DE4401262C2 - Aerostatische und aerodynamische Lagerung eines Motors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aerostatische und aerody­ namische Lagerung eines Motors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Lagerungen werden als reibungsarme Lager verwendet.

Solche Lagerungen sind verbreitet für feinwerktech­ nische Anwendungen, insbesondere bei elektronischen Speicherantrieben und optischen Datenübertragungsge­ räten. Diese verwenden i.a. eine zentral im Motor liegende Welle mit Radiallagerung und mit einer Axial­ lagerung, die ihrerseits ein einseitiges Luftlager oder eine mechanische Spitze und jeweils magnetische Vorspannung verwendet.

Die geforderten, maximal zulässigen Abweichungen von Rund lauf und Planlauf der Lagerung im sub-µm-Bereich sind zwar heute technisch herstellbar - jedoch mit großem Aufwand und Montage-Risiko.

Besonders störend sind bekannte, nicht wiederholbare Abweichungen, die nicht auf Fertigungstoleranzen beruhen, sondern auf Strömungszufälligkeiten im Schmierfilm. Sie wirken sich bei der gegebenen Nutzung (Disc) um so schädlicher aus, desto kleiner der Lagerungsdurch­ messer ist: Die im Rahmen des Spiels noch möglichen Abweichungen, insbesondere Winkelabweichungen führen zu größeren Werten auf Durchmesserzonen die über die Lagerung hinausragen.

Aus der US-Patentschrift 2,602,632 ist ein Lager bekannt geworden, bei dem der überwiegende Teil der Lagerkräfte durch zylindrische Lagerflächen des Lagers getragen wer­ den. An den Lagerenden sind Abrundungen vorhanden, die zur Verringerung der Luftverluste und zur Erzeugung einer gewissen Vorspannung des Rotors dienen. Dieses Lager hat also vorwiegend zylindrische Lagerflächen.

Die US 3,578,828 behandelt ein selbstschmierendes Lager, bei dem der Rotor als Lagerflächen zwei sich gegenüber­ liegende Kalotten aufweist, die in entsprechenden Flächen des Stators gelagert sind. Das Lager ist mehrteilig aus­ geführt, so daß die Teile sehr paßgenau zusammengefügt werden müssen. Weiterhin ist der Lagerdurchmesser relativ klein gehalten, wobei die Lastvektoren der Lagerfläche in Richtung der Rotationsachse des Lagers zeigen. Um die Stabilität dieses Lagers sicher zu stellen, sind zwei sich gegenüberliegende Laufflächen vorgesehen.

Die US 5,073,036 zeigt ein Lager mit prinzipiell sphärischen Lagerflächen, wobei auch hier die Lastvektoren auf den Lagerflächen in Richtung Rotationsachse des Lagers weisen. Wie bereits ausgeführt ist dies ein entscheidender Nach­ teil, da die Laufstabilität des Lagers darunter leidet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein reibungsarmes Lager nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 so weiterzubilden, daß die nicht wieder­ holbaren Abweichungen des Lagers minimiert werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekenn­ zeichnet.

Absolutes Lagerspiel und Betrag der nicht wiederholbaren Lageunsicherheit sind vom Durchmesser der Lagerung weitgehenst unabhängig. Deshalb ist die erste Maßnahme der vorliegenden Erfindung die Vergrößerung des Lage­ rungsdurchmessers soweit, daß der Motor innerhalb der ihn umgebenden Lagerung liegt. Im Vergleich zur kon­ ventionellen Lagerung "innen" wirken sich Abweichungen am Ort der Disc geringer aus, wie man rein geometrisch sieht.

Beim hier vorgesehenen größeren Durchmesser ergibt sich bei fester Drehzahl eine größere Relativge­ schwindigkeit zwischen Rotor und Stator, was besonders dem hydromatischen, dynamischen Pumpeffekt zuträglich ist.

Die größere Lagerungsfläche gestattet eine höhere Vor­ spannung und damit bessere Steife.

Bekannte Lagerungsausführungen zur Lösung dieser Auf­ gabe sind die Kombination einer zylindrischen Lagerzone mit einer hier magnetisch vorgespannten Planlaufzone. Wegen ebenso bekannter Montage-Probleme lehnen wir diese Lösung ab. Auch kegelförmige Lagerungsflächen sind denkbar - doch auch sie sind problematisch: Ist der Kegel zwecks Vermeidung der Selbsthemmung genügend stumpf, z. B. 45°, dann ist die Zentrierung der Lagerung beeinträchtigt.

Die zweite erfindungsgemäße Maßnahme ist daher die Wahl eines Lagerungsquerschnittes, der die Vorteile des Kegels, einfachste Montage, mit denen der Plan/-Zylinder-Lagerung, optimale Definition Rund- und Plan­ lauf, vereint.

Als weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsge­ mäßen Maßnahmen ist anzuführen, daß bezogen auf ein bestimmtes Volumen des Lagers die zur Verfügung stehende Lagerfläche aufgrund der toroidförmigen Ausbildung größer ist, als vergleichsweise die Lager­ fläche, die einem Kegellager gleichen Volumens zur Verfügung steht.

Mit der Ausbildung großer Lagerflächen besteht aber der Vorteil, daß das das Lager gut trägt und daß die Last­ vektoren in einer Ringebene liegen (eine Ringebene bilden), wobei die Ringebene nahe der Nutzebene liegt, so daß bei den erwarteten Belastungen eine Verkantung oder Verkippung des Lagers praktisch ausgeschlossen ist.

