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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder des Patenanspruchs 2.
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Fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt und umfassen mindestens ein feststehendes und mindestens ein drehbares Lagerbauteil, die zumindest im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten, engen Lagerspalt voneinander getrennt sind. Die beiden Lagerbauteile umfassen Lagerflächen, auf denen Lagerrillenstrukturen angeordnet sind. Im 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 ein Radiallager nur radiale Kräfte und ein Axiallager nur axiale Kräfte aufnehmen kann, ist bei einem konischen Lager die Lagerfläche schräg zur Rotationsachse ausgerichtet. Dadurch können konische Lager sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen.
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Die
DE 10 2011 016 888 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. Die konischen Lagerbauteile und die Nabe sind durch jeweils einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt. Jeder Lagerspalt ist an seinen beiden Enden durch kapillare Dichtungsspalte abgedichtet. Die im Lagerinneren angeordneten Dichtungsspalte sind durch einen Luftraum voneinander getrennt. Neben den Lagerrillenstrukturen sind beispielsweise im Bereich der inneren Dichtungsspalte dynamische Pumpdichtungen angeordnet, die Pumprillenstrukturen aufweisen.
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Die
DE 10 2008 052 469 A1 offenbart einen Spindelmotor mit einer anderen Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems. Dieses Lagersystem weist eine feststehende Welle auf, an der eine Lagerbuchse drehbar gelagert ist. Entlang eines mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalts sind zwei in einem axialen Abstand angeordnete fluiddynamische Radiallager vorgesehen. Die Lagerbuchse bildet mit einem feststehenden Lagerbauteil ein fluiddynamisches Axiallager. Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, die durch kapillare Dichtungsspalte abgedichtet sind. Entlang mindestens eines Dichtungsspalts ist eine dynamische Pumpdichtung angeordnet, welche entsprechende Pumprillenstrukturen aufweist.
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Üblicherweise wird die Tiefe der Lagerrillenstrukturen und Pumprillenstrukturen derart gewählt, dass sie deutlich größer ist als die Spaltbreite der zugeordneten Dichtungsspalte. Dadurch wird eine effektive dynamische Pumpwirkung gewährleistet. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Spaltbreite und der Tiefe der Rillenstrukturen kleiner als 1. Die typische Spaltbreite eines Lagerspalts eines fluiddynamischen Lagersystems zur Drehlagerung eines Miniatur-Spindelmotors beträgt für fluiddynamische Radiallager sowie für fluiddynamische Lager mit konischen Lagerflächen etwa 1,8 bis 5 Mikrometer. Die Spaltbreiten der Dichtungsspalte im Bereich der dynamischen Pumpdichtungen, also der Pumpdichtungsspalte, liegen im Bereich von etwa 10 bis 15 Mikrometer.
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Die beschriebenen fluiddynamischen Lagersysteme haben den Nachteil, dass im Stillstand des Lagers unter hoher Schockeinwirkung oder bei großen Vibrationen Lagerfluid aus den mit den dynamischen Pumpdichtungen versehenen Pumpdichtungsspalten austreten kann. In den Pumprillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtungen befindet sich Lagerfluid, das durch Kapillarkräfte in den Rillen gehalten wird. Unter Schockeinwirkung auf das Lager treten hohe Scherkräfte auf, welche die Kapillarkräfte überlagern, sodass das Lagerfluid entlang der Pumprillenstrukturen aus dem Pumpdichtungsspalt herausfließen kann.
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Ferner verhält sich das Lagerfluid wie eine Nicht-Newtonsche Flüssigkeit, d. h. es wurde eine leichte Strukturviskosität beobachtet. Je stärker die auf das Lagerfluid einwirkenden Scherkräfte sind, desto geringer wird die Viskosität des Lagerfluids.
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In einem Versuch wurden die Spaltbreite und die Tiefe der Rillenstrukturen verringert, um die auf das Lagerfluid wirkenden Kapillarkräfte zu vergrößern. Wider Erwarten wurde durch diese Maßnahmen nur eine unwesentliche Verbesserung der Schockfestigkeit des Lagersystems erreicht.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Schockfestigkeit und Vibrationsbeständigkeit eines fluiddynamischen Lagersystems insbesondere bei Stillstand des Lagersystems zu verbessern, um die Gefahr eines Austretens von Lagerfluid aus dem Lagersystem zu minimieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die durch einen beidseitig offenen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Es ist mindestens ein fluiddynamisches Lager vorgesehen, das entlang des Lagerspalts angeordnet ist und Lagerrillenstrukturen aufweist. Mindestens ein offenes Ende des Lagerspalts ist durch einen Dichtungsspalt abgedichtet, entlang dessen ein Pumpdichtungsspalt mit einer dynamischen Pumpdichtung mit Pumprillenstrukturen angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist das Verhältnis zwischen der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts im Bereich der dynamischen Pumpdichtung und der Tiefe der Pumprillenstrukturen größer oder gleich 1,8 und vorzugsweise größer oder gleich 1,7, besonders bevorzugt größer oder gleich 1,2, wobei die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts im Bereich der dynamischen Pumpdichtung größer als 15 Mikrometer ist.
Die Tiefe der Pumprillenstrukturen zählt ebenfalls nicht zur Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts dazu.
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Der Dichtungsspalt mündet zur Lageröffnung hin in eine konische Kapillardichtung, welche sich in Richtung zur Lageröffnung verbreitert, wobei die Pumprillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung vorzugsweise zumindest partiell bis in diese Verbreiterung der konischen Kapillardichtung hineinreichen. Vorzugsweise ist die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts konstant, abgesehen vom Übergangsbereich der Pumprillenstrukturen in die konische Kapillardichtung.
