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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen
Lagersystem und feststehender Welle mit den im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Merkmalen.
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Stand der Technik
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Spindelmotoren
mit fluiddynamischem Lagersystem werden beispielsweise zum Antrieb
von Festplattenlaufwerken eingesetzt und können generell in zwei unterschiedliche
Gruppen, sprich Bauformen, eingeteilt werden: Motoren mit drehender
Welle und üblicherweise
nur einseitig geöffnetem
Lagersystem (z. B. single plate design) und Motoren mit stehender
Welle. Ein entscheidender Vorteil der zweiten Gruppe ist die Möglichkeit,
den Spindelmotor nicht nur an einem Ende der stehenden Welle an
der Grundplatte eines Gehäuses
zu befestigen, sondern auch an dem zweiten, Ende der Welle mit z.
B. einem Gehäusedeckel
zu verbinden. Dadurch erhalten solche Motortypen eine wesentlich
größere strukturelle Steifigkeit,
wodurch sie besonders geeignet sind z. B. für Festplattenlaufwerke mit
erhöhten
oder besonderen Anforderungen, wie heute unter anderem bei vielen
mobilen Anwendungen mit stetig wachsender Datendichte und gleichzeitig
während
des normalen Betriebs bestehenden Vibrationen auftreten. Ein weiterer
wichtiger Anwendungsbereich sind Festplattenlaufwerke mit besonders
niedrig gefordertem Betriebsgeräusch,
wobei insbesondere die Übertragung und
Abstrahlung von durch elektromagnetische Kräfte des Motors erzeugte Schwingungen
durch eine höhere
Struktursteifigkeit verringert werden können.
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Der
Aufbau und insbesondere die Abdichtung eines Spindelmotors mit stehender
Welle und einem beidseitig geöffneten
fluiddynamischen Lagersystem sind meist aufwändiger als bei einem Spindelmotor
mit drehender Welle. Besonders die Herstellung der Lagerteile des
Fluidlagers, wie z. B. Lagerbuchse und Welle, mit Toleranzen im
Submikrometerbereich und die genaue und stabile Verbindung der kleinen
Einzelteile des Motors (z. B. axialer Schlag des Rotorbauteils/Änderung
unter äußerer wirkenden
Belastung) schafft für
die zunehmend eingesetzten kleinen Formfaktoren (sogenannte 2,5,
1,8 oder 1 Zoll Laufwerke) einige Schwierigkeiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotortyp anzugeben,
der ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer stehenden, an beiden
Enden befestigten Welle enthält
und nur aus wenigen, relativ einfach herzustellenden und sicher
mit den geforderten Toleranzen im Mikro- und Submikrometerbereich zusammen
zu bauenden Teilen besteht, sowie ausreichend robust gegen äußere Stöße ist – was für mobile
Anwendungen unabdingbar ist.
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Diese
Aufgabenstellung wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Spindelmotor
mit fluiddynamischem Lagersystem zeichnet sich aus durch ein Rotorbauteil
in Form einer Nabe mit integrierter Lagerbuchse, welches eine gerade,
stehende Welle umschließt,
die wiederum an ihren beiden Enden mit axial ausgerichteten Lagerbauteilen
verbunden ist, die derart geformt sind, dass sie das zwischen Welle
und Rotorbauteil gebildete, beidseitig offene fluiddynamische Lagersystem
abschließen.
Das Rotorbauteil umfasst einen hohlzylindrischen Abschnitt, der
die Funktion der Lagerbuchse übernimmt,
und einen einteilig mit dem hohlzylindrischen Abschnitt ausgebildeten
glockenförmigen
Abschnitt, der die Nabe des Spindelmotors bildet.
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Zwei
Radiallager des fluiddynamischen Lagersystems werden gebildet durch
einander gegenüberliegende
radiale Lagerflächen
der Welle und des Rotorbauteils. Mindestens ein Axiallager des Lagersystems
wird gebildet durch einander gegenüberliegende axiale Lagerflächen des
Rotorbauteils und einem ersten Lagerbauteil bzw. einem zweiten Lagerbauteil.
Die aneinander angrenzenden Flächen
der Welle, des Rotorbauteils und der Lagerbauteile sind durch einen
beidseitig offenen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander
getrennt. Ferner umfasst der Motor ein elektromagnetisches Antriebssystem,
um das Rotorbauteil anzutreiben.
