DE102007058151B4

DE102007058151B4 - Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und feststehender Welle

Info

Publication number: DE102007058151B4
Application number: DE102007058151.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Drautz
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2027-12-01
Also published as: US20090140588A1; US7825557B2; DE102007058151A1

Abstract

Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, welcher umfasst:eine feststehende Welle (112, 312), die in einer Grundplatte (110, 310) gehalten ist,ein relativ zur Welle (112, 312) drehbar gelagertes einteiliges Rotorbauteil (114, 314),ein erstes Lagerbauteil (116, 316), das an der Grundplatte (110, 310) oder an der Welle (112, 312) befestigt ist,ein zweites Lagerbauteil (118, 318), das an einem freien Ende der Welle (112, 312) befestigt ist,zwei Radiallager (122, 322), jeweils ausgebildet zwischen einander gegenüberliegenden radialen Lagerflächen der Welle (112, 312) und des Rotorbauteils (114, 314),mindestens ein Axiallager (126b, 326b), das durch Rillenstrukturen gekennzeichnet ist, und das zwischen einander gegenüberliegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils (114, 314) und des ersten Lagerbauteils (116, 316) ausgebildet ist,einen beidseitig offenen Lagerspalt (120, 320) gefüllt mit einem Lagerfluid, der aneinander angrenzende Flächen der Welle (112, 312),des Rotorbauteils (114, 314), des ersten Lagerbauteils (116, 316) und des zweiten Lagerbauteils (118, 318) voneinander trennt,einen Rezirkulationskanal (128, 328), der axiale Lagerflächen des Rotorbauteils (114, 314) miteinander verbindet, undein elektromagnetisches Antriebssystem (142, 342, 144, 344), gekennzeichnet durch eine Pumpdichtung (136, 336), die entlang eines Spaltes (138, 338) angeordnet ist, der gebildet ist durch eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils (114, 314) und eine äußeren Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils (118, 318), wobei sich der Spalt (138, 338) parallel zum Lagerspalt (120, 320) erstreckt, jedoch nicht in Verlängerung eines vertikalen Abschnitts des Lagerspalts (120, 320), wobei sich das Axiallager (126b, 326b) und die Pumpdichtung (136, 336) an verschiedenen Enden des Lagerspalts (120, 320) befinden, und wobei die Pumpdichtung (136, 336) zwischen einem Ende des Rezirkulationskanals (128, 328) und einem offenen Ende des Spalts (138, 338) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem und feststehender Welle mit den im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1, 2 oder 3 angegebenen Merkmalen.
Stand der Technik
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.
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.
Die US 6 371 650 B1 offenbart einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager und einer feststehenden Welle. Ein Axiallager ist zwischen einer Stirnfläche des Rotors und einem an der Welle angeordneten Lagerbauteil gebildet. Der Lagerspalt ist durch kapillare Spaltdichtungen abgedichtet, die sowohl zwischen der Welle und dem Rotor als auch zwischen dem Rotor und einem Lagerbauteil angeordnet sind.
Die JP 11-55917 A offenbart einen Spindelmotor mit feststehender Welle, der als Scheibenläufer ausgebildet ist für sehr geringe Bauhöhen ausgelegt ist. Insgesamt sind zwei Axiallager zwischen der oberen Stirnfläche des Rotors und einem Lagerbauteil und zwischen der unteren Stirnfläche des Rotors und einem Flanschteil vorhanden.
Die JP 2003-333798 A zeigt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager und einer stehenden Welle, bei dem Spalt- bzw. Kapillardichtungen zwischen einem an der Welle angebrachten Lagerbauteil und einem am Rotor angebrachten Extrateil bzw. zwischen einem Lagerbauteil und einer Abdeckkappe gebildet werden.
Die US 7 234 868 B2 beschreibt einen Spindelmotor mit stehender Welle, bei dem eine senkrecht zur Rotationsachse angeordnete Pumpdichtung vorgesehen ist. Außerdem sind Kapillardichtungen zwischen unterschiedlichen Bauteilen beschrieben.
Die US 6 991 376 B2 offenbart einen Spindelmotor mit stehender Welle, und ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei Radiallagern und einem Axiallager, das zwischen dem Rotorbauteil und einem Lagerbauteil vorgesehen ist. Insgesamt besteht das Lagersystem aus vier mechanischen Bauteilen.
Die US 2007 0 133 911 A1 offenbart den nächstliegenden Stand der Technik gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 bis 3. Dieser Spindelmotor umfasst ein fluiddynamisches Lagersystem mit stehender Welle. Das Lagersystem weist zwei fluiddynamische Axiallager auf, die zwischen einander gegenüberliegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils und jeweils einem ersten und zweiten Lagerbauteil ausgebildet sind. Außerdem sind Kapillardichtungen zwischen Rotorbauteil und Lagerbauteil vorhanden und ein Rezirkulationskanal, der die Axiallagerflächen des Rotorbauteils direkt miteinander verbindet.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor der eingangs genannten Art hinsichtlich allgemeiner Zuverlässigkeit und Robustheit gegen äußere Stöße zu verbessern.
