-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei konischen Lagern.
-
Stand der Technik
-
Fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren oder Lüftern eingesetzt. Die bekannten fluiddynamischen Lager umfassen mindestens ein feststehendes und mindestens ein drehbares Lagerbauteil mit einander zugeordneten Lagerflächen, die mit Lagerrillenstrukturen versehen sind. Die Lagerflächen sind durch einen Lagerspalt voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Beim Betrieb des Lagers 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 gibt fluiddynamische Radiallager, fluiddynamische Axiallager sowie fluiddynamische konische Lager. Während bei Radiallagern die Lagerfläche parallel und bei Axiallagern die Lagerfläche senkrecht zu einer Rotationsachse ausgerichtet ist, ist bei konischen Lagern die Lagerfläche schräg zur Rotationsachse ausgerichtet. Dadurch können konische Lager sowohl radiale als auch axiale Lagerkräfte aufnehmen.
-
Die nachveröffentlichte
DE 10 2014 014 962 A1 offenbart einen Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk mit einem fluiddynamischen konischen Lagersystem. An einer feststehenden Welle sind in einem axialen Abstand zueinander zwei konische Lagerbauteile angeordnet, die zusammen mit einer rotierenden Nabe zwei fluiddynamische konische Lager ausbilden. Ein durchgehender und mit Lagerfluid gefüllter Lagerspalt verbindet die beiden konischen Lager und ist an seinen beiden Enden durch vorzugsweise konische Kapillardichtungen abgedichtet. Mindestens ein Rezirkulationskanal verläuft zwischen der Lagerbuchse und der Nabe und mündet in einen Spaltabschnitt zwischen dem Lagerspalt und den Kapillardichtungen. Die beiden konischen Lager umfassen gleichartig ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die bei Rotation des Lagers auf das Lagerfluid jeweils eine resultierende Pumpwirkung in Richtung des jeweiligen anderen Lagers erzeugen, d. h. die Lagerrillenstrukturen der konischen Lager erzeugen jeweils einen Fluss des Lagerfluids, der in Richtung eines Separatorspalts zwischen den konischen Lagern gerichtet ist.
-
Um eine umlaufende Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt in eine bestimmte Richtung zu gewährleisten, sind zwischen den beiden konischen Lagern zusätzliche Pumprillenstrukturen vorgesehen, die das Lagerfluid in einer bevorzugten Richtung durch den Lagerspalt und den Rezirkulationskanal pumpen.
-
Das Einbringen dieser Pumprillenstrukturen in die Lagerbauteile und die nachfolgende Reinigung des Lagerbauteils bedeuten einen zusätzlichen Aufwand bei der Fertigung des Lagers. Des Weiteren erhöht sich durch diese Pumprillenstrukturen die Lagerreibung und damit der Stromverbrauch des Spindelmotors, da der Lagerspalt im Bereich der Pumprillenstrukturen relativ eng ausgeführt ist. Durch die zueinander entgegengesetzten Pumpwirkungen der Pumprillenstrukturen und der Lagerrillenstrukturen des angrenzenden konischen Lagers kann es im Lagerspalt zwischen den Pumprillenstrukturen und dem angrenzenden konischen Lager zu einem Unterdruck oder Mangel an Lagerfluid kommen, was vermieden werden muss.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches konisches Lagersystem anzugeben, das hinsichtlich des Zirkulationsflusses des Lagerfluids und der Druckverteilung im Lagerspalt optimiert ist.
-
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, den Fertigungsaufwand sowie die Lagerreibung zu reduzieren.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Welle, entlang welcher ein erstes und ein zweites fluiddynamisches konisches Lager angeordnet sind, eine Lagerbuchse mit ersten und zweiten konischen Lagerflächen, ein erstes konisches Lagerbauteil, das mit den ersten konischen Lagerflächen der Lagerbuchse das erste konische Lager ausbildet, ein zweites konisches Lagerbauteil, das mit den zweiten konischen Lagerflächen der Lagerbuchse das zweite konische Lager ausbildet, erste Lagerrillenstrukturen, die auf den ersten Lagerflächen der Lagerbuchse und/oder auf dem ersten konischen Lagerbauteil aufgebracht sind, zweite Lagerrillenstrukturen, die auf den zweiten Lagerflächen der Lagerbuchse und/oder auf dem zweiten konischen Lagerbauteil aufgebracht sind, und einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt, der zwischen der Lagerbuchse und der Welle sowie zwischen der Lagerbuchse und den konischen Lagerbauteilen verläuft und an seinen Enden durch eine erste und eine zweite Kapillardichtung abgedichtet ist.
