DE102007036790A1

DE102007036790A1 - Fluiddynamisches Lagersystem und Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem

Info

Publication number: DE102007036790A1
Application number: DE200710036790
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Bauer; Olaf Winterhalter; Thilo Rehm; Martin Hafen; Guido Schmid; Jörg Hoffmann
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-02-05

Abstract

Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden und mindestens einem beweglichen Lagerbauteil, die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden, wobei sich an eine Seite des Lagerspalts ein Dichtungsspalt anschließt, der zwischen einer radial nach außen gerichteten Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils und einer dieser gegenüberliegenden, radial nach innen gerichteten Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils angeordnet und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich des Dichtungsspalts die Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils mit der Rotationsachse einen Winkel zwischen 0°-10° und die Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils mit der Rotationsachse einen zweiten Winkel zwischen 0°-10° ausbildet, wobei die beiden Winkel sich in dieselbe Richtung öffnen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, welches mindestens ein Radiallager und mindestens ein Axiallager umfasst, nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lager werden etwa zur Drehlagerung von Motoren, beispielsweise von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken, Lüftern oder ähnlichem dienen.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lager, wie sie in Spindelmotoren eingesetzt werden, umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide der einander gegenüber liegenden Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Oberflächenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige rillenförmige Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige rillenförmige Oberflächenstrukturen verwendet, die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken gemäß einer bekannten Bauart ist eine Welle in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert. Der Durchmesser der Bohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt verbleibt. Die einander zugewandten Oberflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerstrukturen auf als Teil von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe verbunden, deren untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der einander zugewandten Oberflächen der Nabe oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerstrukturen versehen.
Fluiddynamische Lagersysteme für den Einsatz in Spindelmotoren müssen derart gebaut sein, dass möglichst kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt in andere Bereiche des Spindelmotors austreten kann. Zum einen verringert aus dem Lagerspalt austretendes Lagerfluid die Lebensdauer des Lagersystems, da zum Beispiel die Gefahr des Trockenlaufens des Lagers besteht, und zum anderen verschmutzt austretendes Lagerfluid andere Bauteile des Spindelmotors. Das Austreten von Lagerfluid aus dem Lagerspalt wird daher durch entsprechende Dichtungsanordnungen verhindert. Oftmals kommen dabei sogenannte Kapillardichtungen zum Einsatz, die sich an das offene Ende des Lagerspaltes anschließen und ein Austreten des Lagerfluids in den Motor verhindern. Das Lagerfluid wird in der Kapillardichtung durch Kapillarkräfte zurückgehalten, wobei sich im Dichtungsspalt auch eine Dampfsperre durch verdampfendes Lagerfluid am Übergang zwischen dem Lagerfluid und der in der Kapillardichtung vorhanden Luft bildet.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art anzugeben, das im Vergleich zu bekannten Lagersystemen eine höhere Lebensdauer, eine verbesserte Schockfestigkeit und ein verbessertes Rückhaltevermögen für das Lagerfluid im Lagerspalt aufweist, insbesondere bei hohen Drehzahlen von 10.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit Druck erzeugenden rillenförmigen Oberflächenstrukturen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst mindestens ein feststehendes und mindestens ein bewegliches Lagerbauteil, die um eine gemeinsame Rotationsachse relativ zueinander drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. An eine Seite des Lagerspalts schließt sich ein Dichtungsspalt an, der zwischen einer radial nach außen gerichteten Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils und einer dieser gegenüberliegenden, radial nach innen gerichteten Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils angeordnet und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Bereich des Dichtungsspaltes die Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils mit der Rotationsachse einen ersten Winkel zwischen 0° und 10° und die Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils mit der Rotationsachse einen zweiten Winkel zwischen 0° und 10° ausbildet, wobei die beiden Winkel sich in die selbe Richtung öffnen.
Um ein Austreten und auch Abdampfen von Lagerfluid im Bereich der Kapillardichtung zu minimieren, ist der Dichtungsspalt sehr schmal aber dennoch im Vergleich zu den Abmessungen des Lagerspalts um ein oder zwei Größenordnungen größer. Es wird auch angestrebt, den Dichtungsspalt sehr lang auszubilden, zum einen, um einen entsprechenden Vorrat an Lagerfluid dort einbringen zu können und zum anderen, um die Länge der Diffusionsbarriere zu vergrößern.