Diese Aufgabenstellung wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3 gelöst.
Im Falle, dass nur ein fluiddynamisches Axiallager verwendet wird, kann die nötige axiale Gegenkraft durch einen axialen Versatz des Rotormagneten in axialer Richtung (Offset) und/oder durch einen ferromagnetischen Ring, der unterhalb des Rotormagneten angebracht ist, aufgebracht werden.
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.
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 ist die Spaltdichtung vorzugsweise parallel zur Drehachse ausgerichtet. Die Spaltdichtung wird ergänzt oder ersetzt durch eine dynamische Pumpdichtung, wobei die die Pumpdichtung 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.
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 parallel oder schräg zur Drehachse angeordnet werden. Bei Spindelmotoren für hohe Drehzahlen wird es bevorzugt, die Kapillardichtung parallel zur Drehachse anzuordnen, da so die auf das Lagerfluid wirkenden Zentrifugalkräfte einen geringeren Einfluss auf das Lagerfluid in der Kapillardichtung haben.
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.
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.
Damit das Lagerfluid im Fluidlager zirkulieren kann umfasst das Rotorbauteil einen Rezirkulationskanal, der axiale Lagerflächen des Rotorbauteils miteinander verbindet.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
3 zeigt einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
4 zeigt einen Schnitt durch eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors.
5 zeigt zur allgemeinen Erläuterung einen Halbschnitt durch eine nicht beanspruchte Ausgestaltung eines Spindelmotors.
6 zeigt zur allgemeinen Erläuterung einen Halbschnitt durch eine nicht beanspruchte Ausgestaltung eines Spindelmotors.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 bis 4 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. Die Spindelmotoren gemäß den 5 und 6 dienen zur weiteren Erläuterung des Aufbaus von Spindelmotoren, sind jedoch nicht Gegenstand der Erfindung.
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.
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.
Weiterhin schließen sich an diese beiden Radiallager 22a, 22b jeweils nach außen hin Axiallagerflächen 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.
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.
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.
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.
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.
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, kann das Rotorbauteil 14 zusätzlich mit einem Rezirkulationskanal 28 ausgeführt werden, welcher den beiden Axiallagerflächen 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.
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 mehreren 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.
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.
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.
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.
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.
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.
3 zeigt einen Spindelmotor mit im Wesentlichen denselben Bauteilen wie der Spindelmotor aus 1, wobei hier gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleichen Funktionen dieselben Bezugszeichen unter Voranstellung einer „2“ verwendet wurden. Die allgemeine Beschreibung des Aufbaus des Spindelmotors aus 1 gilt auch für den Spindelmotor aus 3.
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.
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.
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.
5 zeigt eine weitere Bauart eines Spindelmotors zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung. Dieser Spindelmotor wird nicht als Erfindungsgegenstand beansprucht.
Eine feststehende Welle 412 ist in einem ersten Lagerbauteil 416 gehalten, 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.
6 zeigt einen Spindelmotor in der Ausgestaltung gemäß 5, wobei hier gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleichen Funktionen dieselben Bezugszeichen unter Voranstellung einer „5“ statt einer „4“ verwendet wurden. Dieser Spindelmotor wird nicht als Erfindungsgegenstand beansprucht und dient nur zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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.
Unterhalb des Rotormagneten 544 ist auch hier ein ferromagnetischer Ring 552 in der Grundplatte angebracht, der die benötigte Gegenkraft zum Axiallager 526b bewirkt.
Liste der Bezugszeichen

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, 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

