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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ein solches fluiddynamisches Lagersystem wird beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder Laserscannern verwendet werden können.
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Fluiddynamische Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerstrukturen in Form von Rillenmustern als Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide jeweils gegenüberliegende Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Lagerstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige („herringbone“) Lagerstrukturen verwendet, die an einer Fläche parallel zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätartige Lagerstrukturen verwendet, die in einer Ebene quer zur Rotationsachse angeordnet werden.
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Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem, wie sie beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, können generell in zwei unterschiedliche Gruppen oder Bauformen, eingeteilt werden:
- Motoren mit drehender Welle und üblicherweise nur einseitig geöffnetem Lagersystem (z. B. ein sogenanntes „single plate bearing“ oder „single top thrust bearing“) und Motoren mit stehender Welle und beidseitig offenem Lagerspalt. Die offenen Enden des Lagerspalts müssen abgedichtet werden, damit kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt austritt und dadurch andere Komponenten des Spindelmotors verschmutzt werden. Die Abdichtung des Lagerspalts erfolgt beispielsweise durch statische Kapillardichtungen, dynamische Pumpdichtungen oder eine Kombination dieser beiden Dichtungsarten.
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Fluiddynamische Gleitlager arbeiten berührungsfrei, d. h. die Lagerflächen berühren sich im Betrieb nicht, sondern sind durch einen dünnen Schmiermittelfilm voneinander getrennt. Es ist aber insbesondere beim Start-Stopp-Vorgang des Lagers, also beim Übergang vom Stillstand zur Drehbewegung und umgekehrt, unvermeidlich, dass sich die Lagerflächen, zeitweise berühren. Auch während sich das Lager dreht, können sich bei Schockeinwirkung oder abrupter Lageänderung des Lagers die Lagerflächen berühren.
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Eine Berührung der Lagerflächen erzeugt einen übermäßigen Verschleiß der Lagerflächen und kann sogar zur Beschädigung der Lagerflächen oder einem Fressen des Lagers führen.
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Üblicherweise bestehen die Lagerpartner, d. h. die Lagerbuchse und die Welle, aus Stahl, wobei reibungsmindernde Beschichtungen bzw. Hartbeschichtungen aus Nickel oder DLC (Diamond Like Carbon) bekannt sind und auch eingesetzt werden. Derartige Hartbeschichtungen erhöhen jedoch die Kosten und die Produktionszeit der Lager.
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Die
US 6,456,458 B1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem, bei dem die Welle beispielsweise aus Stahl und die Lagerbuchse, in welcher die Welle aufgenommen ist, vorzugsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Messing oder ebenfalls aus Stahl besteht.
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Die Materialpaarung von Stahl und Messing hat sehr gute Reibungs- und Verschleißeigenschaften.
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Allerdings hat beispielsweise Messing einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizient als Stahl, sodass insbesondere beachtet werden muss, den Lagerspalt zwischen der Welle und der Lagerbuchse nicht zu groß zu bemessen, da bei starker Temperaturerhöhung sich die Messinglagerbuchse radial ausdehnt und sich die Spaltbreite des Lagerspalts erhöht, was die Lagereigenschaften in unvorteilhafter Weise verändern kann.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem mit verbesserten Verschleißeigenschaften und höherer Zuverlässigkeit, insbesondere im Schockfall, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 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 ein erstes Lagerbauteil und ein zweites Lagerbauteil, wobei das zweite Lagerbauteil in einer Lagerbohrung des ersten Lagerbauteils mittels eines fluidynamischen Lagersystems relativ zum ersten Lagerbautel drehbar gelagert ist.
Erfindungsgemäß besteht entweder das erste Lagerbauteil oder das zweite Lagerbauteil oder Teile davon aus einer Messinglegierung, wobei die Messinglegierung folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist: 61,5% - 62% Cu, 1,0% - 2,5% Mn, 0,8% - 1,2% Al, 0,5% - 1,0% Si, 0,2% - 0,5% Ni, ≤ 0,5% Fe, ≤ 0,5% Pb, und der Rest Zn.