Mit der Verwendung eines derartigen Toroidlagers be­ steht der weitere Vorteil, daß nur zwei einfache, zu­ einander kongruente Lagerteile (Rotor und Stator) gefertigt werden müssen. Es entfällt also die Not­ wendigkeit, ein mehrteiliges Lager montieren zu müssen.

Die Tatsache, daß das Lager magnetisch vorgespannt wird, bietet die Möglichkeit, daß während der Start- und Stopphase des Motors, den Elektromagneten so umzupolen, daß während der Start- und Stopphase der Lagerspalt des Lagers vergrößert wird. Das gewähr­ leistet eine Verbesserung des Anlaufverhaltens.

Der damit verbundene Vorteil liegt im wesentlich ver­ minderten Verschleiß und in der wesentlich geringeren Motorleistung in der Anlaufphase.

Folglich kann man mit einem entsprechend kleiner dimensionierten Motor und einer entsprechend auch kleiner dimensionierten Ansteuerschaltung arbeiten, ohne daß die Notwendigkeit besteht, mit hohen Strömen den Anlauf zu erzwingen.

Bei der Fertigung eines derartigen Toroidlagers be­ steht im übrigen der Vorteil, daß nur lediglich eine einzige Aufspannfläche erforderlich ist, was eine sehr vereinfachte Fertigung gewährleistet.

Zur Herstellung der Lager können daher auch Stanz- und Prägeteile verwendet werden, ohne daß es einer aufwendigen Drehbearbeitung des neuartigen Lagers bedarf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert eine perspektivische Seitenansicht des Rotors eines Lagers;

Fig. 2 ein Schnitt durch ein Lager nach der Erfin­ dung.

Fig. 1 zeigt den toroidförmigen Querschnitt der für diese Anwendung vorgeschlagenen Lagerung. Die Flächen­ normalen (=Richtung der wirksamen Lagerkraft) schneiden sich in einem Kreisring außerhalb des für den Motor vorgesehenen Volumens.

Die Lagerungsteile können in einer Aufspannung gefertigt werden und sie sind äußerst montageunkritisch. Dadurch ist auch keine Überbestimmung gegeben.

Diese Lagerung kann sowohl statisch wie auch dynamisch betrieben werden.

In Radialrichtung zentriert sich die Lagerung, in Axialrichtung benötigt sie eine Vorspannung.

Die Vergrößerung des Durchmessers der Lagerung bringt bezüglich der Start-/Stopphase einen gravierenden Nachteil, wenn diese nur aerodynamisch betrieben werden soll:
Das Losbrechmoment müßte ausreichend groß sein - jeden­ falls deutlich größer als bei Lagerung innerhalb des Motors.

Eine dritte erfindungsgemäße Maßnahme bezieht sich daher auf die Art der axial wirksamen Vorspannung. Sie soll nämlich mindestens während der Startphase aufgehoben werden, wozu sich eine elektromagnetische Lösung anbietet. Diese kann im jetzt frei gewordenem inneren Volumen des Motors angebracht werden. Teil dieser dritten Maßnahme ist eine zusätzliche Entlastung des Rotors durch eine im Schwerpunkt des Rotors an­ greifende mechanische Stützlagerung durch eine kleine Kugel, die während des Betriebs der Einheit soweit retraktiert ist (elektromagnetisch), daß ausschließ­ lich die aerodynamische Lagerung wirksam ist.

Fig. 1 erläutert schematisch den Zusammenhang. Ge­ zeichnet ist hier das rotierende Lagerteil (Rotor 1), dessen Lagerquerschnitt in Form einer toroidischen Kurve 2 gegeben ist. Auf der toroidischen Lagerfläche sind die bekannten aerodynamischen Profile angebracht, die bei Drehung dieses Rotors den bekannten Pumpeffekt bewirken.

Fig. 2 zeigt, wie der Rotor 1 in einer stationären Lagerschale 4 aufgenommen ist.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 toroidische Kurve
3 Stirnrand
4 Stator
5 Lauffläche
6 Drehzentrum.

Claims (5)

1. Hochpräzise, axiale und radiale aerostatische und aerodynamische Lagerung eines Motors, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Rotor (1) als auch der Stator (4) der Lagerung eine toroidförmig ausgebildete Lauffläche (5) besitzen, wobei der Motor innerhalb eines Volumens (9) der Lagerung angeordnet ist, und die Flächennormalen (7) der jeweils konkaven Seite der Laufflächen (5) sich in einem Kreisring (8) außerhalb des für den Motor vorgesehenen Volumens (9) schneiden.

2. Lagerung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) durch geeignete Mittel in einer axial stabilen vorgespannten Lage gehalten wird.

3. Lagerung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Vorspannung des Rotors (1) durch magnetische Kräfte aufgebracht wird.

4. Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Start-/Stopphase des Motors die axiale Vorspannung des Rotors (1) durch einen elektromagnetisch betätigten Abhebestift gelockert und dadurch ein Sanftanlauf ermöglicht wird.

5. Lagerung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Vorspannung des Rotors (1) elektromagnetisch erzeugt wird und die Polung derselben in der Start-/Stopphase umgekehrt und der Rotor (1) gegen eine zentrale Auflauflagerung (z. B. Uhrenstein) gedrückt wird.