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Die Erfindung betrifft ein Festplattenlaufwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Festplattenlaufwerke sind bereits seit langer Zeit der Standard zum Speichern von elektronischen Daten. Die Vorteile von Festplattenlaufwerken sind ihre Zuverlässigkeit, die hohe Speicherkapazität und der günstige Preis im Verhältnis zur Speicherkapazität. Daher werden Festplattenlaufwerke nach wie vor in Computern, Servern und insbesondere in sogenannten Cloud-Speichern eingesetzt.
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Festplattenlaufwerke umfassen eine oder mehrere magnetische Speicherplatten, die von einem Spindelmotor drehend angetrieben werden, sowie eine Lese-Schreib-Einheit zum Lesen und Schreiben von Daten auf und von den Speicherplatten. Anfangs wurden die Spindelmotoren in Festplattenlaufwerken mittels Wälzlagern drehgelagert, wobei man bereits seit vielen Jahren auf fluiddynamische Lagersysteme gewechselt ist, die neben niedrigeren Geräuschemissionen auch ein ruhigeres und genaueres Laufverhalten aufweisen.
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In einem solchen fluiddynamischen Lager wird ein Lagerfluid zwischen den Gleitlagerpartnern verwendet, in welchem ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, sodass das Lager tragfähig wird. Der Lagerspalt weist mindestens ein zur Umgebung offenes Ende auf, das in der Regel mittels eines kapillaren Dichtungsspalts abgedichtet ist, sodass kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt entweichen kann. Aufgrund des offenen Endes des Lagerspalts und der relativ hohen Betriebstemperaturen eines Festplattenlaufwerks von beispielsweise 50 °C kommt es zu einer Verdunstung des Lagerfluids aus dem Dichtungsspalt, sodass ein fluiddynamisches Lager ein entsprechendes Reservoir für das Lagerfluid benötigt, um diese Verdunstungsmenge für die spezifizierte Lebensdauer des Festplattenlaufwerks auszugleichen. Außerdem wird oftmals ein Lagerfluid mit möglichst geringer Verdunstungsrate verwendet, um die Menge an verdunstetem Lagerfluid gering zu halten. Allerdings weisen solche Lagerfluide mit geringer Verdunstungsrate eine relativ hohe Viskosität auf, was die Lagerreibung merklich erhöht. Verdunstetes Lagerfluid steht als Schmiermittel nicht mehr für das Lagersystem zur Verfügung. Wird die Fluidmenge im Lagerspalt zu gering, kann es zu einer Beschädigung des Lagers kommen.
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Die Lagerreibung bestimmt zum großen Teil den Stromverbrauch eines Festplattenlaufwerks. Man ist bestrebt, den Stromverbrauch zu verringern, da stromsparende Festplattenlaufwerke für den mobilen Einsatz benötigt werden. Aber auch in Serverparks sind stromsparende Festplattenlaufwerke gefragt, denn neben dem hohen Stromverbrauch entsteht eine große Menge von Abwärme, die entsprechend abgeführt werden muss. Ein geringerer Stromverbrauch bedeutet eine geringere Abwärme.
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Würde man ein Lagerfluid mit geringerer Viskosität, aber höherer Verdunstungsrate wählen, um die Reibung im Lagersystem zu reduzieren, müsste man den Vorrat an Lagerfluid, der durch die Verdunstung verloren geht, vergrößern, was bei der geringen Größe der Fluidlager sehr schwierig zu realisieren ist.
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Um die Reibung in einem Festplattenlaufwerk weiter zu reduzieren, ist es bekannt, das Gehäuse des Festplattenlaufwerks mit einem Gas geringer Dichte, beispielsweise Helium, zu füllen. Die Speicherplatten rotieren in der Heliumatmosphäre, die den Speicherplatten nur eine sehr geringe Reibung entgegensetzt, sodass auch hier Antriebskraft und damit Strom gespart werden kann.
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Aufgrund der geringen Dichte des Heliums und des geringen Drucks ist die Verdunstungsrate des Lagerfluids in einer Heliumatmosphäre größer als beispielsweise in einer Luftatmosphäre, wobei hier eine um einen Faktor von ca. 2,7 größere Verdunstung ermittelt wurde. Es wurde daher bei heliumgefüllten Festplattenlaufwerken bisher ein Lagerfluid mit sehr niedriger Verdunstungsrate und sehr hoher Viskosität verwendet, um diesem Effekt in der Heliumatmosphäre entgegenzuwirken. Ein solches Lagerfluid mit hoher Viskosität ist jedoch sehr teuer und vergrößert die Lagerreibung.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Festplattenlaufwerk mit Heliumatmosphäre anzugeben, das eine wesentlich geringere Lagerreibung und damit einen geringeren Stromverbrauch aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Festplattenlaufwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Das Festplattenlaufwerk umfasst ein geschlossenes und mit Helium gefülltes Gehäuse und mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete und durch einen Spindelmotor drehangetriebene Speicherplatte. Mit einer Lese-Schreib-Einheit werden Daten von der Speicherplatte gelesen bzw. auf die Speicherplatte geschrieben. Der Spindelmotor umfasst ein fluiddynamisches Lagersystem, das ein Lagerfluid enthält.
