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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wie er zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, eines Lüfters oder eines laseroptischen Instruments Verwendung findet.
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Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von fluiddynamischen Lagersystemen für die Drehlagerung von Spindelmotoren bekannt. In der Regel bestehen diese Lagersysteme aus mindestens zwei Lagerbauteilen, die getrennt durch einen dünnen Schmiermittelfilm relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse drehbar angeordnet sind.
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Die beiden Lagerbauteile umfassen in der Regel eine Welle und eine Lagerbuchse, die eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Welle rotiert frei in der Lagerbuchse und bildet zusammen mit dieser mindestens ein fluiddynamisches Radiallager. Die Lageroberflächen von Welle und Lagerbuchse sind durch einen wenige Mikrometer breiten, konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt.
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Gemäß einer üblichen Bauweise eines fluiddynamischen Lagers ist vorzugsweise an einem Ende der Welle eine Lagerplatte angeordnet, die Lagerflächen bildet, welche senkrecht zur Drehachse der Welle angeordnet sind. Diese Lagerflächen bilden zusammen mit gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerbuchse bzw. einer Abdeckung vorzugsweise zwei gegeneinander arbeitende fluiddynamische Axiallager, welche die axialen Lagerkräfte aufnehmen und eine übermäßige axiale Verschiebung der Welle entlang der Rotationsachse verhindern. Des Weiteren kann eine Lagerplatte als separates Bauteil ausgebildet und mit der Welle verbunden sein oder sie kann einteilig mit der Welle ausgebildet sein.
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Die Lagerbauteile bestehen üblicherweise aus Stahl. Bei Lagerpartnern aus Stahl besteht die Gefahr, dass es bei einer Berührung der Lageroberflächen während des Betriebs des Lagers, beispielsweise im Falle eines einwirkenden Schocks, zu einem erhöhten Verschleiß und sogar zum Fressen des Lagers kommen kann. Andererseits kann eine bezüglich Lagerreibung günstigere Materialwahl der Lagerpartner zu anderen Problemen, beispielsweise zu Verbindungs- und Festigkeitsproblemen, führen.
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Der notwendige fluiddynamische Druck im Lagerspalt wird durch Lagerrillenstrukturen erzeugt, die bei Drehung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben. Dadurch baut sich im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck auf, der die erforderliche Lagerkraft generiert. Ein typisches Lager dieser Bauart ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 021 514 A1 offenbart. Das dort dargestellte fluiddynamische Lagersystem hat zwei Axiallager, die gleichartig aufgebaut sind, d. h. die beiden Axiallager sind sowohl in sich selbst symmetrisch als auch zueinander symmetrisch aufgebaut. Die Axiallager erzeugen einen gleichmäßigen hydrodynamischen Druck in beide Richtungen des Lagerspalts, d. h. sie fördern das Lagerfluid in keine bestimmte Richtung.
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Die Strömung des Lagerfluids im Lagerspalt wird durch die Art der Lagerrillenstrukturen und deren Pumprichtung bestimmt. Ferner wird die Strömung durch Fertigungstoleranzen der Bauteile sowie durch Umwelteinflüsse wie Temperatur, Orientierung des Lagers etc. beeinflusst. Der Fluss des Lagerfluids im Lagerspalt sollte unter allen Bedingungen die vorgegebene Richtung beibehalten. Falls der Fluss des Lagerfluids im Bereich der Axiallager zum Stillstand kommt, ist die Gefahr groß, dass sich Luftblasen im Bereich des Lagerspalts am Außendurchmesser der Druckplatte sammeln, was die Funktion des Lagersystems beeinträchtigen kann. Ferner kann am geschlossenen Ende des Lagers, also im Bereich unterhalb der Druckplatte bzw. Welle, der Druck sowohl positive als auch negative Werte annehmen bzw. zu groß werden, so dass die sogenannte Flughöhe der Druckplatte, also die axiale Lage der Druckplatte in ihrer Aussparung, nicht mehr den Vorgaben entspricht und die Funktion des Lagers beeinträchtigt werden kann.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager zur Drehlagerung eines Spindelmotors anzugeben, das eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Schockfestigkeit auch bei hoher Last aufweist.
