-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1. Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystems werden vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken und Lüftern verwendet.
-
Stand der Technik
-
Es sind vielfältige Bauformen von fluiddynamischen Lagersystemen bekannt. In der Regel bestehen diese Lagersysteme aus mindestens zwei Lagerbauteilen, die um eine gemeinsame Drehachse relativ zueinander drehbar angeordnet sind. Die beiden Lagerbauteile umfassen in der Regel eine Welle und eine Lagerbuchse, die eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Welle rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse und bildet zusammen mit dieser ein fluiddynamisches Radiallager. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerbuchse sind durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. Die Welle trägt eine Nabe, auf der z. B. Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der beschriebenen Anordnung entlang der Rotationsachse wird durch mindestens ein fluiddynamisches Axiallager verhindert. Gemäß einer verbreiteten Bauweise werden zwei fluiddynamische Axiallager vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise am Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse und der anderen Stirnfläche die innen liegende Stirnfläche einer Gegenplatte zugeordnet ist. Die Gegenplatte bildet ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt eindringt. Bei dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges Lagerfluid, beispielsweise ein Lageröl verwendet. Die andere Seite des Lagerspalts wird durch einen Dichtungsspalt abgedichtet.
-
Die modernen Motoren werden vorzugsweise mit einem Lagerfluid mit niedriger Viskosität geschmiert, welches die Lagerreibung reduziert aber gleichzeitig eine hohe Verdampfungsrate aufweist.
-
Der Lagerspalt ist durch einen Dichtungsspalt abgedichtet, der als ringförmiger kapillarer Spalt ausgebildet ist, wobei die Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt eine relativ große Grenzfläche zur Außenatmosphäre bildet, was eine Verdampfung des Lagerfluids begünstigt. Die Grenzfläche zwischen Lagerfluid und der Außenatmosphäre wird bestimmt durch die effektive Querschnittsfläche des Dichtungsspalts an der Grenzfläche von Lagerfluid und Atmosphäre.
-
Um ein Entweichen von Lagerfluiddampf aus dem Lagerbereich zu verhindern oder zu minimieren ist es bekannt, jenseits des Dichtungsspaltes einen sehr schmalen Labyrinthspalt vorzusehen, der als Barriere für das verdampfte Lagerfluid wirkt. Wie es in der
DE 10 2012/006 021 A1 offenbart ist, befindet sich dieser Labyrinthspalt beispielsweise zwischen dem Außenumfang der Lagerbuchse und einer inneren Umfangsfläche der Nabe und reduziert den Gasaustausch zwischen dem Bereich des Lagers oberhalb des Dichtungsspaltes und dem Innenraum des Spindelmotors. Der Labyrinthspalt ist ein Ringspalt mit relativ großer Querschnittsfläche, so dass immer noch Lagerfluiddampf aus dem Lager entweichen kann. Der austretende Lagerfluiddampf führt zu einer Kontamination der Motorbauteile außerhalb des Lagers und reduziert die für das Lager verfügbare Menge an Lagerfluid.
-
Die
US 2013/004348 A1 offenbart einen Spindelmotor, der eine Lagerbuchse mit einer Stufe aufweist und einen Labyrinthspalt, der zwischen dem Außenumfang der Lagerbuchse und dem Innenumfang der Nabe auf dem kleineren Durchmesser der Lagerbuchse angeordnet ist. Hierbei ist jedoch die axiale Länge des Labyrinthspalts deutlich geringer als die axiale Länge des Dichtungsspalts.
-
Gegenstand der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein fluiddynamisches Lagersystem besser gegenüber Austreten von verdampften Lagerfluid abzudichten, so dass eine höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Lagersystems erreicht wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Das beschriebene fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil, welches eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung aufweist, und ein rotierendes Lagerbauteil, welches eine in der Lagerbohrung angeordnete Welle und ein an der Welle befestigtes Rotorbauteil aufweist, wobei die Welle und die Lagerbuchse durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind, und der Lagerspalt mittels eines Dichtungsspalt abgedichtet ist. Die Lagerbuchse weist an ihrer äußeren Umfangsfläche einen abgestuften Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser auf, wobei eine äußere Umfangsfläche des Abschnitts der Lagerbuchse mit einer inneren Umfangsfläche der Nabe einen Labyrinthspalt bildet.
