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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem,
insbesondere einen Spindelmotor kleiner Baugröße vorzugsweise zum Antrieb
von Speicherplattenlaufwerken.
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Durch
die fortschreitende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken entstehen
neue konstruktive Probleme, insbesondere bei der Herstellung kleiner
Antriebsmotoren und geeigneten Lagersystemen. Wurden bisher Wälzlagersysteme
verwendet, setzen sich nun fluiddynamische Lagersysteme aufgrund
ihrer kleineren Bauart und höheren
Präzision immer
mehr durch.
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Es
ist bekannt, die verwendeten Lagersysteme mit zwei Radiallagern
auszustatten. Um die erforderliche Lagersteifigkeit zu erreichen,
müssen
die Radiallager in einem ausreichenden axialen Abstand zueinander
angeordnet sein. Dennoch sind herkömmliche konstruktive Lösungen für fluiddynamische
Festplattenlager und die Verfahren zu ihrer Herstellung bei der
Konstruktion von Miniatur-Spindelmotoren nicht oder nur unter Schwierigkeiten
anwendbar. Je kleiner die Lagersysteme werden, desto geringer wird
bei herkömmlicher
Bauweise ihre Tragkraft und Steifigkeit.
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Die
US 5 538 347 A offenbart
ein Luftlager, das ein rotierendes ringförmiges Bauteil umfasst, das sich
um ein feststehendes zylinderförmiges
Bauteil dreht. Zwischen den einander zugewandten Umfangsflächen der
beiden Bauteile ist ein Radiallager angeordnet. Die Stirnflächen des
rotierenden Bauteils bilden zusammen mit zwei feststehenden scheibenförmigen Bauteilen
jeweils ein Axiallager aus. In bekannter Weise sind die Lagerflächen durch
einen Lagerspalt voneinander beabstandet. Der notwendige dynamische
Luftdruck im Lagerspalt wird durch Oberflächenstrukturen erzeugt, die
auf den Lagerflächen
aufgebracht sind. Das hier beschriebene dynamische Luftlager eignet
sich nur bedingt für
einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes,
da aufgrund des zentralen feststehenden Bauteils die Befestigung
der Speicherplatten am rotierenden Bauteil problematisch ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Spindelmotor mit einem
fluiddynamischen Lager zu schaffen, der bei geringer Baugröße, insbesondere
einer geringen Bauhöhe,
eine hohe Lagersteifigkeit aufweist. Sofern der Spindelmotor zum
Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks eingesetzt wird, soll eine
einfache Montage der Speicherplatten möglich sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Spindelmotor
mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst einen Rotor mit einer zylindrischen
Welle, einer an einem Ende der Welle angeordneten ersten Lagerscheibe
und einer zweiten Lagerscheibe, die in einem Abstand zur ersten
Lagerscheibe an der Welle angeordnet ist, derart, dass sich ein
ringscheibenförmiger
Freiraum zwischen den beiden Lagerscheiben ausbildet; einen Stator
mit einem ringscheibenförmigen
Bauteil, das in dem durch den Rotor gebildeten ringscheibenförmigen Freiraum
angeordnet ist, wobei jeweils einander gegenüberliegende Lagerflächen des
Stators und des Rotors durch einen mit einem fluiden Medium gefüllten Lagerspalt
getrennt sind; ein Radiallager, gebildet zwischen dem Außenumfang
der Welle und dem Innenumfang des ringscheibenförmigen Bauteils; zwei Axiallager,
gebildet durch die beiden Stirnflächen des ringscheibenförmigen Bauteils
und den jeweils gegenüberliegenden
Stirnflächen
der Lagerscheiben; und eine elektromagnetische Antriebseinheit.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Radiallager
durch Oberflächenstrukturen
auf der Welle und/oder dem ringscheibenförmigen Bauteil definiert, wobei
die Strukturen eine in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung auf
das fluide Medium erzeugen. Entsprechend ist jedes Axiallager ebenfalls
durch Oberflächenstrukturen auf
dem ringscheibenförmigen
Bauteil und/oder der Lagerscheibe definiert, wobei die Strukturen
eine überwiegend
radial nach innen in Richtung des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung
auf das fluide Medium erzeugen. Die Pumpwirkungen der beiden Axiallager
sind zueinander entgegengesetzt gerichtet.
