DE102020108020A1

DE102020108020A1 - Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem

Info

Publication number: DE102020108020A1
Application number: DE102020108020.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull; Dominik Riesterer
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, welcher umfasst: ein feststehendes Motorbauteil (10, 12) mit einer feststehenden Lagerkomponente (14), ein drehbares Motorbauteil mit einer Nabe (34) und einer drehbaren Lagerkomponente (16, 18), welches mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems (40, 42) drehend antreibbar ist, wobei die feststehende Lagerkomponente eine Lagerbuchse (14) aufweist und die drehbare Lagerkomponente eine Welle (16) und eine an einem Ende der Welle angeordnete Druckplatte (18) aufweist, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (22) und mindestens ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Axiallager (24, 26), die zwischen den feststehenden und den drehbaren Lagerkomponenten entlang eines mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalts (30) angeordnet sind, wobei die Bauhöhe des Spindelmotors kleiner als 4,5 mm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, wie er beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes, Lüfters oder Laserscanners verwendet werden kann.
Ein solcher Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil sowie ein drehbares Motorbauteil, welches mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das drehbare Motorbauteil wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, bestehend aus einem Stator mit Spulenwicklungen sowie aus einem permanentmagnetischen Rotor, drehend angetrieben. Ein derartiger Spindelmotor ist in der Regel auf einer Motorbasis aufgebaut.
Die DE 10 2012 020 228 A1 offenbart eine bekannte Bauform eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem, bei der ein drehbewegliches Lagerbauteil, beispielsweise eine zylindrische Welle, innerhalb einer Bohrung eines feststehenden Lagerbauteils, beispielsweise einer Lagerbuchse, drehbar gelagert ist. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung ist dabei geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle, sodass zwischen den Mantelflächen von Bohrung und Welle ein schmaler Lagerspalt verbleibt, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise mit einem Lageröl, gefüllt ist. Zum Aufbau des fluiddynamischen Drucks im Lagerspalt ist in der Regel wenigstens eine der Lageroberflächen von Welle oder Lagerbuchse mit einer Oberflächenstruktur, beispielsweise einer Rillenstruktur, versehen. Durch die rotatorische Relativbewegung zwischen den einander gegenüberliegenden Mantel- bzw. Lageroberflächen entsteht aufgrund der Rillenstruktur eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid, sodass sich ein gleichmäßig dicker und homogener Schmierfilm ausbilden kann, der die Lageroberflächen voneinander trennt und der durch Zonen fluiddynamischen Drucks stabilisiert wird.
In dieser bekannten sogenannten „single-plate-Bauform“ des fluiddynamischen Lagersystems sind entlang des Lagerspalts zwischen der Welle und der Lagerbuchse zwei fluiddynamische Radiallager angeordnet. Eine Stabilisierung des Lagers entlang der Rotationsachse erfolgt durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager. Die beiden fluiddynamischen Axiallager sind vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer vorzugsweise an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, die in einer durch die Lagerbuchse und eine Lagerplatte gebildeten Aussparung aufgenommen ist. Entsprechende Flächen des feststehenden Lagerbauteils dienen als Gegenlager zur Druckplatte und sind durch den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt von der Druckplatte getrennt.
Die US 5,744,882 zeigt einen Spindelmotor mit niedriger Bauhöhe und ähnlicher Bauart wie in der DE 10 2012 020 228 A1 .
Die DE 10 2010 006 119 A1 zeigt ebenfalls einen Spindelmotor mit einer niedrigen Bauhöhe. Die Nabe ist direkt mit der Welle verbunden, wobei deren Unterseite zusammen mit einer oberen Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Ein am Ende der Welle angeordnetes Stopperbauteil verhindert ein Herausfallen der Welle aus der Lagerbuchse.
Die fortwährende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken, Lüftern und Laserscannern macht es notwendig, sehr kleine und sehr flach bauende Spindelmotoren zu entwickeln, die stabil und stromsparend laufen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem anzugeben, der eine sehr geringe Bauhöhe, eine hohe Lagersteifigkeit und einen geringen Energieverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst ein feststehendes Motorbauteil mit einer feststehenden Lagerkomponente und ein drehbares Motorbauteil mit einer Nabe und einer drehbaren Lagerkomponente, welches mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems drehend antreibbar ist. Die feststehende Lagerkomponente weist eine Lagerbuchse auf, und die drehbare Lagerkomponente umfasst eine Welle und eine an einem Ende der Welle angeordnete Druckplatte. Mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Axiallager sind zwischen der feststehenden und der drehbaren Lagerkomponente entlang eines mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalts angeordnet.
Erfindungsgemäß beträgt die Bauhöhe des Spindelmotors höchstens 3,5 mm.
Die beiden fluiddynamischen Axiallager und vorzugsweise auch das fluiddynamische Radiallager weisen im Vergleich zur Bauhöhe des Lagersystems einen großen Durchmesser auf, wodurch sich eine hohe Lagersteifigkeit des Lagersystems ergibt.
Aufgrund der geringen Bauhöhe des Spindelmotors ist vorzugsweise nur ein fluiddynamisches Radiallager vorhanden, das gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Welle und einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse ausgebildet ist.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann ein fluiddynamisches Radiallager entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Druckplatte und einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse ausgebildet sein. Aufgrund des im Vergleich zur Welle größeren Durchmessers der Druckplatte besitzt das Radiallager in dieser Ausgestaltung der Erfindung eine besonders hohe Lagersteifigkeit.
Das erste fluiddynamische Axiallager ist bevorzugt entlang eines ersten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer ersten (unteren) Stirnfläche der Druckplatte und einer die Lagerbuchse verschließenden ersten Lagerplatte ausgebildet.
Das zweite fluiddynamische Axiallager wirkt entgegengesetzt zum ersten fluiddynamischen Axiallager und ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung entlang eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer zweiten (oberen) Stirnfläche der Druckplatte und einer gegenüberliegenden Stirnfläche der Lagerbuchse ausgebildet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das zweite fluiddynamische Axiallager entlang eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer zweiten (oberen) Stirnfläche der Druckplatte und einer die Lagerbuchse am oberen Ende verschließenden, zweiten Lagerplatte ausgebildet sein.
Optional kann der Lagerspalt einen dritten, radial verlaufenden Abschnitt aufweisen, der zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse und einer gegenüberliegenden unteren Stirnfläche der Nabe ausgebildet ist. Entlang dieses dritten, radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts kann ein drittes fluiddynamisches Axiallager vorgesehen sein. Die Lagerkraft des dritten fluiddynamischen Axiallagers wirkt in dieselbe Richtung wie die Lagerkraft des ersten fluiddynamischen Axiallagers.
Der Lagerspalt weist ein offenes Ende auf, wobei zur Abdichtung dieses offenen Endes des Lagerspalts vorzugsweise ein kapillarer Dichtungsspalt vorgesehen ist. Die Nabe des Spindelmotors kann einen umlaufenden Rand aufweisen, welcher die Umfangsfläche der Lagerbuchse unter Bildung des Dichtungsspalts teilweise umgibt. Der Dichtungsspalt ist mit dem dritten radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts verbunden und verläuft in axialer Richtung. Der radial außerhalb des Lagersystems angeordnete Dichtungsspalt weist einen konischen Querschnitt mit einem bevorzugten Öffnungswinkel von höchstens 10° auf.