Erfindungsgemäß ist also ein Dichtungsspalt vorgesehen, der sich über einen Teil des Außenumfangs des feststehenden Lagerbauteils erstreckt und dessen Breite vorzugsweise sehr klein ist. Aufgrund der geringen Breite und der relativen Länge des Dichtungsspaltes ergibt sich eine geringe Abdampfungsrate des im Dichtungsspalt befindlichen Lagerfluids, was eine lange Lebensdauer des fluiddynamischen Lagersystems sicherstellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse mit einer zentralen Lagerbohrung, und das bewegliche Lagerbauteil eine in der Lagerbohrung drehbar gelagerte Welle. Das freie Ende der Welle ist mit einem topfförmigen Bauteil als Teil der Nabe verbunden, welches die Lagerbuchse unter Bildung des Dichtungsspaltes teilweise umgibt.
In bekannter Weise sind auf der Wandung der zentralen Lagerbohrung und/oder auf der Oberfläche der Welle druckerzeugende Lagerstrukturen ausgebildet, als Teil von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager. Auf der Stirnfläche der Lagerbuchse und/oder einer dieser Stirnfläche gegenüberliegenden Fläche des topfförmigen Bauteils sind ebenfalls druckerzeugende Lagerstrukturen ausgebildet als Teil eines fluiddynamischen Axiallagers.
Der Dichtungsspalt beginnt radial außerhalb des Axiallagers und setzt sich dann in axialer Richtung entlang der Außenoberfläche der Lagerbuchse fort. Die axiale Länge des Dichtungsspaltes beträgt mindestens ein Viertel der Länge der Lagerbuchse.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung betragen die durch die Mantelflächen des feststehenden bzw. des beweglichen Lagerbauteils und die Rotationsachse eingeschlossenen Winkel jeweils 0°, das heißt die zugeordneten Mantelflächen sind zylindrisch und verlaufen parallel zur Rotationsachse. Derartige zylindrische Mantelflächen, welche die Begrenzungen des Dichtungsspaltes bilden, können sehr genau und vor allem mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit bearbeitet werden. Eine geringe Oberflächenrauhigkeit wirkt sich positiv auf die Kapillarkräfte aus, welche auf das im Dichtungsspalt vorhandene Lagerfluid wirken und den Dichtungseffekt bewirken. Verstärkt wird diese Kapillarwirkung durch die oben genannte relative Länge des Dichtungsspaltes und dessen geringe Breite. Alle diese Faktoren summieren sich zu einer zuverlässigen Dichtwirkung des Dichtungsspaltes. Durch die geringe Oberflächenrauhigkeit ergibt sich auch eine relativ geringe Beschleunigungswirkung auf das im Dichtungsspalt befindliche Lagerfluid. Die beiden gegenüberliegenden Mantelflächen rotieren relativ zueinander und bewirken eine Beschleunigung des Lagerfluids in Rotationsrichtung. Sehr glatte Oberflächen reduzieren diese Beschleunigungswirkung und führen zu einer besseren Stabilität der sich bildenden Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Lagerfluid und Luft.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Winkel, den die Mantelfläche des beweglichen Bauteils des Lagers mit der Rotationsachse ausbildet, 0°, während der Winkel, den das feststehende Bauteil mit der Rotationsachse ausbildet, 0° bis 10° beträgt. Dadurch weitet sich der Dichtungsspalt in Richtung seines offenen Endes auf. Ferner ergibt sich neben den im Zusammenhang mit der ersten Ausgestaltung der Erfindung beschriebenen Vorteilen und Effekten ein weiterer die Dichtwirkung erhöhende Effekt, der auf der Zentrifugalkraft beruht, die bei Rotation der Lagerbauteile auf das Lagerfluid ausgeübt wird. Durch die Zentrifugalkraft wird das Lagerfluid radial nach außen beschleunigt. Durch die abgeschrägte Mantelfläche der Lagerbuchse, wird das Lagerfluid entgegengesetzt zur Öffnung des Dichtungsspaltes in den Dichtungsspalt hineingedrückt aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt.