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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 erfindungswesentliche Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das beschriebene fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil, welches eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung umfasst, und ein drehbares Lagerbauteil, welches eine in der Lagerbohrung drehbar angeordnete Welle umfasst, wobei die Welle und die Lagerbuchse durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind und entlang des Lagerspalts mindestens ein fluiddynamisches Radiallager angeordnet ist, und eine mit der Welle verbundene Druckplatte vorgesehen ist, die in einer Aussparung der Lagerbuchse drehbar angeordnet und von Abschnitten des Lagerspalts umgeben ist und zusammen mit der Lagerbuchse und einer Abdeckung ein erstes fluiddynamisches Axiallager und ein zweites fluiddynamisches Axiallager ausbildet.
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Erfindungsgemäß bestehen die Lagerbuchse und/oder die Abdeckung aus Messing, wohingegen die Welle und die Druckplatte vorzugsweise aus Stahl bestehen.
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Eine vorteilhafte Kombination von Stahl und Messing als Radiallagerflächen und/oder Axiallagerflächen vermindert den Verschleiß und verhindert ein Fressen der Lager bei einer Berührung der Lagerpartner. Insbesondere verbessert sich dadurch die Schockfestigkeit des Lagersystems.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Lagerbuchse aus Messing. Die Abdeckung ist aus Stahl und als Abdeckplatte ausgebildet. An der Lagerbuchse ist ein Stahlring angeordnet, an welchem die Abdeckplatte mittels einer Schweißverbindung befestigt ist.
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Vorzugsweise weist der Stahlring an seinem Außendurchmesser eine Rille oder ringförmige Nut auf. Diese Rille oder Nut ermöglicht eine leichte radiale Aufweitung des Stahlrings, so dass durch die Schweißverbindung mit der Abdeckplatte hervorgerufene Spannungen ausgeglichen werden können und eine Verformung der Abdeckplatte vermieden wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Lagerbuchse aus Stahl oder Messing, und insbesondere besteht die Abdeckung aus Messing. Die Abdeckung ist als Abdeckkappe ausgebildet, die auf die Lagerbuchse aufgesteckt und mit dieser verbunden ist. Die Verbindung kann eine Pressverbindung und/oder Klebeverbindung sein.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst zwei fluiddynamische Axiallager, die vorzugsweise gleichartig geformte Axiallagerstrukturen aufweisen. Die beiden fluiddynamischen Axiallager können fischgrätenförmige Axiallagerrillen aufweisen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die beiden fluiddynamischen Axiallager unterschiedlich geformte Axiallagerstrukturen aufweisen.
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In diesem Fall weist das obere, erste Axiallager vorzugsweise fischgrätenförmige Axiallagerrillen auf, während das untere zweite Axiallager spiralförmige Axiallagerrillen aufweist. Für diese Form der Axiallagerrillen des ersten und des zweiten Axiallagers wird ein unabhängiger Patentschutz beansprucht. Aufgrund der Formgebung der Axiallagerrillen des ersten und des zweiten Axiallagers ist ein Kanal, der eine direkte Verbindung zwischen den Stirnflächen der Druckplatte herstellt, nicht mehr notwendig.
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Vorzugsweise ist das erste Axiallager entlang eines ersten radialen Abschnitts des Lagerspalts angeordnet und weist Axiallagerrillen auf, die das in dem ersten radialen Abschnitt des Lagerspalts befindliche Lagerfluid überwiegend in eine erste radiale Richtung oder in keine definierte Richtung fördern. Das erste Axiallager ist derart ausgebildet, dass der Druck am Außendurchmesser der Druckplatte nicht negativ werden kann. Hierbei ist das zweite Axiallager entlang eines zweiten radialen Abschnitts des Lagerspalts angeordnet und weist Axiallagerrillen auf, die das in dem zweiten radialen Abschnitt des Lagerspalts befindliche Lagerfluid nicht in eine bestimmte Richtung fördern wenn keine Rezirkulationskanäle zum Flussausgleich vorhanden sind. Das zweite Axiallager erzeugt einen Druck vom Außendurchmesser der Druckplatte nach innen, sodass die Flughöhe der Druckplatte im Wesentlichen in der Mitte der Aussparung in der Lagerbuchse liegt.
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Um die Wirkung der spiralförmigen Axiallagerrillen des zweiten Axiallagers und die Druckverteilung zu verbessern, kann es vorgesehen sein, dass die der Druckplatte zugewandte Fläche der Abdeckung eine zentrische kreisförmige Aussparung aufweist, wobei die radial innenliegenden Enden der Axiallagerrillen des zweiten Axiallagers bis in die Aussparung reichen.
