DE102019106064A1

DE102019106064A1 - Spindelmotor

Info

Publication number: DE102019106064A1
Application number: DE102019106064.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und einem feststehenden Motorbauteil und einem drehbaren Motorbauteil, wobei das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (26, 28) umfasst, das zwischen Lagerflächen einer Lagerbuchse (14) und Lagerflächen einer in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse (14) drehbaren Welle (16) ausgebildet ist, wobei ein erstes fluiddynamisches Axiallager (32) zwischen Lagerflächen einer an der Welle (16) angeordneten Druckplatte (22) und einer Stirnfläche der Lagerbuchse (14) ausgebildet ist, dessen Lagerflächen im Betrieb des Lagers durch einen radial verlaufenden ersten Axiallagerspalt (20b) voneinander getrennt sind, wobei ein zweites fluiddynamisches Axiallager (34) zwischen Lagerflächen der Druckplatte (22) und eines Gegenlagers (24) ausgebildet ist, dessen Lagerflächen im Betrieb des Lagers durch einen radial verlaufenden zweiten Axiallagerspalt (20c) voneinander getrennt sind, wobei der Spindelmotor durch ein elektromagnetisches Antriebssystem (38, 42) angetrieben wird, das eine am feststehenden Motorbauteil angeordnete Statoranordnung (38) und einen am drehbaren Motorbauteil angeordneten Rotormagneten (42) umfasst, wobei mindestens ein Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts (20b) und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts (20c) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor, insbesondere einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, wie er zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet wird. Ein derartiger Spindelmotor kann vorzugsweise auch zum Antrieb eines Lüfters oder Laserscanners verwendet werden.
Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder Laserscannern oder ähnlichen Geräten sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt.
Es gibt Spindelmotoren mit Wälzlagern sowie Spindelmotoren mit fluiddynamischen Lagersystemen, wobei es verschiedene Arten solcher Lagersysteme gibt, beispielsweise fluiddynamische Lagersysteme mit einem oder mehreren Radiallagern und einem oder mehreren Axiallagern oder fluiddynamische Lagersysteme mit mehreren konischen Lagern.
Die DE 10 2004 040 295 B9 offenbart in den 1 bis 4 eine bekannte Bauart eines fluiddynamischen Lagersystems für einen Spindelmotor im sogenannten single-plate-Design, bei dem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager zwischen Lagerflächen einer Lagerbuchse und Lagerflächen einer in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse drehbar gelagerten Welle ausgebildet ist. Ferner ist an der Welle eine sogenannte Druckplatte angeordnet, deren Stirnflächen jeweils ein erstes fluiddynamisches Axiallager und ein zweites fluiddynamisches Axiallager ausbilden.
Die Druckplatte ist ein Teil von zwei fluiddynamischen Axiallagern, die gegeneinander wirken, d.h. eine einander entgegen gerichtete Kraft auf die Druckplatte ausüben, sodass das fluiddynamische Lagersystem axial im Gleichgewicht bleibt.
Das erste fluiddynamische Axiallager ist zwischen Lagerflächen der Druckplatte und einer Stirnfläche der Lagerbuchse ausgebildet, wobei die Lagerflächen im Betrieb des Lagers durch einen radial verlaufenden ersten Axiallagerspalt voneinander getrennt sind.
Ein zweites fluiddynamisches Axiallager ist zwischen Lagerflächen der Druckplatte und eines Gegenlagers ausgebildet, wobei dessen Lagerflächen im Betrieb des Lagers durch einen radial verlaufenden zweiten Axiallagerspalt voneinander getrennt sind.
Der Spindelmotor umfasst ein drehbares Motorbauteil, das mittels des fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert ist und durch ein elektromagnetisches Antriebssystem relativ zu dem feststehenden Motorbauteil angetrieben ist.
Ein anderes fluiddynamisches Lager im single-plate-Design ist in der US 7 005 768 B2 offenbart.
Die Druckplatte ist drehbar in einer Aussparung des feststehenden Lagerbauteils angeordnet, wobei die Stirnseiten und die Umfangsfläche jeweils durch mit Lagerfluid gefüllte Lagerspalte von dem feststehenden Lagerbauteil getrennt sind. Die Druckplatte schwebt dabei sozusagen in der Aussparung frei rotierend.
