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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lagersystem, insbesondere
für Spindelmotoren
in Festplattenlaufwerken, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Als
Drehlager in Spindelmotoren, wie sie z.B. zum Antrieb der Speicherplatten
in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, kommen neben den seit langem
verwendeten Wälzlagern
zunehmend hydrodynamische Lager zur Anwendung.
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Ein
hydrodynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes Gleitlager, das
aus einer Lagerhülse
mit zylindrischer Lagerinnenfläche
und einer in die Hülse eingesetzten
Welle mit zylindrischer Lageraußenfläche gebildet
ist. Der Durchmesser der Welle ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser
der Hülse,
wodurch zwischen den beiden Lagerflächen ein konzentrischer Lagerspalt
entsteht, der unter Bildung eines zusammenhängenden Kapillarfilms mit einem Schmiermittel,
vorzugsweise mit Öl,
gefüllt
ist.
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Lagerhülse und
Welle bilden zusammen einen Radiallagerbereich aus. In wenigstens
eine der beiden Lageroberflächen
ist eine Oberflächenstruktur
in Form eines Rillenmusters eingearbeitet, welches infolge der rotatorischen
Relativbewegung lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche
Schmiermittel ausübt.
Auf diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die das Schmiermittel unter
Druck durch den Lagerspalt presst und zur Ausbildung eines homogenen
und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms
führt,
der durch Zonen hydrodynamischen Druckes stabilisiert wird. Der
zusammenhängende,
kapillare Schmiermittelfilm und der selbstzentrierende Mechanismus
des hydrodynamischen Radiallagers sorgen für eine stabile, konzentrische Rotation
zwischen Welle und Buchse.
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Eine
Stabilisierung des Lagers entlang der Rotationsachse erfolgt durch
ein entsprechend ausgestaltetes hydrodynamisches Axiallager oder Drucklager.
Das Drucklager wird vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer
an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, die in
einer durch die Lagerhülse
und eine Abdeckplatte gebildeten Aussparung aufgenommen ist. Einer
ersten Stirnfläche
der Druckplatte ist eine entsprechende Stirnfläche der Lagerhülse und
der anderen Stirnfläche eine
innenliegende Stirnfläche
der Abdeckplatte zugeordnet. Die Abdeckplatte dient als Gegenlager
zur Druckplatte und verschließt
das gesamte Lagersystem nach unten. Sie verhindert, dass Luft in
den mit Schmiermittel gefüllten
Lagerspalt eindringt bzw. Schmiermittel aus dem Lagerspalt entweicht.
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Auch
bei einem hydrodynamischen Axiallager sind die in gegenseitiger
Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen mit einer Oberflächenstruktur versehen,
um den für
eine stabile axiale Positionierung der Druckplatte bzw. der Welle
erforderlichen hydrodynamischen Druck zu erzeugen und die Zirkulation
des Schmiermittels innerhalb des Axiallagerbereiches sicherzustellen.
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Am
gegenüberliegenden
Ende des Lagers kann, zum Beispiel zwischen der Stirnseite der Lagerhülse und
einer Abdeckkappe ein Freiraum ausgebildet sein, der mit dem Lagerspalt
verbunden ist und gleichermaßen
als Schmiermittelreservoir und als Ausdehnungsvolumen für das Schmiermittel dient.
Dieser Freiraum übernimmt
auch die Funktion der Abdichtung des Lagers. Das in dem Freiraum
befindliche Öl
bildet unter dem Einfluss der Kapillarkräfte einen stabilen zusammenhängenden
Flüssigkeitsfilm,
weshalb diese Art der Dichtung auch als Kapillardichtung (capillary
seal) bezeichnet wird.
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Durch
entsprechende Auslegung des erwähnten
Rillenmusters für
den Radiallagerbereich kann bei Rotation der Welle eine Pumpwirkung
auf das Schmiermittel im Lagerspalt ausgeübt werden. Es baut sich ein
hydrodynamischer Druck auf, der in dem an den Axiallagerbereich
angrenzenden Radiallagerbereich höher ist, als in dem am freien
Wellenende angeordneten Radiallagerbereich. Sind entsprechende Rückführungskanäle vorhanden,
wird sich eine stetige Strömung
einstellen, bei der sich das Schmiermittel innerhalb des Lagerspalts
in Richtung auf das geschlossene Ende des Lagers hin bewegt. Der
sich dabei in axialer Richtung des Lagers aufbauende Druck herrscht
natürlich
auch im Axiallagerbereich und führt
dazu, dass die Druckplatte nicht wie erwartet mittig innerhalb der
sie umgebenden Aussparung rotiert, sondern dass der axiale Lagerspalt
zwischen den Stirnflächen
von Druckplatte und Lagerhülse
wesentlich kleiner ist, als der Lagerspalt zwischen den Stirnflächen von
Druckplatte und Abdeckplatte.
