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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit verbessertem Einlaufverhalten, insbesondere einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder Laserscannern wie beispielsweise LiDAR(Light detection and ranging)-Systemen oder Polygonscannern.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2010 022 340 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lager, bei dem bei Einlauftests erkannt wurde, dass ein starker Materialabrieb an den Kanten der Lagerbohrung verursacht wird, da durch die unvermeidliche Taumelbewegung der Welle in der Lagerbohrung an den Randbereichen der Lagerbohrung ein Kontakt zwischen Welle und Lagerbohrung erfolgt. Dadurch erfolgt an diesen Stellen ein verstärkter Abrieb der Lagerbauteile, insbesondere beim Testlauf und nachfolgend bei jedem Start-Stopp Vorgang des Spindelmotors.
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Es wird daher vorgeschlagen, diese Kontaktbereiche, also die Endabschnitte der Lagerbohrung derart auszubilden, dass diese sich konisch aufweiten, um einen Kontakt der Lagerbauteile an diesen Stellen zu vermeiden und den Abrieb zu verringern. Diese Aufweitungen der Lagerbohrung befinden sich in Übergangsbereichen, in denen keine Lagerstrukturen des fluiddynamischen Lagers vorhanden sind.
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Die
US 7,201,517 B2 offenbart einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager, bei welchen beispielsweise in
19 angedeutet ist, dass aufgrund Fertigungstoleranzen die Lagerbohrung in der Regel nicht ideal zylindrisch ausgebildet ist, sondern eher tonnenförmig oder negativ-tonnenförmige. Insbesondere die Endabschnitte der Lagerbohrung können sich konisch aufweiten oder nach innen konisch verengen. Es können aber auch Mischformen zwischen konisch und zylindrisch vorkommen.
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Durch diese fertigungsbedingte Formgebung der Lagerbohrung kann sich die gewünschte Fliesrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt ändern oder sogar umkehren, sodass vorgeschlagen wird, die Lagerrillenstruktur derart auszubilden, dass immer eine definierte Fliesrichtung des Lagerfluids erzielt wird, unabhängig davon, wie die Formgebung der Lagerbohrung ist.
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Die
US 2011/0033144 A1 offenbart einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, bei denen an den Endabschnitten der Lagerbohrung ebenfalls eine konische Abschrägung vorhanden ist, die sich entweder nach außen konisch aufweitet oder konisch verengt. Im Bereich dieser konischen Abschrägung sind Lagerrillenstrukturen angeordnet bzw. überlappen mit dieser konischen Abschrägung. Die Lagerrillenstrukturen sind hierbei vollständig im Bereich der Abschrägung der Lagerbuchse vorgesehen. Im Bereich der sich aufweitenden Endabschnitte der Lagerbohrung weitet sich gleichermaßen der Lagerspalt zwischen der Welle und der Lagerbohrung auf, sodass die Wirkung der Lagerrillenstrukturen im Bereich der breiteren Abschnitte des Lagerspaltes geringer ist als im Bereich des schmaleren Abschnittes des Lagerspaltes. Dadurch verändert sich die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen anhand der abgeschrägten Endabschnitte der Lagerbohrung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager anzugeben, der ein verbessertes Einlaufverhalten aufweist, so dass einerseits ein unnötiger Abrieb durch konisch aufgeweitete Endabschnitte der Lagerbohrung vermieden wird aber andererseits die ursprüngliche Lagersteifigkeit erhalten bleibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Form oder Anzahl der Lagerrillenstrukturen des Radiallagers im Bereich der Überlappungen mit den konisch aufgeweiteten Endabschnitten der Lagerbohrung von der Form oder Anzahl der nicht im Bereich der Überlappung angeordneten Lagerrillenstrukturen dieses Radiallagers unterscheidet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Lagerrillenstrukturen des Radiallagers im Bereich der Überlappungen mit den aufgeweiteten Endabschnitten der Lagerbohrung tiefer und/oder breiter ausgebildet, als die Lagerrillenstrukturen desselben Radiallagers, die nicht im Bereich der Überlappungen angeordnet sind.