Hierbei besteht das Problem, dass die Druckplatte oftmals nicht im axialen Zentrum der Aussparung schwebt, sondern sich näher an der Lagerfläche der Lagerbuchse befindet, sodass der erste Lagerspalt zwischen der Druckplatte und der Lagerbuchse eine geringere Spaltbreite aufweist als der zweite Lagerspalt zwischen der Druckplatte und dem Gegenlager, welches die Aussparung abdeckt oder verschließt.
Das Problem wird noch verschärft, wenn das Lager auf dem Kopf stehend betrieben wird oder sich die Temperatur des Lagers erhöht, denn dann wird der erste Lagerspalt noch schmaler in seiner Spaltbreite, und der Abstand zwischen der Druckplatte und dem der Lagerbuchse wird sehr klein.
Wenn die Spaltbreite des ersten Lagerspalts sehr klein ist, besteht die Gefahr einer Berührung der Lagerflächen, insbesondere bei einer Schockeinwirkung auf das Lager, wobei hier nur eine geringe Stoßeinwirkung ausreicht.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager anzugeben, der eine verbesserte Schockfestigkeit auch bei unüblicher Betriebslage oder hohen Temperaturen aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß umfasst der Spindelmotor mindestens ein Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts.
Diese Einstellung der Spaltbreiten der Lagerspalte der beiden Axiallager bzw. des Verhältnisses der Spaltbreiten dieser Lagerspalte erfolgt durch entsprechende Konstruktion des Spindelmotors.
Das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts ist derart ausgestaltet, dass es eine zusätzliche axiale Kraft auf das drehbare Motorbauteil ausübt, sodass sich im Bereich der Druckplatte das gewünschte Verhältnis der Spaltbreite der beiden Lagerspalte der Axiallager einstellt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts einen axialen Versatz zwischen der magnetischen Mitte der Statoranordnung und der magnetischen Mitte des Rotormagneten.
Hierbei sind die Statoranordnung und der Rotormagnet derart axial zueinander versetzt angeordnet, dass die magnetische Mitte der Statoranordnung in axialer Richtung gesehen näher an der Basisplatte des feststehenden Motorbauteils liegt als die magnetische Mitte des Rotormagneten.
Dadurch wird durch das elektromagnetische Antriebssystem eine axiale Kraft generiert, da die magnetische Mitte des Rotormagneten zur magnetischen Mitte der Statoranordnung axial angezogen wird.
Es wird eine axiale Kraft erzeugt, die in die gleiche Richtung wirkt wie die axiale Kraft des ersten fluiddynamischen Axiallagers.
Dadurch wird die Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts vergrößert, während die Spaltbreite des Axiallagerspalts des zweiten Axiallagers verkleinert wird.
Vorzugsweise ist der Versatz des Rotormagneten gegenüber der Statoranordnung derart groß gewählt, dass sich die Druckplatte etwa in der axialen Mitte ihrer zugeordneten Aussparung befindet, sodass das Verhältnis zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts in aufrechter Position des Spindelmotors vorzugsweise etwa 1 beträgt, besonders bevorzugt zwischen 0,8 bis 1,25.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts einen ferromagnetischen Ring, der in geringem Abstand axial unterhalb des Rotormagneten am feststehenden Motorbauteil angeordnet ist.
Dieser ferromagnetische Ring wird vom Rotormagneten magnetisch angezogen, sodass auf den Rotormagneten und die damit verbundene Nabe eine axiale magnetische Kraft einwirkt, die in die gleiche Richtung gerichtet ist wie die axiale Kraft des ersten fluiddynamischen Axiallagers.
Dadurch vergrößert sich die Spaltbreite des Axiallagerspalts des ersten Axiallagers im Vergleich zur Spaltbreite des Axiallagerspalts des zweiten Axiallagers, wobei die Masse und das Material des ferromagnetischen Rings sowie dessen axialer Abstand vom Rotormagneten die Größe der magnetischen Axialkraft bestimmt.
