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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem und einen Spindelmotor mit einem solchen fluiddynamischen Lagersystem nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Die
DE 10 2011 122 704 A1 offenbart verschiedene Bauformen von fluiddynamischen Lagersystemen und Spindelmotoren mit solchen fluiddynamischen Lagersystemen. Es handelt sich dabei um Miniaturlager, deren Lagerkomponenten Abmessungen von einigen Millimetern aufweisen. Die bekannten fluiddynamischen Lagersysteme umfassen mindestens ein feststehendes und mindestens ein drehbares Lagerbauteil, die mittels eines oder mehreren fluiddynamischen Radiallagern und eines oder mehreren fluiddynamischen Axiallagern relativ zueinander drehgelagert sind. Die fluiddynamischen Lager weisen Lagerflächen mit Lagerrillenstrukturen auf. Die Lagerflächen sind durch einen Lagerspalt voneinander getrennt, der einige Mikrometer breit ist und mit einem vorzugsweise flüssigen Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Sobald sich die beiden Lagerbauteile relativ zueinander drehen, erzeugen die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid, wodurch im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, der das Lagersystem tragfähig macht.
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Der Lagerspalt weist ein oder zwei offene Enden auf, die in bekannter Weise durch kapillare Dichtungsspalte abgedichtet sind. In der
DE 10 2011 122 704 A1 sind insbesondere Bauformen von Lagersystemen dargestellt, bei denen ein in axialer Richtung verlaufender Dichtungsspalt vorgesehen ist. Der Dichtungsspalt ist radial außerhalb eines in radialer Richtung verlaufenden Lagerspalts eines fluiddynamischen Axiallagers angeordnet.
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Ein Problem bei solchen miniaturisierten fluiddynamischen Lagersystemen ist, dass während des Einfüllens des Lagerfluids in den Lagerspalt Luft in den Lagerspalt eingetragen werden kann bzw. bereits Luft im Lagerfluid gelöst ist, die dann mit dem Lagerfluid in den Lagerspalt gelangt. Im Lagerspalt befindliche Luft kann sich zu größeren Luftbläschen ansammeln, welche den Betrieb des Lagersystems beeinträchtigen können. Daher wird es angestrebt, diese Luft möglichst aus dem Lagerspalt auszuleiten.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem und einen Spindelmotor mit einem solchen fluiddynamischen Lagersystem derart zu verbessern, dass im Lagerspalt befindliche Luft leichter aus dem Lagersystem entweichen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Spindelmotor mit einem solchen fluiddynamischen Lagersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie einen Lüfter mit einem solchen fluiddynamischen Lagersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und einen Laserscanner mit einem solchen fluiddynamischen Lagersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
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Das beschriebene fluiddynamische Lagersystem weist folgende Komponenten auf: mindestens ein erstes Lagerbauteil und mindestens ein zweites Lagerbauteil, die relativ zueinander um eine Rotationsachse drehbar gelagert sind,
einen Lagerspalt, der zwischen den beiden relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen angeordnet ist und mit einem Lagerfluid gefüllt ist,
mindestens einen axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts, entlang dessen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager angeordnet ist,
mindestens einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts, entlang dessen ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet ist, welches auf einer radial verlaufenden Lagerfläche des ersten Lagerbauteils angeordnete Lagerrillenstrukturen aufweist, einen Dichtungsspalt zur Abdichtung eines radial außenliegenden Endes des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts, wobei der Dichtungsspalt zwischen den beiden relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen angeordnet ist und in axialer Richtung etwa parallel zur Rotationsachse verläuft, und
einen Übergangsspalt, der durch eine in dem zweiten Lagerbauteil angeordnete Stufe gebildet ist und sich in radialer Richtung in Verlängerung des radial
außenliegenden Endes des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts erstreckt und diesen mit dem Dichtungsspalt verbindet.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass sich zumindest Teile der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers radial nach außen bis in den Übergangsspalt hinein erstrecken, und dass die Höhe der Stufe im zweiten Lagerbauteil kleiner ist als die Tiefe der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers.