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Das Verhältnis zwischen der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts im Bereich der dynamischen Pumpdichtung und der Tiefe der Pumprillenstrukturen sollte nicht zu groß sein. Vorzugsweise sollte dieses Verhältnis höchstens 5 betragen.
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Die Tiefe der Pumprillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung ist demnach im Vergleich zur Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts im Bereich der Pumpdichtung deutlich kleiner. Somit ist das Volumen des innerhalb der Pumprillenstrukturen vorhandenen Lagerfluids deutlich geringer als im Dichtungsspalt selbst. Dadurch wird bei einem axialen Schock, insbesondere bei Stillstand des Lagers, nur wenig Lagerfluid entlang der Pumprillenstrukturen in Richtung nach außen transportiert und gelangt nicht über die Öffnung des Dichtungsspalts hinaus nach außen.
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Das fluiddynamische Lagersystem kann beliebig ausgestaltet sein und mindestens ein fluiddynamisches konisches Lager oder mindestens ein fluiddynamisches Radiallager oder mindestens ein fluiddynamisches Axiallager oder eine beliebige Kombination aus einem oder mehreren dieser vorgenannten Lager aufweisen.
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Vorzugsweise ist die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts im Bereich der dynamischen Pumpdichtung größer als 15 Mikrometer, besonders bevorzugt größer als 16 Mikrometer oder größer als 18 Mikrometer.
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Der Dichtungsspalt ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die Spaltbreite des Dichtungsspalts in Richtung seiner Öffnung verbreitert, wobei die Pumprillenstrukturen bis in diese Verbreiterung hineinreichen, d. h. bis in diesen verbreiterten Bereich des Dichtungsspalts durchbrechen.
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Die Spaltbreite der Pumpdichtungsspalte im Bereich der dynamischen Pumpdichtungen und der Ruhezonen ist im Vergleich zur Spaltbreite der angrenzenden Lagerspalte relativ groß und beträgt wie oben angegeben vorzugsweise 15 Mikrometer oder mehr. Es hat sich herausgestellt, dass das Lagersystem gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 aufgrund der großen Spaltbreiten der Pumpdichtungsspalte und der Ruhezonen anfälliger gegen große Druckunterschiede zwischen den beiden Öffnungen der Lagerspalte ist. Im Betrieb des Lagersystems ist dies unproblematisch, da in der Regel keine großen Druckunterschiede zwischen den Öffnungen der Lagerspalte auftreten. Anders verhält es sich während der Herstellung des Lagersystems, bei der beispielsweise das fertig aufgebaute Lagersystem mit Druckluft gereinigt wird. Die Beaufschlagung mit Druckluft erzeugt einen Differenzdruck zwischen den Öffnungen der Lagerspalte, der dazu führen kann, dass das Lagerfluid aus dem Lagerspalt herausgedrückt wird und insbesondere in den Zwischenraum der beiden konischen Lager gelangt.
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Um die Differenzdruckfestigkeit des Lagersystems zu verbessern, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Spaltbreiten im Bereich der Ruhezonen kleiner auszubilden als die Spaltbreiten der Pumpdichtungsspalte im Bereich der Pumpdichtungen. Die verringerte Spaltbreite der Spaltabschnitte der Ruhezonen wirkt wie eine Drossel, welche den Durchfluss des Lagerfluids bei einem anliegenden Differenzdruck zwischen den Öffnungen des Lagerspalts drosselt und verzögert. Auf diese Weise wird die Differenzdruckfestigkeit des Lagersystems verbessert.
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Die Spaltbreite der Spaltabschnitte im Bereich der Ruhezonen, also zwischen den Pumpdichtungsspalten und den Lagerspalten, beträgt vorzugsweise mindestens das 0,5-Fache der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts, jedoch höchstens das 0,9-Fache der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts. Es kann vorgesehen sein, dass sich, ausgehend vom Pumpdichtungsspalt, die Spaltbreite der Ruhezone stufenweise, auch in mehreren Stufen, oder kontinuierlich bis auf eine gegebene minimale Spaltbreite verringert.
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Eine weitere alternativ oder zusätzlich anwendbare Möglichkeit, die Differenzdruckfestigkeit des Lagers zu verbessern, besteht darin, die wirksame Länge der inneren Kapillardichtungen zu verlängern, welche das jeweilige Lager gegenüber einem im Inneren des Lagers angeordneten und mit Luft oder Gas gefüllten inneren Freiraum abdichten. Jede innere Kapillardichtung kann eine axiale Länge aufweisen, die maximal der Hälfte der axialen Länge des Freiraums entspricht.
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Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden, der mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems zum Antrieb von beispielsweise Festplattenlaufwerken, optischen Laufwerken, Laserscannern oder Lüftern eingesetzt werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 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.
- 3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
- 4 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor in einer abgewandelten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems von 2.
- 5A, 5B, 5C zeigen einen vergrößerten Ausschnitt Y verschiedener Ausgestaltungen des Lagersystems von 4 im Bereich des Übergangs zwischen Lagerspalt und Pumpdichtungsspalt.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen konischen Lagersystem mit zwei konischen Lagern.
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Der Spindelmotor umfasst 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.
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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.
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Die Weglänge der axialen Relativbewegung der Lagerbuchse 20 zu den feststehenden Bauteilen, das sogenannte Axialspiel, kann zwischen 10 und 25 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.
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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 Millimeter auf, was man als „crowning“ bezeichnet 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.
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Die Lagerbuchse 20 und/oder die konischen Lagerbauteile 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 Mittelbereichs der Lagerrillenstrukturen. Dadurch baut sich im Lagerspalt 28 ein hydrodynamischer Druck auf, so dass die konischen Lager 24, 26 tragfähig werden.
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Die Lagerrillenstrukturen des unteren ersten konischen Lagers 24 sind 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.
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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 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. 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 1 geben die Pumprichtung und Pumpstärke der jeweiligen Lagerrillenstrukturen der konischen Lager 24, 26 an.