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Im
Falle eines einzelnen Axiallagers kann die nötige Gegenkraft durch einen
Versatz des Rotormagneten in axialer Richtung (Offset) und/oder
durch einen ferromagnetischen Ring, der unterhalb des Rotormagneten
angebracht ist, aufgebracht werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Lagersystem
nur insgesamt vier mechanische Bauteile, wobei drei Bauteile feststehende
Bauteile sind und nur ein rotierendes, mechanisches Rotorbauteil
in Form einer Nabe-Lagerbuchse-Anordnung vorgesehen ist. Aufgrund
dieser geringen Anzahl von Teilen lässt sich das Lagersystem sehr
einfach aufbauen und insbesondere die Teile relativ einfach und
kostengünstig
herstellen und maschinieren.
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Zur
Abdichtung des beidseitig offenen Lagerspaltes sind erfindungsgemäß verschiedene
Dichtungskonzepte vorgesehen. Zum einen kann das Rotorbauteil Oberflächen aufweisen,
die derart geformt sind, das sie zusammen mit Oberflächen eines
Lagerbauteils eine kapillare Spaltdichtung (Labyrinthdichtung) bilden.
Die Spaltdichtung kann zwischen einer inneren Umfangsfläche des
Rotorbauteils und einer äußeren Umfangsfläche des
jeweiligen Lagerbauteils gebildet sein. Es ist in umgekehrter Weise auch
möglich,
dass die Spaltdichtung zwischen einer äußeren Umfangsfläche des
Rotorbauteils und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils gebildet wird.
Je nach Bauform und Platzverhältnissen
im Lager kann die Spaltdichtung vertikal oder horizontal zur Drehachse
ausgerichtet werden. Die Spaltdichtung kann ergänzt oder ersetzt werden durch
eine dynamische Pumpdichtung, wobei die die Dichtung bildenden Oberflächen des
Rotorbauteils und eines Lagerbauteils entsprechende Pumpstrukturen
aufweisen, die bei Drehung des Lagers eine in das Lagerinnere gerichtete
Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen.
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Das
andere Ende des Lagerspaltes kann durch eine kapillare Dichtung,
vorzugsweise eine konische Kapillardichtung, abgedichtet werden,
die durch entsprechende Oberflächen
des Rotorbauteils und gegenüberliegende
Oberflächen
eines Lagerbauteils gebildet wird. Die kapillare Dichtung kann zwischen
einer inneren Umfangsfläche
des Rotorbauteils und einer äußeren Umfangsfläche des
Lagerbauteils gebildet sein. Die Kapillardichtung kann jedoch auch
zwischen einer äußeren Umfangsfläche des
Rotorbauteils und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils gebildet
sein. Je nach Platzverhältnissen
und Bauform kann die kapillare Dichtung vertikal oder horizontal
zur Drehachse angeordnet werden. Bei Spindelmotoren für hohe Drehzahlen wird
es bevorzugt, die Kapillardichtung vertikal anzuordnen, da so die
auf das Lagerfluid wirkenden Zentrifugalkräfte einen geringeren Einfluss
auf das Lagerfluid in der Kapillardichtung haben.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberflächen des
Rotorbauteils und des Lagerbauteils, welche die Kapillardichtung
bilden, vorzugsweise parallel zur Drehachse oder in einem spitzen
Winkel schräg
zur Drehachse geneigt. Die jeweiligen Winkel der den Kapillarspalt
begrenzenden Oberflächen
müssen
dabei verschieden groß sein,
damit sich eine im Querschnitt konische Erweiterung der Kapillardichtung
ergibt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die kapillare Dichtung durch
eine mit dem Rotorbauteil verbundene ringförmige Abdeckkappe abzudecken,
die zusammen mit einem Lagerbauteil eine Labyrinthdichtung ausbildet.
Dies erhöht
die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus der kapillaren Dichtung.
Die ringförmige
Abdeckkappe kann natürlich
auch an dem Lagerbauteil angeordnet sein. Die Abdeckkappe kann beispielsweise
im Querschnitt L-förmig
ausgebildet sein.