Zusätzlich zu den fluiddynamischen Axiallagern kann ein magnetisches Axiallager vorgesehen sein, das von dem elektromagnetischen Antriebssystem des Spindelmotors gebildet wird und eine axiale Kraft erzeugt, die in dieselbe Richtung gerichtet ist wie die vom zweiten fluiddynamischen Axiallager erzeuge axiale Kraft.
Das fluiddynamische Radiallager kann, dem Verlauf des Lagerspalts folgend, vor bzw. nach dem ersten und zweiten fluiddynamischen Axiallager angeordnet sein, oder es kann zwischen dem ersten und dem zweiten fluiddynamischen Axiallager angeordnet sein.
Außerdem kann das fluiddynamische Radiallager bezüglich der Rotationsachse auf einem kleineren Durchmesser angeordnet sein als das erste und das zweite fluiddynamische Axiallager, oder es kann bezüglich der Rotationsachse auf einem größeren Durchmesser angeordnet sein als das erste und das zweite fluiddynamische Axiallager.
Das fluiddynamische Radiallager kann derart angeordnet sein, dass es in axialer Richtung gesehen auf der Höhe des zweiten Axiallagers angeordnet ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Dichtungsspalt zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Welle und einer inneren Umfangsfläche der zweiten Lagerplatte angeordnet sein. Der Dichtungsspalt ist mit dem zweiten radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts verbunden und verläuft in axialer Richtung radial innerhalb der fluiddynamischen Radial- und Axiallager. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann der Dichtungsspalt im Querschnitt konisch und insbesondere mit einem Öffnungswinkel von mindestens 10°, vorzugsweise mindestens 12°, ausgebildet sein.
Die Druckplatte ist vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet und kann mindestens eine exzentrisch angeordnete und axial verlaufende Durchgangsbohrung oder einen Kanal aufweisen, welche den ersten axialen Abschnitt des Lagerspalts mit dem zweiten axialen Abschnitt des Lagerspalts verbindet. Dadurch kann das Lagerfluid um die Druckplatte zirkulieren.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Druckplatte topfförmig ausgebildet. Die topfförmige Druckplatte weist am Außendurchmesser einen umlaufenden Rand auf, wobei ein drittes fluiddynamisches Axiallager entlang eines dritten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer Stirnfläche des umlaufenden Randes der Druckplatte und einer gegenüberliegenden Stirnfläche der zweiten Lagerplatte ausgebildet sein kann.
Außerdem kann ein zweites fluiddynamisches Radiallager entlang eines zweiten axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer inneren Umfangsfläche des umlaufenden Randes der Druckplatte und einer äußeren Umfangsfläche der zweiten Lagerplatte ausgebildet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung,

1 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
2A zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber 1 abgewandelte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
2B zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber 2A abgewandelte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
3A zeigt einen Schnitt durch eine andere bevorzugte Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems für den erfindungsgemäßen Spindelmotor.
3B zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber 3A abgewandelte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
4A zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
4B zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber 4A abgewandelte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
5 zeigt schematisch die Druckverteilung im Lagerspalt des Lagersystems von 3A.

In 1 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor dargestellt.
Der Spindelmotor umfasst eine Motorbasis 10, die eine Befestigung des Spindelmotors erlaubt und welche eine Haltebuchse 12 aufweist, in welcher das fluiddynamische Lagersystem aufgenommen ist. Die Haltebuchse 12 ist vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung in einer Öffnung der Motorbasis 10 befestigt.
Das Lagersystem umfasst eine etwa zylindrische Lagerbuchse 14, die in der Haltebuchse 12 angeordnet und dort, beispielsweise mit Klebstoff, befestigt ist.
Die Lagerbuchse 14 umfasst eine Lagerbohrung, in welcher eine zylindrische Welle 16 drehbar angeordnet ist.
An einem unteren Ende der Welle 16 ist eine scheibenförmige Druckplatte 18 angeordnet, die vorzugsweise einteilig mit der Welle 16 ausgebildet ist. Die Druckplatte 18 kann jedoch auch als separates Bauteil ausgebildet und an der Welle 16 befestigt sein.
Die Druckplatte 18 hat einen deutlich größeren Außendurchmesser als die Welle 16 und ist in einer zugeordneten Aussparung der Lagerbuchse 14 aufgenommen, sodass sie sich zusammen mit der Welle 16 in der Lagerbuchse 14 drehen kann.
An ihrem an die Druckplatte 18 angrenzenden unteren Ende ist die Lagerbuchse 14 durch eine Lagerplatte 20 luftdicht verschlossen.
An dem aus der Lagerbuchse 14 herausragenden Ende der Welle 16 ist eine Nabe 34 befestigt, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung. An der Nabe 34 ist eine Last in Form eines Rotorbauteils 36 oder eines Lüfterrads oder dergleichen angeordnet. Die Nabe 34 und das Rotorbauteil 36 können auch einteilig ausgebildet sein. Die Nabe 34 kann vorzugsweise derart an der Welle 16 befestigt sein, dass sie nur einen geringen Abstand von der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 14 hat, der beispielsweise einige 10 bis einige 100 Mikrometer betragen kann
Da die Welle 16 einen etwas geringeren Durchmesser aufweist als die Lagerbohrung in der Lagerbuchse 14, und auch die Druckplatte 18 etwas geringere radiale und axiale Abmessungen aufweist als die Abmessungen der Aussparung der Lagerbuchse 14, verbleibt zwischen den feststehenden Lagerkomponenten des Spindelmotors, nämlich der Lagerbuchse 14 und der Lagerplatte 20, und den drehbaren Komponenten, nämlich der Welle 16, der Druckplatte 18 und der Nabe 34, ein Lagerspalt 30. Der Lagerspalt 30 umfasst mehrere miteinander verbundene, radial und axial verlaufende Abschnitte 30a bis 30d und ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
Insbesondere umfasst der Lagerspalt 30 zwei entlang der Stirnseiten der Druckplatte 18 verlaufende erste und zweite radiale Abschnitte 30a und 30b und einen entlang der Lagerbohrung verlaufenden axialen Abschnitt 30c sowie einen dritten, radial verlaufenden Abschnitt 30d, der zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und der unteren Stirnfläche der Nabe 34 angeordnet ist.
Der Lagerspalt 30 ist am radial äußeren Ende seines dritten radial verlaufenden Abschnitts 30d durch einen kapillaren Dichtungsspalt 32 abgedichtet. Der kapillare Dichtungsspalt 32 verläuft in axialer Richtung auf der Höhe des axial verlaufenden Abschnitts 30c des Lagerspalts 30 und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines umlaufenden Randes 34a der Nabe 34. Der kapillare Dichtungsspalt 32 hat einen konischen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel von vorzugsweise weniger als 10° und ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 34 dient außerdem als Reservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid.
Ein umlaufender Rand 34a der Nabe 34 greift in einen ringförmigen Freiraum, der durch einen umlaufenden Rand 12a der Haltebuchse 12 und die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 gebildet wird. Die äußere Umfangsfläche des Randes 34a der Nabe 34 bildet mit der inneren Umfangsfläche des Randes 12a der Haltebuchse 12 einen schmalen Luftspalt 38 aus, der ein Entweichen von Lagerfluid und insbesondere von Lagerfluiddampf aus dem Lagerbereich in den Motorraum verhindert.
Die verschiedenen Abschnitte 30a bis 30d des Lagerspalts 30 können unterschiedlich große Spaltbreiten aufweisen.