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Erfindungsgemäß wird ein Lagerfluid mit einer Viskosität von höchstens 19 mPa s bei 25 °C verwendet.
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Als Lagerfluid kann beispielsweise nonanoic acid, 3-methyl-1,5-pentanediyl ester (CAS 509101-45-5) verwendet werden. Alternativ kann auch Decanoic acid, 3-methyl-1,5-pentanediyl ester (CAS 867309-53-3) oder Decanedioic acid, 1,10-bis(2-ethylhexyl) ester (CAS 122-62-3) verwendet werden.
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Das verwendete Lagerfluid hat damit eine für ein in einer Heliumatmosphäre arbeitendes Fluidlager sehr geringe Viskosität, sodass die Lagerreibung deutlich vermindert und der Stromverbrauch des mit Helium gefüllten Festplattenlaufwerkes deutlich verringert werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass in einer Heliumatmosphäre jedoch eine größere Verdunstungsrate des Lagerfluids besteht. Andererseits haben Messungen ergeben, dass aus dem fluiddynamischen Lagersystem eine geringere Menge an Lagerfluid verdunstet als erwartet. Es wurde festgestellt, dass in der abgeschlossenen Umgebung das Helium sehr schnell mit dem Lagerfluiddampf gesättigt ist, sodass kein weiteres Lagerfluid verdunsten kann. Insgesamt ist daher die Menge an verdunstetem Lagerfluid in einem Gehäuse mit Heliumatmosphäre wesentlich geringer als beispielsweise in demselben Gehäuse mit Luftatmosphäre.
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Aufgrund der relativ schnellen Sättigung des Heliums mit Lagerfluiddampf ist es nun erfindungsgemäß möglich, ein Lagerfluid mit sehr geringer Viskosität und damit hoher Verdunstungsrate zu verwenden, da die Heliumatmosphäre sehr schnell in Sättigung gerät und kein weiteres Lagerfluid mehr aus dem Lagerspalt verdunsten kann.
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Gleichermaßen kann erfindungsgemäß ein Lagerfluid mit „normaler“ Verdunstungsrate bzw. Viskosität 25 mPa s verwendet werden, wodurch dann das Lagerfluidreservoir verkleinert werden könnte, da lediglich nur eine spezifische Menge an Lagerfluid verdunstet.
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Als Lagerfluide in solchen fluiddynamischen Lagersystemen werden insbesondere Ester-Öle bzw. Diester-Öle verwendet. Die verwendeten Ester-Öle oder Diester-Öle haben typischerweise bei 25 °C eine dynamische Viskosität von höchstens 19 mPa s und besitzen einen relativ hohen Dampfdruck. Aufgrund des hohen Dampfdrucks ergibt sich über die Zeit eine relativ hohe Verdunstung, die jedoch aufgrund der raschen Sättigung der Heliumatmosphäre mit Fluiddampf relativ schnell zum Stillstand kommt.
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Aufgrund der geringen Viskosität des erfindungsgemäß verwendeten Lagerfluids muss sichergestellt sein, dass die Steifigkeit und Lagerkraft für die Drehlagerung der Speicherplatten immer ausreichend groß sind.
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Auf einer oder beiden der sich gegenüberliegenden Lagerflächen eines fluiddynamischen Lagersystems sind in der Regel Lagerrillenstrukturen angeordnet. Bei dem Lagersystem kann es sich um ein fluiddynamisches Radiallager, ein fluiddynamisches Axiallager, ein fluiddynamisches konisches Lager oder um eine beliebige Kombination der vorgenannten fluiddynamischen Lager handeln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lagerrillenstrukturen des fluiddynamischen Lagersystems derart ausgestaltet, dass sie für ein Lagerfluid mit einer Viskosität von höchstens 19 mPa s bei 25 °C geeignet sind.
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Die Lagerrillenstrukturen sind auch für Festpattenlaufwerke geeignet, bei denen die Speicherplatten in einer Luftatmosphäre betrieben und nicht mit Helium gefüllt sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Lagerrillenstrukturen eine Anzahl von ersten Rillen auf, die in einem ersten spitzen Winkel in Bezug auf die Drehrichtung der Lagerfläche angeordnet sind, und eine Anzahl von zweiten Rillen, die in einem zweiten spitzen Winkel in Bezug auf die Drehrichtung der Lagerfläche angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Rillen in einem Abstand voneinander angeordnet sind und einander zugewandte Enden aufweisen.
