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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors geeignet ist, wie er zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt wird.
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Stand der Technik
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Zur Drehlagerung von Spindelmotoren, wie sie z. B. zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, werden in der Regel fluiddynamische Lagersysteme verwendet.
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Fluiddynamische Lagersysteme sind flüssigkeitsgeschmierte Gleitlager, die in verschiedenen Bauformen bekannt sind, beispielsweise als Kombination von fluiddynamischen Radiallagern und Axiallagern oder als konische fluiddynamische Lagersysteme. Konische fluiddynamische Lagersysteme können im Vergleich zu einem Lagersystem mit Radial- und Axiallagern höhere Kräfte aufnehmen und eignen sich daher gut für Anwendungen mit hoher Last.
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Ein konisches fluiddynamisches Lagersystem ist beispielsweise in der
US 6 911 748 B2 offenbart. Dieses Lagersystem umfasst zwei gegeneinander arbeitende konische fluiddynamische Lager, die im Wesentlichen identisch aufgebaut sind. Das Lagersystem weist eine feststehende Welle auf, entlang der die konischen fluiddynamischen Lager in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Jedes konische fluiddynamische Lager umfasst einen Lagerkonus, der an der Welle befestigt ist und in einer konischen Lagerschale einer Lagerbuchse angeordnet ist. Zwischen dem Lagerkonus und der Lagerbuchse verbleibt ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt, der zwei offene Enden aufweist, die durch kapillare Dichtungsspalte abgedichtet sind.
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Die Lagerspalte der beiden konischen fluiddynamischen Lager sind nicht flüssigkeitsleitend miteinander verbunden, sondern zwischen den beiden konischen fluiddynamischen Lagern verbleibt ein luft- oder gasgefüllter Zwischenraum, der frei von Lagerfluid ist. Dieser Zwischenraum muss durch geeignete Belüftung unter demselben Druck (Umgebungsdruck) gehalten werden, wie er auch an dem anderen Ende der jeweiligen Lagerspalte anliegt.
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Ein zu großer Druckunterschied an den Enden des Lagerspaltes bzw. der Dichtungsspalte birgt die Gefahr, dass das Lagerfluid aus dem Lager austritt. Ferner muss sicher gestellt sein, dass der Zwischenraum zwischen den beiden konischen fluiddynamischen Lagern auch unter Schockeinwirkung oder Vibrationen frei von Lagerfluid bleibt und kein Lagerfluid über den Belüftungsmechanismus aus dem Lager und in den Motorraum entweichen kann.
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Aus den Schriften
US 5 246 294 A und
JP 2006 353 058 A sind fluiddynamische Lagersysteme mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein konisches fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem die Gefahr eines Austretens von Lagerfluid aus dem Zwischenraum zwischen den Lagern verringert ist und bei dem die Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem besteht aus einem ersten und einem zweiten konischen fluiddynamischen Lager, die an einer Welle in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei jedes konische fluiddynamische Lager folgende Merkmale umfasst: einen Lagerkonus, der in einer um eine Drehachse drehbaren Lagerbuchse angeordnet ist, einen Lagerspalt, der zwischen dem Lagerkonus und der Lagerbuchse gebildet und mit einem Lagerfluid gefüllt ist, einen äußeren und einen inneren kapillaren Dichtungsspalt zur Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts, wobei zwischen den benachbarten inneren kapillaren Dichtungsspalten des ersten und des zweiten konischen fluiddynamischen Lagers ein belüfteter Zwischenraum gebildet ist, der nicht mit Lagerfluid gefüllt ist, wobei in den Zwischenraum mindestens eine Belüftungsbohrung mündet, die den Zwischenraum mit der Außenumgebung verbindet, wobei die Belüftungsbohrung in der Lagerbuchse angeordnet ist. Ferner weist jeder Lagerkonus eine Bohrung zur Aufnahme der Welle auf, wobei ein zweiter Abschnitt der Bohrung einen merklich größeren Durchmesser als ein erster Abschnitt der Bohrung aufweist und mit dem Außenumfang der Welle einen Ringspalt bildet. Dieser Ringspalt ist Teil einer sogenannten Rezirkulation für das Lagerfluid.