In einer dritten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass beide Winkel der sich gegenüberliegenden Mantelflächen größer als 0° sind, wobei die Öffnung beider Winkel entgegengesetzt zum Scheitel der Winkel liegt. Mit anderen Worten, ist der jeweilige Durchmesser der Mantelflächen der beiden Lagerbauteile im Bereich des Scheitels der Winkel größer als der Durchmesser der Lagerbauteile im Bereich der Öffnung des Dichtungsspaltes. Vorzugsweise ist der erste Winkel größer als der zweite Winkel, so dass sich der Dichtungsspalt in Richtung seiner Öffnung verbreitert.
In einer wieder anderen Ausgestaltung der Erfindung ändert sich der Durchmesser der Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils in zwei oder mehreren Stufen und verringert sich insbesondere mit zunehmender Nähe zur Öffnung des Dichtungsspaltes. Dabei bildet eine an die Mantelfläche angelegte Tangente einen Schenkel des zweiten Winkels aus. In gleicher Weise kann sich der Durchmesser der Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils in zwei oder mehreren Stufen ändern, wobei eine an diese Mantelfläche angelegte Tangente einen Schenkel des ersten Winkels ausbildet. Vorzugsweise sind an den Mantelflächen mehrere Abstufungen vorgesehen, wobei die Abstufungen der beiden Mantelflächen vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet sind in Bezug auf eine gedachte Linie parallel zur Rotationsachse. Diese stufenweise Ausbildung der den Dichtungsspalt begrenzenden Mantelflächen hat den Vorteil, dass der Füllstand des Lagerfluids im Dichtungsspalt visuell gut erkannt und geprüft werden kann. Jede Stufe in den Mantelflächen wirkt als eine Art visuelle Markierung, an welcher der Füllstand des Lagerfluids im Dichtungsspalt abgelesen werden kann.
Im Bereich des offenen Endes des Dichtungsspaltes kann entweder am feststehenden oder am beweglichen Lagerbauteil eine ringfömige Nut vorgesehen sein, die als Barriere für eventuell doch noch austretendes Lagerfluid dient.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor, wie er zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert. Daraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor in einer gegenüber 1 leicht abgewandelten Ausgestaltung.
3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
5 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt des Bereichs des Dichtungsspaltes von 4.
6 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers.
7 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt des Bereichs des Dichtungsspaltes von 6.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung aufweist und das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. In die Bohrung der Lagerbuchse 10 ist eine Welle 12 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 verbleibt ein Lagerspalt 14. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und der Lagebuchse 10 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 aus, mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar in der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager 18, 22 sind durch Lagerstrukturen 20, 24 gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 aufgebracht sind. Der Lagerspalt 14 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerstrukturen 20, 24 üben bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid aus, so dass die Radiallager 18, 22 tragfähig werden.
An der Unterseite der Welle 12 ist ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 13 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10. Das Lager ist an dieser Seite der Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckplatte 34 verschlossen.
Ein freies Ende der Welle 12 ist mit einem topfförmigen Bauteil 26 verbunden, welches die Lagerbuchse teilweise umgibt. Eine untere, ebene Fläche des topfförmigen Bauteils 26 bildet zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 28 aus. Hierbei ist die Stirnfläche der Lagerbuchse 10 oder die gegenüberliegende Fläche des topfförmigen Bauteils 26 mit Lagerstrukturen 30 versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen dem Bauteil 26 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 28 tragfähig wird. In der Lagerbuchse kann ein Rezirkulationskanal 32 vorgesehen sein, der einen am äußeren Rand des Axiallagers 28 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 22 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 36 des Spindelmotors angeordnet. An dem topfförmigen Bauteil 26 ist eine ringförmige Nabe 38 angeordnet, die an ihrem Außenumfang einen umlaufenden Rand aufweist. Die Bauteile 26 und 38 können natürlich auch einteilig ausgebildet sein. Die Lagerbuchse 10 umgebend ist eine Statoranordnung 40 an der Basisplatte 36 angeordnet, welche aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen besteht. Diese Statoranordnung 40 ist umgeben von einem ringförmigen Rotormagneten 42, welcher in einem Rückschlussring 44 mit größerem Durchmesser angeordnet ist und am Innenumfang des umlaufenden Randes der Nabe 38 befestigt ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Unterhalb des Rotormagneten 42 ist ein ferromagnetischer Metallring 46 angeordnet, der den Rotormagneten anzieht, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 36 hin gerichtete Kraft ergibt. Diese Kraft dient der axialen Vorspannung des Lagersystems.
