DE102006005604B4

DE102006005604B4 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102006005604B4
Application number: DE102006005604A
Authority: DE
Inventors: Olaf Winterhalter
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: DE102006005604A1; US20070183695A1

Abstract

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einer Welle (1), die in einer Lagerbuchse (3; 103; 203) aufgenommen und relativ zu dieser drehbar gelagert ist, wobei die Lagerbuchse einseitig durch eine Abdeckung (11; 111; 211; 311) fest verschlossen ist, die zumindest teilweise aus Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (11; 111; 211; 311) ein scheibenförmiges Bauteil umfasst, das an einer Stirnseite der Lagerbuchse anliegt, und Befestigungsmittel (13; 113; 213; 213) zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse aufweist, wobei die Befestigungsmittel (13; 113; 213; 313) einen Rastmechanismus aufweisen, der am Umfang der Abdeckung (11; 111; 211; 311) vorgesehen ist und mittels dem die Abdeckung an der Lagerbuchse befestigt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, z.B. für den Antrieb von Festplattenlaufwerken.
Stand der Technik
Spindelmotoren bestehen im wesentlichen aus einem Stator, einem Rotor und mindestens einem zwischen beiden angeordnetem Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert. Als Lagersystem werden häufig fluiddynamische Lager verwendet.
Die DE 202 18 821 U1 offenbart ein typisches fluiddynamisches Lagersystem für Spindelmotoren, welches eine Lagerbuchse und eine Welle umfasst, die in einer axialen Bohrung der Lagerbuchse angeordnet ist. Die Welle rotiert frei in der Lagerbuchse, wobei die beiden Teile zusammen ein Radiallager bilden, dessen Lageroberflächen durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet sind.
Eine axiale Verschiebung der Welle entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Drucklager verhindert. Derartige Drucklager werden häufig durch die beiden Stirnflächen einer an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, die jeweils einer entsprechenden Stirnfläche der Lagerbuchse und einer innenliegenden Stirnfläche einer Abdeckplatte zugeordnet ist. Die Abdeckplatte bildet ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt das gesamte Lagersystem nach unten.
In der Regel bestehen die Bauteile des Lagersystems aus Stahl, Aluminium oder gesinterten Metallen und werden durch Verpressen, Schweißen oder Kleben miteinander verbunden. Die Kosten für Material und Montage sind daher relativ hoch.
Die EP 0 479 540 A2 offenbart ein fluiddynamisches Lager gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, dessen Lagerbuchse einseitig durch eine scheibenförmige Abdeckung aus Kunststoff verschlossen ist. Die Abdeckung ist in eine Aussparung der Lagerbuchse eingepresst oder -geklebt.
Die EP 0 117 873 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lager mit einer scheibenförmigen Abdeckung, die an einer Stirnseite der Lagerbuchse anliegt und durch Befestigungsmittel, z.B. Schrauben, lösbar an der Lagerbuchse befestigt ist.
Die US 2002/0141672 A1 offenbart einen Motor mit einer mit dem Motorgehäuse verrastbaren Kunststoffkappe, die gleichzeitig ein federndes Gegenlager für die Motorwelle ausbildet.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem für den Einsatz in einem Spindelmotor anzugeben, das im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Fluidlagern erheblich kostengünstiger aufgebaut und montiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie andere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Welle, die in einer Lagerbuche aufgenommen und relativ zu dieser drehbar gelagert ist. Die Lagerbuchse ist einseitig durch eine Abdeckung fest verschlossen die zumindest teilweise aus einem Kunststoffteil besteht, das sehr kostengünstig hergestellt und – wie weiter unten beschrieben wird – auch sehr einfach montiert werden kann.
Die Abdeckung bildet ein scheibenförmiges Bauteil aus, etwa ähnlich einer Abdeckplatte bei einem herkömmlichen Lagersystem, das an einer Stirnseite der Lagerbuchse anliegt, und weist Befestigungsmittel zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse auf. Dabei kann die Abdeckung in einer stirnseitigen Aussparung der Lagerbuchse angeordnet sein, wobei die Befestigungsmittel aus einem Rastmechanismus bestehen, der am Umfang der Abdeckung vorgesehen ist, und mittels dem die Abdeckung an der Lagerbuchse bzw. in der Aussparung der Lagerbuchse befestigt wird.