-
Erfindungsgemäß weist der Labyrinthspalt eine axiale Länge L1 und der Dichtungsspalt eine axiale Länge L3 auf, wobei die axiale Länge L1 des Dichtungsspalts größer ist als die axiale Länge L3 des Dichtungsspalts.
-
Der Labyrinthspalt ist konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet und befindet sich auf einem wesentlich kleineren Durchmesser als bisher üblich, so dass sich die effektive Querschnittsfläche des Labyrinthspalts deutlich reduziert und sich dadurch auch der Gasaustausch zwischen dem Lager und dem Motorraum durch den Labyrinthspalt wesentlich verringert.
-
Vorzugsweise ist der größte Außendurchmesser zumindest eines Teils des Labyrinthspalts deutlich kleiner als der größte Außendurchmesser der Lagerbuchse. Dieser reduzierte Außendurchmesser des Labyrinthspalts verringert dessen effektive Querschnittsfläche deutlich.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Spaltbreite g1 des Labyrinthspalts kleiner gleich 100 Mikrometer, in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kleiner gleich 70 Mikrometer. Je kleiner die Spaltbreite des Labyrinthspalts ist, desto kleiner wird die effektive Querschnittsfläche und desto größer dessen Dichtwirkung.
-
Die Dichtungswirkung des Labyrinthspalts hängt einerseits von der effektiven Querschnittsfläche ab, also von der Spaltbreite sowie der Umfangslänge des ringförmigen Labyrinthspalts, und außerdem insbesondere von der axialen Länge L1 des Labyrinthspalts. Die axiale maximal mögliche Länge L1 des Labyrinthspalts ist begrenzt durch den verfügbaren axialen Bauraum des Spindelmotors und eine axiale Länge L2 der Verbindung zwischen der Welle und dem Rotorbauteil. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Länge L1 des Labyrinthspalts kleiner ist als die axiale Länge L2 der Verbindung zwischen der Welle und dem Rotorbauteil. Dies ist in sofern vorteilhaft, dass bei der Montage des Rotorbauteils auf die Welle die Welle zuerst in Kontakt mit dem Rotorbauteil kommt und das Rotorbauteil in Bezug auf die Welle zentriert wird, bevor das Rotorbauteil den Außendurchmesser der Lagerbuchse erreicht. Somit ist sichergestellt, dass das Rotorbauteil und die Lagerbuchse im Bereich des Labyrinthspalts bei der Montage nicht beschädigt werden. Vorzugsweise soll die Länge L1 des Labyrinthspalts möglichst groß gewählt werden, insbesondere nicht sehr viel kleiner als die Verbindungslänge L2.
-
Der Dichtungsspalt ist als ringförmiger, im Querschnitt konischer Kapillarspalt ausgebildet und weist eine maximale Spaltbreite g4 von etwa 300 Mikrometer auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Dichtungsspalt eine axiale Länge L3 aufweist, wobei die Länge L1 des Labyrinthspalts vorzugsweise größer ist als die axiale Länge L3 des Dichtungsspalts.
-
Jenseits des Labyrinthspalts in Richtung des Motorraums des Spindelmotors vergrößert sich der Abstand zwischen dem Außendurchmesser der Lagerbuchse und der inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils von der Spaltbreite g1 des Labyrinthspalts auf einen Wert g2 von beispielsweise 300 Mikrometer. Allerdings ist die Spaltbreite g2 bevorzugt deutlich geringer und in einer abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung ist die Spaltbreite g2 größer oder gleich der Spaltbreite g1 und kleiner als 3g1. Insbesondere ist bevorzugt die Spaltbreite g2 kleiner als die maximale Spaltbreite g4 des Dichtungsspalts. Dadurch kann die Dichtwirkung zusätzlich erhöht werden.