Die Größe der magnetischen Axialkraft wird derart eingestellt, dass sich ein Verhältnis zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagers und der Spaltbreite des zweiten Axiallagers bei aufrechter Position des Spindelmotors von vorzugsweise zwischen 0,8 bis 1,25 einstellt.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts durch unterschiedliche Geometrien und/oder eine unterschiedliche Anzahl der Lagerrillenstrukturen des ersten Axiallagers und des zweiten Axiallagers gebildet ist.
Hierbei kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Tiefe der Axiallagerrillen des ersten fluiddynamischen Axiallagers größer ist als die Tiefe der Axiallagerrillen des zweiten fluiddynamischen Axiallagers.
Beispielsweise weist die Tiefe der Axiallagerrillen des ersten Axiallagers einen Betrag von 12 Mikrometer +/- 3 Mikrometer auf, während die Tiefe der Lagerrillen des zweiten Axiallagers beispielsweise 6 Mikrometer +/- 2 Mikrometer beträgt.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass das erste fluiddynamische Axiallager fischgrätenartige Axiallagerrillen aufweist, während das untere zweite Axiallager spiralförmige Rillen aufweist.
Die fischgrätenförmigen Rillen des ersten Axiallagers erzeugen eine Pumpwirkung in beide Richtungen des entsprechenden radial verlaufenden ersten Axiallagerspalts, während die Spiralrillenstrukturen derart ausgebildet sind, dass sie eine ausschließliche Pumpwirkung radial nach innen in Richtung der Drehachse erzeugen.
Die fischgrätenartigen Rillenstrukturen des ersten Axiallagers weisen zwei unterschiedlich ausgerichtete Rillenarme auf, deren Verbindungspunkt eine konzentrisch zur Drehachse angeordnete Apexlinie bildet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Durchmesser der Apexlinie folgende Bedingung erfüllt: $D_{A p e x} = k * \sqrt[4]{\frac{D_{1}^{4} + D_{2}^{4}}{2}}$
wobei $0,9 < = k = < = 0,95$
Durch die Erfindung wird die Schockfestigkeit des fluiddynamischen Lagersystems verbessert und die Empfindlichkeit gegen axiale Stöße deutlich verringert, da die Druckplatte in der axialen Mitte ihrer Aussparung positioniert wird.
Vorzugsweise ist das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts derart ausgebildet, dass eine axial gerichtete Kraft in Höhe von größer oder gleich 0,5 Newton erzeugt wird.
Diese axial gerichtete Kraft ist in dieselbe Richtung gerichtet wie die axiale Kraft, die vom ersten fluiddynamischen Axiallager erzeugt wird.
Vorzugsweise ist die Druckplatte als Ringscheibe ausgebildet, die an einem Ende der Welle angeordnet ist bzw. zusammen mit der Welle ein einziges Teil bildet.
Die Druckplatte umfasst vorzugsweise keinerlei Bohrungen oder andere axiale Durchbrüche, die eine Zirkulation des Lagerfluids zwischen den Stirnseiten der Druckplatte zulassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
4 zeigt schematisch die Lagerrillenstrukturen einer Lagerfläche des ersten Axiallagers.
5 zeigt schematisch die Lagerrillenstrukturen einer Lagerfläche des zweiten Axiallagers.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erste bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors, der mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert ist. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10 mit einer zylindrischen Öffnung, in welcher eine zylindrische Lagerhülse 12 befestigt ist. In der Lagerhülse 12 ist eine zylindrische Lagerbuchse 14 gehalten, die eine axiale zylindrische Lagerbohrung aufweist, in welcher eine Welle 16 drehbar um die Rotationsachse 44 aufgenommen ist. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 16 verbleibt ein einige Mikrometer breiter Lagerspalt 20, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Einander entsprechende Lagerflächen der Lagerbuchse 14 und der Welle 16 bilden zusammen ein erstes fluiddynamisches Radiallager 26 und ein zweites fluiddynamisches Radiallager 28, die durch entsprechende Lagerrillenstrukturen 26a, 28a gekennzeichnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 26a, 28a sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 16 angeordnet. Sobald sich die Welle 16 in der Lagerbuchse 14 dreht, üben die Radiallagerrillen 26a, 28a eine Pumpwirkung auf das in dem axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt 20 ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 20 ausbildet, der die Radiallager 26, 28 tragfähig macht. Solange sich die Welle 16 in der Lagerbohrung dreht, wird die Welle 16 durch den durch die Radiallagerrillen 26a, 28a erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung nur getrennt durch den Lagerspalt 20. Die beiden Radiallager 26, 28 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem sogenannten Separatorspalt 30, axial voneinander getrennt.