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Insbesondere können die Lagerrillenstrukturen als Lagerrillenstrukturen eines fluiddynamischen Radiallagers, fluiddynamischen konischen Lagers oder fluiddynamischen Axiallagers ausgebildet sein, wobei die ersten Rillen in einem negativen Winkel in Bezug auf die Drehrichtung der Lagerfläche angeordnet sind, während die zweiten Rillen in einem positiven Winkel in Bezug auf die Drehrichtung der Lagerfläche angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Enden der ersten Rillen und/oder die Enden der zweiten Rillen, die den Enden der jeweils anderen Rillen zugewandt sind, jeweils einen weiteren Rillenabschnitt auf, der im Wesentlichen senkrecht zur Drehrichtung oder in einem spitzen dritten Winkel zur Senkrechten der Drehrichtung der Lagerfläche angeordnet ist. Der spitze dritte Winkel beträgt vorzugsweise zwischen +20° und -20° in Bezug auf die Senkrechte der Drehrichtung.
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Diese zusätzlichen Rillenabschnitte sorgen im Zwischenraum zwischen den ersten Rillen und den zweiten Rillen für eine zusätzliche dynamische Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt, was gerade in Verbindung mit einem Lagerfluid mit geringer Viskosität vorteilhaft ist.
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind die Enden der ersten Rillen und die Enden der zweiten Rillen durch Rillenabschnitte miteinander verbunden.
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Die Enden der ersten und zweiten Rillen müssen aber nicht durch Rillenabschnitte miteinander verbunden sein, sondern die ersten und zweiten Rillen können auch nicht miteinander verbunden sein. Die zusätzlichen Rillenabschnitte sind in diesem Fall entweder mit den ersten Rillen oder mit den zweiten Rillen verbunden. Die Rillenabschnitte können aber auch nicht mit den ersten oder zweiten Rillen verbunden sein, sondern frei zwischen diesen ersten und zweiten Rillen angeordnet sein.
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Insbesondere können die ersten und zweiten Rillen versetzt zueinander angeordnet sein, sodass vorzugsweise die Rillenabschnitte an den ersten Rillen und/oder an den zweiten Rillen angeordnet sind, wobei die ersten und die zweiten Rillen nicht miteinander verbunden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Rillenabschnitte gerade oder bogenförmig ausgebildet sein.
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In gleicher Weise können die ersten und zweiten Rillen entweder achsensymmetrisch zueinander ausgebildet sein, oder die ersten und zweiten Rillen können asymmetrisch zueinander ausgebildet sein. Eine asymmetrische Ausbildung der ersten und zweiten Rillen kann dadurch erfolgen, dass beispielsweise die Länge der ersten und der zweiten Rillen unterschiedlich groß ist und/oder dass der erste und der zweite Winkel der ersten und zweiten Rillen unterschiedlich groß sind und/oder dass die Anzahl der ersten und zweiten Rillen unterschiedlich groß ist. Sind die Rillen symmetrisch zueinander, so sind sowohl die Längen gleich groß als auch die Winkel als auch die Anzahl und natürlich die Formgebung.
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Gemäß möglicher Ausgestaltungen der Erfindung können die ersten und die zweiten Rillen die gleiche Formgebung oder eine unterschiedliche Formgebung aufweisen. Die Formgebung kann beispielsweise im Wesentlichen als gerade Linie ausgebildet sein, sie kann parabelförmig sein oder im Wesentlichen sinusbogenförmig. Vorzugsweise ist die Formgebung der ersten und zweiten Rillen dieselbe, sie kann jedoch auch unterschiedlich sein, beispielsweise können die ersten Rillen gerade ausgebildet sein und die zweiten Rillen parabelförmig oder sinusbogenförmig.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor und ein schematisch dargestelltes Festplattenlaufwerk.
- 2 zeigt die Ansicht eines Lagerkonus' eines fluiddynamischen Lagers.
- 3 zeigt die Ansicht eines Lagerkonus' eines fluiddynamischen Lagers.
- 4 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 5 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 6 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen
- 7 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 8 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 9 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 10 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 11 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 12 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 13 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 14 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 15 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 16 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
- 17 zeigt schematisch eine Anordnung von Lagerrillenstrukturen.
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1 zeigt schematisch ein Festplattenlaufwerk 1 mit mehreren Speicherplatten, die von einem Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem drehend angetrieben werden.
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Der Spindelmotor 4 umfasst eine Basisplatte 10 mit einer Bohrung, in welcher eine Welle 12 vorzugsweise mittels einer Presspassung befestigt ist. Der Spindelmotor weist ein konisches Lagersystem mit zwei gegeneinander wirkenden konischen Lagern auf. Die beiden konischen Lager sind im Wesentlichen identisch aufgebaut. An der Welle 12 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand zwei Lagerkonusse 14, 14a angeordnet. Das obere freie Ende der Welle 12 weist eine Gewindebohrung auf und ist mittels einer in die Gewindebohrung eingedrehten Schraube (nicht zeichnerisch dargestellt) mit einem Gehäuse 2 des Festplattenlaufwerks 1 verbunden. Die Basisplatte 10, die Welle 12, die beiden Lagerkonusse 14, 14a und eine an der Basisplatte 10 befestigte elektrische Statoranordnung 34 bilden das feststehende Motorbauteil des Spindelmotors.