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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. Die Pfeile in 1 geben die Pumprichtung und -stärke der jeweiligen Lagerrillenstrukturen der beiden konischen Lager 24, 26 an.
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Die Enden des Lagerspalts 28 sind durch einen ersten und einen zweiten Dichtungsspalt 30, 32 abgedichtet. Die Dichtungsspalte 30, 32 werden durch jeweils eine innere Umfangsfläche der Nabe 22 und äußere Umfangsflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 begrenzt.
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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 auf und verbessern das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter äußerer Schockeinwirkung oder Vibrationen.
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Die Außenumfangsfläche des unteren konischen Lagerbauteils 14 verläuft zunächst parallel zur Rotationsachse 18 und neigt sich dann 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 des ersten Dichtungsspalts 30 parallel zur Rotationsachse 18. Somit ergibt sich für den ersten Dichtungsspalt 30 ein konischer Querschnitt.
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Entlang des ersten Dichtungsspalts 30, im Bereich des Pumpdichtungsspalts 37 ist in axialer Richtung verlaufend eine dynamische Pumpdichtung 42 angeordnet. Sie umfasst schräg zur Drehrichtung angeordnete Pumprillenstrukturen, 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, d. h. in Richtung des ersten konischen Lagers 24, 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 Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung angeordnet sind und die dafür sorgt, dass keine Luft in den Lagerspalt 28 gelangt.
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Erfindungsgemäß beträgt die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 37 im Bereich der dynamischen Pumpdichtung 42 und der Ruhezone 44 vorzugsweise zwischen 20 und 40 Mikrometer, beispielsweise 27 Mikrometer. Die Tiefe der Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 42 ist wesentlich kleiner und beträgt vorzugsweise zwischen 7 und 20 Mikrometer, beispielsweise 15 Mikrometer. Das Verhältnis zwischen der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 37 im Bereich der dynamischen Pumpdichtung 42 und der Tiefe der Pumprillenstrukturen wird erfindungsgemäß größer oder gleich 1,8, besonders bevorzugt größer oder gleich 1,2 gewählt.
Auf der breiteren, der Umgebungsatmosphäre zugewandten Seite weitet sich der Dichtungsspalt 30 auf eine Spaltbreite von vorzugsweise 180 und 200 Mikrometer auf.
Aufgrund der relativ großen Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 37 im Verhältnis zur Tiefe der entlang des Dichtungsspalts angeordneten Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 42 kann bei einem auftretenden axialen Schock ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 30 wirkungsvoll verhindert werden, insbesondere bei Stillstand des Lagersystems.
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Die Außenumfangsfläche des Absatzes 16a des oberen konischen Lagerbauteils 16 verläuft im Bereich des zweiten Dichtungsspalts 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 beispielsweise 9° wird einerseits eine stoßresistente Kapillardichtung und durch den vergleichsweise großen Winkel von beispielsweise 56° wird andererseits ein großes Ölfüllvolumen bereitgestellt, da das fluiddynamische Lager bevorzugt von oben her mit Lagerfluid gefüllt wird. Im Bereich des zweiten Dichtungsspalts 32 verläuft die Innenumfangsfläche der Nabe 22 zum Lageräußeren hin um einen Winkel von beispielsweise 2° nach innen. Somit ergibt sich für den zweiten Dichtungspalt 32 ebenfalls ein konischer Querschnitt mit einer großen Öffnung, die den Füllprozess des Lagersystems mit Lagerfluid erleichtert.
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Die Spaltbreite des zweiten Dichtungsspalts 32 auf der engen, dem Lagerspalt 28 zugewandten Seite beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 40 Mikrometer, beispielsweise 27 Mikrometer, während sie auf der breiten, der Umgebungsatmosphäre zugewandten Seite vorzugsweise zwischen 150 und 200 Mikrometer beträgt.
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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 Dichtungsspalte 30, 32 abdecken. Zwischen der Welle 12 und den Abdeckkappen 34 verbleiben enge Luftspalte 36, die sogenannte Spaltdichtungen ausbilden und ein Abdampfen des Lagerfluids aus den Dichtungsspalten 30, 32 minimieren.
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Zwischen den beiden konischen Lagern 24, 26 ist zwischen der Welle 12 und der Lagerbuchse 20 ein Separatorspalt 38 angeordnet, der Teil des 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 von beispielsweise zwischen 2 und 7 Mikrometer aufweist, beträgt die Spaltbreite des Separatorspalts 38 beispielsweise zwischen 25 und 110 Mikrometer.
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Mindestens ein Rezirkulationskanal 40, bevorzugt jedoch mehrere Rezirkulationskanäle 40, sind zwischen der Lagerbuchse 20 und der Nabe 22 angeordnet. Er mündet/sie münden mit seinen/ihren Enden jeweils in die verbreiterten Abschnitte des Lagerspalts 28 im Bereich der Absätze 14a, 16a der konischen Lagerbauteile 14, 16 und stellt/stellen sicher, dass das Lagerfluid durch den Lager- und Separatorspalt 28, 38 zirkulieren kann. Die Rezirkulationskanäle 40 weisen beispielsweise einen 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 tief ausgebildet und alternativ oder zusätzlich in die Nabe 22 eingearbeitet sein. Die Rezirkulationskanäle 40 verlaufen in axialer Richtung und sind radial nach innen versetzt relativ zu den Dichtungsspalten 30, 32 angeordnet, wodurch bei axialer Schockeinwirkungen auf das Lager ein Austritt von Lagerfluid aus den Dichtungsspalten vermieden werden kann.
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Die Nabe 22 besteht vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl und weist im zeichnerisch dargestellten Fall 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.
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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.
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In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Nabe 22 und die 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 vorzugsweise gebohrt.