Die Lagerrillenstrukturen 26a, 28a der beiden fluiddynamischen Radiallager 26, 28 können sinus-, fischgräten- oder chevronförmig sein und sind vorzugsweise auf der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 angeordnet, während die Oberfläche der Welle 16 vorzugsweise nicht strukturiert ist. Um eine entsprechende Pumpwirkung zu erzeugen, dreht sich die Welle 16 in der strukturierten Lagerbuchse 14 in der Regel im Gegenuhrzeigersinn.
Die Lagerrillenstrukturen 26a des ersten Radiallagers 26 sind beispielsweise sinusförmig ausgebildet und vorzugsweise asymmetrisch geformt. Dadurch erzeugen sie keine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des axial verlaufenden Abschnitts 20a des Lagerspalts 20, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die das Lagerfluid überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 28 fördert.
Das zweite Radiallager 28 umfasst beispielsweise ebenfalls sinusförmige Lagerrillenstrukturen 28a, die vorzugsweise symmetrisch ausgebildet sind, sodass das zweite Radiallager 28 eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des axial verlaufenden Abschnitts 20a des Lagerspalts 20 erzeugt. Durch den Einfluss des ersten Radiallagers 26 ist eine Druckrichtung bzw. Fließrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt 20 nach unten in das Lagerinnere gegeben.
An einem Ende der Welle 16 ist eine Druckplatte 22 angeordnet, die auf die Welle 16 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 16 ausgebildet ist. Die Druckplatte ist drehbar in einem Zwischenraum aufgenommen, der durch die Lagerhülse 12, die Lagerbuchse 14 und eine Abdeckplatte 24 gebildet ist, wobei die Abdeckplatte 24 die untere Öffnung der Lagerhülse 12 verschließt. Die Abdeckplatte 24 ist in einer entsprechenden Senkung der Lagerhülse 12 konzentrisch zur Lagerbohrung aufgenommen.
Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 22 bilden zusammen mit der jeweils gegenüberliegenden Stirnfläche der Lagerbuchse 14 bzw. der Stirnfläche der Abdeckplatte 24 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 32 und ein zweites fluiddynamisches Axiallager 34 aus. Die Lagerflächen der fluiddynamischen Axiallager 32, 34 sind durch jeweils radial verlaufende Abschnitte 20b, 20c des Lagerspalts 20 voneinander getrennt. Die radial verlaufenden Abschnitte 20b, 20c des Lagerspalts 20 sind mit Lagerfluid gefüllt und mit dem axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts verbunden.
Die beiden Axiallager 32, 34 sind durch Axiallagerrillenstrukturen (symbolisch dargestellt) gekennzeichnet, die auf den Lagerflächen der Druckplatte 22 oder der Lagerbuchse 14 beziehungsweise der Abdeckplatte 24 angeordnet sind. Die Axiallagerrillenstrukturen sind vorzugsweise spiralrillenförmig und/oder fischgrätenförmig ausgebildet. Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Axiallagerrillenstrukturen der Axiallager 32, 34 jeweils eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen der radial verlaufenden Abschnitte 20b, 20c des Lagerspalts 20 erzeugen.
Sobald die Welle 16 zusammen mit der Druckplatte 22 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen auf den Axiallagerflächen ein hydrodynamischer Druck in den radial verlaufenden Abschnitten 20b, 20c des Lagerspalts 20 auf, sodass die Axiallager 32, 34 tragfähig werden und die Druckplatte 22 durch den hydrodynamischen Druck vorzugsweise axial mittig in der vorgesehenen Aussparung positioniert wird.