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Jeder Lagerkonus 14, 14a besitzt eine ringförmige, schräg zur Drehachse 38 ausgebildete Lagerfläche. Eine Nabe 16 ist um die Drehachse 38 relativ zu den Lagerkonussen 14, 14a drehbar angeordnet. Die Nabe 16 umfasst einen zylindrisch ausgebildeten Innenteil, der eine Lagerbuchse bildet und ringförmige und schräg zur Drehachse 38 angeordnete Lagerflächen aufweist, die den Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 14a jeweils gegenüberliegen. Bei der Montage des Lagers wird beispielsweise der untere Lagerkonus 14a auf der Welle 12 montiert, dann wird die Nabe 16 über die Welle 12 gesteckt und schließlich der obere Lagerkonus 14 in einem festgelegten axialen Abstand zum unteren Lagerkonus 14a auf der Welle 12 montiert. Die Montage erfolgt so, dass die einander gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 14a und der Nabe 16 jeweils durch einen ringförmigen Lagerspalt 20, 20a definierter Breite voneinander getrennt sind. Die Lagerspalte 20, 20a haben eine Breite von wenigen Mikrometern und sind mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
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Die jeweiligen Enden der Lagerspalte 20, 20a sind durch Dichtungen, vorzugsweise Kapillardichtungen in Form von Dichtungsspalten 22, 22a und 28, 28a abgedichtet. Die Dichtungsspalte 22, 22a und 28, 28a sind teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Die jeweils äußeren Dichtungsspalte 22, 22a 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 beiden inneren Dichtungsspalte 28, 28a weisen darüber hinaus vorzugsweise jeweils eine Pumpdichtung 30, 30a auf. Die Pumpdichtungen 30, 30a umfassen Rillenstrukturen, die auf der Oberfläche der Welle 12 und/oder der gegenüberliegenden Oberfläche der Nabe 16 angeordnet sind. Die Rillenstrukturen üben auf das in den Dichtungsspalten 28, 28a befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung in Richtung des jeweiligen Lagerspalts 20, 20a aus. Die äußeren Dichtungsspalte 22, 22a werden jeweils begrenzt durch eine äußere Dichtungsfläche der Lagerkonusse 14, 14a sowie eine gegenüberliegende innere Dichtungsfläche der Nabe 16. Die Abdeckungen 18, 18a sind mit der Nabe 16 fest verbunden.
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Die Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 14a bzw. die Lagerflächen der Nabe 16 besitzen in bekannter Weise Lagerrillenstrukturen 26, 26a, die bei Rotation der Nabe 16 relativ zu den Lagerkonussen 14, 14a eine Pumpwirkung auf das im jeweiligen Lagerspalt 20, 20a befindliche Lagerfluid ausüben. Dadurch entsteht im Lagerspalt 20, 20a ein fluiddynamischer Druck, der das Lager tragfähig macht. Beide konusförmigen Lager weisen beispielsweise fischgrätenartige Lagerrillen 26, 26a auf, die einen kürzeren Ast aufweisen, der dem Dichtungsspalt 22, 22a benachbart angeordnet ist, sowie einen längeren Ast, welcher einer Pumpdichtung 30, 30a benachbart angeordnet ist. Aufgrund der stärkeren Pumpwirkung der Äste der jeweiligen Lagerrillen 26, 26a des konischen Lagers, die dem Dichtungsspalt 22, 22a benachbart sind und sich auf einem größeren Durchmesser befinden, ergibt sich insgesamt eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung. Aufgrund der konischen Ausgestaltung der Lagerkonusse 14, 14a wirken die konischen Lager zugleich als Radial- und als Axiallager. Die beiden konischen Fluidlager wirken insofern gegeneinander, als dass diese das Lagerfluid in Richtung der jeweils zugeordneten Pumpdichtung 30, 30a pumpen, sodass das Lagersystem insgesamt im Gleichgewicht ist.
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Die Lagerspalte 20, 20a 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 20, 20a münden jeweils in Richtung des unteren bzw. oberen Endes der Welle 12, während die innen liegenden Enden der Lagerspalte 20, 20a innerhalb des Lagers in einen ringförmigen Zwischenraum 32 münden, der zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Nabe 16 angeordnet und belüftet ist. Der Zwischenraum 32 ist beispielsweise durch eine am Außenumfang der Welle 12 und/oder am Innenumfang der Nabe 16 vorgesehene Nut oder Rille gebildet. Alternativ kann der ringförmige Zwischenraum auch als vergrößerter, als Doppel-Konus ausgebildeter Zwischenraum 33 ausgebildet sein. Der vergrößerte Zwischenraum 33 kann das bei Shock oder Vibrationen gegebenenfalls aus den zweiten Dichtungsspalten 28, 28a austretende Lagerfluid aufnehmen und verhindert so, dass das Lagerfluid durch die Quer- und Längsbohrungen der Welle 12 in das Innere des Gehäuses 2 des Festplattenlaufwerks gelangt.
