DE10254926A1

DE10254926A1 - Hydrodynamisches Lager für einen Spindelmotor

Info

Publication number: DE10254926A1
Application number: DE10254926A
Authority: DE
Inventors: Jörg Hoffmann; Olaf Winterhalter; Martin Hafen
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: DE10254926B4

Abstract

Hydrodynamisches Lager für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Welle und einer Lagerbuchse, welche die Welle mit geringem radialem Abstand umgreift, wobei auf der Außenfläche der Welle und/oder der Innenfläche der Lagerbuchse eine Rillenstruktur zur Bildung eines druckerzeugenden Bereichs vorgesehen ist, wobei die Lagerbuchse einteilig mit einem Flansch oder einer Grundplatte oder einem anderen feststehenden Rahmenbauteil des Gleichstrommotors ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft bürstenlose Gleichstrommotoren der Bauart, die als Spindelmotoren in Plattenlaufwerken verwendet werden, und insbesondere ein hydrodynamisches Lager für solche Spindelmotoren.
Plattenlaufwerk-Systeme wurden in Computern und anderen elektronischen Einrichtungen seit vielen Jahren zum Speichern digitaler Information verwendet. Information wird auf kon zentrischen Speicherspuren einer magnetischen Platte aufgezeichnet, wobei die eigentliche Information in Form magnetischer Übergänge in dem Plattenmedium gespeichert ist. Die Platten selbst sind drehbar auf einer motorisch angetriebenen Spindel montiert, wobei auf die Information mittels Wandlern zugegriffen wird, die auf einem Schwenkarm sitzen, der sich radial über die Oberfläche der Platte bewegt. Um einen fehlerfreien Informationsaustausch zu gewährleisten, müssen die Schreibe-/Leseköpfe oder Wandler exakt zu den Speicherspuren auf der Platte ausgerichtet sein. Voraussetzung für einen sicheren Datentransfer ist also eine stabile und präzise Drehlagerung der Spindel.
In bürstenlosen Gleichstrommotoren der beschriebenen Bauart, die als Spindelmotoren in Plattenlaufwerken eingesetzt werden, ist die angetriebene Spindel nach dem Stand der Technik traditionell mit Wälzlagern drehgelagert. Laufgenauigkeit und Präzision werden dadurch erreicht, daß die Lager spielfrei verspannt eingebaut werden. Außerdem kommen Wälzkörper und Lagerringe mit eingeengten Abmessungstoleranzen zum Einsatz. Systembedingte Nachteile, wie störende Abrollgeräusche und eingeschränkte Stoßfestigkeit, wurden bislang billigend in Kauf genommen.
Fluidlager oder hydrodynamische Lager stellen eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kugellagern in Spindelmotoren dar. Bei diesen Arten von Systemen dient ein Schmierfluid – Gas oder Flüssigkeit – zur Trennung der Lagerflächen zwischen einer feststehenden Basis oder Gehäuse und der drehenden Spindel oder Nabe des Motors. Flüssige Schmiermittel umfassen z.B. Öl, komplexere ferromagnetische Fluide oder sogar Luft wurden in hydrodynamischen Lagersystemen eingesetzt.
Hydrodynamische Lager haben gegenüber Kugellagern den Vorteil verbesserter Laufgenauigkeit höherer Stoßfestigkeit und geringerer Geräuschentwicklung.
Spindelmotoren für Datenträgerplatten, bei denen eine mit einem Rotor fest verbundene Motorwelle über ein hydrodynamisches Lagersystem gelagert ist, sind im Stand der Technik bekannt. Ein hydrodynamisches Lagersystem gemäß dem Stand der Technik besteht z.B. aus einer Lagerbuchse, die einseitig von einer Gegenplatte geschlossen sein kann. Innerhalb der Lagerbuchse befindet sich eine Motorwelle, die von einem Fluid, vorzugsweise einem Öl, umgeben ist. An der Innenfläche der Lagerbuchse oder an der Außenfläche der Motorwelle sind ein oder mehrere Rillenstrukturen vorgesehen, die zur Erzeugung eines hydrodynamischen Lagerdrucks dienen.
Es sind ferner hydrodynamische Lager mit axialem Spurkuppenlager in Niederleistungs-Spindelmotoren bekannt, bei denen die axialen Lagerkräfte in einer Richtung durch Abstützung des Lagers im Drehpunkt an einer Gegenplatte aufgenommen werden und die axiale Gegenkraft magnetisch erzeugt wird, beispielsweise durch das Zusammenwirken von Rotor und Stator. Diese Arten von hydrodynamischen Lagern haben jedoch eine sehr geringe axiale Steifigkeit, und ihre Verwendung beispielsweise in Festplattenlaufwerken ist problematisch, weil solche Anwendungen eine axiale Steifigkeit in beiden Axialrichtungen erfordern. Andererseits haben hydrodynamische Lager mit axialen Spurkuppenlagern den Vorteil eines sehr geringen Reibungsverlusts und somit einer geringen Leistungsaufnahme.