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Gemäß eine anderen
Ausgestaltung der Erfindung kann die Abdeckkappe derart geformt
und an oder in dem Rotorbauteil befestigt sein, dass deren Innenumfang
zusammen mit einem Außenumfang des
zugeordneten Lagerbauteils den Spalt der Kapillardichtung begrenzt.
In diesem Fall kann die Abdeckkappe im Querschnitt etwa Z-förmig geformt sein.
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Damit
das Lagerfluid im Fluidlager zirkulieren kann, kann das Rotorbauteil
einen Rezirkulationskanal enthalten, der die axialen Lagerflächen miteinander
verbindet.
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Die
Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
beschrieben. Aus den nachfolgenden Erläuterungen ergeben sich weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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2 zeigt
einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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3 zeigt
einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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4 zeigt
einen Schnitt durch eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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5 zeigt
einen Halbschnitt durch eine fünfte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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6 zeigt
einen Halbschnitt durch eine sechste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen
der Erfindung
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Die 1 bis 6 zeigen
verschiedene Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Spindelmotoren,
wobei alle dargestellten Spindelmotoren im Wesentlichen denselben
Grundaufbau haben. Die Spindelmotoren können zum Antrieb von Speicherplatten
eines Festplattenlaufwerks vorgesehen sein.
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Der
Spindelmotor gemäß 1 umfasst eine
Grundplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist,
in welcher ein erstes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist.
Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa topfförmig ausgebildet
und umfasst eine zentrale Öffnung,
in welcher die Welle 12 befestigt ist. An einem oberen
Ende der feststehenden Welle 12 ist ein zweites Lagerbauteil 18 angeordnet,
das vorzugsweise ringförmig
ausgebildet ist. Die genannten Bauteile bilden die feststehende Komponente
des Spindelmotors. Die Welle 12 kann an ihrem oberen Ende
zusätzlich
an dem Gehäuse des
Spindelmotors befestigt werden. Der Spindelmotor umfasst ein einteiliges
Rotorbauteil 14, das in einem durch die Welle 12 und
die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum
relativ zu diesen drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 18 ist in
einer ringförmigen
Aussparung des Rotorbauteils 14 aufgenommen. Aneinander
angrenzende Flächen der
Welle 12, des Rotorbauteils 14 und der Lagerbauteile 16, 18 sind
durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander
getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Das
elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter
Weise gebildet durch eine an der Grundplatte 10 angeordnete
Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem
Abstand umgebenden, ringförmigen
Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche des
Rotorbauteils 14 angeordnet ist.
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Das
Rotorbauteil 14 des Spindelmotors hat einen hohlzylindrischen
Abschnitt, der so gestaltet ist, dass dessen Innenumfang zwei zylindrische
Lagerflächen
ausbildet, welche durch eine dazwischen umlaufende Nut 24 getrennt
sind. Diese Lagerflächen
umschließen
die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern
(Lagerspalt 20) und sind mit geeigneten Rillenstrukturen
versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der
Welle 12 zwei radiale Lager 22a und 22b ausbilden.
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Weiterhin
schließen
sich an diese beiden Radiallager 22a, 22b jeweils
nach außen
hin axiale Lagerflächen
des Rotorbauteils 14 an die als zur Drehachse 46 senkrechte
Kreisringe ausgebildet, die mit entsprechend gegenüber liegenden
Lagerflächen
der auf der Welle 12 angebrachten Lagerbauteilen 16, 18 zwei
Axiallager 26a und 26b ausbilden. Die Axiallager 26a, 26b sind
in bekannter Weise durch Rillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder
auf dem Rotorbauteil 14, den Lagerbauteilen 16, 18 oder
beiden Teilen angebracht werden können. In vorteilhafter Weise
können
alle für
die Radiallager 22a, 22b und Axiallager 26a, 26b notwendigen
Lagerrillenstrukturen am Rotorbauteil 14 angeordnet sein,
was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und
der beiden Lagerbauteile 16, 18 vereinfacht.
