DE102014013193A1

DE102014013193A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102014013193A1
Application number: DE102014013193.9A
Authority: DE
Inventors: Tamara Herbstritt
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wobei das Lagersystem mindestens zwei relativ zueinander drehbar gelagerte Lagerbauteile aufweist, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt durch mindestens einen Dichtungsspalt abgedichtet ist, der mit dem Lagerspalt verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist, wobei ein zumindest abschnittsweise mit einem Dichtungsfluid gefüllter Barrierespalt vorgesehen ist, wobei der Dichtungsspalt zwischen dem Barrierespalt und dem Lagerspalt angeordnet ist, wobei zwischen der Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt und dem Barrierespalt ein Luftraum vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist das Dichtungsfluid eine ionische oder eine viskoelastische Flüssigkeit.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme der oben genannten Art werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt. Es handelt sich dabei um Miniaturlager, deren Lagerkomponenten Abmessungen von einigen Millimetern aufweisen. Die bekannten fluiddynamischen Lager umfassen mindestens ein feststehendes und mindestens ein drehbares Lagerbauteil. Die beiden Lagerbauteile umfassen Lagerflächen, die durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Die Lagerflächen sind durch einen Lagerspalt voneinander getrennt, der einige Mikrometer breit ist und mit einem vorzugsweise flüssigen Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Sobald sich die beiden Lagerbauteile relativ zueinander drehen, erzeugen die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid, wodurch im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, der das Lager tragfähig macht. Es sind fluiddynamischen konische Lager sowie fluiddynamische Radiallager und fluiddynamische Axiallager bekannt.
Als Lagerfluid in solchen fluiddynamischen Lagersystemen kleiner Bauart werden insbesondere Esteröle bzw. Diesteröle verwendet. Die verwendeten Esteröle oder Diesteröle haben typischerweise eine Viskosität von 3 bis 25 mm²/s und besitzen einen relativ hohen Dampfdruck. Aufgrund des Dampfdruckes ergibt sich über die Zeit eine relativ hohe Verdunstung des Lageröls. Durch die Verdunstung des Lageröls reduziert sich die im Lagerspalt vorhandene Menge an Lagerfluid, da Fluiddampf aus dem Lager entweicht und nicht mehr als Schmiermittel zur Verfügung steht. Wird die Fluidmenge im Lagerspalt zu gering, kann es zu einer Beschädigung des Lagers kommen. Ein weiteres Problem ist, dass der Fluiddampf an kälteren Stellen innerhalb des Spindelmotors kondensieren kann. Dadurch bilden sich Öltröpfchen, die zu Lesefehlern oder im schlimmsten Fall zum Ausfall einer vom Spindelmotor angetriebenen Festplatte führen können. Um die Verdunstung des Lagerfluids aus dem Lager zu reduzieren, ist der Lagerspalt abgedichtet, beispielsweise durch Dichtungsspalte oder, soweit möglich, luftdicht abgedeckt. Dennoch besitzen derartige fluiddynamische Lagersysteme einen durch Verdunstung verursachten Verlust an Lagerfluid von beispielsweise 0,5 Milligramm bis 10 Milligramm bei 70 Grad Temperatur über einen Zeitraum von 5 Jahren.
Um eine ausreichende Lebensdauer des Lagersystems zu gewährleisten, müssen die unvermeidlichen Verluste an Lagerfluid durch Verdunstung berücksichtigt werden, indem ein ausreichender Vorrat an Lagerfluid im Lagersystem vorgesehen wird. Hierzu sind entsprechende Reservoirs vorgesehen, die mit dem Lagerspalt verbunden sind. Andererseits darf der Vorrat an Lagerfluid nicht zu groß sein, da sich dadurch die Eigenschaften des fluiddynamischen Lagers bezüglich Schockbelastbarkeit und Vibrationseigenschaften verschlechtern können bzw. die Gefahr eines Austretens von Lageröl aus dem Lager besteht.
Um das Verdunsten des Lagerfluids aus dem Dichtungsspalt zu reduzieren ist in der US 2008/0101738 A1 eine weitere Dichtung in einem Abstand zu dem Dichtungsspalt vorgesehen. Die zweite Dichtung besteht aus einem Spalt, der mit einem Fluid mit geringerer Verdunstungsrate als das Lagerfluid gefüllt ist. Desweiteren ist ein Kanal vorgesehen, der einen Druckausgleich auf beiden Seiten der Dichtung gewährleistet.
Bei der Entwicklung und der Spezifizierung von fluiddynamischen Lagersystemen muss daher eine Balance zwischen der vorgesehenen Lebensdauer und der Robustheit des Lagers auf äußere Einwirkungen, wie beispielsweise Schocks gewählt werden.
Derartige Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem werden insbesondere zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, optischen Laufwerken oder Lüftern eingesetzt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem Verluste an Lagerfluid durch Verdunstung reduziert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das fluiddynamische Lagersystem weist zwei relativ zueinander drehbar gelagerte Lagerbauteile auf, die durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Der Lagerspalt ist durch mindestens einen Dichtungsspalt abgedichtet, der mit dem Lagerspalt verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Es ist ein zumindest abschnittsweise mit einem Dichtungsfluid gefüllter Barrierespalt vorgesehen. Der Dichtungsspalt ist zwischen dem Barrierespalt und dem Lagerspalt angeordnet. Zwischen der Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt und dem Barrierespalt ist ein Luftraum vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist das Dichtungsfluid im Barrierespalt eine ionische oder eine viskoelastische Flüssigkeit.
Der Barrierespalt und das darin enthaltene Dichtungsfluid sind zwischen Oberflächen der beiden relativ zueinander beweglichen Lagerbauteile angeordnet.
Zur Herstellung des Umgebungsdrucks im Luftraum kann dieser vorzugsweise über mindestens eine Belüftungsöffnung mit der Außenumgebung verbunden sein. Als Außenumgebung wird hier das Lagersystem umgebende Atmosphäre bezeichnet. Dies kann die Erdatmosphäre sein, die unter atmosphärischem Luftdruck steht, oder eine in Bezug auf Gaszusammensetzung und Druck definierte Außenatmosphäre, wie sie z. B. in einem abgeschlossenen Gehäuse herrscht.
Aufgrund der Belüftungsöffnung herrscht an beiden Enden des Barrierespalts stets derselbe Umgebungsdruck, vorzugsweise Atmosphärendruck.
Das im Barrierespalt verwendete Dichtungsfluid kann eine ionische Flüssigkeit oder eine viskoelastische Flüssigkeit umfassen. Vorzugsweise ist der Dampfdruck des Dichtungsfluids um mindestens den Faktor 2 kleiner als der Dampfdruck des im Dichtungsspalt verwendeten Lagerfluids. Insbesondere ionische Flüssigkeiten haben einen sehr geringer Dampfdruck von typischerweise 10^–13 bar. Die Erfindung kombiniert die Vorteile eines sehr schmalen Barrierespalts mit dem Einsatz eines im Barrierespalt eingebrachten Dichtungsfluids für die Verwendung als Dampfsperre zur Abdichtung in fluiddynamischen Lagersystemen. Das Dichtungsfluid verhindert oder minimiert ein Verdunsten des Lagerfluids aus dem Dichtungsspalt.
Vorzugsweise kann das Dichtungsfluid aus der Gruppe der auf Imidazol-, Phosphonium- oder Pyrolidiniumsalzen basierenden ionischen Flüssigkeiten ausgewählt werden.
Das Dichtungsfluid, das sich im Barrierespalt befindet, zeigt aufgrund seines äußerst geringen Dampfdrucks keine merkliche Verdunstung, so dass der sehr geringe Dampf des Lagerfluids im Dichtungsspalt zurückgehalten wird und nicht aus dem Lager austreten kann. Da aufgrund der Dichtwirkung des Dichtungsfluids im Barrierespalt keine nennenswerte Verdunstung von Lagerfluid aus dem Lager erfolgt, kommen derartige fluiddynamische Lager mit einem sehr kleinen Fluidreservoir oder sogar ganz ohne ein Fluidreservoir aus.
Die kleinste Spaltbreite des Barrierespalts ist vorzugsweise größer als die größte Spaltbreite des Lagerspalts und gleich groß oder kleiner als die größte Spaltbreite des Dichtungsspalts.
Hierbei kann der Barrierespalt zumindest entlang eines mit dem Dichtungsfluid gefüllten Abschnitts eine gleichbleibende Spaltbreite aufweisen. Alternativ kann der Barrierespalt eine sich ändernde Spaltbreite aufweisen. Vorzugsweise ist dabei zumindest innerhalb des mit dem Dichtungsfluid gefüllten Abschnitts eine Verengung vorgesehen.
Es ist vorteilhaft, wenn der Barrierespalt eine möglichst große Länge aufweist. Die maximal verfügbare Länge für den Barrierespalt wird jedoch durch die Größe und Bauweise des fluiddynamischen Lagersystems bestimmt.
Vorzugsweise werden Dichtungsfluide mit einer hohen Oberflächenspannung verwendet. Hierfür können beispielsweise ionischen Flüssigkeiten verwendet werden. Die Oberflächenspannung von ionischen Flüssigkeiten ist typischerweise größer als 35 Millinewton/Meter, wodurch die ionische Flüssigkeit allein durch Kapillarkräfte im Barrierespalt gehalten wird.
Aufgrund der vorzugsweisen Verwendung von Dichtungsfluiden mit extrem niedrigem Dampfdruck wird für die Abdichtung in dem Barrierespalt nur eine sehr geringe Menge dieses Dichtungsfluids benötigt, beispielsweise wenige Mikroliter, da kaum Dichtungsfluid durch Verdunstung entweicht.
Verdunstendes Lagerfluid aus dem Inneren des Lagers wird durch das Dichtungsfluid im Inneren des Lagers gehalten. Es tritt daher aufgrund der Verdunstung kein Lagerfluid aus dem Lager aus und kann folglich nicht in den Bereich des Motorraumes gelangen.
Vorzugsweise wird ein Dichtungsfluid ausgewählt, das auch gute Schmiereigenschaften aufweist, die erfindungsgemäß von Vorteil sind, um die Reibung im Bereich des Barrierespalts zwischen dem Dichtungsfluid und den Oberflächen des Barrierespalts gering zu halten. Somit wird die Gesamtreibung des Lagers durch die Erfindung kaum beeinträchtigt. Dafür werden beispielsweise ionische Flüssigkeiten ausgewählt, die bei einer Temperatur von 20°C eine Viskosität zwischen 90 cP und 1000 cP aufweisen. Bevorzugt werden ionische Flüssigkeiten gewählt, deren Viskosität bei 20°C zwischen 90 cP und 500 cP liegt.
Wie bekannt, bestehen ionische Flüssigkeiten ausschließlich aus Ionen. Definitionsgemäß handelt es sich bei ionischen Flüssigkeiten um organische Verbindungen, welche als Salze vorliegen und unter 100°C flüssig sind. Es handelt sich somit um flüssige Salze, ohne dass das Salz zusätzlich in einem Lösungsmittel gelöst ist. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus Kationen und Anionen, wobei die Größe und die Symmetrie der beteiligten Ionen so angeordnet sind, dass die Bildung eines starken Kristallgitters verhindert wird, so dass die Salze bei Raumtemperatur nicht zu einer festen Kristallstruktur erhärten.