Ein Beispiel eines hydrodynamischen Lagers gemäß dem Stand der Technik, wie er oben beschrieben ist, ist aus dem U.S. Patent 4,934,836 bekannt.

Die Erfindung betrifft insbesondere hydrodynamische Lager für Spindelmotoren für Plattenlaufwerke, wie Festplattenlaufwerke, mit sehr kleinen Abmessungen, wie sie z.B. in Laptop-Computern eingesetzt werden. Spindelmotoren mit hydrodynamischen Lagern für Plattenlaufwerke mit kleinen Abmessungen sollten eine niedrige Leistungsaufnahme haben, insbesondere wenn sie in mobilen, batteriebetriebenen Geräten eingesetzt werden.

Im Stand der Technik bestehen Spindelmotoren mit hydrodynamischen Lagern in der Regel aus einer Reihe getrennter Komponenten; insbesondere ist die Lagerbuchse in einem Flansch, einer Grundplatte, einem Rahmen, einer Halterung oder dergleichen eines Spindelmotors drehfest montiert, und die Welle ist in der Lagerbuchse gehalten. Zum Montieren der Lagerbuchse in dem Flansch oder der Grundplatte weisen diese in der Regel einen rohrförmigen Ansatz auf, in dem die Lagerbuchse drehfest gehalten ist. Lagerbuchse und rohrförmiger An- satz können durch Kleben, Schweißen, Verpressen oder auf andere Weise dauerhaft miteinander verbunden werden.

Hochpräzise Bearbeitung und absolut fluchtender Zusammenbau der einzelnen Komponenten sind der Schlüssel für die Funktionstüchtigkeit eines hydrodynamischen Lagers. Um ein hydrodynamisches Lager der beschriebenen Art aufzubauen, sind bestimmte minimale Wandstärken der Einzelkomponenten erforderlich, die einerseits durch die Fertigungstechniken vorgegeben sind, andererseits aus den Anforderungen an eine ausreichende mechanische Stabilität erwachsen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hydrodynamisches Lager für einen Spindelmotor, insbesondere zur Verwendung in einem Plattenlaufwerk, anzugeben, das minimale Abmessungen hat, so daß es sich zum Einsatz in Miniatur-Plattenlaufwerken eignet und das zu angemessenen Kosten herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein hydrodynamisches Lager mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen einteiligen Aufbau von Lagerbuchse und Flansch, Grundplatte oder einem anderen feststehenden Rahmenbauteil des Spindelmotors wird zusätzlicher Platz innerhalb des Motors gewonnen. Während im Stand der Technik aufgrund von Anforderungen an die Steifigkeit und Herstellbarkeit minimale Wandstärken für die Lagerbuchse von ca. 1 mm und für den rohrförmigen Ansatz des Flansches von 0,3 mm, insgesamt also 1,3 mm notwendig sind, ist es bei dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Lager möglich, die in den Flansch integrierte Lagerbuchse mit einer Wandstärke von 1 min und weniger zu realisieren. Eine solche Wandsärke ist bei einem zweiteiligen Aufbau des hydrodynamischen Lagers, mit getrennter Lagerbuchse und Aufnahme für die Lagerbuchse z.B. in dem Flansch, wie zuvor ausgeführt, in der Praxis nicht herstellbar. Durch die erfindungsgemäße Bauweise ergibt sich eine erhebliche Raumeinsparung im Bereich des Durchmessers der Lagerbuchse. Dadurch verbessern sich die Möglichkeiten, das erfindungsgemäße hydrodynamische Lager in Spindelmotoren für sehr kleine Anwendungen einzusetzen.

Das erfindungsgemäße hydrodynamisches Lager eignet sich insbesondere zur Drehlagerung der Rotoren in Spindelmotoren, die in Festplattenlaufwerken mit Formfaktoren von 2,5 Inch, 1,8 Inch und kleiner zum Antrieb der Magnetplatten eingesetzt werden.

Die Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, daß das hydrodynamische Lager für den Spindelmotor mit weniger Komponenten als im Stand der Technik aufgebaut werden kann. Dadurch werden die Kosten gesenkt, der Montagevorgang wird vereinfacht und die Lagersummen bzw. -toleranzen des Lagers können minimiert werden. Bei dem Lager gemäß der Erfindung sind auch weniger Nachbearbeitungsschritte nach der Montage der einzelnen Komponenten notwendig als im Stand der Technik.

Das erfindungsgemäße Lager umfaßt eine Welle und eine Lagerbuchse, welche die Welle mit geringem radialem Abstand umgreift. Auf der Außenfläche der Welle und/oder der Innenfläche der Lagerbuchse ist eine Rillenstruktur zur Bildung eines druckerzeugenden Bereichs vorgesehen. Das erfindungsgemäße hydrodynamische Lager ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbuchse einteilig mit einem Flansch, einer Grundplatte oder einem anderen feststehenden Rahmenbauteil des Gleichstrommotors ausgebildet ist.

