übermäßiges Entweichen von Lagerfluiddampf aus dem Bereich des Dichtungsspalts 236.
Am gegenüberliegenden, oberen Ende des Lagerspalts 220 ist ein zweiter Dichtungsspalt 234 angeordnet, der durch eine äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 218 sowie eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 214 begrenzt ist. Die innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 214 verläuft parallel zur Drehachse 246 während die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 218 im axialen Verlauf in Richtung zum offenen Ende des Dichtungsspalts 234 zumindest partiell radial nach innen geneigt ist, wodurch sich ein sich konisch öffnender kapillarer Dichtungsspalt ausbildet.
Oberhalb des Stopperbauteils 218 ist der Dichtungsspalt 234 durch eine Abdeckkappe 232 verschlossen, die ein Eindringen von Schmutz bzw. ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsbereich verhindern soll. Die Abdeckkappe 232 bildet mit dem Außenumfang der Welle 212 einen engen Spalt aus, der als Spaltdichtung 233 dient und ein Abdampfen des Lagerfluids aus dem Dichtungsspalt 234 reduziert.
Unterhalb des oberen Dichtungsspalts 234 schließt sich in axialer Richtung ein enger Spalt an, entlang dem eine dynamische Pumpdichtung 238 vorgesehen ist, welche das im Dichtungsspalt 234 befindliche Lagerfluid nach unten in Richtung des unteren Radiallagers 224 fördert, sobald das Lagersystem in Drehung versetzt wird. Die Pumprillenstrukturen sind dabei auf dem Außenumfang des Stopperbauteils 218 und/oder dem Innenumfang des Rotorbauteils 214 angeordnet. Sie reichen im axialen Verlauf nicht bis in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 220, da zwischen der Pumpdichtung 238 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 220 eine sogenannte Ruhezone benötigt wird, um zu vermeiden, dass Luft in das Lager gelangt.
Der Antrieb des drehenden Lagerbauteils 214, 214a, 256, 258, 260 erfolgt durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das eine elektrische Statoranordnung 242 umfasst, die fest an der Basisplatte 210 angeordnet ist. Ein Joch 243, das einen Permanentmagneten 244 umgibt und als magnetischer Rückschluss für diesen dient, ist radial gegenüberliegend der Statoranordnung 242 an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 214 befestigt.
Als axiale Gegenkraft zum Axiallager 228 ist diesem gegenüberliegend ein zweites fluiddynamisches Axiallager 227 angeordnet, welches in dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 220 zwischen der radial verlaufenden Lagerfläche des Stopperbauteils 218 und der gegenüberliegenden radial verlaufenden Lagerfläche der Lagerbuchse 214a angeordnet ist. Erzeugen beide Axiallager 227, 228 eine gleich starke entgegengesetzt gerichtete Pumpwirkung, ist keine axiale Vorspannung notwendig, andernfalls kann diese Vorspannung wie in 1 und 2 beschrieben durch das elektromagnetische Antriebssystem erzeugt werden. Die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 227 sind beispielsweise spiralrillenförmig ausgebildet und derart angeordnet, dass diese das im Lagerspalt 220 befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung der Welle 212 pumpen.
Ein Rezirkulationskanal 230 verbindet voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts 220 in der Nähe der beiden Dichtungsspalte 234, 236 direkt miteinander, so dass das Lagerfluid durch den gesamten Lagerspalt 220 hindurch zirkulieren und durch den Rezirkulationskanal 230 wieder zurück fließen kann und wodurch sich ferner ein Druckausgleich der mit dem Rezirkulationskanal 230 verbundenen Lagerstellen einstellt.
Der Rezirkulationskanal 230 verläuft schräg in der Lagerbuchse 214a und ist an seinem oberen Ende in der Nähe des Stopperbauteils 218 in Richtung zur Drehachse 246 geneigt. An diesem Ende bricht der Rezirkulationskanal 230 in die umlaufende Rille 229 durch. Der Rezirkulationskanal 230 umfasst eine untere Öffnung, welche in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 220 im Bereich des unteren Axiallagers 228 mündet. Dabei mündet der Rezirkulationskanal 230 entweder vollständig oder zumindest partiell in den Bereich, in dem sich der radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 220 vergrößert und die Pumpwirkung der Axiallagerrillenstrukturen geringer ist.
5 zeigt ein Detail aus 4, das die beiden Radiallager 222, 224 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vergrößert darstellt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Lagerrillen des oberen Radiallagers 222 breiter sind, als die Lagerrillen des unteren Radiallagers 224. Die Lagerrillen des oberen Radiallagers 222 weisen dabei eine Breite von beispielsweise 0,3 mm auf, während die Lagerrillen des unteren Radiallagers 224 eine Breite von beispielsweise 0,1 mm aufweisen. Wie in 4 beschrieben, ist das obere Radiallager 222 symmetrisch ausgebildet, daher erstrecken sich die Lagerrillen ober- und unterhalb des Apex 252 in axialer Richtung über eine gleiche Länge a. Das untere Radiallager 224 ist asymmetrisch ausgebildet, daher erstrecken sich die Lagerrillen oberhalb des Apex 254 in axialer Richtung über die Länge a, während sich die Lagerrillen unterhalb des Apex 254 in axialer Richtung über eine Länge b erstrecken.
