DE102008008439A1 - Fluiddynamisches Lagersystem - Google Patents

Fluiddynamisches Lagersystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, welches eine Welle mit mindestens einem konischen Abschnitt mit Lagerflächen und eine Lagerbuchse mit einer konischen Lagerbohrung mit Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt von den Lagerflächen der Welle getrennt sind, umfasst, wobei die Lagerflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse Rillenstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt aufweisen und mindestens ein konisches Lager ausbilden. Ferner sind Mittel zur Erzeugung einer axialen Kraft auf die Welle vorgesehen, die eine Gegenkraft (Vorspannung) zum konischen Lager erzeugen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem wie es beispielsweise in Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken Verwendung finden kann.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Als Drehlager in Spindelmotoren, wie sie z. B. zum Antrieb der Speicherplatten in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, kommen größtenteils fluiddynamische Lager zur Anwendung. Ein fluiddynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes Gleitlager, das aus einer Lagerhülse mit beispielsweise zylindrischer Bohrung und einer in die Bohrung eingesetzten Welle gebildet ist. Die Welle bzw. die Innenseite der Bohrung besitzen entsprechende Lagerflächen, die mit einer Rillenstruktur versehen ist, wobei der Durchmesser der Welle geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den beiden Lagerflächen verbleibt somit ein konzentrischer Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Die Lagerflächen von Welle und Lagerbuchse bilden ein Radiallager aus, wobei durch die Rillenstrukturen ein fluiddynamischer Druck im Lagerfluid erzeugt wird, wenn sich die Welle in der Lagerbuchse dreht. Eine Stabilisierung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse erfolgt durch ein fluiddynamisches Axiallager oder Drucklager. Das Axiallager wird in bekannter Weise durch senkrecht oder quer zur Rotationsachse ausgerichtete Lagerflächen gebildet, beispielsweise durch eine an der Welle angeordneten Druckplatte, die mit einem Gegenlager zusammenwirkt.
  • Es sind auch andere Bauformen fluiddynamischer Lager bekannt, beispielsweise konische Lager bei denen die Welle einen konischen Abschnitt aufweist, der in einer zugeordneten konischen Lagerbohrung zu liegen kommt, so dass sich zur Rotationsachse schräg verlaufende Lagerflächen ergeben, die sowohl eine radiale als auch axiale Lagerkraft auf die Welle ausüben. Ein derartiges konisches fluiddynamisches Lager ist beispielsweise aus US 7,063,463 B2 bekannt oder beispielsweise in doppelt-konischer Form aus WO98/28550 . Allgemein und insbesondere bei Fluidlagern mit konischer Bauform besteht ein Problem in der Bemessung des Lagerspaltes zwischen den Lagerflächen. Die Lagerbauteile müssen sehr genau gefertigt und montiert werden, um einen Lagerspalt mit einer vorgeschriebenen Breite sicherzustellen, so dass das Lager eine ausreichende Steifigkeit und einen geforderten Betriebstemperaturbereich aufweist. Bei Änderung der Umgebungstemperatur dehnen sich die Lagerbauteile aus bzw. ziehen sich zusammen, so dass sich dadurch auch die Breite des Lagerspalts entsprechend ändert. Zudem ändert sich die Viskosität des Lagerfluids über die Temperatur, was ebenfalls einen Einfluss auf die Steifigkeit des Lagers hat. Wie gesagt, kann man diesen Problemen dadurch beikommen, dass man die Lagerbauteile sehr genau fertigt und montiert und beispielsweise ein Lagerfluid verwendet, dessen Viskosität sich über der Temperatur nicht übermäßig stark ändert.
  • Es die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, das ein konisches Lager umfasst, und eine hohe Steifigkeit und gutes Temperaturverhalten aufweist und zudem kostengünstig gefertigt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen des Lagersystems und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Welle mit mindestens einem konischen Abschnitt mit Lagerflächen, eine Lagerbuchse mit einer konischen Lagerbohrung mit Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt von den Lagerflächen der Welle getrennt sind und zusammen mit den Lagerflächen der Welle mindestens ein konisches Lager ausbilden, sowie Mittel zur Erzeugung einer axialen Kraft auf die Welle.