Ionische Flüssigkeiten besitzen einen extrem niedrigen Dampfdruck. Ein weiterer Vorteil ist, dass ionische Flüssigkeiten durch die beweglichen Kationen und Anionen elektrisch leitfähig sind. Die beiden Lagerbauteile eines fluiddynamischen Lagers sind durch den Lagerspalt und das nicht leitende Lagerfluid elektrisch voneinander getrennt. Dadurch können statische Ladungen nicht schnell abfließen. Durch die elektrisch leitende ionische Flüssigkeit, die in der Regel zwischen Oberflächen der beiden Lagerbauteile angeordnet ist, kann jedoch ein Potentialausgleich stattfinden und somit eine statische Aufladung verhindert werden.
Die Oberflächen der den Barrierespalt begrenzenden Lagerbauteile können mit einem Material mit niedriger Oberflächenspannung beschichtet sein. Da ionische Flüssigkeiten eine sehr hohe Oberflächenspannung haben, wird durch diese Beschichtung die Rückhaltung der ionischen Flüssigkeit im Barrierespalt verstärkt.
Es ist notwendig, dass sich das Dichtungsfluid nicht in dem verwendeten Lagerfluid löst oder mit diesem reagiert. In der Regel haben ionische Flüssigkeiten eine sehr hohe elektrochemische Stabilität, so dass sie grundsätzlich mit anderen Stoffen nicht oder nur in geringem Maße reagieren.
Die verwendeten Dichtungsfluide sind vorzugsweise nicht mit dem Lagerfluid mischbar, wie es beispielsweise für einige ionische Flüssigkeiten auf Basis von Imidazolsalzen in Esterölen der Fall ist. Dies ist beispielsweise für die Löslichkeit von 1-Butyl-3-Methylimidazolium Tosylate [C4MIM][Tos] in Capronsäuremethylester bei einer Zusammensetzung der Mischung mit einem Massenbruch ω_IL > 0.2 im Temperaturbereich von 5 bis 78 Grad Celsius gegeben. Es können aber auch andere ionische Flüssigkeiten benutzt werden, wenn diese lediglich partiell, aber nicht vollständig mit dem Lagerfluid mischbar sind, beispielsweise 1-Butyl-3-Methylimidazolium Oktylsulfat [C4MIM][OcSO4], 1-Oktyl-3-Methylimidazolium Tetrafluoroborsäure [C8MIM][BF4] oder andere chemisch verwandte Zusammensetzungen.
Der Temperaturbereich für die Anwendung von ionischen Flüssigkeiten liegt beispielsweise zwischen –20 bis +80 Grad Celsius, was sich sehr gut mit dem geforderten Betriebstemperaturbereich von fluiddynamischen Lagersystemen deckt.
Alle bekannten Bauarten von fluiddynamischen Lagersystemen zur Drehlagerung von Spindelmotoren, also beispielsweise Radiallager, Axiallager sowie konische oder sphärische Lager können mit den erfindungsgemäßen Barrierespalten und geeigneten flüssigen Dichtungsmedien ausgerüstet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche drehbar gelagerte Nabe mit einem Rand, der einen Vorsprung in Richtung der Lagerbuchse aufweist. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Innenumfang des Vorsprungs des Randes der Nabe und den Außenumfang der Lagerbuchse begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche drehbar gelagerte Nabe mit einem Rand. Die Lagerbuchse weist einen Vorsprung in Richtung des Randes auf. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Innenumfang des Randes der Nabe und den Außenumfang des Vorsprungs der Lagerbuchse begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche drehbar gelagerte Nabe mit einem Rand, der an seiner inneren Umfangsfläche eine Aussparung aufweist, in der ein Einsatzteil angeordnet ist. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Innenumfang des Einsatzteils und den Außenumfang der Lagerbuchse begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das fluiddynamische Lagersystem ein becherförmiges feststehendes Lagerbauteil auf, in dem eine Lagerbuchse drehbar angeordnet ist, die einen radial nach außen verlaufenden Vorsprung aufweist. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Innenumfang des feststehenden Lagerbauteils und die Oberfläche des radial nach außen verlaufenden Vorsprungs begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das fluiddynamische Lagersystem ein becherförmiges feststehendes Lagerbauteil auf, in dem eine Lagerbuchse drehbar angeordnet ist, die einen radial nach innen verlaufenden Vorsprung aufweist. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Innenumfang des feststehenden Lagerbauteils und die Oberfläche des radial nach innen verlaufenden Vorsprungs begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine um eine feststehende Welle drehbar angeordnete Lagerbuchse, auf der eine Abdeckung befestigt ist, die in axialer Richtung zum Lageräußeren hin einen Rand aufweist. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Außenumfang der Welle und den Innenumfang des Randes der Abdeckung begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine um eine feststehende Welle drehbar angeordnete Lagerbuchse. An der Welle ist eine Abdeckung befestigt, die in axialer Richtung zum Lagerinneren hin einen Rand aufweist. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Außenumfang der Lagerbuchse und den Innenumfang des Randes der Abdeckung begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine um ein becherförmiges feststehendes Lagerbauteil drehbare Nabe, die einen Rand aufweist. Am Innenumfang des Rades und/oder am Außenumfang des feststehenden Lagerbauteils können dabei Nuten oder Rillen eingebracht sein. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Außenumfang des feststehenden Lagerbauteils und den Innenumfang des Randes der Nabe begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche drehbar gelagerte Nabe. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Innenumfang der Nabe und den Außenumfang der Lagerbuchse begrenzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine in einer feststehenden Lagerbuche drehbar gelagerte Welle. Vorzugsweise wird der Barrierespalt in radialer Richtung durch den Außenumfang Welle und den Innenumfang der Lagerbuchse begrenzt.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden, der beispielsweise mittels eines elektromagnetischen Antriebsystems zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, optischen Laufwerken oder Lüftern eingesetzt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A, 1B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
2A, 2B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einer gegenüber den 1A, 1B abgewandelten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
3A, 3B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einer gegenüber den 2A, 2B abgewandelten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
4A, 4B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
5A, 5B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einer gegenüber den 4A, 4B abgewandelten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
6A, 6B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
7A, 7B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einer gegenüber 6A, 6B abgewandelten Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems.
8A, 8B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager in einer vierten Ausgestaltung der Erfindung.
9 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung.
10A, 10B zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager gemäß einer gegenüber 9 abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung.
11A, 11B zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager gemäß einer gegenüber 9 abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1A, 1B, 2A, 2B, 3A und 3B zeigen jeweils Halbschnitte durch einen Aufbau eines Spindelmotors mit sechs unterschiedlichen Ausgestaltungen eines fluiddynamischen Lagersystems. Die Lagersysteme unterscheiden sich hauptsächlich in der Ausgestaltung des Barrierespalts.
Anhand von 1A wird der Aufbau der in 1A bis 3B dargestellten Spindelmotoren beschrieben. Die Spindelmotoren umfassen ein feststehendes Motorbauteil und ein rotierendes Motorbauteil, die mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zueinander drehgelagert sind. Das feststehende Motorbauteil umfasst eine Basisplatte 32, an welcher die übrigen feststehenden Motorkomponenten angeordnet sind. Die Basisplatte 32 weist ein zentrales hülsenförmiges Teil mit einer zentralen Öffnung auf, in welcher eine Lagerbuchse 10 befestigt ist, beispielsweise durch Einpressen, Einkleben oder Schweißen. Die Lagerbuchse 10 weist eine Lagerbohrung auf und ist Teil eines feststehenden Lagerbauteils. Eine Welle 12 ist in der Bohrung der Lagerbuchse 10 um eine Rotationsachse 18 drehbar angeordnet. Die Welle 12 ist Teil eines drehbaren Lagerbauteils. Die Welle 12 hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Lagerbohrung in der Lagerbuchse 10, so dass zwischen dem Außendurchmesser der Welle 12 und dem Durchmesser der Lagerbohrung ein Teil eines Lagerspalts 16 gebildet wird, der mit einem Lagerfluid 40 beispielsweise Lageröl, gefüllt ist.
In einem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 16 entlang der Welle 12 sind in einem Abstand zueinander zwei fluiddynamische Radiallager 20 und 22 angeordnet, welche durch entsprechende Lagerrillenstrukturen auf der Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 10 bzw. der Umfangsfläche der Welle 12 gekennzeichnet sind. Die Lagerrillenstrukturen können beispielsweise sinus-, parabel-, fischgrät- oder chevronförmig ausgebildet sein. Das obere Radiallager 20 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die eine gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid überwiegend in das Lagerinnere, d. h. Richtung des unteren Radiallagers 22 fördern. Das untere Radiallager 22 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 16 erzeugen. Es kann vorgesehen sein, dass das untere Radiallager ebenfalls asymmetrische Lagerrillenstrukturen aufweist (nicht zeichnerisch dargestellt). In diesem Fall sind die Lagerrillenstrukturen so ausgebildet, dass sie eine Pumpwirkung nach unten in Richtung des unteren Endes der Welle 12 erzeugen. Die beiden Radiallager 20, 22 sind durch einen Separatorspalt 21 voneinander getrennt, der gegenüber dem Lagerspalt 16 eine deutlich größere Spaltbreite aufweist. Bei einer Drehung der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 wird durch die Lagerrillenstrukturen der Radiallager 20, 22 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 befindliche Lagerfluid erzeugt, wodurch ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 16 aufgebaut wird.
Das untere Ende des Lagers ist durch eine Abdeckung 30 verschlossen. Die Abdeckung 30 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 befestigt ist und verschließt die Lagerbuchse 10 an diesem Ende Luft- und Öldicht. An diesem Ende der Welle 12 ist auch ein Stopperbauteil 14 angeordnet, das in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckung 30 angeordnet ist. Das Stopperbauteil 14 bildet Anschlagflächen zusammen mit der Lagerbuchse 10 und der Abdeckung 30 und verhindert eine übermäßige axiale Verschiebung und ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10.
Ein freies Ende der Welle 12, welches aus der Bohrung der Lagerbuchse 10 hinausragt, ist mit einer Nabe 34 verbunden, welche im Wesentlichen einen glockenförmigen Querschnitt hat und das Lagersystem teilweise umschließt. Die Nabe 34 ist beispielsweise auf das freie Ende der Welle 12 aufgepresst.
Die obere Stirnfläche der Lagerbuchse 10, die an die Unterseite der Nabe 34 angrenzt, sowie die angrenzende Fläche der Unterseite der Nabe 34 bilden die Lagerflächen eines Axiallagers 26. Die beiden Lagerflächen des Axiallagers 26 sind durch einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 16 getrennt, welcher sich oberhalb des oberen Radiallagers 20 an den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 16 anschließt. Das Axiallager 26 ist, wie die beiden Radiallager 20, 22, ebenfalls durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 10 und/oder der Oberfläche der Nabe 34 angeordnet sind. Das Axiallager 26 umfasst beispielsweise spiralförmige oder fischgrätförmige Lagerrillenstrukturen, die eine in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 16 gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid in das Innere des Lagerspaltes 16 in Richtung der Radiallager 20, 22 fördern.
Die Nabe 34 weist einen umlaufenden, etwa zylindrischen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein Rotormagnet 46 befestigt ist. Der Rotormagnet 46 umschließt eine Statoranordnung 44, die an einem hülsenförmigen Ansatz der Basisplatte 32 befestigt ist. Die Statoranordnung 44 bildet mit dem Rotormagneten 46 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors. Die Statoranordnung 44 besteht aus einem Magnetkern sowie entsprechenden Phasenwicklungen, die auf den Magnetkern gewickelt sind. Wird der Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes verwendet, werden auf der Nabe 34 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) befestigt und von dieser in Drehung versetzt.