Ein oberes offenes Ende des Lagerspalts 20 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 36, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 36 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 16 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 ist vorzugsweise abgeschrägt, sodass der Dichtungsspalt 36 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsspalt 36 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 20 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
Das obere freie Ende der Welle 16 ist mit einer Nabe 18 verbunden. Die Nabe 18 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet. Ist der Spindelmotor als Antrieb in ein Festplattenlaufwerk eingebaut, sind auf der Nabe 18 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten des Festplattenlaufwerks angeordnet und durch Abstandhalter axial voneinander getrennt (zeichnerisch nicht dargestellt). Die Befestigung der Speicherplatten erfolgt beispielsweise mittels einer Klammer, die durch Schrauben befestigt ist und die Speicherplatten auf die Nabe 18 presst.
An einem inneren unteren Rand der Nabe 18 ist ein ringförmiger Rotormagnet 42 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet. Der Rotormagnet 42 liegt an einem Rückschlussring 40 an. Radial dem Rotormagneten 42 gegenüberliegend ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 38 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagneten 42 getrennt ist. Die Statoranordnung 38 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, sodass das rotierende Motorbauteil in Drehung versetzt wird. Der elektrische Anschluss der Statorwicklungen erfolgt beispielsweise an einer Leiterplatte 46, die vorzugsweise an der Basisplatte 10 angeordnet ist.
Das rotierende Motorbauteil besteht aus der rotierenden Welle 16, der mit der Welle 16 verbundenen Nabe 18, dem mit der Welle 16 verbundenen Druckplatte 22, dem Rotormagneten 42 und dem Rückschlussring 40. Das feststehende Motorbauteil wird durch die Basisplatte 10, die Hülse 12, die Lagerbuchse 14, die Abdeckplatte 24 und die Statoranordnung 38 gebildet.
Bei einem Spindelmotor zum Antrieb eines 3,5-Zoll-Festplattenlaufwerks für Serveranwendungen beträgt der Durchmesser der Welle beispielsweise 3,5 mm bis 4 mm und der Durchmesser der Nabe beispielsweise 30 mm bis 36 mm.
Der Spindelmotor mitsamt den Komponenten des Festplattenlaufwerks ist vorzugsweise in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet. Dieses geschlossene Gehäuse kann vorzugsweise mit einem Gas mit geringem Molekulargewicht, beispielsweise Helium, gefüllt sein. Im Gehäuse kann gegenüber der umgebenden Atmosphäre ein leichter Unterdruck herrschen.
Wie man in 1 erkennt, ist die magnetische Mitte M₁ des Rotormagneten 42 in axialer Richtung versetzt zur magnetischen Mitte M₂ der Statoranordnung angeordnet.
Die magnetischen Mitten M₁ und M₂ entsprechen in etwa der axialen Mitte der Bauteile 42 und 38, sofern diese Bauteile symmetrisch ausgebildet sind.
Dieser axiale Versatz s zwischen der magnetischen Mitte M₁ und der magnetischen Mitte M₂ des Rotormagneten 42 bzw. der Statoranordnung 38 bewirkt, dass der Rotormagnet in axialer Richtung zur magnetischen Mitte M₂ der Statoranordnung 38 hingezogen wird und mit dem Rotormagneten auch das gesamte rotierende Motorbauteil einschließlich der Druckplatte 22.
Dadurch wird die Spaltbreite des Axiallagerspalts 20b des ersten Axiallagers 32 größer und die Spaltbreite des Axiallagerspalts 20c des zweiten Axiallagers 34 kleiner, da die magnetische axiale Kraft in dieselbe Richtung wirkt wie die axiale Kraft des ersten Axiallagers 32.
Der axiale Versatz s zwischen dem Rotormagneten 42 und der Statoranordnung 38 wird derart eingestellt, dass die zusätzliche magnetische axiale Kraft bewirkt, dass in der Normalstellung, d. h. in der in 1 dargestellten aufrechten Stellung des Spindelmotors, die Spaltbreite der beiden Lagerspalte 20b, 20c der Axiallager 32 und 34 etwa gleich groß ist, sodass sich die Druckplatte 22 in ihrer Aussparung etwa mittig befindet und rotiert.
Die üblichen Spaltbreiten der Axiallagerspalte 20b, 20c betragen jeweils beispielsweise mehr als 7 Mikrometer, bevorzugt jeweils 9 Mikrometer.