-
Die Dichtwirkung kann desweiteren durch optionale aktive Pumpstrukturen, die auf dem Außendurchmesser der Lagerbuchse und/oder dem Innendurchmesser des Rotorbauteils entlang des Labyrinthspalts angeordnet sind, weiter erhöht werden. Diese Pumpstrukturen erzeugen eine Pumpwirkung, die die Luft des Labyrinthspalts und den eventuell darin enthaltenen Lagerfluiddampf in Richtung des Lagerinneren befördert.
-
Vorzugsweise sind der Lagerspalt und der Dichtungsspalt mit einem Lagerfluid einer niedrigen Viskosität, vorzugsweise kleiner gleich 0,018 Pas gefüllt.
-
Die Erfindung betrifft insbesondere auch einen Spindelmotor, der ein fluiddynamisches Lager mit den oben genannten Merkmalen aufweist. Ein solcher Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt werden, wobei der Spindelmotor in einem Gehäuse des Festplattenlaufwerkes angeordnet ist und mindestens eine Speicherplatte drehend antreibt. Das Festplattenlaufwerk umfasst ferner eine Schreib-Leseeinrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte.
-
Ein solcher Spindelmotor ist auch zum Antrieb eines Lüfters geeignet.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
-
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
-
Der Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem umfasst eine Basisplatte 32 mit einer im Wesentlichen zentralen Öffnung, in welcher eine Lagerbuchse 10 beispielsweise im Klebe- oder Presssitz gehalten ist. Die Lagerbuchse 10 weist eine axiale Lagerbohrung zur Aufnahme einer Welle 12 auf. Der Durchmesser der Welle 12 ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der Lagerbohrung, so dass zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem Außendurchmesser der Welle 12 ein ringförmiger, zur Rotationsachse 18 konzentrischer Lagerspalt 16 gebildet wird. Der Lagerspalt 16 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Welle 12 kann frei in der feststehenden Lagerbuchse 10 um die Rotationsachse 18 rotieren.
-
Durch die einander zugewandten Lagerflächen der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 werden zwei fluiddynamische Radiallager 20, 22 gebildet, die in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Radiallager 20, 22 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen sind beispielsweise sinus- oder chevronförmig ausgebildet und üben bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 zwischen Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid aus, und erzeugen im Lagerspalt 16 einen hydrodynamischen Druck, so dass die fluiddynamischen Radiallager 20, 22 tragfähig werden. Das obere Radiallager 20 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die eine gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid überwiegend in das Lagerinnere, d. h. in Richtung des unteren Radiallagers 22 fördern. Das untere Radiallager 22 umfasst symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die keine Pumpwirkung in eine Richtung erzeugen. Die beiden Radiallager 20, 22 sind durch einen Separatorspalt 21 voneinander getrennt, der gegenüber dem Lagerspalt 16 eine deutlich größere Spaltbreite aufweist.
-
Am freien Ende der Welle 12 ist eine Nabe 26 befestigt. Die Nabe kann beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerks tragen, oder ein Lüfterrad eines Lüfters.
-
Eine Verschiebung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse 18 wird durch zwei konzentrisch zur Rotationsachse 18 angeordnete fluiddynamische Axiallager 28, 30 verhindert. Das erste fluiddynamische Axiallager 28 ist zwischen einer Stirnfläche einer bevorzugt an einem Ende der Welle 12 angeordneten ringförmigen Druckplatte 14 und einer gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse 10 gebildet. Das zweite fluiddynamische Axiallager 30 ist zwischen der anderen Stirnfläche der ringförmigen Druckplatte 14 und einer gegenüberliegenden Fläche einer Abdeckplatte 24 gebildet. Die Abdeckplatte 24 verschießt das Lagersystem an dieser Seite und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 16 eindringt oder Lagerfluid austritt. Die Druckplatte 14 und die Abdeckplatte 24 sind in zugeordneten Aussparungen der Lagerbuchse 10 angeordnet. Die Lagerflächen der beiden fluiddynamischen Axiallager 28, 30 sind in bekannter Weise mit fischgrätenartigen oder spiralförmigen Lagerrillenstrukturen (nicht dargestellt) versehen. Die Lagerflächen der Axiallager 28, 30 sind durch den Lagerspalt 16 voneinander getrennt.