Bezugszeichenliste

10, 110, 210: Basisplatte
10a, 110a: Rand
12, 112, 212: Welle
112a: Flansch
113: Schweißnaht
14, 114, 214: Rotorbauteil
14a, 114a, 214a: Lagerbuchse
16, 116, 216: Lagerbauteil
18, 118, 218: Stopperbauteil
19, 119, 219: umlaufende Rille
20a, 120a, 220a: Abschnitt des Lagerspalts
20b, 120b, 220b: Abschnitt des Lagerspalts
20c, 120c, 220c: Abschnitt des Lagerspalts
22, 122, 222: Radiallager
24, 124, 224: Radiallager
26, 126, 226, 227: Separatorspalt
, 227: Axiallager
28, 128, 228: Axiallager
29, 129, 229: Ringspalt
30, 130, 230: Rezirkulationskanal
32, 132, 232: Abdeckkappe
33, 133, 233: Spaltdichtung
34, 134, 234: Dichtungsspalt
35, 135, 235: Freiraum
36, 136, 236: Dichtungsspalt
38, 138, 238: Pumpdichtung
40, 140: ferromagnetischer Ring
42, 142, 242: Statoranordnung
, 243: Joch
44, 144, 244: Permanentmagnet
46, 146, 246: Drehachse
48, 148, 248: Luftspalt
50, 150, 250: Durchführung
52, 152, 252: Apex
54, 154, 254: Apex
, 256: Speicherplatte
, 258: Abstandhalter
, 260: Druckklammer
, 262: Abdeckplatte
, 264: Schraube

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102012010945 A1 [0003]
DE 102011111062 A1 [0006]
DE 102012016575 A1 [0006]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, mit einem feststehenden Lagerbauteil (10, 12; 16, 18; 110, 112, 112a, 116, 118, 210, 212, 216, 218) und einem um eine Drehachse (46, 146, 246) drehbaren Lagerbauteil (14, 14a; 114, 114a, 214, 214a, 256, 258, 260), wobei das feststehende und drehbare Lagerbauteil (12, 16, 18, 112, 112a, 116, 118, 14, 14a, 114, 114a, 214, 214a, 256, 258, 260) im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (20, 120, 220) voneinander getrennt sind, wobei entlang des Lagerspalts (20, 120, 220) ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Radiallager (22, 24, 122, 124, 222, 224) angeordnet sind, wobei das erste Radiallager in einem axialen Abstand zum zweiten Radiallager angeordnet ist und dass das erste und das zweite Radiallager (22, 24, 122, 124, 222, 224) Lagerrillenstrukturen aufweisen, und mindestens ein Axiallager (28; 128, 227, 228) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite eines Abschnitts (20a, 120a, 220a) des Lagerspalts (20, 120, 220) im Bereich des ersten Radiallagers kleiner ist als die Spaltbreite eines Abschnitts (20b, 120b, 220b) des Lagerspalts (20, 120, 220) im Bereich des zweiten Radiallagers und/oder dass die Lagerrillenstrukturen des ersten und des zweiten Radiallagers (22, 24, 122, 124, 222, 224) unterschiedliche geometrische Eigenschaften aufweisen, wobei die geometrischen Eigenschaften folgende Merkmale umfassen: Lagerrillenbreite, Lagerrillentiefe, Lagerrillenwinkel, Lagerillenanzahl, Grove-to-Pitch-Verhältnis.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des symmetrischen Anteils des ersten Radiallagers (22, 122, 224) größer oder gleich der axialen Länge des symmetrischen Anteils des zweiten Radiallagers (24, 124, 222) ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Schwerpunktes des drehbaren Lagerbauteils (14, 14a; 114, 114a, 214, 214a, 256, 258, 260) zu einem Apex (52, 152, 254) des ersten Radiallagers (22, 122, 224) geringer oder gleich dem Abstand des Schwerpunktes des drehbaren Lagerbauteils zu einem Apex (54, 154, 252) des zweiten Radiallagers (24, 124, 222) ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Radiallager (22, 24, 122, 124, 222, 244) denselben Lagerdurchmesser aufweisen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite des Abschnitts (20b, 120b, 220b) des Lagerspalts (20, 120, 220) im Bereich des zweiten Radiallagers (24, 124, 222) zwischen 30% und 60% größer ist als die Spaltbreite des Abschnitts (20a, 120a, 220a) des Lagerspalts (20, 120, 220) im Bereich des ersten Radiallagers (22, 122, 224).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite des Abschnitts (20a, 120a, 220a) des Lagerspalts (20, 120, 220) im Bereich des ersten Radiallagers (22, 122, 224) zwischen 1,5 und 4 Mikrometer beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillenbreite des ersten Radiallagers (22, 122, 224) kleiner ist als die Lagerrillenbreite des zweiten Radiallagers (24, 124, 222).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillentiefe des ersten Radiallagers (22, 122, 224) kleiner ist als die Lagerrillentiefe des zweiten Radiallagers (24, 124, 222).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerrillenwinkel des ersten Radiallagers (22, 122, 224) kleiner ist als der Lagerrillenwinkel des zweiten Radiallagers (24, 124, 222).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Grove-to-Pitch Verhältnis des ersten Radiallagers (22, 122, 224) kleiner ist als das Grove-to-Pitch Verhältnis des zweiten Radiallagers (24, 124, 222).
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 gekennzeichnet durch einen elektromagnetisches Antriebssystem bestehend aus einer Statoranordnung (42, 142, 242), die mit dem feststehenden Lagerbauteil (10, 12; 16, 18; 110, 112, 112a, 116, 118, 210, 212, 216, 218) verbunden ist und einem Permanentmagneten (44, 144, 244) und/oder einem Joch (243), die mit dem Rotorbauteil (14, 114, 214) verbunden sind.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 11, wobei mindestens eine Speicherplatte (256) mit dem Rotorbauteil (14, 114, 214) verbunden ist und durch den Spindelmotor drehend angetrieben wird.