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Die Rezirkulation umfasst eine einzelne Rezirkulationsbohrung im Lagerkonus, welche die äußere Umfangsfläche des Lagerkonus im Bereich zwischen einer konischen Lagerfläche und einer Dichtungsfläche mit der inneren Umfangsfläche des Lagerkonus im Bereich der zentralen Bohrung mit vergrößertem Durchmesser verbindet. Durch diese Rezirkulationsbohrung sind der äußere Dichtungsspalt und der Ringspalt direkt miteinander verbunden. Der Winkel, den die schräge Rezirkulationsbohrung mit der Drehachse einschließt ist größer als der Winkel, den die Lagerfläche mit der Drehachse einschließt.
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Der Querschnitt des Zwischenraumes ist vorzugsweise profiliert, wobei sich die Breite des Zwischenraumes, ausgehend von den inneren Dichtungsspalten zunächst vergrößert und dann wieder in Richtung der Mitte des Zwischenraumes verringert.
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Vorzugsweise ist die Breite des Zwischenraumes in seiner Mitte geringer als die größte Breite.
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Durch die erfindungsgemäße Geometrie des Zwischenraumes zwischen den beiden konischen fluiddynamischen Lagern wird verhindert, dass Lagerfluid in den Zwischenraum gelangt bzw. im Zwischenraum verbleibt und es wird insbesondere auch verhindert, dass Lagerfluid durch den Belüftungsmechanismus zur Belüftung des Zwischenraums austritt.
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Der Zwischenraum selbst ist von einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse und einer äußeren Umfangsfläche der Welle begrenzt.
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Das Querschnittsprofil des Zwischenraumes wird vorzugsweise durch eine entsprechende Profilierung der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse gebildet.
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Die Welle kann im Bereich des Zwischenraumes eine Rille oder einen Freistich aufweisen, der zusätzlich zur Profilierung der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse vorgesehen ist.
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Anstelle einer speziellen Profilierung der Lagerbuchse kann jedoch auch eine entsprechende Profilierung der äußeren Umfangsfläche der Welle vorgesehen sein. In diesem Fall kann dann die Lagerbuchse eine Rille oder einen Freistich aufweisen.
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Die Profilierung des Zwischenraums kann in mehrere Abschnitte unterteilt werden, die verschiedene Funktionen erfüllen. Ein erster Abschnitt des Zwischenraumes weitet sich, ausgehend von dem jeweils angrenzenden inneren Dichtungsspalt konisch auf und bildet somit eine Art konische kapillare Dichtung, welche aus dem inneren Dichtungsspalt austretendes Lagerfluid auffangen und zurückhalten soll.
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Der erste Abschnitt des Zwischenraum weitet sich auf bis zu einem Punkt, der die größte Breite des Zwischenraumes definiert. An diesem Punkt beginnt ein zweiter Abschnitt des Zwischenraums, in welchem sich die Breite des Zwischenraumes in Richtung der Mitte des Zwischenraumes wieder verringert.
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In Höhe der Mitte des Zwischenraumes wird ein dritter Abschnitt gebildet, in welchem die Belüftungsbohrung in den Zwischenraum mündet.
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In diesem dritten Abschnitt des Zwischenraums ist die Breite des Zwischenraumes vorzugsweise gleich bleibend.
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Die Breite des Zwischenraumes im dritten Abschnitt, das heißt in der Höhe der Mündung der Belüftungsbohrung, ist jedoch geringer als die größte Breite, die zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Zwischenraumes erreicht wird.
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Die Profilierung des Zwischenraums ist symmetrisch zur Mitte des Dritten Abschnitts, d.h. es gibt zwei erste Abschnitte, zwei zweite Abschnitte und einen dritten Abschnitt des Zwischenraums.
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Die Belüftungsbohrung, die in den Zwischenraum mündet, verbindet den Zwischenraum mit der Außenumgebung und sorgt dafür, dass im Zwischenraum derselbe Druck herrscht wie in der Außenumgebung des Lagers und insbesondere an den äußeren Dichtungsspalten.
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Vorzugsweise ist die Belüftungsbohrung in der Lagerbuchse angeordnet und verläuft quer zur Längsachse der Lagerbuchse von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse bis zu einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse, die den Zwischenraum begrenzt.