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Die verwendete Messinglegierung zeichnet sich durch einen hohen Verschleißwiderstand und eine gute Wärmeunformbarkeit aus. Er weist hohe Festigkeitswerte und eine mittlere Spanbarkeit auf und hat eine gute Korrosionsbeständigkeit, inbesondere gegenüber Lagerölen.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems umfasst das erste Lagerbauteil eine Lagerbuchse und das zweite Lagerbauteil eine Welle. Hierbei ist es für die Erfindung unerheblich, ob die Welle oder die Lagerbuchse das rotierende Bauteil des Lagersystems darstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Lagerbuchse aus der beanspruchten Messinglegierung. Die Lagerbuchse ist an ihrem Umfang von einer hohlzylindrischen Hülse umgeben, die vorzugsweise aus einem Material mit einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die verwendete Messinglegierung besteht. Die Welle und die die Lagerbuchse umgebende Hülse bestehen vorzugsweise aus Stahl. Als bevorzugte Stähle für die Welle und die Hülse können DHS-1, DHS-1B, SUS420 J2 oder SUS 430 mit oder ohne Bleianteile eingesetzt werden. Die Welle und/oder die Hülse können alternativ aus einem Keramikwerkstoff bestehen.
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Sowohl Stahl als auch Keramik haben einen deutlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizient als Messing. Die Lagerbuchse kann mittels Pressverbindung, Wärmeschrumpfen oder einer Klebeverbindung mit der hohlzylindrischen Hülse verbunden werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Messing beträgt etwa 18*10-6/ Kelvin. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl beträgt etwa 13*10-6/ Kelvin und ist somit deutlich kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Messing.
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Die Materialpaarung zwischen der Messinglegierung der Lagerbuchse und dem Stahl der Welle reduziert Reibung und Verschleiß sowie die Gefahr eines Fressens des fluiddynamischen Lagers in den Bereichen der Lagerbauteile, die sich insbesondere beim Start-Stopp-Vorgang des Lagers oder bei Schockeinwirkung berühren können. Somit werden insgesamt die Schockfestigkeit und die Robustheit des Lagers verbessert.
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Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle, bestehend aus Stahl oder Keramik, und der Lagerbuchse, bestehend aus der Messinglegierung, ist zu erwarten, dass sich die Breite des Lagerspalts bei Temperaturerhöhung deutlich vergrößert, da sich die Lagerbuchse radial nach außen ausdehnt. Dies ist jedoch unerwünscht, da bei höheren Temperaturen ebenfalls die Viskosität des Lagerfluids abnimmt und durch den breiteren Lagerspalt die Lagersteifigkeit deutlich abnehmen würde.
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Durch die Hülse aus Stahl oder Keramik, welche die Messing-Lagerbuchse umgibt, wird verhindert, dass sich die Lagerbuchse radial zu stark nach außen ausdehnen kann. Vielmehr wurde festgestellt, dass sich die Spaltbreite des Lagerspalts bei Temperaturänderungen im Wesentlichen nicht verändert sondern in etwa konstant bleibt.
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Hierbei ist bevorzugt, wenn die Wanddicke der hohlzylindrischen Hülse mindestens halb so groß ist wie die Wanddicke der zylindrischen Lagerbuchse, damit der Temperaturausdehnung der Lagerbuchse wirksam entgegen gewirkt werden kann. Vorzugsweise sind die Wanddicken der Hülse und der Lagerbuchse etwa gleich groß.
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Insbesondere, wenn die Hülse aus Stahl besteht, ergibt sich der weitere Vorteil der Erfindung, dass die Abdeckung, die das Lager an der Unterseite verschließt, aus Stahl ausgebildet werden und direkt mit der Hülse verschweißt werden kann, sodass eine gasdichte Verbindung zwischen Hülse und Abdeckung entsteht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems können die Lagerbuchse und die Hülse Teil des feststehenden Lagerbauteils sein. Die Lagerbuchse und die Hülse können aber auch Teil des drehbaren Lagerbauteils sein, d. h. die Welle ist das feststehende Lagerbauteil.