Die Gesamtsumme der beiden Axiallagerspalte 20b, 20c ist konstant und beträgt demnach beispielsweise 18 Mikrometer,
2 zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung und einen Spindelmotor, der nahezu identisch ist zu dem Spindelmotor von 1.
Gleiche Bauteile sind daher mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zu 1 hat der Spindelmotor von 2 vorzugsweise keinen axialen Versatz s zwischen der magnetischen Mitte M₁ des Rotormagneten 42 und der magnetischen Mitte M₂ der Statoranordnung 38.
Es kann jedoch auch beim Spindelmotor von 2 ein axialer Versatz s vorgesehen sein, ähnlich wie bei 1.
Alternativ oder zusätzlich zum axialen Versatz s ist bei dem Spindelmotor von 2 axial unterhalb des Rotormagneten 42 ein ferromagnetischer Ring 48 an der Basisplatte 10 angeordnet, der beispielsweise aus ferromagnetischem Stahl besteht.
Dieser ferromagnetische Ring 48 ist an der Basisplatte 10 befestigt und über einen schmalen Spalt von der unteren Stirnseite des Rotormagneten 42 getrennt.
Der Rotormagnet 42 zieht den ferromagnetischen Ring 48 magnetisch an, sodass eine magnetische Kraft in axialer Richtung nach unten zur Basisplatte 10 hin erzeugt wird, die das gesamte rotierende Motorbauteil nach unten zieht.
Dadurch wird auch die Welle 16 zusammen mit der Druckplatte 22 in dieselbe Richtung nach unten zur Basisplatte 10 bewegt, wobei sich die Spaltbreite des ersten Axiallagers 32 vergrößert und die Spaltbreite des zweiten Axiallagers 34 gleichermaßen verringert.
Die Größe bzw. das Material des ferromagnetischen Rings 48 ist derart gewählt, dass die axiale magnetische Kraft so groß ist, dass sie zusätzlich zur Kraft des ersten Axiallagers 32 ausreicht, um die Druckplatte 22 etwa axial mittig in ihrer Aussparung zu halten, sodass die Spaltbreite 20b des ersten Axiallagers 32 vorzugsweise etwa gleich groß ist wie die Spaltbreite 20c des zweiten Axiallagers 34.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Spindelmotors, der einen gleichartigen Aufbau wie die Spindelmotoren von 1 und 2 hat, wobei dessen Bauteile etwas anders ausgebildet sind.
Bauteile mit denselben Funktionen wie in 1 und 2 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Im Unterschied zu 1 und 2 ist beim Spindelmotor von 3 vorzugsweise kein axialer Versatz zwischen den Rotormagneten 42 und der Statoranordnung 38 vorgesehen und auch kein ferromagnetischer Ring unterhalb des Rotormagneten angeordnet.
Stattdessen wird das Verhältnis der Spaltbreiten zwischen dem ersten Axiallager 32 und dem zweiten Axiallager 34 durch entsprechende Geometrie bzw. Anzahl der Lagerrillenstrukturen 32a, 34a des jeweiligen Axiallagers 32 bzw. 34 eingestellt.
Wie man in 4 erkennt, umfasst das erste fluiddynamische Axiallager 32 eine Lagerfläche 50, auf welcher Lagerrillenstrukturen 32a angeordnet sind.
Die Lagerfläche 50 kann sich beispielsweise auf der Stirnfläche der Druckplatte 22 befinden oder auf der gegenüberliegenden Stirnfläche der Lagerbuchse 14 oder aber auf beiden Bauteilen.
Die Lagerrillenstrukturen 32a des ersten Axiallagers sind fischgrätenförmig ausgebildet und umfassen äußere kurze Rillenäste 32a1 und demgegenüber abgewinkelte innere längere Rillenäste 32a2.
Die jeweiligen Äste 32a1 und 32a2 treffen sich in einem Punkt, der auf einer Apexlinie 54 liegt, die einen Durchmesser D_Apex aufweist.
Ferner ist auch der Innendurchmesser D₁ der ringförmigen Lagerfläche und der Außendurchmesser D₂ der ringförmigen Lagerfläche dargestellt.
Bei Rotation der Lagerfläche 50 in Pfeilrichtung relativ zur gegenüberliegenden Lagerfläche der Lagerbuchse 14 wird im dazwischen liegenden ersten Axiallagerspalt 20b ein hydrodynamischer Druck erzeugt.