Die Spaltbreite des Lagerspalts 30 in seinem axial verlaufenden ringförmigen Abschnitt 30c zwischen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14 beträgt beispielsweise zwischen 2 und 5 Mikrometer, während die Summe der Spaltbreiten der ersten und zweiten radial verlaufenden Abschnitte 30a und 30b des Lagerspalts 30 zwischen 10 und 30 Mikrometer beträgt. Die Spaltbreite des dritten radial verlaufenden Abschnitts 30d des Lagerspalts 30 zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und der Unterseite der Nabe 34 kann zwischen 20 und 150 Mikrometer betragen, je nachdem, ob entlang dieses Abschnitts 30d ein zusätzliches fluiddynamisches Axiallager 28 angeordnet ist oder nicht.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein fluiddynamisches Radiallager 23, das entlang des Abschnitts 30c des Lagerspalts 30 angeordnet und durch Radiallagerrillen gekennzeichnet ist, die sich auf der Oberfläche der Welle 16 und/oder vorzugsweise auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 befinden. Diese Radiallagerrillen haben eine Tiefe, die etwa der Spaltbreite des Abschnitts 30c des Lagerspalts 30 entspricht, vorzugsweise zwischen 2 und 6 Mikrometer.
Die Radiallagerrillen des fluiddynamischen Radiallagers 23 sind sinusförmig oder parabelförmig ausgebildet und erzeugen bei sich in der Lagerbuchse 14 drehenden Welle 16 einen hydrodynamischen Druck im axial verlaufenden Abschnitt 30c des Lagerspalts 30, durch welchen die Welle 16 in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 zentriert wird. Die Lagerrillen des Radiallagers 23 sind entweder symmetrisch zur Umfangsrichtung der Lagerflächen ausgebildet und erzeugen eine ausgeglichene Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts oder sie sind asymmetrisch ausgebildet und erzeugen im Abschnitt 30c des Lagerspalts 30 eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung der Druckplatte 18 und des radial verlaufenden Abschnitts 30b des Lagerspalts. Die axiale Länge des fluiddynamischen Radiallagers 23 beträgt beispielsweise etwa 1,2 mm.
Im Bereich der Druckplatte 18 sind zwei fluiddynamische Axiallager 24, 26 angeordnet. Das erste Axiallager 24 ist entlang des radial verlaufenden Abschnitts 30a des Lagerspalts 30 angeordnet und wird durch die untere Stirnfläche der Druckplatte 18 und eine obere Stirnfläche der Lagerplatte 20 gebildet.
Die Lagerrillenstrukturen des ersten Axiallagers 24 sind vorzugsweise fischgrätenartig ausgebildet und erzeugen im Spaltabschnitt 30a während der Drehung der Druckplatte 18 in der Aussparung der Lagerbuchse 14 durch Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen einen hydrodynamischen Druck. Die Lagerrillenstrukturen sind entweder auf der Druckplatte 18 und/oder vorzugsweise auf der oberen Stirnfläche der Lagerplatte 20 angeordnet. Der erzeugte hydrodynamische Druck ist vorzugsweise gleichmäßig in beide Richtungen des Lagerspaltabschnitts 30a gerichtet, kann aber auch überwiegend radial nach außen von der Drehachse 46 weg gerichtet sein. Die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 24 können auch spiralförmig ausgebildet sein.
Das zweite fluiddynamische Axiallager 26 ist zwischen der oberen Stirnfläche der Druckplatte 18 und einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 14 angeordnet und liegt im Bereich des radial verlaufenden Abschnitts 30b des Lagerspalts 30.
Auch bei dem zweiten Axiallager 26 sind auf der Druckplatte 18 bzw. vorzugsweise auf der unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 14 vorzugsweise fischgrätenförmige Axiallagerrillen angeordnet, die bei Drehung der Druckplatte 18 einen hydrodynamischen Druck im Abschnitt 30b des Lagerspalts 30 erzeugen. Die durch die Lagerrillen des Axiallagers 26 erzeugte hydrodynamische Pumpwirkung ist gleichmäßig in beide Richtungen des Abschnitts 30b des Lagerspalts 30, oder vorzugsweise überwiegend radial nach außen in Richtung des Außenumfangs der Druckplatte 18 gerichtet. Die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 26 können auch spiralförmig ausgebildet sein.
Die Druckplatte 18 weist vorzugsweise im Bereich ihres Innendurchmessers, an welchen sie an die Welle 16 angrenzt, mindestens eine Durchgangsbohrung 18a auf, welche die obere Stirnfläche der Druckplatte 18 mit der unteren Stirnfläche der Druckplatte 18 verbindet, wodurch der radial verlaufende Abschnitt 30a des Lagerspalts 30 direkt mit dem radial verlaufenden Abschnitt 30b des Lagerspalts 30 verbunden wird Dadurch kann das Lagerfluid im Wesentlichen um die Druckplatte 18 herum zirkulieren. Die Druckplatte 18 kann vorzugsweise mehrere solche Durchgangsbohrungen 18a verteilt über den Bereich ihres Innenumfangs umfassen.
Entlang des dritten radial verlaufenden Abschnitts 30d des Lagerspalts kann ein drittes fluiddynamisches Axiallager 28 angeordnet sein. Das Axiallager 28 besitzt vorzugsweise spiralförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen, die auf das im Abschnitt 30d des Lagerspalts 30 enthaltene Lagerfluid eine Pumpwirkung radial nach innen in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts 30c des Lagerspalts 30 erzeugen.
Das fluiddynamische Lagersystem mit den Bauteilen 14, 16, 18, 20, 34 und gegebenenfalls 36 kann komplett aufgebaut, mit Lagerfluid befüllt und dann in die Haltebuchse 12 eingesetzt werden.
Der Antrieb der drehbaren Motorkomponente, bestehend aus Welle 16, Druckplatte 18, Nabe 34 und Rotorbauteil 36 erfolgt mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems, das eine Statoranordnung 40 umfasst, die beispielsweise auf einem Absatz der Haltebuchse 12 feststehend angeordnet ist. Auf der Motorbasis 10 ist eine elektrische Leiterplatte 44 angeordnet, an welcher die Wicklungsdrähte der Statorwicklungen angeschlossen sind.
Die Statoranordnung 40 ist von einem Magneten 42 umgeben, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 36 angeordnet ist und durch einen Luftspalt in radialer Richtung von der Statoranordnung 40 beabstandet ist. Das Rotorbauteil 36 besteht vorzugsweise aus ferromagnetischem Metall, sodass es einen magnetischen Rückschluss für den Magneten 42 bildet. Das Rotorbauteil 36 kann alternativ aus Kunststoff gefertigt und z. B. an die Nabe 34 angespritzt sein, wobei in diesem Fall radial außerhalb des Magneten 42 ein ferromagnetischer Rückschlussring vorgesehen sein könnte.
Die axiale Höhe des gesamten Spindelmotors beträgt höchstens 3 mm, wobei das fluiddynamische Lagersystem von der Oberseite der Welle 16 bis zur Unterseite der Lagerplatte 20 etwa dieselbe Höhe aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die magnetische Mitte des Magneten 42 in axialer Richtung gesehen versetzt zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 40 positioniert ist. Insbesondere ist der Abstand der magnetischen Mitte des Magneten 42 zur Motorbasis 10 größer als der Abstand der magnetischen Mitte der Statoranordnung 40 zur Motorbasis 10. Dadurch wird eine axial gerichtete magnetische Kraft erzeugt, welche den Magneten zusammen mit der drehbaren Motorkomponente in Richtung zur Motorbasis 10 zieht. Dadurch wird das zweite fluiddynamische Axiallager 26 unterstützt und die Druckplatte 18 in ihrer zugeordneten Aussparung axial zentriert.
