DE102008052469A1 - Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem und feststehender Welle - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem und feststehender Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- 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 von Spindelmotoren mit stehender Welle ist die Möglichkeit, die Welle an beiden Enden mit der Grundplatte bzw. dem Motorgehäuse zu befestigen. Dadurch erhalten solche Motor eine wesentlich größere strukturelle Steifigkeit, wodurch sie besonders geeignet sind z. B. für Festplattenlaufwerke mit erhöhten oder besonderen Anforderungen, wie sie 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 erzeugten 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 zur Vermeidung des Austritts von Lagerfluid aus dem Lager sind meist aufwändiger als bei einem Spindelmotor mit drehender Welle. Bei einem beidseitig offenen Lagerspalt ist ferner die Gefahr größer, dass Luft in den Lagerspalt eindringt und die Funktion des Lagersystems stört. Daher müssen Maßnahmen getroffen werden, um ein Eindringen von Luft in den Lagerspalt zu verhindern und/oder die Luft aus dem Lagerspalt bzw. aus dem Lagerfluid herauszubefördern.
- Offenbarung der Erfindung
- Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor anzugeben, der ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer stehenden, an beiden Enden befestigten Welle enthält und nur aus wenigen, relativ einfach herzustellenden Bauteilen besteht. Ferner soll ein Entweichen von im Lagerspalt evtl. vorhandenen Luftbläschen unterstützt werden.
- Diese Aufgabenstellung wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Der erfindungsgemäße Spindelmotor umfasst eine feststehende Welle, die direkt oder indirekt durch ein zusätzliches Flanschbauteil in einer Grundplatte gehalten ist, ein relativ zur Welle um eine Drehachse drehbar gelagertes Rotorbauteil, einen beidseitig offenen Lagerspalt, der gefüllt ist mit einem Lagerfluid und der aneinander angrenzende Flächen der Welle, des Rotorbauteils und mindestens eines ersten Lagerbauteils voneinander trennt. Ferner ist ein erstes Radiallager und ein zweites Radiallager vorgesehen, die ausgebildet sind zwischen einander gegenüber liegenden axial verlaufenden Lagerflächen der Welle und des Rotorbauteils, und ein Axiallager, ausgebildet zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Lagerflächen des Rotorbauteils und dem ersten mit der Grundplatte verbundenen Lagerbauteil. Es ist ein mit Lagerfluid gefüllter Rezirkulationskanal vorgesehen, der voneinander entfernte Bereiche des Lagers miteinander verbindet, und ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Antrieb des Rotorbauteils.
- 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 toleranzarm maschinieren. Eine weitere Reduzierung der Anzahl der Teile ist möglich, indem eines der beiden Lagerbauteile einteilig mit der Welle ausgebildet wird.
- 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 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. 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.
- Idealerweise sind die die Kapillardichtungen begrenzenden Wandungen mit einer Schrägung versehen, so dass die Kapillardichtung sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngt sowie dass die Mittellinie des Dichtungsspaltes in Richtung des Lagerspaltes verlaufend in radialer Richtung einen zunehmend größeren Abstand zur Drehachse aufweist, so dass der Fluiddruck im Lagerfluid aufgrund der Zentrifugalkraft, die in Richtung des Lagerspaltes wirkt, ansteigt.
- Die Spaltdichtung kann optional ergänzt werden durch eine dynamische Pumpdichtung, die zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Flächen des Rotorbauteils und einem zweiten mit der Welle verbundenen Lagerbauteil angeordnet ist. Die die Dichtung bildenden Oberflächen des Rotorbauteils und des Lagerbauteils weisen entsprechende Pumpstrukturen auf, die bei Drehung des Lagers eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen und evtl. Gegendruck sämtlicher Lagerstrukturen kompensieren und somit verhindern, dass das Lageröl aus dem Lagerspalt austritt, obwohl die benachbarte Spalt- bzw. Kapillardichtung eine vergleichsweise kurze axiale Baulänge aufweist Damit das Lagerfluid im Fluidlager zirkulieren kann, umfasst das Rotorbauteil einen Rezirkulationskanal, der radial verlaufende Abschnitte des Lagerspalts bzw. der Dichtungsspalte miteinander verbindet. Vorzugsweise ist der Rezirkulationskanal derart angeordnet, dass er den Dichtungsspalt radial außerhalb des Axiallagers mit einem radial innerhalb des oberen Dichtungsspalts beziehungsweise der dynamischen Pumpdichtung liegenden Abschnitt des Lagerspalts verbindet. In diesem Fall ist der Rezirkulationskanal schräg, d. h. nicht parallel zur Drehachse angeordnet. Alternativ kann durch den Rezirkulationskanal auch der Dichtungsspalt radial außerhalb des Axiallagers mit einem radial außerhalb der dynamischen Pumpdichtung liegenden Abschnitt des Lagerspalts verbunden werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rezirkulationskanal schräg zur Rotationsachse angeordnet. Durch die schräge Anordnung wirkt auf das im Rezirkulationskanal befindliche Lagerfluid eine Zentrifugalkraft, sobald sich das Rotorbauteil dreht. Diese Zentrifugalkraft pumpt das Lagerfluid erfindungsgemäß in dieselbe Richtung wie die Pumpkraft, die durch die Gesamt-Pumpwirkung des Axiallagers und der beiden Radiallager auf das Lagerfluid ausgeübt wird. Die Pumpwirkung der Zentrifugalkraft im Rezirkulationskanal ist in Richtung des Axiallagers gerichtet und vorzugsweise mindestens zwei Mal so groß wie die durch das Axiallager und die beiden Radiallager in die selbe Richtung auf das Lagerfluid ausgeübte Gesamtkraft.
- 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 Abdeckung abzudecken, die zusammen mit einem Lagerbauteil eine Labyrinthdichtung ausbildet. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus der kapillaren Dichtung. Die ringförmige Abdeckung kann natürlich auch an dem Lagerbauteil angeordnet sein.
- Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Abdeckung derart geformt und an oder in dem Rotorbauteil befestigt sein, dass deren Innenumfang zusammen mit einem Außenumfang des zugeordneten Lagerbauteils den Dichtungsspalt der Kapillardichtung begrenzt.