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Zusätzlich oder alternativ kann erfindungsgemäß die Anzahl der Lagerrillenstrukturen des Radiallagers im Bereich der Überlappungen mit den konisch aufgeweiteten Endabschnitten der Lagerbohrung größer sein als die Anzahl der Lagerrillenstrukturen dieses Radiallagers, die nicht im Bereich der Überlappungen angeordnet sind.
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Durch die größere Tiefe oder Breite der Lagerrillenstrukturen bzw. die größere Anzahl der Lagerrillenstrukturen innerhalb des Überlappungsbereichs wird erreicht, dass die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen, die im Bereich der Aufweitung der Lagerbohrung angeordnet sind, also dort wo der Lagerspalt sich verbreitet, nicht geringer wird, als die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen, die im Bereich des Lagerspalts mit konstanter Spaltbreite angeordnet sind, d. h. im nicht aufgeweiteten Bereich der Lagerbohrung.
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Vorzugsweise sind die Lagerrillenstrukturen derart ausgebildet, dass die Gesamtpumpwirkung der Lagerrillenstrukturen des betrachteten Radiallagers nach innen in das Lagerinnere gerichtet ist. Insbesondere sind die Lagerrillenstrukturen im Bereich der Aufweitung der Lagerbohrung, also dort wo der Lagerspalt eine größere Breite aufweist, in ihrer Wirkungsweise stärker ausgebildet als im Bereich der geringeren Lagerspaltbreite.
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Erfindungsgemäß können die Lagerrillenstrukturen lediglich im Bereich der Aufweitung der Lagerbohrung angeordnet sein oder aber sowohl teilweise im Bereich der aufgeweiteten Lagerbohrung, also auch im Bereich der Lagerbohrung mit gleichbleibendem Durchmesser.
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Wichtig ist, dass die Lagerrillenstrukturen des betrachteten Radiallagers in dem Abschnitt, wo die Lagerbohrung sich aufweitet und der Lagerspalt breiter wird, eine größere Tiefe oder Breite und/oder Anzahl aufweisen, als die Lagerrillenstrukturen dieses Radiallagers, die im Bereich des nominalen Durchmessers der Lagerbohrung angeordnet sind, dort wo die Breite des Lagerspalts gleichbleibend ist.
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Die Lagerrillen können prinzipiell beispielsweise fischgräten-, parabel- oder sinusförmig ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, weist die Lagerbohrung einen nominalen Durchmesser D von einigen Millimetern auf, der sich im Bereich der Endabschnitte um einen Betrag zwischen 0,2 Mikrometer und 2,5 Mikrometer konisch aufweitet.
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Bei einer Länge L der Lagerbohrung erstrecken sich die aufgeweiteten Endabschnitte vorzugsweise jeweils über eine Länge von L/10 bis L/4. Das entspricht einer axialen Länge der aufgeweiteten Endabschnitte von 10–25% der axialen Länge L der Lagerbohrung.
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Die Abschrägung, d. h. die konische Aufweitung der Endabschnitte der Lagerbohrung verläuft in einem Winkel α schräg zur Drehachse, wobei der Winkel α vorzugsweise zwischen 0,02 Grad und 0,2 Grad beträgt.
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In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Lagerrillenstrukturen des Radiallagers, in axialer Richtung gesehen, über eine Länge L2 in den Bereich der Überlappungen mit dem konisch aufgeweiteten Endabschnitt der Lagerbohrung (15) hinein erstrecken, wobei L/10 ≤ L2 ≤ L/4 gilt. Damit können effektive aufgeweitete Endabschnitte vorgesehen sein und gleichzeitig die wirksame Lagerfläche des fluiddynamischen Lagers maximiert werden, wodurch der Abrieb klein- und die Lagersteifigkeit großgehalten wird.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung, sowie Vorteile werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht von Welle und Lagerbuchse gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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3A zeigt schematisch einen Schnitt entlang einer Lagerrille eines fluiddynamischen Radiallagers gemäß der Erfindung mit variabler Rillentiefe, die im Beispiel kontinuierlich variiert wird.