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Um eine gute Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 20, 20a sicherzustellen, sind in den Lagerkonussen 14, 14a Rezirkulationskanäle 24, 24a vorgesehen. Durch die Lagerrillenstrukturen 26, 26a wird das in den Lagerspalten 20, 20a befindliche Lagerfluid ausgehend vom ersten Dichtungsspalt 22, 22a in Richtung der innen liegenden, zweiten Dichtungsspalte 28, 28a und den Pumpdichtungen 30, 30a befördert. Die Pumpdichtungen 30, 30a pumpen das Lagerfluid zurück in das Lagerinnere und über die Rezirkulationskanäle 24, 24a wieder zurück zum ersten Dichtungsbereich 22, 22a. Die Rezirkulationskanäle 24, 24a verlaufen zunächst zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und dem Innenumfang der Lagerkonusse 14, 14a und dann als radial nach außen durch die Lagerkonusse 14, 14a bis in den Übergangsbereich zwischen dem Lagerspalt 20, 20a und dem oberen Dichtungsspalt 22, 22a.
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Die Nabe 16 wird über ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend gegenüber den feststehenden Motorbauteilen angetrieben. Der Spindelmotor ist ein elektronisch kommutierter 3-phasiger Gleichstrommotor, dessen Antriebssystem eine ringförmige Statoranordnung 34 mit mehreren Phasenwicklungen umfasst, das an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Statoranordnung 34 ist innerhalb einer Aussparung der Nabe 16 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 36 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 36 ist an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 angeordnet und durch einen Luftspalt von der Statoranordnung 34 getrennt. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 34 wird ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 36 wirkt und den Rotor 16 in Drehung versetzt. Die Nabe 16 besteht vorzugsweise aus Stahl und bildet den magnetischen Rückschluss für den Rotormagneten 36. Die äußere Umfangsfläche des Rotormagneten 36 liegt unmittelbar an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 an.
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Am Innenumfang der Nabe 16 ist vorzugsweise eine Stufe angeordnet, die einen axialen Anschlag für die Stirnseite des Rotormagneten 36 bildet und die Stirnseite des Rotormagneten 36 teilweise überdeckt. Dieser axiale Anschlag erleichtert die axiale Positionierung des Rotormagneten 36 und das Eintreten der magnetischen Feldlinien in die als magnetischer Rückschluss verwendete Nabe 16.
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Bei dem dargestellten Lagersystem mit zwei separaten konischen Lagern und jeweils Lagerspalten 20, 20a mit zwei offenen Enden ist es wichtig, dass an den im Lagerinneren mündenden Öffnungen der Dichtungsspalte 28, 28a und 22a derselbe Druck herrscht wie im Inneren des Gehäuses 2 des Festplattenlaufwerks. Ein Druckausgleich des Lagerinneren erfolgt vorzugsweise durch eine in der Welle 12 angeordnete Längsbohrung, die über eine erste Querbohrung mit dem Zwischenraum 32, 33 im Lagerinneren verbunden ist, und über eine weitere Querbohrung in der Welle 12 und über einen Spalt zwischen der Nabe 16 und einem Rand der Basisplatte 10 mit dem Inneren des Gehäuses 2. Die Längsbohrung der Welle 12 ist durch einen Stopfen gegenüber der Außenseite des Gehäuses 2 abgedichtet.
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Am Außenumfang der Nabe 16 ist eine horizontale Auflagefläche vorgesehen, die als Auflage für eine oder vorzugsweise mehrere magnetische Speicherplatten 40 des Festplattenlaufwerks dient. Die einzelnen ringförmigen Speicherplatten 40 bestehen vorzugsweise aus Glas und sind durch ringförmige Abstandhalter 42 axial voneinander getrennt. Mittels einer hier nur schematisch dargestellten Lese-Schreib-Einrichtung 44 können die Speicherplatten mit Daten beschrieben bzw. Daten von den Speicherplatten 40 gelesen werden.
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Das Gehäuse 2 des Festplattenlaufwerks 1 ist mit einem Gas geringer Dichte, beispielsweise mit Helium, gefüllt. Dadurch verringert sich der Strömungswiderstand der innerhalb des Gehäuses drehenden Speicherplatten 40.