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Sich
an die Axiallagerbereiche 26a, 26b anschließende Bereiche
des Rotorbauteils 14 sind so gestaltet, dass sie mit entsprechend
gegenüberliegenden
Flächen
der Lagerbauteile 16, 18 Dichtungen 32 bzw. 36 bilden,
die das Fluidlagersystem an beiden Seiten abschließen. Genauer
gesagt ist das Rotorbauteil 14 an einer Seite so gestaltet,
dass ein axialer Richtung konisch aufweitender Spalt 34 zwischen
dem Rotorbauteil 14 und dem entsprechenden Lagerbauteil 18 entsteht,
welcher neben der Funktion als kapillare Dichtung 32 auch
als Fluidreservoir dient, also die für die Lebensdauer (Evaporation)
benötigte
Fluidmenge bereitstellt sowie Fülltoleranzen und
eine eventuelle thermische. Ausdehnung des Lagerfluids ausgleichen
kann. Der Spalt 34 ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Die
beiden den konischen Spalt 34 bildenden Flächen an
dem Rotorbauteil 14 und dem Lagerbauteil 18 können dabei
jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen oder außen geneigt
sein. Die kapillare Dichtung 32 ist vorzugsweise durch
eine Abdeckkappe 30 abgedeckt, die am Rotorbauteil 14 (oder
alternativ am Lagerbauteil 18) befestigt ist.
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An
der anderen Seite des Fluidlagersystems ist das Rotorbauteil 14 im
Anschluss an das zweite Axiallager 26b so gestaltet, dass
es mit einer entsprechend gegenüberliegenden
Fläche
des Lagerbauteils 16 einen engen Spalt 38 bildet,
welcher durch geeignete Rillenstrukturen auf den Flächen des Rotorbauteils 14,
des Lagerbauteils 16 oder beiden als aktive Pumpdichtung 36 wirkt
und das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Diese Pumpdichtung 36 wird
wegen der im Betrieb des Motors entstehenden und auf das Lagerfluid
wirkenden Zentrifugalkräfte
vorzugsweise vertikal in Richtung der Drehachse 46 ausgeführt und
am äußeren Ende schroff
(kapillare Bremswirkung) aufgeweitet und mündet z. B. in einen konisch
gestalteten Freiraum 40, welcher z. B. während einer
Erschütterung
des Motors im Stillstand austretendes Lagerfluid aufnehmen kann,
so dass dieses Fluid bei der nächsten
Inbetriebnahme des Motors durch die Pumpwirkung der Pumpdichtung 36 wieder
dem Lagerbereich zugeführt
wird. Der Freiraum 40 kann zusätzlich von einer Abdeckkappe 30 abgedeckt
oder durch Teile des Rotorbauteils 14 ganz oder teilweise
abgedeckt sein.
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Um
die beschriebenen Funktionen erfüllen zu
können
und einen einfachen Zusammenbau des Motors sicherzustellen, sind
die beiden Lagerbauteile 16, 18, welche fest mit
der Welle 12 z. B. durch Pressen, Kleben oder Schweißen verbunden
werden, natürlich
geeignet gestaltet. Insbesondere kann es günstig sein, eines der beiden
Lagerbauteile, z. B. das Teil 16, topfförmig mit einem hochgezogenen Rand
auszuführen,
so dass es an seiner inneren Umfangsfläche mit einer gegenüberliegenden
Fläche des
Rotorbauteils 14 eine Pumpdichtung 36 (oder auch
kapillare Dichtung 32) ausbildet und am Außenumfang
eine Verbindung mit der Grundplatte 10 herstellt.
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Andererseits
kann auch eine möglichst
einfache Gestaltung der Lagerbauteile 16, 18 vorteilhaft sein,
z. B. als eine abgestufte oder auch gerade Kreisscheibe, wie z.
B. das Lagerbauteil 18.
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Um
eine kontinuierliche Durchspülung
des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, kann das Rotorbauteil 14 zusätzlich mit
einem Rezirkulationskanal 28 ausgeführt werden, welcher den beiden axialen
Lagerflächen 26a, 26b zugeordnete
Abschnitte des Lagerspalts 20 verbindet. Der Rezirkulationskanal 28 kann
z. B. einfach durch Durchbohren des Rotorbauteils 14 parallel
zur Drehachse 46 des Motors und damit senkrecht zu Axiallagerflächen 26a, 26b vor
der Endbearbeitung des Rotorbauteils 14 ausgeführt werden.