Claims

Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, welcher umfasst: eine feststehende Welle (112, 312), die in einer Grundplatte (110, 310) gehalten ist, ein relativ zur Welle (112, 312) drehbar gelagertes einteiliges Rotorbauteil (114, 314), ein erstes Lagerbauteil (116, 316), das an der Grundplatte (110, 310) oder an der Welle (112, 312) befestigt ist, ein zweites Lagerbauteil (118, 318), das an einem freien Ende der Welle (112, 312) befestigt ist, zwei Radiallager (122, 322), jeweils ausgebildet zwischen einander gegenüberliegenden radialen Lagerflächen der Welle (112, 312) und des Rotorbauteils (114, 314), mindestens ein Axiallager (126b, 326b), das durch Rillenstrukturen gekennzeichnet ist, und das zwischen einander gegenüberliegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils (114, 314) und des ersten Lagerbauteils (116, 316) ausgebildet ist, einen beidseitig offenen Lagerspalt (120, 320) gefüllt mit einem Lagerfluid, der aneinander angrenzende Flächen der Welle (112, 312), des Rotorbauteils (114, 314), des ersten Lagerbauteils (116, 316) und des zweiten Lagerbauteils (118, 318) voneinander trennt, einen Rezirkulationskanal (128, 328), der axiale Lagerflächen des Rotorbauteils (114, 314) miteinander verbindet, und ein elektromagnetisches Antriebssystem (142, 342, 144, 344), gekennzeichnet durch eine Pumpdichtung (136, 336), die entlang eines Spaltes (138, 338) angeordnet ist, der gebildet ist durch eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils (114, 314) und eine äußeren Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils (118, 318), wobei sich der Spalt (138, 338) parallel zum Lagerspalt (120, 320) erstreckt, jedoch nicht in Verlängerung eines vertikalen Abschnitts des Lagerspalts (120, 320), wobei sich das Axiallager (126b, 326b) und die Pumpdichtung (136, 336) an verschiedenen Enden des Lagerspalts (120, 320) befinden, und wobei die Pumpdichtung (136, 336) zwischen einem Ende des Rezirkulationskanals (128, 328) und einem offenen Ende des Spalts (138, 338) angeordnet ist.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, welcher umfasst: eine feststehende Welle (12), die in einer Grundplatte (10) gehalten ist, ein relativ zur Welle (12) drehbar gelagertes einteiliges Rotorbauteil (14), ein erstes Lagerbauteil (16), das an der Grundplatte (10) befestigt ist, ein zweites Lagerbauteil (18), das an einem freien Ende der Welle (12) befestigt ist, zwei Radiallager (22), jeweils ausgebildet zwischen einander gegenüberliegenden radialen Lagerflächen der Welle (12) und des Rotorbauteils (14), mindestens ein Axiallager (26a), das durch Rillenstrukturen gekennzeichnet ist und das zwischen einander gegenüberliegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils (14) und des zweiten Lagerbauteils (18) ausgebildet ist, einen beidseitig offenen Lagerspalt (20) gefüllt mit einem Lagerfluid, der aneinander angrenzende Flächen der Welle (12), des Rotorbauteils (14), des ersten Lagerbauteils (16) und des zweiten Lagerbauteils (18) voneinander trennt, einen Rezirkulationskanal (28), der axiale Lagerflächen des Rotorbauteils (14) miteinander verbindet, und ein elektromagnetisches Antriebssystem (42, 44), gekennzeichnet durch eine Pumpdichtung (36), die entlang eines Spaltes (38) angeordnet ist, der gebildet ist durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils (14) und eine innere Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils (16), wobei sich der Spalt (38) parallel zum Lagerspalt (20) erstreckt, jedoch nicht in Verlängerung eines vertikalen Abschnitts des Lagerspalts (20), wobei sich das Axiallager (26a) und die Pumpdichtung (36) an verschiedenen Enden des Lagerspalts (20) befinden, und wobei sich an die Pumpdichtung (36) und den Spalt (38) ein sich konisch öffnender Freiraum (40) anschließt, wobei die Pumpdichtung (36) zwischen einem Ende des Rezirkulationskanals (28) und dem Freiraum (40) angeordnet ist.