Zwischen der Welle und der Lagerbuchse wird ein Radiallager gebildet. Zur Ausbildung eines Axiallagers ist erfindungsgemäß zwischen einer die Lagerbuchse verschließenden Bodenfläche und einem Stirnende der Welle vorzugsweise ein Spurkuppenlager gebildet. Diese Bodenfläche kann bei einer Ausführungsform der Erfindung durch eine Gegenplatte gebildet sein, welche ein Stirnende der Lagerbuchse verschließt. Alternativ ist die in den Flansch integrierte Lagerbuchse mit einem geschlossenen Stirnende hergestellt. Bei dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Lager weist die Lagerbuchse wenigstens ein offenes Stirnende auf, bei dem die Welle herausgeführt ist. An diesem offenen Stirnende der Lagerbuchse ist vorzugsweise ein ringförmiges Widerlager angeordnet, das mit der Lagerbuchse drehfest verbunden ist. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Welle eine Schulter auf, wobei zwischen der Schulter und der gegenüberliegenden Fläche des Widerlagers ein hydrodynamisches Axiallager gebildet ist. Das zwischen der Schulter und dem Widerlager gebildete hydrodynamische Axiallager ist als ein axiales Drucklager realisiert und nimmt axiale Kräfte in Richtung des offenen Stirnendes der Lagerbuchse auf. Gleichzeitig verhindert die erfindungsgemäße Gestaltung dieses Axiallagers, daß sich die Welle aus der Lagerbuchse herausbewegen kann. Axiale Kräfte in der entgegengesetzten Richtung werden von dem Spurkuppenlager aufgenommen.

Durch die erfindungsgemäße Bauweise erhält man ein hydrodynamisches Lager mit minimalen Abmessenungen, guter axialer Steifigkeit und geringer Verlustleistung, das in verschiedenen Einbaulagen zum Einsatz kommen kann.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das Widerlager als kreisringförmige Abdeckung ausgebildet sein, welche das offene Stirnende der Lagerbuchse, bei dem das dem Widerlager zugeordnete Wellenende aus der Lagerbuchse herausgeführt ist, übergreift und durch dessen zentrale Öffnung das zugehörige Wellenende aus dem Lager herausgeführt ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Widerlager durch eine Ringscheibe gebildet, die in das offene Stirnende der Lagerbuchse eingepaßt ist.

In der Schulter und/oder der gegenüberliegenden Fläche des Widerlagers ist eine Rillenstruktur zur Bildung des hydrodynamischen Axiallagers ausgebildet. Je nach Bauweise können auf der Welle und/oder an der Innenfläche der Lagerbuchse insbesondere ein oder zwei Rillenstrukturen zur Bildung eines oder zweier Radiallager/s vorgesehen werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das dem Widerlager zugeordnete Wellenende durch eine zentrale Öffnung in dem Widerlager aus der Lagerbuchse herausgeführt, wobei zwischen der Innenfläche der zentralen Öffnung des Widerlagers und der Welle ein ringförmiger, sich konisch verjüngender Freiraum gebildet ist, der über einen kapillaren Ringspalt mit dem Lagerspalt zwischen der Welle und der Lagerbuchse verbunden ist und eine sogenannte Kapillardichtung bildet. Die Grundlagen solcher „Kapillardichtungen" sind z.B. in dem U.S. Patent Nr. 5,667,309 beschrieben. Der konische Freiraum bildet ein Ausdehnungsvolumen und Reservoir, das mit dem Lagerspalt in Verbindung steht und in welches das Lagerfluid aufsteigen kann, wenn der Fluidpegel bei zunehmender Temperatur ansteigt. Da durch wird verhindert, daß Lagerfluid aus dem Lagerspalt austritt. Ferner kann bei Abdampfen von Lagerfluid ein Vorrat an Lagerfluid in den Lagerspalt nachgeführt werden.

Der ringförmige, konische Freiraum wird vorzugsweise durch eine Verjüngung des dem Widerlager zugeordneten Wellenendes oder durch eine Fase der zentralen, inneren Öffnung des Widerlagers gebildet.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Spurkuppenlager von der Lagerbuchse umschlossen. Im Bereich des Spurkuppenlagers kann eine kleine Rillenstruktur an dem gekrümmten Wellenende und/oder der gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse vorgesehen sein, um während des Betriebs einen Kontakt von Welle und Lagerbuchse zu vermeiden. Außerdem kann das gekrümmte Wellenende und/oder die gegenüberliegende Fläche der Lagerbuchse mit einer sehr harten Schicht versehen sein, um den Verschleiß an der Welle sowie an der Lagerbuchse bei Kontakt zu minimieren. Durch Ausbilden des zweiten Axiallagers als ein Spurkuppenlager wird die Verlustleistung des hydrodynamischen Lagers insgesamt minimal gehalten.

Für die Ausbildung der Rillenstrukturen von Radial- und Axiallager wurden die unterschiedlichsten Formen vorgeschlagen, beispielsweise Spiralen oder symmetrische bzw. unsymmetrische Fischgrätmuster.