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Vorzugsweise
ist der Spindelmotor für
den Einsatz in einem Speicherplattenlaufwerk vorgesehen, wobei ein
rotierendes Teil des Motors die mindestens eine Speicherplatte antreibt.
In vorteilhafter Weise wird die erste Lagerscheibe als Träger für die Speicherplatte
des Speicherplattenlaufwerks verwendet, wobei die Speicherplatte
vorzugsweise mittels einer Klammer (clamp) an der Lagerscheibe befestigt
ist. Aufgrund der sich zusammen mit der Lagerscheibe drehenden Welle
kann die Klammer auf einfache Weise mittels einer Schraube in einer
zentralen Bohrung der Welle befestigt werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
zweite Lagerscheibe, die zusammen mit der ersten Lagerscheibe und
der Welle den Rotor des Spindelmotors bildet, an ihrem Außenumfang
Permanentmagnete als Teil der elektromagnetischen Antriebseinheit
trägt.
Das ringscheibenförmige
Bauteil ist vorzugsweise in einer zentralen Öffnung eines Gehäuserahmens
des Spindelmotors angeordnet.
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Der
Gehäuserahmen
bildet einen ringförmigen
Hohlraum aus, in welchem Statorwicklungen als Teil der elektromagnetischen
Antriebseinheit angeordnet sind, wobei die Statorwicklungen die
an der zweiten Lagerscheibe angeordneten Permanentmagnete umgeben
und diesen gegenüberliegen.
Durch entsprechende Bestromung der Statorwicklungen wird ein elektromagnetisches
Feld erzeugt, das auf die Permanentmagnete wirkt und den Rotor antreibt.
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Eine
magnetische Abschirmung der Speicherplatte gegenüber dem Magnetkreis der Antriebseinheit
wird dadurch erreicht, dass der Gehäuserahmen oder ein weiteres
mit dem Stator verbundenes weichmagnetisches Bauteil zwischen den
Statorwicklungen und der Speicherplatte angeordnet ist. Ein separates
Bauteil zur Schirmung kann daher im ersten Fall eingespart werden.
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Das
fluiddynamische Lager weist in der erfindungsgemäßen Konstruktion zwei offene
Enden auf, die beide durch Dichtungsmittel abgedichtet werden müssen, damit
kein Lagerfluid in den Motorraum austritt. Dabei werden erfindungsgemäß dynamische Dichtungsmittel
verwendet, die durch die vorhandenen Oberflächenstrukturen der Axiallager
gebildet sein können
und auf das fluide Medium eine in das Innere des Lagers gerichtete
Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung des
offenen Endes des Lagerspalts bewirken. Die Dichtungsmittel können auch
durch von den Lagerstrukturen unterschiedliche Dichtungsstrukturen
gebildet werden, die eine unabhängige
Pumpwirkung in Richtung des Inneren des Lagesystems erzeugen.
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In
den dem Lagerspalt zugewandten Stirnflächen des ringscheibenförmigen Bauteils
oder der Lagerscheiben, radial außerhalb der Oberflächenstrukturen,
können
ringförmige
Aussparungen vorgesehen sein, die zumindest teilweise mit dem fluiden
Medium gefüllt
sind, als Vorratsvolumina für
das fluide Medium dienen und den Lagerspalt nach außen abdichten.