  • Durch die erfindungsgemäße Kombination eines konischen Lagers mit Mitteln zur Erzeugung einer axialen Kraft, z. B. einem Axiallager, dass an einem Ende der Welle angeordnet ist, ergibt sich insgesamt ein Lagersystem, dass bei geringer Bauhöhe eine hohe Lagersteifigkeit aufweist. Durch das Axiallager kann die axiale Position der Welle in der Lagerbuchse bestimmt werden, wodurch sich das Lager für ein gutes Temperaturverhalten optimieren lässt. Dennoch kann das Lager kostengünstig aufgebaut werden, denn die Lagerkomponenten müssen nicht mehr so präzise gefertigt werden, wie bei dem oben genannten Lagersystem gemäß dem Stand der Technik.
  • In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Axiallager als magnetisches Lager ausgebildet, das heißt es wird eine magnetische Kraft in axialer Richtung auf die Welle ausgeübt, entweder hervorgerufen durch entsprechend angeordnet Permanentmagnete an der Welle und einem feststehenden Lagerbauteil oder aber durch entsprechende Ausgestaltung der elektromagnetischen Antriebseinheit eines Elektromotors, in welchem das Lagersystem betrieben wird. Dieses magnetische Lager erzeugt eine „elastische" axiale Vorspannung, die es ermöglicht, dass sich das konische Lager, insbesondere die Breite des Lagerspaltes selbst auf die gegebenen Temperaturbedingungen und Viskosität des Lagerfluids einstellt, wobei die axiale Vorspannungskraft derart gerichtet ist, dass sie der durch das konische Lager erzeugten axialen Kraft entgegenwirkt. Somit ergibt sich eine nahezu konstante Lagersteifigkeit, über den geforderten Temperaturbereich.
  • In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Axiallager als fluiddynamisches Axiallager ausgebildet und umfasst an einem Ende der Welle ein erstes Lagerbauteil, das mit einem ein Gegenlager bildenden zweiten Lagerbauteil zusammenwirkt, wobei das erste und/oder das zweite Lagerbauteil auf einer Lagerfläche Rillenstruktur zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt aufweist. Gemäß einer Ausführungsform dieses Axiallagers erzeugt der durch das Axiallager hervorgerufene hydrodynamische Druck eine axialgerichtete Kraft auf die Welle, welche die selbe Richtung aufweist, wie die axiale Kraft, die durch den hydrodynamischen Druck im konischen Lager erzeugt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist dann eine axiale Vorspannung vorgesehen, die den vom konischen und vom axialen Lager erzeugten Kräften entgegenwirkt.
  • In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erzeugt das Axiallager aufgrund des hydrodynamischen Drucks eine axialgerichtete Kraft auf die Welle, die der axialen Kraft, die durch den hydrodynamischen Druck im konischen Lager erzeugt wird entgegengerichtet ist. Das Axiallager ist also so ausgeführt, dass es eine Gegenkraft zum konischen Lager ausübt in Form einer dynamischen Vorspannung.
  • Die Mittel zur Erzeugung einer axialen Vorspannungskraft können sowohl magnetische Mittel als auch mechanische Mittel, wie z. B. eine Feder, sein. Ist das Lager in einem Elektromotor verbaut, kann die Vorspannung auch durch die magnetische Antriebseinheit des Elektromotors bereitgestellt werden, in dem man die Wicklungsanordnung und den Motormagneten zueinander axial versetzt anordnet.
  • Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung können zwei einander entgegengesetzt gerichtete konische Lager vorgesehen sein.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und den Erläuterungen noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt des Lagersystems von 1.
  • 3 zeigt schematisch die Anordnung der Lagerbauteile bei Stillstand des Lagersystems.
  • 4 zeigt schematisch die Anordnung der Lagerbauteile beim Betrieb des Lagersystems.
  • 5 zeigt schematisch die Anordnung der Lagerbauteile bei einer niederen Umgebungstemperatur.
  • 6 zeigt schematisch die Anordnung der Lagerteile bei einer höheren Umgebungstemperatur.
  • 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 8 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 9 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 10 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer fünften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 11 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer sechsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 12 zeigt die Anordnung der Lagerbauteile einer siebten Ausgestaltung des Lagersystems bei niederer Temperatur.
