DE10019619A1

DE10019619A1 - Spindelmotor mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE10019619A1
Application number: DE10019619A
Authority: DE
Inventors: Juergen Oelsch
Original assignee: Precision Motors Deutsche Minebea GmbH
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2000-10-26
Also published as: JP3942798B2; JP2000350403A; US6628477B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes, mit einem Stator, einem Rotor und einer zwischen Stator und Rotor angeordneten Welle, welche mindestens ein Wälzlager trägt, das einen inneren und einen äußeren Lagerring mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern umfaßt. Erfindungsgemäß weist der Spindelmotor eine Einrichtung zur Temperaturkompensation auf. DOLLAR A In einer ersten Ausführungsform zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass mindestens ein auf den äußeren und/oder inneren Lagerring einwirkendes Ausgleichselement vorgesehen ist, das zwischen dem entsprechenden Lagerring und einem den Lagerring tragenden Teil angeordnet ist und einen vorgegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten alpha besitzt. In einer zweiten Ausführungsform wird die Welle als Ausgleichselement verwendet, wobei die Welle aus einem Werkstoff mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizient alpha besteht. DOLLAR A Als weitere Ausführungsform wird vorgeschlagen, für die Lageranordnung Wälzkörper einzusetzen, die aus einem Material mit einem großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen und somit selbst als Ausgleichselemente wirken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb der Speicherplatte(n) eines Festplattenlaufwerkes, mit einem Stator, einem Rotor und einer zwischen Stator und Rotor angeordneten Welle, welche mindestens ein Wälzlager trägt, das einen inneren und einen äußeren Lagerring mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern umfaßt.

Aus Gründen der Laufgenauigkeit eines derartigen Spindelmotors werden üblicherweise vorgespannte Wälzlagerpaare eingesetzt, mit deren Hilfe der Rotor gegenüber einem, in einer Grundplatte angeordneten, Stator drehbar gelagert ist. Dabei verursacht die, dem Lagersystem aufgeprägte, Vorspannung elastische Verformungen jeweils an den Berührungsstellen der Wälzkörper mit den Lagerringen.

Der Grad der Verformung ist zum einen von der Lagergeometrie, also von den Radien der Innen- und Außenlaufbahn, vom Wälzkörperdurchmesser und vom Radialspiel, zum Anderen von der Höhe der "eingefrorenen" Vorspannkraft abhängig. Damit die Schreib-Lesefunktion eines Festplattenlaufwerks gewährleistet ist (der an einem schwenkbaren Arm angebrachte Schreib-Lesekopf bewegt sich auf einer Flughöhe von nur 0,001 bis 0,002 mm gegenüber der Plattenoberfläche) muß, neben der Laufgenauigkeit des Motors, die Oberfläche der rotierenden Speicherplatte an jeder Stelle und zu jedem Zeitpunkt möglichst rechtwinklig zur Rotationsachse verlaufen. Das bedeutet, dass der Axial- bzw. Stirnschlag der Platte sehr klein sein muß. Um diesbezüglich möglichst kleine Werte zu erzielen, wird üblicherweise für den Sitz der Wälzlagerringe in der entsprechenden Bohrung des Rotors eine Presspassung verwendet.

Das dementsprechend konstruktiv vorgegebene Übermaß der/des Lagerringe(s) in der Passfuge lässt in den gefügten Teilen Tangential- und Radialspannungen entstehen, die umso größer sind, je größer das Übermaß der gefügten Teile ist.

Diese Spannungen haben einerseits eine Aufweitung der Bohrung im Rotor und andererseits eine Einschnürung der/des Wälzlageraußenringe(s) und damit eine Verringerung des "nominalen" Radialspiels in dem (den) Wälzlager(n) zur Folge dementsprechend der Grad der elastischen Verformungen anwächst.

Da aber die elastischen Verformungen ein Maß für die Steifigkeit des Gesamtsystems sind, ändert sich auch das Schwingungsverhalten dieses Systems mit dem Grad der elastischen Verformungen. Bei gleichem Trägheitsmoment ist also bei einem großen Grad von elastischer Verformung die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen "Feder-Masse-Systems" hoch und dementsprechend niedrig bei einem geringen Anteil an elastischer Verformung. Eine weitere, die Eigenfrequenz des rotierenden Systems bestimmende Komponente sind die auf dem Rotor befestigten Speicherplatten, die - für sich betrachtet - ebenfalls ein schwingungsfähiges System mit systemspezifischen Eigenfrequenzen darstellen.