-
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Lagerrillenstrukturen des ersten (unteren) konischen Lagers derart geformt sind, dass sie eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des zweiten (oberen) konischen Lagers erzeugen, während die zweiten Lagerrillenstrukturen des zweiten konischen Lagers derart geformt sind, dass sie eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des ersten konischen Lagers erzeugen, wobei direkt angrenzend an das erste konische Lager Pumpstrukturen angeordnet sind, die derart ausgebildet sind, dass deren Pumpwirkung in Richtung des ersten konischen Lagers gerichtet ist.
-
Die zusätzlichen Pumpstrukturen sind angrenzend an das erste konische Lager angeordnet und durch den Separatorspalt vom zweiten konischen Lager getrennt. Diese Pumpstrukturen sorgen dafür, dass das Lagerfluid in der vorgesehenen Flussrichtung durch den Lagerspalt zirkuliert. Die Pumpstrukturen weisen schräg zur Drehachse verlaufende Rillenstrukturen auf, welche bei Umdrehung der Lagerbuchse relativ zur Welle das Lagerfluid in Richtung des ersten konischen Lagers befördern. Durch die Anordnung der Pumpstrukturen in die Nähe des ersten konischen Lagers wird die Ausbildung eines Unterdrucks zwischen den Pumpstrukturen und dem zweiten konischen Lager verringert, da der Zwischenraum im Vergleich zur
DE 10 2014 014 962 A1 somit ein größeres Ölvolumen aufweist.
-
Die Pumpstrukturen sind unmittelbar angrenzend an das erste konische Lager angeordnet, d. h. in Bezug auf die vorgesehene Flussrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt sowohl stromabwärts des zweiten konischen Lagers als auch stromabwärts eines Separatorspalts. Der Separatorspalt ist zwischen dem zweiten konischen Lager und den Pumpstrukturen angeordnet, wobei an die Pumpstrukturen unmittelbar das erste konische Lager angrenzt. Der Separatorspalt ist durchgehend mit Lagerfluid gefüllt und weist eine deutlich größere Spaltbreite als der Lagerspalt im Bereich der konischen Lager und der Pumpstrukturen auf. Durch diesen relativ langen Separatorspalt werden die Lagerreibung und der Stromverbrauch des Lagers reduziert. Die Pumpstrukturen sind vorzugsweise zwischen den Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse angeordnet. Die Spaltbreite des Lagerspalts im Bereich der Pumpstrukturen ist größer als im Bereich der konischen Lager.
-
Der Separatorspalt, der zwischen den Pumpstrukturen und dem zweiten konischen Lager angeordnet ist, fasst ein relativ großes Volumen an Lagerfluid. Dadurch wird verhindert, dass durch die Pumpwirkung der Pumpstrukturen ein Unterdruck im Separatorspalt entstehen kann oder das Lagerfluid teilweise oder vollständig aus dem Separatorspalt herausgepumpt wird, was den Betrieb des Lagers stören oder das Lager beschädigen kann. Durch diese erste Ausgestaltung der Erfindung wird demnach ein Zirkulationsfluss im Lagerspalt in eine vorgesehene Richtung erzeugt und eine ausgeglichene Druckverteilung im Lagerspalt sichergestellt.
-
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Lagerrillenstrukturen des ersten konischen Lagers derart geformt sind, dass sie entweder eine neutrale Pumpwirkung oder eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des zweiten konischen Lagers erzeugen, dass die zweiten Lagerrillenstrukturen des zweiten konischen Lagers derart geformt sind, dass sie eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des ersten konischen Lagers erzeugen, wobei die Pumpwirkung des zweiten konischen Lagers größer ist als die Pumpwirkung des ersten konischen Lagers.