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In alternativer Weise kann die der Abdeckung zugewandte Fläche der Welle und/ oder Druckplatte eine solche zentrische kreisförmige Aussparung aufweisen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager
- 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers
- 3 zeigt eine gegenüber 2 abgewandelte Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers
- 4A Aufsicht auf die Abdeckplatte mit Fischgrätenrillen
- 4B Aufsicht auf die Axiallagerfläche der Lagerbuchse
- 4C Aufsicht auf die Abdeckplatte mit Spiralrillen
- 5 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers
- 6 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der mittels eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert ist. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10 mit einer zylindrischen Öffnung, in welcher eine Lagerbuchse 12 befestigt ist. Die Lagerbuchse 12 besteht aus Stahl oder Messing und weist eine axiale zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 14 drehbar aufgenommen ist. Die Welle besteht vorzugsweise aus Stahl. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 14 ist ein Lagerspalt 18 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist.
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Einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 bilden zusammen zwei fluiddynamische Radiallager 24, 26 aus, die durch entsprechende Radiallagerrillen 24a, 26a gekennzeichnet sind. Die Radiallagerrillen 24a, 26a sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 14 angeordnet. Sobald sich die Welle 14 in der Lagerbuchse 12 dreht, üben die Radiallagerrillen 24a, 26a eine Pumpwirkung auf das im axialen Abschnitt 18a des Lagerspalts 18 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt 18a ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 18 ausbildet, der die Radiallager 24, 26 tragfähig macht. Solange sich die Welle 14 in der Lagerbohrung dreht, wird diese durch den durch die Radiallagerrillen 24a, 26a erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung, getrennt durch den Lagerspalt 18. Die beiden Radiallager 24, 26 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem sogenannten Separatorspalt 28, axial voneinander getrennt.
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Die Lagerrillenstrukturen 24a des oberen Radiallagers 24 sind vorzugsweise asymmetrisch ausgestaltet, d. h. sie erzeugen keine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des axialen Abschnitts 18a des Lagerspalts 18, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 26 gerichtet ist. Das zweite Radiallager 26 umfasst Lagerrillenstrukturen 26a, die beispielsweise symmetrisch ausgebildet sind, so dass das zweite Radiallager 26 eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des axialen Abschnitts 18a des Lagerspalts 18 erzeugt. Durch den Einfluss des oberen Radiallagers 24 ist gegebenenfalls eine Fließrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt 18 nach unten in Richtung einer Druckplatte 20 gegeben.
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Die Druckplatte 20 ist an einem Ende der Welle 14 angeordnet und auf die Welle 14 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 14 ausgebildet und hat einen deutlich größeren Durchmesser als die Welle 14. Angrenzend an die Druckplatte 20 ist die Lagerbuchse 12 durch eine Abdeckung 22 verschlossen. Die Druckplatte 20 ist in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 12 konzentrisch zur Lagerbohrung drehbar aufgenommen. Die Abdeckung 22 ist als Abdeckkappe ausgebildet und besteht vorzugsweise aus Messing oder Stahl. Die Abdeckkappe 22 übergreift das untere Stirnende der Lagerbuchse 12, wobei der Rand der Abdeckkappe 22 am Außenumfang der Lagerbuchse 12 befestigt ist. Die Verbindung zwischen der Abdeckkappe 22 und der Lagerbuchse 12 kann sowohl stoffschlüssig durch Kleben, Löten oder Schweißen als auch kraftschlüssig durch eine Pressverbindung oder Schraubverbindung erfolgen.
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Die obere Stirnseite der Druckplatte 20 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse 12 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 30 aus. Die untere Stirnseite der Druckplatte 20 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Fläche der Abdeckung 22 ein zweites fluiddynamisches Axiallager 32 aus. Die fluiddynamischen Axiallager 30, 32 sind durch Axiallagerrillen 30a, 32a (4) gekennzeichnet, die auf den Lagerflächen der Druckplatte 20 und/oder der Lagerbuchse 12 bzw. der Druckplatte 20 und/oder der Abdeckung 22 angeordnet sind. Die Axiallagerrillen 30a, 32a des ersten Axiallagers 30 und des zweiten Axiallagers 32 sind vorzugsweise fischgrätenförmig ausgebildet.