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Da
der gesamte Rotor des Spindelmotors (abgesehen vom Magneten 44 und
ggf. einer Abdeckkappe 30) nur aus dem Rotorbauteil 14 besteht, ist
die Lagetoleranz der Rotorflächen,
die beispielsweise als Auflagefläche
für Speicherplatten
eines Festplattenlaufwerks dienen, relativ zum Fluidlager besser
als bei einem aus mehren Teilen bestehenden Rotor und die mechanische
Stabilität
wesentlich höher.
Weiterhin können
die Funktionsflächen
(Lagerflächen)
des Fluidlagersystems, welche sich alle an einem Teil, vorzugsweise
dem Rotorbauteil 14 befinden, relativ einfach mit der geforderten
Genauigkeit hergestellt werden. Insbesondere kann das Rotorbauteil 14,
verglichen z. B. mit einer wesentlich kleineren Lagerbuchse herkömmlicher
Bauart, relativ einfach in ein Spannwerkzeug eingespannt werden und
die Endbearbeitung fast aller Lagerflächen kann durchgeführt werden
ohne umzuspannen. Außerdem entfällt der
gerade für
kleine Formfaktoren schwierige und unweigerlich mit Ausfällen verbundene
Zusammenbau des Rotors aus mehreren Einzelteilen, welche ja zusammen
auch alle für
ein Fluidlagersystem notwendige Funktionsflächen mit der entsprechenden
Genauigkeit und zusätzlich
besonders gestaltete, eng tolerierte Verbindungsbereiche enthalten müssen.
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Der
Spindelmotor gemäß 1 zeichnet sich
dadurch aus, dass die konische Kapillardichtung sich an der „Oberseite" des Lagers zwischen
dem Rotorbauteil 14 und der dem zweiten Lagerbauteil 18 befindet.
Der Spalt 34 der Kapillardichtung ist relativ zur Rotationsachse 46 deutlich
schräg
nach außen geneigt,
so dass die Kapillardichtung 32 länger ausgebildet werden kann,
als wenn der Spalt 34 parallel zur Rotationsachse 46 ausgerichtet
werden würde. Das
Befüllen
des Lagers kann auf einfache Weise direkt durch den Spalt 34 der
Kapillardichtung 32 erfolgen, wonach dann die Abdeckkappe 30 montiert wird,
die außerdem
eine Labyrinthdichtung 48 mit einer Stirnfläche des
Lagerbauteils 18 bildet. Das untere Lagerbauteil 16 ist topfförmig ausgebildet,
wobei die Pumpdichtung 36 zwischen dem Außendurchmesser
des Rotorbauteils 14 und dem topfförmigen Rand des Lagerbauteils 16 in
axialer Richtung gebildet wird. Der Spalt 38 erstreckt
sich parallel zum Lagerspalt 20, jedoch nicht in Verlängerung
des vertikalen Abschnitts des Lagerspalts 20. Durch diese
Anordnung kann ein möglichst
großer
Abstand zwischen den beiden Radiallagern 22a und 22b bei gleichzeitig
großer
Länge der
Pumpdichtung 36 erreicht werden. Am Ende der Pumpdichtung 36 wird zwischen
einem Außendurchmesser
des Rotorbauteils 14 und einem Innendurchmesser des Lagerbauteils 16 ein
geschützter
Freiraum 40 gebildet. Aufgrund des topfförmigen Lagerbauteils 16 ist
es ferner möglich,
dieses unter Realisierung einer großen Fügelänge mit der Grundplatte 10 zu
verbinden. Damit ergibt sich eine sichere und sehr genau auszurichtende
Verbindung zwischen Grundplatte 10 und den feststehenden
Teilen des Motors.
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Neben
dem Rotorbauteil 14, den beiden Lagerbauteilen 16 und 18 und
einer Abdeckkappe 30 besteht der Spindelmotor (abgesehen
von den elektromagnetischen Komponenten 42 und 44)
aus nur noch einem weiteren mechanischen Bauteil, nämlich der
ebenfalls einfach zu fertigenden, geraden Welle 12. Der
Zusammenbau des Motors lässt
sich dann auch denkbar einfach durchführen und besteht nur aus dem
Einfädeln
der Welle 12 die Öffnung
des Rotorbauteils 14 und dem Anbringen der Lagerbauteile 16, 18 an
der geforderten Position auf der Welle 12, woran sich ein üblicher
Einfüllprozess
für das
Lagerfluid, das Anbringen der elektromagnetischen Komponenten 42, 44 und
schließlich
der Einbau des Zusammenbaus in die Grundplatte 10 anschließt.