In axialer Richtung gegenüberliegend dem Rotormagneten 46 ist ein ferromagnetischer Zugring 48 vorgesehen, welcher der unteren Stirnseite des Rotormagneten 46 gegenüber liegt. Der ferromagnetische Zugring 48 wird vom Rotormagneten 46 magnetisch angezogen und erzeugt eine dem Axiallager 26 entgegengesetzt gerichtete axiale Kraft auf die Nabe 34. Dadurch wird das Lagersystem in axialer Richtung vorgespannt und stabilisiert. Zusätzlich oder alternativ ist ein magnetischer Versatz (Offset) zwischen der Statoranordnung 44 und dem Rotormagneten 46 vorgesehen, der erreicht wird durch einen axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten 46 relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 44. Auch hierdurch wird eine axiale Gegenkraft zum fluiddynamischen Axiallager 26 generiert.
Vorzugsweise ist in der Lagerbuchse 10 ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen, der das geschlossene Ende des Lagers, also den Bereich unterhalb des Stopperbauteils 14 mit dem offenen Ende des Lagers im Bereich des Axiallagers 26 miteinander verbindet. Der Rezirkulationskanal 28 verläuft vorzugsweise schräg durch die Lagerbuchse 10 und mündet mit einem Ende radial außerhalb des Axiallagers 26, mit dem anderen Ende in der Aussparung in der Lagerbuchse 10 im Bereich des Stopperbauteils 14. Dadurch kann das Lagerfluid durch den Lagerspalt 16 und den Rezirkulationskanal 28 zirkulieren.
Der Lagerspalt 16 verläuft in radialer Richtung entlang des Axiallagers 26, knickt dann in axialer Richtung ab und verläuft entlang der beiden zwischen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 angeordneten Radiallagern 20, 22 und verläuft anschließend im Bereich der Aussparung der Lagerbuche 10 am unteren Ende des Lagers um das Stopperbauteil 14 zwischen Lagebuchse 10 bzw. Abdeckung 30 und Stopperbauteil 14. Radial außerhalb des Axiallagers 26 weitet sich der Lagerspalt 16 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand auf, der dann etwa rechtwinklig abknickt und in einen im wesentlichen axial verlaufenden und anteilig mit einem Lagerfluid 40 gefüllten Dichtungsspalt 38 übergeht. Der Dichtungsspalt 38 ist als Kapillardichtung, insbesondere als konische Kapillardichtung, ausgebildet und bildet ferner ein Reservoir und ein Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid. Der Dichtungsspalt 38 wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 sowie eine gegenüberliegende innere Unfangsfläche eines Randes 34a der Nabe 34. Die den Dichtungsspalt 38 begrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 10 und des Randes 34a der Nabe 34 können parallel zur Rotationsachse 18 verlaufen, sie sind jedoch vorzugsweise beide im Verlauf vom Lagerinneren zum Lageräußeren (d. h. in der 1 nach unten) leicht radial nach innen in Richtung zur Rotationsachse 18 geneigt. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser des Randes 34a der Nabe 34 in Richtung zur Öffnung des Dichtungsspaltes 38 in geringerem Maße ab als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 10, so dass sich ein im Wesentlichen konischer Querschnitt des Dichtungsspaltes 38 ergibt.
Der Dichtungsspalt 38 stellt die Schnittstelle zwischen dem Lagerfluid 40, welches sich im Dichtungsspalt 38 befindet, und der Umgebung dar. Die Oberfläche des im Dichtungsspalt 38 befindlichen Lagerfluids 40 ist relativ groß, da der Dichtungsspalt 38 ringförmig um den Außenumfang der Lagerbuchse 10 verläuft.
Da die üblicherweise verwendeten Lagerfluide einen relativ hohen Dampfdruck und damit eine relativ hohe Verdunstungsrate aufweisen, verdunstet eine nicht unerhebliche Menge des Lagerfluids während des Betriebes des Lagersystems über den Dichtungsspalt 38 in den Motorraum des Spindelmotors. Um die durch Verdunstung hervorgerufenen Verluste an Lagerfluid aufzufangen, dient der Dichtungsspalt 38 gleichzeitig als Fluidreservoir und musste bisher ein entsprechend großes Volumen aufweisen, um für die Lebensdauer des Lagersystems ausreichend Lagerfluid zur Verfügung stellen zu können.
Erfindungsgemäß wird die Verdunstung des Lagerfluids 40 aus dem Dichtungsspalt 38 reduziert, indem jenseits des Dichtungsspalts 38 ein Barrierespalt 50 angeordnet wird, der vorzugsweise eine geringere Spaltbreite als der Dichtungsspalt 38 aufweist und zumindest abschnittsweise mit einem Dichtungsfluid 42 gefüllt ist. Entsprechend dem axial verlaufenen Abschnitt des Dichtungsspalts 38 wird der Barrierespalt 50 gebildet durch eine innere Umfangsfläche des Randes 34a der Nabe 34 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10. Zur Bildung einer Verengung im Barrierespalt 50 kann z. B. die innere Umfangsfläche des Randes 34a der Nabe 34 einen radial nach innen zur Welle 12 gerichteten Vorsprung aufweisen. Ausgehend von einem Luftraum 66, der zwischen dem Dichtungsspalt 38 und dem Barrierespalt 50 angeordnet ist, verläuft die Oberfläche des Vorsprungs des Rands 34a der Nabe 34 in axialer Richtung zum Lageräußeren hin, also in Richtung weg vom Dichtungsspalt 38, zunächst schräg nach innen in Richtung der Lagerbuchse 10, im weiteren Verlauf parallel zu der Außenumfangsfläche der Lagerbuchse 10 und am Ende wieder schräg nach außen. Die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 verläuft dabei in derselben Richtung wie im Bereich des Dichtungsspalts 38. Somit verengt sich die Spaltbreite des Barrierespalts 50 zunächst bis zur der Stelle, an der die beiden den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen parallel verlaufen und weitet sich dann in Richtung nach außen wieder auf.
Das Dichtungsfluid 42 ist vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit. Es kann aber auch eine viskoelastische Flüssigkeit sein. Dabei ist der Dampfdruck des Dichtungsfluids 42 vorzugsweise um mindestens den Faktor 10 kleiner ist als der Dampfdruck des im Dichtungsspalt 38 verwendeten Lagerfluids 40.
Das Dichtungsfluid 42 wird in Form eines Fluidrings in den Barrierespalt 50 eingebracht und wird dort durch Kapillarkräfte gehalten. Dabei wird vorausgesetzt, dass das verwendete Dichtungsfluid 42 eine ausreichend große Oberflächenspannung aufweist. Die an den Barrierespalt 50 angrenzenden Bereiche der Flächen der Lagerbuchse 10 und/oder des Randes 34a der Nabe 34 können vorzugsweise mit einem Barrierefilm 54, bestehend aus einem Material mit niedriger Oberflächenspannung, beschichtet sein, wodurch das Dichtungsfluid 42, das eine hohe Oberflächenspannung aufweist, abgehalten wird mit diesen Bereichen der Flächen in Berührung zu kommen. Dadurch wird als zusätzliche Maßnahme zur Kapillarkraft das Dichtungsfluid 42 in dem vorgesehenen Bereich des Barrierespalts 50 gehalten.
Zwischen der Oberfläche des im Dichtungsspalt 38 enthaltenen Lagerfluids 40 und dem Barrierespalt 50 ist der Luftraum 66 vorgesehen, der über eine Belüftungsöffnung 56 unter Umgebungsdruck gehalten wird. Die Belüftungsöffnung 56 führt von dem zur Umgebung offenen Motorraum hinein in den Luftraum 66 zwischen der Oberfläche des im Dichtungsspalt 38 stehenden Lagerfluids 40 und dem Barrierespalt 50. Somit herrscht an beiden Enden des Barrierespalts 50 derselbe Umgebungsdruck, vorzugsweise Atmosphärendruck. Eine Beeinflussung des Dichtungsfluids 42 im Barrierespalt 50 beispielsweise durch Temperaturschwankungen oder Druckunterschiede, welche zu einem Austretend des Dichtungsfluids 42 aus dem Barrierespalt 50 führen könnten, wird somit sicher verhindert. Die Belüftungsöffnung 56 kann sehr klein gewählt werden, vorzugsweise als Bohrung mit einem Durchmesser deutlich kleiner als 0,3 mm, so dass aus dieser Bohrung nur eine äußerst geringe Menge an verdunstetem Lagerfluid austreten kann.
Der Umgebungsdruck muss nicht mit den Atmosphärendruck übereinstimmen, da sich der Spindelmotor in einem geschlossen Gehäuse befinden kann, in welchem ein vom Atmosphärendruck abweichender Umgebungsdruck herrschen kann.
Alternativ kann auf die Belüftungsöffnung verzichtet werden (nicht zeichnerisch dargestellt, siehe 11), um ein Verdunsten des Dichtungsfluids aus dem Barrierespalt zu minimieren, was jedoch wiederum das Risiko eines Austretens des Dichtungsfluids aus dem Barrierespalt erhöht.
Das im Barrierespalt 50 enthaltene Dichtungsfluid 42 verschließt den Dichtungsspalt 38 nach außen und bildet eine Dampfsperre zur Umgebung und verhindert somit, dass verdunstendes Lagerfluid 40 über den Dichtungsspalt 38 aus dem Lager austreten kann.
Vorzugsweise ist das verwendete Dichtungsfluid 42 nicht mit dem verwendeten Lagerfluid 40 mischbar, so dass im unwahrscheinlichen Fall einer Berührung zwischen Lagerfluid 40 und Dichtungsfluid 42 eine gegenseitige Kontamination der beiden Fluide ausgeschlossen werden kann.
1B zeigt einen Spindelmotor mit dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem, wobei der einzige Unterschied zu 1A in der Ausgestaltung des Barrierespalts 50 liegt. Ein den Barrierespalt 50 radial nach außen begrenzender Rand 34b der Nabe 34 hat keinen Vorsprung, wie der Rand 34a in 1A, sondern verläuft am Ende des Dichtungsspalts 38 parallel zur gegenüberliegenden Oberfläche der Lagerbuchse 10. Der Luftraum 66 am Ende des Dichtungsspalts 38 hat somit die gleiche Spaltbreite wie die größte Spaltbreite des Dichtungsspalts 38. Im Bereich des Barrierespalts 50 verläuft der Rand 34b der Nabe 34 parallel zur Rotationsachse 18, so dass sich die Spaltbreite des Barrierespalts 50 zum Lageräußeren hin verbreitert. Die Oberflächen des Randes 34b der Nabe 34 und des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 verlaufen im Bereich des Barrierespalts 50 vorzugsweise parallel, so dass der Barrierespalt 50 eine etwa konstante Spaltbreite aufweist und zumindest abschnittweise mit dem Dichtungsfluid 42 gefüllt ist. Die an den Barrierespalt 50 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen können dabei mit Barrierefilm 54 beschichtet sein.
Die 2A und 2B zeigen Spindelmotoren mit dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem, wobei im Unterschied zu den 1A und 1B die Begrenzung des Barrierespalts unterschiedlich ausgestaltet ist.