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Durch
Integration von Bauteilefunktionen besteht der erfindungsgemäße Spindelmotor
aus wenigen Bauteilen. Diese sind mit herkömmlichen Fertigungsverfahren
herstellbar. Da die benötigte
Kippsteifigkeit nicht durch Radiallager mit großem axialem Abstand, sondern
vorrangig durch die Axiallager erreicht wird, kann die nötige Bauhöhe klein
ausgeführt
werden. Die axiale Steifigkeit ist dadurch groß. Die noch notwendige radiale
Steifigkeit wird durch das Radiallager erzielt.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion liegt darin,
dass durch die Anordnung des Stators keine Durchführung der
elektrischen Verbindung durch den Gehäuserahmen (Baseplate) nötig ist.
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Ein
erfindungsgemäßer Spindelmotor
mit geringer Bauhöhe
eignet sich insbesondere zum Antrieb der Speicherplatten von Festplattenlaufwerken. Vor allem
bei Festplattenlaufwerken für
mobile Anwendungen besteht aber in ungünstigen Fällen die Gefahr, dass die Gehäuseabdeckungen
durch einwirkende Druckbelastungen verformt (durchgebogen) werden.
Dadurch ist eine Beeinträchtigung
oder sogar Beschädigung
der rotierenden Speicherplatten, des Antriebsmotors oder der Schreib-/Leseköpfe des
Festplattenspeichers möglich.
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Um
dies zu vermeiden ist es in einer anderen bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, dass die Welle als Hohlwelle ausgebildet
ist, und im Zentrum der Hohlwelle ein durchgehender Stift angeordnet
ist, der an gegenüberliegenden
Seiten eines den Spindelmotor aufnehmenden Gehäuses befestigt ist. Dieser
Stift erhöht
die Festigkeit der Gehäusedeckel
und verhindert ein Durchbiegen der Gehäusedeckel und folglich eine
Beschädigung
des Festplattenlaufwerks. Alternativ oder zusätzlich können weitere Versteifungen
außerhalb
des Durchmessers der rotierenden Speicherplatte in Form von mindestens
einem durchgehenden Stift vorgesehen sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere
Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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Es
zeigen:
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1:
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit fluiddynamischem
Lagersystem;
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2:
eine Ansicht des feststehenden, ringscheibenförmigen Bauteils des Lagersystems
von unten;
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3:
eine Ansicht einer anderen Ausgestaltung des ringscheibenförmigen Bauteils;
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4:
einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit
fluiddynamischem Lagersystem;
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5:
einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit
fluiddynamischem Lagersystem.
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6:
eine Ansicht des feststehenden, ringscheibenförmigen Bauteils des Lagersystems
in 5 von unten;
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7:
eine Ansicht einer anderen Ausgestaltung des ringscheibenförmigen Bauteils.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
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1 zeigt
den grundsätzlichen
Aufbau eines erfindungsgemäßen Spindelmotors 1.
Der Spindelmotor 1 zeichnet sich durch seine einfache Bauweise
aus und umfasst ein fluiddynamisches Lagersystem. Der Rotor des
Spindelmotors wird gebildet durch eine zylindrische Welle 2,
eine an einem Ende der Welle angeordnete erste Lagerscheibe 3 und eine
zweite Lagerscheibe 4, die in einem Abstand zur ersten
Lagerscheibe 3 an der Welle 2 angeordnet ist, derart,
dass sich ein ringscheibenförmiger
Freiraum zwischen den beiden Lagerscheiben ausbildet.
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Der
Stator des Spindelmotors umfasst ein feststehendes Lagerteil in
Form eines ringscheibenförmigen
Bauteils 5, das in dem durch den Rotor gebildeten ringscheibenförmigen Freiraum
aufgenommen ist. Jeweils einander gegenüberliegenden Lagerflächen des
Stators und des Rotors sind durch einen mit einem fluiden Medium,
beispielsweise Lageröl
oder auch Luft, gefüllten
Lagerspalt 6 voneinander getrennt.