Erfindungsgemäß beträgt die Gesamtwandstärke der in den Flansch oder die Grundplatte integrierten Lagerbuchse, je nach Ausführung, weniger als 1,2 mm und ab einem 1/d-Verhältnis ≤ 2 vorzugsweise weniger als 0,8 mm. Hierbei bezeichnet 1 die Länge der Lagerbuchse, gemessen von der Oberseite des Flansches bis zur offenen Stirnseite der Lagerbuchse; und d bezeichnet den Innendurchmesser der Lagerbuchse.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung hat die an dem offenen Stirnende der Lagerbuchse herausgeführte Welle einen kleineren Durchmesser als der von dem offenen Stirnende entfernte Wellenabschnitt, der von der Lagerbuchse umgriffen ist, wobei der Durchmesser der Welle mit zunehmender Entfernung von dem offenen Stirnende der Lagerbuchse in Richtung der Bodenfläche der Lagerbuchse über einen Wellenabschnitt stetig zu nimmt. Insbesondere sind dieser Wellenabschnitt und die den Wellenabschnitt umgreifende Lagerbuchse mit komplementärer Gestalt derart ausgebildet, daß die Lagerbuchse radiale und axiale Lagerkräfte von der Welle aufnimmt.

Die Erfindung sieht auch einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager der oben beschriebenen Bauart sowie ein Plattenlaufwerk mit einem solchen Spindelmotor vor. In einer Ausführungsform kann ein Wellenende mit einer Rotorglocke des Spindelmotors drehfest verbunden oder in dieses eingespannt sein, wobei die Rotorglocke Aufzeichnungsplatten des Plattenlaufwerks trägt.

Das erfindungsgemäße hydrodynamische Lager kann zur Bildung eines hydrodynamischen Axiallagers auch mit einer auf die Welle drehfest aufgebrachten Druckplatte versehen sein, die mit einer Gegenplatte in der Lagerbuchse zusammenwirkt, um ein axiales hydrodynamisches Drucklager zu bilden.

