DE102019114669A1 - Spindle motor with fluid dynamic bearing system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor, der ein feststehendes Motorbauteil (10, 12, 16) und ein mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zu diesem drehbar gelagertes Motorbauteil (14, 38) umfasst, wobei das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (24, 26) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (30) aufweist. Am feststehenden Motorbauteil ist eine elektrische Statoranordnung (42) angeordnet. Am drehbaren Motorbauteil ist ein der Statoranordnung (42) radial gegenüberliegender Rotormagnet (46) angeordnet.
Erfindungsgemäß ist das Verhältnis zwischen der axialen Höhe hStat der Statoranordnung (42) und der axialen Höhe hMag des Rotormagneten (46) kleiner als 0,65 gewählt.
The invention relates to a spindle motor which comprises a stationary motor component (10, 12, 16) and a motor component (14, 38) which is rotatably mounted relative to this by means of a fluid dynamic bearing system, the fluid dynamic bearing system at least one fluid dynamic radial bearing (24, 26) and has at least one fluid dynamic axial bearing (30). An electrical stator arrangement (42) is arranged on the stationary motor component. A rotor magnet (46) radially opposite the stator arrangement (42) is arranged on the rotatable motor component.
According to the invention, the ratio between the axial height h Stat of the stator arrangement (42) and the axial height h Mag of the rotor magnet (46) is selected to be less than 0.65.
Description
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, wie er beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern, Laserscannern etc. eingesetzt wird.The invention relates to a spindle motor with a fluid dynamic bearing system, such as is used, for example, to drive hard disk drives, fans, laser scanners, etc.
Ein Spindelmotor der eingangs genannten Art umfasst im Wesentlichen einen Stator, einen Rotor und mindestens ein zwischen diesen beiden Teilen angeordnetes fluiddynamisches Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des fluiddynamischen Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert.A spindle motor of the type mentioned at the beginning essentially comprises a stator, a rotor and at least one fluid-dynamic bearing system arranged between these two parts. The rotor, driven by an electric motor, is rotatably mounted in relation to the stator with the aid of the fluid dynamic bearing system.
Eine bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der
Insbesondere bei bekannten Lagersystemen im Single-Plate-Design kann es vorkommen, dass vor allem bei hohen Lasten und ungünstiger Einbaulage, beispielsweise einem Über-Kopf-Einbau, sich im Betrieb innerhalb des Lagerspalts eine ungünstige Druckverteilung des Lagerfluids ergibt. Dadurch kann es vorkommen, dass die Druckplatte nicht mehr zentrisch in der zugehörigen Aussparung positioniert ist, sondern sich in Richtung der Lagerbuchse oder der Abdeckplatte verschiebt und teilweise die Lagerbuchse oder die Abdeckplatte berührt. Dadurch entsteht unerwünschter Abrieb an den Lagerbauteilen, welcher die Lebensdauer des Lagers verringert. Ferner können Unterdruckzonen im Lager entstehen, die diesen Effekt noch verstärken.In particular with known storage systems in single-plate design, it can happen that, especially with high loads and an unfavorable installation position, for example overhead installation, an unfavorable pressure distribution of the bearing fluid results within the bearing gap during operation. As a result, it can happen that the pressure plate is no longer positioned centrally in the associated recess, but shifts in the direction of the bearing bush or the cover plate and partially touches the bearing bush or the cover plate. This creates unwanted wear on the bearing components, which reduces the service life of the bearing. Furthermore, negative pressure zones can arise in the warehouse, which intensify this effect.
Zusätzlich kann eine axiale Vorspannungskraft durch das elektromagnetische Antriebssystem aufgrund eines axialen Versatzes des Rotormagneten und des elektrischen Stators auftreten. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere die axiale magnetische Vorspannungskraft, die durch den axialen Versatz des Rotormagneten zu der Statoranordnung erzeugt wird, sehr toleranzbehaftet ist. Durch Bauteiletoleranzen, Montagetoleranzen, Verwendung eines magnetischen Rückschlussrings und Toleranzen in der Magnetisierung des Rotormagneten kommt es zu Toleranzen in der magnetischen Vorspannungskraft, die den Effekt der Verschiebung der Druckplatte aus der zentrischen Position weiter verstärken.In addition, an axial preload force can occur through the electromagnetic drive system due to an axial displacement of the rotor magnet and the electric stator. It has been found that in particular the axial magnetic pretensioning force which is generated by the axial offset of the rotor magnet in relation to the stator arrangement is subject to very tolerances. Due to component tolerances, assembly tolerances, the use of a magnetic return ring and tolerances in the magnetization of the rotor magnet, there are tolerances in the magnetic preload force which further increase the effect of shifting the pressure plate from the central position.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einem Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem die Toleranzen der magnetischen Vorspannungskraft zu reduzieren.It is the object of the invention to reduce the tolerances of the magnetic preload force in a spindle motor with a fluid dynamic bearing system.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by a spindle motor with a fluid dynamic bearing system using the features specified in
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred configurations and advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.