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Das
fluiddynamische Lagersystem umfasst ein Radiallager 7,
das zwischen dem Außenumfang der
Welle 2 und dem Innenumfang des ringscheibenförmigen Bauteils 5 ausgebildet
ist. Das Radiallager 7 ist in bekannter Weise durch Oberflächenstrukturen 8 definiert,
die auf der Welle 2 und/oder dem ringscheibenförmigen Bauteil 5 angeordnet
sind. Die Oberflächenstrukturen 8 sind
derart beschaffen, dass sie bei Rotation der Welle 2 eine
in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung auf das fluide Medium
ausüben.
Gemäß 1 sind
die Oberflächenstrukturen 8 als
schräge,
vorzugsweise zueinander symmetrische Rillenmuster ausgebildet, die
bei einer Rotation der Welle 2 nach links einen in das Zentrum
des Radiallagers gerichteten hydrodynamischen Druck erzeugen.
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Ferner
umfasst das Lagersystem zwei Axiallager 9, 10,
die durch die beiden Stirnflächen
des ringscheibenförmigen
Bauteils 5 und die diesen Flächen jeweils gegenüberliegenden
Stirnflächen
der Lagerscheiben 3 bzw. 4 gebildet werden. Jedes
Axiallager 9 bzw. 10 ist ebenfalls durch Oberflächenstrukturen 11 bzw. 11' definiert,
die auf dem ringscheibenförmigen
Bauteil 5 und/oder den Lagerscheiben 3, 4 angeordnet
sind. Wie man in den 2 und 3 erkennt,
können
die Oberflächenstrukturen 11 beispielsweise
auf der Oberfläche
des ringscheibenförmigen
Bauteils 5 angeordnet und spiralartig ausgebildet sein.
Diese spiralartigen Strukturen 11 üben bei Drehung der zweiten
Lagerscheibe 4 relativ zum ringscheibenförmigen Bauteil 5 entgegen dem
Uhrzeigersinn eine überwiegend
radial nach innen in Richtung des Radiallagers 7 gerichtete
hydrodynamische Pumpwirkung auf das fluide Medium aus. Die im Durchmesser
relativ großen,
in das Lagerinnere wirkenden (pumpenden) Axiallager 9 bzw. 10 sorgen
zusammen mit dem Radiallager 7 für eine hohe axiale und radiale
Steifigkeit und Kippsteifigkeit des Lagers.
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In
der 3 ist alternativ ein ringscheibenförmiges Bauteil 5 dargestellt,
das kreisförmig
angeordnete fischgrätenartige
(herringbone) Strukturen zur Erzeugung des fluiddynamischen Drucks
aufweist.
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Das
feststehende ringscheibenförmige
Bauteil 5 als Teil des Stators ist in einer Öffnung eines Gehäuserahmens 12 angeordnet.
Der Gehäuserahmen 12 ist
Teil einer Basisplatte 13 (Baseplate) des Spindelmotors
oder mit dieser fest verbunden. Der Gehäuserahmen 12 besteht
vorzugsweise aus einem profilierten Metallteil, wobei im wesentlichen
unterhalb der Ebene des Lagerbauteils 5 ein ringförmiger Hohlraum 14 ausgebildet
ist.
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Der
Rotor des Spindelmotors 1 wird durch eine elektromagnetische
Antriebseinheit angetrieben. Die Antriebseinheit umfasst Statorwicklungen 15 auf
entsprechenden Blechpaketen, die in dem Hohlraum 14 des
Gehäuserahmens 12 angeordnet sind.
Die Statorwicklungen 15 sind kreisförmig um die zweite Lagerscheibe 4 verteilt
angeordnet.
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Die
zweite Lagerscheibe 4 trägt an ihrem Außenumfang
Permanentmagnete 16, die den anderen Teil der elektromagnetischen
Antriebseinheit bilden. Die Permanentmagnete 16 sind so
angeordnet, dass sie den Statorwicklungen 15 direkt gegenüberliegen und
nur durch einen kleinen Luftspalt von diesen getrennt sind. Durch
entsprechende Bestromung der Statorwicklungen 15 wird ein
elektromagnetisches Feld erzeugt, das auf die Permanentmagnete 16 wirkt
und den Rotor antreibt.