Der Lagerspalt 14 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 10 und der Radiallager 18, 22 erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 28 erstreckt. Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 14 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher teilweise als Dichtungsspalt 48 wirkt. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 14 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse 10 und einem zylindrischen Abschnitt des topfförmigen Bauteils 26 erstreckt und den Dichtungsspalt 48 bildet. Bei einem Durchmesser der Lagerbuchse 10 von einigen Millimetern beträgt die Breite des Dichtungsspalts 48 typischerweise 50–300 Mikrometer.
Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 10 sowie die innere Mantelfläche des topfförmigen Bauteils 26 sind zylindrisch und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 48. Somit verläuft der Dichtungsspalt 48 parallel zur Rotationsachse 16. Derartige zylindrische Mantelflächen, welche die Begrenzungen des Dichtungsspaltes 48 bilden, können sehr genau und vor allem mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit bearbeitet werden und setzen dem Lagerfluid einen geringen Reibungswiderstand entgegen. Am Ende des Dichtungsspaltes 48 kann die Lagerbuchse 10 am Außenumfang eine Rille 50 aufweisen, die beispielsweise mit einem Öl-Stopp-Lack versehen ist, um eine Migration des Lagerfluids über diese Barriere hinaus zu verhindern.
2 zeigt im Wesentlichen denselben Spindelmotor wie 1, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu 1 ist bei 2 die Rille 150 nicht am Außenumfang der Lagerbuchse 110, sondern am Innenumfang des topfförmigen Bauteils 26 vorgesehen. Ein weiterer Unterschied besteht in der Ausbildung der Abdeckplatte 134, die im Gegensatz zu 1 flach ausgeführt ist. Der Stopperring 13 an der Welle ist in diesem Fall in einer separaten Aussparung der Lagerbuchse 110 angeordnet.
3 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors, wobei bezogen auf 1 gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Ein wesentlicher Unterschied des Spindelmotors von 3 gegenüber 1 ist, dass die äußere Mantelfläche 252 der Lagerbuchse 210 im Bereich des Dichtungsspaltes 248 abgeschrägt ist. Der Winkel zwischen der Mantelfläche 252 der Lagerbuchse 210 und der Rotationsachse 16 ist in diesem Fall größer als 0° und beträgt beispielsweise 3°. Der Scheitel des Winkels liegt im Bereich des Beginns des Dichtungsspaltes 248, wobei sich der Winkel zur Öffnung des Dichtungsspaltes 248 öffnet. Die Mantelfläche 256 des gegenüberliegenden Randes des topfförmigen Bauteils 26 ist um einen Winkel geneigt, der kleiner (oder gleich) dem Neigungswinkel ist, der eingeschlossen wird von der Mantelfläche 252 der Lagerbuchse 210 und der Rotationsachse 16, so dass sich der Dichtungsbereich 248 nach unten hin konisch erweitert. Der Winkel, den die Mantelfläche 252 der Lagerbuchse 210 mit der Rotationsachse 16 einschließt, kann sich auch über die Länge der Mantelfläche ändern, wie aus 3 hervorgeht. Hierbei verläuft der Winkel ausgehend vom Beginn des Dichtungsspaltes 248 zunächst gleichbleibend in einem kleineren Winkel, beispielsweise 3° und vergrößert sich im letzten Drittel des Dichtungsspaltes 48 beispielsweise auf 5° und endet in einer entsprechenden Rille 250 der Lagerbuchse 210. Durch die Zentrifugalkraft wird das Lagerfluid radial nach außen beschleunigt und durch die abgeschrägte Mantelfläche 252 der Lagerbuchse 210 in den Dichtungsspalt gedrückt und darin gehalten. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Dichtwirkung.