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Andererseits kann die Belüftungsbohrung auch in der Welle angeordnet sein, wobei die Welle in diesem Falle eine Längsbohrung aufweist, die mit der Außenumgebung verbunden ist und über eine quer zur Längeachse der Welle verlaufende Belüftungsbohrung mit dem Zwischenraum verbunden ist.
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Die Oberflächen des zweiten Abschnittes des Zwischenraumes und des dritten Abschnittes des Zwischenraumes, in welchem die Belüftungsbohrung endet, können vorzugsweise mit einer Fluid abweisenden Beschichtung, beispielsweise einem Ölstopplack oder einem sogenannten Barrierefilm versehen sein.
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Durch diese Fluid abweisende Beschichtung wird verhindert, dass die beschichten Oberflächen vom Lagerfluid benetzt werden, welches möglicherweise in den ersten Abschnitt des Zwischenraumes, d. h. den konischen Abschnitt, gelangt.
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Der konische erste Abschnitt des Zwischenraumes kann gegebenenfalls auch zumindest teilweise mit einer Fluid abweisenden Beschichtung versehnen werden.
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Angrenzend an die ersten Abschnitte der Profilierung der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse ist vorzugsweise eine Pumpdichtung angeordnet, die eine Pumpwirkung auf das in den Lagerspalten befindliche Lagerfluid in Richtung weg von dem Zwischenraum ausübt und somit zusätzlich verhindert, dass das Lagerfluid in den Zwischenraum gelangt.
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Jeder Lagerkonus des fluiddynamischen Lagersystems weist an seiner äußeren Umfangsfläche eine konische Lagerfläche sowie eine Dichtungsfläche auf, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Die konische Lagerfläche begrenzt den zugeordneten Lagerspalt, während die Dichtungsfläche den zugeordneten äußeren Dichtungsspalt begrenzt.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor, sowie ein Festplattenlaufwerk oder eines Lüfters, welches mit diesem Spindelmotor angetrieben ist.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
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Es ergeben sich hieraus weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes mit einer bevorzugten Ausgestaltung eines konischen fluiddynamischen Lagersystems.
- 2 zeigt einen Schnitt durch den Rotor des Spindelmotors, bestehend aus einer Lagerbuchse und einer Nabe.
- 2a zeigt das Detail X aus 2 in vergrößerter Darstellung.
- 2b zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotors von 2.
- 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Lagerkonus des fluiddynamischen konischen Lagersystems.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen konischen fluiddynamischen Lagersystems.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 mit einer Bohrung, in welcher eine Welle 12 aufgenommen ist. Die Welle 12 ist vorzugsweise mittels einer Presspassung in der Basisplatte 10 befestigt. Das Lagersystem ist als konisches fluiddynamisches Lagersystem mit zwei getrennten und gegeneinander arbeitenden konischen fluiddynamischen Lagern ausgebildet. Die beiden konischen fluiddynamischen Lager sind im Wesentlichen identisch ausgebildet.
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An der Welle 12 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand zwei Lagerkonusse 14, 114 angeordnet. Das obere freie Ende der Welle 12 weist eine Gewindebohrung auf und kann mittels einer in die Gewindebohrung eingedrehten Schraube mit einem feststehenden Bauteil (nicht dargestellt) verbunden sein, welches beispielsweise ein Gehäusebauteil des Festplattenlaufwerks sein kann. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden Lagerkonusse 14, 114 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems.
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Jeder Lagerkonus 14, 114 besitzt eine konusförmige, schräg zur Drehachse 38 des Lagers ausgebildete Lagerfläche 14a, 114a. Die beiden Lagerkonusse 14, 114 sitzen in einer Lagerbuchse 16, die um die Drehachse 38 relativ zu den Lagerkonussen 14, 114 drehbar angeordnet. Die Lagerbuchse 16 umfasst konische Lagerflächen, die den jeweiligen konischen Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 gegenüberliegen. Die Lagerbuchse 16 trägt die Nabe 42 des Spindelmotors.