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Der
Spindelmotor 1 kann vorzugsweise zum Antrieb einer oder
mehrerer Speicherplatten 17 eines Speicherplattenlaufwerks
eingesetzt werden. Die erste Lagerscheibe 3 wird hierbei
vorzugsweise als Träger
für die
Speicherplatte 17 verwendet. Die Lagerscheibe 3 umfasst
eine Stufe, auf der die Speicherplatte 17 aufliegt. Zur
Befestigung der Speicherplatte 17 auf der Lagerscheibe
ist eine Klammer 18 vorgesehen, die mittels einer Schraube 19 in
einer zentralen Bohrung der Welle 2 befestigt ist.
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Der
Gehäuserahmen 12 ist
derart ausgebildet, dass er die Statorwicklungen 15 und
die Speicherplatte 17 voneinander trennt und somit eine
magnetische Abschirmung für
die Speicherplatte bildet.
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Die
Abdichtung der beiden Öffnungen
des Lagerspalts 6 wird durch eine sogenannte dynamische
Dichtung erreicht. Durch die nach innen gerichtete Pumpwirkung der
Oberflächenstrukturen
der beiden Axiallager 9 und 10 wird das im Lagerspalt 6 befindliche
fluide Medium in das Lagerinnere gedrückt und dadurch verhindert,
dass Lagerfluid aus dem Lagerspalt 6 nach außen in den
Motorraum austreten kann.
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Die
Abdichtung kann aber auch durch separate Oberflächenstrukturen (nicht dargestellt)
erreicht werden, die nicht Teil der Axiallagers 9 bzw. 10 sind. Im
dynamisch abgedichteten Fluidlager stellt sich im Betrieb ein Gleichgewicht
ein, bei dem die Druckunterschiede im Lagerspalt ausgeglichen werden.
Dies erfordert entsprechende Vorratsvolumina 20, 21 für das Lagerfluid,
die im gezeigten Beispiel an den beiden offenen Enden des Lagerspalts 6 vorgesehen sind.
Die Vorratsvolumina 20, 21 sind beispielsweise in
den dem Lagerspalt 6 zugewandten Stirnflächen des
ringscheibenförmigen
Bauteils 5 oder der Lagerscheiben 3, 4,
radial außerhalb
der Oberflächenstrukturen 11, 11' vorgesehen.
Die Vorratsvolumina 20, 21 können als ringförmige Aussparungen
oder Nuten ausgebildet sein, wie man gut in 2 erkennt,
sind zumindest teilweise mit dem fluiden Medium gefüllt und
begrenzen den Lagerspalt 6 nach außen.
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Alternativ
können
Kapillardichtungen verwendet werden, die in den Bauteilen 3 und 4 und/oder 5 in
Form von konischen Erweiterungen des Axiallagerspalts 6 eingeformt
werden, die sich radial nach außen
hin erweitern.
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4 zeigt
eine gegenüber 1 abgewandelte
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors 100 zum
Antrieb mindestens einer Speicherplatte eines Festplattenlaufwerks,
wobei hier auf die im Zusammenhang mit 1 gemachten
Erläuterungen
verwiesen wird. In den 1 und 4 sind gleiche
Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Im
Unterschied zu 1 ist beim Spindelmotor 100 nach 4 die
Welle als Hohlwelle 22 ausgebildet. Durch das Zentrum der
Hohlwelle 22 erstreckt sich ein durchgehender Stift 23,
dessen Außendurchmesser
deutlich geringer ist als der Innendurchmesser der Hohlwelle 22,
so das der Stift 23 die Innenwand der Welle 22 nicht
berührt.