-
In dieser zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann vollständig auf die zusätzlichen Pumpstrukturen im Separatorspalt verzichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Fertigungsaufwand verringert sowie die Lagerreibung reduziert wird.
-
Die bevorzugte Flussrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt wird ausschließlich durch die Formgebung der Lagerrillen der beiden konischen Lager bestimmt. Hierbei ist die Pumpwirkung des zweiten konischen Lagers in Richtung des ersten konischen Lagers in jedem Fall stärker als die Pumpwirkung des ersten konischen Lagers in Richtung des zweiten konischen Lagers. Somit fließt das Lagerfluid im Betrieb des Lagers in jedem Fall vom zweiten konischen Lager in Richtung des ersten konischen Lagers.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Lagerbuchse und einer mit der Lagerbuchse verbundenen Nabe mindestens ein Rezirkulationskanal angeordnet. Der mindestens eine Rezirkulationskanal ist vorzugsweise in beiden Ausführungsformen der Erfindung vorhanden. Durch den Rezirkulationskanal kann das Lagerfluid vom ersten konischen Lager wieder zurück zum zweiten konischen Lager fließen, so dass eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager sichergestellt ist. Der Rezirkulationskanal verbindet entfernte Abschnitte des Lagerspalts zwischen den Kapillardichtungen und den konischen Lagern direkt miteinander. Der mindestens eine Rezirkulationskanal wird vorzugsweise durch mindestens eine Nut oder Aussparung in der Lagerbuchse und/oder der Nabe gebildet. Der Rezirkulationskanal kann in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung durch planares Anschleifen der Umfangsfläche der zylinderförmigen Lagerbuchse gebildet werden wie es auch in der
US 6404087 B1 in
2A offenbart ist. Dadurch ist es möglich, ein fluiddynamisches Lagersystem mit großer Bauhöhe und kleinem Querschnitt des Rezirkulationskanals zu realisieren. Die Enden des mindestens einen Rezirkulationskanals münden vorzugsweise in den breiten, radial verlaufenden Lagerspalt im Bereich des auskragenden Absatzes der konischen Lagerbauteile.
-
Die Kapillardichtungen, die den Lagerspalt an seinen beiden Enden abdichten, sind vorzugsweise zwischen den konischen Lagerbauteilen und der Nabe angeordnet. Das hat den Vorteil, dass das Lager mit Lagerfluid befüllt werden kann, bevor Abdeckkappen, die zusätzlich Schutz vor aus dem Lagerspalt austretendem Lagerfluid bewirken, auf der Nabe montiert werden. Die Kapillardichtungen sind vorzugsweise als konische Kapillardichtung ausgebildet.
-
Zwischen dem ersten konischen Lagerbauteil und der an der Lagerbuchse befestigten Nabe ist bevorzugt eine Pumpdichtung angeordnet. Die Pumpdichtung ist zwischen dem senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts und der ersten Kapillardichtung vorgesehen. Die Spaltbreite des Spalts im Bereich der Pumpdichtung ist vorzugsweise größer als im Bereich der konischen Lager.
-
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden, der mittels eines elektromagnetischen Antriebsystems zum Antrieb von beispielsweise Festplattenlaufwerken, optischen Laufwerken, Laserscannern oder Lüftern eingesetzt werden kann.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfigur näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
-
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
-
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
-
Die 1 und 2 zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit einem ersten und einem zweiten konischen Lager. Die beiden Spindelmotoren haben grundsätzlich denselben Aufbau, der nachfolgend beschrieben wird. Unterschiede ergeben sich in der Ausgestaltung der Lagerrillenstrukturen der konischen Lager und dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von Pumpstrukturen.