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Bei der Montage des Lagersystems wird beispielsweise der untere Lagerkonus 114 auf der Welle 12 montiert, dann wird die Lagerbuchse 16 über die Welle 12 gesteckt und schließlich der Lagerkonus 14 in einem festgelegten axialen Abstand zum untern Lagerkonus 114 auf der Welle 12 montiert. Die Montage der Lagerkonusse 14, 114 erfolgt so, dass die einander gegenüberliegenden Lagerflächen 14a, 114a der Lagerkonusse 14, 114 und der Lagerbuchse 16 jeweils durch einen ringförmigen Lagerspalt 20, 120 definierter Breite voneinander getrennt sind. Die Lagerspalte 20, 120 haben eine Breite von wenigen Mikrometern und sind mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Jeder Lagerspalt 20, 120 weist zwei Enden auf, die durch einen äußeren kapillaren Dichtungsspalt 22, 122 und einen inneren kapillaren Dichtungsspalt 28, 128 abgedichtet sind. Die Dichtungsspalte 22, 122 und 28, 128 sind je nach Betriebszustand des Lagersystems teilweise mit Lagerfluid gefüllt.
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Die jeweils äußeren Dichtungsspalte 22, 122 sind vorzugsweise als konische Kapillardichtungen ausgebildet und bilden ein Fluidreservoir für das Lagerfluid, welches die Temperaturausdehnung des Lagerfluids ausgleicht und als Vorratsvolumen für das Lagerfluid dient. Sie werden jeweils begrenzt durch eine äußere Dichtungsfläche der Lagerkonusse 14, 114 sowie eine gegenüberliegende innere Dichtungsfläche der Nabe 16. Beide den äußeren Dichtungsspalt 22, 122 begrenzenden Flächen können eine leichte Neigung zur Drehachse 38 aufweisen, wodurch bei Rotation der Nabe 42 die auf das Lagerfluid wirkenden Fliehkräfte das Lagerfluid im Dichtungsspalt 22, 122 halten. Die Dichtungsfläche des Lagerkonus 14, 114 kann dabei eine größere Neigung aufweisen, als die Dichtungsfläche der Nabe 42, wodurch sich ein konischer Querschnitt des äußeren Dichtungsspalts 22, 122 ergibt.
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Die äußeren Dichtungsspalte 22, 122 sind ringförmigen profilierten Abdeckungen 18, 118 abgedeckt, die mit ihrer Innenumfangsfläche am Außenumfang der Lagerbuchse 16 befestigt sind und das Risiko minimieren, dass Lagerfluid auf Grund von Temperatur oder Schockeinwirkung aus dem Lagerspalt entweicht.
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Die Lagerflächen 14a, 114a der Lagerkonusse 14, 114 bzw. die Lagerflächen der Lagerbuchse 16 weisen in bekannter Weise Lagerrillenstrukturen 26, 126 auf, die bei Rotation der Lagerbuchse 16 relativ zu den Lagerkonussen 14, 114 eine Pumpwirkung auf das im jeweiligen Lagerspalt 20, 120 befindliche Lagerfluid ausüben. Dadurch entsteht im Lagerspalt 20, 120 ein fluiddynamischer Druck, der das Lager tragfähig macht. Beide konusförmigen Lager weisen beispielsweise fischgrätenartige Lagerrillen 26, 126 auf, die einen längeren Ast aufweisen, der dem äußeren Dichtungsspalt 22, 122 benachbart angeordnet ist, sowie einen kürzeren Ast, welcher dem inneren Dichtungsspalt 28, 128 benachbart angeordnet ist. Aufgrund der stärkeren Pumpwirkung der längere Äste der jeweiligen Lagerrillen 26, 126 des konischen Lagers ergibt sich insgesamt eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung.
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Eine äußere Umfangsfläche der Welle 12 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 begrenzen die inneren kapillaren Dichtungsspalte 28, 128, entlang denen vorzugsweise dynamische Pumpdichtungen 30, 130 angeordnet sind. Die dynamischen Pumpdichtungen 30, 130 weisen Pumprillenstrukturen auf, die auf der Oberfläche der Welle 12 und/oder der gegenüberliegenden Oberfläche der Lagerbuchse 16 angeordnet sind. Die Rillenstrukturen üben auf das in den Dichtungsspalten 28, 128 befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung in Richtung des jeweiligen Lagerspalts 20, 120 aus.