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Die
Projektionsflächen
der Druckplatte in beiden axialen Richtungen sind gleich groß, so dass die
auf die Druckplatte einwirkenden Kräfte entgegengesetzt gleich
groß sind
und sich aufheben. Dieses Kraftgleichgewicht wird jedoch durch eine
zusätzliche,
auf das System einwirkende Kraft gestört, die dadurch entsteht, dass
auch die freie Stirnfläche der
Welle dem Flüssigkeitsdruck
im Lagerspalt zwischen Druckplatte und Abdeckplatte ausgesetzt ist. Diese
zusätzliche
Kraft verschiebt die Welle und die mit der Welle fest verbundene
Druckplatte von der Abdeckplatte weg in Richtung auf die Lagerbuchse. Dabei
wird der axiale Abstand zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Lagerbuchse
kleiner, jener zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Abdeckplatte
hingegen größer. Da
aber der hydrodynamische Druck umso größer ist, je kleiner die Dicke des
Lagerspaltes ist, steigt der hydrodynamische Druck im Lagerspalt
zwischen Druckplatte und Lagerbuchse an, jener zwischen Druckplatte
und Abdeckplatte nimmt ab. Die Resultierende dieser aus den hydrodynamischen
Drücken
beiderseits der Druckplatte herrührenden
Kraft ist der oben erwähnten
Kraft entgegengerichtet und umso größer, je kleiner der Axiallagerspalt
zwischen Druckplatte und Lagerbuchse ist.
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Eine
stabile axiale Lage der Druckplatte ist dann erreicht, wenn beide
Kraftresultierenden entgegengesetzt gleich groß sind.
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Je
nach Ausgestaltung und Belastung des Lagers kann dieses durch die
unterschiedlichen Wirkflächen
im Axiallager hervorgerufene Ungleichgewicht des hydrodynamischen
Drucks dazu führen, dass
der Lagerspalt zwischen der Stirnfläche der Druckplatte und der
Lagerhülse
so klein wird, dass die mit abnehmendem Lagerspalt überproportional ansteigenden
Reibungsverluste zu einem lokalen Temperaturanstieg des Schmiermittels
führen.
Durch dessen thermisch bedingte Abnahme der Viskosität reduziert
sich aber die Tragfähigkeit
des Axiallagers, wodurch sich der ohnehin sehr enge Lagerspalt noch weiter
verringert. Dabei kann die Stirnfläche der Druckplatte der Lagerhülse gefährlich nahe
kommen und diese sogar berühren,
was zur Verringerung der Lebensdauer oder gar zu einer Beschädigung des Lagers führen kann.
Um die lokale Überhitzung
des Schmiermittels mit den geschilderten Negativeffekten zu verhindern
ist es bekannt, Verbindungsbohrungen zwischen den Lagerspalten vorzusehen,
die einen stetigen Schmiermittelaustausch zwischen den einzelnen
Bereichen der Lagerspalte gewährleisten. Hierzu
müssen
sowohl die Lagerhülse
als auch die Druckplatte mit Durchgangsbohrungen versehen werden,
was einen erheblichen Arbeitsaufwand darstellt. Sind die Bohrungen
nicht genau symmetrisch angeordnet, kann dies zu einer Unwucht der
rotierenden Teile führen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, ein hydrodynamisches Lagersystem
anzugeben, bei dem die oben angesprochenen Probleme der axialen
Positionierung der Druckplatte – ohne
den Einsatz von Durchgangsbohrungen in der Druckplatte – vermieden
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein hydrodynamisches Lagersystem mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung sieht ein hydrodynamisches Lagersystem vor, insbesondere
für einen
Spindelmotor, mit einer Welle, einer mit der Welle verbundenen Druckplatte
und einer durch eine Abdeckplatte einseitig verschlossene Lagerhülse, welche
die Welle und die Druckplatte mit geringem Abstand unter Bildung
eines mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspaltes umgreift,
wobei jeweils eine der in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden
Lageroberflächen der
Welle, der Lagerhülse,
der Druckplatte oder der Abdeckplatte mit einer Oberflächenstruktur
versehen sind.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine der zwischen Druckplatte
und Lagerhülse gebildeten
Lageroberflächen
mit einer fischgrätenartigen
Oberflächenstruktur
und eine der zwischen Druckplatte und Abdeckplatte gebildeten Lageroberflächen mit
einer spiralrillenförmigen
Oberflächenstruktur
versehen ist.