Die Befestigungsmittel können aber auch aus mehreren am Umfang der Abdeckung angeordneten Rasthaken bestehen, die in entsprechende Aussparungen am Außenumfang der Lagerbuchse eingreifen und die Abdeckung dadurch sicher an der Lagerbuchse halten.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Abdeckung aus einem scheibenförmigen ersten Bauteil, das vorzugsweise in einer stirnseitigen Aussparung der Lagerbuchse aufgenommen ist, und einem zweiten Bauteil, welches am ersten Bauteil und der Stirnseite der Lagerbuchse anliegt und Befestigungsmittel zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse aufweist. Die Befestigungsmittel sind in dieser Ausgestaltung vorzugsweise als Rasthaken ausgebildet. Das zweite Bauteil hält das erste Bauteil in Position und dichtet die zu verschließende Öffnung der Lagerbuchse ab. Das erste Bauteil kann die Gestalt einer herkömmlichen Abdeckplatte haben und wahlweise aus Metall, Keramik oder Kunststoff bestehen. Das zweite Bauteil sowie die Befestigungsmittel sind vorzugsweise vollständig aus Kunststoff. Auch können das erste und das zweite Bauteil einteilig oder aus zwei separaten Bauteilen ausgebildet sein.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Abdeckung Vorzugsweise becherförmig ausgebildet und umgreift zumindest die Stirnseite der Lagerbuchse und weist ebenfalls Befestigungsmittel zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse auf. Die becherförmige Abdeckung kann aber auch große Teile der Lagerbuchse umgreifen bzw. die Lagerbuchse vollständig in sich aufnehmen. Die Befestigungsmittel der becherförmigen Abdeckung bestehen vorzugsweise aus einem Rastmechanismus, der am offenen Rand des Bechers vorgesehen ist und in entsprechende Aussparungen am Außenumfang der Lagerbuchse eingreift. Hierbei kann es sich um Rasthaken oder einen umlaufenden Rand handeln, der in eine Aussparung der Lagerbuchse verrastet. Zum maximalen Kostenersparnis bestehen die Abdeckung sowie die Befestigungsmittel vorzugsweise vollständig aus Kunststoff.
In gleicher Weise, wie die Abdeckplatte bei einem herkömmlichen Spindellager so soll auch die Abdeckung das Lager hermetisch verschließen. Je nachdem, welche der oben beschriebenen Ausgestaltungen Verwendung findet, können zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckung zusätzliche Dichtmittel, beispielsweise in Form eines O-Ringes vorgesehen sein.
Die Abdeckung kann außerdem als Teil eines axialen Drucklagers ausgebildet sein, indem eine dem Inneren des Lagersystems zugewandte Oberfläche der Abdeckung zusammen mit einer Oberfläche einer mit der Welle verbundenen Druckplatte ein fluiddynamisches Drucklager ausbildet. In bekannter Weise ist ein solches fluiddynamisches Drucklager durch Rillenstrukturen auf mindestens einer der Lageroberflächen gekennzeichnet, wobei diese Rillenstrukturen vorzugsweise auf der Oberfläche der Abdeckung eingebracht werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Abdeckung wird ein kostengünstiges Bauteil bereitgestellt, welches das Lager auf einer Seite sicher verschließt und außerdem als Lagerbestandteil des Drucklagers dienen kann. Die Abdeckung wird mit einfachen Befestigungsmitteln, vorzugsweise Rastverbindungen, mit der Lagerbuchse verbunden. Zusätzlich können auch Klebstoffe für die Verbindung eingesetzt werden. Es entfällt das bisher angewendete und relativ aufwändige Verschweißen der Abdeckung (Abdeckplatte) mit der Lagerbuchse.
Eine becherförmige Abdeckung, die die Lagerbuchse vollständig umschließt, weist den weiteren Vorteil auf, dass diese als Resonanzdämpfung dient, da die Lagerbuchse durch diese Abdeckung in der Basisplatte des Spindelmotors gehalten wird. Durch den Dämpfungseffekt reduzieren sich die Laufgeräusche des Spindelmotors.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer beispielhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Abdeckung des Lagersystems.
3 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Abdeckung des Lagersystems.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der als Rasthaken ausgebildeten Befestigungsmittel.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht der Abdeckung des Lagersystems.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Lagersystem im Teilschnitt.
7 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
8 zeigt eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
9 zeigt eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems mit becherförmiger Abdeckung.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer becherförmigen Abdeckung mit Rasthaken.