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Aufgrund der konischen Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 wirken die konischen Lager zugleich als Radial- und als Axiallager. Die beiden konusförmigen Fluidlager arbeiten insofern gegeneinander, als dass diese das Lagerfluid in Richtung der jeweils zugeordneten Pumpdichtung 30, 130 pumpen, so dass das Lagersystem insgesamt im Gleichgewicht ist.
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Die Lagerspalte 20, 120 der beiden konischen Lager sind nicht miteinander verbunden, sondern werden durch die äußeren und inneren Dichtungsspalte 22, 122 und 28, 128 begrenzt. Die Dichtungsspalte 22, 122 und 28, 128 verbinden die Lagerspalte 20, 122 mit der Außenumgebung des Lagers. Die jeweils außen liegenden Dichtungsspalte 22, 122 münden jeweils in Richtung des unten bzw. oberen Endes der Welle 12, während die innen liegenden Dichtungsspalte 28, 128 innerhalb des Lagers in einen Zwischenraum 32 münden, der zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Lagerbuchse 16 angeordnet ist. Der Zwischenraum 32 ist durch eine vorzugsweise am Innenumfang der Lagerbuchse 16 vorgesehene profilierte Nut oder Rille gebildet. Die Welle 12 kann in Höhe des Zwischenraums 32 ebenfalls eine Rille oder einen Freistich aufweisen.
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Die Nabe 42 wird zusammen mit der Lagerbuchse 16 über ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend gegenüber den feststehenden Motorbauteilen angetrieben. Der Spindelmotor ist ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, dessen Antriebssystem eine ringförmige Statoranordnung 34 mit mehreren Phasenwicklungen umfasst, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Statoranordnung 34 ist innerhalb einer Aussparung der Nabe 16 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 36 und einem magnetischen Rückschluss 40 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 36 und der Rückschluss 40 sind an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 angeordnet und durch einen Luftspalt von der Statoranordnung 34 getrennt. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 34 wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 36 wirkt und die Nabe 42 in Drehung versetzt.
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Am Außenumfang der Nabe 42 ist eine Auflagefläche 42a vorgesehen, die als Auflage für eine oder vorzugsweise mehrere magnetische Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerks dient.
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Bei dem dargestellten Lagersystem mit zwei separaten konische Lagern und jeweils Lagerspalten 20, 120 mit zwei offenen Enden ist es notwendig, dass der Zwischenraum 32 mit der Außenumgebung verbunden ist, damit es an den Enden der Lagerspalte 20, 120 nicht zu Druckdifferenzen und dadurch zu einem unerwünschten Entweichen des Lagerfluids aus den Lagerspalten 20, 120 kommt. Die Belüftung des Zwischenraums 32 erfolgt vorzugsweise durch eine Belüftungsbohrung 44, die als Bohrung, beispielsweise senkrecht zur Drehachse 38, innerhalb der Lagerbuchse 16 ausgebildet ist und den Zwischenraum 32 mit dem Luftraum der Nabe 42 verbindet, in welchem der Stator 34 angeordnet ist. Der Luftraum der Nabe 42 ist über einen Spalt zwischen der Basisplatte und der Auflagefläche 42a der Nabe 42 mit Außenumgebung. Weiterhin ist der Luftraum über einen Spalt zwischen Basisplatte 10 und Abdeckung 118 und eine schmalen Spalt zwischen Außenumfang Welle 12 und Innenumfang Abdeckung 118 mit dem Ende des äußeren Dichtungsspalts 128 des unteren konischen Lagers verbunden. Somit herrscht im Zwischenraum 32 und daher auch an den Enden der Dichtungsspalte 28, 128 derselbe Druck wie an der Außenseite des Lagers im Bereich der Dichtungsspalte 22, 122.
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Eine andere Möglichkeit (nicht dargestellt) der Belüftung des Zwischenraums besteht darin, dass in der Welle eine Längsbohrung vorgesehen ist, die über eine Querbohrung mit dem Zwischenraum im Lagerinneren und über eine weitere Querbohrung dem Spalt zwischen Abdeckung und Basisplatte verbunden ist.
