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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem,
insbesondere zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken, gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Zur
Lagerung eines Spindelmotors mit Hilfe eines fluiddynamischen Lagersystems
ist ein drehbewegliches Lagerteil, beispielsweise eine zylindrische Welle,
innerhalb einer Bohrung eines feststehenden Lagerteils, beispielsweise
einer Lagerbuchse, drehbar gelagert. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung
ist dabei geringfügig
größer als
der Außendurchmesser
der Welle, so dass zwischen den Mantelflächen von Bohrung und Welle
ein dünner
Lagerspalt entsteht, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise mit Öl, gefüllt ist.
In vielen Fällen
ist die Lagerbuchse in einer Lageraufnahme gehalten. Zum Aufbau
des fluiddynamischen Druckes im Lagerspalt ist wenigstens eine der
Lageroberflächen
von Welle oder Lagerbuchse mit einer Oberflächenstruktur versehen. Durch
die rotatorische Relativbewegung zwischen den einander gegenüberliegenden
Mantel- bzw. Lageroberflächen
entsteht eine Art Pumpwirkung auf das Lagerfluid, so dass sich ein
gleichmäßig dicker
und homogener Schmierfilm ausbilden kann, der die Lageroberflächen voneinander
trennt und der durch Zonen fluiddynamischen Druckes stabilisiert wird.
Vorteile dieses fluiddynamischen Lagerprinzips gegenüber der
Drehlagerung mit Wälzlagern
sind der niedrige Geräuschpegel,
bessere Laufgenauigkeit und eine deutlich höhere Schockfestigkeit. Außerdem werden
weniger Teile benötigt,
wodurch die Herstellungskosten erheblich reduziert werden können.
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Ein
Nachteil von fluiddynamischen Lagersystemen im Vergleich zu Wälzlagersystemen
ist, dass das in fluiddynamischen Lagern eingesetzte Öl im Laufe
der Zeit verdunstet (evaporiert). In den Lagern muss daher ein für die spezifizierte
Lebensdauer ausreichender Fluidvorrat vorgehalten werden. Dieser
Fluidvorrat muss umso größer sein,
je höher
die zu erwartenden Betriebstemperaturen des Spindelmotors und die
geforderte Lebensdauer sind.
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Ein
weiterer Einflussfaktor auf die Verdunstungsrate des Lagerfluids
ist die Größe der Grenzfläche des
Fluids zur Umgebungsluft. Eine kleine Fläche reduziert den Fluidverlust über die
Zeit. Ist das Fluid im Vorratsvolumen in Bewegung, weil beispielsweise
rotierende Teile an das Volumen grenzen, so vergrößert auch
das die Grenzfläche
und damit die Verdunstungsrate.
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Nicht
zuletzt ist auch der Zustand der umgebenden Luft entscheidend für die Verdunstungsrate. Ist
die Grenzfläche
von bewegter Luft umgeben, ist die Verdunstungsrate größer als
bei einer Grenzfläche,
die an ein unbewegtes, bereits mit Fluiddämpfen angereichertes Luftvolumen
grenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem
Lagersystem anzugeben, der für
den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen geeignet ist und eine
hohe Lebensdauer hat.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Spindelmotor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Spindelmotor vorgeschlagen, bei dem sich ein großes Vorratsvolumen für das Lagerfluid
zwischen der Mantelfläche
der Lagerbuchse und einer inneren Mantelfläche der Nabe etwa in axialer
Richtung entlang der Lagerbuchse erstreckt und über einen Verbindungsspalt
mit dem offenen Ende des Lagerspalts verbunden ist, wobei das Verhältnis zwischen
der axialen Länge
des Vorratsvolumens und der axialen Länge der Lagerbuchse mindestens
0,5 beträgt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Verbindungsspalt
als ein umlaufender kapillarer Ringspalt ausgebildet, der sich zwischen einer
Stirnseite der Lagerbuchse und einer daran angrenzenden Fläche der
Nabe erstreckt.
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Das
Vorratsvolumen erstreckt sich vorzugsweise in axialer Richtung über einen
Großteil
des Außenumfangs
des feststehenden Lagerteils, insbesondere ringförmig um den Außenumfang
der Lagerbuchse, wobei das Vorratsvolumen zwischen der Lagerbuchse
und der Nabe eingeschlossen ist.