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Durch die Erfindung wird erreicht, dass aufgrund der vorgegebenen Spaltbreite des Übergangsspalts sich ein vorteilhafter Druckgradient ergibt, ausgehend von dem Abschnitt des Lagerspalts im Bereich des Axiallagers, in welchem ein hoher Druck herrscht, über den Übergangsspalt bis in den Bereich des Dichtungsspalts, in welchem Umgebungsdruck herrscht. Dieser Druckgradient ermöglicht es Luftbläschen, die im Lagerfluid gelöst sind, relativ leicht aus dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts im Bereich des Axiallagers durch den Übergangsspalt und den Dichtungsspalt in die Umgebung zu entweichen, da sich der Druck im Lager ausgehend vom Axiallagerbereich bis hin zum Dichtungsspalt stark verringert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers zumindest teilweise bis an den radial äußeren Rand des ersten Lagerbauteils.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Tiefe der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 11 bis 15 Mikrometer beträgt, sodass die Höhe der Stufe entsprechend weniger als 11 Mikrometer beträgt. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Tiefe der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers zwischen 8 und 12 Mikrometer betragen, sodass die Höhe der Stufe in diesem Fall weniger als 8 Mikrometer beträgt.
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Die Länge des Übergangsspalts beträgt vorzugsweise zwischen 25% und 45% der Länge des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem ersten Lagerbauteil ein Rezirkulationskanal angeordnet, der eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt erlaubt und der zumindest teilweise in den Übergangsspalt mündet.
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Um einen Druckgradienten mit einer stetigen Abnahme des Druckes zu erzielen ist die Spaltbreite des Spaltes bestehend aus dem Übergangsspalt und dem Dichtungsspalt ausgehend von der Stufe des Übergangsspalts bis zur Öffnung des Dichtungsspalts vorzugsweise monoton wachsend ausgebildet.
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Die Spaltbreite des Dichtungsspalts ist ausgehend von seinem an den Übergangsspalt angrenzenden Abschnitt bis zur seiner Öffnung bevorzugt streng monoton wachsend ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem wird vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet, der beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, optischen Laufwerken oder Lüftern eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschreiben, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung aufgezeigt werden.
- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
- 1A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des fluiddynamischen Axiallagers von 1 im Bereich des Übergangsspalts.
- 2 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einer abgewandelten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
- 2A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des fluiddynamischen Axiallagers von 2 im Bereich des Übergangsspalts.
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Aufbau eines Spindelmotors mit einem fluiddynamischen Lagersystem.
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Der Spindelmotor gemäß 1 umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein rotierendes Motorbauteil, die mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zueinander drehgelagert sind. Das feststehende Motorbauteil umfasst eine Basisplatte 32, an welcher die übrigen feststehenden Motorkomponenten angeordnet sind. Die Basisplatte 32 weist ein zentrales hülsenförmiges Teil mit einer zentralen Öffnung auf, in welcher eine Lagerbuchse 10 befestigt ist, beispielsweise durch Einpressen, Einkleben oder Schweißen. Die Lagerbuchse 10 weist eine Lagerbohrung auf und ist Teil eines feststehenden Lagerbauteils. Eine Welle 12 ist in der Bohrung der Lagerbuchse 10 um eine Rotationsachse 42 drehbar angeordnet. Die Welle 12 ist Teil eines drehbaren Lagerbauteils. Die Welle 12 hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Lagerbohrung in der Lagerbuchse 10, sodass zwischen dem Außendurchmesser der Welle 12 und dem Durchmesser der Lagerbohrung ein axial verlaufender Abschnitt 16a eines Lagerspalts 16 gebildet wird, der mit einem Lagerfluid 40, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
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Entlang des axial verlaufenden Abschnitts 16a des Lagerspaltes 16 zwischen der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 sind in einem axialen Abstand zueinander zwei fluiddynamische Radiallager 20 und 22 angeordnet, welche zylindrische Lagerflächen mit Lagerrillenstrukturen 20a, 22a aufweisen, die auf der inneren Umfangsfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 und/oder auf der äußeren Umfangsfläche der Welle 12 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 20a, 22a der fluiddynamischen Radiallager 20, 22 können beispielsweise in Form von sinus-, parabel-, fischgräten- oder chevronförmigen Rillen ausgebildet sein. Bei einer Drehung der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 wird durch die Lagerrillenstrukturen 20a, 22a der Radiallager 20, 22 eine Pumpwirkung auf das im axial verlaufenden Abschnitt 16a des Lagerspalts 16 befindliche Lagerfluid erzeugt, wodurch ein hydrodynamischer Druck in diesem Abschnitt des Lagerspalts 16 aufgebaut wird.