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Sobald die Welle 14 zusammen mit der Druckplatte 20 in der Lagerbuchse 12 in Rotation versetzt wird, üben die Axiallagerrillen 30a des ersten Axiallagers 30 eine Pumpwirkung auf das in einem radial verlaufenden Abschnitt 18b des Lagerspalts 18 befindliche Lagerfluid aus und es baut sich dadurch ein hydrodynamischer Druck auf, der das Axiallager 30 tragfähig macht.
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Gleichzeitig üben die Axiallagerrillen 32a des zweiten Axiallagers 32 eine Pumpwirkung auf das in einem radialen Abschnitt 18c des Lagerspalts 18 befindliche Lagerfluid aus. Es baut sich ein hydrodynamischer Druck auf, so dass das Axiallager 32 tragfähig wird.
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4A zeigt eine Aufsicht auf die Abdeckplatte 122 und die vorzugsweise auf der Abdeckplatte 122 angeordneten fischgrätenförmigen Axiallagerrillen 32a des zweiten fluiddynamischen Axiallagers 32. 4B zeigt eine Aufsicht auf die ringförmige Axiallagerfläche der Lagerbuchse 12 und die vorzugsweise auf dieser Axiallagerfläche angeordneten fischgrätenförmigen Axiallagerrillen 30a des ersten fluiddynamischen Axiallagers 30.
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Das erste fluiddynamische Axiallager 30 weist fischgrätenförmige Axiallagerrillen 30a mit radial außenliegenden Abschnitten auf, die das Lagerfluid im radial verlaufenden Abschnitt 18b des Lagerspalts radial nach innen in Richtung der Welle 14 pumpen, und radial innenliegende Abschnitte, die das Lagerfluid im radial verlaufenden Abschnitt 18b des Lagerspalts radial nach außen pumpen. Die außenliegenden Abschnitte der Axiallagerrillen 30a sind deutlich länger ausgebildet als die innenliegenden Abschnitte und sind zudem auf einem größeren Kreisdurchmesser angeordnet, so dass das erste Axiallager 30 auf das im Abschnitt 18b des Lagerspalts befindliche Lagerfluid eine überwiegende Pumpwirkung radial nach innen in Richtung der Welle 14 erzeugt.
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Das zweite fluiddynamische Axiallager 32 umfasst fischgrätenförmige Axiallagerrillen 32a mit radial außenliegenden Abschnitten und radial innenliegenden Abschnitten. Die radial außenliegenden Abschnitte sind kürzer ausgebildet und pumpen das Lagerfluid im Abschnitt 18c des Lagerspalts radial nach innen in Richtung der Welle 14, während die radial innenliegenden Abschnitte länger ausgebildet sind und das Lagerfluid im Abschnitt 18c des Lagerspalts radial nach außen pumpen. Insgesamt ergibt sich im zweiten Axiallager 32 eine überwiegende Pumpwirkung auf das im radial verlaufenden Abschnitt 18c des Lagerspalts befindliche Lagerfluid radial nach außen.
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Ausgehend vom zweiten unteren Radiallager 32 wird das im Abschnitt 18c des Lagerspalts befindliche Lagerfluid radial nach außen gefördert, fließt im Uhrzeigersinn (linke Seite der Welle 14) in axialer Richtung um den Außenumfang der Druckplatte 20 herum und gelangt in den Abschnitt 18b des Lagerspalts des ersten oberen Axiallagers 30, wo es radial nach innen in Richtung der Welle 14 gefördert wird. Die beiden Abschnitte 18b und 18c des Lagerspalts sind im Bereich des Innenumfangs der Druckplatte 20 durch mindestens einen Kanal 44 miteinander verbunden. Das vom ersten Axiallager 30 radial nach innen geförderte Lagerfluid kann daher durch den Kanal 44 axial nach unten zurück zum zweiten Axiallager 32 fließen, so dass auf der linken Seite der Welle ein durchgehender Fluidfluss um die Druckplatte 20 herum im Uhrzeigersinn erzeugt wird. Dementsprechend wird auf der rechten Seite der Welle ein durchgehender Fluidfluss um die Druckplatte 20 herum im Gegenuhrzeigersinn erzeugt.
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Die beiden Axiallager 30, 32 arbeiten gegeneinander, d. h. die durch die Axiallager 30, 32 erzeugten Lagerkräfte wirken in entgegengesetzte axiale Richtungen, so dass die Druckplatte 20 im Wesentlichen axial mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 12 positioniert wird.