4 zeigt gegenüber 3 eine abgewandelte Ausgestaltung eines Spindelmotors. Eine vergrößerte Ansicht des Bereiches des Dichtungsspaltes 448 ist in 5 dargestellt. Im Vergleich zu 3 sind in den 4 und 5 gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen. In diesem Beispiel ist die Mantelfläche 356 des topfförmigen Bauteils 26 im Bereich des Dichtungsspaltes 348 zylindrisch ausgebildet, während die Mantelfläche 352 der Lagerbuchse 310 im Bereich des Dichtungsspaltes 348 nach innen abgeschrägt ist und beispielsweise bezogen auf die Rotationsachse 16 einen Winkel zwischen 3° und 5° aufweist. Wichtig ist, dass die Mantelflächen der Lagerbuchse 310 sowie des topfförmigen Bauteils 26 zu Beginn des Dichtungsspaltes 348 zylindrisch sind, und sich die Mantelfläche der Lagerbuchse 310 erst nach einem Drittel bis zur Hälfte des Dichtungsspaltes 348 in den vorgesehenen Winkel nach innen neigt. Am Ende der geneigten Mantelfläche 352 ist wiederum die Rille 350 vorgesehen, die den Dichtungsspalt begrenzt.
6 zeigt schließlich eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors bei dem bezogen auf die vorhergehenden Zeichnungsfiguren gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern versehen sind.
7 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereiches des Dichtungsspaltes 448 von 6.
Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausgestaltungen des Lagersystems, insbesondere des Dichtungsspaltes, weist der Dichtungsspalt 448 gemäß den 5 und 6 keine gleichmäßige Oberfläche auf, sondern ist abgestuft. So ist z. B. die Mantelfläche 452 der Lagerbuchse 410 im Bereich des Dichtungsspaltes 448 mit Abstufungen 454 versehen, wodurch sich der Durchmesser der Lagerbuchse 410 in Richtung der Öffnung des Dichtungsspaltes 448 verringert. Zwischen den einzelnen Stufen 454 weist die Mantelfläche 452 der Lagerbuchse 410 zylindrische Abschnitte auf. In gleicher Weise verläuft die Mantelfläche 456 des topfförmigen Bauteils 426 im Bereich des Dichtungsspaltes 448 nicht gleichmäßig sondern weist eine Vielzahl von Stufen 458 auf, so dass sich der Innendurchmesser des topfförmigen Bauteils 426 zur Öffnung des Dichtungsspaltes 448 hin verkleinert. Auch hier können zwischen den einzelnen Stufen 458 zylindrische Abschnitte der Mantelfläche 456 vorgesehen sein. Vorzugsweise befinden sich die Stufen 454 und 458 nicht auf derselben Höhe, sondern sind versetzt zueinander angeordnet. Es ist z. B. aber auch möglich, die Mantelfläche der Lagerbuchse 410 in dargestellter Weise abgestuft auszubilden, während die Mantelfläche des topfförmigen Bauteils 426 gerade und zylindrisch ausgebildet ist, wie z. B. in 1 dargestellt.
Die Stufen erlauben es, den Füllstand des Lagerfluids im Dichtungsspalt 448 zuverlässig visuell oder maschinell zu prüfen. Jede Stufe in den Mantelflächen wirkt als eine Art visuelle Markierung, an welcher der Füllstand des Lagerfluids abgelesen werden kann.