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Die verbesserten Reibungseigenschaften zwischen der Messinglegierung und Stahl kommen insbesondere beim Start- und Stoppvorgang des Lagers zum Tragen, bei dem sich unter anderem die Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse berühren. Dadurch verbessert sich die Standzeit des Lagers, insbesondere die Start-Stopp-Festigkeit. Im Schockfall wird der Verschließ der Lagerflächen verringert und einem Fressen des Lagers vorgebeugt.
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In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Welle aus der Messinglegierung und die Lagerbuchse aus Stahl. In diesem Fall ist ebenfalls eine Kompensation der Verringerung der Viskosität des Lagerfluids bei Temperaturerhöhung gegeben, da sich die Welle aus Messing bei Temperaturerhöhung sehr viel stärker ausdehnt als der Stahl der Lagerbuchse und sich somit die Spaltbreite des Lagerspalts zwischen Lagerbuchse und Welle verringert. Als bevorzugte Stähle für die Lagerbuchse können DHS-1, DHS-1B, SUS 420 J2 oder SUS 430 mit oder ohne Bleianteile eingesetzt werden.
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Die Kosten für die Herstellung des Lagers unter Verwendung einer Lagerbuchse bzw. einer Welle aus der Messinglegierung sind vergleichbar mit den Kosten für entsprechende Stahlbauteile, da eine Härtung der Lagerflächen der Stahlbauteile, beispielsweise durch eine DLC-Beschichtung oder eine Nickelbeschichtung, entfallen kann.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein konisches fluiddynamisches Lagersystem verwendet, wobei das erste Lagerbauteil eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung und das zweite Lagerbauteil mindestens eine in der Lagerbohrung angeordnete Welle und mindestens ein an der Welle angeordnetes konisches Lagerbauteil aufweist.
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Gemäß dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht entweder die Lagerbuchse oder das konische Lagerbauteil aus der beanspruchten Messinglegierung. Der jeweils andere Lagerpartner besteht aus einem härteren Material, vorzugsweise Stahl.
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Die Vorteile einer Lagerbuchse bzw. eines konischen Lagerbauteils aus Messing entsprechen den oben angegebenen Vorteilen einer Lagerbuchse oder Welle aus Messing. Neben guten Reibungseigenschaften kann die bei Temperaturerhöhung relativ große Temperaturausdehnung des Messingbauteils als Kompensation für die gleichzeitig sinkende Viskosität des Lagerfluids genutzt werden.
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Die aus Messing bestehende Lagerbuchse ist beim Einsatz des Lagersystems in einem Spindelmotor von einem Rotorbauteil des Spindelmotors umgeben, das vorzugsweise aus einem Material mit einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Messing besteht, beispielsweise aus Stahl oder Keramik. Das Rotorbauteil kann aber auch aus einem Werkstoff bestehen, der einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als Messing aufweist.
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Die Erfindung betrifft insbesondere auch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager mit den oben beschriebenen Merkmalen. Ein solcher Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder Laserscannern eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Welle aus Messing.
- 2 zeigt einen Schnitt durch ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Lagerbuchse aus Messing.
- 3 zeigt einen Schnitt durch ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit konischen Lagerkomponenten aus Messing.
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Der in 1 dargestellte Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst eine feststehende Basisplatte 32 mit einer zylindrischen Öffnung, in welcher eine Lagerbuchse 10 befestigt ist. Die Lagerbuchse 10 weist in Richtung der Rotationsachse 18 eine axiale, zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 12 drehbar aufgenommen ist.
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Erfindungsgemäß ist die Welle 12 aus einer Messinglegierung gefertigt, während die Lagerbuchse 10 vorzugsweise aus Stahl besteht. Durch die Kombination von Messing und Stahl wird eine günstige Lagerpaarung mit geringer Lagerreibung und geringem Verschleiß erreicht. Ein Reibungskontakt der Lagerflächen des fluiddynamischen Lagersystems tritt in der Regel nur beim Anlaufen oder Auslaufen des Lagers oder bei Schockeinwirkung auf. Somit ist es nicht mehr notwendig, die Lagerflächen speziell zu härten bzw. mit einer harten Oberflächenschicht zu versehen, beispielsweise mit einer DLC- oder Nickelbeschichtung.