  • 13 zeigt die Anordnung der Lagerbauteile der siebten Ausgestaltung bei höherer Temperatur.
  • 14 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung der Lagerbauteile einer achten Ausgestaltung bei niederer Temperatur.
  • 15 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung der Lagerbauteile einer achten Ausgestaltung bei höherer Temperatur.
  • 16 zeigt einen Schnitt durch eine neunte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die 1 und 2 zeigen einen Schnitt durch eine erste schematische Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems gemäß der Erfindung als Teil eines Spindelmotors. Das Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 10, welche eine konische Lagerbohrung aufweist, in der eine Welle 12 drehbar gelagert ist. Die Welle 12 ist passend zur Lagerbohrung ebenfalls konisch ausgebildet, wobei der Innendurchmesser der konischen Lagerbohrung der Lagerhülse 10 geringfügig größer ist als der entsprechende Außendurchmesser der konischen Welle 12, so dass sich zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt 14 bildet. Die Welle 12 ist relativ zur Lagerbuchse 10 um eine gemeinsame Rotationsachse 30 drehbar. Die Oberfläche der konischen Welle 12 bzw. der Bohrung in der Lagerbuchse 10 umfasst Lagerbereiche 32 und 34, die durch Oberflächenstrukturen in Form eines Rillenmusters gekennzeichnet sind. Die Lagerbereiche 32 und 34 bilden ein konisches Lager, also ein kombiniertes Axial-/Radiallager. Durch entsprechende Auslegung der Oberflächenstrukturen der Lagerbereiche 32 und 34 wird bei Rotation der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt 14 ausgeübt. Hierdurch baut sich im Lagerspalt 14 ein hydrodynamischer Druck auf, der für eine Zentrierung der Weile 12 innerhalb der Lagerbuchse 10 und somit für eine definierte Breite des Lagerspalts 14 über den Umfang des Lagers sorgt und die Tragfähigkeit des konischen Fluidlagers bestimmt. An einem Ende der konischen Welle 12 ist eine Druckplatte 16 angeordnet, die senkrecht zur Rotationsachse 30 verläuft und in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 10 zu liegen kommt. Die Druckplatte 16 ist von den Oberflächen der Aussparung der Lagerbuchse 10 ebenfalls durch den Lagerspalt 14 getrennt, der sich in diesen Bereich in radialer Richtung fortsetzt. Druckplatte 16 und die zugewandte Oberfläche der Lagerbuchse 10 bilden zusammen einen ersten Axiallagerbereich 36 aus. Hierzu ist die Oberfläche der Druckplatte 16 bzw. die gegenüberliegende Oberfläche der Lagerbuchse 10 im Lagerbereich 36 mit einem Rillenmuster versehen, welches für eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid sorgt und die Tragfähigkeit des Axiallagers bestimmt. Das Axiallager bzw. die Aussparung der Lagerbuchse 10 ist durch eine Abdeckplatte 18 verschlossen.
  • Das obere freie Ende der Welle 12, das aus der Lagerbuchse hinausragt, trägt eine Nabe 20, die zusammen mit der Welle 12 den rotierenden Teil des dargestellten Spindelmotors bildet, während die Lagerbuchse 10, die in einer Basisplatte 24 befestigt ist, den feststehenden Teil des Spindelmotors bildet. Die Nabe 20 wird beispielsweise mittels einer Schraube 22 mit der Welle 12 verbunden. Die obere Fläche der Lagerbuchse 10 ist planeben ausgebildet, sowie auch die gegenüberliegende Fläche auf der Unterseite der Nabe 20. Der Lagerspalt 14 verläuft ebenfalls zwischen diesen sich gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 10 und der Nabe 20, wobei ein zweiter Axiallagerbereich 38 ausgebildet wird, der ebenfalls durch die oben beschriebenen Rillenstrukturen zum Aufbau eines hydrodynamischen Druckes gekennzeichnet ist. Die Axiallagerbereiche 36 und 38 üben vorzugsweise eine Pumpwirkung aus, die in das Innere des Lagers, also in Richtung der Radiallager 32, 34 gerichtet ist. An der Nabe 20 ist bekannterweise ein Rotormagnet 26 angeordnet, der zusammen mit einer Statoranordnung 28 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors bildet.