10: Lagerbuchse
12: Welle
13: Stopperring
14: Lagerspalt
16: Rotationsachse
18: Radiallager
20: Oberflächenstrukturen
22: Radiallager
24: Oberflächenstrukturen
26: Topfförmiges Bauteil
28: Axiallager
30: Lagerstrukturen
32: Rezirkulationskanal
34: Abdeckplatte
36: Basisplatte
38: Nabe
40: Statoranordnung
42: Rotormagnet
44: Rückschlussring
46: Metallring
48: Dichtungsspalt
50: Rille
52: Mantelfläche (Lagerbuchse)
56: Mantelfläche (Bauteil)
110: Lagerbuchse
134: Abdeckplatte
150: Rille
210: Lagerbuchse
248: Dichtungsspalt
250: Rille
252: Mantelfläche (Lagerbuchse)
256: Mantelfläche (Bauteil)
310: Lagerbuchse
348: Dichtungsspalt
350: Rille
352: Mantelfläche (Lagerbuchse)
356: Mantelfläche (Bauteil)
410: Lagerbuchse
426
448: Dichtungsspalt
450: Rille
452: Mantelfläche, (Lagerbuchse)
454: Stufe
456: Mantelfläche (Bauteil)
458: Stufe

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden (10; 210; 310; 410) und mindestens einem beweglichen Lagerbauteil (12, 26), die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (16) drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14) ausbilden, wobei sich an eine Seite des Lagerspalts ein Dichtungsspalt (48; 248; 348; 448) anschließt, der zwischen einer radial nach außen gerichteten Mantelfläche (52; 252; 352; 452) des feststehenden Lagerbauteils (10; 210; 310; 410) und einer dieser gegenüberliegenden, radial nach innen gerichteten Mantelfläche (56; 256; 356; 456) des beweglichen Lagerbauteils angeordnet und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Dichtungsspalts (48; 248; 348; 448) die Mantelfläche (52; 252; 352; 452) des feststehenden Lagerbauteils (10; 210; 310; 410) mit der Rotationsachse (16) einen ersten Winkel zwischen 0°–10° und die Mantelfläche (56; 256; 356; 456) des beweglichen Lagerbauteils (12, 26) mit der Rotationsachse (16) einen zweiten Winkel zwischen 0°–10° ausbildet, wobei die beiden Winkel sich in dieselbe Richtung öffnen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (48; 248; 348; 448) zusammen mit dem darin befindlichen Lagerfluid eine Kapillardichtung ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Dichtungsspalts (48; 248; 348; 448) mindestens ein Viertel der axialen Länge des feststehenden Lagerbauteils (10; 210; 310; 410) beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Bauteil eine Lagerbuchse (10; 210; 310; 410) mit einer zentralen Lagerbohrung umfasst.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Lagerbauteil eine in der Lagerbohrung drehbar gelagerte Welle (12) umfasst, deren freies Ende mit einem topfförmigen Bauteil (28) verbunden ist, welches die Lagerbuchse (10; 210; 310; 410) unter Bildung des Dichtungsspalts (48; 248; 348; 448) teilweise umgibt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wandung der zentralen Lagerbohrung und/oder auf der Oberfläche der Welle (12) Druck erzeugende Lagerstrukturen (20; 24) ausgebildet sind als Teil von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager (18; 22).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Stirnfläche der Lagerbuchse (10; 210; 310; 410) und/oder einer dieser Stirnfläche gegenüber liegenden Fläche des topfförmigen Bauteils (28) Druck erzeugende Lagerstrukturen (30) ausgebildet sind als Teil eines fluiddynamischen Axiallagers (28).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Winkel 0° betragen und die zugeordneten Mantelflächen zylindrisch sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel zwischen 0°–10° und der zweite Winkel 0° beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel und der zweite Winkel größer als 0° sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Winkel über die axiale Länge der Mantelfläche (252; 352; 452) des feststehenden Bauteils (10; 210; 310; 410) ändert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Winkel über die axiale Länge der Mantelfläche (256; 356; 456) des beweglichen Lagerbauteils (12; 26) ändert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser der Mantelfläche (456) des beweglichen Lagerbauteils (12, 26) in zwei oder mehreren Stufen (458) ändert, wobei eine an diese Mantelfläche (456) angelegte Tangente einen Schenkel des ersten Winkels ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser der Mantelfläche (452) des feststehenden Lagerbauteils (410) in zwei oder mehreren Stufen (454) ändert, wobei eine an diese Mantelfläche (452) angelegte Tangente einen Schenkel des zweiten Winkels ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (48; 248; 348; 448) zur Umgebungsatmosphäre offen ist, und am offenen Ende des Dichtungsspalts eine ringförmige Rille oder Nut (150; 250; 350; 450) am feststehenden oder am beweglichen Lagerbauteil vorgesehen ist.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 15, einer Basisplatte (36) zur Aufnahme des feststehenden Lagerbauteils (10; 110; 210; 310; 410) des Lagersystems, einer mit dem beweglichen Lagerbauteil (12; 26) verbundenen Nabe (38) und einem elektromagnetischen Antriebssystem (40; 42; 44) zum Antrieb des beweglichen Lagerbauteils (12; 26).
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 16 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte, sowie einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte.
Lüfter mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 mit einem mit dem beweglichen Lagerbauteil (12; 26) verbundenen Lüfterrad und einem elektromotorischen Antriebssystem (40; 42; 44) zum Antrieb des beweglichen Lagerbauteils (12; 26).