- Die Erfindung wird nun anhand von drei Ausführungsbeispielen 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 einen Schnitt durch eine fünfte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors. -
6 zeigt einen Schnitt durch eine sechste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors. -
7 zeigt einen Schnitt durch eine siebte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors. -
8 zeigt einen Schnitt durch eine achte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors. -
9 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Mündungsbereichs des Rezirkulationskanals radial außerhalb des Axiallagers. -
10 zeigt einen Schnitt durch eine neunte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors. - Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
- Die
1 und2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Spindelmotors, mit im Wesentlichen demselben Grundaufbau. Die Spindelmotoren können zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks vorgesehen sein. - Der Spindelmotor gemäß
1 umfasst eine Grundplatte10 , die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein erstes Lagerbauteil16 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil16 ist etwa topfförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher die Welle12 befestigt ist. An einem oberen Ende der feststehenden Welle12 ist ein zweites Lagerbauteil18 angeordnet, das vorzugsweise ringförmig und einteilig mit der Welle12 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile10 ,12 ,16 und18 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems des Spindelmotors. Die Welle12 weist an ihrem oberen Ende eine Gewindebohrung52 zur Befestigung an einem Gehäusedeckel50 des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks auf. Der Spindelmotor umfasst ein einteiliges Rotorbauteil14 , das in einem durch die Welle12 und die beiden Lagerbauteile16 ,18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das Rotorbauteil ist im Querschnitt etwa U-förmig ausgebildet. Das obere Lagerbauteil18 liegt in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils14 . Aneinander angrenzende Flächen der Welle12 , des Rotorbauteils14 und der Lagerbauteile16 ,18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt20 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 Grundplatte10 angeordnete Statoranordnung42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten44 , der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils14 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 Nut24 getrennt sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung des Lagerspalts20 und sind mit geeigneten Rillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle12 zwei fluiddynamische Radiallager22a und22b ausbilden. - An das untere Radiallager
22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen des Rotorbauteils14 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Lagerbauteiles16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager26 mit Lagerflächen in Form von zur Drehachse46 senkrechten Kreisringen. Das fluiddynamische Axiallager26 ist in bekannter Weise durch spiralförmige Rillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf dem Rotorbauteil14 , dem Lagerbauteil16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen des Axiallagers26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche des Rotorbauteils, also von inneren Rand bis zum äußeren Rand. Dadurch ergibt sich eine definierte Druckverteilung im gesamten Axiallagerspalt und Unterdruckzonen werden vermieden, da der Fluiddruck von einer radial äußeren zu einer radial inneren Position des Axiallagers kontinuierlich zunimmt. Aufgrund dieses radial nach außen abfallenden Druckgradienten werden evtl. im Lagerfluid enthaltene Gase radial nach außen transportiert. In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager22a ,22b und das Axiallager26 notwendigen Lagerrillenstrukturen am Rotorbauteil14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle12 und des Lagerbauteils16 vereinfacht, da sämtliche Strukturen in einem Prozessschritt hergestellt werden können. - An den radialen Abschnitt des Lagerspalts
20 im Bereich des Axiallagers26 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt34 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils14 und des Lagerbauteils16 gebildet wird und das Ende des Fluidlagersystems an dieser Seite abdichtet. Der Dichtungsspalt34 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt20 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils14 und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt34 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit, die durch entsprechende Evaporation dem Lagerspalt entzogen wird. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts34 bildenden Flächen an dem Rotorbauteil14 und dem Lagerbauteil16 können jeweils relativ zur Drehachse46 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts20 gedrückt. - An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist das Rotorbauteil
14 im Anschluss an das obere Radiallager22a so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Lagerbauteils18 einen engen Spalt bildet, dessen Breite größer als die Breite des Lagerspalts20 im Bereich der Radiallager ist. Im Bereich dieses Spaltes ist vorzugsweise aber nicht notwendigerweise eine dynamische Pumpdichtung36 angeordnet, die durch geeignete spiralrillenförmige Pumpstrukturen auf den Flächen des Rotorbauteils14 , des Lagerbauteils18 oder beiden gekennzeichnet ist und das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Die Pumpdichtung36 weitet sich am äußeren Ende auf und mündet in einen Dichtungsspalt32 mit vorzugsweise konischem Querschnitt. Der Dichtungsspalt32 verläuft im Wesentlichen axial und wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils14 und des Lagerbauteils18 begrenzt, die relativ zur Drehachse46 vorzugsweise nach innen geneigt sind. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts20 gedrückt. Der Dichtungsspalt32 kann von einer ringförmigen Abdeckung30 abgedeckt sein. Die Abdeckung30 ist in einer Ringnut38 des Rotorbauteils14 gehalten und dort beispielsweise eingeklebt. Die Abdeckung30 bildet zusammen mit dem Ende der Welle12 eine Labyrinthdichtung48 , wodurch er Austausch mit Luft und somit auch die Evaporation von Lagerfluid verringert wird. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt32 . Die ringförmige Abdeckung kann natürlich auch an der Welle12 angeordnet sein und mit dem Rotorbauteil14 eine Labyrinthdichtung bilden. - Um die beschriebenen Funktionen erfüllen zu können und einen einfachen Zusammenbau des Motors sicherzustellen, sind die beiden Lagerbauteile