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In 2 ist
ein Spindelmotor dargestellt, bei dem gleiche Bauteile oder Bauteile
mit denselben Funktionen wie in 1 mit denselben
Bezugszeichen versehen ist, wobei diesen Bezugszeichen zur Unterscheidung
die Ziffer „1" vorangestellt wurde.
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Der
Spindelmotor gemäß 2 unterscheidet
sich im Wesentlichen vom Spindelmotor gemäß 1 durch
ein anderes Dichtungskonzept. Für 2 gilt
im Wesentlichen dieselbe Beschreibung wie für den Spindelmotor von 1.
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In 2 ist
die Pumpdichtung 136 im „oberen" Bereich des Spindelmotors, und zwar
zwischen dem Außenumfang
der zweiten Lagerscheibe 118 und einem Innenumfang des
Rotorbauteils 114 angeordnet. Dadurch kann die Dicke der
Lagerscheibe 118 im Vergleich zur Lagerscheibe von 1 geringer
gewählt
werden, was einen größeren axialen
Abstand der beiden Radiallager 122a und 122b zulässt. An
die obere Pumpdichtung 136 und den Spalt 138 schließt sich
ein kurzer, breiter und konisch sich öffnender Freiraum 140 an,
welcher beim Befüllen
des Lagersystems zuerst das Lagerfluid aufnimmt und nach dem Füllprozess
mit einer Abdeckkappe 130 verschlossen wird. Am „unteren" Ende des Spindelmotors
ist die kapillare Dichtung 132 mit Spalt 134 als Fluidreservoir
angeordnet. Der Spalt 134 wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche des
Rotorbauteils 114 und eine innere Umfangsfläche des
topfförmigen
ersten Lagerbauteils 116. Die axialen Begrenzungsflächen des
Spaltes 134 sind relativ zur Rotationsachse 146 beide
nach innen geneigt, wobei die Fläche
am Rotorbauteil 114 stärker
geneigt ist als die Fläche
am Lagerbauteil 116, so dass sich der Spalt 134 konisch
erweitert. Die Kapillardichtung 132 ist nach außen durch
einen Labyrinthspalt 148 zwischen dem Rotorbauteil und
der Grundplatte 110 geschützt.
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3 zeigt
einen Spindelmotor mit im Wesentlichen denselben Bauteilen wie der
Spindelmotor aus 1, wobei hier gleiche Bauteile
bzw. Bauteile mit gleichen Funktionen dieselben Bezugzeichen unter
Vorranstellung einer „2" verwendet wurden.
Die allgemeine Beschreibung des Aufbaus des Spindelmotors aus 1 gilt
auch für
den Spindelmotor aus 3.
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Ein
wesentlicher Unterschied des Spindelmotors von 3 gegenüber dem
Spindelmotor von 1 ist, dass das untere Lagerbauteil 216 nicht topfförmig, sondern
in Form einer ringförmigen Scheibe
mit einer Abstufung ausgebildet ist. Zwischen einer Umfangsfläche an der
Stufe des Lagerbauteils 216 und einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 216 ist
eine Pumpdichtung 236 ausgebildet, welche die Form eines
axial verlaufenden Spaltes 238 aufweist. Jenseits der Pumpdichtung 236 ist
ein radial sich aufweitender Freiraum 240 gebildet. Diese
Ausführungsform
des Spindelmotors umfasst eine einfach herzustellende Form des unteren
Lagerbauteils 216, das an seinem Außendurchmesser mit der Grundplatte 210 verbunden
ist. Die Abdichtung der oberen Öffnung
des Lagerspaltes 220 erfolgt durch einen konischen Dichtungsspalt 234,
der eine Kapillardichtung 232 bildet. Der Spalt 234 wird
begrenzt durch eine abgeschrägte äußere Umfangsfläche des
scheibenförmigen
Lagerbauteils 218 und eine innere Umfangsfläche des
abgestuften Rotorbauteils 214. Die an den Spalt 234 angrenzenden
Flächen
sind relativ zur Rotationsachse 246 nach innen geneigt
und erweitern sich konisch. Das Lager wird über den Spalt 234 mit
Lagerfluid befüllt und
dann durch eine Abdeckkappe 230 abgedeckt, die vorzugsweise
mit dem Rotorbauteil 214 verbunden wird.