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Das obere Radiallager 20 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 20a, die im axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 16 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen, die überwiegend in das Lagerinnere, d. h. in Richtung des unteren Radiallagers 22 gerichtet ist. Das untere Radiallager 22 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 22a, die eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 16 erzeugen. Es kann vorgesehen sein, dass das untere Radiallager 22 ebenfalls asymmetrische Lagerrillenstrukturen 22a aufweist (nicht zeichnerisch dargestellt). In diesem Fall sind die Lagerrillenstrukturen 22a des unteren Radiallagers 22 vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie eine Pumpwirkung nach unten in Richtung des unteren Endes der Welle 12 erzeugen. Zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern 20, 22 weist der axial verlaufende Abschnitt 16a des Lagerspalts 16 eine größere Spaltbreite auf und bildet einen sogenannten Separatorspalt.
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Die untere Stirnseite der Lagerbuchse 10 ist durch eine Abdeckung 30 verschlossen. Die Abdeckung 30 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 befestigt und verschließt die Lagerbuchse 10 an diesem Ende luft- und öldicht. An diesem Ende der Welle 12 ist auch ein Stopperbauteil 14 angeordnet, das in einer mit Lagerfluid gefüllten Aussparung der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckung 30 drehbar angeordnet ist. Das Stopperbauteil 14 bildet eine stirnseitige Anschlagfläche zusammen mit der Lagerbuchse 10 und verhindert eine übermäßige axiale Verschiebung und ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10.
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Das obere freie Ende der Welle 12, welches aus der Bohrung der Lagerbuchse 10 hinausragt, ist mit einer Nabe 34 verbunden, welche im Wesentlichen einen glockenförmigen Querschnitt hat und das Lagersystem teilweise umschließt. Die Nabe 34 ist beispielsweise auf das freie Ende der Welle 12 aufgepresst.
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Die obere Stirnfläche der Lagerbuchse 10, die an die Unterseite der Nabe 34 angrenzt, sowie die angrenzende Fläche der Unterseite der Nabe 34 bilden die ringförmigen Lagerflächen eines fluiddynamischen Axiallagers 26. Die beiden Lagerflächen des fluiddynamischen Axiallagers 26 sind durch einen mit Lagerfluid gefüllten und radial verlaufenden Abschnitt 16b des Lagerspalts 16 getrennt, welcher sich oberhalb des oberen Radiallagers 20 an den axial verlaufenden Abschnitt 16a des Lagerspaltes 16 anschließt. Das Axiallager 26 weist, wie die beiden Radiallager 20, 22, ebenfalls Lagerrillenstrukturen 26a auf, die vorzugsweise auf der Oberfläche der Lagerbuchse 10 angeordnet sind, jedoch auch auf der Oberfläche der Nabe 34 oder beiden Bauteilen 10, 34 angeordnet sein können. Das Axiallager 26 umfasst beispielsweise spiralförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen 26a, die eine in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 16 gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid radial nach innen in Richtung der Radiallager 20, 22 fördern. Vorzugsweise ist die gesamte ringförmige obere Stirnfläche der Lagerbuchse 10 mit Lagerrillenstrukturen 26a des Axiallagers 26 versehen.