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Durch
diese unterschiedlichen Oberflächenstrukturen
werden an den sich gegenüberliegenden Seiten
der Druckplatte unterschiedliche Drucke erzeugt. Die zwischen Lagerhülse und
der Oberseite der Druckplatte wirkende Fischgrätenstruktur erzeugt einen größeren Druck,
als die zwischen Abdeckplatte und Unterseite der Druckplatte wirkende
Spiralrillenstruktur. Somit ist die flächenmäßig kleinere, hydrodynamisch
aktive Oberseite der Druckplatte einer größeren Kraft ausgesetzt als
die um die Stirnfläche der
Welle größere, hydrodynamisch
aktive Unterseite der Druckplatte. Die im Bereich der Druckplatte
wirkenden Oberflächenstrukturen
erzeugen also unterschiedliche axiale Kräfte, so dass sich ein Kräftegleichgewicht
einstellt, wenn der axiale Abstand zwischen den Stirnflächen von
Druckplatte und Lagerbuchse etwa gleich groß ist wie jener zwischen den Stirnflächen von
Druckplatte und Abdeckplatte. Damit wird eine stabile axiale Lage
der Druckplatte etwa in der Mitte des durch Lagerhülse und
Abdeckplatte gebildeten Hohlraums erreicht.
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Dadurch
verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des
Lagers durch Berührung zwischen
stehenden und rotierenden Axiallagerbauteilen ganz erheblich. Außerdem ist
das Lager in beiden axialen Richtungen gleich stark belastbar, wobei die
Steifigkeitskennlinien jedoch voneinander abweichen können.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf hydrodynamische Lagersysteme,
bei denen im Bereich einer Stirnseite des Lagers ein Ausgleichsvolumen
für das
Lagerfluid vorgesehen ist, wobei das Ausgleichsvolumen vorzugsweise
als ein mit dem Lagerspalt mittelbar oder unmittelbar verbundener, im
Querschnitt etwa kegelförmiger
Hohlraum ausgebildet ist.
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Ferner
kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass durch einen
Verbindungskanal eine Schmiermittel leitende Verbindung zwischen dem
Ausgleichsvolumen und Bereichen des Lagerspalts gebildet ist. Der
Verbindungskanal kann sich vorzugsweise innerhalb der Lagerhülse erstreckten.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben
sich aus den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Längsschnittdarstellung
eines Spindelmotors mit erfindungsgemäßem hydrodynamischen Lagersystem;
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2 eine
Draufsicht auf die Abdeckplatte des Drucklagers;
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3 eine
Ansicht von unten auf die Lagerhülse.
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Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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Die
Zeichnungen zeigen einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen
Lagersystem zum Antrieb der Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks. In
dem gezeigten Beispiel ist die Welle drehbar in einer feststehenden
Lagerhülse
gelagert. Selbstverständlich
umfasst die Erfindung auch Konstruktionen, bei denen eine feststehende
Welle von einer drehbaren Lagerhülse
umgeben ist.
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Der
Spindelmotor gemäß 1 umfasst eine
feststehende Basisplatte 1, an der eine Statoranordnung 2,
bestehend aus Statorkern und Wicklungen, angeordnet ist.
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Eine
Lagerhülse 3 ist
in einer Ausnehmung der Basisplatte 1 fest aufgenommen
und weist eine axiale zylindrische Bohrung auf, in welcher eine
Welle 4 drehbar aufgenommen ist. Das eine (untere) Ende
der Welle 4 ist mit einer Druckplatte 10 verbunden,
während
das andere, freie Ende der Welle einen Rotor 5 trägt, auf
dem eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet
und befestigt sind. An dem inneren, unteren Rand des Rotors 5 ist
ein ringförmiger
Permanentmagnet 6 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet,
die von der über
einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 2 mit
einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden, so dass der Rotor 5 zusammen
mit der Welle 4 in Drehung versetzt wird.
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Zwischen
dem Innendurchmesser der Lagerhülse 3 und
dem geringfügig
kleineren Außendurchmesser
der Welle 4 sind Radiallagerbereiche mit einem Lagerspalt 7 vorgesehen,
wobei der Lagerspalt 7 mit einem Schmiermittel, vorzugsweise
einem flüssigen
Lagerfluid, gefüllt
ist. Diese Radiallagerbereiche sind durch eine Oberflächenstruktur
in Gestalt von Rillenmustern 8, 9 gekennzeichnet,
die im gezeigten Beispiel auf der Oberfläche der Lagerhülse 3 vorgesehen
sind. Sobald die Welle 2 in Rotation versetzt wird, baut
sich aufgrund der Rillenmuster 8, 9 ein hydrodynamischer
Druck im Lagerspalt 7 bzw. im darin befindlichen Schmiermittel
auf, so dass das Lager tragfähig
wird.
