DE3500516A1

DE3500516A1 - Lager mit integrierter ferrofluiddichtung

Info

Publication number: DE3500516A1
Application number: DE19853500516
Authority: DE
Inventors: Raoul Bedford N.H. Casciari; Kuldip Merrimack N.H. Raj
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1984-01-09
Filing date: 1985-01-09
Publication date: 1985-07-18
Also published as: GB8500544D0; GB2153926B; US4628384A; JPS60249727A; FR2557940A1; FR2557940B1; GB2153926A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Lager werden verwendet, um eine Gleit- oder Drehbewegung zu bewirken und stützen im allgemeinen eine sich drehende Welle unter minimaler Reibung. Beispielsweise verwendet man Kugel- oder Nadellager zur Lagerung einer Computer-Plattenantriebsspindel, welche magnetische Speicherplatten eines Computers trägt, die von einem Schreib-Lesekopf gelesen werden. Die Computerplatte und der Schreib-Lesekopf muß gegenüber der äußeren Umgebung geschützt sein, und hierzu verwendet man üblicherweise eine Ferrofluid-Abschlußdichtung. Diese Ferrofluid-Abschlußdxchtungen werden als getrennte Bauteile eingesetzt. Dies ist jedoch dann nicht möglich, wenn aus baulichen Gründen nicht genügend Raum für eine getrennte Ferrofluid-Abschlußdichtung zur Verfügung steht.

Es wurden bereits Ferrofluxddichtungen in Form von Mehrstufendichtungen in Verbindung mit Wälzlagern zum Lagern einer Welle verwendet, wie dies in der US-Patentschrift 3 620 584 beschrieben ist. Ferner wurden bereits Wälzlager mit magnetischen Wälzkörpern verwendet, um ferrofluidische Schmiermittel festzuhalten, was in der US-PS 3 977 739 beschrieben ist.

Die US-PS 4 407 508, auf welche zu Offenbarungszwecken Bezug genommen wird, beschreibt eine Dichtung mit einem einzigen Polstück, mit einem ringförmigen Permanentmagneten und mit Mitteln zum Befestigen des Polstücks an dem Permanentmagneten, wobei sich ein Ende des Polstücks bis nahe an die abzudichtende Welle erstreckt, um mit dieser einen Radialspalt zu bilden. In dem Radialspalt befindet sich Ferrofluid und bildet dadurch eine Abschlußdichtung oder eine Druckdichtung. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen von dem Permanentmagneten durch das Polstück, durch das Ferrofluid in dem Radialspalt, durch die abzudichtende Welle und durch einen Luftspalt zwischen der Welle und dem anderen Ende des Permanentmagneten, wobei der Radialspalt normalerweise kürzer oder kleiner als der Luftspalt ist. Die lediglich ein Polstück aufweisende Ferrofluiddichtung ist bei geringem Raumangebot und bei kleinen Wellen zweckmäßig, wenn außerdem die magnetischen Kraftlinien in dem Radialspalt konzentriert werden, dann ist die magnetische Flußdichte in dem Luftspalt verhältnismäßig gering.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lageranordnung mit einer integrierten, lediglich ein Polstück aufweisenden Ferrofluid-Abschlußdichtung zu schaffen, welche kompakt ist und besonders platzsparend baut.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft also ein Lager mit einer integrierten Ferrofluiddichtung, und zwar insbesondere ein Kugellager, das eine Ferrofluid-Abschlußdichtung mit einem einzigen, einstufigen Polstück aufweist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Lagers und ein Computer-Plattenantriebssystem, welches ein derartiges Lager aufweist.