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3B zeigt schematisch einen Schnitt entlang einer Lagerrille eines fluiddynamischen Radiallagers gemäß der Erfindung mit variabler Rillentiefe, die im Beispiel ein gestuftes Tiefenprofil aufweist
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3C zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Lagerrille mit verbreitertem Abschnitt.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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In 1 ist ein Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager dargestellt. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die einen Rand mit einer im Wesentlichen zentralen zylindrischen Öffnung aufweist, in welcher ein erstes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa topfförmig ausgebildet und umfasst eine Öffnung, in welcher eine Welle 12 befestigt ist. Die Welle ist im Querschnitt T-förmig ausgebildet und umfasst am unteren Ende einen senkrecht zur Drehachse 46 angeordneten flachen Flansch 12a, welcher mit seinem Außenumfang an dem ersten Lagerbauteil 16 befestigt ist, vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung 50. An dem freien Ende der feststehenden Welle 12 ist ein Stopperbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 16 und 18 bilden die feststehende Komponente des Spindelmotors.
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Der Spindelmotor umfasst ein drehbares Rotorbauteil 14 als Teil des fluiddynamischen Lagers, das eine Lagerbuchse 14a mit einer zylindrischen Lagerbohrung 15 aufweist, durch welche die Welle 12 hindurch gesteckt ist. Das Rotorbauteil 14 bzw. dessen Lagerbuchse 14a ist in einem durch die Welle 12 und die beiden Bauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen um die Drehachse 46 drehbar angeordnet. Das Stopperbauteil 18 liegt in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14a. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12 und der Bauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 von angrenzenden Flächen der Lagerbuchse 14a getrennt, wobei der Lagerspalt 20 mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
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Am Innenumfang der zylindrischen Lagerbohrung 15 der Lagerbuchse 14a sind zwei zylindrische Lagerflächen ausbildet, welche durch einen dazwischen liegenden Separatorspalt 25 mit einer gegenüber dem Lagerspalt 20 vergrößerten Spaltbreite getrennt sind. Die Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und sind mit geeigneten Lagerrillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 ausbilden. Die fluiddynamischen Radiallager 22, 24 sind durch beispielsweise parabelförmige Lagerrillenstrukturen 22a, 24a gekennzeichnet, die entweder auf dem Außenumfang der Welle 12 oder bevorzugt am Innenumfang der Lagerbohrung 15 der Lagerbuchse 14a oder auf beiden Teilen angebracht sind.
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An das untere Radiallager 24 schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 14a und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Flansches 12a der Welle 12 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 mit Lagerflächen in Form von zur Drehachse 48 senkrechten Kreisringen. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14a, der Fläche des Flansches 12a oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen des Axiallagers 26 erstrecken sich beispielsweise über die gesamte untere Stirnfläche der Lagerbuchse 14a, also vom Rand der Lagerbohrung 15 bis zur äußeren Begrenzung der Stirnfläche. Dadurch ergibt sich im Betrieb eine definierte Druckverteilung im gesamten Axiallagerspalt und Unterdruckzonen werden vermieden, da der Fluiddruck von einer radial äußeren zu einer radial inneren Position des Axiallagers kontinuierlich zunimmt. In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22, 24 und das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen an der Lagerbuchse 14a angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht.
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An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 26 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster Dichtungsspalt 34 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 14a und des zylindrischen Abschnitt des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt ist und diese Seite des Lagerspalts 20 abdichtet. Der erste Dichtungsspalt 34 umfasst einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Querschnitt, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 14a und einer inneren Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 34 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 34 bildenden Flächen der Lagerbuchse 14a und des feststehenden Lagerbauteils 16 können jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
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An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 14a im Anschluss an das obere Radiallager 22 so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 32 an, der durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 14a und des Stopperbauteils 18 begrenzt ist und das fluiddynamische Lagersystem an diesem Ende abschließt. Entlang des zweiten Dichtungsspalts 32 ist vorzugsweise eine entsprechende Rillenstrukturen aufweisende Pumpdichtung 36 angeordnet, wobei sich der zweite Dichtungsspalt 32 sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt aufweitet. Die Rillenstrukturen der Pumpdichtung 36 können auf dem Stopperbauteil 18 oder der Lagerbuchse 14a oder beiden Bauteilen angeordnet sein.