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Am radial äußeren Ende des Axiallagers 26 geht der radial verlaufene Abschnitt 16b des Lagerspalts 16 in einen radial verlaufenden Übergangsspalt 18 über, der eine größere Spaltbreite aufweist als der radial verlaufende Abschnitt 16b des Lagerspalts 16. Am radial äußeren Ende des Übergangsspalts 18 schließt sich ein in axialer Richtung verlaufender, kapillarer Dichtungsspalt 36 an. Der Übergangsspalt 18 ist vollständig mit Lagerfluid 40 gefüllt, und der Dichtungsspalt 36 ist anteilig mit Lagerfluid 40 gefüllt und hat neben der Abdichtung des Lagerspalts 16 die Aufgabe eines Fluidreservoirs zur Bevorratung sowie als Wärmeausdehnungsvolumen für das Lagerfluid 40. Der Dichtungsspalt 36 ist als Kapillardichtung, insbesondere als konische Kapillardichtung, ausgebildet und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 und eine innere Umfangsfläche eines inneren Randes 34a der Nabe 34. Die den Dichtungsspalt 36 begrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 10 und des inneren Randes 34a der Nabe 34 können beide parallel zur Rotationsachse 42 verlaufen, sie sind jedoch vorzugsweise beide in Richtung der unteren Öffnung des Dichtungsspalts leicht radial nach innen in Richtung zur Rotationsachse 42 geneigt. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser des inneren Randes 34a der Nabe 34 in Richtung zur Öffnung des Dichtungsspaltes 36 in geringerem Maße ab als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 10, sodass sich ein im Wesentlichen konischer Querschnitt des Dichtungsspaltes 36 ergibt.
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Die gewünschte Spaltbreite des radial verlaufenden Abschnitts 16b der Lagerspalts 16, die sogenannte „Flughöhe“ des fluiddynamischen Axiallagers 26, stellt sich erst während der Rotation des Lagersystems ein und wird durch die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen 26a und andere Parameter bestimmt. Typischerweise beträgt die Flughöhe bei einem aufrecht stehenden fluiddynamischen Lagersystem zwischen 9 und 11 Mikrometer.
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Wie man insbesondere in 1A erkennen kann, hat der Übergangsspalt 18 eine größere Spaltbreite als der radial verlaufende Abschnitt 16b des Lagerspalts 16 im Bereich des Axiallagers 26. Die größere Spaltbreite des Übergangsspalts 18 wird durch eine Stufe 34c in der Nabe 34 erzielt, die den Übergang zwischen dem radial außenliegenden Ende des radial verlaufenden Abschnitts 16b des Lagerspalts 16 und dem Übergangsspalt 18 bildet. Die Lagerrillenstrukturen 26a des Axiallagers 26, die vorzugsweise bis an den äußeren Rand der Stirnseite der Lagerbuchse 10 reichen, sind in der Oberfläche der Lagerbuchse 10 eingebracht, während die Stufe 34c in der der Lagerbuchse 10 gegenüberliegenden Unterseite der Nabe 34 angeordnet ist.
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Die Höhe der Stufe 34c in der Nabe 34 ist erfindungsgemäß kleiner als die Tiefe der Lagerrillenstrukturen 26a des zwischen der Lagerbuchse 10 und der Nabe 34 angeordneten fluiddynamischen Axiallagers 26. Die Lagerrillenstrukturen 26a des Axiallagers 26 haben vorzugsweise eine Rillentiefe von 11 bis 15 Mikrometer. Da die Flughöhe des Axiallagers 26 bei Nenndrehzahl des Lagersystems vorzugsweise 9 bis 11 Mikrometer beträgt, ist die Spaltbreite des Übergangsspalts 18 vorzugsweise zwischen 19 und 25 Mikrometer breit, da sich die Höhe der Stufe 34c von 10 bis 14 Mikrometer zur Flughöhe addiert.
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Der Dichtungsspalt 36 stellt die Schnittstelle zwischen dem Lagerfluid 40, welches sich im Dichtungsspalt 36 befindet, und der Umgebung dar. Die Oberfläche des im Dichtungsspalt 36 befindlichen Lagerfluids 40 ist relativ groß, da der Dichtungsspalt 36 ringförmig um den Außenumfang der Lagerbuchse 10 verläuft. Da die üblicherweise verwendeten Lagerfluide einen relativ hohen Dampfdruck und damit eine relativ hohe Verdunstungsrate aufweisen, verdunstet ein Teil des Lagerfluids 40 während der Lebensdauer des Lagersystems. Um die Verdunstungsrate gering zu halten und zu verhindern, dass Lagerfluiddampf aus dem Dichtungsspalt 36 in den Motorraum des Spindelmotors gelangt, ist jenseits der Öffnung des Dichtungsspalts 36 eine enge Spaltdichtung 50 vorgesehen. Die Spaltdichtung 50 verläuft in axialer Richtung, radial außerhalb und parallel zum Dichtungsspalt 36 und ist begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche des inneren Randes 34a der Nabe 34 und eine innere Umfangsfläche eines oberen Randes 32a der Basisplatte 32.