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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 der in axialer Richtung relativ lang ausgebildete Dichtungsspalt mit großer Spaltbreite vorgesehen. Entlang des Absatzes des oberen konischen Lagerbauteils ist dann die Pumpdichtung mit der Ruhezone angeordnet, der Dichtungsspalt ist kürzer ausgebildet und weist eine kleinere Spaltbreite auf als der Dichtungspalt auf der anderen Seite des Lagers.
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2 zeigt einen Spindelmotor mit einer anderen Ausgestaltung eines fluiddynamischen konischen Lagersystems mit zwei fluiddynamischen konischen Lagern 24, 26. Das Lagersystem ähnelt dem Lagersystem von 1, weist aber einige Unterschiede auf.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 mit einer Bohrung, in welcher eine Welle 12 aufgenommen ist. Die Welle 12 ist vorzugsweise mittels einer Presspassung in der Basisplatte 10 befestigt. Das Lagersystem ist als konisches Lagersystem mit zwei gegeneinander wirkenden konischen Lagern ausgebildet. An der Welle 12 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand zwei konische Lagerbauteile14, 16 angeordnet. Das obere freie Ende der Welle 12 weist eine Gewindebohrung auf und kann mittels einer in die Gewindebohrung eingedrehten Schraube mit einem feststehenden Bauteil (nicht dargestellt) verbunden sein, welches beispielsweise ein Gehäusebauteil des Festplattenlaufwerks sein kann. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems. Zusammen mit einer elektrischen Statoranordnung 52 bilden sie das feststehende Motorbauteil des Spindelmotors.
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Jedes konische Lagerbauteil 14, 16 besitzt eine ringförmige, schräg zur Rotationsachse 18 ausgebildete Lagerfläche. Eine Nabe 22 ist um die Rotationsachse 18 relativ zu den konischen Lagerbauteilen 14, 16 drehbar angeordnet. Die Nabe 22 umfasst einen als Lagerbuchse 20 ausgebildeten inneren Teil, der ringförmige und schräg zur Rotationsachse 18 angeordnete Lagerflächen aufweist, die den Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 jeweils gegenüberliegen. Bei der Montage des Lagers wird beispielsweise das untere konische Lagerbauteil 14 auf der Welle 12 montiert, dann wird die Lagerbuchse 20 mit der Nabe 22 über die Welle 12 gesteckt und schließlich das obere konische Lagerbauteil 16 in einem festgelegten axialen Abstand zum unteren konischen Lagerbauteil 14 auf der Welle 12 montiert. Die Montage erfolgt so, dass die einander gegenüberliegenden Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 und der Lagerbuchse 20 jeweils durch einen separaten ringförmigen Lagerspalt 28, 29 definierter Breite voneinander getrennt sind. Die Lagerspalte 28, 29 haben eine Breite von wenigen Mikrometern und sind mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
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Die Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 bzw. die Lagerflächen der Lagerbuchse 20 besitzen Lagerrillenstrukturen, die bei Rotation der Lagerbuchse 20 relativ zu den konischen Lagerbauteilen 14, 16 eine Pumpwirkung auf das im jeweiligen Lagerspalt 28, 29 befindliche Lagerfluid ausüben. Dadurch entsteht in den Lagerspalten 28, 29 ein fluiddynamischer Druck, der das Lager tragfähig macht. Beide konusförmigen Lager weisen beispielsweise fischgrätenartige Lagerrillenstrukturen auf, die einen längeren Ast aufweisen, der einem äußeren Dichtungsspalt 30, 32 benachbart angeordnet ist, sowie einen kürzeren Ast, welcher einer innen liegenden dynamischen Pumpdichtung 42, 43 benachbart angeordnet ist. Aufgrund der stärkeren Pumpwirkung der längere Äste der jeweiligen Lagerrillenstrukturen der konischen Lager 24, 26 ergibt sich insgesamt eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung. Aufgrund der konischen Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 wirken die konischen Lager 24, 26 zugleich als Radial- und als Axiallager. Die beiden konusförmigen Fluidlager 24, 26 wirken insofern gegeneinander, als dass diese das Lagerfluid in Richtung der jeweils zugeordneten Pumpdichtung 42, 43 pumpen, so dass das Lagersystem insgesamt im Gleichgewicht ist.
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Die Lagerspalte 28, 29 der beiden konischen Lager sind nicht miteinander verbunden, sondern weisen jeweils ein oberes und ein unteres offenes Ende auf, die mit der Außenumgebung des Lagers verbunden sind. Die jeweils außen liegenden Enden der Lagerspalte 28, 29 münden jeweils in Richtung des unteren bzw. oberen Endes der Welle 12, während die innen liegenden Enden der Lagerspalte 28, 29 innerhalb des Lagers in einen Freiraum 46 münden, der zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Lagerbuchse 20 angeordnet ist. Der Freiraum 46 ist beispielsweise durch eine am Außenumfang der Welle 12 und/oder am Innenumfang der Lagerbuchse 20 vorgesehene Nut oder Rille gebildet.
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Die jeweiligen Enden der Lagerspalte 28, 29 sind durch Dichtungen, vorzugsweise Kapillardichtungen in Form von Dichtungsspalten 30, 32 und 31, 33 abgedichtet. Die Dichtungsspalte 30, 31 und 32, 33 sind teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Die jeweils äußeren Dichtungsspalte 30, 32 sind vorzugsweise als konische Kapillardichtungen ausgebildet und bilden ein Fluidreservoir für das Lagerfluid, welches die Temperaturausdehnung des Lagerfluids ausgleicht und als Vorratsvolumen für das Lagerfluid dient. Die äußeren Dichtungsspalte 30, 32 werden jeweils begrenzt durch eine äußere Dichtungsfläche der konischen Lagerbauteile 14, 16 sowie eine gegenüberliegende innere Dichtungsfläche eines Randes der Lagerbuchse 20. Die äußeren Dichtungsspalte sind durch Abdeckkappen 34 abgedeckt, die mit der Lagerbuchse 20 fest verbunden sind.