Dabei erzeugen die außenliegenden Äste 32a1 der Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung radial nach innen zur Drehachse 44 und die innenliegenden Äste 32a2 der Lagerrillenstrukturen eine nach außen gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid.
Die Länge der Äste, d. h. die Position der Apexlinie 54 ist derart gewählt, dass die innenliegenden Äste 32a2 eine größere Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen als die außenliegenden Äste 32a1, sodass das Lagerfluid im zugehörigen ersten Lagerspalt 20b in der Gesamtwirkung radial nach außen gefördert wird.
In 5 ist eine Lagerfläche 52 des unteren zweiten Axiallagers 34 dargestellt.
Diese Lagerfläche 52 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet und umfasst einen Innendurchmesser D₁ und einen Außendurchmesser D₂ .
Auf der Lagerfläche, die sich entweder auf der unteren Stirnfläche der Druckplatte 22 befindet oder vorzugsweise auf der inneren Stirnfläche der Abdeckplatte 24 oder aber auf beiden Bauteilen, sind spiralförmige Lagerrillenstrukturen 34a angeordnet, die bei Rotation der Lagerfläche 52 in Pfeilrichtung relativ zur anderen Lagerfläche eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid im zweiten Axiallagerspalt 20c in Richtung radial nach innen, d. h. in Richtung der Rotationsachse 44 erzeugen.
Das bedeutet, dass das erste Axiallager 32 eine überwiegende Pumpwirkung radial nach außen erzeugt, die sich über den Außenumfang der Druckplatte 22 nach unten in Richtung des zweiten Axiallagers 34 fortpflanzt, wobei die Lagerrillenstrukturen 34a des zweiten Axiallager 34 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid im zweiten Axiallagerspalt 20c radial nach innen erzeugen.
Somit herrscht im Bereich der beiden Axiallager 32, 34 und insbesondere zwischen der Druckplatte 22 und der Abdeckplatte 24 ein Überdruck, sodass keine Gefahr eines Unterdrucks im Lagerspalt im Bereich der Axiallager besteht.
Vorzugsweise ist die Geometrie der Axiallagerstrukturen bzw. die Breite der einzelnen Rillen 32a, 34a bzw. Tiefe der einzelnen Rillen 32a, 34a derart ausgebildet, dass durch die erzeugten axialen Kräfte der beiden Axiallager 32, 34 die Druckplatte 22 etwa axial mittig in der zugeordneten Aussparung schwebt und durch die Kräfte der beiden Axiallager 32, 34 im gegenseitigen Gleichgewicht gehalten wird. Vorzugsweise sind die Spaltbreiten der beiden Axiallagerspalte 20b, 20c etwa gleich groß.
Vorzugsweise ist die Tiefe der Axiallagerrillen 32a des oberen Axiallagers deutlich größer, beispielsweise 12 Mikrometer +/- 3 Mikrometer, als die Tiefe der Axiallagerrillen 34a des zweiten Axiallagers, welches eine Tiefe von beispielsweise 6 Mikrometer +/- 2 Mikrometer aufweist.