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Um eine Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 20, 120 sicherzustellen, ist in jedem Lagerkonus 14, 114 mindestens eine Rezirkulationsbohrung 24, 124 vorgesehen. Die Rezirkulationsbohrung 24, 124 verläuft ausgehend von dem Übergang von Lagerspalt 20, 120 in den äußeren Dichtungsspalt 22, 122 schräg durch den Lagerkonus 14, 114 in Richtung des Lagerinneren und verläuft anschließend parallel zur Drehachse 38 zwischen dem Innenumfang einer zentralen Bohrung 14c, 114c des Lagerkonus 14, 114 und dem Außenumfang der Welle 12 bis er in den Lagerspalt 20, 120 mündet.
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2 zeigt einen Schnitt durch den Rotor des Spindelmotors, welcher aus der innen liegenden Lagerbuchse 16 und der von der Lagerbuchse 16 getragenen Nabe 42 besteht.
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Man erkennt die Lagerrillen 26, 126 der beiden konischen Lager, die vorzugsweise auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 angeordnet sind.
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Ferner erkennt man die Pumprillen der dynamischen Pumpdichtungen 30, 130, die entlang der inneren Lagerspalte 28, 128 (1) angeordnet sind und vorzugsweise ebenfalls auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 angeordnet sind.
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Zwischen den beiden konischen fluiddynamischen Lagern weist die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 eine Nut mit einer Profilierung 16a auf, welche die äußere Begrenzung des Zwischenraums 32 (1) bildet.
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2a zeigt das Detail X aus 2 und eine vergrößerte Ansicht der Profilierung 16a der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 16.
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Ausgehend vom Durchmesser der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 entlang der beiden inneren Dichtungsspalte 28, 128, in dem Bereich, in dem die Pumprillenstrukturen 30, 130 angeordnet sind, weitet sich der Durchmesser der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 entlang von jeweils ersten Abschnitten 16a1 der Profilierung 16a auf bis zu einem maximalen Durchmesser. Nach Erreichen des maximalen Durchmessers verengt sich der Durchmesser wieder entlang von zweiten Abschnitten 16a2 bis zu einem mittleren dritten Abschnitt 16a3, in welchem der Durchmesser im Wesentlichen gleich bleibt.
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Im Bereich dieses mittleren Abschnittes 16a3 mündet die Belüftungsbohrung 44, die in der Lagerbuchse 16 angeordnet ist und die innere Umfangsfläche mit der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 16 verbindet. Durch diese Belüftungsbohrung 44 wird der der Zwischenraum 32 mit der Außenumgebung verbunden (1).
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Die ersten Abschnitte 16a1 der Profilierung weiten sich im Querschnitt konisch auf und bilden konische kapillare Dichtungsspalte, welche an die inneren Dichtungsspalte 28, 128 angrenzen. Die sich konische aufweist ersten Abschnitte des Zwischenraums 32 bilden somit eine weitere Barriere zur Abdichtung der Lagerspalte 20, 120 und sollen Lagerfluid, das aus den Dichtungsspalten 28, 128 austritt, zurückhalten.
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Der mittlere Abschnitt 16a3 der Profilierung 16a kann vorzugsweise mit einer Beschichtung 46 versehen sein, welche eine Fluid abweisende Beschichtung ist, beispielsweise ein Ölstopplack oder ein Barrierefilm.
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Diese Beschichtung 46 soll verhindern, dass der mittlere Abschnitt 16a3 der Profilierung mit Lagerfluid benetzt wird bzw. Lagerfluid in diesem Abschnitt haften bleibt.
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In 2B ist eine perspektivische Ansicht des Rotorbauteils bestehend aus der Nabe 42 und der Lagerbuchse 16 dargestellt.
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3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Lagerkonus 14 oder 114. Die beiden Lagerkonusse 14, 114 sind identisch ausgebildet.
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Jeder Lagerkonus 14, 114 weist an seiner äußeren Umfangsfläche eine konische Lagerfläche 14a sowie eine ebenfalls konische Dichtungsfläche 14b auf. Die Lagerfläche 14a begrenzt den Lagerspalt 20, 120, während die Dichtungsfläche 14b den jeweiligen äußeren Dichtungsspalt 22, 122 begrenzt.
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Die Rezirkulationsbohrung 24, 124 verbindet die äußere Umfangsfläche des Lagerkonus 14, 114, vorzugsweise den Bereich der Dichtungsfläche 14b, 114b, mit der inneren Umfangsfläche des Lagerkonus 14, 114.