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Detail X der 2 zeigt die beiden inneren Dichtungsspalte 31, 33 die zum Lagerinneren hin in eine konische Kapillardichtung münden, welche sich in Richtung zum Lagerinneren verbreitert, wobei die Pumprillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung 42, 43 vorzugsweise zumindest partiell bis in diese Verbreiterung der konischen Kapillardichtung hineinreichen. Die Pumpdichtungsspalte 35, 37 weisen vorzugsweise dynamische Pumpdichtungen 42, 43 auf. Die Pumpdichtungen 42, 43 umfassen Pumprillenstrukturen, die auf der Oberfläche der Welle 12 und/oder der gegenüberliegenden Oberfläche der Lagerbuchse 20 angeordnet sind. Die Pumprillenstrukturen üben während der Drehung des Lagers auf das in den inneren Pumpdichtungsspalten 35, 37 befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung in Richtung des jeweils zugeordneten Lagerspalts 28, 29 aus. Zwischen den Pumprillenstrukturen der Pumpdichtungen 42, 43 und den Lagerrillenstrukturen der konischen Lager 24, 26 sind entlang der Dichtungsspalte 31, 33 entsprechende Ruhezonen 44, 45 vorgesehen. Entlang der Ruhezonen 44, 45 sind die Oberflächen der Lagerbauteile nicht strukturiert.
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Erfindungsgemäß beträgt die Spaltbreite der inneren Pumpdichtungsspalte 35 und 37 im Bereich der dynamischen Pumpdichtung 42, 43 und den Ruhezonen 44, 45 vorzugsweise zwischen 20 und 40 Mikrometer, beispielsweise 27 Mikrometer, in einer weiteren Ausgestaltung vorzugsweise zwischen 16 und 30 Mikrometer, beispielsweise 19 Mikrometer. Vorzugsweise ist die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 35, 37 konstant, abgesehen vom Übergangsbereich der Pumprillenstrukturen in die konische Kapillardichtung.
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Die Tiefe der Pumprillenstrukturen der Pumpdichtungen 42, 43 ist wesentlich kleiner und beträgt vorzugsweise zwischen 7 und 20 Mikrometer, beispielsweise 15 Mikrometer, in einer weiteren Ausgestaltung vorzugsweise zwischen 5 und 15 Mikrometer, beispielsweise 11 Mikrometer. Das Verhältnis zwischen den Spaltbreiten der inneren Pumpdichtungsspalte 35, 37 im Bereich der dynamischen Pumpdichtungen 42, 43 und der Tiefe der Pumprillenstrukturen wird erfindungsgemäß größer oder gleich 1,8, besonders bevorzugt größer oder gleich 1,2 gewählt.
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Auf der dem Freiraum 46 zugewandten Seite weiten sich die inneren Pumpdichtungsspalte 35, 37 bis auf die Spaltbreite des Freiraums 46 auf. Die Enden der Pumprillenstrukturen reichen in diese verbreiterten Bereiche der Dichtungsspalte 31, 33 hinein, d. h. sie brechen bis in diesen verbreiterten Bereich der Dichtungsspalte 31, 33 durch.
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Aufgrund der relativ großen Spaltbreite der Pumpdichtungsspalte 35, 37 im Verhältnis zur Tiefe der entlang der Dichtungsspalte angeordneten Pumprillenstrukturen der Pumpdichtungen 42, 43 wird bei einem auftretenden axialen Schock ein Austreten von Lagerfluid aus den Dichtungsspalten 31, 33 in den Freiraum 46 wirkungsvoll verhindert, insbesondere bei Stillstand des Lagersystems.
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Um eine gute Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 28, 29 sicherzustellen, sind in den konischen Lagerbauteilen 14, 16 sogenannte Rezirkulationskanäle 39, 41 vorgesehen. Durch die Lagerrillenstrukturen wird das in den Lagerspalten 28, 29 befindliche Lagerfluid ausgehend von den äußeren Dichtungsspalten 30, 32 in Richtung der innen liegenden, zweiten Dichtungsspalte 31, 33 und den Pumpdichtungen 42, 43 befördert. Die Pumpdichtungen 42, 43 pumpen das Lagerfluid zurück in das Lagerinnere und über die Rezirkulationskanäle 39, 41 wieder zurück zu den äußeren Dichtungsspalten 30, 32. Die Rezirkulationskanäle 39, 41 verlaufen ausgehend von den inneren Dichtungsspalten 31, 33 zunächst zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und dem Innenumfang der konischen Lagerbauteile 14, 16 und dann radial nach außen durch die konischen Lagerbauteile 14, 16 bis in den Übergangsbereich zwischen Lagerspalt 28, 29 und dem äußeren Dichtungsspalt 30, 32.
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Die Nabe 22 und die Lagerbuchse 20 werden mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems drehend gegenüber den feststehenden Motorbauteilen angetrieben. Der Spindelmotor ist ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, dessen Antriebssystem eine ringförmige Statoranordnung 52 mit mehreren Phasenwicklungen umfasst, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Statoranordnung 52 ist innerhalb einer Aussparung der Nabe 22 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 50 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 50 ist an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 22 angeordnet und durch einen ringförmigen Luftspalt von der Statoranordnung 52 getrennt. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 52 wird ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 50 wirkt und den Rotor in Drehung versetzt. Sofern die Nabe 22 aus Aluminium besteht, kann am Rotormagnet 50 ein magnetischer Rückschluss 48 vorgesehen sein.