Insgesamt liegt also ein schwingungsfähiges Gesamtsystem vor, das im wesentlichen aus zwei miteinander gekoppelten Feder-Massesystemen besteht, deren systemspezifische Parameter die funktionsbeeinträchtigende(n) Eigenresonanzfrequenz(en) des Gesamtsystems bestimmen.

Wichtig für die Funktion des Festplattenlaufwerkes ist nun, dass die systemimmanenten insbesondere durch Formabweichungen der Wälzlagerkomponenten hervorgerufenen dynamischen Störungen nicht mit den Eigenfrequenzen des Gesamtsystems zusammenfallen. Diese Forderung muß unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet sein, da andernfalls die bei Resonanz entstehenden Schwingungsamplituden leicht zu Schreib-Lesefehlern führen können.

Aufgrund des zum Teil recht kleinen und durch Fertigungsstreuungen noch weiter eingeengten kritischen Sicherheitsabstands zwischen Eigen- und Störfrequenz(en) sollten die Eigenfrequenzen des Gesamtsystems im relevanten Temperaturbereich von etwa +5°C bis +55°C möglichst unverändert konstant bleiben. Ist das, insbesondere bei den extrem angestiegenen Speicherdichten heutiger Festplattenlaufwerke nicht gewährleistet, können Fertigungsungenauigkeiten der Wälzlager zu einer unerwünschten Anregung der Eigenfrequenz(en) und damit zu nicht tolerierbaren Schwingungsamplituden der Speicherplatten führen. Die Folge sind massive Funktionsstörungen in Form von extrem langen Zugriffszeiten bis hin zur Verarbeitung fehlerhafter bzw. falscher Daten.

Beim derzeitigen Stand der Technik wird für den Rotor üblicherweise Aluminium und für die Lager Wälzlagerstahl verwendet. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser beiden Werkstoffe unterscheiden sich jedoch etwa um dem Faktor 2, da α-Aluminium ca. 24.10^-6 [K^-1] und α-Stahl ca. 12.10^-6 [K^-1] ist. Das bedeutet, dass sich mit steigender Temperatur das die Wälzlageraußenringe umschließende Aluminium des Rotors stärker ausdehnt als die Lagerringe selbst. Dadurch nimmt - mit ansteigernder Temperatur - das Übermaß in der Passfuge ab, wodurch sich das "nominelle" Radialspiel im Lager vergrößert. Ein größeres Radialspiel bedeutet aber eine Verringerung der elastischen Verformung, wodurch die Steifigkeit des Gesamtsystems abnimmt. Da der Elastizitätsmodul der Speicherplatten ebenfalls mit steigernder Temperatur abnimmt, ergibt sich eine unerwünschte Temperaturabhängigkeit der Eigenfrequenz des Gesamtsystems. Die Eigenfrequenz nimmt also entgegen der eingangs aufgestellten Forderung mit ansteigender Betriebstemperatur ab bzw. mit sinkender Temperatur zu, was insbesondere bei Festplatten mit hoher Speicherdichte zu Funktionsstörungen während des Betriebs führen kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einer temperaturabhängigen Veränderung des Radialspiels der Wälzlager als Ursache für die Temperaturabhängigkeit der Eigenfrequenz entgegenzuwirken, diese also zu minimieren bzw. ganz auszuschalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

In einer ersten Ausführungsform zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass mindestens ein auf wenigstens einen äußeren und/oder inneren Lagerring einwirkendes Ausgleichselement vorhanden ist, das zwischen dem entsprechenden Lagerring und einem den Lagerring tragenden Teil angeordnet ist und einen vorgegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α besitzt.

Das Ausgleichselement ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet, ebenso wie die Lagerringe selbst.