Die Erfindung sieht auch einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager der oben beschriebenen Art sowie ein Plattenlaufwerk mit einem solchen Spindelmotor vor. In einer Ausführungsform ist ein Wellenende in eine Rotorglocke des Spindelmotors eingespannt oder mit dieser drehfest verbunden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit einem hydrodynamischen Lager, das keine Ausführungsform der Erfindung darstellt, zur Erläuterung der Umgebung, in der die Erfindung eingesetzt wird;
2 eine Schnittdarstellung durch eine Baugruppe für einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Schnittdarstellung durch eine Baugruppe für einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
4 eine Schnittdarstellung durch eine Baugruppe für einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager gemäß einer dritten Ausführungsform.
5 eine Schnittdarstellung durch eine Baugruppe für einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager gemäß einer vierten Ausführungsform.
Der in 1 gezeigte Spindelmotor umfaßt einen Flansch oder eine Grundplatte 10 zur Befestigung an einem Plattenlaufwerk, das in der Figur nicht gezeigt ist. Der Flansch 10 ist drehfest mit einer Lagerbuchse 12 zur Lagerung einer Welle 14 verbunden. Ein Rotor 16 ist drehfest mit der Welle 14 verbunden und dreht relativ zu dem Flansch 10 und der Lagerbuchse 12. Ein Stator 18 ist mit dem Flansch 10 drehfest verbunden.
Der Rotor 16 umfaßt eine Nabe 20 und die Welle 14, welche zentrisch in der Rotornabe 20 befestigt ist. Ein Rotormagnet 22 ist mit der Innenseite einer Umfangswand der Rotornabe 20 verbunden, z.B. mit dieser verpreßt oder verklebt. Die Außenseite dieser Umfangswand der Rotornabe 20 ist so geformt, daß sie eine oder mehrere Magnetplatten (nicht gezeigt) halten kann.
Der Stator 18 umfaßt einen Kern 24 und Statorwicklungen 26, die um den Kern 24 gewickelt sind. Stator 18 und Rotor 16 bzw. der in der Rotorglocke 20 befestigte, ringförmige Permanentmagnet 22 sind durch einen schmalen konzentrischen Spalt, den Arbeitsluftspalt 28 voneinander beabstandet.
Die Welle 14 ist in zwei Abschnitte aufgeteilt, ein Wellenabschnitt 30 mit größerem Wellendurchmesser und ein Wellenabschnitt 32 mit kleinerem Wellendurchmesser. Die Lagerbuchse 12 ist ein zylindrisches Bauteil, in dem eine zylindrische Bohrung 34 zur Aufnahme der Welle 14 ausgebildet ist. Der Teil der zylindrischen Bohrung 34 an dem offenen Stirnende der Lagerbuchse 12 hat einen geringfügig größeren Radius, um einen ringförmigen, sich konisch verjüngenden Freiraum zwischen der Innenfläche der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 zu bilden, der eine sogenannte Kapillardichtung bildet.
Eine Abdeckung 36 ist über dem offenen Stirnende der Lagerbuchse 12 vorgesehen und übergreift dieses. Die Abdeckung 36 ist ringförmig und hat eine zentrale, innere Öffnung mit einem geringeren Radius als dem der zylindrischen Bohrung 34. Die Abdeckung 36 umgreift den Wellenabschnitt 32 mit kleinerem Wellendurchmesser und verhindert durch die radiale Überlappung mit dem Wellenabschnitt mit dem größeren Durchmesser, daß sich die Welle 14 aus der Lagerbuchse 12 herausbewegt, wenn der Spindelmotor eine Stoßbelastung erfährt oder in umgekehrter Lage eingebaut betrieben wird.
Die Welle 14 ist in der zylindrischen Bohrung 34 in der Lagerhülse 12 aufgenommen. Der Teil der Welle 14, der in die zylindrische Bohrung 34 eingefügt ist, umfaßt den Wellenabschnitt 30 mit größerem Wellendurchmesser. An dem von der Lagerhülse 12 umschlossenen Wellenende 38 ist ein Radius ausgebildet, der zusammen mit der gegenüberliegenden Innenfläche der Lagerbuchse 12 ein Spurkuppenlager bildet. Das Wellenende 38 und/oder die gegenüberliegende Innenfläche der Lagerbuchse 12 können mit einer Rillenstruktur versehen sein, um Materialkontakt während des Betriebs zu verhindern.
Der Lagerspalt 40 zwischen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 ist mit einem Lagerfluid, insbesondere einem Schmieröl gefüllt. Eine druckerzeugende Rillenstruktur ist entweder an der Außenfläche der Welle 14, insbesondere des Wellenabschnitts 30 mit größerem Wellendurchmesser, oder an der Innenfläche der Lagerbuchse 12 ausgebildet, um ein Radiallager zu bilden. Nach Bedarf können ein oder zwei Gruppen von Rillenstrukturen zum Bilden von einem oder zwei Radiallagern vorgesehen sein.
Zwischen dem Wellenabschnitt 30 mit größerem Wellendurchmesser und dem Wellenabschnitt 32 mit kleinerem Wellendurchmesser ist eine Schulter oder Stufe 44 in der Welle 14 gebildet, welche mit der Abdeckung 36 zusammenwirkt. Die Abdeckung 36 dient auch als ein Widerlager zur Bildung eines hydrodynamischen Axiallagers zwischen den einander zugewandten Flächen der Abdeckung 36 und der Schulter 44 in der Welle 14. An diesen einander gegenüberliegenden Flächen können Rillenstrukturen ausgebildet sein, um das Axiallager zu bilden. Dieses Axiallager kann mit minimalen Kontaktflächen als ein Stütz- oder Zusatzlager ausgebildet werden.
An dem Flansch 10 ist ein magnetischer Schirm 42 angebracht. Der magnetische Schirm 42 wirkt mit dem Rotormagneten 22 zusammen, um eine Kraft auf den Rotor 16 auszuüben, der diesen in Richtung des Flansches 10 zieht.
Wie aus 1 ersichtlich ist die Lagerbuchse 12 in einem rohrförmigen Ansatz 50 des Flansches 10 gehalten, so daß sich eine Gesamtwandstärke ergibt, welche die Wandstärken der Lagerbuchse 12 und des rohrförmigen Ansatzes 50 umfaßt.