Der Motor als Teil des Speicherplattenlaufwerks ist in einem geschlossenen
Gehäuse
angeordnet, wobei in 4 lediglich ein oberes und ein
unteres Gehäuseteil 24, 25 dargestellt
ist.
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Der
durchgehende Stift ist an den beiden gegenüberliegenden Gehäuseteilen 24, 25 befestigt, wodurch
das Gehäuse
wesentlich versteift wird und ein Durchbiegen der Gehäuseabdeckungen 24, 25, beispielsweise
aufgrund von äußeren Druck-
oder Stoßbelastungen,
vermieden wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann es vorgesehen sein, dass außerhalb des Durchmessers der
rotierenden Speicherplatte 17 mindestens ein (weiterer)
durchgehender Stift 26 angeordnet ist, der ebenfalls an
den gegenüberliegenden
Seiten 24, 25 des Gehäuses befestigt ist, und eine
Erhöhung
der Gehäusefestigkeit
bewirkt.
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5 zeigt
eine weitere gegenüber 1 abgewandelte
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors 1 zum
Antrieb mindestens einer Speicherplatte eines Festplattenlaufwerks,
wobei hier auf die im Zusammenhang mit 1 gemachten Erläuterungen
verwiesen wird. In den 1 und 5 sind gleiche
Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Im
Unterschied zu 1 ist beim Spindelmotor 1 nach 5 das
ringscheibenförmige
Bauteil 5' relativ
schmal ausgebildet und im Durchmesser größer als die beiden Lagerscheiben 3 und 4.
Der überstehende, äußere Rand
des Bauteils 5' ist
zylinderförmig
ausgebildet, wobei zwischen dem Innendurchmesser des Zylinders und
dem Außendurchmesser der
jeweiligen Lagerscheiben 3 und 4 ein axial verlaufender
Spalt verbleibt, der mit dem Lagerspalt 6 verbunden ist.
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Die
Abdichtung der beiden Öffnungen
des Lagerspalts 6 wird einerseits durch eine dynamische Dichtungswirkung
erreicht, die durch die nach innen gerichtete Pumpwirkung der Oberflächenstrukturen der
beiden Axiallager 9 und 10 erzeugt wird, wie es
in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Ferner umfassen
die axialen Spalte Kapillardichtungen, die durch am Außendurchmesser
der Lagerscheiben 3 und 4 eingeformte Vorratsvolumina 20, 21 in
Form von konische Erweiterungen des Spaltes gebildet sind.
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Die 6 und 7 zeigen
eine Draufsicht auf zwei mögliche
Ausgestaltungen des ringscheibenförmigen Bauteils 5'. die sich in
der Form der Oberflächenstrukturen 11 bzw. 11' des Axiallagers 10 unterscheiden.
Die Oberflächenstrukturen 11 in 6 sind
beispielsweise spiralartig ausgebildet, während die Oberflächenstrukturen 11' in 7 aus kreisförmig angeordneten
fischgrätenartigen
(herringbone) Strukturen besteht.
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- 1
- Spindelmotor
- 2
- Welle
- 3
- Lagerscheibe
(erste)
- 4
- Lagerscheibe
(zweite)
- 5
- Ringscheibenförmiges Bauteil
- 6
- Lagerspalt
- 7
- Radiallager
- 8
- Oberflächenstrukturen
- 9
- Axiallager
- 10
- Axiallager
- 11,
11'
- Oberflächenstrukturen
- 12
- Gehäuserahmen
- 13
- Basisplatte
- 14
- Hohlraum
- 15
- Statorwicklungen
- 16
- Permanentmagnete
- 17
- Speicherplatte
- 18
- Klammer
- 19
- Schraube
- 20
- Vorratsvolumen
- 21
- Vorratsvolumen
- 22
- Hohlwelle
- 23
- Stift
- 24
- Gehäuse (Oberseite)
- 25
- Gehäuse (Unterseite)
- 26
- Stift
- 100
- Spindelmotor