Das Ausgleichselement ist vorzugsweise direkt am Stator, an der Welle oder am Rotor angeordnet, wobei sich das Ausgleichselement an geeigneten Flächen dieser Bauteile abstützen kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der äußere Lagerring größtenteils von dem Ausgleichselement umgeben ist. Das Ausgleichselement besteht vorzugsweise aus einem Material mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Keramikwerkstoff. Da sich das Ausgleichselement bei Temperaturerhöhung nur wenig ausdehnt, wird der Außenring gezwungen, sich nach innen in Richtung des Innenrings zu verlagern im Sinne einer Einschnürung. Die dadurch verursachte Verringerung des nominellen Radialspiels wirkt einer temperaturabhängigen Abnahme der Lagervorspannung entgegen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Ausgleichselement verwendet, das aus einem Material mit einem großen Wärmeausdehnungskoeffizienten α, vorzugsweise α < 12.10^-6[K^-1], besteht.

Das Ausgleichselement kann derart angeordnet werden, dass es sich bei Temperaturerhöhung in axialer Richtung ausdehnt und auf den zugeordneten Lagerring eine Kraft in axialer Richtung ausübt.

Ebenso kann das Ausgleichselement derart angeordnet werden, das es sich bei Temperaturerhöhung in radialer Richtung ausdehnt und auf den zugeordneten Lagerring eine Kraft in radialer Richtung ausübt.

Auch eine Kombination von axialer und radialer Einwirkung eines oder mehrerer Ausgleichselemente auf einen oder mehrere Lagerringe ist möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgleichselement nicht direkt an der Welle sondern an einem auf der Welle angeordneten Ringeinsatz angeordnet ist. Dadurch kann das Ausgleichselement einfacher positioniert werden, insbesondere wenn das Ausgleichselement in axialer Richtung auf einen Lagerring einwirken soll.

Der Ringeinsatz besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem kleinen Ausdehnungskoeffizienten α, das heißt er bildet eine sich bei Temperaturerhöhung nur wenig ausdehnende Referenzfläche für das Ausgleichselement. Statt eines separaten Ringeinsatzes kann aber auch ein einstückig mit der Welle verbundener Ring bzw. ein an der Welle angeformter Bund vorgesehen sein.

Erfindungsgemäß spielt es keine Rolle, ob das Ausgleichselement aus einem Teil oder aus mehreren Teilen besteht.

Als Materialien mit großem Ausdehnungskoeffizienten α zur Herstellung des Ausgleichselements können Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Kunststoff verwendet werden.

Als Materialien mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten α bieten sich Stahl, Stahllegierungen oder Keramikwerkstoffe an.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Welle selbst als Ausgleichselement verwendet. Die Welle besteht in diesem Fall aus einem Werkstoff mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizient α.

Die Innenringe sind an der Welle angeordnet und fest mit dieser verbunden. Vorzugsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffzient von Außen- und Innenring(en).

Alternativ zur Anwendung von separaten Ausgleichselementen zum Ausgleich des "nominellen" Radialspiels bei Temperaturänderungen, können auch die Wälzkörper selbst als Ausgleichselemente verwendet werden. Die Wälzkörper bestehen hierbei aus einem Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α, vorzugsweise α < 12.10^-6[K^-1], während die zugehörigen Lageraußen- und/oder Innenringe aus einem Material mit einem kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α, vorzugsweise α < 12.10^-6[K^-1] bestehen.

Um die Wirkung der Ausdehnung der Wälzkörper besser kontrollieren zu können, wird es bevorzugt, wenn der Ausdehnungskoeffizient der Wälzkörper wesentlich größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Lagerringe bzw. der übrigen Lagerkomponenten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit bezug auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungen der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt eines Spindelmotor nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Spindelmotor mit Lageranordnung und Ausgleichselement zur radialen Einwirkung auf den äußeren Lagerring;

Fig. 3 eine Lageranordnung mit Ausgleichselement zur radialen Einwirkung auf den inneren Lagerring;

Fig. 4 eine Lageranordnung mit Ausgleichselement zur axialen Einwirkung auf den inneren Lagerring;

Fig. 5 einen Spindelmotor mit Lageranordnung und Ausgleichselement zur axialen Einwirkung auf den äußeren Lagerring;

Fig. 6 einen Spindelmotor mit Lageranordnung und Ausgleichselement ähnlich wie Fig. 5, jedoch mit rotierender Welle;

Fig. 7 einen Spindelmotor mit Lageranordnung und Ausgleichselementen zur gemeinsamen bzw. gleichzeitigen radialen Einwirkung auf den äußeren und inneren Lagerring;

Fig. 8 eine weitere Lageranordnung im Halbschnitt für den Spindelmotor eines Festplattenlaufwerkes mit Ausgleichselement zur axialen Einwirkung auf einen inneren Lagerring; und

Fig. 9 im Halbschnitt eine andere Lageranordnung für den Spindelmotor eines Festplattenlaufwerkes, bei der die Welle unmittelbar als Ausgleichselement in axialer Richtung auf die beiden Innenringe wirkt.