16 ,18 , welche fest mit der Welle12 z. B. durch eine einteilige Ausgestaltung oder durch Pressen, Kleben oder Schweißen verbunden werden, natürlich geeignet gestaltet. Insbesondere kann es günstig sein, eines der beiden Lagerbauteile, z. B. das Teil16 , topfförmig mit einem hochgezogenen Rand auszuführen, so dass es an seiner inneren Umfangsfläche mit einer gegenüberliegenden Fläche des Rotorbauteils14 einen Dichtungsspalt32 einer kapillaren Spaltdichtung ausbildet und am Außenumfang eine Verbindung mit der Grundplatte10 herstellt. Andererseits kann auch eine möglichst einfache Gestaltung der Lagerbauteile16 ,18 vorteilhaft sein, z. B. als eine abgeschrägte oder auch gerade Kreisscheibe, wie z. B. das Lagerbauteil18 . - Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist das Rotorbauteil
14 mit einem Rezirkulationskanal28 versehen. Der Rezirkulationskanal28 verbindet den radialen Abschnitt des Dichtungsspalts34 radial außerhalb des Axiallagers26 mit einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts radial innerhalb der dynamischen Pumpdichtung36 , also den Abschnitt des Lagerspalts zwischen der Pumpdichtung36 und dem ersten Radiallager22a . Der Rezirkulationskanal28 kann z. B. einfach durch Durchbohren des Rotorbauteils14 schräg zur Drehachse46 des Motors ausgeführt werden. Der Rezirkulationskanal28 ist dabei in einem Winkel von etwa 10 Grad schräg zur Drehachse46 angeordnet. Das obere Ende des Rezirkulationskanals28 liegt radial innerhalb der Pumpdichtung36 . Dadurch herrscht im Bereich der Öffnung des Rezirkulationskanals28 ein höherer Druck als beispielsweise im Dichtungsspalt32 , so dass beispielsweise Luftblasen, die sich im Bereich der Öffnung des Rezirkulationskanals28 im Lagerspalt befinden aufgrund des fallenden Druckgradienten radial nach außen transportiert werden, während das Lagerfluid durch die Wirkung der Pumpdichtung36 radial nach innen transportiert wird. Aufgrund der schrägen Anordnung des Rezirkulationskanals28 und die unterschiedlichen Druckverhältnisse an den gegenüberliegenden Enden des Rezirkulationskanals28 wird ein Austreten von Luftblasen aus dem Lagerfluid begünstigt. - Die Radiallager bestehen jeweils aus einer Anzahl von halbsinusbogenförmigen Lagerrillen, die das Lagerfluid jeweils axial nach oben bzw. nach unten pumpen. Aufgrund von unterschiedlich langen Lagerrillen erhält man asymmetrisch ausgebildete Radiallager, die eine Gesamt-Pumprichtung aufweisen, welche auch im Falle einer durch Fertigungs-Toleranzen bedingten, leicht konusförmigen und von einer zylindrischen Form abweichenden Lagerbohrung im Bereich des Radiallagerspaltes stets axial nach oben in Richtung des zweiten Lagerbauteils
18 gerichtet ist. Das Axiallager26 weist bevorzugt spiralförmige Lagerrillen auf, die das Lagerfluid radial nach innen pumpen. Auf das Lagerfluid, das sich innerhalb des Rezirkulationskanals befindet, wirken beim Betrieb des Lagers Zentrifugalkräfte, so dass dieses axial nach unten gedrückt wird, so dass man eine Rezirkulation des Lagerfluids innerhalb des Fluidlagers erhält. - Da der gesamte Rotor des Spindeimotors (abgesehen vom Magneten
44 und ggf. einer Abdeckung30 ) vorzugsweise nur aus dem Rotorbauteil14 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 Rotorbauteil14 befinden, relativ einfach mit der geforderten Genauigkeit hergestellt werden. Insbesondere kann das Rotorbauteil14 , 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. - Aufgrund der Montage des Lagers in dem ersten Lagerbauteil
16 , das als Flansch zur Verbindung mit der Grundplatte10 dient, ist es möglich, das Fluidlager als Baueinheit zu montieren, mit Lagerfluid zu befüllen und zu testen, bevor das Fluidlager als Baueinheit mit der Grundplatte10 verbunden wird. - Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager
26 aufweist, das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils18 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann die Grundplatte10 einen ferromagnetischen Ring40 aufweisen, der dem Rotormagneten44 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers26 und hält das Lager axial stabil. - Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung
42 und der Rotormagnet44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass der Rotormagnet44 axial weiter entfernt von der Grundplatte10 angeordnet wird als die Statoranordnung42 . Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager26 wirkt. - Das äußere topfförmige Teil des Rotorbauteils
14 ist zur Befestigung der Speicherplatten58 des Festplattenlaufwerks vorgesehen. Die ringscheibenförmigen Speicherplatten58 liegen an einem unteren, radial nach außen gerichteten Bund des Rotorbauteils14 auf und sind durch Abstandhalter60 voneinander getrennt. Gehalten werden die Speicherplatten58 durch eine Halterung54 , die mittels Schrauben in Gewindebohrungen56 des Rotorbauteils14 befestigt wird. - In
2 ist ein Spindelmotor dargestellt, bei dem gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen wie in1 mit denselben Bezugszeichen versehen ist. Der Spindelmotor gemäß2 unterscheidet sich im Wesentlichen vom Spindelmotor gemäß1 durch ein zweiteiliges Rotorbauteil und eine andere Konstruktion der oberen Dichtung. Für2 gilt im Wesentlichen dieselbe Beschreibung wie für den Spindelmotor von1 . - In
2 ist das Rotorbauteil114 zweiteilig ausgebildet und umfasst ein inneres, etwa zylindrisches Rotorbauteil114a und ein äußeres etwa topförmiges Rotorbauteil114b . Das innere Rotorbauteil114a umgibt die Welle12 und bildet zusammen mit dieser die beiden Radiallager22a ,22b . Eine Stirnseite des inneren Rotorbauteils114a liegt einer radialen Fläche des ersten Lagerbauteils16 gegenüber und bildet mit dieser das Axiallager26 . Die dynamische Pumpdichtung36 wird gebildet durch eine Stirnfläche des inneren Rotorbauteils114a und eine gegenüberliegende Fläche des zweiten Lagerbauteils18 , wobei mindestens eine der beiden Flächen mit Pumpstrukturen versehen ist. Außerhalb der Pumpdichtung36 schließt sich der Dichtungsspalt32 an, der begrenzt wird durch eine innere Umfangsfläche einer topfförmigen Abdeckung130 und eine äußere, abgeschrägte Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils18 . Die Abdeckung130 ist auf die Stirnfläche des inneren Rotorbauteils114a aufgesteckt und beispielsweise mit dieser verschweißt. Zwischen einer inneren Kante der Abdeckung130 und dem Lagerbauteil18 (bzw. der Welle12 ) verbleibt ein ringförmiger Labyrinthspalt48 , der die Kapillardichtung zusätzlich nach außen abdichtet. - Der an das Axiallager