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Schließlich zeigt 4 eine
gegenüber 2 abgewandelte
Ausführung
des Spindelmotors. Es gilt die allgemeine Beschreibung des Spindelmotors
aus 1, wobei gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben
Funktionen dieselben Bezugszeichen mit einer vorangestellten „3" aufweisen.
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Im
Unterschied zur 2 bietet der Spindelmotor gemäß 4 eine
sehr einfache Form der beiden Lagerbauteile 316 und 318,
als ringförmige Scheiben
mit zylindrischem oder abgeschrägtem
Außenumfang.
Das obere Lagerbauteil 318 hat eine geringe Dicke, um einen
möglichst
großen
axialen Abstand der beiden Radiallager 322a und 322b realisieren
zu können.
Aufgrund der geringen Dicke des oberen Lagerbauteils 318 kann
dieses vorzugsweise durch Schweißen mit der Welle 312 verbunden
werden. Eine Pumpdichtung 336 wird zwischen dem Außenumfang
des oberen Lagerbauteils 318 und einem Innenumfang des
Rotorbauteils 314 gebildet. Die kapillare Spaltdichtung 332 ist
angeordnet zwischen einem abgeschrägten Außenumfang des unteren Lagerbauteils 316 und
einem Bund des Rotorbauteils 314 und wird durch eine Abdeckkappe 330 abgedeckt.
Die feststehende Welle 312 ist unmittelbar mit der Grundplatte 310 verbunden.
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5 zeigt
einen Halbschnitt durch eine fünfte
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors, wobei die
feststehende Welle 412 in einem ersten Lagerbauteil 416 gehalten
ist, welches wiederum in der Grundplatte befestigt ist. Am oberen Ende
der Welle 412 ist ein zweites Lagerbauteil 418 angeordnet,
welches im dargestellten Beispiel einteilig mit der Welle 412 ausgebildet
ist. Das Rotorbauteil 414 ist drehbar im Zwischenraum zwischen
der Welle 412 und den beiden Lagerbauteilen 416, 418 angeordnet
und durch einen Lagerspalt 420 von den feststehenden Lagerbauteilen 412, 416 und 418 getrennt.
Entlang des Lagerspalts 420 sind zwei Radiallager 422a, 422b,
sowie ein (einziges) Axiallager 426b angeordnet. Zwischen
den beiden Radiallagern 422a, 422b befindet sich
eine spaltförmige
Nut 424 mit größerer Breite.
Jenseits des Axiallagers 426b weitet sich der Lagerspalt
in einen Spalt 438 auf, der zwischen einem Außenumfang
des Rotorbauteils 414 und einem Innenumfang des topfförmigen Lagerbauteils 416 gebildet
wird. Dieser Spalt 438 bildet eine Spaltdichtung, an die
sich ein aufweitender Freiraum 440 anschließt, der
aus dem Spalt 438 austretendes Lagerfluid aufnehmen kann.
Im Bereich des Spaltes 438 sowie zwischen dem Lagerbauteil 418 und
dem Rotorbauteil 414 kann sich eine Pumpdichtung 436 bzw. 427 befinden.
An die obere Pumpdichtung 427 schließt sich eine konische Kapillardichtung 432 an,
die zwischen dem Lagerbauteil 418 und einer Abdeckkappe 430 angeordnet
ist. Der Spalt 434 der Kapillardichtung 432 verläuft zum
großen
Teil etwa parallel zur Rotationsachse 446, vorzugsweise
leicht nach innen zur Rotationsachse geneigt, und knickt dann um
etwa 90° zur
Richtung der Rotationsachse ab. Durch diese vertikale Ausrichtung
des Spaltes 434 wirken sich auf das Lagerfluid einwirkende
Zentrifugalkräfte
nur gering aus und das Lagerfluid wird im Spalt 434 gehalten.