In 2A wird der Barrierespalt 50 gebildet durch eine innere Umfangsfläche eines Randes 34c der Nabe 34 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10. Zur Bildung einer Verengung im Barrierespalt 50 weist die Lagerbuchse 10 an ihrer äußeren Umfangsfläche einen radial nach außen in Richtung des Randes 34c der Nabe 34 gerichteten Vorsprung 10a auf. Ausgehend vom Luftraum 66 verläuft die Oberfläche des Vorsprungs 10a der Lagerbuchse 10 in axialer Richtung zum Lageräußeren hin zunächst schräg nach außen in Richtung des Randes 34c der Nabe 34, im weiteren Verlauf parallel zu der Innenumfangsfläche des Randes 34c der Nabe 34, die im Bereich des Barrierespalts 50 parallel zur Rotationsachse 18 verläuft und am Ende wieder schräg nach innen in Richtung der Welle 12. Somit verengt sich die Spaltbreite des Barrierespalts 50 zunächst bis zur der Stelle, an der die beiden den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen parallel verlaufen und weitet sich dann in Richtung des Lageräußeren wieder auf. Die an den Barrierespalt 50 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen können dabei mit Barrierefilm 54 beschichtet sein.
2B zeigt einen Spindelmotor mit dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem, wobei der einzige Unterschied zu 2A in der Ausgestaltung des Barrierespalts 50 liegt. Eine den Barrierespalt 50 begrenzende äußere Umfangsfläche eines Vorsprungs 10b der Nabe 10 verläuft vom Luftraum 66 ausgehend in axialer Richtung zum Lageräußeren hin zunächst radial schräg nach außen in Richtung eines Randes 34d der Nabe 34 und dann im weiteren Verlauf parallel zu der Innenumfangsfläche des Randes 34d der Nabe 34. Die innere Umfangsfläche des Randes 34d der Nabe 34 verläuft zunächst parallel zur Rotationsachse 18 und weist an ihrem Ende eine radial nach außen, also weg von dem Vorsprung 10b, verlaufende Schräge auf. Der Barrierespalt 50 ist zumindest abschnittweise mit dem Dichtungsfluid 42 gefüllt. Die an den Barrierespalt 50 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen können dabei mit Barrierefilm 54 beschichtet sein.
Die 3A und 3B zeigen Spindelmotoren mit dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem, wobei im Unterschied zu den 1A und 1B eine Begrenzungsfläche des Barrierespalts durch ein separates Einsatzteil gebildet wird.
Entsprechend der 3A ist an der inneren Umfangsfläche eines Randes 34e der Nabe 34 eine Aussparung angeordnet, in welcher ein Einsatzteil 52 angeordnet ist. Der Barrierespalt 50 wird in radialer Richtung begrenzt durch eine innere Umfangsfläche des Einsatzteils 52 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10. Zur Bildung einer Verengung im Barrierespalt 50 verläuft ausgehend vom Luftraum 66 die Oberfläche des Einsatzteils 52 in axialer Richtung zum Lageräußeren hin zunächst schräg nach innen in Richtung der Lagerbuchse 10, im weiteren Verlauf parallel zu der Außenumfangsfläche der Lagerbuchse 10, die in derselben Richtung wie im Bereich des Dichtungsspalts 38 verläuft und anschließend am Ende wieder schräg nach außen in Richtung des Randes 34e der Nabe 34. Somit verengt sich die Spaltbreite des Barrierespalts 50 zunächst bis zur der Stelle, an der die beiden den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen parallel verlaufen und weitet sich dann in Richtung des Lageräußeren wieder auf. Die an den Barrierespalt 50 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen können dabei mit Barrierefilm 54 beschichtet sein.
In 3B verläuft die Oberfläche des Einsatzteils 52b, das in der Aussparung an der inneren Umfangsfläche des Randes 34e der Nabe eingesetzt ist parallel zur gegenüberliegenden Umfangsfläche der Lagerbuchse 10. Die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 verläuft dabei in derselben Richtung wie im Bereich des Dichtungsspalts 38, so dass der Barrierespalt 50 eine konstante Spaltbreite aufweist und zumindest abschnittweise mit dem Dichtungsfluid 42 gefüllt ist. Die an den Barrierespalt 50 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 50 begrenzenden Flächen können dabei mit Barrierefilm 54 beschichtet sein.
Die 4A, 4B, 5A und 5B zeigen jeweils einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine sich drehende Lagerbuchse 110, wobei in eine zentrale Lagerbohrung der Lagerbuchse 110 eine feststehende Welle 112 eingesetzt ist, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Die Welle 112 ist an ihrer Unterseite in einem feststehenden Lagerbauteil 115 drehfest befestigt. Das feststehende Lagerbauteil 115 ist in einer Basisplatte 132 eingelassen, kann aber auch einteilig mit dieser ausgeführt werden. An der Oberseite der Welle 112 ist ein einteilig mit der Welle 112 oder ein separat ausgebildetes Stopperbauteil 114 angeordnet, das einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist und eine übermäßige axiale Verschiebung der Lagerbuchse 110 auf der Welle 112 verhindert. Das Stopperbauteil 114 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 110 angeordnet, an deren radial außen gelegenem Rand eine umlaufende Rille 111 angeordnet ist, die das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter Vibrationen verbessert. Aneinander angrenzende Flächen der Lagerbuchse 110, der Welle 112, des Stopperbauteils 114 und des Lagerbauteils 115 – die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können – sind durch einen Lagerspalt 116, der mit einem geeigneten Lagerfluid 140, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist, voneinander getrennt.
Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 112 und der Lagebuchse 110 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 120, 122 aus, mittels denen die Lagerbuchse 110 um eine Rotationsachse 118 drehbar um die feststehende Welle 112 gelagert ist. Die Radiallager 120, 122 sind in axialer Richtung durch einen Separatorspalt 121 voneinander getrennt, der eine größere Spaltbreite als der Lagerspalt im Bereich der Radiallager 120, 122 aufweist und in der Lagerbuchse 110 und/oder der Welle 112 ausgebildet sein kann. Die Radiallager 120, 122 sind durch beispielsweise sinus-, chevron-, fischgrät- oder parabelförmige Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 112 und/oder der Lagerbuchse 110 aufgebracht sind. Die Lagerstrukturen der Radiallager 120, 122 üben bei Rotation der Lagerbuchse 110 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 116 zwischen Welle 112 und Lagerbuchse 110 befindliche Lagerfluid 140 aus. Dadurch wird im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut, der die Radiallager 120, 122 tragfähig macht. Das obere Radiallager 120 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass die Lagerrillenstrukturen oberhalb und unterhalb des Apex gleich lang ausgebildet sind. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen gibt es keine generierte Netto-Pumpwirkung, die auf das Lagerfluid 140 wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 122 asymmetrisch ausgebildet, insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der unterhalb des Apex angeordnet ist, länger ausgebildet ist als der Teil, der oberhalb angeordnet ist. Hierdurch eine Netto-Pumpwirkung auf das Lagerfluid 140 ausgeübt, welche das Lagerfluid 140 axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 120 befördert.
Eine obere, ebene Fläche des feststehenden Lagerbauteils 115 bildet zusammen mit einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 110 ein fluiddynamisches Axiallager 126 aus. Die Stirnfläche der Lagerbuchse 110 und/oder die gegenüberliegende Fläche des feststehenden Lagerbauteils 115 ist mit beispielsweise spiral- oder fischgrätförmigen Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Rotation der Lagerbuchse 110 eine Pumpwirkung in Richtung der Welle 112 auf das im Lagerspalt 116 befindliche Lagerfluid 140 ausüben, so dass das Axiallager 126 tragfähig wird. Die Lagerrillen des Axiallagers 126 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 110, also vom inneren bis zum äußeren Rand und münden radial außen in einen Ringspalt 127, der eine größere Spaltbreite aufweist, als der radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 116 im Bereich des Axiallagers 126.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Fluidlagersystems bildet die Aussparung der Lagerbuchse 110, in der das Stopperbauteil 114 angeordnet ist eine radiale verlaufende Fläche aus, die mit der entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 114 einen radialen Spalt bildet. Entlang dieses radialen Abschnitts des Lagerspalts 116 kann ein zweites optionales Axiallager angeordnet sein.
An den äußeren Enden des Lagerspalts 116 ist je ein Dichtungsspalt 136, 138 angeordnet, der den Lagerspalt 116 an dem jeweiligen Ende abdichtet. Der axial verlaufende obere Dichtungsspalt 138 ist durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 110 und des Stopperbauteils 114 begrenzt. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 verläuft dabei parallel zur Rotationsachse 118. Die Oberfläche des Stopperbauteils 114 verläuft im Bereich des Dichtungsspalts 138 ebenfalls zunächst parallel zur Rotationsachse 118 und geht dann in einen schräg zur Rotationsachse 118 verlaufenden Abschnitt über, so dass sich eine konische Erweiterung des Dichtungsspalts 138 ergibt. Entlang des Dichtungsspalts 138 ist vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 124 angeordnet. Die Pumpdichtung 124 ist durch Rillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 114 und/oder der Lagerbuchse 110 angeordnet sein können. Die Pumpdichtung 124 reicht im axialen Verlauf nicht bis in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 116, da zwischen der Pumpdichtung 124 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 116 eine sogenannte Ruhezone benötigt wird, um zu vermeiden, dass Luft in das Lager gelangt.
Oberhalb des Dichtungsspalts 138 schließt sich ein ringförmiges Reservoir an, das durch die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 und die Oberfläche des Stopperbauteils 114 begrenzt wird. Das Reservoir ist vorzugsweise so groß, dass es das gesamte im Lager befindliche Volumen des Lagerfluids 140 aufnehmen kann und dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid 140.
Das Lager bzw. das Reservoir ist von einer ringförmigen Abdeckung 130 abgedeckt. Die Abdeckung 130 ist auf einen stirnseitigen Rand der Lagerbuchse 110 aufgesteckt und dort beispielsweise angeklebt, aufgepresst und/oder verschweißt. Der innere Umfang der Abdeckung 130 kann zusammen mit dem gegenüberliegenden Außenumfang der Welle 112 eine Spaltdichtung 164 ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid 140 aus dem Dichtungsspalt 138.
Der untere Dichtungsspalt 136 ist durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 110 und des feststehenden Lagerbauteils 115 begrenzt. Der Dichtungsspalt 136 umfasst den gegenüber dem Lagerspalt 116 verbreiterten radial verlaufenden Ringspalt 127, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht. 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 110 und des feststehenden Lagerbauteils 115 können jeweils relativ zur Rotationsachse 118 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0 Grad und 5 Grad. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 größer als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 115, wodurch sich eine konische Erweiterung der Dichtungsspalts 136 ergibt.
In der Lagerbuchse 110 ist eine Öffnung bzw. ein Rezirkulationskanal 128 vorgesehen, der einen am äußeren Rand des Axiallagers 126 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 116 mit einem oberhalb des oberen Radiallagers 120 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 116 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte 132 angeordnete Statoranordnung 144 und einem die Statoranordnung 144 in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Rotormagneten 146, der an einer inneren Umfangsfläche einer einteilig mit der Lagerbuchse 110 ausgeformten Nabe 134 angeordnet ist. Prinzipiell ist es auch möglich, die Nabe und die Lagerbuchse als zwei getrennte Bauteile aus zu bilden.