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Vorzugsweise ist in der Lagerbuchse 10 ein mit Lagefluid gefüllter Rezirkulationskanal 28 angeordnet, der das geschlossene Ende des Lagerspalts 16, also den Bereich am Außenumfang des Stopperbauteils 14, mit dem offenen Ende des Lagerspalts vorzugsweise im Bereich des Übergangsspalts 18 direkt miteinander verbindet. Der Rezirkulationskanal 28 verläuft vorzugsweise schräg durch die Lagerbuchse 10 und mündet mit einem radial außenliegenden Ende vollständig oder teilweise in den Übergangsspalt 18 radial außerhalb des Axiallagers 26 und mit seinem radial innenliegenden Ende in der Aussparung in der Lagerbuchse 10 im Bereich des Stopperbauteils 14. Dadurch kann das Lagerfluid 40 durch den Lagerspalt 16 und den Rezirkulationskanal 28 zirkulieren.
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Die Nabe 34 weist einen umlaufenden, äußeren Rand 34b auf, an dessen Innendurchmesser ein Rotormagnet 46 befestigt ist. Der Rotormagnet 46 umschließt eine Statoranordnung 44, die an einem hülsenförmigen Ansatz der Basisplatte 32 befestigt ist. Die Statoranordnung 44 bildet mit dem Rotormagneten 46 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors. Die Statoranordnung 44 besteht aus einem Magnetkern sowie entsprechenden Phasenwicklungen, die auf den Magnetkern gewickelt sind. Wird der Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes verwendet, werden auf der Nabe 34 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) befestigt und vom elektromagnetischen Antriebssystem in Drehung versetzt.
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In axialer Richtung gegenüberliegend des Rotormagneten 46 ist ein auf der Basisplatte 32 befestigter ferromagnetischer Zugring 48 vorgesehen, welcher der unteren Stirnseite des Rotormagneten 46 gegenüberliegt. Der ferromagnetische Zugring 48 wird vom Rotormagneten 46 magnetisch angezogen und erzeugt eine dem Axiallager 26 entgegengesetzt gerichtete axiale Kraft auf die Nabe 34. Dadurch wird das Lagersystem in axialer Richtung vorgespannt und stabilisiert. Zusätzlich oder alternativ kann ein axialer Versatz (Offset) zwischen der magnetischen Mitte des Rotormagneten 46 und der magnetischen Mitte der Statoranordnung 44 vorgesehen sein. Auch hierdurch kann eine axiale Gegenkraft zur Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 26 generiert werden.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem fluiddynamischen Lagersystem anderer Bauart. Der Spindelmotor umfasst eine sich drehende Lagerbuchse 110, wobei in eine zentrale Lagerbohrung der Lagerbuchse 110 eine feststehende Welle 112 eingesetzt ist, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Die Welle 112 ist an ihrer Unterseite in einem feststehenden Lagerbauteil 115 drehfest befestigt. Das feststehende Lagerbauteil 115 ist etwa topfförmig ausgebildet und in einer Basisplatte 132 eingelassen, kann aber auch einteilig mit der Basisplatte 132 ausgeführt werden. Am oberen Ende der Welle 112 ist ein einteilig mit der Welle 112 oder ein separat zur Welle 112 ausgebildetes Stopperbauteil 114 angeordnet, das einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist und durch seine stirnseitige Anschlagfläche eine übermäßige axiale Verschiebung der Lagerbuchse 110 auf der Welle 112 verhindert. Das Stopperbauteil 114 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 110 aufgenommen. Aneinander angrenzende Flächen der Lagerbuchse 110, der Welle 112, des Stopperbauteils 114 und des Lagerbauteils 115 - die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder im Schockfall berühren können - sind durch einen Lagerspalt 116, der mit einem geeigneten Lagerfluid 140, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist, voneinander getrennt.