In den folgenden Ausführungsbeispielen sind hauptsächlich ringförmige Ausgleichselemente dargestellt, die nachfolgend als Ausgleichsringe bezeichnet werden. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, auch andersartige Ausgleichselemente zu verwenden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor nach dem Stand der Technik. Der Spindelmotor umfaßt einen Stator 3 und einen gegenüber dem Stator 3 drehbar gelagerten Rotor 7. Der Stator 3 ist durch eine Basisplatte 1 gebildet, in deren ringförmiger Ausnehmung ein Blechpaket 4 angeordnet ist, welches eine Wicklung 14 trägt.

Der Rotor 7 trägt an seinem Innenumfang einen Eisenrückschluß 6, an dem innenseitig ein ringförmiger Permanentmagnet 5 angeordnet ist, dessen Magnetpolpaare vorzugsweise radial ausgebildet sind. Der Permanentmagnet 5 des Rotors 7 ist gegenüber dem Wicklungspaket 4 des Stators 3 über einen konzentrischen Luftspalt 15 beabstandet.

Eine Welle 8 ist fest mit der Basisplatte 1 verbunden. Der Rotor 7 ist auf der Welle 8 drehbar gelagert. Zwischen der Welle 8 und dem Rotor 7 befinden sich Lageranordnungen, vorzugsweise Wälzlager.

Die obere Lageranordnung umfaßt einen Innenring 9 und einen Außenring 11. Der Innenring 9 ist feststehend mit der Welle 8 verbunden, während der Außenring 11 fest mit dem Rotor 7 verbunden ist. Zwischen dem Innenring 9 und dem dazugehörigen Außenring 11 sind Wälzkörper 10 angeordnet, die vorzugsweise aus Kugeln bestehen. Die Wälzkörper können jedoch auch tonnenförmig, zylinderförmig oder in anderer bekannter Weise ausgebildet sein.

Die untere Lageranordnung wird dadurch gebildet, dass zwischen einer Laufbahn 12 der Welle 8 und dem durchgehenden Außenring 11 weitere Wälzkörper 13 angeordnet sind. Bei dieser Lageranordnung wird der Innenring also durch die Welle 8 selbst gebildet. Es kann jedoch auch ein separater Innenring vorgesehen werden.

Der durchgehende Außenring 11 muß nicht einteilig ausgebildet sein, sondern kann aus zwei Teilen bestehen, eines für die obere Lageranordnung und eines für die untere Lageranordnung. Man benötigt jedoch immer mindestens ein bei der Montage positionierbares Teil, zum Beispiel den Innenring 9, um gegenüber dem Außenring 11 eine Vorspannung im Lager zu erzeugen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Innenring 9 mit der Welle 8 z. B. durch eine Klebeverbindung verbunden, wobei während des Klebeprozesses eine axial gerichtete Kraft auf den Innenring 9 ausgeübt wird, die den Innenring axial nach unten drückt, so dass die Wälzkörper 10 die Kraft auf den Außenring 11 übertragen und als Folge der entstehenden elastischen Verformungen die gewünschte mechanische Vorspannung zwischen Innenring(en) und Außenring(en) erreicht wird.