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Es
ist vorgesehen, dass der Verbindungsspalt vollständig und das Vorratsvolumen
mindestens zu 20% seiner axialen Länge mit Lagerfluid gefüllt ist.
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Ferner
kann es erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass sich der Querschnitt des Vorratsvolumens in Richtung
des Verbindungsspalts verjüngt und
zwar in einem Winkel von bis, zu 5°. In dieser Ausgestaltung bildet
das Vorratsvolumen eine konische Kapillardichtung aus. Das Vorratsvolumen
kann jedoch einen gleich bleibenden Querschnitt aufweisen.
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Vorzugsweise
umfasst das fluiddynamische Lagersystem mindestens zwei Radiallager
und ein Axiallager. Innerhalb der Lagerbuchse kann ein Rezirkulationskanal
angeordnet sein, der den Verbindungsspalt direkt mit dem Lagerspalt
im Bereich des Axiallagers verbindet.
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Durch
die erfindungsgemäße Lagerkonstruktion
wird eine Reihe von Vorteilen erreicht.
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Insbesondere
ist durch die Anordnung des Vorratsvolumens am Außendurchmesser
der Lagerbuchse ein großer
Fluidvorrat möglich,
wodurch die durch Verdunstung hervorgerufenen Verluste an Fluid über lange
Zeit ersetzt werden können.
Dies ist auch bei hohen Umgeburtgstemperaturen gegeben.
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Die
Verdunstung des Lagerfluids aus dem Vorratsvolumen kann weiterhin
dadurch verringert werden, indem zwischen einander gegenüberliegenden
Flächen
der Nabe und der Basis ein Luftspalt vorgesehen wird, der sich an
das Vorratsvolumen anschließt.
Der Luftspalt kann zusätzlich
durch eine dynamische Pumpdichtung abgedichtet sein. Dadurch kann
der Luftaustausch nach Außen
verringert und eine Verdunstung des Lagerfluids minimiert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung eines Spindelmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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1 zeigt
eine mögliche
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
Der Spindelmotor umfasst eine Basis 26 mit einer Hülse 28,
in welcher eine Lagerbuchse 10 aufgenommen ist. Die Lagerbuchse 10 weist
eine zentrische Bohrung auf, in der eine Welle 12 drehbeweglich
gelagert ist. Die Oberflächen
der Lagerhülse 10 und
der Welle 12 sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 18 voneinander
getrennt. An ihrem in der Hülse 28 aufgenommenen
Ende ist die Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckplatte 16 verschlossen,
während
das andere, freie Ende die Welle 12 über die Lagerbuchse 10 hinausragt.
Die radiale Lagerung der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 erfolgt
vorzugsweise über
zwei Radiallager 34 und 36, die in einem gegenseitigen Abstand
angeordnet sind. Die Radiallager 34, 36 sind in
bekannter Weise durch entsprechende Lagerstrukturen definiert, die
auf der Oberfläche
der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 vorgesehen
sind. Die Lagerstrukturen erzeugen bei Rotation der Welle 12 in
der Lagerbuchse 10 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid,
so dass das Fluidlager tragfähig
wird.
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Zur
axialen Lagerung der Welle 12 ist eine Druckplatte 14 vorgesehen,
die an dem umschlossenen Ende der Welle 12 befestigt ist.
Die Druckplatte 14 ist in einer zwischen der Lagerbuchse 10 und
einer Abdeckplatte 16 ausgebildeten Aussparung aufgenommen
und dreht sich zusammen mit der Welle 12. Eine Stirnfläche der
Druckplatte 14 liegt einer entsprechenden Fläche der
Abdeckplatte 16 gegenüber und
ist von dieser durch den Lagerspalt 18 getrennt. Es sind
Lagerflächen
vorgesehen, die in bekannter Weise Lagerstrukturen tragen, die ein
Axiallager 38 definieren.
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Der
Lagerspalt 18, der die feststehenden Bauteile des Lagers,
also Lagerbuchse 10 und Abdeckplatte 16, von den
drehbeweglichen Bauteilen, also Welle 12 und Druckplatte 14,
trennt, erstreckt sich über
die gesamte Länge
der Welle 12 und um die Druckplatte 14 herum und
ist mit einem Lagerfluid, vorzugsweise Lageröl, gefüllt.