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Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 12 ist ein Lagerspalt 16 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist. Einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 bilden zusammen zwei fluiddynamische Radiallager 20, 22, die entlang des Lagerspalts 16 angeordnet sind und entsprechende Radiallagerrillen umfassen. Die Radiallagerrillen sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 12 angeordnet. Sobald sich die Welle 12 in der Lagerbuchse 10 dreht, üben die Radiallagerrillen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt 16 ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 16 ausbildet, der die Radiallager 20, 22 tragfähig macht. Die beiden Radiallager 20, 22 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem sogenannten Separatorspalt 17, axial voneinander getrennt. Die Lagerrillenstrukturen des oberen Radiallagers 20 sind vorzugsweise asymmetrisch ausgestaltet, d. h. sie erzeugen keine gleichverteilte Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 16, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 22 gerichtet ist. Das zweite Radiallager 22 umfasst Lagerrillenstrukturen, die beispielsweise symmetrisch angeordnet sind, sodass eine gleichverteilte Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 16 erzeugt wird.
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An einem unteren Ende der Welle 12 ist eine sogenannte Druckplatte 14 angeordnet, die auf die Welle 12 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Gegenüberliegend der Druckplatte 14 ist die Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckung 30 verschlossen. Sowohl die Druckplatte 14 als auch die Abdeckung 30 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 10 konzentrisch zur Lagerbohrung aufgenommen. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 14 bilden zusammen mit gegenüberliegenden, radial verlaufenden Flächen der Lagerbuchse 10 bzw. der Abdeckung 30 zwei sich gegenüberliegende Axiallager 24, 26 aus. Die Axiallager 24, 26 weisen Axiallagerrillen auf, die auf den Lagerflächen der Druckplatte 14 und/oder der Lagerbuchse 10 beziehungsweise der Abdeckung 30 angeordnet sind. Sobald die Welle 12 in der Lagerbuchse 10 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen auf den Axiallagerflächen ein hydrodynamischer Druck in dem die Druckplatte 14 umgebenden Lagerspalt 16 auf, sodass die Axiallager 24, 26 tragfähig werden und die Druckplatte 14 im Wesentlichen axial mittig und berührungsfrei in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 10 positioniert wird. Die Lagerrillenstrukturen der Axiallager 24, 26 sind vorzugsweise spiralrillenförmig oder aber auch fischgrätenförmig ausgebildet. Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Lagerrillenstrukturen der Axiallager 24, 26 eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen der radialen Abschnitte der die Druckplatte umgebenden Lagerspalte 16 erzeugen.
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Das offene Ende des Lagerspalts 16 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 36, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 36 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 12 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 ist vorzugsweise abgeschrägt, sodass der Dichtungsspalt 36 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsspalt 36 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 16 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
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Das freie aus der Lagerbuchse hinausstehende Ende der Welle 12 ist mit einer Nabe 34 des Spindelmotors verbunden. Die Nabe 34 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerks gedacht, werden auf der Nabe 34 eine oder mehrere Speicherplatten des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt.
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An einer inneren Umfangsfläche der Nabe 34 ist ein magnetischer Rückschluss 42 angeordnet, der einen ringförmigen Rotormagneten 40 mit einer Mehrzahl von Polpaaren umschließt. Radial gegenüberliegend dem Rotormagneten 40 ist an der Basisplatte 32 eine Statoranordnung 38 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt vom Rotormagneten 40 getrennt ist. Die Statoranordnung 38 weist Statorwicklungen auf, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, das auf den Rotormagneten 40 wirkt, sodass der Rotor, bestehend aus der Nabe 34 und der Welle 12, in Drehung versetzt wird.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsfrom eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem.
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In dieser Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Basisplatte 32 eine zylindrische Öffnung, in welcher eine hohlzylindrische Hülse 28 befestigt ist. In der Hülse 28 ist die Lagerbuchse 10 befestigt.
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Erfindungsgemäß ist die Lagerbuchse 10 aus einer Messinglegierung gefertigt, während die Welle 12 aus Stahl besteht. Durch die Kombination von Messing und Stahl wird eine günstige Lagerpaarung mit geringer Lagerreibung und geringem Verschleiß erreicht.