Es hat sich gezeigt, daß ein Lager, insbesondere ein Kugellager mit einer integrierten einstufigen oder lediglich ein Polstück aufweisenden Ferrofluiddichtung von kompaktem Aufbau ohne ein unmagnetisches Gehäuse für die einstufige Ferrofluiddichtung gebildet werden kann. Das erfindungsgemäße Lager mit der einstufigen Ferrofluiddichtung weist einen Permanentmagneten auf, der einerseits als Quelle für die magnetischen Kraftlinien wirkt, welche das Ferrofluid in einem Radialspalt hält, um die Abschlußdichtung zu bilden, und das andererseits eine Gehäusefunktion übernimmt. Die einstufige Ferrofluiddichtung besitzt einen Permanentmagneten mit L-förmigem Querschnitt, wobei das ringförmige dauermagnetische Material an einer Seite des Polstücks anliegt und über dessen eines Ende greift, um ein Gehäuse für das Polstück zu bilden.

Es hat sich gezeigt, daß das verwendete ringförmige Dauermagnetmaterial als Gehäuseelement und nicht als getrenntes, unmagnetisches Gehäuseelement wie bei der älteren Anmeldung verwendbar ist, da das ringförmige, dauermagnetische Material in seinem vollständig magnetisierten Zustand eine Permeabilität hat, die nicht viel größer als die magnetische Permeabilität von Luft ist. Wenn somit der ringförmige Permanentmagnet sowohl als Quelle für die magnetischen Kraftlinien, als auch als Gehäuse zum Abschirmen des Polstücks verwendet wird, dann ist selbst bei gewissen Kraftlinienverlusten die Druckhaltefähigkeit einer derartigen Ferrofluiddichtung im Bereich des Radialspalts viel größer als mehrere Zentimeter Wassersäule, also größer als der für eine Abschlußdichtung typischerweise erforderliehe Druck, wie dies bei einer Abschlußdichtung für eine Computer-Plattenantriebsspindel der Fall ist. Bei bekannten

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Lagern, bei denen der Innenring und der Außenring aus Metall bestehen, gestattet die Erfindung die Verwendung eines Permanentmagneten und vermeidet das Erfordernis eines unmagnetischen Gehäuses für das eine Polstück, um den Magnetfluß umzulenken. Die gebildete Ferrofluid-Abschlußdichtung ersetzt die aus getrennten Bauteilen aufgebaute Ferrof luiddichtung oder die allgemeinen elastomeren Dichtungen, die bei Lagern verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Lager ist besonders zweckmäßig in Verbindung mit Computer-Plattenantriebsspindeln und Computer-Plattenantrieben, wo eine Ferrofluid-Abschlußdichtung notwendig ist, um den Lesekopf vor Staub oder anderen Teilchen oder anderen Verunreinigungen zu schützen.

Der bei dem erfindungsgemäßen Lager verwendete Permanentmagnet ist ein schwacher Permanentmagnet, beispielsweise ein Magnet aus keramischem oder polymerem Material, beispielsweise ein starres, elastomeres Polymermaterial, welches Magnetteilchen enthält. Der ringförmige Permanentmagnet kann aus einem starren polymeren Material, beispielsweise Nylon oder einem anderen harten oder formbaren Kunststoff gebildet sein, welcher Magnetteilchen enthält, oder er kann aus einem elastomeren Stoff wie Piastiform von der Firma 3-M-Company geformt sein, welches magnetische Teilchen eingeschlossen enthält. Derartige Permanentmagnete können magnetische Feldstärken von etwa 1,1 bis 6,5 Millionen Oersted oder Gauss haben. Im allgemeinen haben solche Permanentmagneten eine Feldliniendichte von 2000 bis 8000 Gauss, beispielsweise 2000 bis 5000 Gauss in dem Luftspalt, der in der integrierten Ferrofluiddichtung mit einem Polstück gebildet ist.