Zur Miniaturisierung hydrodynamischer Lager ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Lagerbuchse einteilig in den Flansch, eine Grundplatte des Spindelmotors oder dergleichen zu integrieren. Bevorzugte Ausführungsformen verschiedener Baugruppen für einen Spindelmotor mit hydrodynamischen Lager gemäß der Erfindung sind in den 2 bis 5 gezeigt. Die weiteren Elemente des Spindelmotors, wie Rotor und Stator können ähnlich wie in 1 gezeigt aufgebaut sein, wobei 1 lediglich ein Beispiel für eine Bauweise eines Spindelmotors darstellt und die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
2 zeigt eine Baugruppe eines Spindelmotors mit einem hydrodynamischen Lager gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Baugruppe umfaßt einen Flansch 60 mit integrierten Lagerbuchse 60', welche eine Welle 62 mit geringem radialen Abstand unter Bildung eines Lagerspaltes 64 umgreift. Die Welle 62 bildet an ihrem von dem Flansch 60 umschlossenen Ende in Verbindung mit der gegenüberliegenden Innenfläche 66 ein Spurkuppenlager. An ihrem anderen Ende ist die Welle 62 aus dem offenen Stirnende der Lagerbuchse 60' des Flansches 60 stirnseitig herausgeführt. Die Welle 62 weist eine Stufe oder Schulter 68 auf, welche mit einem Widerlager 70 zusammenwirkt. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist das Widerlager 70 als eine Abdeckung des offenen Stirnendes der Lagerbuchse 60' ausgebildet.
Ein Radiallager ist durch die gezeigte Rillenstruktur 72 auf der Außenfläche der Welle 62 oder der Innenfläche der Lagerbuchse 60' gebildet. Zur Ausbildung eines hydrodynamischen Axiallagers wird auf der Schulter 68 der Welle 62 und/oder der gegenüberliegenden Fläche des Widerlagers 70 ebenfalls eine Rillenstruktur vorgesehen. Das zwischen der Schulter 68 und dem Widerlager 70 gebildete Axiallager dient als ein Hilfslager zum Aufnehmen axialer Kräfte, die den Kräften entgegengesetzt sind, welche auf das Spurkuppenlager wirken. Durch die gezeigte Bauweise kann ein Spindelmotor in verschiedenen Einbaulagen betrieben werden. In der Praxis weist der Motor selbstverständlich weitere Rotor- und Statorkomponenten auf, wie in 1 gezeigt.
3 zeigt eine Abwandlung des hydrodynamischen Lagers der 2. Wie in 2 ist ein Flansch 60 einteilig mit einer Lagerbuchse 60' ausgebildet. Die Lagerbuchse 60' umgreift eine Welle 62 mit geringem radialen Abstand. Die Welle 62 weist eine Schulter 68 im Bereich des Wellenendes, das an dem offen Stirnende der Lagerbuchse 60' herausgeführt ist, auf. An diesem Stirnende ist die Lagerbuchse 60' des Flansches 60 mit einem Widerlager 60'' versehen, welches der Schulter 68 gegenüberliegt und die Welle 62 umgreift. Das Widerlager 60'' ist durch einen Endabschnitt der Lagerbuchse 60' mit kleinerem Innendurchmesser gebildet. Auf den einander gegenüberliegenden Flächen der Schulter 68 und des Widerlagers 60'' können wieder Rillenstrukturen zur Bildung eines hydrodynamischen Axiallagers vorgesehen sein.
An ihrem gegenüberliegenden Stirnende ist die Lagerbuchse 60' durch eine Gegenplatte 74 verschlossen. Die Gegenplatte 74 bildet zusammen mit dem gegenüberliegende Wellenende 76 der Welle 62 ein Spurkuppenlager, wie mit Bezug auf 4 beschrieben. In beiden Ausführungsformen der 2 und 3 kann eine weitere Rillenstruktur auf dem gewölbten Wellenende 76 und/oder der gegenüberliegenden Fläche im Inneren der Lagerbuchse 60' ausgebildet sein, um im Betrieb den Materialkontakt im Bereich des Spurkuppenlagers zu vermeiden bzw. zu minimieren.
Bei beiden Ausführungsformen der 2 und der 3 kann im Bereich des offenen Stirnendes der Lagerbuchse 60' ein konzentrischer, sich konisch verjüngender Freiraum 78 zwischen der Welle 62 und der Lagerbuchse 60' ausgebildet sein, um eine Kapillardichtung zu bilden, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben. In den Figuren gezeigt ist dies nur für 2.
Die gezeigten Ausführungsformen eignen sich besonders für sehr kleine Spindelmotoren für Plattenlaufwerke mit Formfaktoren von 2,5 Inch , 1,8 Inch und kleiner.
Mit den Bauweisen der 2 und 3 – sowie der unten mit Bezug auf 4 und 5 beschriebenen – ist es möglich, einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager aufzubauen, der weniger Komponenten benötigt. Dadurch werden die Kosten gesenkt und der Montagevorgang kann vereinfacht werden. Ferner sind auch weniger Nachbearbeitungsschritte notwendig.
Zusätzlich ergibt sich bei der gezeigten Bauweise der Vorteil, daß Platz innerhalb des Motors gewonnen wird. Die in den Flansch 60 integrierte Lagerbuchse 60' hat bei der gezeigten Ausführungsform eine Wandstärke etwa 1,0 mm oder weniger . Ab einem 1/d-Verhältnis ≤ 2 beträgt die Gesamtwandstärke der in den Flansch integrierten Lagerbuchse vorzugsweise weniger als 0,8 mm. Hierbei bezeichnet 1 die Länge der Lagerbuchse, gemessen ab der Oberseite des Flansches und d bezeichnet den Innendurchmesser der Lagerbuchse, wie in 3 gezeigt.
Bei solchen Wandstärken ist ein zweiteiliger Aufbau mit separater Lagerbuchse und Aufnahme in dem Flansch praktisch nicht mehr realisierbar. Durch die erfindungsgemäße Bauweise verbessern sich die Möglichkeiten, hydrodynamische Lager in Spindelmotoren für sehr kleine Abmessungen einzusetzen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers ist in 4 gezeigt. 4 zeigt einen Flansch 60 mit einer integrierten Lagerbuchse 60'. Die Lagerbuchse 60' umgreift die Welle 62 mit geringem radialen Abstand. Ihre der Welle zugewandten Innenfläche bildet ein Widerlager 60'', das mit der Welle 62 zusammenwirkt. Die Welle 62 weist eine konische Erweiterung 62' auf, die sich vom offenen Ende der Lagerbuchse 60'' bis zu der Gegenplatte 74 erstreckt. Die Innenkontur der Lagerbuchse 60' ist komplementär zu der so geformten Welle 62 ausgebildet. Durch eine Rillenstruktur auf der konischen Erweiterung 62' der Welle 62 und/oder der Innenseite der Lagerbuchse 60' wird ein hydrodynamisches Lager gebildet, das sowohl eine radiale als auch eine axiale Kraftkomponente aufnehmen kann.