Durch die Ausgestaltung der Lagerrillen 32a, 34a, sowohl von deren Geometrie als auch deren Breite und Tiefe, kann die sogenannte Flughöhe der Druckplatte 22 entsprechend eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: Lagerhülse
14: Lagerbuchse
16: Welle
18: Nabe
20: Lagerspalt
20a: axial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts
20b: erster Axiallagerspalt
20c: zweiter Axiallagerspalt
22: Druckplatte
24: Abdeckplatte
26: erstes Radiallager
26a: Radiallagerrillen
28: zweites Radiallager
28a: Radiallagerrillen
30: Separatorspalt
32: erstes Axiallager
32a: Axiallagerrillen
32a1: kurze Rillenäste
32a2: längere Rillenäste
34: zweites Axiallager
34a: Axiallagerrillen
36: Dichtungsspalt
38: Statoranordnung
40: Rückschlussring
42: Rotormagnet
44: Rotationsachse
46: Leiterplatte
48: ferromagnetischer Ring
50: Lagerfläche
52: Lagerfläche
54: Apexlinie
D_Apex: Durchmesser der Apexlinie
D₁: Innendurchmesser der Lagerfläche
D₂: Außendurchmesser der Lagerfläche
s: axialer Versatz
M₁: magnetische Mitte des Rotormagneten
M₂: magnetische Mitte der Statoranordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004040295 B9 [0004]
US 7005768 B2 [0009]

Claims

Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und einem feststehenden Motorbauteil und einem drehbaren Motorbauteil, wobei das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (26, 28) umfasst, das zwischen Lagerflächen einer Lagerbuchse (14) und Lagerflächen einer in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse (14) drehbaren Welle (16) ausgebildet ist, wobei ein erstes fluiddynamisches Axiallager (32) zwischen Lagerflächen einer an der Welle (16) angeordneten Druckplatte (22) und einer Stirnfläche der Lagerbuchse (14) ausgebildet ist, dessen Lagerflächen im Betrieb des Lagers durch einen radial verlaufenden ersten Axiallagerspalt (20b) voneinander getrennt sind, wobei ein zweites fluiddynamisches Axiallager (34) zwischen Lagerflächen der Druckplatte (22) und einer Abdeckplatte (24) ausgebildet ist, dessen Lagerflächen im Betrieb des Lagers durch einen radial verlaufenden zweiten Axiallagerspalt (20c) voneinander getrennt sind, wobei der Spindelmotor durch ein elektromagnetisches Antriebssystem (38, 42) angetrieben wird, das eine am feststehenden Motorbauteil angeordnete Statoranordnung (38) und einen am drehbaren Motorbauteil angeordneten Rotormagneten (42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts (20b) und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts (20c) vorgesehen ist.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts (20b) und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts (20c) durch einen axialen Versatz (s) zwischen der magnetischen Mitte (M₂) der Statoranordnung (38) und der magnetischen Mitte (M₁) des Rotormagneten (42) gebildet ist, wobei die magnetische Mitte (M₂) der Statoranordnung (38) in axialer Richtung gesehen näher an einer Basisplatte (10) des feststehenden Motorbauteils liegt als die magnetische Mitte (M₁) des Rotormagneten (42).
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts (20b) und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts (20c) durch einen ferromagnetischen Ring (48) gebildet ist, der in geringem Abstand axial unterhalb des Rotormagneten (42) am feststehenden Motorbauteil (10) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts (20b) und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts (20c) durch unterschiedliche Geometrien und/oder Anzahl der Lagerrillenstrukturen (32a) des ersten Axiallagers (32) und der Lagerrillenstrukturen (34a) des zweiten Axiallager (34) gebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Axiallager (32) fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen (32a) aufweist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Axiallager (34) spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen (34a) aufweist.
Spindelmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die fischgrätenförmigen Lagerrillenstrukturen (32a) des ersten Axiallagers (32) eine Lagerrillentiefe von zwischen 9 Mikrometer und 15 Mikrometer aufweisen.
Spindelmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralrillenförmigen Lagerrillenstrukturen (34a) des zweiten Axiallagers (34) eine Lagerrillentiefe von zwischen 4 Mikrometer und 8 Mikrometer aufweisen.
Spindelmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Axiallager (32) eine ringförmige Lagerfläche (50) mit einem Innendurchmesser (D₁) und einem Außendurchmesser (D₂) aufweist, derer Rillenäste (32a1, 32a2), die sich an einer Apexlinie (54) treffen und für deren Durchmesser (D_Apex) gilt: $D_{A p e x} = k * \sqrt[4]{\frac{D_{1}^{4} + D_{2}^{4}}{2}}$
wobei $0,9 < = k = < = 0,95$
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Einstellung des Verhältnisses zwischen der Spaltbreite des ersten Axiallagerspalts (20b) und der Spaltbreite des zweiten Axiallagerspalts (20c) eine axial gerichtete Kraft in Höhe von größer oder gleich 0,5 Newton erzeugt.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axial gerichtete Kraft in dieselbe Richtung gerichtet ist wie die vom ersten fluiddynamischen Axiallager (32) erzeugte axiale Lagerkraft.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
Lüfter mit einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
Laserscanner mit einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.