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Der Lagerspalt 20 bzw. 20a ist erfindungsgemäß mit einem Lagerfluid geringer Viskosität von höchstens 19 mPa s bei 25 °C gefüllt. Ein solches Lagerfluid hat eine relativ hohe Verdunstungsrate, die jedoch nicht zum Tragen kommt, da die Heliumatmosphäre innerhalb des Gehäuses 2 relativ schnell mit Fluiddampf gesättigt ist und dann kein weiteres Lagerfluid verdunsten kann. Aufgrund des verwendeten Lagerfluids mit geringer Viskosität ergibt sich ein geringer Lagerwiderstand des fluiddynamischen Lagers und dadurch ein geringer Stromverbrauch des Festplattenlaufwerks.
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Es muss sichergestellt sein, dass das Helium nicht aus dem Gehäuse entweicht. Daher ist das Gehäuse, insbesondere die Durchbrüche und Aufnahmeöffnungen der Basisplatte 10, durch Klebemasse, Stopfen, Abdeckungen etc. sorgfältig abgedichtet, sodass kein Helium aus dem Gehäuse entweichen kann.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Lagerkonus' 14 und die darauf angeordneten Lagerrillenstrukturen 26, welche erste Rillen 26a sowie diesen gegenüberliegende und von diesen getrennte zweite Rillen 26b aufweisen. Die Lagerrillenstrukturen 26 können entweder auf den Lagerflächen des Lagerkonus' 14 angeordnet sein oder auf den gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerbuchse, die Teil der Nabe 16 sind, die in 1 dargestellt ist. Die Lagerrillenstrukturen können auch sowohl auf der einen als auch auf der anderen Lagerfläche des Lagerkonus' 14 und der Nabe 16 angeordnet sein.
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Durch einen Pfeil 46 die relative Bewegungsrichtung der Lagerfläche mit Lagerrillenstrukturen 26 dargestellt. Die Bewegungsrichtung 46 ist insoweit relativ, als dass sich entweder die Lagerfläche des Lagerkonus' 14 mit den Lagerrillenstrukturen 26 bewegt, indem sie rotiert, oder sich die gegenüberliegende Lagerfläche der Nabe 16 (Lagerbuchse) relativ zur Lagerfläche des Lagerkonus' 14 bewegt. Die ersten Rillen 26a der Lagerrillenstrukturen 26 sind in einem Winkel α in Bezug auf die Bewegungsrichtung 46 auf der Lagerfläche angeordnet. Die zweiten Lagerrillen 26b sind in einem Winkel β in Bezug auf die Bewegungsrichtung 46 auf der Lagerfläche angeordnet sind. Der Winkel α ist ein negativer Winkel und beträgt beispielsweise -20°, kann jedoch auch größer oder kleiner sein, vorzugsweise zwischen -10° und -30°. Der Winkel β ist ein positiver Winkel und beträgt beispielsweise 20°, kann jedoch auch größer oder kleiner sein, vorzugsweise zwischen 10° und 30°.
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Die ersten Rillen 26a sind in einer größeren Anzahl als die zweiten Rillen 26b auf der Lagerfläche vorhanden, sodass die Pumpwirkung der ersten Rillen 26a auf das Lagerfluid stärker ist als die Pumpwirkung der zweiten Rillen 26b. Es ergibt sich demnach eine überwiegende Flussrichtung des Lagerfluids nach unten, d. h. von den oberen Rillen 26a zu den unteren Rillen 26b.
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3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung der Erfindung und einen Lagerkonus 14 mit Lagerrillenstrukturen 26, bei denen die einander zugewandten Enden der Rillen 26a und 26b durch Rillenabschnitte 27 miteinander verbunden sind. Diese Rillenabschnitte 27 verlaufen beispielsweise etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung 46 der Lagerfläche, d. h. etwa parallel zur Rotationsachse 38 des Lagers. Die Rillenabschnitte 27 können andernfalls auch in einem Winkel zwischen +/- 20° in Bezug auf die Rotationsachse 38 angeordnet sein. Durch die zusätzlichen Rillenabschnitte 27, welche die Rillen 26a und 26b verbinden, wird bei Rotation des Lagers ein zusätzlicher hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 20 bzw. 20a erzeugt. Dieses ist insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung eines Lagerfluids mit geringer Viskosität, da durch die geringere Viskosität auch eine insgesamt geringere Lagerkraft erzeugt wird, die durch zusätzliche Rillenabschnitte 27 kompensiert werden kann.
Die ersten und zweiten Rillen 26a, 26b sind hierbei in derselben Anzahl auf der Lagerfläche vorhanden, da die Rillen 26a, 26b jeweils durch Rillenabschnitte 27 miteinander verbunden sind. Eine unterschiedliche Pumpwirkung der ersten und zweiten Rillen 26a, 26b kann dadurch erreicht werden, dass beispielsweise die Längen der Rillen 26a, 26b oder deren Winkel α, β in Bezug auf die Senkrechte der Bewegungsrichtung 46 unterschiedlich sind.