11 zeigt einen perspektivischen Schnitt durch eine becherförmige Abdeckung mit Rastbund.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Der Spindelmotor nach 1, der beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet werden kann, umfasst eine feststehende Basisplatte 8, an der eine Statoranordnung 5, bestehend aus einem Statorkern und Wicklungen, angeordnet ist. Eine Lagerbuchse 3 ist in einer Ausnehmung der Basisplatte gehalten und weist eine axiale zylindrische Bohrung auf, in welcher eine Welle 1 drehbar aufgenommen ist. Das freie Ende der Welle 1 trägt eine Nabe 2, auf der eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt werden können. An dem inneren, unteren Rand der Nabe 2 ist ein von einem Joch 6 umgebener, ringförmiger Permanentmagnet 7 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, die von der über einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 5 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden, so dass die Nabe 2 zusammen mit der Welle 1 in Drehung versetzt wird. Die Stromversorgung der Statorwicklungen erfolgt beispielsweise über eine elektrische Verbindungsleitung 9. Die Welle 1 bildet zusammen mit der Lagerbuchse 3 und einer an einem Ende der Welle 1 angeordneten Druckplatte 10 ein fluiddynamisches Lagersystem mit Radiallager- und Axiallagerflächen, die durch einen Lagerspalt 4 voneinander getrennt sind. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines solchen fluiddynamischen Lagersystems ist einem Fachmann bekannt und soll hier nicht näher beschrieben werden. Die Lageranordnung wird nach unten, d. h. im Bereich der Druckplatte 10, durch eine Abdeckung 11 verschlossen.
Die 2 bis 5 zeigen eine mögliche Ausgestaltung der Abdeckung 11, die vorzugsweise einen etwa scheibenförmigen Bereich umfasst, an dessen Außenumfang mehrere Rasthaken 13 angeordnet sind. Die Rasthaken 13 sind über ein integriertes Scharnier 12 mit dem mittleren Teil der Abdeckung 11 verbunden. Die Abdeckung 11 besteht vollständig aus einem Kunststoffspritzteil und ist daher kostengünstig und einfach herzustellen.
Die Montage der Abdeckung 11 an der Stirnseite der Lagerbuchse 3 erfolgt dadurch, dass die Abdeckung 11 auf die Stirnseite der Lagerbuchse 3 aufgelegt wird und die Rasthaken mittels den Scharnieren im rechten Winkel abgebogen werden, wobei am Außenumfang der Lagerbuchse 3 spezielle Aussparungen 14 vorgesehen sind, in welche die hakenförmigen Fortsätze der Rasthaken 13 einrasten. Dadurch ist die Abdeckung 11 sicher und dennoch lösbar an der Lagerbuchse 3 befestigt.
6 zeigt eine perspektivische Darstellung der an der Lagerbuchse 3 verrasteten Abdeckung 11.
Wie man insbesondere in den 2 und 5 erkennen kann, kann die der Druckplatte 10 zugewandte Oberfläche der Abdeckung 11 eine Rillenstruktur 15 aufweisen, die zusammen mit der gegenüberliegenden Oberfläche der Druckplatte 10 ein axiales Drucklager definiert. Sobald die Druckplatte 10 zusammen mit der Welle 1 in Rotation versetzt wird, erzeugt die Rillenstruktur 15 im Lagerspalt zwischen der Druckplatte 10 und der Abdeckung 11 einen hydrodynamischen Druck im Lagerfluid. Die Rillenstruktur 15 kann ebenfalls sehr leicht und kostengünstig beim Herstellungsprozess der Abdeckung 11 aufgebracht werden. Die Radiallagerbereiche zwischen Welle 1 und Lagerbuchse 3 sind ebenfalls durch entsprechende Rillenstrukturen 16 gekennzeichnet.
7 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems, das im Aufbau dem Lagersystem gemäß 1 ähnelt. Die Abdeckung 111 ist in diesem Ausführungsbeispiel als scheibenförmige Abdeckplatte ausgebildet, welche das Lager im Bereich der Druckplatte 10 verschließt. Die Abdeckung 111 sitzt in einer stirnseitigen Aussparung der. Lagerbuchse 103 und weist an ihrem Außenumfang einen umlaufenden Rastbund 113 auf, welcher beim Einbringen der Abdeckung 111 in die Aussparung der Lagerbuchse 103 in einer Rastaussparung der Lagerbuchse 103 einrastet. Damit die Dichtigkeit der Verbindung zwischen Lagerbuchse 103 und Abdeckung 111 sichergestellt ist, können im Verbindungsbereich zusätzliche Dichtmittel beispielsweise in Form eines O-Rings 117 vorgesehen sein. Die Abdeckung 111 besteht erfindungsgemäß aus Kunststoff.
8 zeigt eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems, die grundsätzlich der Ausgestaltung gemäß 1 entspricht. Die Abdeckung 211 ist jedoch zweiteilig ausgebildet, und besteht aus einem ersten Bauteil 211a, das als scheibenförmige Abdeckplatte ausgebildet ist und das Lager im Bereich der Druckplatte 10 nach unten verschließt. Diese Abdeckplatte 211a wird durch eine Abdeckung 211b aus Kunststoff in der Aussparung der Lagerbuchse 203 gehalten und zwar mittels Rasthaken 213, die in entsprechenden Aussparungen 214 am Außenumfang der Lagerbuchse 203 einrasten. Sowohl das erste Bauteil 211a als auch das zweite Bauteil 211b können aus Kunststoff bestehen, wobei das erste Bauteil 211a wahlweise auch aus Metall bestehen kann. Die Bauteile 211a und 211b können aus zwei separaten Bauteilen bestehen aber auch als ein einziges Bauteil ausgeführt sein.