2A zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte Ausgestaltung eines Spindelmotors. Der Aufbau dieses Spindelmotors entspricht weitgehend 1. Im Unterschied zu 1 weist die Druckplatte 18' jedoch eine größere Höhe auf und ist in einer entsprechend größeren Aussparung der Lagerbuchse 14' aufgenommen. Die Druckplatte 18' weist keine axiale Durchgangsbohrung (18a) auf, sondern die Lagerbuchse 14' weist radial außerhalb der Druckplatte 18' eine axiale Durchgangsbohrung in Form eines Rezirkulationskanals 14a' auf. Der Rezirkulationskanal 14a' verbindet den Abschnitt 30a des Lagerspalts 30 radial außerhalb des untersten Axiallagers 24 direkt mit dem Abschnitt 30d des Lagerspalts 30 radial außerhalb des obersten Axiallagers 28. Somit werden entfernte Abschnitte des Lagerspalts 30 direkt miteinander verbunden, und das Lagerfluid kann im gesamten Lagerspalt 30 zirkulieren. In dieser Ausgestaltung können zwei Radiallager vorhanden sein, ein erstes Radiallager 23 im Abschnitt 30c und ein zweites Radiallager 22 zwischen dem Außenumfang der Druckplatte 18a' und dem Innenumfang der Lagerbuchse 14',
2B zeigt eine gegenüber 2A abgewandelte Ausgestaltung eines Spindelmotors. Der Aufbau dieses Spindelmotors entspricht weitgehend 2A. Im Unterschied zu 2A ist in der Lagerbuchse 14" im Bereich des größten Durchmessers der Druckplatte 18" ein axial verlaufender Rezirkulationskanal 14a" vorhanden. Der Rezirkulationskanal 14a" verbindet den radialen Abschnitt 30b des Lagerspalts 30 radial außerhalb des Axiallagers 26 direkt mit dem Abschnitt 30d des Lagerspalts 30 radial außerhalb des oberen Axiallagers 28. Somit werden die Abschnitte 30b und 30d des Lagerspalts 30 direkt miteinander verbunden, und das Lagerfluid kann besser im Lagerspalt 30 zirkulieren. In dieser Ausgestaltung können zwei Radiallager vorhanden sein, ein erstes Radiallager 23 im Abschnitt 30c und ein zweites Radiallager 22zwischen dem Außenumfang der Druckplatte 18a" und dem Innenumfang der Lagerbuchse 14".
3A zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors gemäß der Erfindung.
Der Spindelmotor umfasst eine Motorbasis 110, die eine Befestigung des Spindelmotors erlaubt und welche eine Haltebuchse 112 aufweist, in welcher das fluiddynamische Lagersystem aufgenommen ist. Die Haltebuchse 112 ist vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung in einer Öffnung der Motorbasis 110 befestigt.
Das Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 114 mit zylindrischem Außenumfang, die in der Haltebuchse 112 angeordnet und dort beispielsweise mit Klebstoff oder einer Schweißverbindung befestigt ist. Die Lagerbuchse 114 umfasst eine Lagerbohrung, in welcher eine zylindrische Welle 116 drehbar angeordnet ist.
Im Unterschied zu beispielsweise dem Spindelmotor von 1 ist die axiale Höhe der an der Welle 116 angeordneten Druckplatte 118 wiederum größer und liegt in der Größenordnung der verbleibenden Länge der Welle 116.
Der Durchmesser und die axiale Höhe der Aussparung der Lagerbuchse 114 sind an den Durchmesser und die axiale Höhe der Druckplatte 118 angepasst. Die Lagerbuchse 114 ist an beiden Enden durch jeweils eine Lagerplatte 120 und 121 verschlossen. Ein Ende der Welle 116 ist durch eine zentrale Bohrung der oberen Lagerplatte 121 herausgeführt.
Da die Druckplatte 118 etwas geringere radiale und axiale Abmessungen aufweist als die Abmessungen der durch die Lagerbuchse 114 und die Lagerplatten 120, 121 gebildeten Aussparung, verbleibt zwischen der feststehenden Lagerbuchse 114, den damit verbundenen Lagerplatten 120, 121 und der drehbaren Druckplatte 118 ein Lagerspalt 130, der aus mehreren miteinander verbundenen radial verlaufenden und axial verlaufenden Abschnitten 130a bis 130c besteht und mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Insbesondere umfasst der Lagerspalt 130 zwei entlang der Stirnseiten der Druckplatte 118 verlaufende erste und zweite radiale Abschnitte 130a und 130b sowie einen entlang der äußeren Umfangsfläche der Druckplatte 118 verlaufenden axial verlaufenden Abschnitt 130c.
Der Lagerspalt 130 ist am radial innenliegenden Ende seines zweiten radial verlaufenden Abschnitts 130b durch einen kapillaren Dichtungsspalt 132 abgedichtet. Der kapillare Dichtungsspalt 132 verläuft in axialer Richtung entlang der Welle 116 und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 116 und eine innere Umfangsfläche der oberen Lagerplatte 121. Der kapillare Dichtungsspalt 132 hat einen konischen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel von mindestens 10°, vorzugsweise mindestens 12°, und ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Durch den großen Öffnungswinkel ergibt sich ein großes Volumen des Dichtungsspalts 132, der gleichzeitig als Reservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid dient.
Zwischen der oberen Stirnseite der Lagerplatte 121 und der Unterseite der Nabe 134 verbleibt ein ringförmiger Freiraum 133, der mit der Außenatmosphäre verbunden und nicht mit Lagerfluid gefüllt ist. Die Öffnung des Dichtungsspalts 132 mündet in diesen Freiraum 133.
Die Nabe 134 weist einen umlaufenden äußeren Rand 134a auf, der in einen äußeren Bereich des ringförmigen Freiraums 133 hineinreicht, welcher durch einen umlaufenden Rand 112a der Haltebuchse 112 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 114 gebildet wird. Die inneren und äußeren Umfangsflächen des Randes 134a der Nabe 134 bilden mit den gegenüberliegenden Umfangsflächen der Lagerbuchse 114 und des Randes 112a der Haltebuchse 112 einen schmalen, labyrinthartigen Luftspalt 138, der den Freiraum 133 mit der Außenatmosphäre verbindet aber ein Entweichen von Lagerfluid und insbesondere von Lagerfluiddampf aus dem Freiraum 133 in den Motorraum verhindert.
Die verschiedenen Abschnitte 130a bis 130c des Lagerspalts 130 können unterschiedlich große Spaltbreiten aufweisen.
Die Spaltbreite des Lagerspalts 130 in seinem axial verlaufenden ringförmigen Abschnitt 130c zwischen dem Außenumfang der Druckplatte 118 und der Lagerbuchse 114 beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 6 Mikrometer, während die Summe der Spaltbreiten der ersten und zweiten radial verlaufenden Abschnitte 130a und 130b des Lagerspalts 130 zwischen 10 und 30 Mikrometer beträgt.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein entlang des Abschnitts 130c des Lagerspalts angeordnetes fluiddynamisches Radiallager 122, das durch Radiallagerrillen gekennzeichnet ist, die sich auf der Umfangsfläche der Druckplatte 118 und/oder vorzugsweise auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 114 befinden. Diese Radiallagerrillen haben eine Tiefe, die etwa der Spaltbreite des Abschnitts 130c des Lagerspalts 130 entspricht, vorzugsweise zwischen 3 und 6 Mikrometer.