Steigt nun die Umgebungstemperatur, so erwärmen sich die Komponenten des Spindelmotors, entsprechend also auch die Lagerkomponenten. Die einzelnen Lagerkomponenten, sowie der den (die) äußeren Lagerring(e) umgreifende Rotor dehnen sich aus, insbesondere nimmt die durch den Presssitz zwischen Rotor 7 und Aussenring 11, 24 hervorgerufene Einschnürung der (des) Aussenringe(s) ab, wodurch das nominelle Lagerspiel in unerwünschter Weise zunimmt.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken zeigt Fig. 2 einen Spindelmotor, der im wesentlichen dem Motor gemäß Fig. 1 entspricht. Erfindungsgemäß ist ein Ausgleichsring 16 vorgesehen, der zwischen dem Rotor 7 und dem äußeren Lagerring 11 angeordnet ist und der den Lagerring 11 im wesentlichen vollständig umgibt. Der Ausgleichsring 16 besteht aus einem Material mit einem großen Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Beispiel aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, und dehnt sich bei steigender Temperatur relativ stark aus. Steigt nun die Umgebungstemperatur, so dehnen sich die Lagerringe 9, 11 aus. Der aus Aluminium bestehende Rotor 7 dehnt sich jedoch stärker aus, als die aus Stahl bestehenden Lagerteile, so daß die Einschnürung der (des) Aussenringe(s) ab- und das nominelle Lagerspiel zunehmen würde.

Dadurch aber, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ausgleichsrings 16 größer ist als der des Rotors 7 dehnt sich stattdessen der Ausgleichsring 16 in viel stärkerem Masse aus als die Lagerringe 9, 11 und zwar in Pfeilrichtung 17 entgegengesetzt zur Ausdehnungsrichtung des äußeren Lagerrings 11. Der Ausgleichsring 16 übt also eine radial nach innen gerichtete Kraft auf den äußeren Lagerring 11 aus, welcher dadurch radial nach innen gedrückt bzw. eingeschnürt wird, wodurch die temperaturabhängige Vergrößerung des Lagerspiels kompensiert wird. Die ursprüngliche Einschnürung des äußeren Lagerringes 11 bleibt also bestehen und damit bleibt auch die eingestellte Vorspannung des Lagers trotz Temperaturänderung weitgehend konstant.

In gleichem Maße wirkt der Ausgleichsring 16 auf die untere Lageranordnung, die durch die Welle 8, die Wälzkörper 13 und den Außenring 11 gebildet wird. Genauso ist es möglich einen Ausgleichsring 16 zu verwenden, der aus einem Material mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Keramikwerkstoff, besteht. Da sich der Ausgleichsring 16 bei Temperaturerhöhung nur wenig ausdehnt, wird der Außenring 11 gezwungen, sich nach innen in Richtung des Innenrings 9 "auszudehnen", wodurch sich das nominelle Lagerspiel verringert und die Vorspannung mit steigender Temperatur sogar erhöht wird. Das ist besonders dann erwünscht, wenn die Wälzkörper ebenfalls aus Keramik bestehen, sich also nicht im gleichen Maße ausdehnen können wie die umgebenden Stahlteile.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt einer Lageranordnung für den Spindelmotor eines Festplattenlaufwerkes mit einem an der Welle angeordneten Ausgleichsring 18 der auf den radial weiter außen gelegenen Innenring 9 wirkt. Durch den Ausgleichsring 18 wird der Innenring 9 bei Temperaturerhöhung in radialer Richtung (Pfeilrichtung 19) nach außen gedrückt, also gedehnt, wodurch wiederum das nominelle Radialspiel reduziert wird.

Fig. 4 zeigt eine Lageranordnung ähnlich wie in Fig. 3, wobei ein Ausgleichsring 21 vorhanden ist, der in axialer Richtung 22 auf den Innenring 9 einwirkt. Der Ausgleichsring 21 sitzt nicht direkt auf der Welle 8, sondern wird durch einen Ringeinsatz 20 getragen, welcher Ringeinsatz auf der Welle befestigt ist. Der Ringeinsatz 20 weist am oberen Ende einen Flansch auf, an dem der Ausgleichsring 21 anliegt und sich in axialer Richtung abstützt. Erhöht sich die Umgebungstemperatur, so dehnen sich die Lagerkomponenten 9, 11 in bekannter Weise aus. Der Ausgleichsring dehnt sich ebenfalls aus, jedoch stärker als die umgebenden Teile, und übt dadurch eine axiale, in Pfeilrichtung 22 gerichtete Kraft auf den Innenring 9 aus. Diese Kraft bewirkt eine Verschiebung des Innenrings 9. gegenüber dem Außenring 11 in axialer Richtung, wodurch das nominelle Spiel ab- und die Vorspannung des Lagers zunimmt. Diese Ausführung wird insbesondere bei der Verwendung von Wälzkörpern aus Keramik bevorzugt eingesetzt, weil in diesem Fall die ursprüngliche Vorspannung konstant gehalten werden kann.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Spindelmotors mit zwei Lageranordnungen, die jeweils einen Innenring 23a bzw. 23b, einen Außenring 24a bzw. 24b und dazwischen angeordnete Wälzkörper 10 bzw. 13 aufweisen.