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Bei dem dargestellten Lagersystem mit zwei separaten konischen Lagern und jeweils separaten Lagerspalten 28, 29 mit zwei offenen Enden ist es wichtig, dass die im Lagerinneren mündenden Öffnungen der Dichtungsspalte 31, 33 belüftet werden, so dass an der Grenze zwischen dem in den Dichtungsspalten befindlichen Lagerfluid und der umgebenden Luft Umgebungsdruck herrscht. Eine Belüftung des Lagerinneren erfolgt vorzugsweise durch eine in der Welle angeordnete Bohrung 54, die über eine Querbohrung 56a mit dem Freiraum 46 im Lagerinneren verbunden ist. Somit herrscht im Freiraum 46 Atmosphärendruck, wie auch an der Außenseite des Lagers. Der äußere Dichtungsspalt 30 des unteren konischen Lagers 26 wird entweder über eine weitere Querbohrung 56b in der Welle 12 belüftet oder aber über einen Spalt zwischen der Lagerbuchse 20 und der Basisplatte 10.
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Am Außenumfang der Nabe 22 ist eine Auflagefläche vorgesehen, die als Auflage für eine oder vorzugsweise mehrere magnetische Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks dient.
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3 zeigt einen Spindelmotor mit zwei fluiddynamischen Radiallagern158, 160 und einem fluiddynamischen Axiallager 162. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein topfförmiges Bauteil 113 aufgenommen ist. Das topfförmige Bauteil 113 umfasst eine zentrale Bohrung, in welcher eine Welle 112 befestigt ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 112, im axialen Abstand zum Bauteil 113, ist ein ringförmiges Bauteil 117 angeordnet, das vorzugsweise einteilig mit der Welle 112 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 110, 112, 113 und 117 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems.
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Das Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 120, an welcher eine Nabe 122 befestigt ist. Die Lagerbuchse 120 und die Nabe 122 können auch einteilig ausgeführt sein. Die Lagerbuchse 120 ist in einem durch die Welle 112 und die beiden Bauteile 113 und 117 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar um eine Rotationsachse 118 angeordnet. Das obere ringförmige Bauteil 117 wird auch als Stopperbauteil bezeichnet und ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 120 aufgenommen. Das Stopperbauteil 117 limitiert eine Bewegung des Rotorbauteils 120, 122 in axialer Richtung und verhindert somit insbesondere eine Demontage des Lagers im Schockfall. Am radial außen gelegenen unteren Rand der ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 120 ist in der Lagerbuchse 120 eine umlaufende Rille 164 angeordnet, die das Verhalten des fluiddynamischen Lagers unter Schock verbessert. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 112, der Lagerbuchse 120 und der beiden Bauteile 113 und 117, die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können, sind im Betrieb des Lagers durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 128 voneinander getrennt. Der Lagerspalt 128 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Wenn der Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird, trägt die Nabe 122 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt).
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Die Lagerbuchse 120 hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei in einem Abstand voneinander angeordnete zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet sind. Die Radiallagerflächen umschließen die stehende Welle 112 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 128. Die Radiallagerflächen sind mit geeigneten Radiallagerrillen, die beispielsweise sinus-, chevron- oder parabelförmig ausgebildet sein können, versehen, so dass sie mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 112 zwei fluiddynamische Radiallager 158, 160 ausbilden. Die Radiallager 158 und 160 sind durch einen dazwischen angeordneten Separatorspalt 138 axial voneinander getrennt. Das obere Radiallager 158 ist weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der oberhalb des Apex angeordnet ist, etwa genauso lang ausgebildet ist wie der untere Teil der Lagerrillen. Es gibt aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen keine generierte resultierende Pumprichtung, die auf das Lagerfluid wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 160 asymmetrisch insofern ausgebildet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen unterhalb des Apex länger ausgebildet ist als der obere Teil der Radiallagerrillen. Hierdurch wird eine resultierende Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 158 befördert.
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An das untere Radiallager 160 schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 128 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 120 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Bauteiles 113 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden das fluiddynamische Axiallager 162 in Form eines zur Rotationsachse 118 senkrechten Kreisrings. Das fluiddynamische Axiallager 162 ist beispielsweise durch spiralförmige Axiallagerrillen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 120, der inneren Bodenfläche des Bauteils 113 oder auf beiden Bauteilen angebracht sind. In einer anderen Ausgestaltung des Axiallagers kann dieses eine fischgrätenartige Lagerrillenstruktur (Herringbone) aufweisen. Die Axiallagerrillen des Axiallagers162 sind so ausgebildet, dass sie auf das im radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 128 befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung radial nach innen in Richtung des unteren Radiallagers 160 erzeugen. Dadurch nimmt der Fluiddruck von einer radial äußeren zu einer radial inneren Position des Axiallagerspalts kontinuierlich zu.
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An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 128 radial außerhalb des Axiallagers 162 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter innerer Dichtungsspalt 130 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 120 und des topfförmigen Bauteils 113 gebildet wird. Der Dichtungsspalt 130 dichtet den Lagerspalt 128 an diesem Ende ab. Der Dichtungsspalt 130 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 128 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden, nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 120 und einer inneren Umfangsfläche des topfförmigen Bauteils 113 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 130 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 130 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 120 und dem topfförmigen Bauteil 113 können jeweils relativ zur Drehachse 118 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0° und 5°. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 120 größer als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des topfförmigen Bauteils 113, wodurch sich eine konische Erweiterung des Dichtungsspalts 130 ergibt. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung Lagerspalt 128 gedrückt.
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Das Lagersystem weist einen Rezirkulationskanal 140 auf, der als schräge Bohrung innerhalb der Lagerbuchse 120 ausgebildet ist. Der Rezirkulationskanal 140 verbindet einen Abschnitt des Lagerspalts 128 radial außerhalb des Axiallagers 162 direkt mit einem Abschnitt des Lagerspalts 128 unterhalb des Bauteils 117. An seinem oberen Ende bricht der Rezirkulationskanal 140 in die umlaufende Rille 164 durch. Der Rezirkulationskanal 140 dient insbesondere dem Druckausgleich zwischen den voneinander entfernten Enden des Lagerspalts 128 und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 128.