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4 zeigt schematisch Lagerrillenstrukturen 26, wie sie auf einer Lagerfläche eines fluiddynamischen Lagers angeordnet sein können. Ähnlich wie die Rillen 26a und 26b in den 2 und 3 sind die ersten Rillen 26a und zweiten Rillen 26b der Lagerrillenstrukturen 26 als gerade Rillen ausgebildet, wobei die ersten Rillen 26a in einem negativen Winkel α in Bezug auf die Bewegungsrichtung 46 und die zweiten Rillen 26b in einem positiven Winkel β in Bezug auf die Bewegungsrichtung 46 auf der Lagerfläche angeordnet sind.
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Die oberen ersten Rillen 26a sind beispielsweise länger ausgebildet als die unteren zweiten Rillen 26b, sodass die ersten Rillen 26a eine stärkere Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen als die unteren zweiten Rillen 26b, sodass sich eine überwiegende Flussrichtung des Lagerfluids 48 nach unten ergibt.
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5 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung der ersten und zweiten Rillen 26a und 26b wie 4, wobei die die Rillen 26a, 26b verbindenden Rillenabschnitte 127 bogenförmig ausgebildet sind. Die bogenförmigen Rillenabschnitte 127 verbinden die ersten Rillen 26a mit den zweiten Rillen 26b. Aufgrund der längeren ersten Rillen 26a im Vergleich zu den zweiten Rillen 26b erzeugen die Lagerrillenstrukturen 26 von 5 eine Flussrichtung 48 nach unten, ähnlich wie die Lagerrillenstrukturen von 4.
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6 zeigt eine Ausgestaltung von Lagerrillenstrukturen 26, bei der die oberen ersten Rillen 26a als längere Äste und die unteren zweiten Rillen 26b als kürzere Äste mit entgegengesetzten Winkeln wie die ersten Rillen 26a ausgebildet sind. In dieser Ausgestaltung sind die zusätzlichen Rillenabschnitte 227 an den Enden der ersten Rillen 26a angeordnet, während sie nicht mit den zweiten Rillen 26b verbunden sind. Dies ermöglicht es, dass beispielsweise bei konischen Lagerflächen eine größere Anzahl von ersten Rillen 26a im Vergleich zu zweiten Rillen 26b vorgesehen sein kann, da die ersten und zweiten Rillen 26a und 26b nicht miteinander verbunden sind. Die zusätzliche Pumpwirkung der Rillenabschnitte 227 bleibt jedoch erhalten, und es ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Längen der ersten und zweiten Rillen 26a, 26b eine überwiegende Flussrichtung 48 nach unten. Die Rillenabschnitte 227 verlaufen etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung 46 der Lagerfläche.
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Wie 7 zeigt, können zusätzliche Rillenabschnitte 327a und 327b sowohl an den Enden der ersten Rillen 26a, als auch an den Enden der zweiten Rillen 26b angeordnet sein, wobei diese Rillenabschnitte 327a und 327b dann jeweils etwas kürzer als die Rillenabschnitte in 6 ausgebildet sind. In dieser Ausgestaltung der Erfindung können sowohl die Anzahl der Rillen 26a und 26b die jeweiligen Rillenabschnitte unterschiedlich groß gewählt werden als auch können die Rillen 26a, 26b zueinander versetzt angeordnet sein, was bei einer unterschiedlichen Anzahl von Rillen 26a, 26b automatisch der Fall ist, wenn die Rillen 26a, 26b gleichmäßig über den Umfang einer Lagerfläche verteilt werden. Die Rillenabschnitte 327a, 237b verlaufen etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung 46 der Lagerfläche.
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In 8 ist dargestellt, dass eine Anzahl von ersten Rillen 26a und zweiten Rillen 26b vorgesehen sein kann, die in etwa dieselbe Länge aufweisen. An den ersten Rillen 26a sind zusätzliche Rillenabschnitte 427 angeordnet, die in einem dritten Winkel γ in Bezug auf die Senkrechte der Bewegungsrichtung 46 angeordnet sind. Dieser dritte Winkel γ kann beispielsweise zwischen +/- 20° betragen. Die überwiegende Pumpwirkung der Lagerrillenstruktur 26 zusammen mit den Rillenabschnitten 427 ergibt sich aufgrund der Schrägstellung der zusätzlichen Rillenabschnitte 427 in Richtung nach unten, also in Pfeilrichtung 48. Die Rillenabschnitte 427 sind mit den ersten Rillen 26a verbunden, jedoch nicht mit den zweiten Rillen 26b.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel von Lagerrillenstrukturen 26, bei denen sowohl die ersten Rillen 26a, als auch die unteren zweiten Rillen 26b kurze schräge Rillenabschnitte 527a bzw. 527b aufweisen. Diese Rillenabschnitte 527a, 527b sind jeweils in einem dritten Winkel γ abgeknickt bezüglich der ersten und zweiten Rillen 26a und 26b angeordnet. Dieser dritte Winkel γ beträgt beispielsweise zwischen -20° und +20° in Bezug auf die Senkrechte der Drehrichtung 46 der Lagerfläche. Die ersten Rillen 26a sind nicht mit den zweiten Rillen 26b über die Rillenabschnitte 527a und 527b verbunden sondern es bleibt eine Lücke.