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Das offene Ende des Lagerspalts 18 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 34, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 34 wird durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 14 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 gebildet. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 ist vorzugsweise abgeschrägt, so dass der Dichtungsspalt 34 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsspalt 34 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 18 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
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Das freie Ende der Welle 14 ist mit einer Nabe 16 verbunden. Die Nabe 16 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet und im vorliegenden Beispiel aus Aluminium gefertigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet. Auf einer Auflagefläche der Nabe 16 ist eine ringförmige Speicherplatte 50 angeordnet, welche durch eine an der Nabe 16 befestigte Halteklammer 52 auf der Auflagefläche gehalten wird.
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An einem inneren unteren Rand der Nabe 16 ist ein ringförmiger Rotormagnet 40 mit einer Mehrzahl von permanentmagnetischen Polpaaren angeordnet. Der Rotormagnet 40 liegt an einem Rückschlussring 38 an. Dieser Rückschlussring kann optional entfallen, wenn die Nabe aus ferromagnetischem Stahl gefertigt ist. Radial gegenüberliegend dem Rotormagneten 40 ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 36 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagneten 40 getrennt ist. Die Statoranordnung 36 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor, bestehend aus der Nabe 16, der Welle 14 und der Druckplatte 20, in Drehung versetzt wird.
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2 zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagers des Spindelmotors. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Im Unterschied zu 1 ist die Abdeckung als flache Abdeckplatte 122 ausgebildet und besteht vorzugsweise aus Stahl. Da die Lagerbuchse 12 vorzugsweise aus Messing besteht, ist eine Schweißverbindung zwischen der Abdeckplatte 122 und der Lagerbuchse 12 nicht ohne weiteres möglich. Eine Schweißverbindung wird jedoch bevorzugt, weil diese eine absolut dichte Verbindung gewährleistet.
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Die Lagerbuchse 12 weist auf der Seite der Abdeckplatte 122 einen verringerten Außendurchmesser auf. Auf den Außenumfang der Lagerbuchse 12 ist ein passender Stahlring 146 aufgepresst und/oder aufgeklebt, der über den Rand der Lagerbuchse 12 übersteht und eine Aussparung bildet, in die die Abdeckplatte 122 eingefügt ist.
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Vorzugsweise bildet der Innendurchmesser des Stahlrings 146 mit dem Außendurchmesser der Abdeckplatte 122 eine leichte Pressverbindung aus. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Abdeckplatte bei der Montage in einem optimierten Abstand zur Druckplatte 20 einzupressen und somit das Axialspiel des Lagers zu reduzieren. Die Pressverbindung kann umlaufend oder partiell nur an mindestens drei Stellen, z. B. mittels drei Halte-Nasen oder Überständen ausgeführt sein. Dies reduziert die notwendigen Einpresskräfte der Abdeckplatte 122. Weiter kann ein kreisförmig umlaufender Absatz 122a an der Innenfläche des Stahlrings 146 oder auf der Abdeckplatte 122 die Einpresskräfte ebenfalls reduzieren.
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Um die Pressverbindung abzudichten, werden der Stahlring 146 und die aus Stahl bestehende Abdeckplatte 122 im nächsten Schritt miteinander verschweißt, bevorzugt mit einem Laserschweißverfahren.
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Vorzugsweise kann der Stahlring 146 an seinem Außenumfang eine Rille oder Nut 146a aufweisen, welche eine gewisse Verformung/Aufweitung des Stahlrings 146 in radialer Richtung zulässt. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich die Abdeckplatte durch die Schweißverbindung mit dem Stahlring 146 verformt und dadurch die Funktion des unteren Axiallagers 32 beeinträchtigt wird.
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3 zeigt das Lagersystem gemäß 2 mit einer Ausgestaltung des Stahlrings 146, der keine Rille oder Nut am Außenumfang aufweist.
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5 zeigt eine andere Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem. Dieser Spindelmotor weist im Vergleich zum Spindelmotor von 1 eine größere Bauhöhe auf und ist zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks mit mehreren Speicherplatten geeignet. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 210 mit einer Lagerbuchse 212, in welcher eine Welle 214 drehbar aufgenommen ist. Zwischen der Lagerbuchse 212 und der Welle 214 ist ein Lagerspalt 218 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist.