  • Die 3 und 4 zeigen schematisch die Wirkungsweise des konischen Lagers bei Stillstand und im Betrieb. Erfindungsgemäß ist das konische Lager mit mindestens einem Axiallager 42 kombiniert, welches eine Vorspannungskraft 44 auf die Welle 12 ausübt und so die durch das konische Lager hervorgerufenen axialen Kräfte kompensiert. Im Stillstand des Lagers gemäß 3 wirkt keine hydrodynamische Kraft im Lager, wodurch der Lagerspalt 14 zwischen der konischen Welle 12 und der konischen Bohrung der Lagerbuchse 10 sehr klein ist, da die Oberflächen von Welle 12 und Lagerbuchse 10 aneinander liegen. Die Lagerbereiche 32 und 34 zeigen keine Wirkung. Wird das Lager in Drehung versetzt, wie in 4 dargestellt, so zeigen die konischen Lagerbereiche 32 und 34 Wirkung und es baut sich eine hydrodynamische Kraft, dargestellt durch die Kraftvektoren 40, im Lagerspalt 14 auf, welche die Welle stabilisiert und in axialer Richtung von der Lagerbuchse 10 abhebt. Das Axiallager 42 generiert eine hydrodynamische Gegenkraft in Form der Vorspannungskraft 44, die entgegengesetzt zu dem axialen Anteil der Kraftvektoren 40 wirkt und das Lagersystem im Gleichgewicht hält, das heißt die Breite des Lagerspaltes 14 stellt sich automatisch auf einen definierten Wert ein.
  • Die 4 und 6 zeigen schematisch die Wirkung von Temperaturänderungen auf das erfindungsgemäße Lager.
  • 5 zeigt das Lager bei niederer Temperatur, wobei das Lagerfluid eine hohe Viskosität aufweist. Da die im Lagerspalt 14 erzeugte Kraft 40 durch die entgegengesetzte Vorspannungskraft 44 des Axiallagers 42 kompensiert wird, stellt sich bei niedriger Temperatur und damit hoher Viskosität ein relativ großer Lagerspalt ein.
  • Erhöht sich nun die Temperatur, wie es in 6 dargestellt ist, so verringert sich die Viskosität des Lagerfluids im Lagerspalt 14 und der in den Lagerbereichen 32 und 34 erzeugte hydrodynamische Druck nimmt ab, so dass sich im Gleichgewicht des Kraftvektors 40 und der Vorspannungskraft 44 die Breite des Lagerspaltes 14 verringert.
  • Aus den 3 bis 6 erkennt man, dass sich das konische Lager aufgrund der Kombination mit Mitteln zur Erzeugung einer axialen Vorspannungskraft, z. B. eines Axiallagers, selbstständig justiert und auch sich die Breite des Lagerspaltes je nach Drehzahl und Temperatur automatisch so einstellt, dass eine optimale Lagersteifigkeit gewährleistet ist.
  • Eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen konischen Lagers ist in 7 beschrieben. Hierbei sind identische oder nahezu identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 bezeichnet. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 fehlt bei diesem Lagersystem der obere Axiallagerbereich 38. Die Lagerbuchse 110 kann im Durchmesser somit kleiner ausgebildet sein und eine konische Bohrung umfassen, in welcher die konische Welle 12 drehbar gelagert ist. Die Welle 12 trägt eine Nabe 120, wobei wie gesagt zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 110 und der Unterseite der Nabe 120 kein Axiallager vorgesehen ist. Die Gegenkraft zum konischen Lager wird durch einen Axiallagerbereich 36 aufgebracht. Um eine zuverlässige Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 14 zu gewährleisten, ist ein Rezirkulationskanal 142 in der Lagerbuchse 110 vorgesehen. Dieser Rezirkulationskanal 142 verbindet den unteren Axiallagerbereich 36 direkt mit dem offenen Ende des Lagerspaltes zwischen Lagerbuchse 110 und Nabe 120.