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Der entlang des Axiallagers 162 verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 128 weist radial außerhalb des Axiallagers 162 im Bereich der Einmündung des Rezirkulationskanals 140 eine wesentlich größere Spaltbreite im Vergleich zum Lagerspalt 128 auf. Dieser verbreitete Spalt kann durch eine ringförmige Aussparung oder Stufe am Bauteil 113 und/oder der Lagerbuchse 120 gebildet werden. Durch diesen Abschnitt mit vergrößerter Spaltbreite wird die Gesamtreibung des Lagers reduziert und eine bessere Ausleitung von im Lagerfluid gelösten Luftbläschen aus dem Lagerspalt 128 erreicht. Zwischen der Basisplatte 110 und der Lagerbuchse 120 ist ein enger Luftspalt 166 angeordnet, durch den das Entweichen von Lagerfluid, beispielsweise durch Abdampfen, aus dem Lager minimiert wird.
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Auf der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 120 im Anschluss an das obere Radiallager 158 so gestaltet, dass sie eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Stopperbauteils 117 einen radialen Abschnitt des Lagerspalts bildet. An den radialen Abschnitt des Lagerspalts schließt sich ein axial verlaufender äußerer Dichtungsspalt 132 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abdichtet. Der äußere Dichtungsspalt 132 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 120 und des ringförmigen Bauteils 117 begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Entlang des Pumpdichtungsspalts 137 ist vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 142 angeordnet, die durch Pumprillenstrukturen auf der Oberfläche der Lagerbuchse 120 und/oder des Stopperbauteils 117 gebildet ist. Die dynamische Pumpdichtung 142 reicht im axialen Verlauf nicht bis in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 128, da zwischen der Pumpdichtung 142 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 128 eine sogenannte Ruhezone 144 benötigt wird, um zu vermeiden, dass Luft in das Lager gelangt. Während sich das Lager dreht, erzeugen die Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 142 eine Pumpwirkung auf das im Pumpdichtungsspalt 137 befindliche Lagerfluid. Diese Pumpwirkung ist in das Innere des Lagerspalts 128, also in Richtung des oberen Radiallagers 158, gerichtet.
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Erfindungsgemäß beträgt die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 137 im Bereich der dynamischen Pumpdichtung 142 und der Ruhezone 144 vorzugsweise zwischen 20 und 40 Mikrometer, beispielsweise 27 Mikrometer, und in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise zwischen 16 und 30 Mikrometer, beispielsweise 19 Mikrometer. Die Tiefe der Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 142 ist dagegen wesentlich kleiner und beträgt vorzugsweise zwischen 7 und 20 Mikrometer, beispielsweise 11 oder 15 Mikrometer.
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Der Dichtungsspalt 132 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich dessen Spaltbreite in Richtung seiner Öffnung verbreitert, wobei die Enden der Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 142 bis in diese Verbreiterung hineinreichen, d. h. bis in diesen verbreiterten Bereich des Dichtungsspalts 132 durchbrechen.
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Das Verhältnis zwischen der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 137 im Bereich der dynamischen Pumpdichtung 142 und der Tiefe der Pumprillenstrukturen wird erfindungsgemäß größer oder gleich 1,8, besonders bevorzugt größer oder gleich 1,2 gewählt. Aufgrund der relativ großen Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 137 im Verhältnis zur Tiefe der entlang des Dichtungsspalts 132 angeordneten Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 142 kann bei einem auftretenden axialen Schock ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 132 wirkungsvoll verhindert werden, insbesondere bei Stillstand des Lagersystems.
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Der äußere Dichtungsspalt 132 ist durch eine Abdeckkappe 134 abgedeckt. Die Abdeckkappe 134 ist beispielsweise auf einem Rand der Lagerbuchse 120 befestigt. Ein innerer Rand der Abdeckung 134 bildet zusammen mit dem Außenumfang des ringförmigen Bauteils 117 einen Luftspalt 136 als Spaltdichtung. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 132 bzw. verringert ein Abdampfen des Lagerfluids und erhöht somit die Lebensdauer des Fluidlagers.
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Der Spindelmotor umfasst ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Basisplatte 110 angeordneten Statoranordnung 152 sowie einem an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 122 angeordneten permanentmagnetischen Rotormagneten 150 besteht, der von einem magnetischen Rückschluss 148 umgeben ist. Die Statoranordnung 152 liegt dem Rotormagneten 150 radial gegenüber und ist von diesem durch einen ringförmigen Luftspalt getrennt. Die Statoranordnung 150 besteht aus einem Statorkern, auf dem mehrere Phasenwicklungen angeordnet sind. Durch entsprechende Kommutierung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 152 ergibt sich ein elektromagnetisches Drehfeld, welches auf den Rotormagneten 150 wirkt und das Rotorbauteil 120, 122 in Drehung versetzt.
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Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 162 aufweist, das auf die Lagerbuchse 120 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 117 erzeugt, ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannung notwendig, die das Rotorbauteil mit der Lagerbuchse 120 axial im Kräftegleichgewicht hält. Die magnetische Vorspannung wird mit Hilfe des elektromagnetischen Antriebssystems erzeugt und/oder durch einen ferromagnetischen Zugring 168, der an der Basisplatte 110 unterhalb des Rotormagneten 150 angeordnet ist und von diesem in axialer Richtung magnetisch angezogen wird.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer gegenüber 2 abgewandelten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems. Im Unterschied zu 2 ist das fluiddynamische Lagersystem beim Spindelmotor von 4 anders ausgebildet, wobei insbesondere die Spaltbreite der Spaltabschnitte im Bereich der Ruhezonen 44, 45 vorzugsweise deutlich geringer ist als die Spaltbreite der angrenzenden Pumpdichtungsspalte 37 bzw. 35 der dynamischen Pumpdichtungen 43 bzw. 42.