Zwischen den beiden Lageranordnungen ist ein Ausgleichsring 25 angeordnet, der in einer Ringnut der Innenfläche des Rotors 7 eingebettet ist.

Erhöht sich die Temperatur des Spindelmotors, so dehnen sich alle Komponenten entsprechend ihrem materialspezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. Der aus Aluminium bestehende Rotor 7 dehnt sich dabei stärker aus als die aus Stahl bestehenden Aussenringe 24a, 24b, wodurch die durch den Presssitz zwischen Rotor 7 und Aussenringen 24a, 24b hervorgerufene Einschnürung der Aussenringe ab- und das nominelle Lagerspiel zunimmt.

Dadurch, daß sich der Ausgleichsring 25 jedoch stärker als der Rotor 7 ausdehnt, übt er eine Kraft in Pfeilrichtung 26 auf den unteren Außenring 24b aus. Diese Kraft hat eine Verschiebung des Aussenringes 24b in Pfeilrichtung 26 zur Folge, wodurch das ursprüngliche nominelle Lagerspiel wieder hergestellt wird.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Spindelmotors mit einer fest mit dem Rotor 7 verbundenen, rotierenden Welle 27 und zwei separaten Lageranordnungen, wie sie auch die Ausführung gemäss Fig. 5 aufweist. Die Lageranordnungen weisen jeweils einen Innenring 23a bzw. 23b, einen Außenring 24a bzw. 24b und dazwischen angeordnete Wälzkörper 10 bzw. 13 auf. Zwischen den beiden Lageranordnungen ist ein Ausgleichsring 28 angeordnet, der in einer Ringnut der Innenfläche des Stators 3, genauer gesagt der Grundplatte 1 eingebettet ist. Erhöht sich die Temperatur des Spindelmotors, so dehnen sich die Lagerkomponenten wie auch der Ausgleichsring 28 aus. Der Ausgleichsring 28 liegt an der Stirnseite des Außenrings 24b der unteren Lageranordnung an. Dehnt sich der Ausgleichsring 28 aus, so wird eine axiale, in Pfeilrichtung 29 gerichtete Kraft auf die Stirnseite des unteren Außenrings 24b ausgeübt. Dadurch verschiebt sich der untere Außenring 24b gegenüber dem unteren Innenring 23b in axialer Richtung, wodurch die Zunahme des nominellen Lagerspiels infolge abnehmender Einschnürung des Aussenrings gerader wieder aufgehoben bzw. kompensiert und die ursprüngliche Vorspannung des Lagers wieder hergestellt wird.

In Fig. 7 ist ein Spindelmotor gezeigt, der im wesentlichen der Ausführung gemäss Fig. 2 entspricht. Der Außenring 11 ist von einem Ausgleichsring 16 umgeben. Zusätzlich ist ein weiterer Ausgleichsring 30 vorgesehen, der auf der Welle 8 angeordnet ist und der auf den Innenring 9 wirkt. Durch die Ausgleichsringe 16 und 30 wird eine gleichzeitige radiale Einwirkung auf den äußeren und inneren Lagerring 11, 9 in Richtung der Pfeile 31, 32 erreicht, wobei bei geeigneter Auswahl der Materialien der Ausgleichsringe 16, 30 eine sehr gute Temperaturkompensation des Lagerspiels erzielt werden kann.

In Fig. 8 ist eine Lageranordnung dargestellt mit zwei auf der Welle 27 angeordneten Innenringen 23a. 23b, einem gemeinsamen Außenring 11 für die beiden Wälzkörperkollektive mit den Wälzkörpern 10, 13 und einem Ausgleichsring 21, der zwischen einem an der Welle angeformten Bund 33 und dem unteren Innenring 23b angebracht ist.