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, welcher umfasst: eine feststehende Welle (212), die in einer Grundplatte (210) gehalten ist, ein relativ zur Welle (212) drehbar gelagertes einteiliges Rotorbauteil (214), ein erstes Lagerbauteil (216), das an der Grundplatte (210) befestigt ist, ein zweites Lagerbauteil (218), das an einem freien Ende der Welle (212) befestigt ist, zwei Radiallager (222), jeweils ausgebildet zwischen einander gegenüberliegenden radialen Lagerflächen der Welle (212) und des Rotorbauteils (214), mindestens ein Axiallager (226a), das durch Rillenstrukturen gekennzeichnet ist und das zwischen einander gegenüberliegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils (214) und des zweiten Lagerbauteils (218) ausgebildet ist, einen beidseitig offenen Lagerspalt (220) gefüllt mit einem Lagerfluid, der aneinander angrenzende Flächen der Welle (212), des Rotorbauteils (214), des ersten Lagerbauteils (216) und des zweiten Lagerbauteils (218) voneinander trennt, einen Rezirkulationskanal (228), der axiale Lagerflächen des Rotorbauteils (214) miteinander verbindet, und ein elektromagnetisches Antriebssystem (242, 244), gekennzeichnet durch eine Pumpdichtung (236), die entlang eines Spaltes (238) angeordnet ist, der gebildet ist durch eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils (214) und eine äußere Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils (216), wobei sich der Spalt (238) parallel zum Lagerspalt (220) erstreckt, jedoch nicht in Verlängerung eines vertikalen Abschnitts des Lagerspalts (220), wobei sich das Axiallager (226a) und die Pumpdichtung (236) an verschiedenen Enden des Lagerspalts (220) befinden, und wobei sich an die Pumpdichtung (236) und den Spalt (238) ein sich konisch öffnender Freiraum (240) anschließt, wobei die Pumpdichtung (236) zwischen einem Ende des Rezirkulationskanals (228) und dem Freiraum (240) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Axiallager (26, 126, 226, 326) umfasst, wobei ein erstes Axiallager (26a, 126a, 226a, 326a) zwischen einander gegenüberliegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils (14, 114, 214, 314) und des zweiten Lagerbauteils (18, 118, 218, 318) ausgebildet ist, und ein zweites Axiallager (26b, 126b, 226b, 326b) zwischen einander gegenüberliegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils (14, 114, 214, 314) und des ersten Lagerbauteils (16, 116, 216, 216) ausgebildet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich ein Axiallager zwischen einander gegenüber liegenden axialen Lagerflächen des Rotorbauteils und des ersten Lagerbauteils ausgebildet ist, und ein ferromagnetischer Ring unterhalb des Rotormagneten in der Grundplatte angebracht ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem nur insgesamt vier mechanische Bauteile umfasst.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er nur ein rotierendes, mechanisches Rotorbauteil (14, 114, 214, 314) in Form einer Nabe-Lagerbuchse-Anordnung enthält.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapillare Dichtung (132) zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils (114) und einer inneren Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils (116) gebildet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapillare Dichtung (332) zwischen einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils (314) und einer äußeren Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils (316) gebildet ist.
Spindelmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapillare Dichtung (32, 232) zwischen einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils (14, 214) und einer äußeren Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils (18, 218) gebildet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillare Dichtung (32, 132, 232, 332) parallel oder in einem spitzen Winkel schräg zur Drehachse (46, 146, 246, 346) angeordnet ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die die kapillare Dichtung (32, 132, 232, 332) bildenden Oberflächen des Rotorbauteils (14, 114, 214, 314) oder des ersten Lagerbauteils (16, 316) oder zweiten Lagerbauteils (18, 218) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (46, 146, 246, 346) verlaufen oder in einem spitzen Winkel schräg zur Drehachse geneigt sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillare Dichtung (32, 232, 332) durch eine mit dem Rotorbauteil (14, 214, 314) verbundene ringförmige Abdeckkappe (30, 230, 330) abgedeckt ist, die zusammen mit dem ersten Lagerbauteil (316) oder dem zweiten Lagerbauteil (18, 218) eine Labyrinthdichtung (48, 248, 348) ausbildet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 8, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (136) und die Pumpdichtung (136) durch eine mit dem Rotorbauteil (114) verbundene ringförmige Abdeckkappe (130) abgedeckt sind, die zusammen mit dem zweiten Lagerbauteil (118) eine Labyrinthdichtung ausbildet.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 14.