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Die
Druckplatte 10 bildet zusammen mit einer Abdeckplatte 11 ein
hydrodynamisches Drucklager. Das Drucklager sorgt für die axiale
Positionierung der Welle 4 in Bezug auf die Lagerhülse 3 der Lageranordnung
und nimmt die axialen Kräfte
auf. Dieser Axiallagerbereich wird durch die Abdeckplatte 11 luftdicht
verschlossen, so dass kein Schmiermittel aus dem Lagerspalt 7 austreten
kann, der sich als Lagerspalt 7' zwischen Lagerhülse 3,
Druckplatte 10 und Abdeckplatte 11 fortsetzt.
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Damit
sich ein ausreichender hydrodynamischer Druck im Axiallager aufbaut,
sind die einander zugewandten Oberflächen der Lagerhülse 3,
der Druckplatte 10 oder der Abdeckplatte 11 ebenfalls
mit Oberflächenstrukturen 12, 13 versehen.
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Diese
Oberflächenstrukturen
sind in den 2 und 3 näher dargestellt.
Erfindungsgemäß weist
die der Druckplatte 10 zugewandte Oberfläche der
Lagerhülse 3 eine
fischgrätenartige
Oberflächenstruktur 13 auf,
wogegen die der Druckplatte 10 zugewandte Oberfläche der
Abdeckplatte 11 eine spiralrillenförmige Oberflächenstruktur 12 aufweist. Durch
diese unterschiedlichen Oberflächenstrukturen
ergibt sich eine auf die Druckplatte 10 wirkende Kräfteverteilung
derart, dass der axiale Abstand zwischen Druckplatte 10 und
Lagerhülse 3 einerseits
sowie Druckplatte 10 und Abdeckplatte 11 andererseits etwa
gleich groß ist.
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Natürlich umfasst
es die Erfindung auch, dass eine oder beide der erwähnten Oberflächenstrukturen 12, 13 auf
den Oberflächen
der Druckscheibe 10 vorgesehen sein können.
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Am
freien Ende der Welle 4 ist die Lagerhülse 3 durch eine vorzugsweise
topfförmige
Abdeckkappe 14 verschlossen, die auf die Lagerhülse 3 aufgesteckt
ist. Die abgedeckte Stirnfläche
der Lagerhülse 3 ist
mit einer Fase bzw. Ansenkung versehen, die sich ausgehend vom wellennahen
Bereich der Lagerhülse 1 radial
nach außen
fast bis zum Außenumfang
der Lagerhülse 3 erstreckt.
Dadurch wird zwischen der Stirnseite der Lagerhülse 3 und der Innenseite
der Abdeckkappe 14 ein sich im Querschnitt konisch nach
außen
erweiternder Freiraum geschaffen, der als Ausgleichsvolumen 15 für das Lagerfluid
dient und mindestens teilweise mit Schmiermittel 16 gefüllt ist.
Der radial innen liegende Bereich des Ausgleichsvolumens 15 grenzt
an den Lagerspalt 7 an.
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Ein
vorzugsweise innerhalb der Lagerhülse 3 verlaufender
Verbindungskanal 18 verbindet das Ausgleichsvolumen 15 mit
dem unteren Bereich 7' des
Lagerspalts.
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Dieser
Kanal 18 ermöglicht
einen Austausch von Schmiermittel 16 zwischen dem Ausgleichsvolumen 15 und
dem unteren Bereich 7' des
Lagerspaltes, so dass auch im Bereich des Radiallagers eine stetige
Zirkulation des Schmiermittels 16 gewährleistet ist.
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Die
in der vorsehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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- 1
- Basisplatte
- 2
- Statoranordnung
- 3
- Lagerhülse
- 4
- Welle
- 5
- Rotor
- 6
- Permanentmagnet
- 7
- Lagerspalt 7'
- 8
- Oberflächenstruktur
- 9
- Oberflächenstruktur
- 10
- Druckplatte
- 11
- Abdeckplatte
- 12
- Oberflächenstruktur
- 13
- Oberflächenstruktur
- 14
- Abdeckkappe
- 15
- Ausgleichsvolumen
- 16
- Schmiermittel
- 17
- Ringnut
- 18
- Verbindungskanal
- 19
- Rotationsachse