Der untere Innenring 23b ist in axialer Richtung frei beweglich, der obere Innenring 23a ist dagegen durch an sich bekannte Maßnahmen z. B. durch kleben, schweißen, pressen o. ä. mit der Welle 27 fest verbunden. Diese Verbindung überträgt die aus der eingefrorenen Vorspannung resultierenden Axialkräfte auf das obere Wellenende, wohingegen der untere Innenring 23b die, entgegengesetzt gerichteten, Axialkräfte auf den Ausgleichsring 21 überträgt, der sich seinerseits auf dem am unteren Wellenende angeformten Bund 33 abstützt.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle 27 und der Wälzkörper 10, 13 ist gleich oder kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Außen- und Innenring(en). Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ausgleichsringes 21 dagegen ist größer als der von Außen- und von Außen- und Innenringen 11, 23a, 23b.

Bei einer Temperaturerhöhung dehnt sich nun der Ausgleichsring 21 in axialer Richtung vergleichsweise stärker aus als der entsprechende Längenabschnitt auf der Welle 27. Dadurch wird der untere Innenring 23b in Richtung auf den oberen, fest mit der Welle 27 verbundenen Innenring 23a verschoben, wodurch wiederum das "nominelle Radialspiel" infolge abnehmender Einschnürung des gemeinsamen Außenrings 11 trotz Temperaturerhöhung keine Veränderung erfährt und somit auch die "eingefrorene" Verspannung und damit auch der Grad der elastischen Verformung konstant bleibt.

In Fig. 9 ist eine Lageranordnung dargestellt mit zwei auf der Welle 27 angebrachten Innenringen 23a, 23b, Wälzkörpern 10, 13 und einem gemeinsamen Außenring 11. Ein zusätzliches Ausgleichselement entfällt, da die Welle 27 selbst als Ausgleichselement dient. Beide Innenringe 23a, 23b sind durch an sich bekannte Maßnahmen wie z. B. schweißen, pressen oder kleben fest mit der Welle 27 verbunden. Die aus der "eingefrorenen" Vorspannung herrührenden Axialkräfte werden von den Innenringen 23a, 23b über die Verbindungsstelle auf die Welle 27 übertragen, derart, daß in der Welle 27 im Bereich zwischen den Innenringen 23a, 23b Zugspannungen entstehen, die den übertragenen Axialkräften äquivalent sind. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle 27 ist kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffzient von Außen- und Innenring(en) 11, 23a, 23b.

Bei einer Temperaturerhöhung dehnt sich der Außenring 11 in axialer Richtung aus, die auf der Weile befestigten Innenringe 23a, 23b verändern Ihren Abstand zueinander jedoch wegen des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle 27 nicht in gleichem Maße wie der Außenring 11. Dadurch kann wiederum das "nominale" Radialspiel infolge abnehmender Einschnürung des Außenringes 11 trotz Temperaturerhöhung beibehalten werden, so daß auch in diesem Fall die eingefrorene Vorspannung und damit die elastischen Verformungen keine Veränderungen erfahren.

Alternativ zur Anwendung von Ausgleichsringen zum Ausgleich des nominellen Lagerspiels bei Temperaturänderungen, können auch die Wälzkörper selbst als Ausgleichselemente verwendet werden. Beim Spindelmotor nach Fig. 1, der ein relativ stark temperaturabhängiges Lagerspiel aufweist, können erfindungsgemäß Wälzkörper 10, 13 mit einem vorgegebenen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden. Der Ausdehnungskoeffizient der Wälzköper sollte größer sein als der Ausdehnungskoeffizient der Lagerringe. Einer Vergrößerung des nominellen Lagerspiels, welches bei Temperaturerhöhung auftritt, wird durch die überproportionale Ausdehnung der Wälzkörper 10, 13 entgegengewirkt.