-
Die Spindelmotoren umfassen eine Basisplatte 10 mit einer Bohrung, in der eine feststehende Welle 12 angeordnet ist. An der Welle 12 ist ein erstes konisches Lagerbauteil 14 mit konischer Lagerfläche in einem axialen Abstand zu einem zweiten konischen Lagerbauteil 16 mit konischer Lagerfläche angeordnet. Die konischen Lagerflächen der beiden Lagerbauteile 14, 16 sind einander zugewandt. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 bilden das feststehende Bauteil des Spindelmotors. Es ist eine um eine Rotationsachse 18 drehbare Lagerbuchse 20 vorgesehen, die eine Bohrung sowie zwei endseitige hohlkegelige Aussparungen aufweist, in denen die Welle 12 und die beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 aufgenommen sind. Die Lagerfläche des ersten konischen Lagerbauteils 14 bildet mit der gegenüberliegenden Lagerfläche der Lagerbuchse 20 das erste konische Lager 24, während die Lagerfläche des zweiten konischen Lagerbauteils 16 zusammen mit der gegenüberliegenden Lagerfläche der Lagerbuchse 20 das zweite konische Lager 26 bildet.
-
Aneinander angrenzende Flächen der Lagerbuchse 20 und der Welle 12 sowie der Lagerbuchse und den konischen Lagerbauteilen 14, 16, die sich bei Stillstand oder geringen Drehzahlen berühren können, sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 28 voneinander getrennt.
-
Die Weglänge der axialen Relativbewegung der Lagerbuchse 20 zu den feststehenden Bauteilen, das sogenannte Axialspiel, kann zwischen 10 und 25 Mikrometer, beispielsweise etwa 14 Mikrometer, betragen und wird durch den gegenseitigen Abstand der beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 begrenzt. Eine Nabe 22 ist mit der Lagerbuchse 20 drehfest verbunden. Die Lagerbuchse 20 und die Nabe 22 bilden zusammen das rotierende Bauteil des Spindelmotors.
-
Die konischen Lagerbauteile 14, 16 verlaufen im Bereich der konischen Lagerflächen von ihrer der Lagermitte zugewandten Seite in Richtung des Lageräußeren betrachtet unter einem spitzen Winkel zur Rotationsachse von beispielsweise 30° schräg nach außen. Diese Fläche weist einen sehr großen Radius von beispielsweise 250 Millimetern auf, was als „crowning” bezeichnet wird und wodurch sichergestellt wird, dass die konischen Flächen der Lagerbuchse 20 und der konischen Lagerbauteile 14, 16 in diesem Bereich nicht festklemmen können. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Radius auch in den jeweiligen gegenüberliegenden konischen Flächen der Lagerbuchse 20 vorgesehen sein. Die Lagerbuchse 20 und/oder die konischen Lagebauteile 14, 16 weisen fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen auf. Die Lagerrillenstrukturen verlaufen schräg zur Drehrichtung des Lagers und generieren bei Betrieb des Lagersystems eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid in Richtung des Apex, d. h. etwa des Mittelbereiches der Lagerrillenstrukturen. Dadurch baut sich im Lagerspalt 28 ein hydrodynamischer Druck auf, so dass die konischen Lager 24, 26 tragfähig werden.
-
Die Enden des Lagerspalts 28 sind durch erste und zweite konische Kapillardichtungen 30, 32 abgedichtet. Die Kapillardichtungen 30, 32 werden durch jeweils eine innere Umfangsfläche der Nabe 22 und äußere Umfangsflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 begrenzt.
-
An die Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 schließen sich in axialer Richtung zum Lageräußeren hin radial nach außen vorstehende Absätze 14a, 16a an. Unterhalb der Absätze 14a, 16a verlaufen radial verlaufende Abschnitte des Lagerspalts 28, die eine größere Spaltbreite aufweisen als der Lagerspalt 28 im Bereich der konischen Lager 24, 26. Diese verbreiterten Abschnitte des Lagerspalts 28 weisen eine bevorzugte Spaltbreite zwischen 150 und 200 Mikrometer, beispielsweise 177 Mikrometer, auf und verbessern das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter äußerer Schockeinwirkung oder Vibrationen.