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Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts 218a des Lagerspalts 218 sind zwei fluiddynamische Radiallager 224, 226 angeordnet, die durch entsprechende Radiallagerrillen gekennzeichnet sind. Die Radiallagerrillen sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 214 angeordnet und in ähnlicher Weise ausgebildet wie es in Verbindung mit dem Spindelmotor von 1 beschrieben ist. Die beiden Radiallager 224, 226 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem sogenannten Separatorspalt 228, axial voneinander getrennt.
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An einem Ende der Welle 214 ist eine Druckplatte 220 angeordnet, die vorzugsweise einteilig mit der Welle 214 ausgebildet ist. Angrenzend an die Druckplatte 220 ist die Lagerbuchse 212 durch eine Abdeckplatte 222 verschlossen. Die Druckplatte 220 und die Abdeckplatte 222 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 212 konzentrisch zur Drehachse 242 aufgenommen. Die Abdeckplatte 222 besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die Lagerbuchse 212, bevorzugt aus Messing oder Stahl.
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Die obere Stirnseite der Druckplatte 220 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse 212 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 230. Die untere Stirnseite der Druckplatte 220 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Fläche der Abdeckplatte 222 ein zweites fluiddynamisches Axiallager 232.
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Das erste fluiddynamische Axiallager 230 weist fischgrätenförmige Axiallagerrillen auf. Die fischgrätenförmigen Axiallagerrillen des ersten Axiallagers 230 sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet, ähnlich wie die Axiallagerrillen 30a in 4B. Die Axiallagerrillen des ersten Axiallagers 230 erzeugen eine gleichmäßige Pumpwirkung im radial verlaufenden Abschnitt 218b des Lagerspalts 218 in Richtung der Mitte der ringförmigen Axiallagerfläche.
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Das zweite Axiallager 232 weist vorzugsweise spiralförmige Axiallagerrillen 232a auf, die eine gerichtete Pumpwirkung im radial verlaufenden Abschnitt 218c des Lagerspalts 218 radial nach innen in Richtung der Drehachse 242 erzeugen.
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4C zeigt eine Aufsicht auf die Abdeckplatte 222 mit diesen spiralförmigen Axiallagerrillen 232a des zweiten fluiddynamischen Axiallagers 232. Am inneren Ende der spiralrillenförmigen Axiallagerrillen 232a brechen diese in eine kreisförmige Aussparung 222a vollständig durch.
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Die beiden fluiddynamischen Axiallager 230, 232 arbeiten gegeneinander, d. h. die durch die Axiallager 230, 232 erzeugten Lagerkräfte wirken in entgegengesetzte axiale Richtungen, so dass die Druckplatte 220 im Wesentlichen axial mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 212 positioniert wird.
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Um die Wirkung der spiralförmigen Axiallagerrillen des zweiten Axiallagers 232 und die Druckverteilung im radialen Abschnitt 218c des Lagerspalts zu verbessern, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die der Druckplatte 220 zugewandte Stirnfläche der Abdeckung 222 eine zentrische kreisförmige Aussparung 222b aufweist, wobei die radial innenliegenden Enden der Axiallagerrillen 232a des zweiten Axiallagers 232 bis in diese Aussparung 222b reichen. Der Durchmesser der Aussparung 222b beträgt etwa 25 % bis 40 % des Durchmessers der Abdeckplatte 222. Die Tiefe der Aussparung 222b ist mindestens so groß wie die Tiefe der Axiallagerrillen 232a, vorzugsweise mindestens 10 Mikrometer bis ca. 40 Mikrometer.
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Das offene Ende des Lagerspalts 218 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 234, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 234 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 218 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
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Das freie Ende der Welle 214 ist mit einer Nabe 216 verbunden. Die Nabe 216 ist zur Aufnahme von mehreren, übereinander angeordneten Speicherplatten (nicht zeichnerisch dargestellt), ausgebildet.
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Das elektromagnetische Antriebssystem umfasst einen ringförmigen Rotormagneten 240, der an einem Rückschlussring 238 anliegt. An der Basisplatte 210 ist eine Statoranordnung 236 befestigt.
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6 zeigt eine Ausgestaltung eines Spindelmotors, die zu den Spindelmotoren von 1 und 2 ähnlich ist. Es werden daher auch dieselben Bezugszeichen wie in 1 und 2 verwendet.