26 angrenzende Dichtungsspalt34 wird begrenzt durch den Außenumfang des inneren Rotorbauteil114a und den Innenumgang des topfförmigen ersten Lagerbauteils16 . Der Rezirkulationskanal128 verläuft innerhalb des inneren Rotorbauteils114a und verbindet den Dichtungsspalt 34 im Bereich des Außendurchmessers des Axiallagers26 mit einem Abschnitt des Lagerspalts radial innerhalb der Pumpdichtung36 . Der Rezirkulationskanal128 ist in einem Winkel von etwa 10 Grad relativ zur Drehachse46 geneigt. - Das innere Rotorbauteil
114a hat die Funktion einer Lagerbuchse und das äußere, topfförmige Rotorbauteil114b hat die Funktion einer Nabe, welche den Magneten44 des Antriebssystems und die anzutreibenden Komponenten, wie z. B. die Speicherplatten58 trägt, wie sie in Verbindung mit1 beschrieben sind. -
3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch ein Lagersystem eines erfindungsgemäßen Spindelmotors. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Welle212 und das erste Lagerbauteil216 einteilig ausgebildet. In einem von Welle212 und dem ersten Lagerbauteil216 gebildeten ringförmigen Freiraum ist das Rotorbauteil214 drehbar um die Drehachse246 angeordnet. Das erste Lagerbauteil216 ist an seinem Außenumfang fest mit der Basis210 des Motors verbunden. Es sind zwei Radiallager222a ,222b zwischen Lagerflächen am Innenumfang des Rotorbauteils214 und am Außenumfang der Welle212 angeordnet und durch einen axialen Abschnitt des Lagerspaltes220 voneinander getrennt. Entlang eines radialen Abschnittes des Lagerspaltes220 ist ein Axiallager226 angeordnet, das durch Lagerflächen an der Stirnseite des Rotorbauteils214 bzw. an einer Bödenfläche des ersten Lagerbauteils216 gebildet wird. Der axiale Abschnitt des Lagerspalts220 geht über in einen Dichtungsspalt232 , der einen radial verlaufenden Abschnitt und einen axial verlaufenden Abschnitt aufweist und durch Oberflächen eines an der Welle212 angeordneten zweiten Lagerbauteils218 und diesen gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils214 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt232 ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt und bildet eine konische Spaltdichtung aus. Eine Abdeckung zur Abdeckung des Dichtungsspalts und zur Zurückhaltung des Lagerfluids ist hier nicht vorgesehen. Im Bereich des Dichtungsspaltes232 können auch eine oder mehrere Pumpdichtungen236 bzw.237 angeordnet sein, die sich im horizontal bzw. im vertikal verlaufenden Spalt zwischen dem zweiten Lagerbauteil218 und der jeweils gegenüber liegenden Fläche des Rotorbauteils214 befinden und die das im Dichtungsspalt232 befindliche Lagerfluid nach innen in Richtung des axialen Abschnitts des Lagerspaltes220 befördern. Ein weiterer Dichtungsspalt234 , der außerdem als Fluidreservoir dient, ist angrenzend an den radialen Abschnitt des Lagespaltes220 vorgesehen. Der Dichtungsspalt234 ist Teil eines Spaltes, der durch den Außendurchmesser des zylindrischen Teils des Rotorbauteils214 und den Innendurchmesser des ersten Lagerbauteils216 begrenzt wird. - Im Rotorbauteil
214 ist ein Rezirkulationskanal228 vorgesehen, der die jeweils offenen Enden des Lagerspaltes220 miteinander verbindet. Diese Ausgestaltung des Spindelmotors zeichnet sich aus durch eine geringe Anzahl an benötigten Bauteilen. Die übrigen Komponenten des Spindelmotors, wie z. B. das Antriebssystem und die Halterung für die Speicherplatte, sind in3 nicht dargestellt. - Vorzugsweise ist der Rezirkulationskanal um 5–15 Grad relativ zur Drehachse geneigt. Alternativ kann der Rezirkulationskanal auch weitgehend parallel zur Drehachse
46 ausgerichtet sein. Vorzugsweise verlaufen die Lagerrillen des Axiallagers26 ,226 radial innen von der Lagerbohrung bis radial außen in den Bereich der Kapillardichtung34 . Vorzugsweise sind sowohl die Axiallagerstrukturen26 ,226 , als auch die Pumpstrukturen der Pumpdichtungen36 ,236 ,237 auf der Oberfläche des Rotorbauteils14 ,114a ,214 angebracht. Die Pumpstrukturen der Pumpdichtungen36 ,236 verlaufen in radialer Richtung ebenfalls vorzugsweise vom radial innen liegenden, zur Welle benachbarten Bereich der Lagerbohrung bis in den Bereich des Dichtungsspaltes32 ,232 . Zusätzlich oder alternativ kann, wie in der3 gezeigt ist, eine axial verlaufende Pumpdichtung237 im Bereich des Dichtungsspaltes232 angeordnet sein. -
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit einer Grundplatte310 , in welcher ein erstes Lagerbauteil316 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil316 umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle312 befestigt ist. Die Welle312 weist eine Stufe auf, die als Anschlag dient und auf der Oberfläche des Lagerbauteils316 aufliegt. Durch die Stufe kann der axiale Abstand zwischen den beiden Lagerbauteilen316 und318 sehr genau und reproduzierbar eingestellt werden. An einem oberen Ende der feststehenden Welle312 ist ein zweites Lagerbauteil318 angeordnet, das vorzugsweise einteilig mit der Welle312 ausgebildet ist. Der Spindelmotor umfasst ein mehrteiliges Rotorbauteil, das ein inneres Rotorbauteil314a aufweist, das in einem durch die Welle312 und die beiden Lagerbauteile316 ,318 gebildeten Zwischenraum relativ zur Welle drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil318 ist in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils314a aufgenommen. Aneinander angrenzende Flächen der Welle312 , des Rotorbauteils314a und der Lagerbauteile316 ,318 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt320 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl gefüllt ist. Das Rotorbauteil314a ist von einem äußeren, topfförmigen Rotorbauteil314b umgeben, welches an seinem Innenumfang einen ringförmigen Permanentmagneten344 als Teil des elektromagnetischen Antriebssystems trägt. An der Grundplatte310 ist eine Statoranordnung342 angeordnet, welche den Permanentmagneten344 gegenüber liegt. - Das innere Rotorbauteil
314a hat eine hohlzylindrische Bohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Lagerflächen ausgebildet sind, welche durch eine dazwischen liegende umlaufende Nut324 getrennt sind. Diese Lagerflächen umschließen die stehende Welle312 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung des Lagerspaltes320 und sind mit Rillenstrukturen versehen, so dass sie mit dem jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle312 zwei fluiddynamische Radiallager322a und322b ausbilden. - An den Lagerspalt im Bereich des unteren Radiallagers