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Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 112 und der Lagerbuchse 110 sind durch einen axial verlaufenden Abschnitt 116a des Lagerspalts 116 voneinander getrennt und bilden Lagerflächen von zwei fluiddynamischen Radiallagern 120, 122, mittels derer die Lagerbuchse 110 um eine Rotationsachse 142 drehbar um die feststehende Welle 112 gelagert ist. Die Radiallager 120, 122 weisen Lagerrillenstrukturen 120a, 122a auf, die beispielsweise sinus-, chevron-, fischgräten- oder parabelförmig ausgebildet sind und auf die Oberfläche der Welle 112 und/oder der Lagerbuchse 110 aufgebracht sind. Die Lagerrillenstrukturen 120a, 122a der beiden Radiallager 120, 122 erzeugen bei Rotation der Lagerbuchse 110 relativ zu der Welle eine Pumpwirkung auf das im Abschnitt 116a des Lagerspalts 116 zwischen Welle 112 und der Lagerbuchse 110 befindliche Lagerfluid 140. Dadurch wird im axial verlaufenden Abschnitt 116a des Lagerspalts 116 ein hydrodynamischer Druck aufgebaut, der die Radiallager 120, 122 tragfähig macht. Die Lagerrillenstrukturen 120a des oberen Radiallagers 120 sind vorzugsweise weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass die Abschnitte der Lagerrillenstrukturen 120a oberhalb und unterhalb des Apex gleich lang ausgebildet sind. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Lagerrillenstrukturen 120a gibt es eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des axialen Anschnitts 116a des Lagerspalts 116. Demgegenüber sind die Lagerrillenstrukturen 122a des unteren Radiallagers 122 vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet, insofern, als dass die Abschnitte der Lagerrillenstrukturen 122a, die unterhalb des Apex angeordnet ist, länger ausgebildet sind als die Abschnitte, die oberhalb angeordnet sind. Hierdurch wird eine Netto-Pumpwirkung auf das Lagerfluid 140 ausgeübt, welche das Lagerfluid 140 axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 120 befördert. Zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern 120, 122 weist der axial verlaufende Abschnitt 116a des Lagerspalts 116 eine größere Spaltbreite auf und bildet einen sogenannten Separatorspalt.
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Die ebene Bodenfläche des feststehenden Lagerbauteils 115 bildet zusammen mit einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 110 ein fluiddynamisches Axiallager 126 aus, das entlang eines radial verlaufenden Abschnitts 116b des Lagerspalts 116 angeordnet ist. Die Stirnfläche der Lagerbuchse 110 und/oder die gegenüberliegende Fläche des feststehenden Lagerbauteils 115 ist mit beispielsweise spiral- oder fischgrätenförmigen Lagerrillenstrukturen 126a versehen, die bei Rotation der Lagerbuchse 110 eine überwiegende Pumpwirkung radial nach innen in Richtung der Welle 112 auf das im radial verlaufenden Abschnitt 116b des Lagerspalts 116 befindliche Lagerfluid 140 ausüben, sodass das Axiallager 126 tragfähig wird. Die Lagerrillenstrukturen 126a des Axiallagers 126 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze ringförmige Stirnfläche der Lagerbuchse 110, also vom innen durch die Lagerbohrung begrenzten Rand bis zum äußeren Rand der Lagerbuchse 110.
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Radial außerhalb des fluiddynamischen Axiallagers 126 ist der radiale Abschnitt 116b des Lagerspalts 116 durch einen mit Lagerfluid gefüllten und radial verlaufenden Übergangsspalt 118 mit einem axial verlaufenden, kapillaren Dichtungsspalt 136 verbunden. Der Dichtungsspalt 136 dichtet den Lagerspalt 116 ab und wird durch eine innere Umfangsfläche des Lagerbauteils 115 und eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 begrenzt und ist anteilig mit Lagerfluid 140 gefüllt, wobei oberhalb des Füllstandes des Lagerfluids 140 ein Luftraum gebildet wird.
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Der Dichtungsspalt 136 hat vorzugsweise einen konischen Querschnitt und eine streng monoton wachsende Spaltbreite. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 136 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 136 bildenden Flächen der Lagerbuchse 110 und des feststehenden Lagerbauteils 115 können jeweils relativ zur Rotationsachse 142 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel der Begrenzungsflächen des Dichtungsspalts 136 beträgt vorzugsweise zwischen 0 Grad und 5 Grad. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 größer als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 115, wodurch sich eine konische Erweiterung des Dichtungsspalts 136 ergibt.