-
Das verbleibende offene Ende des Lagerspalts 16, unterhalb der Nabe 26, ist in bekannter Weise durch eine konische Kapillardichtung 40 abgedichtet. Die konische Kapillardichtung 40 ist mit dem Lagerspalt 16 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Die konische Kapillardichtung 40 wirkt gleichzeitig als Ausgleichsvolumen und Reservoir für das Lagerfluid. Der Dichtungsspalt 40 verbreitert sich im Anschluss an den Lagerspalt 16 schlagartig und weist im axialen Verlauf nach außen hin zunächst konstant diese verbreiterte Spaltbreite auf. Dieser Bereich ist die sogenannte Ruhezone. Anschließend an diese Ruhezone weitet sich der Dichtungsspalt 40 zum Lageräußeren hin in einem Winkel von zum Beispiel 10 Grad auf, so dass sich ein konischer Querschnitt ergibt.
-
Der Spindelmotor wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, das im Wesentlichen aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung 34 und einem an der Nabe 26 angeordneten Rotormagneten 36 besteht. Der magnetische Kreis des Rotormagneten wird durch einen Rückschlussring 38 geschlossen.
-
Der Dichtungsspalt 40 liegt in axialer Verlängerung des Lagerspalts 16 und weist eine axiale Länge L3 auf, die bei einem Spindelmotor beispielsweise zum Antrieb eines 3,5 Zoll Festplattenlaufwerkes rund 1,35 mm betragen kann. Der Dichtungsspalt 40 weitet sich ausgehend von der Ruhezone anschließend an den Lagerspalt 16 in Richtung der Nabe 26 auf und besitzt am Ende eine maximale Spaltbreite g4 von 300 Mikrometer oder weniger, beispielsweise 250 Mikrometer.
-
Der Dichtungsspalt 40 endet in einem radial verlaufenden Luftspalt 42 zwischen der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 10 und einer unteren Stirnfläche der Nabe 26.
-
Die Lagerbuchse 10 weist keinen gleichbleibenden Außendurchmesser auf, sondern ist im oberen Bereich abgestuft, so dass sie einen oberen Abschnitt 10a mit kleinerem Außendurchmesser aufweist. Der äußere Umfangsfläche des Abschnitts 10a mit kleinerem Durchmesser verläuft etwa parallel zur Rotationsachse 18 und ist von einer inneren Umfangsfläche der Nabe 26 umgeben, wobei sich zwischen der äußeren Umfangsfläche des Abschnitts 10a der Lagerbuchse 10 und der inneren Umfangsfläche der Nabe 26 ein axial verlaufender Labyrinthspalt 44 ergibt, dessen Spaltbreite g1 wesentlich kleiner ist als eine Spaltbreite g3 des Luftspalts 42. Die Spaltbreite g3 muss groß genug gewählt sein, so dass sie einen Schutz gegen ein unerwünschtes Aufeinandertreffen der Stirnfläche der Lagerbuchse 10 und der gegenüberliegenden Unterseite der Nabe 26 während der Montage bietet. Die Spaltbreite g1 der Labyrinthspalts 44 ist kleiner gleich 100 Mikrometer, beispielsweise 70 Mikrometer. Der Labyrinthspalt 44 ist konzentrisch zum Dichtungsspalt 40 angeordnet und liegt zumindest abschnittsweise etwa auf derselben axialen Position wie der Dichtungsspalt 40.
-
Die axiale Länge L1 des Labyrinthspalts 44 ist vorzugsweise deutlich größer als die axiale Länge L3 des Dichtungsspalts 40, beispielsweise mindestens zweimal so groß, bevorzugt jedoch kleiner als die axiale Verbindungslänge L2 zwischen der Welle 12 und der Nabe 26. Bei der Montage des Spindelmotors wird die Nabe 26 auf die Welle 12 aufgepresst, wobei auf Grund der Bedingungen L1 < L2 zunächst die Welle 12 in Kontakt mit der Nabe 26 gelangt und in der Nabenbohrung zentriert wird, bevor die Nabe 26 in den Bereich der Lagerbuchse 10 gelangt. Dadurch wird eine Beschädigung der Lagerbuchse 10 bzw. der Nabe 26 bei der Montage verhindert. Bei einem Spindelmotor zum Antrieb eines 3,5 Zoll Festplattenlaufwerks beträgt die Länge L1 beispielsweise 2.5 mm und die Länge L2 beträgt beispielsweise 3.4 mm.