Zeichnungslegende

1

Basisplatte

2

Wicklung

3

Stator

4

Blechpaket

5

Permanentmagnet

6

Eisenrückschluß

7

Rotor

8

Welle

9

Innenring

10

Wälzkörper

11

Außenring

12

(innere) Laufbahn

13

Wälzkörper

14

Wicklung

15

Luftspalt

16

Ausgleichsring

17

Pfeilrichtung

18

Ausgleichsring

19

Pfeilrichtung

20

Ringeinsatz

21

Ausgleichsring

22

Pfeilrichtung

23

Innenring

23

a,

23

b

24

Außenring

24

a,

24

b

25

Ausgleichsring

26

Pfeilrichtung

27

Welle (rotierend)

28

Ausgleichsring

29

Pfeilrichtung

30

Ausgleichsring

31

Pfeilrichtung

32

Pfeilrichtung

33

Bund

Claims

1. Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb der Speicherplatte(n) eines Festplattenlaufwerkes, mit einem Stator, einem Rotor; einer zwischen Stator und Rotor angeordneten Welle, und mindestens einem an der Welle angeordneten Wälzlager, das einen inneren und einen äußeren Lagerring mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern umfaßt, gekennzeichnet durch mindestens ein, auf wenigstens einen äußeren und/oder inneren Lagerring (9, 11; 23, 24) einwirkendes Ausgleichselement (16, 18, 21, 25, 28, 30), das zwischen dem entsprechenden Lagerring (9, 11; 23, 24) und einem den Lagerring tragenden Teil angeordnet ist und das einen vorgegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α besitzt.

2. Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgleichselement (16, 18, 21, 25, 28, 30) ringförmig ausgebildet ist.

3. Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgleichselement (16, 18, 21, 25, 28, 30) am Stator (3), an der Welle (8) oder am Rotor (7) angeordnet ist.

4. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Lagerring (11) größtenteils von dem Ausgleichselement (16) umgeben ist.

5. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (16, 18, 21, 25, 28, 30) aus einem Material mit einem großen Ausdehnungskoeffizienten α, vorzugsweise α < 24.10^-6[K^-1 besteht.

6. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (16) aus einem Material mit einem kleineren Ausdehnungskoeffizienten α, vorzugsweise α < 12.10^-6[K^-1] besteht.

7. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (21, 25, 28) derart angeordnet ist, dass es sich bei Temperaturerhöhung in axialer Richtung ausdehnt und auf den zugeordneten Lagerring eine Kraft in axialer Richtung ausübt.

8. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (16, 18, 30) derart angeordnet ist, dass es sich bei Temperaturerhöhung in radialer Richtung ausdehnt und auf den zugeordneten Lagerring eine Kraft in radialer Richtung ausübt.

9. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (21) an einem auf der Welle (8) angeordneten Ringeinsatz (20) angeordnet ist.

10. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (16, 18, 21, 25, 28, 30) aus mehreren Teilen besteht.

11. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien mit großen Wärmeausdehnungskoeffizienten α Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Kunststoff verwendet werden.

12. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien mit kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten α Stahl, Stahllegierungen oder Keramik verwendet werden.

13. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer der inneren Lagerringe (9, 23a, 23b) durch die Welle (8) mit der Laufbahn (12) gebildet ist.

14. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper aus einem Werkstoff bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient α geringer ist, als der von Außen- und Innenring(en).

15. Spindelmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper aus Keramik bestehen.

16. Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb der Speicherplatte(n) eines Festplattenlaufwerkes, mit einem Stator, einem Rotor; einer zwischen Stator und Rotor angeordneten Welle, und mindestens einem an der Welle angeordneten Wälzlager, das einen inneren und einen äußeren Lagerring mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8; 27) als Ausgleichselement verwendet wird und aus einem Werkstoff mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizient α besteht.

17. Spindelmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenringe (23a, 23b) fest mit der Welle (8; 27) verbunden sind.

18. Spindelmotor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle (8; 27) kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffzient von Außen- und Innenring(en) (11, 23a, 23b).

19. Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb der Speicherplatte(n) eines Festplattenlaufwerkes, mit einem Stator, einem Rotor; einer zwischen Stator und Rotor angeordneten Welle, und mindestens einem an der Welle angeordneten Wälzlager, das einen inneren und einen äußeren Lagerring mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10, 13) als Ausgleichselement verwendet werden und aus einem Werkstoff bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient α größer ist als der der Außen- und Innenringe.

20. Spindelmotor nach den Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10; 13) aus einem Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α, vorzugsweise α < 12.10^-6[K^-1] und die inneren und/oder äußeren Lagerringe dagegen aus einem Material mit einem kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α, vorzugsweise α < 12.10^-6 [K^-1], bestehen.

21. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10, 13) oberflächengehärtet oder hartbeschichtet sind.

22. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10, 13) aus Vollmaterial bestehen.