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Wie man insbesondere der 2A entnehmen kann, hat der Übergangsspalt 118 eine größere Spaltbreite als der radial verlaufende Abschnitt 116b des Lagerspalts 116 im Bereich des Axiallagers 126. Die größere Spaltbreite des Übergangsspalts 118 wird durch eine in das Lagerbauteil 115 eingebrachte Stufe 115a erzielt, die den Übergang zwischen dem radial außenliegenden Ende des radial verlaufenden Abschnitts 116b des Lagerspalts 116 und dem Übergangsspalt 118 bildet. Die Lagerrillenstrukturen 126a des Axiallagers 126, die vorzugsweise bis an den äußeren Rand der Stirnseite der Lagerbuchse 110 reichen, sind in der Oberfläche der Lagerbuchse 110 eingebracht, während die Stufe 115a in der der Lagerbuchse 110 gegenüberliegenden Bodenfläche des feststehenden Lagerbauteils 115 angeordnet ist.
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Die Höhe der Stufe 115a im Lagerbauteil 115 ist erfindungsgemäß kleiner als die Tiefe der Lagerrillenstrukturen 126a des zwischen der Lagerbuchse 110 und dem Lagerbauteil 115 angeordneten fluiddynamischen Axiallagers 126. Die Lagerrillenstrukturen 126a des Axiallagers 126 haben vorzugsweise eine Rillentiefe, die zwischen 8 und 12 Mikrometer beträgt. Da die Flughöhe des Axiallagers 126 bei Nenndrehzahl des Lagersystems vorzugsweise 9 bis 11 Mikrometer beträgt, ist die Spaltbreite des Übergangsspalts 118 demnach vorzugsweise zwischen 13 und 17 Mikrometer breit, da sich die Höhe der Stufe 115a von 4 bis 8 Mikrometer zur Flughöhe addiert.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Lagersystems bildet die Aussparung der Lagerbuchse 110, in der das Stopperbauteil 114 angeordnet ist, eine radiale verlaufende Fläche aus, die mit der entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 114 einen radial verlaufenden, ringförmigen Spalt bildet. Entlang dieses ringförmigen Spalts kann ein zweites optionales Axiallager angeordnet sein. An den ringförmigen Spalt schließt sich ein axial verlaufender oberer Dichtungsspalt 138 an, der den Lagerpalt 116 nach oben abdichtet und durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 110 und des Stopperbauteils 114 begrenzt ist. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 verläuft dabei parallel zur Rotationsachse 142. Die Oberfläche des Stopperbauteils 114 verläuft im Bereich des Dichtungsspalts 138 ebenfalls zunächst parallel zur Rotationsachse 142 und geht dann in einen schräg zur Rotationsachse 142 verlaufenden Abschnitt über, sodass sich eine konische Erweiterung des Dichtungsspalts 138 ergibt. Entlang des Dichtungsspalts 138 kann vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 124 angeordnet sein. Die Pumpdichtung 124 ist durch Rillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 114 und/oder der Lagerbuchse 110 angeordnet sein können.
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Oberhalb des Dichtungsspalts 138 ist ein ringförmiges Reservoir 154 angeordnet, das durch die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 und die Umfangsfläche des Stopperbauteils 114 begrenzt wird. Das Reservoir ist vorzugsweise so groß, dass es das gesamte im Lager befindliche Volumen des Lagerfluids 140 aufnehmen kann und dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid 140.
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Das Reservoir 154 ist durch eine ringförmige Abdeckung 130 abgedeckt. Die Abdeckung 130 ist auf einen stirnseitigen Rand der Lagerbuchse 110 aufgesteckt und dort beispielsweise angeklebt, aufgepresst und/oder verschweißt. Der innere Umfang der Abdeckung 130 kann zusammen mit dem gegenüberliegenden Außenumfang der Welle 112 eine Spaltdichtung 152 ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid 140 aus dem Reservoir 154 bzw. dem Dichtungsspalt 138.