In der gezeigten Ausführungsform weist die Lagerbuchse eine konusähnliche Aussparung auf, in der ein annäherungsweise komplementär geformtes Wellenende aufgenommen wird. Die komplementären Formen des Innenraums der Lagerbuchse und des darin gehaltenen Wellenendes ergeben eine mechanische Stabilisierung der Welle in der Lagerbuchse in radialer und axialer Richtung, wobei die konische Aussparung im Inneren der Lagerbuchse auch verhindert, daß die Welle axial aus der Buchse herausverschoben werden kann. Axiale Kräfte in der Gegenrichtung nimmt das in der Lagerbuchse ausgebildete Widerlager auf.
Die Aussparung der Lagerbuchse und das zugehörige Wellenende sind so ausgebildet, daß die Lagerbuchse radiale und axiale Lagerkräfte aufnimmt. Durch eine Veränderung der Gestalt der Aussparung und des Wellenendes, insbesondere eine Veränderung der Steigung oder Krümmung der Innenwände der Aussparung bzw. der Außenseite der Welle können, die axialen und radialen Kräfte, die von dem Lager aufgenommen werden, den jeweiligen Randbedingungen angepaßt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Lager sind zusätzliche Radial- oder Axiallager, neben den oben beschriebenen, nicht notwendig. Es können jedoch ein oder mehr Radiallager an einem geradlinigen Abschnitt der Welle vorgesehen sein, wenn zusätzliche horizontale Stabilisierung erforderlich ist.
Bei der Ausführugsform der 4 weist die Welle 62 ein planebenes Stirnende 80 auf, das zusammen mit der gegenüberliegenden Fläche der Gegenplatte 74 ein hydrodynamisches Axial-Drucklager bildet. Hierzu können entsprechende Rillenstrukturen auf dem Stirnende 80 und/oder der gegenüberliegenden Fläche der Gegenplatte 74 vorgesehen sein. Axiale Kräfte in der Gegenrichtung werden von der geneigten Innenfläche 60'' der Lagerbuchse 60' aufgenommen, welche als Widerlager wirkt.
Alternativ kann an dem Wellenende (80) auch ein Spurkuppenlager gebildet werden.
Auch das hydrodynamische Lager der 4 eignet sich besonders für sehr kleine Spindelmotoranwendungen, insbesondere für Plattenlaufwerke mit einem Formfaktor von 2,5 Inch oder kleiner. Durch Integration der Lagerbuchse in den Flansch ergibt sich insgesamt eine bessere Platzausnutzung, weil nicht doppelte Materialstärken für Lagerbuchse und Halterung der Lagerbuchse im Flansch vorgesehen werden müssen. Ferner ergeben sich dadurch, daß weniger Bauteile benötigt werden, Vorteile für Montage und Maßhaltigkeit.
5 schließlich zeigt eine Baugruppe für einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. 5 zeigt einen Flansch 60 mit einer integrierten Lagerbuchse 60'. Die Lagerbuchse 60' umgreift die Welle 62 mit geringem radialem Abstand. Die Welle 62 ist an einem offenen Stirnende 82 der Lagerbuchse 60' herausgeführt. An ihrem von der Lagerbuchse 60' umschlossenen Stirnende 84 ist auf der Welle 62 eine Druckplatte 86 aufgebracht, die zusammen mit einer Gegenplatte 88 auf an sich bekannte Art ein axiales Drucklager bildet. Die Druckplatte 86 sichert ferner die Welle 62 gegen eine axiale Verschiebung innerhalb der Lagerbuchse 60'. An dem offenen Stirnende 82 der Lagerbuchse 60' ist bei der Ausführungsform der 5 ein ringförmiger, sich konisch verjüngender Freiraum 90 zwischen der Innenfläche der Lagerbuchse 60' und der Welle 62 gebildet, der eine sogenannte Kapillardichtung schafft.
Die Wandstärke der Lagerbuchse 60' kann auch bei dieser Ausführungsform zumindest stellenweise weniger als 1,0 mm und insbesondere örtlich bis ungefähr 0,5 mm betragen. An der Innenfläche der Lagerbuchse 60' oder an der Außenfläche der Welle 62 können eine oder mehrere Rillenstrukturen 92 zur Bildung eines druckerzeugenden Bereichs für das hydrodynamische Radiallager vorgesehen sein.
Die Ausführungsformen der 2 bis 5 gemäß der Erfindung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß die Lagerhülse des hydrodynamischen Lagers in den Flansch oder eine Grundplatte, einen Rahmen oder eine Halterung des Motors integriert ist, also einteilig mit diesem ausgebildet ist. Druck erzeugende Rillenstrukturen für die hydrodynamischen Lager können in der in dem Flansch oder der Grundplatte etc. integrierten Lagerbuchse ausgebildet werden. Es ist somit keine getrennte Lagerbuchse notwendig, woraus sich ergibt, daß weniger Bauteile benötigt werden und somit geringere Kosten und weniger Aufwand für die Montage entstehen. Gleichzeitig ergibt sich dadurch, daß keine getrennte Lagerbuchse vorgesehen wird, mehr Raum für die Herstellung des hydrodynamischen Lagers in kleinbauenden Spin delmotoren. Der Flansch kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl bestehen und im Bereich der Lager hart-beschichtet sein.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des hydrodynamischen Lagers erlaubt es, den Spindelmotor in beliebiger Einbaulage zu betreiben, wobei in jeder Einbaulage radiale und axiale Lagerkräfte aufgenommen werden können. Gleichzeitig stellt die Erfindung ein hydrodynamisches Lager zur Verfügung, das eine minimale axiale Länge und eine ausreichende axiale Steifigkeit hat, um es beispielsweise in Miniatur-Plattenlaufwerken zu verwenden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