In axialer Richtung unterhalb des Rotormagneten 146 ist ein ferromagnetischer Zugring 148 vorgesehen. Der ferromagnetische Zugring 148 wird vom Rotormagneten 146 magnetisch angezogen und erzeugt eine dem Axiallager 126 entgegengesetzt gerichtete axiale Kraft auf die Nabe 134. Dies ist notwendig wenn kein zweites Axiallager vorgesehen ist, damit das Lagersystem in axialer Richtung vorgespannt und stabilisiert wird. Zusätzlich oder alternativ ist ein magnetischer Versatz (Offset) zwischen der Statoranordnung 144 und dem Rotormagneten 146 vorgesehen, der erreicht wird durch einen axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten 146 relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 144. Auch hierdurch wird eine axiale Gegenkraft zum fluiddynamischen Axiallager 126 generiert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Lagersystem einen Lagerspalt 116 mit zwei offenen Enden und jeweils einem Dichtungsspalt 136, 138 zur Abdichtung der beiden Enden des Lagerspaltes 116. Über diese Dichtungsspalte 136, 138 kann verdunstendes Lagerfluid in den Motorraum austreten. Im Bereich des oberen Dichtungsspalts 138 wird diese wirksam durch die Abdeckung 130 verhindert, welche den Dichtungsspalt 138 abdeckt und in Richtung der Welle 112 die enge Spaltdichtung 164 bildet. Der Spalt der Spaltdichtung 164 kann erfindungsgemäß mit einem Dichtungsfluid 142, beispielsweise einer ionischen Flüssigkeit abgedichtet sein, so dass auch hier kein Lagerfluiddampf aus dem Dichtungsspalt 138 entweichen kann.
Der untere Dichtungsspalt 136 wird durch eine innere Umfangsfläche des Lagerbauteils 115 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 begrenzt und ist anteilig mit Lagerfluid 140 gefüllt, wobei oberhalb des Füllstandes des Lagerfluids 140 ein Luftraum 166 gebildet wird. An diesen Luftraum 166 schließt sich in axialer Verlängerung der erfindungsgemäße Barrierespalt 150 an, der zumindest abschnittsweise mit einem flüssigen Dichtungsfluid 142 gefüllt ist. Entsprechend dem axial verlaufenden Abschnitt des Dichtungsspalts 136 wird der Barrierespalt 150 gebildet durch eine innere Umfangsfläche des Lagerbauteils 115 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110. Zur Bildung einer Verengung im Barrierespalt 150 weist. die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 einen radial nach außen in Richtung des Lagerbauteils 115 gerichteten Vorsprung 110a auf. Alternativ oder zusätzlich kann die innere Umfangsfläche des Lagerbauteils einen radial nach radial nach innen in Richtung der Lagerbuchse gerichteten Vorsprung aufweisen (nicht zeichnerisch dargestellt). Ausgehend vom Luftraum 166 verläuft die Oberfläche des Vorsprungs 110a der Lagerbuchse 110 in axialer Richtung zum Lageräußeren hin zunächst schräg nach außen in Richtung des Lagerbauteils 115, im weiteren Verlauf parallel zur Innenumfangsfläche des Lagerbauteils 115, die im Bereich des Barrierespalts 150 parallel zur Rotationsachse 118 verläuft und anschließend wieder schräg nach innen in Richtung der Welle 112. Somit verengt sich die Spaltbreite des Barrierespalts 150 zunächst bis zur der Stelle, an der die beiden den Barrierespalt 150 begrenzenden Flächen parallel verlaufen und weitet sich dann in Richtung nach außen wieder auf. Das Dichtungsfluid 142 wird in Form eines Fluidrings in den Barrierespalt 150 eingebracht und wird dort durch Kapillarkräfte gehalten. Die an den Barrierespalt 150 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 150 begrenzenden Flächen können dabei zusätzlich mit einem Barrierefilm 154 beschichtet sein, um ein Entweichen von Dichtungsfluid 142 aus dem Barrierespalt 150 zu minimieren. Das Einbringen des Dichtungsfluids 142 kann beispielsweise über eine Befüllöffnung 158 erfolgen.
Der Luftraum 166 zwischen dem Dichtungsspalt 136 und dem Barrierespalt 150 kann über eine Belüftungsöffnung 156 mit der Umgebungsatmosphäre verbunden sein. Die Belüftungsöffnung 156 führt von dem zur Umgebung offenen Motorraum hinein in den Luftraum 166 zwischen der Oberfläche des im Dichtungsspalt 136 stehenden Lagerfluids 140 und dem Barrierespalt 150. Somit herrscht an beiden Enden des Barrierespalts 150 derselbe Umgebungsdruck, vorzugsweise Atmosphärendruck.
Das im Barrierespalt 150 enthaltene Dichtungsfluid 142 verschließt den Dichtungsspalt 136 nach außen und bildet eine Dampfsperre zur Umgebung und verhindert somit, dass verdunstendes Lagerfluid über den Dichtungsspalt 136 aus dem Lager austreten kann.
Die 4B unterscheidet sich zu 4A lediglich darin, dass eine Begrenzungsfläche des Barrierespalts 150 durch ein separates Einsatzteil 132a gebildet wird, das an der Basisplatte 132 angeordnet ist. Ein an das Lagerbauteil 115 angrenzender Rand der Basisplatte 132 erstreckt sich in axialer Richtung über das Lagerbauteil 115 hinaus. Axial oberhalb der Lagerbauteils 115 ist an dem Rand der Basisplatte 132 ein Einsatzteil 132a angeordnet. Der Innenumfang des Einsatzteils 132a ist dabei vorzugsweise gleich dem Innenumfang des Lagerbauteils 115 am Ende des Lagerbauteils 115 und verläuft parallel zur Rotationsachse 118. Der Barrierespalt 150 wird begrenzt durch die Innenumfangsfläche des Einsatzteils 132a der Basisplatte 132 und die Außenumfangsfläche des Vorsprungs 110a der Lagerbuchse 110. Die an den Barrierespalt 150 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 150 begrenzenden Flächen können dabei mit Barrierefilm 154 beschichtet sein.
Am Außenumfang des Einsatzteils 132a der Basisplatte 132 können eine oder mehrere axial verlaufende Rillen vorgesehen sein, die mit einer oder mehreren radial verlaufenden Bohrungen im Rand des Lagerbauteils 115 die Belüftungsöffnung 156 bildet.
Alternativ kann das Einsatzteil auch einteilig mit der Basisplatte ausgebildet sein (nicht zeichnerisch dargestellt). Die Belüftungsöffnung ist dann als eine axiale Bohrung im Rand der Basisplatte zusammen mit einer radialen Bohrung im Rand des Lagerbauteils realisiert.
5A offenbart einen Spindelmotor, der nahezu identisch mit dem Spindelmotor von 4A ist, wobei der einzige Unterschied in der Ausgestaltung des Barrierespalts liegt. Der Barrierespalt 150 ist in axialer Verlängerung des unteren Dichtungsspalts 136 angeordnet und von diesem durch einen Luftraum 166 getrennt. Der Dichtungsspalt 136, der Luftraum 166 und der Barrierespalt 150 werden begrenzt durch eine innere Umfangsfläche des Lagerbauteils 115 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110. An den Luftraum 166 schließt sich in axialer Verlängerung der erfindungsgemäße Barrierespalt 150 an, der am Übergang zum Luftraum 166 seine größte Spaltbreite aufweist, wobei sich die Spaltbreite des Barrierespalts 150 in axialer Richtung nach oben verringert, so dass er seine kleinste Spaltbreite am Übergang zur Außenumgebung erreicht. Der Barrierespalt 150 ist zumindest abschnittsweise mit einem flüssigen Dichtungsfluid 142 gefüllt. Das Dichtungsfluid 142 ist in Form eines Fluidrings in den Barrierespalt 150 eingebracht und wird dort durch Kapillarkräfte gehalten. Oberhalb des Barrierespalts 150 kann in der Lagerbuchse 110 ein Einstich 160 vorgesehen sein, der gegebenenfalls aus dem Barrierespalt 150 austretendes Dichtungsfluid 142 auffängt, so dass es nicht in den Motorraum gelangen kann. Als zusätzliche Sicherheit können die an den Barrierespalt 150 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 150 begrenzenden Flächen mit Barrierefilm 154 beschichtet sein. Zwischen dem Dichtungsspalt 136 und dem Barrierespalt 150 kann eine Belüftungsöffnung 156 angeordnet sein.
5B zeigt einen Spindelmotor, der nahezu identisch zu dem Spindelmotor der 5A ist. Der einzige Unterschied ist die Begrenzung des Barrierespalts 150. Dieser wird nicht wie in 5A durch die innere Umfangsfläche des Lagerbauteils 115 begrenzt, sondern durch die innere Umfangsfläche eines Einsatzteils 132a der Basisplatte 132, wie in 4B beschrieben.
Die 6A, 6B, 7A und 7B zeigen jeweils Halbschnitte von fluiddynamischen Lagersystemen mit zwei konischen Lagern. Bis auf die Ausgestaltung der Barrierespalte sind die gezeigten Lagersysteme in ihrem Aufbau identisch.
Ein solches konisches Lagersystem umfasst zwei zueinander symmetrische konische Lager. In einer Bohrung einer Basisplatte 232 ist eine feststehende Welle 212 angeordnet. An der Welle 212 sind zwei ringförmige Lagerkonusse 213 mit konischer Lagerfläche in einem axialen Abstand zueinander angeordnet, die von rotierenden Lagerbuchsen 210 mit konischer Lagerfläche durch Lagerspalte 216 getrennt sind. Die Lagerspalte 216 sind mit einem Lagerfluid 240 gefüllt und durch Dichtungsspalte 236, 238 an den Enden abgedichtet. Die Lagerbuchsen 210 und/oder die Lagerkonusse 213 weisen Lagerrillenstrukturen auf, die bei Betreib des Lagersystems eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid 240 ausüben, so dass die konischen Lager tragfähig werden. Die beiden konischen Lager sind durch einen Separatorspalt 221 axial voneinander getrennt, der aber nicht mit Lagerfluid gefüllt ist sondern zwischen den inneren Dichtungsspalten 236 liegt.
Die inneren Dichtungsspalte 236, die die Lagerspalte 216 zum Lagerinneren abdichten, sind zwischen dem Außenumfang der Welle 212 und dem Innenumfang der Lagerbuchsen 210 gebildet, während die äußeren Dichtungsspalte 238, die die Lagerspalte 216 zum Lageräußeren abdichten, zwischen dem Außenumfang der Lagerkonusse 213 und dem Innenumfang der Lagerbuchsen 210 gebildet sind. Entlang der inneren Dichtungsspalte 236 kann jeweils eine dynamische Pumpdichtung 224 angeordnet sein, welche das im jeweiligen Dichtungsspalt 236 enthaltende Lagerfluid 240 in Richtung des jeweiligen Lagerspalts 216 pumpt.
Rezirkulationskanäle 228 verlaufen innerhalb der Lagerkonusse 213 und unterstützen die Zirkulation des Lagerfluids 240 innerhalb der Lagerspalte 216. Sie münden in die inneren Dichtungsspalt 236, verlaufen von dort aus zunächst parallel zur Rotationsachse 218, knicken anschließend schräg in Richtung Lageräußeren durch die Lagerkonusse 213 durch ab und münden auf ihrer anderen Seite in die äußeren Dichtungsspalte 238.