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Die Lagerbuchse 10 ist von der Hülse 28 umgeben, die vorzugsweise aus einem Material mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizient als die verwendete Messinglegierung, vorzugsweise aus Stahl, besteht. Während Messing einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 19,5*10-6/ Kelvin aufweist, besitzt Stahl einen wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 10,1*10-6 / Kelvin.
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Durch die Hülse 28 aus Stahl und deren geringere Wärmeausdehnung im Vergleich zur Lagerbuchse aus Messing wird verhindert, dass sich die Lagerbuchse 10 bei Temperaturerhöhung zu stark radial nach außen ausdehnen kann. Vielmehr wird die Lagerbuchse 10 in ihrer Ausdehnung begrenzt. Auf diese Weise bleibt die Spaltbreite des Lagerspalts 16 bei Temperaturerhöhung im Wesentlichen gleich bzw. verringert sich sogar etwas, da die Lagerbuchse sich vorwiegend nur radial nach innen ausdehnen kann.
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Dadurch bleiben die Lagereigenschaften der beiden Radiallager 20, 22 bei Temperaturerhöhungen im Wesentlichen erhalten und ändern sich nur durch die Viskositätsänderung des Lageröls.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Hülse 28 eine Wanddicke aufweist, die vorzugsweise mindestens halb so groß, besonders bevorzugt etwa gleich groß ist wie die Wanddicke der Lagerbuchse 10.
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Beispielsweise hat die Welle 12 einen Durchmesser von ca. 4 mm, während die Wandstärken der Lagerbuchse 10 und der Hülse 28 jeweils etwa 2 mm betragen. Die Spaltbreite des Lagerspalts 16 zwischen Lagerbuchse 10 und Welle 12 beträgt zwei bis sechs Mikrometer, in diesem Beispiel etwa 4 Mikrometer. Aufgrund des bevorzugten Materialdicken-Verhältnisses der Hülse 28 sowie der Lagerbuchse 10 sowie aufgrund der Wärmeausdehnungskoeffizienten bleibt die Spaltbreite des Lagerspalts 16 bei im Betriebstemperaturbereich des Spindelmotors im Wesentlichen konstant.
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Ein solches Lager mit den genannten Abmessungen dient zur Drehlagerung eines Spindelmotors, insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks.
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Aufgrund dessen, dass die Hülse 28 aus Stahl besteht, kann die Abdeckung 30, welche das Lager nach unten verschließt, ebenfalls aus Stahl gefertigt sein und unmittelbar mit der Hülse 28 verschweißt werden. Dadurch entsteht eine hermetisch dichte, sogar gasdichte Verbindung.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 132 mit einer Bohrung, in welcher eine Welle 112 aufgenommen ist. Die Welle 112 ist vorzugsweise mittels einer Presspassung und/oder mittels Klebstoff in der Basisplatte 132 befestigt. Das fluiddynamische Lagersystem ist als fluiddynamisches konisches Lagersystem mit zwei identisch aufgebauten und gegeneinander wirkenden konischen fluiddynamischen Lagern ausgebildet.
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An der Welle 112 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand zwei gleichartige Lagerkonusse 144, 146 angeordnet. Die Basisplatte 132, die Welle 112 und die beiden Lagerkonusse 144, 146 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems bzw. in Verbindung mit einer elektrischen Statoranordnung 138 bilden sie das feststehende Motorbauteil des Spindelmotors.