  • Die Kraftwirkung der konischen Lagerabschnitte 32 und 34 sowie des Axiallagerabschnittes 36 sind in dieselbe Richtung (Richtung nach unten) gerichtet. Diese Kraftwirkung wird kompensiert durch eine Vorspannungskraft 144, die durch das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors aufgebracht wird. Hierzu sind der Rotormagnet 26 sowie die Statoranordnung 28 nicht in einer Ebene angeordnet, sondern axial zueinander versetzt. Dadurch wird auf den Rotormagnet 26 eine Kraftwirkung 144 nach oben ausgeübt, die gleichermaßen auf die Nabe 120 und auf die Welle 12 sowie die Druckplatte 16 übertragen wird. Zwischen den durch die Lagerbereiche 32, 34 und 36 erzeugten Kräfte und der Vorspannungskraft 144 stellt sich im Betrieb des Lagers ein Gleichgewicht ein.
  • 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das wiederum gegenüber 7 abgewandelt ist, wobei identische oder nahezu identische mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu 7 weist das Lagersystem aus 8 keine Axiallagerbereiche mehr auf, sondern lediglich die konischen Lagerbereiche 32 und 34, die beim Betrieb des Lagers eine nach unten gerichtete axiale Kraft auf die Welle ausüben. Diese axiale Kraft wird wiederum durch eine entgegengesetzte Vorspannungskraft 144 kompensiert, die durch das elektromagnetische Antriebssystem, sprich Rotormagnet 26 und Statoranordnung 28, aufgebracht wird. Diese Ausführung des Lagers ist sehr einfach herzustellen und besteht aus nur wenigen Lagerkomponenten. Es ist somit auch sehr einfach und kostengünstig aufzubauen.
  • 9 zeigt eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagers, wobei gegenüber den vorhergehenden Figuren identische oder nahezu identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
  • Wesentliches Unterscheidungsmerkmal gegenüber den vorangegangenen Beispielen ist die Welle 212, die als doppelt-konische Welle 212 ausgebildet ist und zwei entgegengesetzt wirkenden konischen Lagerbereichen 32 und 34 aufweist. Die Lagerbuchse 210 weist eine entsprechend der Geometrie der Welle 212 ausgestaltete Lagerbohrung auf. Um die Welle 212 in die Lagerbuchse einbringen zu können, ist diese zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Teile der Welle 212 sowie die Nabe 120 durch eine gemeinsame Schraube 222 miteinander verbunden werden. Durch die zwei entgegengesetzt wirkenden konischen Lagerbereiche 32 und 34 stabilisiert sich das Lager in radialer sowie in axialer Richtung selbstständig.
  • Eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Lagersystems ist in 10 dargestellt. Dieses Lagersystem ist ähnlich zu dem Lager aus 7, wobei der einzige Unterschied besteht, dass die konische Welle 312 sowie auch die konische Lagerbohrung in der Lagerbuchse 310 im Vergleich zu 7 entgegengesetzt gerichtet sind, also der größte Durchmesser der Welle 312 im Bereich der Nabe 120 ist. Dadurch ergibt sich durch die konischen Lagerbereiche 32 und 34 eine nach oben in Richtung der Nabe gerichtete Kraftwirkung beim Betrieb des Lagers, die durch eine entsprechende Vorspannungskraft 344 in entgegengesetzter Richtung kompensiert wird. Die Vorspannungskraft wird durch das elektromagnetische Antriebssystem 26, 28 aufgebracht. Das Lagersystem umfasst ebenfalls ein Axiallagerbereich 36 der durch die Druckplatte 16 in Verbindung mit der Oberfläche der Lagerbuchse 310 definiert wird.
  • 11 zeigt eine Ausgestaltung des Lagers, ähnlich zu der Ausgestaltung der 1 und 2, wobei auch hier die Form des Konus im Gegensatz zu 1 und 2 umgedreht ist, das heißt der größte Durchmesser der Welle 412 bzw. der Lagerbohrung in der Lagerbuchse 410 befindet sich seitens der Nabe 20. Es sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 zwei konische Lagerbereiche 32, 34 sowie zwei Axiallagerbereiche 36, 38 vorgesehen. Außerdem kann ein Rezirkulationskanal 442 vorgesehen sein, der den Lagerspalt der axialen Lagerbereiche 36 und 38 miteinander verbindet und für eine gute Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 14 sorgt.