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Im Unterschied zu beispielsweise 2 ist die Lagerbuchse 12 bei 6 zweiteilig ausgebildet und umfasst eine innere Lagerbuchse 12a mit einer Lagerbohrung, welche zusammen mit der Welle 14 die beiden fluiddynamischen Radiallager 24, 26 bildet, die entlang des axial verlaufenden Abschnitts 18a des Lagerspalts angeordnet sind.
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Die innere Lagerbuchse 12a ist von einer äußeren Lagerbuchse 12b umgeben, wobei die äußere Lagerbuchse 12b länger ist als die innere Lagerbuchse 12a. Dadurch ergibt sich eine Aussparung, in welche die mit der Welle 14 verbundene Druckplatte 20 drehbar aufgenommen ist. Eine Abdeckplatte 222 ist in einer Aussparung der äußeren Lagerbuchse 12b aufgenommen und z. B. mit der äußeren Lagerbuchse verschweißt. In vorteilhafter Weise können die innere Lagerbuchse 12a und die äußere Lagerbuchse 12b aus verschiedenen Materialien bestehen. Beispielsweise kann die innere Lagerbuchse 12a aus Messing oder Keramik bestehen, während die äußere Lagerbuchse 12b vorzugsweise aus Stahl besteht. Die Abdeckplatte 222 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Stahl.
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Die obere Stirnseite der Druckplatte 20 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden ringförmigen Fläche der inneren Lagerbuchse 12a ein erstes fluiddynamisches Axiallager 230. Das erste fluiddynamische Axiallager 230 weist fischgrätenförmige Axiallagerrillen auf, die vorzugsweise symmetrisch ausgebildet sind und eine gleichmäßige Pumpwirkung im radial verlaufenden Abschnitt 18b des Lagerspalts 18 in Richtung der Mitte der ringförmigen Axiallagerfläche erzeugen.
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Die untere Stirnseite der Druckplatte 20 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Fläche der Abdeckplatte 222 ein zweites fluiddynamisches Axiallager 232. Das zweite Axiallager 232 weist vorzugsweise spiralförmige Axiallagerrillen 232a (4C) auf, die eine gerichtete Pumpwirkung im radial verlaufenden Abschnitt 18c des Lagerspalts 18 radial nach innen in Richtung der Drehachse 42 erzeugen.
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Die beiden fluiddynamischen Axiallager 230, 232 erzeugten Lagerkräfte, die in entgegengesetzte axiale Richtungen wirken, so dass die Druckplatte 20 im Wesentlichen axial mittig in der vorgesehenen Aussparung positioniert wird.
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Bezugszeichenliste
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| 10 |
210 |
Basisplatte |
| 12 |
212 |
Lagerbuchse |
| 12a |
|
Lagerbuchse, innere |
| 12b |
|
Lagerbuchse, äußere |
| 14 |
214 |
Welle |
| 16 |
216 |
Nabe |
| 18 |
218 |
Lagerspalt |
| 18a |
218 |
axialer Abschnitt des Lagerspalts |
| 18b |
218 |
radialer Abschnitt des Lagerspalts |
| 18c |
218 |
radialer Abschnitt des Lagerspalts |
| 20 |
220 |
Druckplatte |
| 22, |
122, 222 |
Abdeckung, Abdeckplatte |
| |
122a, 222a |
Stufe |
| |
222b |
kreisförmige Aussparung |
| 24 |
224 |
Radiallager |
| 24a |
|
Radiallagerrillen |
| 26 |
226 |
Radiallager |
| 26a |
|
Radiallagerrillen |
| 28 |
228 |
Separatorspalt |
| 30 |
230 |
erstes Axiallager |
| 30a |
|
Axiallagerrillen |
| 32, |
232 |
zweites Axiallager |
| 32a |
232a |
Axiallagerrillen |
| 34 |
234 |
Dichtungsspalt |
| 36 |
236 |
Statoranordnung |
| 38 |
238 |
Rückschlussring |
| 40 |
240 |
Rotormagnet |
| 42 |
242 |
Drehachse |
| 44 |
|
Kanal |
| |
146 |
Ring |
| |
146a |
Rille, Nut |
| |
248 |
Schweißnaht, Lötverbindung |
| 50 |
|
Speicherplatte |
| 52 |
|
Halteklammer |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008021514 A1 [0006]