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10 zeigt Lagerrillenstrukturen 26 mit ersten Rillen 26a und zweiten Rillen 26b, die jeweils in einem ersten Winkel α bzw. einem zweiten Winkel β in Bezug auf die Drehrichtung 46 der Lageroberfläche angeordnet sind. An den ersten Rillen 26a sind zusätzliche Rillenabschnitte 627 angeordnet, welche bogenförmig ausgebildet sind und deren Ende nicht mit den zweiten Rillen 26b verbunden sind. Durch die Formgebung der gebogenen Rillenabschnitte 627, die mit den ersten Rillen 26a verbunden sind, ergibt sich eine Flussrichtung des durch die Rillenstrukturen 26 geförderten Lagerfluids in Richtung 48 nach unten.
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11 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung wie 10, bei der jedoch die bogenförmigen Rillenabschnitte 727a und 727b jeweils an den Enden der ersten Rillen 26a bzw. zweiten Rillen 26b angeordnet sind. Die Rillenabschnitte 727a und 727b sind relativ kurz und nicht miteinander verbunden.
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12 zeigt parabelförmige Lagerrillenstrukturen 126 mit ersten Rillen 126a und diesen gegenüberliegenden zweiten Rillen 126b. Die ersten und zweiten Rillen 126a, 126b können unterschiedlich lang und/oder versetzt zueinander angeordnet sein. Die ersten und zweiten Rillen 126a, 126b sind dabei nicht miteinander verbunden.
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13 zeigt Lagerrillenstrukturen 126, bei denen die ersten Rillen 126a mit den Enden der zweiten Rillen 126b verbunden sind. Die Lagerrillenstrukturen sind parabelförmig und symmetrisch zueinander ausgebildet.
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14 zeigt parabelförmige Lagerrillenstrukturen 126, deren erste Rillen 126a versetzt zu den zweiten Rillen 126b angeordnet sind und die sich in axialer Richtung, also senkrecht zur Bewegungsrichtung 46, überlappen. Dabei sind die ersten und zweiten Rillen 126a, 126b nicht miteinander verbunden.
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15 zeigt Lagerrillenstrukturen 126 ähnlich wie 13, bei denen die ersten Rillen 126a mit den zweiten Rillen 126b verbunden sind, wobei jedoch die parabelförmigen Lagerrillenstrukturen nicht symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Die ersten Rillen sind in einem ersten Winkel α bezüglich der Senkrechten der Bewegungsrichtung 46 angeordnet, der kleiner ist als der Winkel β der zweiten Rillen 126b.
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In 13 sind die Winkel α, β gleich groß und betragen etwa zwischen 40°und 50°, während der Winkel α in 15 etwa 30° und der Winkel β etwa 50° beträgt.
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16 zeigt Lagerrillenstrukturen 226, die ebenfalls parabelförmig sind und miteinander verbundene erste Rillen 226a und zweite Rillen 226b aufweisen.
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17 zeigt sinusbogenförmige Lagerrillenstrukturen 326, wobei auch hier erste Rillen 326a mit zweiten Rillen 326b verbunden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Festplattenlaufwerk
- 2
- Gehäuse
- 4
- Spindelmotor
- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14, 14a
- Lagerkonus
- 16
- Nabe
- 18, 18a
- Abdeckung
- 20, 20a
- Lagerspalt
- 22, 22a
- erster Dichtungsspalt
- 24,24a
- Rezirkulationskanal
- 26, 126
- Lagerrillenstrukturen
- 226, 326
- Lagerrillenstrukturen
- 26a, 126a, 226a
- erste Rillen
- 326a, 426a, 526a
- erste Rillen
- 626a, 726a
- erste Rillen
- 26b, 126b, 226b
- zweite Rillen
- 326b, 426b, 526b
- zweite Rillen
- 626b, 726b
- zweite Rillen
- 27, 127, 227
- Rillenabschnitt
- 327a, 327b, 427
- Rillenabschnitt
- 527a, 527b, 627
- Rillenabschnitt
- 727a, 727b
- Rillenabschnitt
- 28, 28a
- zweiter Dichtungsspalt
- 30,30a
- Pumpdichtung
- 32
- Zwischenraum
- 33
- vergrößerter Zwischenraum
- 34
- Statoranordnung
- 36
- Rotormagnet
- 38
- Drehachse
- 40
- Speicherplatte
- 42
- Abstandhalter
- 44
- Lese-Schreib-Einheit
- 46
- Bewegungsrichtung
- 48
- Flussrichtung des Lagerfluids
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- γ
- Winkel