Die Abdeckkappe 430, die im Querschnitt etwa Z-förmig ausgebildet ist, sitzt
in einer Aussparung des Rotorbauteils 414 und besitzt eine Öffnung 450, über welche
das Lager mit Lagerfluid gefüllt
werden kann. Zwischen einer Kante der Abdeckkappe 430 und
dem Lagerbauteil 418 (bzw. der Welle 412) verbleibt
ein ringförmiger
Spalt 448, der die Kapillardichtung nach außen abdichtet.
Der Rezirkulationskanal 428 verläuft vom Bereich des Außendurchmessers
des unteren Axiallagers 426b bis zum Lagerspalt außerhalb
der Pumpdichtung 427 und mündet direkt in den Spalt 434 der
konischen Kapillardichtung 432. Der Antrieb des Spindelmotors
erfolgt durch elektro-magnetische Komponenten 442 und 444.
Unterhalb des Rotormagneten 444 ist ein ferromagnetischer
Ring 452 in der Grundplatte angebracht, der die benötigte Gegenkraft
zum Axiallager 426b bewirkt. Zusätzlich kann der Rotormagnet
einen Versatz in axialer Richtung (Offset) aufweisen.
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6 zeigt
einen Spindelmotor in der Ausgestaltung gemäß 5, wobei
hier gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleichen Funktionen dieselben
Bezugzeichen unter Vorranstellung einer „5" statt einer „4" verwendet wurden. Im Unterschied zu 5 umfasst
der Spindelmotor aus 6 eine Abdeckkappe 530,
die etwa im Querschnitt Z-förmig
geformt ist, derart, dass der Spalt 534 der Kapillardichtung 532, der
an den Lagerspalt im Bereich der Pumpdichtung 527 angrenzt,
relativ stark in Richtung der Rotationsachse 546 geneigt
ist, wobei er dann etwa senkrecht zur Richtung der Rotationsachse 546 abknickt.
Die konische Kapillardichtung 532 öffnet sich ausgehend vom Lagerspalt 520 in
einen Winkel von beispielsweise 2° bis
5°, vorzugsweise
jedoch 3°.
In dem Abschnitt des Spalts 534, der etwa senkrecht zur
Rotationsachse 546 verläuft,
kann sich der Spalt 534 wieder verengen, wobei er durch
eine Spaltdichtung 548 abgedichtet ist. In 6 ist
das obere Lagerbauteil 518 nicht einteilig mit der Welle,
sondern als separates ringförmiges
Bauteil ausgebildet.
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Unterhalb
des Rotormagneten 544 ist auch hier ein ferromagnetischer
Ring 552 in der Grundplatte angebracht, der die benötigte Gegenkraft
zum Axiallager 526b bewirkt.
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- 10,
110, 210, 310, 410, 510
- Grundplatte
- 12;
112, 212, 312, 412, 512
- Welle
- 14,
114, 214, 314, 414, 514
- Rotorbauteil
- 16,
116, 216, 316, 416, 516
- Lagerbauteil
- 18,
118, 218, 318, 418, 518
- Lagerbauteil
- 20,
120, 220, 320, 420, 520
- Lagerspalt
- 22a,
22b, 122a, 122b, 222a, 222b, 322a, 322b, 422a, 422b, 522a, 522b
- Radiallager
- 24,
124, 224, 324, 424, 524
- Nut
- 26a,
26b, 126a, 126b, 226a, 226b, 326a, 326b, 426b, 526b
- Axiallager
- 427,
527
- Pumpdichtung
- 28,
128, 228, 328, 428, 528
- Rezirkulationskanal
- 30,
130, 230, 330, 430, 530
- Abdeckkappe
- 32,
132, 232, 332, 432, 532
- kapillare
Dichtung
- 34,
134, 234, 334, 434, 534
- Spalt
(konisch)
- 36,
136, 236, 336, 436, 536
- Pumpdichtung
- 38,
138, 238, 338, 438, 538
- Spalt
- 40,
140, 240, 340, 440, 540
- Freiraum
- 42,
142, 242, 342, 442, 542
- Statoranordnung
- 44,
144, 244, 344, 444, 544
- Magnet
- 46,
146, 246, 246, 446, 546
- Drehachse
- 48,
148, 248, 348, 448, 548
- Labyrinthdichtung
- 450,
550
- Öffnung
- 452,
552
- ferromagnetischer
Ring