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Der zweite Dichtungsspalt 32 ist vorzugsweise von einer ringförmigen Abdeckkappe 30 abgedeckt, die auf dem Rotorbauteil 14 befestigt ist. Der innere Rand der Abdeckkappe 30 bildet zusammen mit dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung aus. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32.
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Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen, der in axialer Richtung schräg durch die Lagerbuchse 14a verläuft. Der Rezirkulationskanal 28 ist ebenfalls mit Lagerfluid gefüllt und verbindet entfernt voneinander liegende Abschnitt des Lagerspalts 20 direkt miteinander.
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Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors besteht aus einer an der Basisplatte 10 angeordneten Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche eines äußeren Randes des Rotorbauteils 14 angeordnet ist. Die Statorwicklungen sind über Drähte mit einer elektrischen Leiterplatte 38 kontaktiert, über welche die Statorwicklungen mit Strom versorgt werden.
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Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 26 aufweist, das eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 18 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann die Basisplatte 10 einen ferromagnetischen Ring 40 aufweisen, der dem Rotormagneten 44 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 26 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 42 und der Rotormagnet 44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass der Rotormagnet 44 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die ebenfalls entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt.
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Der gezeigte Spindelmotor kann vorzugsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden, wobei auf dem Rotorbauteil 14 auf entsprechenden Auflageflächen am Außenumfang, eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) befestigt werden, die vom Spindelmotor drehend angetrieben werden.
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Erfindungsgemäß ist die Lagerbohrung 15 nicht durchgehend zylindrisch ausgebildet, wie beispielsweise der in der Lagerbohrung angeordnete Abschnitt der Welle 12, sondern es ist vorgesehen, dass sich die jeweils äußeren Endabschnitte 15a und 15b der Lagerbohrung 15 nach außen aufweiten. Ferner ist es vorgesehen, dass zumindest Teile der Radiallagerrillen des ersten Radiallagers 22 mit dem aufgeweiteten Endabschnitt 15a und Teile der Radiallagerillen des zweiten Radiallagers 24 mit dem aufgeweiteten Endabschnitt 15b der Lagerbohrung 15 in axialer Richtung überlappen, d. h. im Bereich dieser Aufweitungen 15a und 15b angeordnet sind.
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Durch diese Aufweitungen 15a, 15b der Lagerbohrung 15 werden die scharfen Kanten am Ende der Lagerbohrung 15 vermieden. Vielmehr ergeben sich sanfte Übergänge, die so hergestellt sind, dass auch bei einer geringfügigen Verkippung der Welle 12 die Oberfläche der Welle 12 nicht die äußeren Kanten der Lagerbohrung 15 berühren kann. Damit ergibt sich insbesondere ein verbessertes Einlaufverhalten bzw. Testverhalten des Spindelmotors als auch ein verbesserter Start-Stopp Betrieb, denn es können sich keine starken Reibungspunkte zwischen den Endkanten der Lagerbohrung 16 und der Welle 12 ergeben, die zu einem unnötigen Verschleiß der Lagerbohrung führen, denn diese möglichen Berührungspunkte zwischen Welle 12 und Lagerbohrung 15 sind durch diese Abschrägungen 15a, 15b entschärft.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass sich die Form oder die Anzahl der Lagerrillenstrukturen 22a, 24a der Radiallager 22, 24 im Bereich der Überlappungen mit den konisch aufgeweiteten Endabschnitten 15a, 15b der Lagerbohrung 15 von der Form oder der Anzahl, der nicht im Bereich der Überlappung angeordneten Lagerrillenstrukturen der Radiallager 22, 24 unterscheidet.
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Insbesondere können die Lagerrillenstrukturen 22a, 24a im Bereich der Überlappungen mit den konisch aufgeweiteten Endabschnitten 15a und 15b der Lagerbohrung 15 tiefer und/oder breiter und/oder in größerer Anzahl ausgeführt sein, als die Lagerrillenstrukturen, die nicht im Bereich der Überlappungen angeordnet sind.