  • Das Lager kann zusätzlich durch eine statische Vorspannungskraft 444 stabilisiert werden, welche durch das elektromagnetische Antriebssystem 26, 28 aufgebracht wird.
  • Die 12 und 13 zeigen schematisch einen Schnitt durch ein konisches Lager, wobei hier der Konus der Lagerbohrung in der Lagerbuchse 510 bzw. der Konus der Welle 512 eine oben abgerundete Form, entsprechend einer umgedrehten Parabel hat. 12 stellt das Lager bei niederer Temperatur dar, wobei sich das Lager entsprechend verhält wie in Zusammenhang mit 5 beschrieben. Bei hoher Temperatur, 13, verringert sich die Viskosität des Lagerfluids im Lagerspalt 14, so dass die Breite des Lagerspalts abnimmt, wie in Zusammenhang mit 6 beschrieben.
  • Die 14 und 15 zeigen ein konisches Lagersystem, bei dem die Welle 612 sowie die Lagerbohrung in der Lagerbuchse 610 wiederum eine von der reinen konischen Form abgewandelte Geometrie hat, im Wesentlichen in Form einer Hyperbel. Auch hier entspricht das Verhalten bei niederer Temperatur (14) und bei höherer Temperatur (15) dem in Zusammenhang mit den 5 und 6 beschriebenen Lagerverhalten, wobei sich die Breite des Lagerspalts auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen einstellt ohne das sich die Lagereigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfungsverhalten grundlegend ändern.
  • 16 zeigt eine letzte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen konischen Lagersystems. In einer konischen Aussparung einer Lagerbuchse 710 ist eine konisch ausgestaltete Welle 712 um eine Drehachse 30 drehbar gelagert, wobei der Durchmesser der Welle 712 so gewählt ist, dass ein Lagerspalt 714 zwischen der Wellenoberfläche und der Oberfläche der Lagerbohrung verbleibt. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid gefüllt, und zwar bis in den Bereich einer konischen Dichtung 750, während die andere Öffnung des Lagerspalts durch eine Abdeckplatte 718 verschlossen ist. Es sind zwei konische Lagerbereiche 32 und 34 vorgesehen, die eine radiale und axiale Lagerkraft erzeugen, wobei der axiale Anteil eine nach unten in Richtung der Abdeckplatte 718 gerichtete Kraft bewirkt. Diese Kraft wird durch ein magnetisches Gegenlager, das als Axiallager ausgebildet ist und eine magnetische Vorspannungskraft 744 auf die Welle 712 ausübt, kompensiert. Das magnetische Lager besteht aus mehreren ringförmig um die Rotationsachse 30 angeordneten Magneten 746, die an der Unterseite der Welle angeordnet sind. Dem gegenüber liegen in der Abdeckplatte 718 ringförmig vorgesehene Magnete 748. Die Magnete 746 und 748 sind derart gepolt, dass sie eine abstoßende Kraft aufeinander ausüben, so dass die Welle 712 relativ zur Abdeckplatte 718 nach oben in Richtung der Lagerbuchse 710 gedrückt wird. Dadurch wird die axiale Kraft der Lagerbereiche 32 und 34 kompensiert, da die magnetische Vorspannung entgegen dieser Kraft wirkt.
  • Die magnetische Vorspannung erlaubt es dem Lager, die „Flughöhe", also die Breite des Lagerspaltes selbst zu justieren, so dass diese nicht mehr abhängig von der Viskosität des Lagerfluids bzw. anderen Temperatureinflüssen ist. Gleichzeitig stellt sich eine im Wesentlichen unveränderte Steifigkeit und Dämpfung des Lagers ein, unabhängig von den Umgebungseinflüssen. Als Lagerbauteile können recht kostengünstige Materialen eingesetzt werden. Beispielsweise können die Lagerbuchse und die Welle 712 aus Kunststoff oder Kunstharz hergestellt werden. Die große Temperaturausdehnung von Kunststoff spielt aufgrund der Selbstjustierung des Lagers nur eine untergeordnete Rolle. Außerdem ist das Lager gemäß 16 ebenfalls sehr einfach aufgebaut und besteht nur aus wenigen Komponenten.