Der Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zu diesem drehbar gelagertes Motorbauteil, wobei das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager aufweist. Am feststehenden Motorbauteil ist eine elektrische Statoranordnung angeordnet. Am drehbaren Motorbauteil ist ein der Statoranordnung radial gegenüberliegender Rotormagnet angeordnet, wobei die magnetische Mitte des Rotormagneten um einen Betrag
Erfindungsgemäß ist das Verhältnis zwischen der axialen Höhe
Untersucht wurde, welche Größen und Parameter einen Einfluss auf die Toleranzen der magnetischen Vorspannungskraft
Bauteiletoleranzen und Montagetoleranzen, insbesondere der Statoranordnung und des Rotormagneten, sind durch Spezifikationen vorgegeben und können nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand verringert werden. Zumindest jedoch sollten deren Einfluss auf die Toleranzen der magnetischen Vorspannungskraft durch geeignete Verhältnisse der Bauteilhöhen reduziert werden.Component tolerances and assembly tolerances, in particular the stator arrangement and the rotor magnet, are specified by specifications and can only be reduced with a disproportionately high effort. At least, however, their influence on the tolerances of the magnetic preload force should be reduced by suitable proportions of the component heights.
Die Verwendung eines magnetischen Rückschlussrings für den Rotormagneten führt zu zusätzlichen Toleranzen der magnetischen Vorspannungskraft
Die Verringerung des radialen Luftspalts zwischen dem Rotormagneten und der Statoranordnung sowie eine Änderung des Außendurchmessers der Statoranordnung haben ebenfalls keinen wesentlichen Einfluss auf die Toleranzen der magnetischen Vorspannungskraft.The reduction in the radial air gap between the rotor magnet and the stator arrangement and a change in the outer diameter of the stator arrangement likewise have no significant influence on the tolerances of the magnetic preload force.
Es wurde erkannt, dass die axiale Höhe
Insbesondere das Verhältnis zwischen der axialen Höhe
Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn die axiale Höhe
In other words, it is advantageous if the axial height
Die magnetische Vorspannungskraft
Die magnetische Flussdichte
Die magnetische Permeabilität wird mit der Feldkonstante
The magnetic permeability becomes with the field constant
Die Gegen-EMK (
Um den BEMF-Wert von verschiedenen elektrischen Statoranordnungen mit unterschiedlicher Anzahl von Windungen und unterschiedlicher Höhe der Statorkerne bei gleicher Statorzahnbreite vergleichen zu können, ist eine relative Flussdichte Brel erforderlich.
Als relative Flussdichte Brei in Abhängigkeit der Anzahl der Windungen
As a relative flux density slurry depending on the number of turns
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung:
-
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der mittels eines fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert ist. Der Spindelmotor umfasst einefeststehende Basisplatte 10 mit einer Öffnung mit hochgezogenem Rand, in welcher einezylindrische Hülse 16 befestigt ist. In derHülse 16 ist eineLagerbuchse 12 aufgenommen, die eine axiale zylindrische Lagerbohrung aufweist, in welcher eineWelle 14 drehbar aufgenommen ist. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser derWelle 14 ist einLagerspalt 18 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist. Einander zugeordnete Lagerflächen derLagerbuchse 12 und derWelle 14 bilden zusammen zweifluiddynamische Radiallager 24 ,26 , die durchentsprechende Radiallagerrillen 24a ,26a gekennzeichnet sind. DieRadiallagerrillen 24a ,26a sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche derWelle 14 angeordnet. Sobald sich dieWelle 14 in derLagerbuchse 12 um dieDrehachse 40 dreht, üben die Radiallagerrillen eine Pumpwirkung auf das imLagerspalt 18 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht imLagerspalt 18 ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb desLagerspalts 18 ausbildet, der dieRadiallager 24 ,26 tragfähig macht. Solange sich dieWelle 14 in der Lagerbohrung dreht, wird diese durch den durch dieRadiallagerrillen 24a ,26a erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung getrennt durch denLagerspalt 18 . Die beidenRadiallager 24 ,26 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, demsogenannten Separatorspalt 28 axial voneinander getrennt.