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Jeder Lagerkonus 144, 146 besitzt eine ringförmige, schräg zur Rotationsachse 118 ausgebildete Lagerfläche. Eine Nabe 134 ist um die Rotationsachse 118 relativ zu den Lagerkonussen 144, 146 drehbar angeordnet. Die Nabe 134 umfasst einen als Lagerbuchse 110 ausgebildeten Innenteil mit einer Lagerbohrung, die zusätzlich ringförmige und schräg zur Rotationsachse 118 angeordnete Lagerflächen aufweist, die den Lagerflächen der Lagerkonusse 144, 146 jeweils gegenüberliegen. Bei der Montage des Lagers wird beispielsweise der untere Lagerkonus 146 auf die Welle 112 montiert, dann wird die Lagerbuchse 110 über die Welle 112 gesteckt und schließlich der obere Lagerkonus 144 in einem festgelegten axialen Abstand zum unteren Lagerkonus 146 auf die Welle 112 montiert. Die Montage des Lagersystems erfolgt derart, dass die einander gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerkonusse 144, 146 und der Lagerbuchse 110 jeweils durch einen ringförmigen Lagerspalt 115, 116 mit definierter Breite voneinander getrennt sind. Die Lagerspalte 115, 116 haben eine Breite von wenigen Mikrometern und sind mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
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Die Lagerbuchse 110 besteht vorzugsweise aus einer Messinglegierung, während die Lagerkonusse 144, 146 vorzugsweise aus Stahl bestehen. Bei einer Lagerbuchse 110 aus Messing besteht die Nabe 134 aus einem Material mit wesentlich kleinerem Termperaturausdehnungskoeffizienten als Messing, beispielsweise aus Stahl oder Keramik. Durch die Nabe 134 aus Stahl und deren geringe Wärmeausdehnung im Vergleich zur Lagerbuchse aus Messing wird verhindert, dass sich die Lagerbuchse 110 bei Temperaturerhöhung zu stark radial nach außen ausdehnen kann. Vielmehr wird die Lagerbuchse 110 in ihrer Ausdehnung begrenzt. Auf diese Weise bleibt die Spaltbreite der Lagerspalte 115, 116 bei Temperaturerhöhung im Wesentlichen gleich bzw. verringert sich sogar etwas, da die Lagerbuchse 110 sich vorwiegend nur radial nach innen ausdehnen kann.
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Falls die Welle 112 und die Lagerbuchse 110 aus Materialien mit unterschiedlichen Termperaturausdehnungskoeffizienten bestehen, hat die Wärmeausdehnung der Lagerbuchse 110 in axialer Richtung ebenfalls eine Änderung der Spaltbreite der Lagerspalte 115, 116 zur Folge. Die Lagerkonusse 144, 146 sind auf der Welle 112 montiert und somit ändert sich bei Wärmeausdehnung auch der axiale Abstand der Lagerkonusse zueinander. Bei Verwendung einer Messinglegierung als Material für die Lagerbuchse 110 und Stahl für die Welle 112 kann das zur Folge haben, dass sich die Lagerspalte 115, 116 bei Temperaturerhöhung verringern und somit eine Kompensation der Verringerung der Viskosität des Lagerfluids gegeben ist. Folglich ist es dann möglich, die Nabe 134 aus einem Material mit gleichen oder größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als von Messing zu fertigen, beispielsweise Aluminium.
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Alternativ können die Lagerkonusse 144, 146 aus einer Messinglegierung bestehen, während die Lagerbuchse 110 vorzugsweise aus Stahl besteht. Die Lagerbuchse 110 und die Nabe 134, die ebenfalls vorzugsweise aus Stahl besteht, können dann einteilig ausgeführt werden.
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Die beiden Lagerspalte 115, 116 der beiden konischen Lager sind nicht miteinander verbunden, sondern weisen jeweils ein äußeres und ein inneres offenes Ende auf, die mittels Dichtungen abgedichtet sind. Es werden vorzugsweise Kapillardichtungen in Form von Dichtungsspalten 136a, 136b und 137a, 137b verwendet. Die Dichtungsspalte 136a und 137a sind teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Die jeweils äußeren Enden der Lagerspalte 115, 116 werden durch äußere Dichtungsspalte 136a, 137a abgedichtet, die vorzugsweise als konische Kapillardichtungen ausgebildet sind. Die äußeren Dichtungsspalte 136a, 137a bilden ein Fluidreservoir für das Lagerfluid, welches die Temperaturausdehnung des Lagerfluids ausgleicht und als Vorratsvolumen für das Lagerfluid dient. Die äußeren Dichtungsspalte 136a, 137a werden jeweils begrenzt durch eine äußere Dichtungsfläche der Lagerkonusse 144, 146 sowie eine gegenüberliegende innere Dichtungsfläche der Lagerbuchse 110. Die äußeren Dichtungsspalte 136a, 137a sind jeweils von einer Abdeckung 130, 131 bedeckt, die mit der Lagerbuchse 110 fest verbunden sind.