-
Die Außenumfangsfläche des Absatzes 14a des unteren konischen Lagerbauteils 14 verläuft zunächst parallel zur Rotationsachse 18 (in diesem Bereich befindet sich eine Pumpdichtung, die weiter unten näher beschrieben wird) und neigt sich dann im Bereich der unteren Kapillardichtung 30 um einen Winkel von 30°, bevorzugt liegt dieser Winkel in einem Bereich von 10° bis 50°, in Richtung zur Rotationsachse 18. Die Innenumfangsfläche der Nabe 22 verläuft im Bereich der unteren Kapillardichtung 30 parallel zur Rotationsachse 18. Somit ergibt sich für die untere Kapillardichtung 30 ein konischer Querschnitt. Die Spaltbreite der unteren Kapillardichtung 30 auf der engen, dem Lagerspalt 28 zugewandten Seite beträgt zwischen 20 und 40 Mikrometer, beispielsweise 27 Mikrometer, während sie auf der breiten, der Umgebungs-Atmosphäre zugewandten Seite zwischen 180 und 200 Mikrometer, beispielsweise 194 Mikrometer, beträgt.
-
Die Außenumfangsfläche des Absatzes 16a des oberen konischen Lagerbauteils 16 verläuft im Bereich der Kapillardichtung 32 zunächst parallel zur Rotationsachse 18, neigt sich dann um einen Winkel von zwischen 3° und 20°, etwa 9°, in Richtung der Rotationsachse 18 und knickt dann schließlich in einem Winkel größer als 45° und kleiner als 90°, beispielsweise 56°, nach innen ab. Durch den geringen Anfangswinkel von 9° wird einerseits eine stoßresistente Kapillardichtung und durch den vergleichsweise großen Winkel von 56° wird andererseits ein großes Ölfüllvolumen bereitgestellt, da das fluiddynamische Lager bevorzugt von oben her mit Lagerfluid gefüllt wird. Im Bereich der oberen Kapillardichtung 32 verläuft die Innenumfangsfläche der Nabe 22 zum Lageräußeren hin um einen Winkel von beispielsweise 2° nach innen. Somit ergibt sich für die Kapillardichtung 32 ebenfalls ein konischer Querschnitt mit einer großen Öffnung, die den Füllprozess des Lagersystems mit Lagerfluid erleichtert. Die Spaltbreite der oberen Kapillardichtung 32 auf der engen, dem Lagerspalt 28 zugewandten Seite beträgt zwischen 20 und 40 Mikrometer, beispielsweise 27 Mikrometer, während sie auf der breiten, der Umgebungs-Atmosphäre zugewandten Seite zwischen 150 und 200 Mikrometer, beispielsweise 174 Mikrometer, beträgt.
-
An der Nabe 22 sind jeweils oberhalb und unterhalb der konischen Lagerbauteile Abdeckkappen 34 befestigt, die zusammen mit der Nabe 22 um die Welle 12 rotieren und die konischen Kapillardichtungen 30, 32 abdecken. Zwischen der Welle 12 und den Abdeckkappen 34 verbleiben enge Luftspalte, die sogenannte Spaltdichtungen 36 ausbilden und ein Abdampfen des Lagerfluids aus den Kapillardichtungen 30, 32 minimieren.
-
Zwischen den beiden konischen Lagern 24, 26 ist angrenzend an das obere zweite konische Lager 24 zwischen der Welle 12 und der Lagerbuchse 20 ein Separatorspalt 38 angeordnet, der Teil der Lagerspalts 28 und vollständig mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Separatorspalt 38 ist in der Lagerbuchse 20 und/oder der Welle 12 ausgebildet und weist eine größere Spaltbreite auf als der Lagerspalt 28 im Bereich der konischen Lager 24, 26. Während der Lagerspalt 28 im Bereich der konischen Lager 24, 26 eine Spaltbreite zwischen 2 und 7 Mikrometer, beispielsweise 3,5 Mikrometer, aufweist, beträgt die Spaltbreite des Separatorspalts 38 zwischen 25 und 110 Mikrometer, beispielsweise etwa 67 Mikrometer.