Die Radiallagerrillen des fluiddynamischen Radiallagers 122 sind sinusförmig oder parabelförmig ausgebildet und erzeugen bei sich in der Lagerbuchse 114 drehender Druckplatte 118 einen hydrodynamischen Druck im axial verlaufenden Abschnitt 130c des Lagerspalts 130, durch welchen die Druckplatte 118 in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 114 zentriert wird. Die Lagerrillen des Radiallagers 122 sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet und erzeugen eine ausgeglichene Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspaltabschnitts 130c. Die Lagerrillenstrukturen können jedoch auch asymmetrisch ausgebildet sein und im Abschnitt 130c des Lagerspalts 130 eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des ersten axialen Abschnitts 130a des Lagerspalts 130 erzeugen. Die axiale Länge des fluiddynamischen Radiallagers 122 beträgt beispielsweise etwa 0,9 mm.
Im Bereich der Druckplatte 118 sind zwei fluiddynamische Axiallager 124, 126 angeordnet.
Das erste Axiallager 124 ist entlang des ersten radial verlaufenden Abschnitts 130a des Lagerspalts 130 angeordnet und wird durch die untere Stirnfläche der Druckplatte 118 und eine obere Stirnfläche der unteren Lagerplatte 120 gebildet. Die Lagerrillenstrukturen des ersten Axiallagers 124 sind vorzugsweise fischgrätenartig ausgebildet und erzeugen aufgrund der Drehung der Druckplatte 118 in der Aussparung der Lagerbuchse 114 durch Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen im Spaltabschnitt 130a einen hydrodynamischen Druck. Die Lagerrillenstrukturen sind entweder auf der Druckplatte 118 und/oder vorzugsweise auf der oberen Stirnfläche der Lagerplatte 120 angeordnet. Der erzeugte hydrodynamische Druck kann gleichmäßig in beide Richtungen des Lagerspalts 130a gerichtet sein, kann aber vorzugsweise überwiegend in Richtung radial nach innen in Richtung der Drehachse 146 gerichtet sein. Die Lagerrillenstrukturen des ersten fluiddynamischen Axiallagers 124 können auch spiralförmig ausgebildet sein.
Das zweite fluiddynamische Axiallager 126 ist zwischen der oberen Stirnfläche der Druckplatte 118 und einer unteren Stirnfläche der Lagerplatte 121 im Bereich des zweiten radial verlaufenden Abschnitts 130b des Lagerspalts 130 angeordnet. Auch hier sind auf der Druckplatte 118 bzw. vorzugsweise auf der unteren Stirnfläche der Lagerplatte 121 vorzugsweise fischgrätenförmige Axiallagerrillen angeordnet, die bei Drehung der Druckplatte 118 einen hydrodynamischen Druck im Abschnitt 130b des Lagerspalts 130 erzeugen. Die durch die Lagerrillen des zweiten Axiallagers 126 erzeugte hydrodynamische Pumpwirkung ist vorzugsweise überwiegend radial nach außen in Richtung des Außenumfangs der Druckplatte 118 gerichtet. Die Lagerrillen können auch spiralförmig ausgebildet sein.
Die Druckplatte 118 weist vorzugsweise im Bereich ihres Innendurchmessers, an welchen sie an die Welle 116 angrenzt, mindestens eine Durchgangsbohrung 118a auf, welche die obere Stirnfläche der Druckplatte 118 mit der unteren Stirnfläche der Druckplatte 118 verbindet, wodurch der radial verlaufende Abschnitt 130a des Lagerspalts 130 direkt mit dem radial verlaufenden Abschnitt 130b des Lagerspalts 130 verbunden wird Dadurch kann das Lagerfluid im Wesentlichen um die Druckplatte 118 zirkulieren, d. h. das Lagerfluid fließt im Abschnitt 130b des Lagerspalts 130 radial nach außen, dann im Abschnitt 130c um den Außenumfang der Druckplatte 118 herum und im Abschnitt 130a des Lagerspalts 130 radial nach innen und gelangt über die Durchgangsbohrung 118a wieder zurück in den oberen Abschnitt 130b des Lagerspalts 130. Die Druckplatte 118 kann vorzugsweise mehrere solche Durchgangsbohrungen 118a verteilt über den Bereich ihres Innenumfangs umfassen.
Der Antrieb der drehbaren Motorkomponente, bestehend aus Welle 116, Druckplatte 118, Nabe 134 und Rotorbauteil 136 erfolgt mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems, das eine Statoranordnung 140 und einen Magneten 142 umfasst, wie es oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist.
Die axiale Höhe des gesamten Spindelmotors beträgt höchstens 3,5 mm, wobei das fluiddynamische Lagersystem von der Oberseite der Welle 116 bis zur Unterseite der Lagerplatte 120 etwa dieselbe Höhe aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass die magnetische Mitte des Magneten 142 in axialer Richtung gesehen versetzt zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 140 positioniert ist. Insbesondere ist der Abstand der magnetischen Mitte des Magneten 142 zur Motorbasis 110 größer als der Abstand der magnetischen Mitte der Statoranordnung 140 zur Motorbasis 110. Dadurch wird eine axial gerichtete magnetische Kraft erzeugt, welche die drehbare Motorkomponente in Richtung zur Motorbasis 110 zieht und das zweite fluiddynamische Axiallager 126 unterstützt und die Druckplatte 118 in ihrer zugeordneten Aussparung axial zentriert.
3B offenbart eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors, ähnlich wie in 3A.
Anstelle eines axial entlang der Welle 116 verlaufenden Dichtungsspalts wie in 3A ist in 3B zwischen dem Außenumfang der Welle 116 und dem Innenumfang der oberen Lagerplatte 121' ein kurzer radial verlaufender Abschnitt 130e des Lagerspalts 130 vorgesehen, der mit dem radial verlaufenden Abschnitt 130b des Lagerspalts 130 verbunden ist. Dieser axiale Spaltabschnitt 130e geht in einen radial verlaufenden Abschnitt 130d des Lagerspalts 130 über, der sich zwischen der oberen Stirnseite der Lagerplatte 121' und der Lagerbuchse 114 und einer bodenseitigen Fläche der Nabe 134' erstreckt. Die Spaltabschnitte 130d und 130e sind mit Lagerfluid gefüllt. Am äußeren Ende des radial verlaufenden Abschnitts 130d des Lagerspalts ist ein kapillarer Dichtungsspalt 132' vorgesehen. Der kapillare Dichtungsspalt 132' verläuft in axialer Richtung etwa auf Höhe des axial verlaufenden Abschnitts 130e des Lagerspalts 130 und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 114 und eine innere Umfangsfläche eines umlaufenden Randes 134a' der Nabe 134'. Der kapillare Dichtungsspalt 132' hat einen konischen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel von vorzugsweise weniger als 10° und ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 134' dient zudem als Reservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid.
Ansonsten entspricht der Spindelmotor von 3B in seinem Aufbau dem Spindelmotor von 3A.
4A offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem, das dem in 3A beschriebenen Lagersystem ähnelt und ebenfalls zur Drehlagerung des Spindelmotors von 3A verwendet werden kann.
Der Spindelmotor umfasst eine Motorbasis 210, die eine Befestigung des Spindelmotors erlaubt und welche eine Haltebuchse 212 aufweist, in welcher das fluiddynamische Lagersystem mittels einer Klebe- oder Schweißverbindung aufgenommen ist. Die Haltebuchse 212 ist vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung in einer Öffnung der Motorbasis 210 befestigt.