Die 9 bis 11 zeigen eine andere Ausgestaltung des Lagersystems der Erfindung für einen Spindelmotor gemäß 1. Die Abdeckung 311 ist in diesem Beispiel becherförmig ausgebildet ist und umgreift die Stirnseite und einen Teil der Lagerbuchse 3. Sie kann aber auch große Teile der Lagerbuchse 3 umgreifen bzw. die Lagerbuchse 3 vollständig in sich aufnehmen. Zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse 3 weist die becherförmige Abdeckung 311 Befestigungsmittel auf, die vorzugsweise aus einem Rastmechanismus bestehen, der am offenen Rand des Bechers 311 vorgesehen ist und in entsprechende Aussparungen 14 am Außenumfang der Lagerbuchse 3 eingreift. Bei dem Rastmechanismus kann es sich um Rasthaken 313 (10) oder einen am Innenumfang des Bechers verlaufenden Rastbund 312 (11) handeln, der in den Aussparungen 14 der Lagerbuchse 3 verrastet. Zur maximalen Kostenersparnis bestehen die Abdeckung sowie die Befestigungsmittel vorzugsweise vollständig aus Kunststoff.

1: Welle
2: Nabe
3: Lagerbuchse
4: Lagerspalt
5: Statoranordnung
6: Joch
7: Magnet
8: Basisplatte
9: Verbindungsleitung
10: Druckplatte
11: Abdeckung
12: Scharnier
13: Rasthaken
14: Aussparung (Lagerbuchse)
15: Rillenstruktur (Abdeckung)
16: Rillenstruktur (Welle)
103: Lagerbuchse
111: Abdeckung
113: Rastbund
117: O-Ring
203: Lagerbuchse
211a: Abdeckplatte
211b: Abdeckung
212: Scharnier
213: Rasthaken
214: Aussparung (Lagerbuchse)
311: Abdeckung (Becher)
312: Rastbund
313: Rasthaken

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einer Welle (1), die in einer Lagerbuchse (3; 103; 203) aufgenommen und relativ zu dieser drehbar gelagert ist, wobei die Lagerbuchse einseitig durch eine Abdeckung (11; 111; 211; 311) fest verschlossen ist, die zumindest teilweise aus Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (11; 111; 211; 311) ein scheibenförmiges Bauteil umfasst, das an einer Stirnseite der Lagerbuchse anliegt, und Befestigungsmittel (13; 113; 213; 213) zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse aufweist, wobei die Befestigungsmittel (13; 113; 213; 313) einen Rastmechanismus aufweisen, der am Umfang der Abdeckung (11; 111; 211; 311) vorgesehen ist und mittels dem die Abdeckung an der Lagerbuchse befestigt wird.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus einem scheibenförmigen ersten Bauteil (211a) besteht, das in einer stirnseitigen Aussparung der Lagerbuchse (203) aufgenommen ist, und einem zweiten Bauteil (211b), welches am ersten Bauteil (211a) und der Stirnseite der Lagerbuchse (203) anliegt und Befestigungsmittel (213) zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (211a) wahlweise aus Metall, Keramik oder Kunststoff besteht, und das zweite Bauteil (211b) sowie die Befestigungsmittel vollständig aus Kunststoff bestehen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (13; 213) aus mehreren Rasthaken bestehen, die am Außenumfang der Abdeckung (11; 211) vorgesehen sind und in entsprechende Aussparungen (14; 214) am Außenumfang der Lagerbuchse eingreifen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (311) becherförmig ausgebildet ist, die Stirnseite der Lagerbuchse umgreift und Befestigungsmittel (312; 313) zur lösbaren Befestigung an der Lagerbuchse (3) aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel einen Rastmechanismus (312; 313) aufweisen, der am offenen Rand der becherförmigen Abdeckung vorgesehen ist und in entsprechende Aussparungen (14) am Außenumfang der Lagerbuchse (3) eingreift.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (11; 111; 211; 311) und die Befestigungsmittel (13; 113; 213; 312; 313) vollständig aus Kunststoff bestehen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckung zusätzliche Dichtmittel (117) vorgesehen sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Inneren des Lagersystems zugewandte Oberfläche der Abdeckung (11; 111; 211; 311) zusammen mit einer Oberfläche einer mit der Welle (1) verbundenen Druckplatte (10) ein fluiddynamisches Drucklager ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Abdeckung (11; 111; 211; 311) eine Rillenstruktur (15) aufweist.