Abdeckungen 230, 231 sind an den Lagerbuchsen 210, befestigt und rotieren zusammen mit den Lagerbuchsen 210 um die feststehende Welle 212 bzw. um die mit der Welle 212 verbundenen Lagerkonusse 213. Die Abdeckungen 230, 231 decken die äußeren Dichtungsspalte 238 ab.
Die Lagerbuchsen 210 der beiden konischen Lager sind in einer Öffnung der Nabe 234 aufgenommen. Die Nabe 234 weist einen umlaufenden, etwa zylindrischen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein magnetischer Rückschluss 247 für einen Rotormagneten 246 befestigt ist. Der Rotormagnet 246 umschließt eine Statoranordnung 244, die an einem hülsenförmigen Ansatz der Basisplatte 232 befestigt ist. Die an der Basisplatte 232 befestigte Statoranordnung 244 bildet mit dem Rotormagneten 246 und dem magnetischen Rückschluss 247 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors. Wird der Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes verwendet, werden auf der Nabe 234 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) befestigt und von dieser in Drehung versetzt.
Zwischen dem Innenumfang der oberen Abdeckung 230 und dem Außenumfang der Welle 212 ist erfindungsgemäß ein schmaler Barrierespalt 250 gebildet, der mit einem umlaufenden Ring eines Dichtungsfluids 242 abgedichtet ist. Vorzugsweise weist die Abdeckung 230 an ihrem Innenumfang einen sich in axialer Richtung nach oben erstreckenden Rand 230a auf, so dass die axiale Länge des Barrierespalts 250 vergrößert wird. Der innere Rand 230a der Abdeckung 230 weist einen radial nach innen in Richtung der Welle 212 gerichteten Vorsprung auf, dessen Oberfläche ausgehend von einem Luftraum 266, der zwischen Dichtungsspalt 238 und Barrierespalt 250 angeordnet ist, in axialer Richtung zum Lageräußeren hin zunächst schräg nach innen in Richtung der Welle 212, im weiteren Verlauf parallel zur Welle 212, die parallel zur Rotationsachse 218 verläuft, und anschließend wieder schräg nach außen. Somit verengt sich die Spaltbreite des Barrierespalts 250 zunächst bis zur der Stelle, an der die beiden den Barrierespalt 250 begrenzenden Flächen parallel verlaufen und weitet sich dann in Richtung nach außen wieder auf. Die Fläche muss nicht zwingend parallel sein sondern könnte auch einen Radius beschreiben. Die größte Öffnung des Barrierespalts 250 sollte dabei mindestens so groß sein (beispielsweise 0,3 mm), dass der Barrierespalt 250 mittels eines Mikrodispensers mit dem Dichtungsfluid 242 befüllt werden kann. Der Barrierespalt 250 verhindert ein Austreten von Dämpfen des Lagerfluids 240 aus dem Lager bzw. dem Dichtungsspalt 238, da das Dichtungsfluid 242 als Dampfsperre wirkt. Die an den Barrierespalt 250 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 250 begrenzenden Flächen können mit einem Barrierefilm 254 beschichtet sein. Zur Belüftung des Luftraums 266 zwischen der Oberfläche des im Dichtungsspalt 238 befindlichen Lagerfluids 240 und dem Barrierespalt 250 weist die Abdeckung 230 eine Belüftungsöffnung 256 auf.
Zwischen dem Innenumfang der unteren Abdeckung und dem Außenumfang der Welle verbleibt ein schmaler Spalt, der optional mit Dichtungsfluid gefüllt sein kann um den Dichtungsspalt und das Lager auf dieser Seite abzudichten (nicht zeichnerisch dargestellt). Hierbei kann je nach Anwendung eine Belüftungsöffnung vorgesehen sein.
6B zeigt einen Barrierespalt 250, dessen Spaltbreite konstant ist. Die den Barrierespalt 250 begrenzenden Oberflächen der Welle 212 und des Randes 230b der Abdeckung 230 verlaufen parallel zueinander und zur Rotationsachse 218. Die an den Barrierespalt 250 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 250 begrenzenden Flächen können mit Barrierefilm 254 beschichtet sein.
Das Detail X und das Detail Y zeigen einen vergrößerten Ausschnitt der 6A und 6B im Bereich des Barrierespalts 250.
Bei den Spindelmotoren mit konischem Lagersystem gemäß den 7A und 7B ist der Barrierespalt 250 nicht zwischen der Welle 212 und der Abdeckung 230 angeordnet, sondern zwischen der Lagerbuchse 210 und einem Rand 230c, 230d der Abdeckung 230. Die Abdeckung 230 ist an ihrem axial oberen Ende mit ihrem Innenumfang am Außenumfang der Welle 212 befestigt und bildet wie auch die Welle 212 ein feststehendes Bauteil, während die Lagerbuchse 210 zusammen mit der Nabe 234 rotieren kann.
Die Lagerbuchse 210 bildet an ihrem Außenumfang eine parallel zur Rotationsachse 218 verlaufende zylindrische Fläche, die einer entsprechenden, parallel zur Rotationsachse 218 verlaufenden inneren Umfangsfläche Randes 230c der Abdeckung 230 gegenüber liegt. Zwischen diesen beiden Flächen ist der Barrierespalt 250 gebildet, der eine gleichbleibende Spaltbreite aufweist und abschnittsweise mit dem Dichtungsfluid 242 gefüllt ist. Die an den Barrierespalt 250 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 250 begrenzenden Flächen können mit Barrierefilm 254 beschichtet sein. Der Luftraum 266 unterhalb der Abdeckung 230 wird durch eine kleine Belüftungsöffnung 256 belüftet.
Zwischen dem Innenumfang der unteren Abdeckung und dem Außenumfang der unteren Lagerbuchse ist ein schmaler Spalt, der optional mit Dichtungsfluid gefüllt sein kann um den Dichtungsspalt und das Lager auf dieser Seite abzudichten (nicht zeichnerisch dargestellt). Hierbei kann je nach Anwendung eine Belüftungsöffnung vorgesehen sein.
7B zeigt einen entsprechend 7A angeordneten Barrierespalt 250, der eine parallel zur Rotationsachse 218 verlaufende Engstelle aufweist, die sich in Richtung der Enden aufweitet. Die Engstelle wird durch einen Vorsprung gebildet, der entweder am Innenumfang des Randes 230d der Abdeckung 230 oder am Außenumfang der Lagerbuchse 210 angeordnet sein kann. Die an den Barrierespalt 250 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 250 begrenzenden Flächen können mit Barrierefilm 254 beschichtet sein.
Die 8A und 8B zeigen jeweils einen Halbschnitt eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem, der dem Spindelmotor aus den 4A/B und 5A/B sehr ähnlich ist.
Der Spindelmotor in 8A umfasst eine Basisplatte 332 mit einer Öffnung, in welche ein im Querschnitt etwa becherförmiges Lagerbauteil 315 eingesetzt ist. In einer Öffnung des Lagerbauteils 315 ist eine feststehende Welle 312 angeordnet. Die Welle 312 weist neben einem Stopperbauteil 314, das als separates auf die Welle 312 aufgepresstes Bauteil ausgebildet ist und auf einer Stufe der Welle 312 axial aufliegt, einen verbreiterten Flansch 312a am unteren Ende auf. Mit diesem Flansch 312a ist die Welle 312 in eine Öffnung des feststehenden Lagerbauteils 315 eingesetzt und mit diesem vorzugsweise verschweißt. Am oberen Ende weist die Welle 312 eine zentrale Gewindebohrung auf, mit welcher dieses Ende der Welle mit einem Gehäuse des Motors bzw. Festplattenlaufwerkes direkt verschraubt werden kann. Das Gehäuse liegt dabei auf einer oberen Stirnfläche des Stopperbauteils 314.
In dem durch das Lagerbauteil 315, die Welle 312 und das Stopperbauteil 314 gebildeten Zwischenraum ist eine Lagerbuchse 310 drehbar um eine Rotationsachse 318 angeordnet. Das Stopperbauteil 314 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 310 angeordnet, an deren radial außen gelegenem Rand eine umlaufende Rille 311 angeordnet ist, die das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter Vibrationen verbessert. Die Lagerbuchse 310 ist vorzugsweise Teil einer Nabe 334 und bildet zusammen mit der Nabe 334 das Rotorbauteil des Spindelmotors.
Die feststehenden Lagerbauteile 312, 312a, 314 und 315 sind durch einen Lagerspalt 316 von den gegenüberliegenden Flächen der rotierenden Lagerbuchse 310, die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können, getrennt, wobei der Lagerspalt 316 mit einem Lagerfluid 340 gefüllt ist. Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 316 sind zwei fluiddynamische Radiallager 320, 322 mit entsprechenden Lagerrillenstrukturen angeordnet. Die Radiallagerstrukturen sind vorzugsweise in der Wandung der Lagerbohrung der Lagerbuchse 310 vorgesehen und weisen beispielsweise sinus-, parabel- oder chevronförmige Strukturen auf. Das obere Radiallager 320 ist vorzugsweise symmetrisch ausgebildet und übt bei idealer Lagerbauteilgeometrie bei Betrieb des Lagers keine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid 340 aus. Das untere Radiallager 322 ist vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet und übt bei Betrieb des Lagers eine gerichtete Pumpwirkung in Richtung des oberen Radiallagers 320 aus. Zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern befindet sich ein Separatorspalt 321, der eine größere Spaltbreite aufweist, als vergleichsweise der Lagerspalt 316 im Bereich der Radiallager.
Entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 316, d. h. zwischen der oberen Stirnfläche des Flansches 312a der feststehenden Welle 312 und einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 310 ist ein fluiddynamisches Axiallager 326 angeordnet.
Radial außerhalb des Axiallagers 326 geht der radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 316 in einen Ringspalt 327 über, der eine größere Spaltbreite aufweist als der Lagerspalt 316 im Bereich des Axiallagers 326. Der Ringspalt 327 geht in einen anteilig mit Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt 336 über, der sich größtenteils in axialer Richtung erstreckt und durch eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 315 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 310 gebildet ist. Oberhalb des Füllstandes des Lagerfluids 340 im Dichtungsspalt 336 erstreckt sich ein Luftraum 366 in axialer Richtung nach oben bis an den oberen Rand 315a des Lagerbauteils 315 und weiter radial nach außen wo der Luftraum 366 durch den oberen Rand 315a des Lagerbauteils 315 und eine untere Stirnfläche der Nabe 334 begrenzt wird.
Dort geht der Luftraum 366 über in einen Barrierespalt 350, der in axialer Richtung nach unten verläuft und begrenzt wird durch eine äußere Umfangsfläche des Randes 315a des Lagerbauteils 315 und einen axial verlaufenden Rand 334a der Nabe 334. Der Barrierespalt 350 ist abschnittsweise gefüllt mit einem Dichtungsfluid 342, welches den Dichtungsspalt 336 gegen ein Austreten von verdunstetem Lagerfluid 340 abdichtet. Der Barrierespalt 350 hat einen mittleren Abschnitt mit kleiner Spaltbreite, wo sich das Dichtungsfluid 342 befindet, und zwei äußere Abschnitte, an denen sich die Spaltbreite aufweitet. Die beiden den Barrierespalt 350 begrenzenden Flächen verlaufen in dem mittleren Abschnitt parallel zur Rotationsachse 318. Die Aufweitung der Enden des Barrierespalts 350 kann durch zwei Nuten oder Rillen erreicht werden, die am Außenumfang des Lagerbauteils 315 eingebracht sind. Die an den Barrierespalt 350 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 350 begrenzenden Flächen können mit einem Barrierefilm 354 beschichtet sein.