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Die gegenüber den Pumpdichtungsspalten 35, 37 verringerten Spaltbreiten der Ruhezonen 44, 45 wirken wie eine Drossel, die den Durchfluss des Lagerspaltes bremsen und insbesondere die Differenzdruckfestigkeit des Lagersystems verbessern. Hierbei können die Spaltabschnitte der Ruhezonen 44, 45 im Querschnitt unterschiedlich ausgebildet sein.
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5A zeigt in einer ersten Ausgestaltung das Detail Y in 4 als vergrößerten Ausschnitt des Spaltabschnitts im Bereich der Ruhezone 45. An den Dichtungsspalt 31, der den mit Lagerfluid gefüllten Lagerbereich gegenüber dem nicht mit Lagerfluid gefüllten Freiraum 46 abdichtet, schließt sich die dynamische Pumpdichtung 43 mit einem Pumpdichtungsspalt 35 an. Der Pumpdichtungsspalt 35 hat beispielsweise eine Spaltbreite von 16 bis 30 Mikrometer. Angrenzend an den Pumpdichtungsspalt 35 schließt sich die Ruhezone 45 an, die, entgegen dem Ausführungsbeispiel von 2, eine geringere Spaltbreite aufweist als der Pumpdichtungsspalt 35. Die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 35 verringert sich in Form einer Stufe auf das 0,5-Fache bis 0,9-Fache im Bereich der Ruhezone 45, was einer bevorzugten Spaltbreite der Ruhezone 45 von 8 bis 15 Mikrometer bzw. 14,4 bis 27 Mikrometer entspricht. Dasselbe gilt für die Spaltbreite der Ruhezone 44 des ersten konischen Lagers 24.
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5B zeigt in einer zweiten Ausgestaltung das Detail Y in 4 als vergrößerten Ausschnitt des Spaltabschnitts im Bereich der Ruhezone 45. An den Dichtungsspalt 31, der den mit Lagerfluid gefüllten Lagerbereich gegenüber dem nicht mit Lagerfluid gefüllten Freiraum 46 abdichtet, schließt sich die dynamische Pumpdichtung 43 mit einem Pumpdichtungsspalt 35 an. Der Pumpdichtungsspalt 35 hat beispielsweise eine Spaltbreite von 16 bis 30 Mikrometer. Angrenzend an den Pumpdichtungsspalt 35 schließt sich die Ruhezone 45' an, die ausgehend vom Pumpdichtungsspalt 35 eine kontinuierlich abnehmende Spaltbreite aufweist. Die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 35 verringert sich kontinuierlich bis auf eine minimale Spaltbreite der Ruhezone 45', die dem 0,5-Fachen bis 0,9-Fachen der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 35 entspricht. Dasselbe gilt für die Spaltbreite der Ruhezone 44' des ersten konischen Lagers 24.
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5C zeigt in einer dritten Ausgestaltung das Detail Y in 4 als vergrößerten Ausschnitt des Spaltabschnitts im Bereich der Ruhezone 45. An den Dichtungsspalt 31, der den mit Lagerfluid gefüllten Lagerbereich gegenüber dem nicht mit Lagerfluid gefüllten Freiraum 46 abdichtet, schließt sich die dynamische Pumpdichtung 43 mit einem Pumpdichtungsspait 35 an. Der Pumpdichtungsspalt 35 hat beispielsweise eine Spaltbreite von 16 bis 30 Mikrometer. Angrenzend an den Pumpdichtungsspalt 35 schließt sich die Ruhezone 45" an, die, ausgehend vom Pumpdichtungsspalt 35, eine stufenweise abnehmende Spaltbreite aufweist. Die Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 35 verringert sich beispielsweise in mehreren Stufen bis auf eine minimale Spaltbreite, die dem 0,5-Fachen bis 0,9-Fachen der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts 35 entspricht. Dasselbe gilt für die Spaltbreite der Ruhezone 44" des ersten konischen Lagers 24.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- Basisplatte
- 12, 112
- Welle
- 113
- Lagerbauteil
- 14
- konisches Lagerbauteil
- 14a
- Absatz
- 16
- konisches Lagerbauteil
- 16a
- Absatz
- 117
- Lagerbauteil
- 18, 118
- Rotationsachse
- 20, 120
- Lagerbuchse
- 22, 122
- Nabe
- 24
- erstes konisches Lager
- 26
- zweites konisches Lager
- 28, 128
- Lagerspalt
- 29
- Lagerspalt
- 30, 130
- Dichtungsspalt
- 31
- Dichtungsspalt
- 32, 132
- Dichtungsspalt
- 33
- Dichtungsspalt
- 34, 134
- Abdeckkappe
- 35
- Pumpdichtungsspalt
- 36, 136
- Luftspalt
- 37, 137
- Pumpdichtungsspalt
- 38, 138
- Separatorspalt
- 39
- Rezirkulationskanal
- 40, 140
- Rezirkulationskanal
- 41
- Rezirkulationskanal
- 42, 142
- dynamische Pumpdichtung
- 43
- dynamische Pumpdichtung
- 44, 144
- Ruhezone
- 45, 45', 45"
- Ruhezone
- 46
- Freiraum
- 48, 148
- magnetischer Rückschluss
- 50, 150
- Rotormagnet
- 52, 152
- Statoranordnung
- 54
- Bohrung
- 56a, 56b
- Querbohrung
- 158
- Radiallager
- 160
- Radiallager
- 162
- Axiallager
- 164
- Rille
- 166
- Luftspalt
- 168
- ferromagnetischer Zugring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016888 A1 [0003]
- DE 102008052469 A1 [0004]