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Das
freie Ende der Welle 12 trägt eine etwa topfförmige Nabe 24,
welche die Lagerbuchse 10 in einem definierten Abstand
konzentrisch umgibt. Die Nabe 24 kann einteilig ausgebildet
sein, oder, wie es im Ausführungsbeispiel
gezeigt ist, aus mehreren Teilen bestehen. Am äußeren Bereich der Nabe ist eine
ringförmige
Magnetanordnung 32 vorgesehen. Die Magnetanordnung 32 ist
durch einen Luftspalt von einer Statoranordnung 30 getrennt,
die an der Basis 26 oder der Hülse 28 angeordnet
ist. Die Statoranordnung 30 bildet zusammen mit der Magnetanordnung 32 ein
elektromagnetisches Antriebssystem, das die Nabe 24 des
Motors in Rotation versetzt.
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Der
ringförmige
Zwischenraum zwischen der axialen Mantelfläche der Lagerbuchse 10 und
einer inneren Mantelfläche
der Nabe 24 wird erfindungsgemäß als Vorratsvolumen 20 für das Lagerfluid
verwendet. Das Vorratsvolumen 20 ist im Querschnitt vorzugsweise
etwa dreieckig (v-förmig)
ausgebildet und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Das Vorratsvolumen 20 erstreckt
sich über
einen Großteil der
axialen Länge
der Lagerbuchse und ist über
einen mit Lagerfluid gefüllten
Verbindungsspalt 22 mit dem offenen Ende des Lagerspalts 18 verbunden. Der
Verbindungsspalt 22 erstreckt sich zwischen der Stirnfläche der
Lagerbuchse 10 und einer angrenzenden, radial verlaufenden
Fläche
der Nabe 24. Das Vorratsvolumen 20 ist an seinem
schmalen Ende über
den Verbindungsspalt 22 mit dem Lagerspalt 18 verbunden.
Somit kann zwischen dem Lagerspalt 18 und dem Vorratsvolumen 22 ein
Austausch von Lagerfluid stattfinden.
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In
Verlängerung
des Vorratsvolumens 20 kann ein ringförmiger Luftspalt 44 vorgesehen
sein. Der Luftspalt 44 verläuft vorzugsweise zwischen einer äußeren Umfangsfläche der
Nabe 24 und einer inneren Umfangsfläche der Hülse 28 und verbindet das
Vorratsvolumen 20 mit der Außenatmosphäre. Entlang des Luftspaltes 44 können Pumpstrukturen auf
den Oberflächen
der Nabe 24 bzw. der Hülse 28 vorgesehen
sein. Diese Pumpstrukturen 46 sind derart ausgebildet,
dass sie bei Rotation der Nabe 24 eine Pumpwirkung auf
die im Luftspalt befindliche Luft in Richtung des Vorratsvolumens 20 erzeugen und
so als Pumpdichtung wirken. Dadurch wird ein Verdunsten des Lagerfluids
aus dem Vorratsvolumen 20 reduziert.
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In
der Lagerbuchse 10 kann ferner ein Rezirkulationskanal 42 vorgesehen
sein, der im Wesentlichen axial von einer Stirnfläche zur
anderen Stirnfläche
der Lagerbuche 10 verläuft.
Der Rezirkulationskanal 42 verbindet einen mit Lagerfluid
gefüllten
Abschnitt des Vorratsvolumens 20 mit dem Lagerspalt 18 im
Bereich der Druckplatte 14. Die Radiallager 34 und 36 beziehungsweise
das Axiallager 38 sind derart beschaffen, dass sie vorzugsweise
eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen, die überwiegend in
eine Richtung des Lagerspalts 18 Wirkt. Dadurch entsteht
im Rezirkulationskanal 42 und dem Lagerspalt ein geschlossener
Fluidkreislauf.
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Druckplatte
- 16
- Abdeckplatte
- 18
- Lagerspalt
- 20
- Vorratsvolumen
- 22
- Verbindungsspalt
- 24
- Nabe
- 26
- Basis
- 28
- Hülse
- 30
- Statoranordnung
- 32
- Magnetanordnung
- 34
- Radiallager
- 36
- Radiallager
- 38
- Axiallager
- 40
- Rotationsachse
- 42
- Rezirkulationskanal
- 44
- Luftspalt
- 46
- Pumpstrukturen
(Pumpdichtung)