-
Mindestens ein Rezirkulationskanal 40, bevorzugt jedoch mehrere Rezirkulationskanäle 40, sind zwischen der Lagerbuchse 20 und der Nabe 22 angeordnet. Sie münden mit ihren Enden jeweils in die verbreiterten Abschnitte des Lagerspalts 28 im Bereich der Absätze 14a, 16a der konischen Lagerbauteile 14, 16 und stellen sicher, dass das Lagerfluid durch den Lager- und Separatorspalt 28, 38 zirkulieren kann. Die Rezirkulationskanäle 40 weisen einen nahezu D-förmigen Querschnitt auf und sind als Nuten in der Lagerbuchse 20, beispielsweise mittels elektrochemischer Abtragung (ECM), eingebracht. Diese Nuten können zwischen 80 und 100 Mikrometer, beispielsweise 90 Mikrometer, tief ausbildet sein und können alternativ oder zusätzlich in die Nabe 20 eingearbeitet sein. Die Rezirkulationskanäle können in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung durch planares Anschleifen der Umfangsfläche der zylinderförmigen Lagerbuchse gebildet werden, wodurch ebenfalls nahezu D-förmige Querschnitte ausgebildet werden. Die Rezirkulationskanäle 40 verlaufen in axialer Richtung und sind radial nach innen versetzt relativ zu den konischen Kapillardichtungen 30, 32 angeordnet, wodurch bei axialen Schockeinwirkungen auf das Lager ein Austritt von Lagerfluid aus den Kapillardichtungen vermieden werden kann.
-
Zwischen der unteren Kapillardichtung 30 und dem verbreiterten Abschnitt des Lagerspalts 28 im Bereich des Absatzes 14a des ersten konischen Lagerbauteils 14 ist in axialer Richtung verlaufend eine Pumpdichtung 42 angeordnet. Sie besteht aus schräg zur Drehrichtung angeordneten Rillen, die in der Nabe 22 und/oder dem konischen Lagerbauteil 14 ausgebildet sind und bei Umdrehung der Lagerbuchse 20 das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren pumpen. Durch diese Pumpdichtung 42 wird das Risiko reduziert, dass während des Betriebs des Lagers Lagerfluid aufgrund von Vibrationen oder äußerer Schockeinwirkung aus dem Lagerspalt 28 austritt und in den Motorraum gelangt. Zwischen dem verbreiterten Abschnitt des Lagerspalts 28 und der Pumpdichtung 42 ist in axialer Richtung eine sogenannte Ruhezone 44 angeordnet, entlang derer keine Pumpstrukturen der Pumpdichtung angeordnet sind und die dafür sorgt, dass keine Luft in den Lagerspalt 28 gelangt. Die Spaltbreite im Bereich der Pumpdichtung 42 und der Ruhezone 44 beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 40 Mikrometer, beispielsweise 27 Mikrometer.
-
Die Nabe 22 besteht vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl und weist im zeichnerisch dargestellten Falle der Verwendung von Aluminium einen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein magnetischer Rückschluss 48 für einen Rotormagneten 50 befestigt ist. Der Rotormagnet 50 umschließt eine Statoranordnung 52 konzentrisch, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die an der Basisplatte 10 befestigte Statoranordnung 52 bildet mit dem Rotormagneten 50 und dem magnetischen Rückschluss 48 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors.
-
Das Lagersystem gemäß 1 zeigt, dass die Lagerrillenstrukturen des unteren ersten konischen Lagers 24 derart ausgebildet sind, dass sie vorzugsweise eine überwiegend in den Separatorspalt 38 gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen. Da die dem Lageräußeren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die bei Umdrehung des Lagers eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren auf das Lagerfluid ausüben, etwa gleich lang ausgestaltet sind wie die dem Lagerinneren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die das Lagerfluid in Richtung zum Lageräußeren befördern, jedoch auf einem vergleichsweise größeren Radius angeordnet sind, überwiegt die Pumpwirkung auf das Lagerfluid, die in das Lagerinnere gerichtet ist. Es ergibt sich also im ersten konischen Lager 24 eine resultierende Pumprichtung in Richtung des Separatorspalts 38 und des zweiten konischen Lagers 26.
-
Die Lagerrillenstrukturen des oberen zweiten konischen Lagers 26 sind ebenfalls derart ausgebildet, dass sie vorzugsweise eine überwiegend in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen. Da die dem Lageräußeren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die bei Umdrehung des Lagers eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren auf das Lagerfluid ausüben, etwa gleich lang ausgestaltet sind wie die dem Lagerinneren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die das Lagerfluid in Richtung zum Lageräußeren befördern, jedoch auf einem vergleichsweise größeren Radius angeordnet sind, überwiegt die Pumpwirkung auf das Lagerfluid, die in das Lagerinnere gerichtet ist. Es ergibt sich also eine resultierende Pumprichtung des zweiten konischen Lagers 26 in Richtung des Separatorspalts 38 und des ersten konischen Lagers 24.