322b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspaltes320 an, der radial verlaufende Lagerflächen des Rotorbauteils314a und entsprechend gegenüberliegende Lagerflächen des Lagerbauteils316 voneinander trennt. Die Lagerflächen der vorgenannten Bauteile bilden ein fluiddynamischen Axiallager326 , das in bekannter Weise durch spiralförmige Rillenstrukturen gekennzeichnet ist, die auf einer oder beiden Lagerflächen aufgebracht sind. - An den radialen Abschnitt des Lagerspaltes
320 im Bereich des Axiallagers326 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt334 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen des Rotorbauteils314a und des Lagerbauteils316 gebildet wird und das untere Ende des Lagerspaltes abdichtet. Der Dichtungsspalt334 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt320 verbreiterten, radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden, nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils314a und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils316 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt334 dient ferner als Fluidreservoir und zum Ausgleich von Fülltoleranzen, Verlust des Lagerfluids durch Evaporation und thermischer Ausdehnung des Lagerfluids. - Das Rotorbauteil
314a auf der anderen Seite des Lagerspaltes320 ist so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Lagerbauteils318 einen engen Spalt bildet, dessen Breite größer ist als die Breite des Lagerspaltes320 im Bereich der Radiallager. Im Bereich dieses Spalts ist eine dynamische Pumpdichtung336 vorgesehen, die durch geeignete, spiralrillenförmige Pumpstrukturen auf den Flächen des Rotorbauteils314a bzw. des Lagerbauteils318 gekennzeichnet ist und das Fluidlagersystem an diesem Ende des Lagerspaltes abdichtet. Jenseits der Pumpdichtung336 ist ein Dichtungsspalt332 mit konischem Querschnitt vorgesehen, der im Wesentlichen axial verläuft und durch Oberflächen des Rotorbauteils314a und des Lagerbauteils318 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt332 ist von einer ringförmigen Abdeckung330 abgedeckt, die als Teil des äußeren Rotorbauteils314b ausgebildet ist. Die Abdeckung330 bildet zusammen mit einer Stirnfläche des Lagerbauteils318 eine Labyrinthdichtung348 zur zusätzlichen Abdichtung des Dichtungsspaltes332 . - Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist im Rotorbauteil
314a ein Rezirkulationskanal328 , beispielsweise als axiale Bohrung, angeordnet. Der Rezirkulationskanal328 verbindet einen Abschnitt des Dichtungsspaltes334 radial außerhalb des Axiallagers326 mit einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes radial außerhalb der dynamischen Pumpdichtung336 . - Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager
326 aufweist, das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils318 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierzu ist an der Grundplatte310 ein ferromagnetischer Ring340 angeordnet, der dem Rotormagneten344 axial gegenüber liegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegengesetzt zu der Kraft des Axiallagers326 und hält das Lager im axialen Gleichgewicht. - In
5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Spindelmotors dargestellt, wobei im Vergleich zum Spindelmotor aus4 einige Unterschiede vorhanden sind. - Ein erster Unterschied zum Spindelmotor aus
4 ist, dass das Rotorbauteil aus drei Teilen besteht, einem inneren, hülsenförmigen Rotorbauteil314a , einem dieses umgebende und ebenfalls hülsenförmige Rotorbauteil314c und dem äußeren Rotorbauteil314b . Im Grunde ist das in4 gezeigte innere Rotorbauteil zweiteilig ausgebildet und besteht aus den Bauteilen314a und314c . Der Rezirkulationskanal328 ist zwischen den beiden Rotorbauteilen314a und314c ausgebildet, beispielsweise als rillenförmige Nut am Außenumfang des Bauteils314a oder am Innenumfang des Bauteils314c . - Ein weiterer Unterschied ist die Ausgestaltung der Welle
312 , die im Bereich des unteren Lagerbauteils316 keine Stufe mehr aufweist, sondern vollkommen zylindrisch ist. - Der obere Dichtungsspalt
332 , der sich zwischen einem Innenumfang des Rotorbauteils314c und einem Außenumfang des Lagerbauteils318 erstreckt, ist durch eine Abdeckung330 abgedeckt, die jedoch als separates, ringförmiges Bauteil ausgebildet ist. Die Abdeckung330 wird an dem Rotorbauteil314c bzw. dem äußeren Rotorbauteil314b befestigt. Zwischen der Abdeckung330 und der Stirnfläche des Lagerbauteils318 ist eine Kapillardichtung348 ausgebildet, wie auch beim Ausführungsbeispiel gemäß4 . - Ein weiterer wesentlicher Unterschied des Lagers aus
5 besteht darin, dass anstelle einer oberen Pumpdichtung nun ein zweites Axiallager327 vorgesehen ist. Dieses wird gebildet durch eine Stirnseite des Rotorbauteils314a und eine gegenüberliegende Lagerfläche des Lagerbauteils318 . Das Axiallager ist durch Rillenstrukturen gekennzeichnet, und bildet ein Gegenlager zum unteren Axiallager326 . Die beiden Axiallager326 und327 arbeiten gegeneinander und halten das Lager im axialen Gleichgewicht, so dass eine magnetische Vorspannung, wie sie in4 vorgesehen war, nicht mehr notwendig ist. -
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors, der dem Ausführungsbeispiel aus4 sehr ähnlich ist. Als erster Unterschied des Spindelmotors gemäß6 zum Spindelmotor gemäß4 ist der Rezirkulationskanal328 nicht parallel zur Rotationsachse346 angeordnet, sondern in einem Winkel von etwa 5 Grad schräg zur Rotationsachse346 geneigt. Der Rezirkulationskanal328 verbindet daher einen Bereich des unteren Dichtungsspaltes334 mit einem radial verlaufenden Bereich des Lagerspaltes radial außerhalb eines oberen fluiddynamischen Axiallagers327 . Das fluiddynamische Axiallager327 wirkt entgegengesetzt zu dem unteren fluiddynamischen Axiallager326 und bildet einen zweiten Unterschied zum Spindelmotor gemäß4 , bei dem lediglich ein unteres fluiddynamisches Axiallager vorgesehen war. Aufgrund der beiden fluiddynamischen Axiallager326 und327 ist beim Spindelmotor gemäß6 keine magnetische Vorspannung notwendig. -