Am anderen Ende des Lagerspaltes 316 im Bereich unterhalb des Stopperbauteils 314 verläuft der Lagerspalt 316 wiederum in radialer Richtung, wobei entlang dieses Abschnitts des Lagerspalts 316 ein zweites fluiddynamisches Axiallager 362 angeordnet sein kann. Ist das zweite Axiallager 362 vorgesehen, kann dieses so ausgelegt sein, dass beide Axiallager 326, 362 gegeneinander arbeiten und das Lagersystem im Betrieb des Spindelmotors in einem axialen Gleichgewicht halten.
Am radial äußeren Ende des oberen radialen Anschnitts des Lagerspalts 316 befindet sich ebenfalls ein kapillarer Dichtungsspalt 338, der in axialer Richtung verläuft und in einem Freiraum mündet, der mittels einer Abdeckung 330 abgedeckt ist. Der Dichtungsspalt 338 ist durch eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 310 und eine äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 314 begrenzt. Zwischen der Abdeckung 330 und der Welle 312 verbleibt ein kleiner Luftspalt, der als Spaltdichtung 364 dient und einen zusätzlichen Schutz gegen Austreten von Lagerfluid 340 aus dem Dichtungsspalt 338 bietet. Als weiterer Schutz gegen Austreten von insbesondere verdunstetem Lagerfluid 340 aus dem Dichtungsspalt 338, kann die Spaltdichtung 364 mit Dichtungsfluid 342 befüllt sein und somit auch als Barrierespalt dienen.
Entlang des kapillaren Dichtungsspaltes 338 kann vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 324 angeordnet sein. Die Pumpdichtung 324 umfasst Pumprillenstrukturen, die in der Oberfläche der Lagerbuchse 310 bzw. der Oberfläche des Stopperbauteils 314 angeordnet sind. Diese Pumprillenstrukturen üben bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren, also in Richtung Lagerspaltes 316, aus.
Voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts 316, insbesondere die Abschnitte angrenzend an die Dichtungsspalte 336, 338 sind über einen Rezirkulationskanal 328 direkt miteinander verbunden, der innerhalb der Lagerbuchse 310 vorzugsweise schräg zur Rotationsachse 318 verläuft. Der Rezirkulationskanal 328 ist vollständig mit Lagerfluid 340 gefüllt und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids 340 durch das Lager.
Der Antrieb des Spindelmotors erfolgt über ein elektromagnetisches Antriebssystem bestehend aus einer Statoranordnung 344, die an der Basisplatte 332 befestigt ist, und einem Rotormagneten 346, der an einem Innenumfang der Nabe 334 angeordnet ist. Unterhalb des Rotormagneten 346 kann ein ferromagnetischer Zugring 348 vorgesehen sein, der vom Rotormagneten 346 magnetisch angezogen wird und eine dem Axiallager 326 entgegengesetzt gerichtet axiale Kraft auf die Nabe 334 erzeugt. Dies ist notwendig wenn kein zweites Axiallager 362 vorgesehen oder dieses schwächer als das erste Axiallager 326 ausgebildet ist, damit das Lagersystem in axialer Richtung vorgespannt und stabilisiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein magnetischer Versatz (Offset) zwischen der Statoranordnung 344 und dem Rotormagneten 346 vorgesehen sein, der erreicht wird durch einen axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten 346 relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 344. Auch hierdurch wird eine axiale Gegenkraft zum fluiddynamischen Axiallager 326 generiert.
Der Spindelmotor von 8B ist nahezu identisch zum Spindelmotor von 8A aufgebaut und umfasst einen Barrierespalt 350, der einen mittleren Abschnitt mit kleiner Spaltbreite aufweist, in dem sich das Dichtungsfluid 342 befindet, und zwei äußere Abschnitte, an denen sich die Spaltbreite aufweitet. Die Aufweitung der Enden des Barrierespalts 350 kann durch Nuten oder Rillen erreicht werden, die am Innenumfang des Randes 334a der Nabe 334 eingebracht sind. Die an den Barrierespalt 350 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 350 begrenzenden Flächen können mit einem Barrierefilm 354 beschichtet sein.
9 zeigt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 432 mit einer zylindrischen Öffnung, in welcher eine Lagerbuchse 410 befestigt ist. Die Lagerbuchse 410 weist eine axiale, zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 412 drehbar aufgenommen ist. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung der Lagerbuchse 410 und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 412 ist ein Lagerspalt 416 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid 440, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist. Einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse 410 und der Welle 412 bilden zusammen zwei fluiddynamische Radiallager 420, 422, die entlang des Lagerspalts 416 angeordnet und durch entsprechende Radiallagerrillen gekennzeichnet sind. Die Radiallagerrillen sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 412 angeordnet. Sobald sich die Welle 412 in der Lagerbuchse 410 dreht, üben die Radiallagerrillen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 416 befindliche Lagerfluid 440 aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt 416 ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 416 ausbildet, der die Radiallager 420, 422 tragfähig macht. Die beiden Radiallager 420, 422 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem so genanntem Separatorspalt 421 axial voneinander getrennt. Die Lagerrillenstrukturen des oberen Radiallagers 420 sind vorzugsweise asymmetrisch ausgestaltet, d. h. sie erzeugen keine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 416, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 422 gerichtet ist. Das zweite Radiallager 422 umfasst Lagerrillenstrukturen, die beispielsweise symmetrisch angeordnet sind, so dass es eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 416 erzeugt.
An einem unteren Ende der Welle 412 ist ein Stopperbauteil 414 in Form einer sogenannten Druckplatte angeordnet, die auf die Welle 412 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 412 ausgebildet ist. Gegenüberliegend der Druckplatte 414 ist die Lagerbuchse 410 durch eine Abdeckung 430 verschlossen. Sowohl die Druckplatte 414 als auch die Abdeckung 430 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 410 konzentrisch zur Lagerbohrung aufgenommen. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 414 bilden zusammen mit gegenüberliegenden, radial verlaufenden Flächen der Lagerbuchse 410 bzw. der Abdeckung 430 zwei sich gegenüber liegende Axiallager 426, 462 aus. Die Axiallager 426, 462 sind durch Axiallagerrillen gekennzeichnet, die auf den Lagerflächen der Druckplatte 414 und/oder der Lagerbuchse 410 beziehungsweise der Abdeckung 430 angeordnet sind. Sobald die Welle 412 in der Lagerbuchse 410 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen auf den Axiallagerflächen ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 416 auf, so dass die Axiallager 426, 462 tragfähig werden und die Druckplatte 414 im Wesentlichen axial mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 410 positioniert wird. Die beiden Axiallager 426, 462 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die vorzugsweise spiralrillenförmig oder aber auch fischgrätenförmig ausgebildet sind. Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Lagerrillenstrukturen der Axiallager 426, 462 eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen der radialen Abschnitte der Lagerspalte 416 erzeugen.
Das offene Ende des Lagerspaltes 416 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 436 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 436 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 412 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 410. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 410 ist vorzugsweise abgeschrägt, so dass der Dichtungsspalt 436 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsspalt 436 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 416 verbunden und anteilig mit Lagerfluid 440 gefüllt.
Das freie Ende der Welle 412 ist mit einer Nabe 434 verbunden. Die Nabe 434 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerkes gedacht, werden auf der Nabe 434 eine oder mehrere Speicherplatten des Festplattenlaufwerkes angeordnet und befestigt.
An einer inneren Umfangsfläche der Nabe 434 ist ein magnetischer Rückschluss 447 angeordnet, der einen ringförmigen Rotormagneten 446 mit einer Mehrzahl von Polpaaren umschließt. Radial gegenüberliegend dem Rotormagnet 446 ist an der Basisplatte 432 eine Statoranordnung 444 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagnet 446 getrennt ist. Die Statoranordnung 444 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor, bestehend aus der Nabe 434 und Welle 412, in Drehung versetzt wird.
Unterhalb der Nabe, zwischen Nabe 434 und der stirnseitigen Fläche der Lagerbuchse 410, ist ein Luftraum 466 gebildet, der im Wesentlichen als radial verlaufender Spalt ausgebildet ist. Am radial äußeren Ende geht dieser Luftraum 466 in einen Barrierespalt 450 über, der axial verlaufend zwischen der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 410 und der inneren Umfangsfläche der Nabe 434 angeordnet ist und anteilig mit einem Dichtungsfluid 442 gefüllt ist. Die beiden den Barrierespalt 450 begrenzenden Flächen verlaufen im mittleren Abschnitt des Barrierespalts 450 parallel zur Rotationsachse 418. An den Enden weitere sich der Barrierespalt 450 vorzugsweise konisch auf. Die konische Aufweitung kann durch entsprechende Maschinierung der Nabe 434 oder der Lagerbuchse 410 erreicht werden. Die an den Barrierespalt 450 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 450 begrenzenden Flächen können mit einem Barrierefilm 454 beschichtet sein.
Der abgeschlossene Luftraum unterhalb der Nabe 434 zwischen dem Dichtungsspalt 436 und dem Barrierespalt 450 wird über eine in der Nabe 434 verlaufende Belüftungsbohrung 456 belüftet, die parallel zur Rotationsachse 418 durch die Nabe 434 verläuft und an der Oberseite der Nabe mündet, so dass im Luftraum 466 Umgebungsdruck herrscht. Das andere Ende des Barrierespalts 450 grenzt an den Motorraum an, in welchem ebenfalls Umgebungsdruck herrscht.
Die 10A und 10B zeigen Halbschnitte durch Spindelmotoren in einer gegenüber 9 abgewandelten Ausgestaltung. Der Grundaufbau dieser Spindelmotoren ist identisch zu 9. Die äußere Formgebung der Nabe, die Ausgestaltung des Barrierespalts und die Anordnung der Belüftungsbohrung weichen von 9 ab.
In 10A ist der Barrierespalt 450 in seiner axialen Ausdehnung etwas kürzer als in 9 und weist an seinen Enden ausgeprägte konische Aufweitungen auf. Der Barrierespalt 450 ist anteilig mit Dichtungsfluid 442 gefüllt. Die an den Barrierespalt 450 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 450 begrenzenden Flächen können mit einem Barrierefilm 454 beschichtet sein. Die Belüftung des Luftraums 466 unterhalb der Nabe 434 erfolgt über eine Belüftungsbohrung 456, die in der Lagerbuchse 410 angeordnet ist und in den Motorraum unterhalb des Barrierespalts 450 mündet. Die Belüftungsöffnung 456 verläuft zunächst vom Motorraum ausgehend innerhalb der Nabe 434 radial nach innen in Richtung der Welle 412 senkrecht zur Rotationsachse 418, knickt dann in axiale Richtung parallel zur Rotationsachse 418 in Richtung Luftraum 466 ab und mündet zum Schluss in diesem.
10B zeigt einen Barrierespalt 450 ähnlich wie in 10A, der an seinen Enden konische Aufweitungen aufweist und anteilig mit Dichtungsfluid 442 gefüllt ist. Die Aufweitung des Barrierespalts 450 in den Luftraum 466 unterhalb der Nabe 434 wird lediglich durch eine übliche Abfasung der oberen Kante Lagerbuchse 410 mit einem relativ großen Radius erreicht. Die an den Barrierespalt 450 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 450 begrenzenden Flächen können mit einem Barrierefilm 454 beschichtet sein. Die Belüftung des Luftraums 466 erfolgt durch eine Belüftungsöffnung 456 gleich wie in 10A.