-
1 shows a section through a spindle motor which is rotatably mounted by means of a fluid dynamic bearing system. The spindle motor includes afixed base plate 10 with a raised rim opening in which acylindrical sleeve 16 is attached. In thesleeve 16 is abearing bush 12 added, which has an axial cylindrical bearing bore in which a shaft14th is rotatably received. Between the inside diameter of the bearing bore and the slightly smaller outside diameter of the shaft14th is a bearing gap18th provided which is filled with a bearing fluid, for example a lubricating oil. Associated bearing surfaces of the bearingbush 12 and the wave14th together form two fluid dynamicradial bearings 24 ,26th , by means of correspondingradial bearing grooves 24a ,26a Marked are. Theradial bearing grooves 24a ,26a are on the surface of the bearing bore and / or the surface of the shaft14th arranged. Once the wave14th in the bearingbush 12 around the axis ofrotation 40 rotates, the radial bearing grooves exert a pumping effect on the one in the bearing gap18th located storage fluid from. This creates in the bearing gap18th a hydrodynamic pressure, with a homogeneous and evenly thick lubricant film within the bearing gap18th that trains theradial bearings 24 ,26th makes sustainable. As long as the wave14th rotates in the bearing bore, this is caused by theradial bearing grooves 24a ,26a generated fluid dynamic pressure is stabilized and runs without contact in the bearing bore separated by the bearing gap18th . The tworadial bearings 24 ,26th are characterized by an area with an enlarged bearing gap width, the so-calledseparator gap 28 axially separated from each other.
Die Lagerrillenstrukturen
Durch den Einfluss des oberen Radiallagers
An einem Ende der Welle
Die beiden Axiallager
Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Lagerrillenstrukturen der Axiallager
It is preferred here if the bearing groove structures of the axial bearings
Das offene Ende des Lagerspalts
Das freie aus der Lagerbuchse herausstehende Ende der Welle
An einem inneren unteren Rand der Nabe ist ein ringförmiger Rotormagnet
Das untere fluiddynamische Axiallager
Das obere fluiddynamische Axiallager
Die magnetische Mitte der Statoranordnung
Die Summe der axialen Kraft
Die axiale Höhe
Dadurch kann die Toleranz der axialen magnetischen Vorspannungskraft
This can reduce the tolerance of the axial magnetic preload force
Bei dem beispielhaft dargestellten Spindelmotor beträgt die axiale Höhe des magnetischen Kerns der Statoranordnung beispielsweise hStat = 2,8 mm und die axiale Höhe des Rotormagneten beispielsweise hMag = 4,4 mm. Das Verhältnis zwischen der axialen Höhe
Die
Daraus ergibt sich eine relative Flussdichte Brel von etwa
The
This results in a relative flux density B rel of approximately
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- BasisplatteBase plate
- 1212
- LagerbuchseBearing bush
- 1414th
- Wellewave
- 1616
- HülseSleeve
- 1818th
- LagerspaltBearing gap
- 2020th
- Druckplatteprinting plate
- 2222nd
- AbdeckplatteCover plate
- 2424
- RadiallagerRadial bearing
- 24a24a
- RadiallagerrillenRadial bearing grooves
- 2626th
- RadiallagerRadial bearing
- 26a26a
- RadiallagerrillenRadial bearing grooves
- 2828
- SeparatorspaltSeparator gap
- 3030th
- AxiallagerThrust bearings
- 3232
- AxiallagerThrust bearings
- 3636
- DichtungsspaltSealing gap
- 3838
- Nabehub
- 4040
- DrehachseAxis of rotation
- 4242
- StatoranordnungStator assembly
- 4444
- RückschlussringReturn ring
- 4646
- RotormagnetRotor magnet
- VV
- Betrag [mm]Amount [mm]
- FV F V
- Vorspannungskraft [N]Preload force [N]
- F1 F 1
- axiale Kraft [N]axial force [N]
- F2 F 2
- axiale Kraft [N]axial force [N]
- hStat h Stat
- Höhe Statoranordnung [mm]Height of stator arrangement [mm]
- hMag h Mag
- Höhe Rotormagnet [mm]Height of rotor magnet [mm]
- BB.
- Flussdichte [T]Flux density [T]
- SS.
- Querschnitt Statorkern[mm2]Cross section stator core [mm 2 ]
- BEMFBEMF
- Gegen-EMK [Vs/(rad m)]Back EMF [Vs / (rad m)]
- nn
- Anzahl der WindungenNumber of turns
- µ0 µ 0
- magnetische Feldkonstantemagnetic field constant
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 10239650 B3 [0003]DE 10239650 B3 [0003]
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DE102019114669.0A DE102019114669A1 (en) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | Spindle motor with fluid dynamic bearing system |
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DE (1) | DE102019114669A1 (en) |
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2019
- 2019-05-31 DE DE102019114669.0A patent/DE102019114669A1/en active Pending
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Legal Events
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