10: Flansch oder Grundplatte
12: Lagerbuchse
14: Welle
16: Rotor
18: Stator
20: Rotornabe, Rotorglocke
22: Rotormagnet, Permanentmagnet
24: Statorkern
26: Statorwicklungen
28: Spalt, Arbeitsluftspalt
30: Wellenabschnitt mit größerem Wellendurchmesser
32: Wellenabschnitt mit kleinerem Wellendurchmesser
34: zylindrische Bohrung
36: Abdeckung
38: Wellenende
40: Lagerspalt
42: Magnetschirm
44: Schulter
50: Ansatz
60: Flansch
60': Lagerbuchse
60'': Widerlager
62: Welle
62': konische Erweiterung der Welle
64: Lagerspalt
66: Innenfläche der Lagerbuchse
68: Schulter
70: Widerlager
72: Rillenstruktur
74: Gegenplatte
76: Wellenende, abgeflachtes planebenes Stirnende
78: konischer Freiraum
80: Axiallager
82, 84: Stirnende
86: Druckplatte
88: Gegenplatte
90: Freiraum
92: Rillenstrukturen

Claims

Hydrodynamisches Lager für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Welle (62) und einer Lagerbuchse (60'), welche die Welle (62) mit geringem radialem Abstand umgreift, wobei auf der Außenfläche der Welle und/oder der Innenfläche der Lagerbuch se eine Rillenstruktur zur Bildung eines druckerzeugenden Bereichs vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbuchse (60') einteilig mit einem Flansch (60) oder einer Grundplatte oder einem anderen feststehenden Rahmenbauteil des Gleichstrommotors ausgebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer die Lagerbuchse (60') verschließenden Bodenfläche und einem Stirnende der Welle ein Spurkuppenlager gebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche durch eine Gegenplatte gebildet ist, die ein Stirnende der Lagerbuchse verschließt.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbuchse (60') ein offenes Stirnende aufweist, bei dem die Welle (62) aus der Lagerbuchse herausgeführt ist, an dem offenen Stirnende der Lagerbuchse ein ringförmiges Widerlager (70; 60'') angeordnet ist, das mit der Lagerbuchse (60') drehfest verbunden ist; die Welle eine Schulter (68) aufweist und zwischen der Schulter und der gegenüberliegenden Fläche des Widerlagers ein hydrodynamisches Axiallager gebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager (60'') als eine Abdeckung ausgebildet ist, welche das der Bodenfläche der Lagerbuchse (60') gegenüberliegende Stirnende der Lagerbuchse (60') abschließt, und durch welche das dem Widerlager zugeordnete Wellenende aus der Lagerbuchse (60') herausgeführt ist.
Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager (60'') durch eine Ringscheibe gebildet ist, die an dem der Bodenfläche der Lagerbuchse (60') gegenüberliegenden Stirnende der Lagerbuchse (60') befestigt ist, und durch welche das dem Widerlager (60'') zugeordnete Wellenende aus der Lagerbuchse (60') herausgefhrt ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schulter (68) und/oder der gegenüberliegenden Fläche des Widerlagers (60'') eine Rillenstruktur ausgebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Widerlager (60'') zugeordnete Wellenende durch eine zentrale Öffnung in dem Widerlager (60'') aus der Lagerbuchse (60') herausgeführt ist und zwischen der Innenfläche der zentralen Öffnung des Widerlagers (60'') und der Welle (62) ein ringförmiger, sich konisch verjüngender Freiraum zur Bildung einer Kapillardichtung vorgesehen ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamt-Wandstärke der Lagerbuchse (60') zumindest in Teilabschnitten der Lagerbuchse, kleiner als 1,0 mm, insbesondere ungefähr 0,5 mm ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die Lagerbuchse (60') ein offenes Stirnende aufweist, bei dem die Welle (62) aus der Lagerbuchse herausgeführt ist, und die Welle (62) bei dem offenen Stirnende der Lagerbuchse (60') einen kleineren Durchmesser aufweist als in einem von diesem offenen Stirnende entfernten Wellenabschnitt, der von der Lagerbuchse umgriffen ist, wobei der Durchmesser der Welle mit zunehmender Entfernung von dem offenen Stirnende der Lagerbuchse in Richtung der Bodenfläche der Lagerbuchse über einen Wellenabschnitt stetig zunimmt, so daß die Lagerbuchse radiale und axiale Lagerkräfte von der Welle (62) aufnimmt.
Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Plattenlaufwerk mit einem Spindelmotor nach Anspruch 11.