11A und 11B zeigen einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der ähnlich dem Spindelmotor der 9, 10A und 10B ist und sich hauptsächlich in der Anordnung des Barrierespalts 450 unterscheidet.
Oberhalb des Dichtungsspalts 436 schließt sich der Luftraum 466 an, der in axialer Richtung deutlich kürzer ausgebildet ist, als in den vorangegangenen Figuren und, wie der Dichtungsspalt 436, zwischen Welle 412 und Lagerbuchse 410 angeordnet ist. Oberhalb des Luftraums 466 schließt sich der Barrierespalt 450 an, der ebenfalls zwischen dem Außenumfang der Welle 412 und dem Innenumfang der Lagerbuchse 410 gebildet ist. Der Barrierespalt 450 ist mit Dichtungsfluid 442 gefüllt und weist einen mittleren Abschnitt auf, der parallel zur Rotationsachse 418 verläuft und weitet sich an den Enden vorzugsweise konisch auf. Die Aufweitung kann mit einem Winkel zwischen 1° und 45° bezüglich der Rotationsachse 418 erfolgen. Die konische Aufweitung kann entweder durch entsprechende Maschinierung der Lagerbuchse 410 (11A) oder der Welle 412 (11B) erreicht werden. Die an den Barrierespalt 450 angrenzenden Bereiche der den Barrierespalt 450 begrenzenden Flächen können mit einem Barrierefilm 454 beschichtet sein. Um ein Verdunsten des Dichtungsfluids 442 aus dem Barrierespalt 450 zu vermeiden ist in dieser Ausgestaltung keine Belüftungsöffnung vorgesehen.
Das Detail X und das Detail Y zeigen einen vergrößerten Ausschnitt der 11A und 11B im Bereich des Barrierespalts 450.
Die Herstellung der Abdeckungen der 4A/B, 5A/B, 6A/B, 7A/B und 8A/B kann entweder durch Maschinieren, Tiefziehen oder Stanzen erfolgen.
Die Aufweitung der Barrierespalte ist in den gezeigten Figuren größtenteils durch eine Schräge realisiert. Sie kann jedoch auch durch einen Radius realisiert werden. Auch kann die Aufweitung lediglich auf einer Seite Barrierespalts angeordnet sein.
Optional kann in allen Ausgestaltungen an den Enden des Barrierespalts und/oder in der Belüftungsöffnung ein Filter vorgesehen sein, der etwaiges abdampfendes Lager- und/oder Dichtungsfluid auffängt, wodurch das Risiko verringert wird, dass Lager- und/oder Dichtungsfluid aus dem Dichtungs- bzw. Barrierespalt in den Motorraum gelangt.
Bezugszeichenliste

10, 110, 210, 310, 410: Lagerbuchse
10a, 10b, 110a, 110b: Vorsprung
111, 311: umlaufende Rille
12, 112, 212, 312, 412: Welle
312a: Flansch
213: Lagerkonus
14, 114, 314, 414: Stopperbauteil
115, 315: feststehendes Lagerbauteil
315a: Rand
16, 116, 216, 316, 416: Lagerspalt
18, 118, 218, 318, 418: Rotationsachse
20, 120, 320, 420: Radiallager
21, 121, 221, 321, 421: Separatorspalt
22, 122 322, 422: Radiallager
124, 224, 324: Pumpdichtung
26, 126, 326, 426: Axiallager
127, 327: Ringspalt
28, 128, 228, 328: Rezirkulationskanal
30, 130, 230, 231 330, 430: Abdeckung
230a, 230b, 230c, 230d: Rand
32, 132, 232, 332, 432: Basisplatte
132a: Einsatzteil
34, 134, 234, 334, 434: Nabe
34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 334a, 334b: Rand
36, 136, 236, 336, 436: Dichtungsspalt
138, 238, 338: Dichtungsspalt
40, 140, 240, 340, 440: Lagerfluid
42, 142, 242, 342, 442: Dichtungsfluid
44, 144, 244, 344, 444: Statoranordnung
46, 146, 246, 346, 446: Rotormagnet
247, 447: magnetischer Rückschluss
48, 148, 348: Zugring
50, 150, 250, 350, 450: Barrierespalt
52a, 52b: Einsatzteil
54, 154, 254, 354, 454: Barrierefilm
56, 156, 256, 356, 456, 456a: Belüftungsöffnung
158: Befüllöffnung
160: Einstich
362, 462: Axiallager
164, 364: Spaltdichtung
66, 166, 266, 366, 466: Luftraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0101738 A1 [0005]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wobei das Lagersystem mindestens zwei relativ zueinander drehbar gelagerte Lagerbauteile aufweist, die durch einen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (16, 116, 216, 316, 416) voneinander getrennt sind, wobei der Lagerspalt (16, 116, 216, 316, 416) durch mindestens einen Dichtungsspalt (36, 136, 236, 336, 436) abgedichtet ist, der mit dem Lagerspalt (16, 116, 216, 316, 416) verbunden und anteilig mit Lagerfluid (40, 140, 240, 340, 440) gefüllt ist, wobei ein zumindest abschnittsweise mit einem Dichtungsfluid (42, 142, 242, 342, 442) gefüllter Barrierespalt (50, 150, 250, 350, 450) vorgesehen ist, wobei der Dichtungsspalt (36, 136, 236, 336, 436) zwischen dem Barrierespalt (50, 150, 250, 350, 450) und dem Lagerspalt (16, 116, 216, 316, 416) angeordnet ist, wobei zwischen der Oberfläche des Lagerfluids (40, 140, 240, 340, 440) im Dichtungsspalt (36, 136, 236, 336, 436) und dem Barrierespalt (50, 150, 250, 350, 450) ein Luftraum (66, 166, 266, 366, 466) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsfluid (42, 142, 242, 342, 442) eine ionische oder eine viskoelastische Flüssigkeit ist.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete ionische Flüssigkeit aus der Gruppe der auf Imidazol-, Phosphonium- oder Pyrolidiniumsalzen basierenden ionischen Flüssigkeiten ausgewählt ist
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfdruck des Dichtungsfluids (42, 142, 242, 342, 442) um mindestens den Faktor 10 kleiner ist als der Dampfdruck des im Dichtungsspalt (36, 136, 236, 336, 436) verwendeten Lagerfluids (40, 140, 240, 340, 440)
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche (10) drehbar gelagerte Nabe (34) mit einem Rand (34a, 34b) umfasst, wobei der Rand (34a, 34b) einen Vorsprung in Richtung der Lagerbuchse (10) aufweist und der Barrierespalt (50) in radialer Richtung durch den Innenumfang der Vorsprung des Randes (34a, 34b) der Nabe (34) und den Außenumfang der Lagerbuchse (10) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche (10) drehbar gelagerte Nabe (34) mit einem Rand (34c, 34d) umfasst, wobei die Lagerbuchse (10) einen Vorsprung (10a, 10b) in Richtung des Randes (34c, 34d) aufweist und der Barrierespalt (50) in radialer Richtung durch den Innenumfang des Randes (34c, 34d) der Nabe (34) und den Außenumfang des Vorsprungs (10a, 10b) der Lagerbuchse (10) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche (10) drehbar gelagerte Nabe (34) mit einem Rand (34e) umfasst, wobei der Rand (34e) an seiner inneren Umfangsfläche eine Aussparung aufweist, in der ein Einsatzteil (52a, 52b) angeordnet ist, wobei der Barrierespalt (50) in radialer Richtung durch den Innenumfang des Einsatzteils (52a, 52b) und den Außenumfang der Lagerbuchse (10) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem ein becherförmiges feststehendes Lagerbauteil (115) aufweist, in dem eine Lagerbuchse (110) drehbar angeordnet ist, die einen radial nach außen verlaufenden Vorsprung (110a) aufweist, wobei der Barrierespalt (150) in radialer Richtung durch den Innenumfang des feststehenden Lagerbauteils (115) und die Oberfläche des radial nach außen verlaufenden Vorsprungs (110a) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem ein becherförmiges feststehendes Lagerbauteil (115) aufweist, in dem eine Lagerbuchse (110) drehbar angeordnet ist, die einen radial nach innen verlaufenden Vorsprung (110b) aufweist, wobei der Barrierespalt (150) in radialer Richtung durch den Innenumfang des feststehenden Lagerbauteils (115) und die Oberfläche des radial nach innen verlaufenden Vorsprungs (110b) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine um eine feststehende Welle (212) drehbar angeordnete Lagerbuchse (210) umfasst, auf der eine Abdeckung (230) befestigt ist, die in axialer Richtung zum Lageräußeren hin einen Rand (230a, 230b) aufweist, wobei der Barrierespalt (250) in radialer Richtung durch den Außenumfang der Welle (212) und den Innenumfang des Randes (230a, 230b) der Abdeckung (230) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine um eine feststehende Welle (212) drehbar angeordnete Lagerbuchse (210) umfasst, wobei an der Welle eine Abdeckung (230) befestigt ist, die in axialer Richtung zum Lagerinneren hin einen Rand (230c, 230d) aufweist, wobei der Barrierespalt (250) in radialer Richtung durch den Außenumfang der Lagerbuchse (210a) und den Innenumfang des Randes (230c, 230d) der Abdeckung (230) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine um ein becherförmiges feststehendes Lagerbauteil (315) drehbare Nabe (334) mit einem Rand (334a, 334b) umfasst, wobei der Barrierespalt (350) in radialer Richtung durch den Außenumfang des feststehenden Lagerbauteils (115) und den Innenumfang des Randes (334a, 334b) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem an dem Innenumfang des Randes (334b) und/oder dem Außenumfang des feststehenden Lagerbauteils (315) Nuten oder Rillen eingebracht sind.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine um eine feststehende Lagerbuche (410) drehbar gelagerte Nabe (434) umfasst, wobei der Barrierespalt (450) in radialer Richtung durch den Innenumfang der Nabe (434) und den Außenumfang der Lagerbuchse (410) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem eine in einer feststehenden Lagerbuche (410) drehbar gelagerte Welle (412) umfasst, wobei der Barrierespalt (450) in radialer Richtung durch den Außenumfang Welle (412) und den Innenumfang der Lagerbuchse (410) begrenzt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Spaltbreite des Barrierespalts (50, 150, 250, 350, 450) größer als die größte Spaltbreite des Lagerspalts (16, 116, 216, 316, 416) und gleich groß oder kleiner als die größte Spaltbreite des Dichtungsspalts (36, 136, 236, 336, 436) ist.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftraum (66, 166, 266, 366, 466) über mindestens eine Belüftungsöffnung (56, 156, 256, 356, 456, 456a) mit der Außenumgebung verbunden ist.
Spindelmotor mit einem Stator, einem Rotor, einem elektromagnetischen Antriebssystem und einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
Spindelmotor gemäß Anspruch 17 zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
Spindelmotor gemäß Anspruch 17 zum Antrieb eines Lüfters.
Verwendung einer ionischen oder viskoelastischen Flüssigkeit in einem Barrierespalt zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Lagerbauteilen eines fluiddynamischen Lagersystems zur Verringerung der Verdunstung von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt des Lagersystems.