-
Vorzugsweise ist der größte Außendurchmesser D1 der Lagerbuchse 10 im Bereich des ringförmigen Labyrinthspalts 44 deutlich kleiner als der größte Durchmesser D2 der Lagerbuchse 10. Die Differenz von D2 und D1 entspricht etwa dem Durchmesser D der Welle 12. Dadurch ergibt sich eine im Vergleich dem Stand der Technik deutlich kleinere Umfangslänge des Labyrinthspalts 44 und damit auch eine kleinere effektive Querschnittsfläche, so dass das das aus dem Dichtungsspalt 40 verdampfte Lagerfluid daran gehindert wird, durch den Labyrinthspalt 44 hindurch nach außen in den Motorraum zu gelangen.
-
Jenseits des Labyrinthspalts 44 schließt sich ein radial verlaufender Spalt an, der eine deutlich größere Spaltbreite aufweist, als der Labyrinthspalt 44. Diese Spaltbreite muss ebenfalls groß genug gewählt sein, so dass sie einen Schutz gegen ein unerwünschtes Aufeinandertreffen der Stufe der Lagerbuchse 10 und der gegenüberliegenden Unterseite der Nabe 26 während der Montage bietet. An diesen radial verlaufenden Spalt schließt sich in axialer Richtung ein weiterer axial verlaufender Spalt 46 an, der zwischen einem Innenumfang der Rotornabe 26 und dem Außenumfang der Lagerbuchse 10 im Bereich des größeren Außendurchmessers D2 der Lagerbuchse angeordnet ist und der vorzugsweise eine maximale axiale Spaltbreite g2 von 300 Mikrometer aufweist. Bevorzugt ist die Spaltbreite g2 dieses Spalts 46 größer oder gleich der Spaltbreite g1, jedoch kleiner als 2g1. Insbesondere ist die Spaltbreite g2 des Spalts 46 vorzugsweise kleiner als die maximale Spaltbreite g4 des Dichtungsspalts 40. Vorzugsweise ist die axiale Länge L4 des Spalts 46 kleiner als die Fügelänge L2 zwischen der Welle 12 und der Nabe 26.
-
Der Spalt 46 führt weiter in den Motorraum, wo die Statoranordnung 34 und der Rotormagnet 36 angeordnet sind.
-
Vorzugsweise kann zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Nabe 26 bzw. einer äußeren Umfangsfläche des an der Nabe 26 befestigten Rückschlussrings 38 und einer gegenüberliegenden inneren Umfangsfläche der Basisplatte 32 ein weiterer axial verlaufender Labyrinthspalt 48 angeordnet sein. Dieser dient als weitere Barriere und verhindert, dass über den Labyrinthspalt 44 in den Motorraum gelangter Lagerfluiddampf aus dem Motorraum in die Umgebung entweichen kann. Die Spaltbreite des zweiten Labyrinthspalts 48 liegt vorzugsweise in derselben Größenordnung wie die Spaltbreite g1 des ersten Labyrinthspalts 44.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Lagerbuchse
- 10a
- abgestufter Abschnitt
- 12
- Welle
- 14
- Druckplatte
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Rotationsachse
- 20
- Radiallager
- 22
- Radiallager
- 24
- Abdeckplatte
- 26
- Nabe
- 28
- Axiallager
- 30
- Axiallager
- 32
- Basisplatte
- 34
- Statoranordnung
- 36
- Rotormagnet
- 38
- Rückschlussring
- 40
- Dichtungsspalt
- 42
- Luftspalt
- 44
- Labyrinthspalt
- 46
- Spalt
- 48
- Labyrinthspalt
- D1, D2
- Durchmesser
- L1, L2, L3, L4
- Länge
-
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
-
- DE 102012/006021 A1 [0005]
- US 2013/004348 A1 [0006]