-
Durch die oben beschriebene Auslegung der beiden konischen Lager 24, 26 ist sichergestellt, dass kein Unterdruck zwischen den beiden konischen Lagern 24, 26 entsteht, wodurch verhindert wird, dass Gas aus dem Lagerfluid austreten kann. Die Pfeile in 1 geben die Pumprichtung und -stärke der jeweiligen Lagerrillenstrukturen der beiden konischen Lager 24, 26 an.
-
Um eine definierte Zirkulation des Lagerfluids im Lagersystem zu erreichen, sind zwischen dem Separatorspalt 38 und dem unteren ersten konischen Lager 24 in axialer Richtung angeordnete, spiralrillenförmige Pumpstrukturen 46 vorgesehen, die bei Umdrehung des Lagers das Lagerfluid in Richtung des unteren ersten konischen Lagers 24 pumpen. Diese Pumpstrukturen 46 sorgen für eine Asymmetrie im Lagersystem und stellen sicher, dass das Lagerfluid durch den Lagerspalt 26 und die Rezirkulationskanäle 40 zirkuliert. Das Lagerfluid fließt dabei vom oberen zweiten konischen Lager 26 durch den Separatorspalt 38 nach unten durch das untere konische Lager 24 und von dort durch die Rezirkulationskanäle 40 wieder nach oben. Die Spaltbreite des Lagerspalts 28 im Bereich der Pumpstrukturen 46 beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 20 Mikrometer, beispielsweise etwa 13 Mikrometer.
-
Die zwischen der unteren Kapillardichtung 30 und dem verbreiterten Abschnitt des Lagerspalts 28 im Bereich des Absatzes 14a des konischen Lagerbauteils 14 angeordnete Pumpdichtung 42 pumpt dabei stets entgegen der Pumprichtung der Pumpstrukturen 46.
-
Beim Lagersystem gemäß 2 sind die Lagerrillenstrukturen des unteren ersten konischen Lagers 24 derart ausgebildet, dass sie vorzugsweise eine neutrale Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt 28 erzeugen. Das heißt, dass die dem Lageräußeren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillenstrukturen des ersten konischen Lagers 24 bei Umdrehung des Lagers eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren auf das Lagerfluid ausüben, während die dem Lagerinneren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillenstrukturen das Lagerfluid in Richtung zum Lageräußeren befördern. Die Lagerrillenstrukturen sind derart ausgebildet, dass die Pumpwirkung der dem Lageräußeren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillenstrukturen gleich groß ist wie die Pumpwirkung der dem Lagerinneren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillenstrukturen. Da die dem Lageräußeren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die bei Umdrehung des Lagers eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren auf das Lagerfluid ausüben, kürzer ausgestaltet sind als die dem Lagerinneren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die das Lagerfluid in Richtung zum Lageräußeren befördern, jedoch auf einem vergleichsweise größeren Radius angeordnet sind, gleichen sich die Pumpwirkungen aus, und das Lagerfluid wird im ersten konischen Lager 24 in keine bestimmte Richtung des Lagerspalts 28 gefördert.