Das Lagersystem umfasst eine Welle 216, an deren einem Ende eine etwa topfförmige Druckplatte 218 angeordnet ist. Die Druckplatte 218 weist einen nach oben abstehenden umlaufenden äußeren Rand 218b auf. Die topfförmige Druckplatte ist in einer Lagerbuchse 214 aufgenommen, die an einer Seite von einer flachen Lagerplatte 220 und an der anderen Seite von einer profilierten Lagerplatte 221 abgedeckt ist. Ein Ende der Welle 216 ist durch eine zentrale Bohrung der profilierten Lagerplatte 221 herausgeführt.
Ein radial innen liegender Rand 221a der profilierten Lagerplatte 221 reicht in den inneren Bereich der topfförmigen Druckplatte 218 hinein, wobei der umlaufende Rand 218b der Druckplatte 218 zwischen den begrenzenden axial verlaufenden Flächen der Lagerbuchse 214 und dem Rand 221a der profilierten Lagerplatte 221 aufgenommen ist.
Da die Druckplatte 218 etwas geringere radiale und axiale Abmessungen aufweist als die Abmessungen der durch die Lagerbuchse 214 und die Lagerplatten 220 und 221 gebildeten Aussparung, verbleibt zwischen der feststehenden Lagerbuchse 214, den damit verbundenen Lagerplatten 220, 221 und der drehbaren Druckplatte 218 ein Lagerspalt 230, der aus mehreren miteinander verbundenen radial verlaufenden und axial verlaufenden Abschnitten 230a bis 230e besteht und mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Insbesondere umfasst der Lagerspalt 230 drei entlang den oberen und unteren Stirnseiten der Druckplatte 218 verlaufende erste, zweite und dritte radiale Abschnitte 230a, 230b und 230d, sowie einen entlang der äußeren Umfangsfläche der Druckplatte 218 verlaufenden axialen Abschnitt 230c und einen entlang der inneren Umfangsfläche des Randes 218b der Druckplatte 218 axial verlaufenden Abschnitt 230e.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein erstes fluiddynamisches Radiallager 222, das entlang des ersten axial verlaufenden Abschnitts 230c des Lagerspalts 230 angeordnet und durch Radiallagerrillen gekennzeichnet ist, die sich auf der Umfangsfläche der Druckplatte 218 und/oder vorzugsweise auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 214 befinden. Die Radiallagerrillen des fluiddynamischen Radiallagers 222 sind sinusförmig oder parabelförmig ausgebildet und erzeugen bei sich in der Lagerbuchse 214 drehender Druckplatte 218 einen hydrodynamischen Druck im axial verlaufenden Abschnitt 230c des Lagerspalts 230, durch welchen die Druckplatte 218 in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 214 zentriert wird. Die Lagerrillen des Radiallagers 222 sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet und erzeugen eine ausgeglichene Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 230c. Die Lagerrillenstrukturen können jedoch auch asymmetrisch ausgebildet sein und im Abschnitt 230c des Lagerspalts 230 eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des ersten axialen Abschnitts 230a des Lagerspalts 230 erzeugen.
Im Bereich der Druckplatte 218 sind ferner zwei einander entgegenwirkende fluiddynamische Axiallager 224, 226 angeordnet.
Das erste Axiallager 224 ist entlang des ersten radial verlaufenden Abschnitts 230a des Lagerspalts 230 angeordnet und wird durch die untere Stirnfläche der Druckplatte 218 und eine obere Stirnfläche der Lagerplatte 220 gebildet. Die Lagerrillenstrukturen des ersten Axiallagers 224 sind vorzugsweise fischgrätenartig ausgebildet und erzeugen durch Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen aufgrund der Drehung der Druckplatte 218 in der Aussparung der Lagerbuchse 214 im Spaltabschnitt 230a einen hydrodynamischen Druck. Die Lagerrillenstrukturen sind entweder auf der Druckplatte 218 und/oder vorzugsweise auf der oberen Stirnfläche der Lagerplatte 220 angeordnet. Der erzeugte hydrodynamische Druck kann gleichmäßig in beide Richtungen des Lagerspalts 230a gerichtet sein, kann aber auch überwiegend radial nach innen in Richtung der Drehachse 246 gerichtet sein. Die Lagerrillenstrukturen des ersten fluiddynamischen Axiallagers 224 können auch spiralförmig ausgebildet sein.
Das zweite fluiddynamische Axiallager 226 ist entlang des zweiten radial verlaufenden Abschnitts 230d des Lagerspalts 230 zwischen der oberen Stirnfläche des äußeren Teils der Druckplatte 218 und einer unteren Stirnfläche des äußeren Teils der profilierten Lagerplatte 221 angeordnet. Auch hier sind auf der Druckplatte 218 bzw. vorzugsweise auf der unteren Stirnfläche der profilierten Lagerplatte 221 bevorzugt fischgrätenförmige Axiallagerrillen angeordnet, die bei Drehung der Druckplatte 218 einen hydrodynamischen Druck im Abschnitt 230d des Lagerspalts 230 erzeugen. Die durch die Lagerrillen des zweiten Axiallagers 226 erzeugte hydrodynamische Pumpwirkung ist vorzugsweise radial nach außen in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts 230c des Lagerspalts gerichtet. Die Lagerrillen können daher auch spiralförmig ausgebildet sein.
Der Lagerspalt 230 ist am radial innenliegenden Ende eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts 230b durch einen kapillaren Dichtungsspalt 232 abgedichtet. Der kapillare Dichtungsspalt 232 verläuft in axialer Richtung entlang der Welle 216 und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 216 und eine innere Umfangsfläche der profilierten Lagerplatte 221. Der kapillare Dichtungsspalt 232 hat einen konischen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel von beispielweise 10° und ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Durch den großen Öffnungswinkel ergibt sich ein großes Volumen des Dichtungsspalts 232, der zusammen mit dem relativ breiten radial verlaufenden Spaltabschnitt 230b als Reservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid dient.
Zwischen den oberen Stirnseiten der Haltebuchse 212, der Lagerbuchse 214 sowie der profilierten Lagerplatte 221 und der Unterseite der Nabe 234 verbleibt ein Freiraum 233, der nicht mit Lagerfluid gefüllt ist. Die mit der Welle 216 verbundene Nabe 234 weist einen umlaufenden Rand 234a auf, der in einen ringförmigen Freiraum eingreift, welcher durch eine innere Umfangsfläche eines umlaufenden Randes 212a der Haltebuchse 212 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 214 gebildet wird. Die Flächen des Randes 234a der Nabe 234 bilden mit den gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 214 und des Randes 212a der Haltebuchse 212 einen schmalen, labyrinthartigen Luftspalt 238, der ein Entweichen von Lagerfluid und insbesondere von Lagerfluiddampf aus dem Freiraum 233 in den Motorraum verhindert.
Der Antrieb der drehbaren Motorkomponente, bestehend aus Welle 216, Druckplatte 218, Nabe 234 (und ggfs. Rotorbauteil 236) erfolgt mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems wie es zuvor im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist.
4B zeigt eine zur 4A abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors. Das Lagersystem umfasst eine Welle 216', an deren einem Ende eine etwa topfförmige Druckplatte 218' angeordnet ist. Die Druckplatte 218' weist einen nach oben abstehenden umlaufenden äußeren Rand 218b' auf. Die topfförmige Druckplatte 218' ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 214' aufgenommen, die an einer Seite von einer flachen Lagerplatte 220' und an der anderen Seite von einer profilierten Lagerplatte 221' abgedeckt ist. Ein Ende der Welle 216' ist durch eine zentrale Bohrung der profilierten Lagerplatte 221' herausgeführt. Die Druckplatte 218' und die obere Lagerplatte 221' sind derart profiliert, dass sie ineinander eingreifen.