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In der Lagerbuchse 110 ist eine Öffnung bzw. ein Rezirkulationskanal 128 vorgesehen, der einen am äußeren Rand des Axiallagers 126 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 116 mit einem oberhalb des oberen Radiallagers 120 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 116 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt. Ein Ende des Rezirkulationskanals 128 mündet zumindest teilweise in den Übergangsspalt 118, und das andere Ende mündet in den ringförmigen radialen Spalt zwischen dem axial verlaufenden Abschnitt 116a des Lagerspalts 116 und dem oberen Dichtungsspalt 138.
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Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors umfasst eine an der Basisplatte 132 angeordnete Statoranordnung 144 und einen die Statoranordnung 144 in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Rotormagneten 146, der an einer inneren Umfangsfläche einer vorzugsweise einteilig mit der Lagerbuchse 110 ausgeformten Nabe 134 angeordnet ist. Die Lagerbuchse 110 und die Nabe 134 bilden ein einteiliges Rotorbauteil. Prinzipiell ist es auch möglich, die Nabe 134 und die Lagerbuchse 110 als zwei getrennte Bauteile auszubilden.
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In axialer Richtung unterhalb des Rotormagneten 146 ist ein ferromagnetischer Zugring 148 vorgesehen. Der ferromagnetische Zugring 148 wird vom Rotormagneten 146 in axialer Richtung magnetisch angezogen und erzeugt eine dem Axiallager 126 entgegengesetzt gerichtete axiale Kraft auf die Nabe 134. Dies ist notwendig, falls kein zweites Axiallager vorgesehen ist, damit das Lagersystem in axialer Richtung vorgespannt und stabilisiert wird. Zusätzlich oder alternativ ist ein magnetischer Versatz (Offset) zwischen der Statoranordnung 144 und dem Rotormagneten 146 vorgesehen, der erreicht wird durch einen axialen Versatz der magnetischen Mitte des Rotormagneten 146 relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 144. Auch hierdurch wird eine axiale Gegenkraft zum fluiddynamischen Axiallager 126 generiert.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Lagersystem einen Lagerspalt 116 mit zwei offenen Enden und jeweils einem Dichtungsspalt 136, 138 zur Abdichtung der beiden Enden des Lagerspaltes 116. Über diese Dichtungsspalte 136, 138 kann verdunstendes Lagerfluid in den Motorraum austreten. Im Bereich des oberen Dichtungsspalts 138 wird diese wirksam durch die Abdeckung 130 verhindert, welche den Dichtungsspalt 138 abdeckt und in Richtung der Welle 112 die enge Spaltdichtung 152 bildet.
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Jenseits der Öffnung des unteren Dichtungsspalts 136 ist eine enge Spaltdichtung 150 vorgesehen. Die Spaltdichtung 150 verläuft in axialer Richtung, radial außerhalb und parallel zum Dichtungsspalt 136 und ist begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 110 und eine innere Umfangsfläche eines oberen Randes 132a der Basisplatte 132.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- Lagerbuchse
- 12, 112
- Welle
- 14, 114
- Stopperbauteil
- 115
- feststehendes Lagerbauteil
- 115a
- Stufe im Lagerbauteil 115
- 16, 116
- Lagerspalt
- 16a, 116a
- axialer Abschnitt des Lagerspalts
- 16b, 116b
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 18, 118
- Übergangsspalt
- 20, 120
- Radiallager
- 20a, 120a
- Lagerrillenstrukturen
- 22, 122
- Radiallager
- 22a, 122a
- Lagerrillenstrukturen
- 124
- Pumpdichtung
- 26, 126
- Axiallager
- 26a, 126a
- Lagerrillenstrukturen
- 28, 128
- Rezirkulationskanal
- 30, 130
- Abdeckung
- 32, 132
- Basisplatte
- 32a, 132a
- oberer Rand der Basisplatte
- 34, 134
- Nabe
- 34a
- innerer Rand der Nabe
- 34b
- äußerer Rand der Nabe
- 34c
- Stufe in der Nabe
- 36, 136
- Dichtungsspalt
- 138
- Dichtungsspalt
- 40, 140
- Lagerfluid
- 42, 142
- Rotationsachse
- 44, 144
- Statoranordnung
- 46, 146
- Rotormagnet
- 48, 148
- Zugring
- 50, 150
- Spaltdichtung
- 152
- Spaltdichtung
- 154
- Reservoir
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011122704 A1 [0002, 0003]