7 zeigt einen Spindelmotor, der ebenfalls sehr ähnlich zum Spindelmotor aus4 ist. Der Spindelmotor gemäß7 umfasst ein stark verbreitetes unteres Wellenende mit großem Durchmesser, welches in das untere Lagerbauteil316 eingesetzt ist. Der verbreitete Fuß der Welle sorgt für eine größere Steifigkeit. Die innere Stirnfläche des verbreiterten Abschnitts der Welle312 bildet nun mit einer Stirnfläche des Rotorbauteils314a das Axiallager326 sowie Teile des radialen Abschnittes des Dichtungsspaltes334 . Ferner ist das obere Lagerbauteil318 nicht einteilig mit der Welle ausgebildet, sondern als ringförmiges Teil separat an dem Ende der Welle312 befestigt. Im Gegensatz zu beispielsweise dem Spindelmotor aus6 ist kein oberes Axiallager vorgesehen, sondern die Dichtungswirkung des Dichtungsspaltes332 wird in diesem Bereich durch eine Pumpdichtung336 unterstützt, die zwischen der Stirnfläche des Rotorbauteils314a und des Lagerbauteils318 angeordnet ist. - Eine magnetische Vorspannung, die entgegengesetzt zur Kraft des Axiallagers
326 wirkt, wird durch einen ferromagnetischen Ring340 erzeugt, der dem Rotormagneten344 gegenüber liegt und von diesem angezogen wird. -
8 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der im Aufbau im Wesentlichen dem Spindelmotor aus den2 entspricht. Für den Spindelmotor aus8 gilt daher die grundsätzliche Beschreibung der Spindelmotoren aus den1 und2 , wobei gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. - Wie auch beim Spindelmotor aus
2 ist am oberen Ende der Welle12 ein Lagerbauteil18 angeordnet, welches einteilig mit der Welle12 ausgebildet ist. Ferner ist eine Pumpdichtung136 zur Abdichtung des Dichtungsspaltes32 vorgesehen, die die zwischen einem Außenumfang des Lagerbauteils18 und einem Innenumfang einer Aussparung in der Lagerbuchse114a angeordnet ist. Die Pumpstrukturen der in axialer Richtung in das Lagerinnere pumpenden Pumpdichtung136 sind vorzugsweise am Innenumfang der Lagerbuchse114a angeordnet. Dadurch, dass die Pumpdichtung136 zwischen axial verlaufenden Flächen angeordnet ist, kann der Durchmesser des Lagerbauteils18 verringert werden, wodurch sich auch der Durchmesser des Ringsspaltes zwischen der Unterseite des Lagerbauteils18 und einer gegenüberliegenden Fläche der Lagebuchse114a verringert. - In der Lagerbuchse
114a ist ein Rezirkulationskanal128 vorgesehen, der ausgehend von dem radial verlaufenden Ringsspalt zwischen der Unterseite des Lagerbauteils18 und einer gegenüberliegenden Fläche der Lagebuchse114a um einen Winkel von etwa 10 Grad schräg zur Rotationsachse46 verläuft. Der Rezirkulationskanal verbindet die Oberseite mit der Unterseite des Lagers und mündet in einem radial äußeren Bereich des unteren Axiallagers26 . Der Rezirkulationskanal128 mündet somit außerhalb des Axiallagerspalts20 zwischen dem Axiallagerspalt20 und dem Dichtungsspalt34 . - Der Mündungsbereich des Rezirkulationskanals
128 ist in9 vergrößert dargestellt. Man erkennt, dass der Rezirkulationskanal128 radial außerhalb des Lagerspaltes20 des Axiallagers26 mündet. Im Mündungsbereich des Rezirkulationskanals128 verbreitet sich der Lagerspalts20 zu einem Spalt21 , der dann radial auswärts in den Dichtungsspalt34 übergeht. Aufgrund der schrägen Anordnung des Rezirkulationskanals128 im rotierenden Lagerbauteil114a , wird auf das im Rezirkulationskanal128 vorhandene Lagerfluid eine Zentrifugalkraft ausgeübt. Diese Zentrifugalkraft fördert das Lagerfluid in Pfeilrichtung29 , also ausgehend vom axialen Spalt im Bereich des oberen Lagerbauteils18 durch den Rezirkulationskanal128 zum Spalt21 im Bereich des unteren Lagerbauteils16 . Der Spalt21 hat eine größere Spaltbreite als der Lagerspalt20 , um dem Lagerfluid zu ermöglichen, ungehindert aus dem Rezirkulationskanal128 ausfließen zu können. Das Axiallager26 weist Lagerstrukturen auf, welche das Lagerfluid in Pfeilrichtung27 in Richtung der Welle12 fördern. Die Radiallager22a und22b generieren eine Gesamt-Pumpwirkung in Pfeilrichtung23 nach oben zum Lagerbauteil18 , wodurch das Lagerfluid dann zur Öffnung des Rezirkulationskanals128 transportiert wird und der Kreislauf von vorne beginnt. Das Lagerfluid fließt somit im Rezirkulationskanal128 in dieselbe Richtung, wie die Netto-Pumprichtung des Lagers, also des Axiallagers26 und der beiden Radiallager22a ,22b . Die Pumpdichtung136 liegt außerhalb dieses Kreislaufs und pumpt in das Innere des Lagers in Richtung des Rezirkulationskanals128 . - Das untere Radiallager
22b ist deutlich asymmetrisch ausgebildet und pumpt das Lagerfluid insgesamt nach oben, während das obere Radiallager22a symmetrisch oder leicht unsymmetrisch ausgebildet ist. - Die durch die Zentrifugalkraft erzeugte Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Rezirkulationskanal ist vorzugsweise wesentlich größer als die durch das Axiallager und die beiden Radiallager auf das Lagerfluid in dieselbe Richtung ausgeübte Gesamt-Pumpwirkung. Aufgrund der relativ großen, gerichteten Pumpwirkung des schrägen Rezirkulationskanals, kann prinzipiell auf eine gerichtete Pumpwirkung des Axiallagers und/oder der beiden Radiallager verzichtet werden. Das Axiallager und/oder die beiden Radiallager können in diesem Falle Lagerrillen aufweisen, die nahezu symmetrisch ausgebildet sind, und eine etwa gleich große Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts erzeugen.
- Evtl. im Lagerfluid eingeschlossene Luft, die sich innerhalb des Rezirkulationskanals
128 befindet, wird durch die Zentrifugalwirkung nach oben in Richtung des radialen Spaltes befördert, der sich zwischen der Lagerbuchse114a und dem Lagerbauteil18 befindet. Aufgrund der durch die Pumpdichtung136 bewirkten kontinuierlichen Druckzunahme vom dem oberen Dichtungsspalt32 in Richtung des Lagerinneren betrachtet, wird die Luft anschließend über den oberen Dichtungsspalt32 aus dem Lager ausgetrieben. - Vorzugsweise sind die Lagerstrukturen des Axiallagers
26 spiralförmig in der Lagerbuchse114a ausgebildet, und verlaufen von der zur Welle12 benachbarten Innenbohrung kontinuierlich bis zum Außenrand der Lagerbuchse114a . - Ein Spindelmotor, wie er in den
8 und9 dargestellt ist, wird vorzugsweise zum Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken eingesetzt. Ein solcher Spindelmotor hat beispielsweise einen Wellendurchmesser von 2,5 mm und einem Durchmesser der Lagerbuchse114a von circa 6 mm. Die Tiefe der Lagerstrukturen das Axiallagers26 beträgt beispielsweise 15 μm und die Breite des Lagerspalts20 im Bereich des Axiallagers26 beträgt im Betriebszustand des Motors beispielsweise 10 bis 15 μm. Die Breite des axialen Lagerspaltes ist definiert durch die so genannte Flughöhe (fly-height) des Lagers. Die Spaltbreite des Spalts21 im Mündungsbereich des Rezirkulationskanals128 beträgt beispielsweise 30 μm. - Vorzugsweise ist die Spaltbreite des Spaltes