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Das erfindungsgemäße Lager mit der integrierten Ferrofluiddichtung weist somit eine Lagervorrichtung auf, welche eine drehbare Welle oder ein Wellenelement umgibt und auf diesem befestigt ist. Es hat einen Innenring und einen Außenring, die für magnetische Kraftlinien durchlässig sind und die so voneinander beabstandet sind, daß sie zwischen einander Wälzkörper aufnehmen können, also beispielsweise magnetisierbare Kugeln, die zwischen dem Innenring und dem Außenring durch einen Käfig gehalten werden. Eine einstufige oder lediglich ein Polstück aufweisende Ferrofluiddichtung ist zwischen den Innenring und den Außenring in geringem Abstand zu den Kugeln eingebracht und das eine Polstück besitzt ein erstes und zweites Ende, von denen das erste Ende sich bis in geringen Abstand zu dem Innenring oder dem Außenring erstreckt, um mit diesem einen kleinen Radialspalt zu bilden. Der Radialspalt kann von etwa 0,05 bis 0,15 mm reichen. Die Ferrofluiddichtung weist auch einen ringförmigen Permanentmagneten mit axial angeordneten Polen auf, der beispielsweise aus polymerem Material zu der gewünschten Form gedreht oder geformt ist. Der verwendete Permanentmagnet hat einen im allgemeinen L-förmigen Querschnitt, wobei sich ein erstes Ende des Permanentmagneten im allgemeinen gegen die gleiche Fläche wie der Radialspalt erstreckt, um mit dieser einen Luftspalt zu bilden. Der Luftspalt kann größer oder kleiner als der Radialspalt sein.

In einer Ausführungsform ist es zweckmäßig, den L-förmigen Permanentmagneten derart zu verlängern, daß der Luftspalt kleiner als der Radialspalt ist, damit der Permanentmagnet außerdem als Spritzschild wirkt, welcher sich in radialer Richtung über den Kugellaufraum erstreckt, um zu verhindern, daß Schmiermittel aus dem Lager in die Ferrofluiddichtung spritzt oder daß Ferrofluid in das Lager spritzt.

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Der Permanentmagnet liegt an einer Seite des Polstücks an und beide werden von den magnetischen Kraftlinien durchsetzt, wobei das zweite Ende des Permanentmagneten über das zweite Ende des Polstücks reicht und an der jeweiligen Innen- oder Außenfläche des Außen- oder Innenrings anliegt und mit diesem befestigt ist, um für das dem Radialspalt gegenüberliegende zweite Ende des Polstücks ein magnetisch isolierendes Gehäuse zu bilden.

Ein Ferrofluidstoff, beispielsweise ein leicht flüchtiges Kohlenwasserstoff- oder Ester-Ferrofluid, wird in dem Radialspalt von den magnetischen Kraftlinien des Permanentmagneten gehalten und bildet eine Abschlußdichtung, die zwischen dem Lager und der zu schützenden Umgebung, beispielsweise einem Computer-Plattenantrieb liegt. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen von dem Permanentmagneten durch das Polstück, durch das Ferrofluid im Radialspalt, durch den Innenring und den Außenring, durch den Luftspalt und wieder zurück zum Permanentmagneten. Die Dicke des Permanentmagneten und des Polstücks können variieren, im allgemeinen reicht die Dicke des Polstücks jedoch von etwa 0,5 bis 2,0 mm, beispielsweise von 0,5 bis 1,5 mm, während der Magnet typischerweise eine Dicke von 0,75 bis 3,81 mm hat, insbesondere von 1 bis 2 mm. Der Permanentmagnet hat einen größeren Außendurchmesser als die Polstücke.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Computer-Plattenantriebs mit dem erfindungsgemäßen Lager und der integrierten, einstufigen Ferrofluiddichtung; und

Figur 2 einen vergrößerten Teilschnitt des Lagers gemäß Figur 1 mit der integrierten, ein Polstück aufweisenden Ferrofluiddichtung.

Figur 1 zeigt eine Computer-Plattenantriebsspindel 10 mit einer Lageranordnung, die eine integrierte Ferrofluiddichtung aufweist. Eine Welle 12 wird von einem nicht dargestellten Hochgeschwindigkeitsmotor über eine Riemenscheibenanordnung 14 getrieben und stellt eine Computer-Plattenantriebsspindel dar. Ein luftgelagerter Speicherplattenstapel 201 der auf einem Luftfilm läuft, ist in der Nähe des oberen Endes der Welle 12 und der Platte 22 in einem sauberen Magnetplattenbereich oder in einer Kammer 40 angeordnet, welche durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Die Platten bleiben in einer sauberen Umgebung, welche mit gefilterter Luft oder mit Inertgas wie Helium gefüllt wird. Die Spindel 12 sitzt in einem Gehäuse 24 und wird von einem unteren und einem oberen Lager 16 und 18 gehalten. Das untere Lager 16 kann ein bekanntes Lager sein, während das obere Lager 18 eine Ferrofluid-Abschlußdichtung aufweist, die anhand von Figur 2 näher erläutert wird.