Der Lagerspalt 230' umfasst drei entlang den oberen und unteren Stirnseiten der Druckplatte 218' verlaufende erste, zweite und dritte radiale Abschnitte 230a', 230b' und 230d', sowie einen entlang der äußeren Umfangsfläche der Druckplatte 218' verlaufenden axialen Abschnitt 230c' und einen entlang der inneren Umfangsfläche des Randes 218b' der Druckplatte 218' axial verlaufenden axialen Abschnitt 230e.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein erstes fluiddynamisches Radiallager 222', das entlang des ersten axial verlaufenden Abschnitts 230c' des Lagerspalts 230' angeordnet und durch Radiallagerrillen gekennzeichnet ist, die sich auf der Umfangsfläche der Druckplatte 218' und/oder vorzugsweise auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 214' befinden. Die Radiallagerrillen des fluiddynamischen Radiallagers 222' sind sinusförmig oder parabelförmig ausgebildet und erzeugen bei sich in der Lagerbuchse 214' drehender Druckplatte 218' einen hydrodynamischen Druck im axial verlaufenden Abschnitt 230c' des Lagerspalts 230', durch welchen die Druckplatte 218' in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 214' zentriert wird. Die Lagerrillen des Radiallagers 222' sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet und erzeugen eine ausgeglichene Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 230c'. Die Lagerrillenstrukturen können jedoch auch asymmetrisch ausgebildet sein und im Abschnitt 230c' des Lagerspalts 230' eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des ersten axialen Abschnitts 230a' des Lagerspalts 230' erzeugen.
Entlang eines zweiten axial verlaufenden Abschnitts 230e' des Lagerspalts 230 zwischen der inneren Umfangsfläche des Randes 218b' der Druckplatte 218' und einer äußeren Umfangsfläche der profilierten Lagerplatte 221' kann ein zweites fluiddynamisches Radiallager angeordnet sein. Das zweite Radiallager kann vorzugsweise ebenfalls fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen besitzen, die auf das im Abschnitt 230e' des Lagerspalts 230' enthaltene Lagerfluid eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspaltabschnitts 230e' erzeugen würden.
Im Bereich der Druckplatte 218' sind ferner zwei fluiddynamische Axiallager 224', 226' angeordnet.
Das erste Axiallager 224' ist entlang des ersten radial verlaufenden Abschnitts 230a' des Lagerspalts 230' angeordnet und wird durch die untere Stirnfläche der Druckplatte 218' und eine obere Stirnfläche der Lagerplatte 220' gebildet. Die Lagerrillenstrukturen des ersten Axiallagers 224' können entsprechend ausgebildet sein, wie es im Zusammenhang mit dem ersten Axiallager in 4A beschrieben wurde.
Das zweite fluiddynamische Axiallager 226' ist entlang des zweiten radial verlaufenden Abschnitts 230b' des Lagerspalts 230' zwischen der oberen Stirnfläche des inneren Teils der Druckplatte 218' und einer unteren Stirnfläche des inneren Teils der profilierten Lagerplatte 221' angeordnet. Die Lagerrillenstrukturen des zweiten Axiallagers 226' können entsprechend ausgebildet sein, wie es im Zusammenhang mit dem zweiten Axiallager in 4A beschrieben wurde.
Die Nabe 234' weist einen inneren umlaufenden Rand 234a' auf, der in eine ringförmige Nut auf der Oberseite der profilierten Lagerplatte 221' eingreift. Die Flächen des Rands 234a' bilden mit den gegenüberliegenden Flächen der Lagerplatte 221' einen schmalen, labyrinthartigen Luftspalt 238', der ein Entweichen von Lagerfluid und insbesondere von Lagerfluiddampf aus dem Lagerbereich in den Motorraum verhindert.
Der Lagerspalt 230' ist am radial innenliegenden Ende des eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts 230b' durch einen kapillaren Dichtungsspalt 232' abgedichtet. Der kapillare Dichtungsspalt 232' verläuft in axialer Richtung entlang der Welle 216' und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 216' und eine innere Umfangsfläche der profilierten Lagerplatte 221'. Der kapillare Dichtungsspalt 232' hat einen konischen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel von beispielweise 10° und ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Durch den großen Öffnungswinkel und den Verlauf entlang der Welle 216 ergibt sich ein großes Volumen des Dichtungsspalts 232', das als Reservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid dient.
Die Druckplatte 218' weist vorzugsweise im Bereich ihres Innendurchmessers, an welchen sie an die Welle 216 angrenzt, mindestens eine Durchgangsbohrung 218a' auf, welche die obere Stirnfläche der Druckplatte 218' mit der unteren Stirnfläche der Druckplatte 218' verbindet, wodurch der radial verlaufende Abschnitt 230a' des Lagerspalts 230' direkt mit dem radial verlaufenden Abschnitt 230b' des Lagerspalts 230' verbunden wird. Dadurch kann das Lagerfluid im Wesentlichen um die Druckplatte 218' herum zirkulieren. Die Druckplatte 218' kann vorzugsweise mehrere solche Durchgangsbohrungen 218a' verteilt über den Bereich ihres Innenumfangs aufweisen.
5 zeigt schematisch die Druckverteilung in den einzelnen Abschnitten 130a - 130c des Lagerspalts beispielhaft bei einem Spindelmotor gemäß 3A.
Auf der Abszisse des Diagramms ist der Verlauf des Lagerspalts 130 ausgehend vom Dichtungsspalt 132 bis zum Abschnitt 130a des Lagerspalts aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Druck im Lagerspalt 130 aufgetragen, wobei vom Umgebungsdruck Po, in der Regel dem Atmosphärendruck ausgegangen wird. Der Dichtungsspalt 132 ist mit der Umgebungsatmosphäre verbunden, sodass dort Umgebungsdruck Po herrscht. Entlang des Abschnitts 130b des Lagerspalts steigt der Druck bis auf einen durch das Axiallager 126 erzeugten maximalen Druck P_A und nimmt dann in Richtung des Abschnitts 130c des Lagerspalts wieder ab bis auf einen mittleren Druck P_M . Entlang des Abschnitts 130c des Lagerspalts nimmt der Druck im Bereich des Radiallagers 122 durch die Pumpwirkung der Radiallagerrillen wieder bis auf einen maximalen Wert P_R zu und sinkt dann in Richtung des Abschnitts 130a wieder etwa bis auf den mittleren Druck P_M . Entlang des Abschnitts 130b des Lagerspalts steigt der Druck bis auf einen durch das Axiallager 126 erzeugten maximalen Druck P_A und nimmt dann in Richtung des Abschnitts 130c des Lagerspalts wieder ab bis auf einen mittleren Druck P_M . Entlang des Abschnitts 130a des Lagerspalts steigt der Druck im Bereich des Axiallagers 134 durch die Pumpwirkung der Axiallagerrillen wieder bis auf einen maximalen Wert P_A und sinkt dann bis auf den Umgebungsdruck Po, da das radial innenliegende Ende des Abschnitts 130a des Lagerspalts über die Durchgangsbohrung 118a direkt mit dem Dichtungsspalt 132 verbunden ist, in welchem Umgebungsdruck Po herrscht.