21 größer oder gleich der Flughöhe (Breite des Axiallagerspaltes im Betrieb) plus der Tiefe der Axiallagerstrukturen. Durch den schrägen Rezirkulationskanal128 wird demnach die Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt positiv unterstützt. Dies gilt entsprechend auch für die in den1 –3 und6 gezeigten Spindelmotoren. -
10 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der im Aufbau im Wesentlichen dem Spindelmotor aus1 entspricht. Für den Spindelmotor aus10 gilt daher die grundsätzliche Beschreibung des Spindelmotors aus1 , wobei gleiche Bauteile oder Bauteile mit denselben Funktionen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. - Der in
10 dargestellte Spindelmotor weist ein an der Welle12 angeordnetes oberes Lagerbauteil18 auf. Das obere Lagerbauteil18 sitzt umgeben von dem mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt20 in einer Aussparung des Rotorbauteils14 . Eine untere Fläche des Lagerbauteils18 bildet zusammen mit einer angrenzenden Fläche des Rotorbauteils14 ein Axiallager25 , das entgegengesetzt zum Axiallager26 auf der Unterseite des Lagers arbeitet. Das Axiallager25 ist durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche des Lagerbauteils18 und/oder der entsprechenden Oberfläche des Rotorbauteils14 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen erzeugen eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt20 , die in das Innere des Lagers, d. h. in Richtung der Radiallager22a ,22b gerichtet ist. An der oberen Stirnseite des Lagerbauteils18 grenzt ein weiteres Lagerbauteil19 an, das mit dem Rotorbauteil14 fest verbunden ist. Die beiden Lagerbauteils18 ,19 sind durch einen radial verlaufenden Spalt voneinander getrennt, in dessen Verlauf die dynamische Pumpdichtung36 angeordnet ist. Die Pumpdichtung36 ist durch spiralrillenförmige, radial nach außen pumpende Pumpstrukturen auf den Flächen des Lagerbauteils18 und/oder des Lagerbauteils19 und schließt das Fluidlagersystem an diesem Ende ab. Der Spalt im Bereich der Pumpdichtung36 verläuft radial nach innen, ändert seinen Verlauf in die axiale Richtung und geht über in einen axial verlaufenden Dichtungsspalt32 mit vorzugsweise konischem Querschnitt. Der Dichtungsspalt32 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Welle12 und des Lagerbauteils19 begrenzt. Der Dichtungsspalt32 befindet sich am kleinsten Durchmesser des Lagers und kann von einer ringförmigen Abdeckung30 abgedeckt sein. Die Abdeckung30 ist in einer Ringnut38 des Rotorbauteils14 gehalten und dort beispielsweise eingeklebt, eingepresst oder (Laser-) geschweißt. Die Abdeckung30 bildet zusammen mit dem Ende der Welle12 eine Labyrinthdichtung48 , wodurch der Austausch mit Luft und somit auch die Evaporation von Lagerfluid verringert werden. -
- 10
- Grundplatte
- 12
- Welle
- 14; 114a, 114b
- Rotorbauteil
- 16
- erstes Lagerbauteil
- 18
- zweites Lagerbauteil
- 19
- Lagerbauteil
- 20
- Lagerspalt
- 21
- Spalt
- 22a, 22b
- Radiallager
- 24
- Nut
- 25
- Axiallager
- 26
- Axiallager
- 27
- Pfeilrichtung
- 28; 128
- Rezirkulationskanal
- 29
- Pfeilrichtung
- 30, 130
- Abdeckung
- 32
- Dichtungsspalt
- 34
- Dichtungsspalt
- 36, 136
- Pumpdichtung
- 38
- Ringnut
- 40
- ferromagnetischer Ring
- 42
- Statoranordnung
- 44
- Magnet
- 46
- Drehachse
- 48
- Labyrinthdichtung
- 50
- Gehäusedeckel
- 52
- Gewindebohrung (Welle)
- 54
- Halterung
- 56
- Gewindebohrung (Rotorbauteil)
- 58
- Speicherplatten
- 60
- Abstandhalter
- 210
- Grundplatte
- 212
- Welle
- 214
- Rotorbauteil
- 216
- erstes Lagerbauteil
- 218
- zweites Lagerbauteil
- 220
- Lagerspalt
- 222a, 222b
- Radiallager
- 226
- Axiallager
- 228
- Rezirkulationskanal
- 232
- Dichtungsspalt
- 234
- Dichtungsspalt
- 236
- Pumpdichtung
- 237
- Pumpdichtung
- 246
- Drehachse
- 310
- Grundplatte
- 312
- Welle
- 314, 314a, 314b
- Rotorbauteil
- 314c
- Rotorbauteil
- 316
- erstes Lagerbauteil
- 318
- zweites Lagerbauteil
- 320
- Lagerspalt
- 322a, 322b
- Radiallager
- 324
- Nut
- 326
- Axiallager
- 327
- Axiallager
- 328
- Rezirkulationskanal
- 330
- Abdeckung
- 332
- Dichtungsspalt
- 334
- Dichtungsspalt
- 336
- Pumpdichtung
- 340
- ferromagnetischer Ring
- 342
- Statoranordnung
- 344
- Magnet
- 346
- Drehachse
- 348
- Labyrinthdichtung
Claims (32)
- Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, welcher umfasst: eine feststehende Welle (
12 ;212 ;312 ), die direkt oder indirekt in einer Grundplatte (10 ,210 ;210 ) gehalten ist, ein relativ zur Welle um eine Drehachse (46 ;246 ;346 ) drehbar gelagertes Rotorbauteil (14 ,114a ;214 ;314a –c), einen beidseitig offenen Lagerspalt (20 ,220 ;320 ) gefüllt mit einem Lagerfluid, der aneinander angrenzende Flächen der Welle (12 ;212 ;312 ), des Rotorbauteils (14 ,114a ;214 ;214a –c) und mindestens einem ersten Lagerbauteils (16 ,216 ;316 ) voneinander trennt, ein erstes Radiallager (22a ,222a ;322a ) und ein zweites Radiallager (22b ,222b ;322b ), ausgebildet zwischen einander gegenüber liegenden axial verlaufenden Lagerflächen der Welle (12 ;212 ;312 ) und des Rotorbauteils (14 ,114a ;214 ;314a –c), ein Axiallager (26 ,226 ;326 ), ausgebildet zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Lagerflächen des Rotorbauteils (14 ,114a ;214 ;314a –c) und dem ersten mit der Grundplatte verbundenen Lagerbauteil (16 ,216 ;316 ), einen mit Lagerfluid gefüllten Rezirkulationskanal (28 ;128 ;228 ;328 ), der voneinander entfernte Bereiche des Lagers miteinander verbindet, und ein elektromagnetisches Antriebssystem (42 ,44 ;342 ,244 ) zum Antrieb des Rotorbauteils. - Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil aus einem inneren, hülsenförmigen Rotorbauteil (
114a ;314a ) und einem äußeren topfförmigen Rotorbauteil (144b ;314b ) besteht. - Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere, hülsenförmige Rotorbauteil (
314a ) von einem weiteren, hülsenförmigen Rotorbauteil (314c ) umgeben ist, an welchem das äußere topfförmige Rotorbauteil (314b ) angeordnet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er nur ein rotierendes, mechanisches Rotorbauteil (
14 ;214 ) in Form einer Nabe-Lagerbuchse-Anordnung enthält. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagerbauteil (
216 ) einteilig mit der Welle (212 ) ausgebildet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagerbauteil (
18 ;318 ) einteilig mit der Welle (12 ) ausgebildet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil (
14 ,114a ;214 ;314a –c) Oberflächen aufweist, die derart geformt sind, dass sie zusammen mit Oberflächen des zweiten Lagerbauteils (18 ;218 ;318 ) einen Dichtungsspalt (32 ;232 ;332 ) einer kapillaren Spaltdichtung bilden. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil (
14 ,114a ;214 ;314a –c) Oberflächen aufweist, die derart geformt sind, dass sie zusammen mit Oberflächen eines ersten Lagerbauteils (16 ;216 ;316 ) einen Dichtungsspalt (34 ;234 ;334 ) einer kapillaren Spaltdichtung bilden. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (
28 ,128 ;228 ) im Rotorbauteil (14 ;114a ;214 ) angeordnet ist und den Dichtungsspalt (34 ;234 ) radial außerhalb des Axiallagers (26 ;226 ) mit einem radial innerhalb einer dynamischen Pumpdichtung (36 ;236 ) liegenden Abschnitt des Lagerspalts (20 ;220 ) verbindet. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (
328 ) im Rotorbauteil (314a ) oder zwischen den Rotorbauteilen (314a ,314c ) angeordnet ist und den Dichtungsspalt (334 ) radial außerhalb des Axiallagers (226 ) mit einem radial außerhalb der dynamischen Pumpdichtung (336 ) liegenden Abschnitt des Lagerspalts (320 ) verbindet. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (
28 ,128 ;228 ) schräg zur Drehachse (46 ) angeordnet ist, wodurch bei Rotation der Lagerbuche auf das im Rezirkulationskanal enthaltene Lagerfluid eine Zentrifugalkraft ausgeübt wird, die das Lagerfluid in Pfeilrichtung (29 ) durch den Rezirkulationskanal (28 ,128 ;228 ) befördert. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (
28 ,128 ;228 ) in einem Winkel von 5 bis 15 Grad relativ zur Drehachse (46 ) geneigt ist. - Spindelmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch den geneigten Rezirkulationskanal (
28 ,128 ;228 ) eine Zentrifugalkraft auf das Lagerfluid ausgeübt wird, die in dieselbe Richtung wirkt, wie die Kraft, die durch die Gesamt-Pumpwirkung des Axiallagers (26 ;126 ;226 ;326 ) und der Radiallager (22a ,22b ;122a ,122b ;222a ,222b ;322a ,322b ) auf das Lagerfluid ausgeübt wird. - Spindelmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpwirkung der Zentrifugalkraft in Pfeilrichtung (
29 ) zum Axiallager (26 ) hin gerichtet ist. - Spindelmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugalkraft mindestens zwei Mal größer ist als die Kraft, die durch das Axiallager (
26 ) und die Radiallager (22a ,22b ) auf das Lagerfluid ausgeübt wird. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (
28 ,128 ;228 ) in einen Spalt (21 ) radial außerhalb des Lagerspalts (20 ) des Axiallagers (26 ) mündet, wobei die Breite des Spalts (21 ) größer ist als die Breite des Lagerspalts (20 ). - Spindelmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spaltes (
21 ) größer oder gleich der Breite des Lagerspaltes (20 ) des Axiallagers (26 ) plus der Tiefe der Lagerstrukturen des Axiallagers (26 ) ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (
32 ;332 ) durch eine mit dem Rotorbauteil (14 ;114a ;314c ) verbundene ringförmige Abdeckung (30 ,130 ;330 ) abgedeckt ist, die zusammen mit dem zweiten Lagerbauteil (18 ;318 ) eine Labyrinthdichtung (48 ;348 ) ausbildet. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (
332 ) durch eine durch das Rotorbauteil (314b ) gebildete ringförmige Abdeckung (330 ) abgedeckt ist, die zusammen mit dem zweiten Lagerbauteil (318 ) eine Labyrinthdichtung (348 ) ausbildet. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (
32 ) zwischen einer inneren Umfangsfläche der Abdeckung (130 ) und einer äußeren Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils (18 ) gebildet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (
32 ;332 ) zwischen einer inneren Umfangsfläche/Stirnfläche des Rotorbauteils (14 ,114a ;214 ;314a ;314c ) und einer äußeren Umfangsfläche/Stirnfläche des zweiten Lagerbauteils (18 ;218 ;318 ) gebildet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (
34 ;234 ;334 ) zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils (14 ,114a ;214 ;314a ;314c ) und einer inneren Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils (16 ;216 ;316 ) gebildet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dichtungsspalt (
32 ;232 ) bildenden Oberflächen des Rotorbauteils (14 ,144a ;214 ) oder der Abdeckung (130 ) und des zweiten Lagerbauteils (18 ;218 ) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (46 ;246 ) verlaufen oder in einem spitzen Winkel schräg zur Drehachse geneigt sind. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dichtungsspalt (
34 ;234 ;334 ) bildenden Oberflächen des Rotorbauteils (14 ,114a ;214 ;314a ;314c ) und des ersten Lagerbauteils (16 ;216 ;316 ) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (46 ;246 ;346 ) verlaufen oder in einem spitzen Winkel schräg zur Drehachse geneigt sind. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine dynamische Pumpdichtung (
36 ;236 ;336 ), zwischen einander gegenüber liegenden radial verlaufenden Flächen des Rotorbauteils (14 ,114 ;214 ;314 ) und einem zweiten mit der Welle (12 ;212 ;312 ) verbundenen Lagerbauteil (18 ;218 ;318 ) ausgebildet ist. - Spindelmotor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Pumpdichtung (
36 ;236 ;336 ) zwischen einer radial verlaufenden Stirnfläche des Rotorbauteils (14 ,114a ;214 ;314a ) und einer angrenzenden radial verlaufenden Stirnfläche des zweiten Lagerbauteils (18 ;218 ;318 ) gebildet ist. - Spindelmotor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Pumpdichtung (
36 ;236 ;336 ) im Wesentlichen senkrecht und der Dichtungsspalt (32 ;232 ;332 ) der Spaltdichtung im Wesentlichen parallel zur Drehachse (46 ;246 ;346 ) angeordnet sind. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (
10 ;310 ) einen ferromagnetischen Ring (40 ;340 ) aufweist, der dem Rotormagneten (44 ;344 ) axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird und eine magnetische Kraft erzeugen, die entgegengesetzt zu der vom Axiallager (26 ;326 ) erzeugten Kraft gerichtet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung (
42 ;342 ) und der Rotormagnet (44 ;344 ) axial zueinander versetzt angeordnet sind und eine magnetische Kraft erzeugen, die entgegengesetzt zu der vom Axiallager (26 ;326 ) erzeugten Kraft gerichtet ist. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen des zweiten Lagerbauteils
18 und des Rotorbauteils14 ein weiteres Axiallager (25 ) ausbilden. - Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass an das zweite Lagerbauteil ein weiteres, mit dem Rotorbauteil verbundenes Lagerbauteil (
19 ) angrenzt, wobei die Pumpdichtung (36 ) zwischen den beiden Lagerbauteilen (18 ,19 ) und der Dichtungsspalt zwischen dem Lagerbauteil (19 ) und der Welle (12 ) angeordnet ist. - Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 31.
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