-
Die Lagerrillenstrukturen des oberen zweiten konischen Lagers 26 sind derart ausgebildet, dass sie vorzugsweise eine überwiegend in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt 28 erzeugen. Da die dem Lageräußeren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die bei Umdrehung des Lagers eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren auf das Lagerfluid ausüben, etwa gleich lang ausgestaltet sind als die dem Lagerinneren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die das Lagerfluid in Richtung zum Lageräußeren befördern, jedoch auf einem vergleichsweise größeren Radius angeordnet sind, überwiegt die Pumpwirkung auf das Lagerfluid, die in das Lagerinnere gerichtet ist. Es ergibt sich also eine resultierende Pumprichtung des zweiten konischen Lagers 26 in Richtung des Separatorspalts 38 und des ersten konischen Lagers 24. Dadurch ist sichergestellt, dass das Lagerfluid im Lagerspalt 28 in eine definierte Richtung fließt, nämlich vom oberen zweiten konischen Lager 26 über den Separatorspalt 38 zum unteren ersten konischen Lager 24 und von dort über den Rezirkulationskanal 40 nach oben wieder zurück in den Bereich des oberen zweiten konischen Lagers 26, so dass ein geschlossener Kreislauf mit definierter Flussrichtung des Lagerfluids sichergestellt ist. Es ist ferner sichergestellt, dass kein Unterdruck zwischen den beiden konischen Lagern 24, 26 entsteht, wodurch verhindert wird, dass Gas aus dem Lagerfluid austreten kann. Die Pfeile in 2 geben die Pumprichtung und -stärke der jeweiligen Lagerrillenstrukturen der konischen Lager 24, 26 an.
-
Das untere, erste konische Lager 24 kann auch derart ausgestaltet sein, dass es eine leichte Gesamtpumpwirkung in Richtung des oberen zweiten konischen Lagers 26 erzeugt. Die Pumpwirkung des ersten konischen Lagers 24 ist aber sehr viel geringer als die Pumpwirkung des zweiten konischen Lagers 26, so dass die oben beschriebene Flussrichtung des Lagerfluids durch das Lager dadurch nicht verändert wird.
-
Der hier gezeigte Spindelmotor kann zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet werden. Dafür können auf der Nabe 22 eine oder mehrere, beispielsweise sechs, Speicherplatten (nicht zeichnerisch dargestellt) befestigt werden. Des Weiteren kann der Spindelmotor auch zum Antrieb eines Lüfterrades oder Laserscanners eingesetzt werden.
-
In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen sind Nabe 22 und Lagerbuchse 20 zwei separate Bauteile aus verschiedenen Materialien. Nabe und Lagerbuchse können auch einteilig ausgebildet (nicht zeichnerisch dargestellt) und beispielsweise aus Stahl gefertigt sein. In diesem Fall kann auf den separaten magnetischen Rückschluss 48 des elektromagnetischen Antriebsystems verzichtet werden. Des Weiteren werden die Rezirkulationskanäle 40 dann nicht als Nuten ausgebildet, sondern gebohrt.
-
Die beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 können auch vertauscht auf der Welle 12 angeordnet werden (nicht zeichnerisch dargestellt). In diesem Fall verläuft der Innenumfang der Nabe 22 unten um 2° nach innen geneigt, während er oben parallel zur Rotationsachse 18 verläuft. Entlang des Absatzes des unteren konischen Lagerbauteils ist dann keine Pumpdichtung angeordnet, dafür ist aber die in axialer Richtung relativ lang ausgebildete Kapillardichtung mit großer Spaltbreite vorgesehen. Entlang des Absatzes des oberen konischen Lagerbauteils ist dann die Pumpdichtung mit der Ruhezone angeordnet, die Kapillardichtung ist kürzer ausgebildet und weist eine kleinere Spaltbreite auf als die Kapillardichtung auf der anderen Seite des Lagers.
-
Die in 1 beschriebenen Pumpstrukturen 46 sind dann angrenzend an das konische Lagerbauteil angeordnet, entlang dessen Absatzes keine Pumpdichtung vorgesehen ist, also angrenzend an das obere konische Lager.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14, 16
- konisches Lagerbauteil
- 14a, 16a
- Absatz
- 18
- Rotationsachse
- 20
- Lagerbuchse
- 22
- Nabe
- 24
- erstes konisches Lager
- 26
- zweites konisches Lager
- 28
- Lagerspalt
- 30, 32
- Kapillardichtung
- 34
- Abdeckkappe
- 36
- Spaltdichtung
- 38
- Separatorspalt
- 40
- Rezirkulationskanal
- 42
- Pumpdichtung
- 44
- Ruhezone
- 46
- Pumpstrukturen
- 48
- magnetischer Rückschluss
- 50
- Rotormagnet
- 52
- Statoranordnung
-
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 102014014962 A1 [0003, 0012]
- US 6404087 B1 [0018]