  • Die oben genannten Vorteile und Merkmale treffen im Wesentlichen auf alle in den 1 bis 16 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung zu.
  • 10
    Lagerbuchse
    12
    Welle
    14
    Lagerspalt
    16
    Druckplatte
    18
    Abdeckplatte
    20
    Nabe
    22
    Schraube
    24
    Basisplatte
    26
    Rotormagnet
    28
    Statoranordnung
    30
    Rotationsachse
    32
    Lagerbereich konisch
    34
    Lagerbereich konisch
    36
    Lagerbereich axial
    38
    Lagerbereich axial
    40
    Kraftvektor
    42
    Axiallager
    44
    Vorspannungskraft
    110
    Lagerbuchse
    120
    Nabe
    142
    Rezirkulationskanal
    144
    Vorspannungskraft
    210
    Lagerbuchse
    212
    Welle
    222
    Schraube
    310
    Lagerbuchse
    312
    Welle
    344
    Vorspannungskraft
    410
    Lagerbuchse
    412
    Welle
    442
    Rezirkulationskanal
    444
    Vorspannungskraft
    510
    Lagerbuchse
    512
    Welle
    610
    Lagerbuchse
    612
    Welle
    710
    Lagerbuchse
    712
    Welle
    714
    Lagerspalt
    718
    Abdeckplatte
    742
    Rezirkulationskanal
    744
    Vorspannungskraft
    746
    Magnet
    748
    Magnet
    750
    Konische Dichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 7063463 B2 [0003]
    • - WO 98/28550 [0003]

Claims (12)

  1. Fluiddynamisches Lagersystem welches umfasst: eine Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712) mit mindestens einem konischen Abschnitt und Lagerflächen, eine Lagerbuchse (10; 110; 210; 310; 410; 510; 610; 710) mit einer konischen Lagerbohrung und Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14; 714) von den Lagerflächen der Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712) getrennt sind, wobei die Lagerflächen der Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712) und/oder der Lagerbuchse (10; 110; 210; 310; 410; 510; 610; 710) Lagerbereiche (32, 34) zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt (14; 714) aufweisen und mindestens ein konisches Lager ausbilden, und Mittel zur Erzeugung einer axialen Kraft auf die Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712).
  2. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer axialen Gegenkraft als magnetisches Axiallager (746, 748) ausgebildet ist.
  3. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer axialen Gegenkraft ein Axiallager umfassen, das ein an einem Ende der Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712) angeordnetes erstes Lagerbauteil (16) umfasst, und mit einem ein Gegenlager bildenden zweiten Lagerbauteil (18) zusammenwirkt, wobei das erste und/oder das zweite Lagerbauteil (16; 18) auf einer Lagerfläche Rillenstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt (14) aufweist.
  4. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Axiallager erzeugte hydrodynamische Druck eine axial gerichtete Kraft auf die Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712) erzeugt, welche Kraft dieselbe Richtung aufweist als die axiale Kraft, die durch den hydrodynamischen Druck im konischen Lager erzeugt wird.
  5. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Axiallager erzeugte hydrodynamische Druck eine axial gerichtete Kraft auf die Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712) erzeugt, die der axialen Kraft, die durch den hydrodynamischen Druck im konischen Lager erzeugt wird, entgegen gerichtet ist.
  6. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung einer axialen Vorspannungskraft (44; 144; 344; 444; 744) auf die Welle (12; 212; 312; 412; 512; 612; 712) vorgesehen sind.
  7. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannungskraft (744) durch das magnetische Lager (746; 748) erzeugt wird.
  8. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannungskraft (144; 344; 444) durch ein elektromagnetisches Antriebssystem (26, 28) erzeugt wird.
  9. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannungskraft (144; 344; 444) derart gerichtet ist, dass sie der durch das konische Lager erzeugten axialen Kraft entgegenwirkt.
  10. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegeneinander gerichtete konische Lagerbereiche vorgesehen sind.
  11. Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß den Ansprüchen 1 bis 10.
  12. Speicherplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß 11.
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