Bezugszeichenliste

10, 110, 210: Motorbasis
12, 112, 212, 212',: Haltebuchse
12a, 112a, 212a, 212a': Rand der Haltebuchse
14, 14', 14": Lagerbuchse
114, 114', 214, 214': Lagerbuchse
14a, 14a": Rezirkulationskanal
16,116,216,216': Welle
18, 18', 18", 118: Druckplatte
218, 218', 218b, 218b': Druckplatte
18a, 18a', 118a, 218, 218a': Durchgangsbohrung, Kanal
20, 120, 220, 220': Lagerplatte
121,121', 121a: Lagerplatte
221, 221'221a, 221a': Lagerplatte
22, 122, 222, 222': fluiddynamisches Radiallager
23: fluiddynamisches Radiallager
24, 124, 224, 224': fluiddynamisches Axiallager
26, 126, 226, 226': fluiddynamisches Axiallager
28: fluiddynamisches Axiallager
30, 130, 230, 230': Lagerspalt
30a-30d: Abschnitte des Lagerspalts 30
130a-130e: Abschnitte des Lagerspalts 130
230a-230e: Abschnitte des Lagerspalts 230
230a'-230e': Abschnitte des Lagerspalts 230
32, 132, 132', 232, 232': Dichtungsspalt
133, 233, 233`: Freiraum
34, 134, 134', 234, 234': Nabe
34a, 134a, 134a': Rand der Nabe
234a, 234a': Rand der Nabe
36, 136, 236: Rotorbauteil
38, 138, 238, 238': Luftspalt
40, 140, 240: Statoranordnung
42, 142, 242: Magnet
44, 144, 244: Leiterplatte
46, 146, 246: Drehachse
PR: Druck vom Radiallager
P0: Umgebungsdruck
PM: mittlerer Druck
PA: Druck vom Axiallager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012020228 A1 [0003, 0005]
US 5744882 [0005]
DE 102010006119 A1 [0006]

Claims

Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, welcher umfasst: ein feststehendes Motorbauteil (10, 110, 210, 12, 112, 212) mit einer feststehenden Lagerkomponente (14, 114, 214), ein drehbares Motorbauteil mit einer Nabe (34, 134, 234) und einer drehbaren Lagerkomponente (16, 18, 116, 118, 216, 218), welches mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems (40, 140, 240, 42, 142, 242) drehend antreibbar ist, wobei die feststehende Lagerkomponente eine Lagerbuchse (14, 114, 214) aufweist, und die drehbare Lagerkomponente eine Welle (16, 116, 216) und eine an einem Ende der Welle angeordnete Druckplatte (18, 118, 218) aufweist, mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (22, 23, 122, 222) und mindestens ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Axiallager (24, 26, 124, 126, 224, 226), die zwischen den feststehenden und den drehbaren Lagerkomponenten entlang eines mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalts (30, 130, 230) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauhöhe des Spindelmotors kleiner als 4,5 mm beträgt.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauhöhe des Spindelmotors höchstens 3,5 mm beträgt.
Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fluiddynamische Axiallager (24, 124, 224) entlang eines ersten radial verlaufenden Abschnitts (30a, 130a, 230a) des Lagerspalts (30, 130, 230) zwischen einer ersten Stirnfläche der Druckplatte (18, 118, 218) und einer die Lagerbuchse (14, 114, 214) einseitig verschließenden ersten Lagerplatte (20, 120, 220) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddynamische Radiallager (22) entlang eines axial verlaufenden Abschnitts (30c) des Lagerspalts (30) zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Welle (16) und einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse (14) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite fluiddynamische Axiallager (26) entlang eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts (30b) des Lagerspalts (30) zwischen einer zweiten Stirnfläche der Druckplatte (18) und einer gegenüberliegenden Stirnfläche der Lagerbuchse (14) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (30) einen dritten, radial verlaufenden Abschnitt (30d) aufweist, der zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse (14) und einer gegenüberliegenden Stirnfläche der Nabe (34) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des dritten, radial verlaufenden Abschnitts (30d) des Lagerspalts (30) ein drittes fluiddynamisches Axiallager (28) vorgesehen ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (34, 134') einen umlaufenden Rand (34a, 134a') aufweist, welcher die Umfangsfläche der Lagerbuchse (14, 114') unter Bildung eines mit dem dritten, radial verlaufenden Abschnitt (30d, 130d) des Lagerspalts (30, 130) verbundenen und in axialer Richtung verlaufenden Dichtungsspalts (32, 132') teilweise umgibt.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddynamische Radiallager (22, 23) dem Verlauf des Lagerspalts (30), ausgehend vom Dichtungsspalt (32) folgend vor oder nach dem zweiten fluiddynamischen Axiallager (26) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddynamische Radiallager (22) bezüglich der Rotationsachse (46) auf einem kleineren Durchmesser angeordnet ist als das erste und das zweite Axiallager (24, 26).
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddynamische Radiallager (122, 222) entlang eines axial verlaufenden Abschnitts (130c, 230c) des Lagerspalts (130, 230) zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Druckplatte (118, 218) und einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse (114, 214) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite fluiddynamische Axiallager (126, 226) entlang eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts (130b, 230b) des Lagerspalts (130, 230) zwischen einer zweiten Stirnfläche der Druckplatte (118, 218) und einer die Lagerbuchse (114, 214) einseitig verschließenden zweiten Lagerplatte (121, 231) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 11-12, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddynamische Radiallager (122, 222) dem Verlauf des Lagerspalts (130, 230), ausgehend vom Dichtungsspalt (132) folgend zwischen dem ersten und dem zweiten fluiddynamischen Axiallager (124, 126, 224, 226) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddynamische Radiallager (122, 222) bezüglich der Rotationsachse (46) auf einem größeren Durchmesser angeordnet ist als das erste und das zweite fluiddynamische Axiallager (124, 126, 224, 226).
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddynamische Radiallager (222) in axialer Richtung auf der Höhe des zweiten fluiddynamischen Axiallagers (226) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 11-15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Welle (116, 216) und einer inneren Umfangsfläche der zweiten Lagerplatte (121, 231) ein mit dem zweiten radial verlaufenden Abschnitt (130b, 230b) des Lagerspalts verbundener und in axialer Richtung verlaufender Dichtungsspalt (132, 232) angeordnet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (32, 132, 232) im Querschnitt konisch mit einem Öffnungswinkel von mindestens 2° ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 -2 und 10-16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (218) topfförmig ausgebildet ist und einen umlaufenden Rand (218b) aufweist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes fluiddynamisches Axiallager entlang eines dritten, radial verlaufenden Abschnitts (230d) des Lagerspalts (230) zwischen einer Stirnfläche des umlaufenden Randes (218b) der Druckplatte(218) und einer gegenüberliegenden Stirnfläche der zweiten Lagerplatte (231) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 18-19, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites fluiddynamisches Radiallager entlang eines zweiten axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts zwischen einer inneren Umfangsfläche des umlaufenden Randes (218b) der Druckplatte (218) und einer äußeren Umfangsfläche der zweiten Lagerplatte (231) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (18, 118, 218) mindestens eine axial verlaufende Durchgangsbohrung (18a, 118a, 218a) oder einen axial verlaufenden Kanal aufweist, welche den ersten axialen Abschnitt (30a, 130a, 230a) des Lagerspalts mit dem zweiten axialen Abschnitt (30b, 130b, 230b) des Lagerspalts verbindet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Antriebssystem (40, 42) derart angeordnet ist, dass es eine magnetische axiale Kraft erzeugt, die in dieselbe Richtung gerichtet ist wie die vom zweiten fluiddynamischen Axiallager (26, 126, 226) erzeugte axiale Kraft.