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Dadurch wird die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen des jeweiligen Radiallagers 22 bzw. 24 im Bereich der Überlappung mit dem jeweils zugeordneten Endabschnitt 15a bzw. 15b durch die Maßnahmen entsprechend erhöht. Dadurch wird sichergestellt, das die Lagerrillenstrukturen im Bereich der Überlappungen mit den Endabschnitten 15a, 15b eine starke Pumpwirkung in das Lagerinnere, also in Richtung des Separatorspaltes 25 erzeugen, sodass die Gefahr eines Unterdrucks im Bereich des Separatorspaltes 25 vermieden wird. Es wird somit ein ausreichender Druck im Lagerinneren im Bereich des Separatorspaltes 25 aufrechterhalten, der vorzugsweise größer ist als der Umgebungsdruck.
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Wie es in 2 dargestellt ist, hat die Lagerbohrung 15 beispielsweise eine Länge L, wobei die aufgeweiteten Endabschnitte 15a, 15b der Lagerbohrung 15 beispielsweise eine Länge L1 aufweisen.
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Erfindungsgemäß beträgt die Länge L1 der aufgeweiteten Endabschnitte 15a, 15b zwischen L/10 und L/4 der Länge L, also etwa 10–25% der Gesamtlänge L der Lagerbohrung. Die beiden aufgeweiteten Endabschnitte 15a, 15b der Lagerbohrung können auch unterschiedliche Längen haben, müssen also nicht beide die Länge L1 aufweisen.
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Die Lagerbohrung 15 weist einen nominalen Durchmesser D auf, der sich im Bereich der Endabschnitte 15a, 15b um einen Betrag zwischen +0,2 Mikrometer und +2,5 Mikrometer konisch aufweitet. Der Durchmesser D der Lagerbohrung 15 beträgt beispielsweise einige Millimeter. Vorzugsweise zwischen 2,5 und 3,5 mm.
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In 2 ist ferner dargestellt, dass das obere Radiallager 22 im Bereich seiner Überlappung mit dem konischen Endabschnitt 15a über zusätzliche Rillenstrukturen 22b verfügt, während der untere Bereich des Radiallagers 22, der nicht mit dem Endabschnitt 15a überlappt, keine solche zusätzlichen Rillen 22b aufweist. Durch die zusätzlichen Rillenstrukturen 22b im Bereich der Überlappung mit dem konischen Endabschnitt 15a wird die Pumpwirkung des Radiallagers 22 im Bereich der Überlappung erhöht, sodass sich eine Gesamtpumpwirkung des Radiallagers 22 in das Lagerinnere in Richtung des Separatorspaltes 25 ergibt.
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Das untere Radiallager 24 weist Radiallagerrillen 24a auf, die im Bereich der Überlappung mit dem unteren aufgeweiteten Endabschnitt 15b der Lagerbohrung 15 ebenfalls durch zusätzliche Lagerrillenstrukturen 24b ergänzt sind, welche die Pumpwirkung der Radiallager 24 im Bereich der Überlappung mit dem Endabschnitt 15b erhöht. Dadurch wird eine Gesamtpumpwirkung des Radiallagers 24 erreicht, die überwiegend in Richtung des Separatorspaltes 25 gerichtet ist.
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Die Überlappung der Rillenstrukturen 22a, 22b des oberen Radiallagers und der Rillenstrukturen 24a, 24b des unteren Radiallagers mit den konischen Endabschnitten 15a, 15b hat jeweils eine Länge L2 in axialer Richtung, die vorzugsweise im Bereich L/10 ≤ L2 ≤ L/4 liegt, jedoch auch andere Werte annehmen kann.