Figur 2 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt durch das Lager 18 mit einem magnetisch permeablen Innenring 26 und einem Außenring 28, zwischen denen ein Laufring besteht, welcher eine Anzahl von Kugeln 30 aufweist, die von einem Käfig 32 gleichmäßig beabstandet gehalten sind und die magnetische Kraftlinien durchlassen. Eine einstufige Ferrofluiddichtung mit einem einzigen Polstück 36 ist in dejr Nähe des Lauf rings und zwischen dem Lager 18 und der Kammer 40 angeordnet. Die einstufige Dichtung weist einen L-förmigen, ringförmigen Permanentmagneten 34 auf, der aus einem starren elastomeren oder polymeren Material besteht, welches in die L-Form geformt oder bearbeitet ist? außerdem gehört hierzu ein einzelnes Polstück 36. Das einzelne

Polstück 36 erstreckt sich mit einem ersten Ende bis nahe an die Außenfläche des Innenrings 26 und bildet mit dieser einen Radialspalt von etwa 0,05 bis 0,15 mm. In dem Radialspalt ist ein Ferrofluid 38 untergebracht, welches die Außenfläche des Innenrings 26 umgibt und das von den magnetischen Kraftlinien des Permanentmagneten 34 festgehalten wird. Der Permanentmagnet 34 ist entlang praktisch einer Seite des Polstücks 36 an der Seite des Käfigs 32 befestigt und umgibt das zweite Ende des Polstücks 36, wobei er die Innenfläche des magnetisch permeablen Außenrings 28 berührt und damit sowohl ein Gehäuse darstellt, als auch als Magnetquelle dient.

In der dargestellten Ausführungsform hat der Permanentmagnet 34 eine größere Dicke als das Polstück 36 und der Luftspalt zwischen dem ersten Ende des Permanentmagneten 34 und der Außenseite des Innenrings 26 ist größer als der Radialspalt. Die magnetische Permeabilität des für den Permanentmagneten 34 verwendeten Magnetmaterials ist im vollständig magnetisierten Zustand nicht viel größer als in Luft; deswegen, und weil die Abschlußdichtung keine Druckdichtung erfordert, wirkt der Permanentmagnet 34 als Isoliergehäuse am zweiten Ende des Polstücks 36. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen dann durch das Polstück 36, durch das Ferrofluid 38 in dem Radialspalt, durch den magnetisch durchlässigen Innenring 26, durch den Luftspalt an dem ersten Ende des Permanentmagneten 34 und schließlich wieder in den Permanentmagneten 34. Die Verlängerung des Permanentmagneten 34 an der einen Seite des Polstücks 36 und dessen Befestigung daran gestattet es dem Permanentmagneten 34, außerdem als Spritzschild _zu dienen, der sich bis sehr nahe an die Oberfläche des Innenrings 26 erstrecken kann und dabei sogar einen kleineren Luftspalt bilden kann, als es die Höhe des Radialspalts ist.

Beispielsweise kann der Luftspalt in einer Ausführung nur 0,025 bis 0,05 mm hoch sein.

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Das erfindungsgemäße Lager mit der integrierten, kompakten, einstufigen Ferrofluiddichtung ergibt eine wesentlich geringere Gesamtbaulänge der Vorrichtung gegenüber solchen mit
getrennten Bauteilen, wobei die Verwendung des Permanentmagneten 34 gleichzeitig als unmagnetisches Gehäuse durch den Stand der Technik nicht nahegelegt ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Lager mit integrierter Ferrofluxddichtung, gekennzeichnet durch:

a) eine Lageranordnung (16, 18), welche eine drehbare Welle (12) umgibt und jeweils einen Innenring (26) und einen davon beabstandeten Außenring (28) aufweist, zwischen denen sich von einem Käfig (32) gehaltene Wälzkörper (30) befinden, so daß der Innenring (26) gegenüber dem Außenring (28) drehbar ist; und

b) eine Ferrofluiddichtungsvorrichtung, die sich zwischen dem Innenring (26) und dem Außenring (2δ| befindet und einen geringeren Abstand zu den Wälzkörpern (30) der Lageranordnung aufweist, wobei die Ferrofluiddichtungsvorrichtung versehen ist mit:

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i) einem einzigen Polstück (36), welches ein erstes und ein zweites Ende besitzt, wobei sich dessen erstes Ende bis nahe zu dem Innenring (26) oder dem Außenring (28) erstreckt und dazwischen einen kleinen Radialspalt bildet,

ii) einem ringförmigen, mit seinen Polen axial ausgerichteten Permanentmagneten (34), der ein erstes und ein zweites Ende und einen im allgemeinen L-förmigen Querschnitt hat, wobei das erste Ende des Permanentmagneten (34) dem Innenring (26) oder dem Außenring (28) zugewandt ist, um mit diesem einen radialen Luftspalt zu bilden, und wobei der Permanentmagnet (34) mit dem Polstück (36) in Berührung steht und über das zweite Ende des Polstücks greift und jeweils an dem anderen Ring des Lagers (16 bzw 18) anliegt, wobei der Permanentmagnet (34) eine Permeabilität hat, die nicht viel größer als Luft ist und ein Isoliergehäuse um das zweite Ende des Polstücks (36) bildet, und mit

iii) einem Ferrofluid, das in dem Radialspalt von dem Magnetfluß des Permanentmagneten gehalten ist, um eine ferrrofluidische Abschlußdichtung mit der zugehörigen Ringfläche zu bilden, wobei die magnetischen Kraftlinien durch das Polstück (36) durch das Ferrofluid in dem Radialspalt, durch den Luftspalt und durch den Permanentmagneten (34) verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (34) ein keramischer oder polymerer Permanentmagnet mit geringer magnetischer Energie ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (34) ein Magnetenergieprodukt von etwa 1,1 bis 6,5 Millionen Gauss-Oersted hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetflußdichte im Luftspalt von etwa 2000 bis 5000 Gauss reicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferrofluid ein Trägerfluid auf Kohlenwasser^L stoffbasis oder auf Esterbasis aufweist, welches mit einem für die Wälzkörper (30) verwendeten Schmiermittel kompatibel ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (30) Kugeln sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Welle (12) durch den Innenring (26) erstreckt, der auf der Welle (12) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polstück (36) eine Dicke von etwa 0,5 bis 2,0 mm und der Permanentmagnet (34) eine Poldicke hat, die von etwa 0,75 bis 3,81 mm reicht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt kleiner als der Radialspalt ist, so daß der Permanentmagnet (34) der sich an einer Seitje des Polstücks (36) zwischen dem Polstück (36) und dem Lager (16 bzw. 18) erstreckt, außerdem als Spritzschild dient.

10. Computer-Plattenantriebssystem, gekennzeichnet durch die Kombination:

a) eine Lagervorrichtung nach Anspruch 1;
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b) eine drehbar Plattenantriebsspindelwelle (12), welche sich durch die Lagervorrichtung (16, 18) erstreckt und auf der der Innenring (26) befestigt ist?

c) einen Speicherlesekopf in einer geschützten Umgebung?

d) eine Computerplatte, welche auf der Welle (12) sitzt und von dem Lesekopf in der geschützten Umgebung gelesen wird;

e) Mittel zum Drehen der Welle (12); und

f) eine Ferrofluiddichtung mit einem Radialspalt gegenüber der Außenseite des Innenrings (26) oder der Innenseite des Außenrings (28), welche zwischen der zu schützenden Umgebung und dem Lager (16 bzw. 18) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (34) ein polymerer oder elastomerer Permanentmagnet ist, dessen magnetische Feldstärke von etwa 1,1 bis 6,5 Millionen Oersted reicht.