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Sowohl die Lagerfläche 14a, 114a als auch die Dichtungsfläche 14b, 114b schließen mit der Rotationsachse 38, die auch die Mittelachse des Lagerkonus 14, 114 darstellt, einen spitzen Winkel ein, der vorzugsweise kleiner als 45 Grad ist.
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Hierbei ist der Winkel der Lagerfläche 14a, 114a größer als der Winkel der Dichtungsfläche 14b, 114b.
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Der Lagerkonus 14, 114 weist eine zentrale Bohrung 14c, 114c auf, in welche die Welle 12 aufgenommen ist. Ein erster Abschnitt 14c1, 114c1 der Bohrung 14c, 114c hat einen Durchmesser, der nahezu dem Durchmesser der Welle 12 entspricht. Entlang dieses ersten Abschnitts 14c1, 114c1 der Bohrung 14c, 114c ist der Lagerkonus 14, 114 mit der Welle 12 verbunden, vorzugsweise durch eine Presspassung.
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Die Bohrung 14c, 114c weist einen zweiten Abschnitt 14c2, 114c2 mit vergrößertem Durchmesser auf, der nicht am Außendurchmesser der Welle 12 anliegt. Vielmehr bildet dieser zweite Abschnitt 14c2, 114c2 mit vergrößertem Durchmesser mit dem Außenumfang der Welle 12 einen Ringspalt 48, 148, wie er in 1 dargstellt ist.
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Dieser Ringspalt 48, 148 ist der parallel zur Drehachse 38 verlaufende Teil der Rezirkulation 24, 124. Der schräg durch den Lagerkonus 14, 114 verlaufende Teil der Rezirkulation 24, 124 mündet in den Ringspalt 48, 148, so dass der äußere Dichtungsspalt 22, 122 jedes konischen Lagers mit dem Ringspalt 48, 148 direkt verbunden ist.
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Der Winkel, den die schräge Rezirkulationsbohrung 24, 124 mit der Rotationsachse 38 einschließt, ist größer als der Winkel, den die Lagerfläche 14a, 114a mit der Rotationsachse 38 einschließt und vorzugsweise größer als 25 Grad.
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Die hier gezeigt Ausgestaltung der Erfindung weist lediglich eine Rezirkulation in einem Lagerkonus auf. Ebenfalls können aber auch zwei oder mehr Rezirkulationen in einem Lagerkonus vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden alle Bauteile der beiden konischen Lager, insbesondere die Lagerbuchse 16 und die beiden Lagerkonusse 14, 114 mittels spanabhebenden Verfahren maschiniert, insbesondere auch die Lagerrillen der beiden konischen Lager und die Pumprillen der Pumpdichtungen.
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Durch die Lagerrillen 26, 126 wird das in den Lagerspalten 20, 120 befindliche Lagerfluid in Richtung der innerer Dichtungsspalte 28, 128 und den Pumpdichtungen 30, 130 befördert. Die Pumpdichtungen 30, 130 pumpen das Lagerfluid zurück in das Lagerinnere wo es über die Ringspalte 48, 148 und die Rezirkulationsbohrungen 24, 124 wieder zurück in den Bereich der äußeren Dichtungsspalte 22, 122 und von dort in die Lagerspalte 20, 120 gelangt.
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Liste der Bezugszeichen
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14, 114
- Lagerkonus
- 14a, 114a
- Lagerfläche
- 14b, 114b
- Dichtungsfläche
- 14c, 114c
- Bohrung (Abschnitte 14c1, 114c1, 14c2, 114c2)
- 16
- Lagerbuchse
- 16a
- Profilierung (Abschnitte 16a1, 16a2, 16a3)
- 18, 118
- Abdeckung
- 20, 120
- Lagerspalt
- 22, 122
- äußerer Dichtungsspalt
- 24, 124
- Rezirkulationsbohrung
- 26, 126
- Lagerrillen
- 28, 128
- innerer Dichtungsspalt
- 30, 130
- Pumpdichtung
- 32
- Zwischenraum
- 34
- Statoranordnung
- 36
- Rotormagnet
- 38
- Drehachse
- 40
- Rückschluss
- 42
- Nabe
- 44
- Belüftungsbohrung
- 46
- Beschichtung
- 48, 148
- Ringspalt