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3A und 3B zeigen schematisch jeweils einen Längsschnitt durch eine Lagerrille 122a des Radiallagers 22 aus 1, wobei hier die Tiefenstruktur der Lagerrille 122 gezeigt ist. Der in der Ansicht der Figuren obere Abschnitt der jeweils gezeigten Radiallagerrille 122a ist der Bereich, der mit dem aufgeweiteten Endabschnitt 15a der Lagerbohrung überlappt. Dieser Überlappungsbereich ist hier schematisch durch einen Doppelpfeil 48 gekennzeichnet. In horizontaler Richtung der Zeichenebene ist schematisch die Tiefenstruktur der Lagerrille dargestellt. Der in den 3A und 3B untere Abschnitt der Radiallagerrille 122a ist der an den Separatorspalt 25 angrenzende Abschnitt. Man erkennt, dass die Tiefe der Radiallagerrille 122a im oberen Abschnitt, also dem Bereich der Überlappung mit dem konisch aufgeweiteten Endabschnitt 15a der Lagerbohrung 15 wesentlich größer ist und beispielsweise kontinuierlich (3A) oder auch gestuft (3B) zunimmt. Im Falle eines gestuften Tiefenprofils können eine oder mehrere Stufen vorhanden sein. Die Tiefe der Radiallagerrille 122a, die nicht im Bereich der Überlappung mit dem Endabschnitt 15a der Lagerbohrung 15 liegt, ist wesentlich flacher. Durch die größere Tiefe der Radiallagerrille 122a im Bereich der Überlappung erzeugt die Radiallagerrille 122a im oberen Bereich der Überlappung eine größere Pumpwirkung als vergleichsweise in dem nicht überlappenden unteren Bereich. Die Radiallagerrillen 24a des unteren Radiallagers 24 weisen vorzugsweise dieselbe Tiefenstruktur aufweisen, wie die in 3A gezeigte Radiallagerrille 122a.
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3C zeigt eine Aufsicht auf eine Radiallagerrille 222a, beispielsweise ähnlich einer Radiallagerrille des Radiallagers 22 in der in 1. Im Bereich der Überlappung mit dem sich konisch aufweitenden Endabschnitt 15a der Lagerbohrung 15, der hier schematisch durch ein Doppelpfeil 48 gekennzeichnet ist, ist die Breite der Radiallagerrille sehr viel größer, als in dem übrigen Bereich, der nicht mit dem konischen Endabschnitt 15a der Lagerbohrung 15 überlappt. Durch die größere Breite ergibt sich eine größere Pumpwirkung der Radiallagerrille 222a im Bereich der Überlappung 48 mit dem Endabschnitt 15a der Lagerbohrung 15, sodass diese Radiallagerrille 222a eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung nach unten, also in Richtung des Separatorspaltes 25 erzeugt. Die Radiallagerrillen 24a des unteren Radiallagers 24 weisen vorzugsweise dieselbe Geometrie auf, wie die in 3C gezeigte Radiallagerrille 222a.
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Erfindungsgemäß ist auch eine Kombination der verschiedenen Formgebungen bzw. Anzahl der Radiallagerrillen vorgesehen, d. h. die Radiallagerrillen können im Bereich ihrer Überlappungen mit dem jeweiligen sich aufweitenden Endabschnitten 15a und 15b der Lagerbohrung 15 sowohl eine größere Tiefe, als auch eine größere Breite, als auch eine größere Anzahl aufweisen, wobei erfindungsgemäß eine beliebige Kombination dieser Parameter möglich ist.
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Die Radiallagerrillen werden vorzugsweise mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens (ECM) hergestellt, wobei die Erzeugung von tieferen oder breiteren Rillen durch die entsprechende Auslegung der ECM Elektrode bzw. der Breite des Arbeitsspaltes erzeugt werden können. Auch die Anzahl der Radiallagerrillen bzw. zusätzliche Rillen sind auf der Elektrode ohne Schwierigkeiten vorzusehen.
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In den Zeichnungen ist die konische Aufweitung der Endabschnitte 15a, 15b der Lagerbohrung 15 stark übertrieben dargestellt, damit diese Aufweitung überhaupt in den Zeichnungen erkennbar wird. Tatsächlich sind die Aufweitungen nur sehr gering und bewegen sich im Bereich von weniger als einem Mikrometer, wobei der Winkel α der Aufweitungen beispielsweise zwischen 0,02 und 0,2 Grad beträgt (Vergleiche 2).