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Die beiden nach innen offenen Enden der Lagerspalte 115, 116 werden durch innere Dichtungsspalte 136b, 137b abgedichtet, die durch den Außenumfang der Welle 112 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 110 begrenzt sind. Entlang der inneren Dichtungsspalte 136b, 137b sind vorzugsweise dynamische Pumpdichtungen 136c, 137c angeordnet. Die dynamischen Pumpdichtungen 136c, 137c umfassen Rillenstrukturen, die auf der Oberfläche der Welle 112 und/oder der gegenüberliegenden Oberfläche der Lagerbuchse 110 angeordnet sind. Die Rillenstrukturen üben auf das in den inneren Dichtungsspalten 136b, 137b befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung in Richtung des jeweiligen Lagerspalts 115, 116 aus.
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Die jeweils äußeren Dichtungsspalte 136a, 137a münden jeweils in Richtung des unteren bzw. oberen Endes der Welle 112, während die innen liegenden Dichtungsspalte 136b, 137b innerhalb des Lagers in einen Freiraum 152 münden, der zwischen dem Außenumfang der Welle 112 und einem Innenumfang der Lagerbuchse 110 angeordnet ist. Der Freiraum 152 ist beispielsweise durch eine am Außenumfang der Welle 112 und/oder am Innenumfang der Lagerbuchse 110 vorgesehene Nut oder Rille gebildet.
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Die Lagerflächen der Lagerkonusse 144, 146 und/oder die Lagerflächen der Lagerbuchse 110 besitzen entlang der Lagerspalte 115, 116 Lagerrillenstrukturen 148, 150, die bei Rotation der Lagerbuchse 110 relativ zu den Lagerkonussen 144, 146 eine Pumpwirkung auf das im jeweiligen Lagerspalt 115, 116 befindliche Lagerfluid ausüben. Dadurch entsteht in den Lagerspalten 115, 116 ein hydrodynamischer Druck, der das jeweilige konische Lager tragfähig macht. Beide konischen Lagerflächen weisen beispielsweise fischgrätartige Lagerrillenstrukturen 148, 150 auf, die in Richtung des jeweiligen äußeren Dichtungsspalts 136a, 137a eine größere Anzahl Rillen aufweisen als in Richtung der Pumpdichtungen 136c, 137c. Aufgrund der stärkeren Pumpwirkung der jeweils lageräußeren Rille der Lagerrillenstrukturen 148, 150 des konischen Lagers, die aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der konischen Lagerflächen entsteht, ergibt sich insgesamt eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung. Aufgrund der konischen Ausgestaltung der Lagerkonusse 144, 146 wirken die konischen Lager zugleich als Radial- und als Axiallager. Die beiden konusförmigen Fluidlager wirken insofern gegeneinander, als dass diese das Lagerfluid in Richtung der jeweils zugeordneten Pumpdichtung 136c, 137c pumpen, sodass das Lagersystem insgesamt im Gleichgewicht ist.
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Um eine Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 115, 116 sicherzustellen, sind in den Lagerkonussen 144, 146 sogenannte Rezirkulationskanäle 154, 156 vorgesehen. Durch die Lagerrillenstrukturen 148, 150 wird das in den Lagerspalten 115, 116 befindliche Lagerfluid ausgehend von den äußeren Dichtungsspalten 136a, 137a in Richtung der innen liegenden zweiten Dichtungsspalte 136b, 137b und den Pumpdichtungen 136c, 137c befördert. Von dort fließt das Lagerfluid über die Rezirkulationskanäle 154, 156 wieder zurück zu den äußeren Dichtungsspalten 136a, 137a. Die Rezirkulationskanäle 154, 156 verlaufen zunächst zwischen dem Außenumfang der Welle 112 und dem Innenumfang der Lagerkonusse 144, 146 und dann radial nach außen durch die Lagerkonusse 144, 146 bis in den Übergangsbereich zwischen den Lagerspalten 115, 116 und den äußeren Dichtungsspalten 136a, 137a.
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Am Außenumfang der Lagerbuchse 110 ist eine Nabe 134 angeordnet, die zusammen mit der Lagerbuchse 110 durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben wird. Der Spindelmotor ist ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, dessen Antriebssystem eine ringförmige Statoranordnung 138 mit mehreren Phasenwicklungen umfasst, die an der Basisplatte 132 befestigt ist. Die Statoranordnung 138 ist innerhalb einer Aussparung der Nabe 134 auf der Basisplatte 132 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 140 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 140 ist an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 134 angeordnet und durch einen Luftspalt von der Statoranordnung 138 getrennt. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 138 wird ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 140 wirkt und die Nabe 134 und somit den Rotor in Drehung versetzt. Die äußere Umfangsfläche des Rotormagneten 140 liegt unmittelbar an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 134 an. Die Nabe 134 kann vorzugsweise aus Stahl bestehen und bildet den magnetischen Rückschluss für den Rotormagneten 140.
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Am Innenumfang der Nabe 134 ist vorzugsweise eine Stufe angeordnet, die einen oberen Anschlag für die Stirnseite des Rotormagneten 140 bildet und die Stirnseite des Rotormagneten 140 teilweise überdeckt. Dieser Anschlag erleichtert die axiale Positionierung des Rotormagneten 140 und das Eintreten der magnetischen Feldlinien in die als magnetischer Rückschluss dienende Nabe 134.
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Bei dem dargestellten Lagersystem mit zwei separaten konischen Lagern und jeweils Lagerspalten 115, 116 mit zwei offenen Enden ist es wichtig, dass der Freiraum 152 und die im Lagerinneren mündenden Öffnungen der inneren Dichtungsspalte 136b, 137b belüftet werden, sodass an der Grenze zwischen dem in den Dichtungsspalten 136b, 137b befindlichen Lagerfluid und der umgebenden Luft Umgebungsdruck herrscht. Eine Belüftung des Lagerinneren erfolgt vorzugsweise durch eine in der Welle angeordnete axiale Sackbohrung, die sich von der unteren Stirnseite der Welle 112 über mehr als die Hälfte der Länge der Welle 112 bis in die Höhe des Freiraums 152 erstreckt. Die axiale Sackbohrung ist über eine erste Querbohrung mit einem weiteren Freiraum 158 unterhalb der inneren Abdeckung 131 verbunden. Dieser weitere Freiraum 158 ist über den Hohlraum in der Nabe 134, in welchem sich die Statoranordnung befindet, und einen Spalt zwischen der Basisplatte und dem unteren Rand der Nabe 134 mit der Außenumgebung verbunden. Ferner ist die axiale Sackbohrung der Welle 112 an ihrem geschlossenen Ende über eine zweite Querbohrung mit dem Freiraum 152 im Lagerinneren verbunden. Somit herrscht im Freiraum 152 Atmosphärendruck wie auch im Freiraum 158 und an der Außenseite des Lagers im Bereich der äußeren Dichtungsspalte 136a, 137a.
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Das obere freie Ende der Welle 112 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.
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Bezugszeichenliste
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- 10,110
- Lagerbuchse
- 12, 112
- Welle
- 14
- Druckplatte
- 115
- Lagerspalt
- 16, 116
- Lagerspalt
- 17
- Separatorspalt
- 18, 118
- Rotationsachse
- 20
- Radiallager
- 22
- Radiallager
- 24
- Axiallager
- 26
- Axiallager
- 28
- Hülse
- 30, 130
- Abdeckung
- 131
- Abdeckung
- 32, 132
- Basisplatte
- 34, 134
- Nabe
- 36, 136a
- Dichtungsspalt
- 136b
- Dichtungsspalt
- 136c
- dynamische Pumpdichtung
- 137a
- Dichtungsspalt
- 137b
- Dichtungsspalt
- 137c
- dynamische Pumpdichtung
- 38, 138
- Statoranordnung
- 40, 140
- Rotormagnet
- 42
- magnetischer Rückschluss
- 144
- Lagerkonus
- 146
- Lagerkonus
- 148
- Lagerrillenstrukturen
- 150
- Lagerrillenstrukturen
- 152
- Freiraum
- 154
- Rezirkulationskanal
- 156
- Rezirkulationskanal
- 158
- Freiraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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