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Durch die Aufweitungen 15a, 15b in den Endbereichen der Lagerbohrung 15 wir der Lagerspalt 20 in diesem Bereich ebenfalls entsprechend breiter, sodass die Wirksamkeit der Lagerrillenstruktur 22a, 24a im Bereich der Überlappungen mit den Aufweitungen 15a, 15b nachlässt. Der Lagerspalt 20 hat beispielsweise eine nominale Breite von wenigen Mikrometern. Um die nachlassende Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen in den aufgeweiteten Endabschnitten 15a, 15b zu kompensieren, wird erfindungsgemäß die Form und oder Anzahl der Lagerrillenstrukturen im Bereich der Überlappungen mit den aufgeweiteten Endabschnitten 15a, 15b verändert. Insbesondere sind die Lagerrillenstrukturen im Bereich der Überlappungen mit den Endabschnitten 15a, 15b tiefer, breiter oder in einer größeren Anzahl vorhanden.
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Im Bereich der aufgeweiteten Endabschnitte 15a, 15b wird erfindungsgemäß bei der Herstellung der Lagerbohrung 15 Material abgetragen und zwar so viel, dass es zumindest dem erwarteten Materialabtrag beim Einlauftest bzw. Qualifikationstest des Motors entspricht. Die Tiefe der Radiallagerrillen beträgt beispielsweise zwischen 2 und 6 Mikrometer. Im Bereich der Überlappung der Radiallagerrillen mit den aufgeweiteten Endabschnitten 15a, 15b kann die Tiefe auf bis zu weiteren 2–6 Mikrometern erhöht werden, sodass die Tiefe dort zwischen 4 und 12 Mikrometer beträgt.
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Die Breite der Radiallagerrillen beträgt beispielsweise 100 Mikrometer, wobei im Bereich der Überlappung mit den Endabschnitten 15a, 15b die Breite beispielsweise auf bis zu 200 Mikrometer vergrößert werden kann.
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Die Lagerbuchse 14a bzw. das gesamte Rotorbauteil 14 kann erfindungsgemäß aus Aluminium, Stahl, Messing oder einem keramischen Werkstoff bestehen.
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Die Welle 12 besteht vorzugsweise aus gehärtetem Edelstahl, Messing oder Bronze. Der Innenumfang der Lagerbohrung kann mit einer Hartbeschichtung oder einer Beschichtung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten, etwa einer DLC- oder Nickelbeschichtung versehen sein. Diese Beschichtung kann weder auf der gesamten Oberfläche der Lagerbohrung 15 oder aber nur in den Bereichen der abgeschrägten Endabschnitte 15, 15b vorliegen.
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In dem Bereich der erweiterten Endabschnitten 15a, 15b erweitert sich der Durchmesser D der Lagerbohrung 15 von innen nach außen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 12a
- Flansch
- 14
- Rotorbauteil
- 14a
- Lagerbuchse
- 15
- Lagerbohrung
- 15a
- aufgeweiteter Endabschnitt der Lagerbohrung
- 15b
- aufgeweiteter Endabschnitt der Lagerbohrung
- 16
- Lagerbauteil
- 18
- Stopperbauteil
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Radiallager
- 22a, 122a
- Radiallagerrillen
- 22b
- Radiallagerrillen
- 222a
- Radiallagerrillen
- 24
- Radiallager
- 24a
- Radiallagerrillen
- 24b
- Radiallagerrillen
- 25
- Separatorspalt
- 26
- Axiallager
- 28
- Rezirkulationskanal
- 30
- Abdeckkappe
- 32
- Dichtungsspalt
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Pumpdichtung
- 38
- Leiterplatte
- 40
- ferromagnetischer Ring
- 42
- Statoranordnung
- 44
- Rotormagnet
- 46
- Drehachse
- 48
- Überlappungsbereich mit 15a
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010022340 A1 [0002]
- US 7201517 B2 [0004]
- US 2011/0033144 A1 [0006]
