DE102008057551A1 - Fluiddynamisches Lagersystem und Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem - Google Patents

Fluiddynamisches Lagersystem und Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem Download PDF

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Andreas Kull
Jörg Hoffmann
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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein fluiddynamisches Lagersystem beschrieben, welches mindestens ein feststehendes Lagerbauteil und mindestens ein rotierendes Lagerbauteil aufweist, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Lager weist mindestens einen Lagerspalt auf, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Lagerbauteile ausgebildet ist und der einen mit einem Lagerfluid gefüllten Abschnitt mit mindestens einem offenen Ende aufweist, das durch ein Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Die beiden Lagerbauteile weisen im Bereich des Lagerspaltes einander zugewandte Lagerflächen auf, die mindestens ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden. Erfindungsgemäß umfasst das Lagersystem mindestens ein Einsatzteil, das an einem Lagerbauteil angeordnet ist und die Lagerfläche dieses Lagerbauteils ausbildet.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, welches mindestens ein Radiallager und mindestens ein Axiallager umfasst, nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lager werden etwa zur Drehlagerung von Motoren, beispielsweise von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken, Lüftern oder ähnlichem dienen.
  • Stand der Technik
  • Fluiddynamische Lager, wie sie in Spindelmotoren eingesetzt werden, umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide der einander gegenüber liegenden Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Oberflächenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige rillenförmige Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralrillenförmige Oberflächenstrukturen verwendet, die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken gemäß einer bekannten Bauart ist eine Welle in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert. Der Durchmesser der Bohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt verbleibt. Die einander zugewandten Oberflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerstrukturen auf. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe verbunden, deren untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der einander zugewandten Oberflächen der Nabe oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerstrukturen versehen. Bauarten von Spindelmotoren mit einer feststehenden Welle und einer um die Welle rotierenden Lagerbuchse/Nabe sind ebenfalls verbreitet.
  • Ein wichtiges Kriterium für alle fluiddynamischen Lager ist die Selektion bzw. Materialpaarung der Lagerflächen sowohl des feststehenden als auch des rotierenden Lagerbauteils. Für die Lagerbauteile werden vorzugsweise Materialien verwendet, die einen geringen Materialabrieb aufweisen, was wichtig ist während der Anlauf- und Auslaufphasen des Lagers, bei denen sich die Lagerflächen der Lagerbauteile berühren. Diese für einen geringen Abrieb optimierte Materialpaarung ist wichtig sowohl für Axiallager als auch Radiallager eines fluiddynamischen Lagers. Bekannte Lagersysteme verwenden Materialien für das feststehende und rotierende Bauteil die entsprechend gepaart sind, wobei hierbei die Lagerbauteile in ihrer Gesamtheit aus einem einzigen Material mit den geforderten Eigenschaften bestehen. Es ist auch bekannt, insbesondere die Lagerflächen mit einer Oberflächenbeschichtung zu versehen, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Eine entsprechende Materialpaarung kann z. B. aus Stahl kombiniert mit Stahl unterschiedlicher Härte bestehen, oder Stahl kombiniert mit Metalllegierungen oder Legierungskombinationen, oder Stahl mit einer Oberflächenbeschichtung, wie z. B. DLC. Hierbei werden die Lagerkomponenten komplett aus dem ausgewählten Material hergestellt und eventuell mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Da die Lagerbauteile außerdem eine entsprechende Stabilität und Steifigkeit benötigen, muss dies bei der Auswahl der Werkstoffe entsprechend berücksichtigt werden. Es gibt einige bevorzugte Werkstoffe mit entsprechend abriebfester Materialpaarung, welche ebenfalls eine sehr gute Härte und Steifigkeit aufweisen, jedoch sehr schwer maschinell zu bearbeiten und daher teuer in der Herstellung sind. Solche Materialien sind für die Massenfertigung von Fluidlagern daher nicht geeignet.
  • Die US 7,008,109 B2 offenbart beispielsweise ein fluiddynamisches Lagersystem, bei dem eine Axiallagerfläche eine spezielle Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der Abriebfestigkeit aufweist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art anzugeben, das eine nahezu beliebige Materialpaarung der Lagerflächen und entsprechende Oberflächenbearbeitung erlaubt und dennoch kostengünstig herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist ein fluiddynamisches Lagersystem beschrieben, welches mindestens ein feststehendes Lagerbauteil und mindestens ein rotierendes Lagerbauteil aufweist, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das Lager weist mindestens einen Lagerspalt auf, der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Lagerbauteile ausgebildet ist und der einen mit einem Lagerfluid gefüllten Abschnitt mit mindestens einem offenen Ende aufweist, das durch ein Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Die beiden Lagerbauteile weisen im Bereich des Lagerspaltes einander zugewandte Lagerflächen auf, die mindestens ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden. Erfindungsgemäß umfasst das Lagersystem mindestens ein Einsatzteil, das an einem Lagerbauteil angeordnet ist und die Lagerfläche dieses Lagerbauteils ausbildet.
  • Die Erfindung bietet eine sehr flexible Möglichkeit der Materialpaarung der Lagerflächen bei geringen Kosten, indem eine oder beide Lagerflächen durch ein am Lagerteil angeordnetes Einsatzteil gebildet werden. Dieses Einsatzteil kann scheibenförmig bzw. ringförmig ausgebildet sein und eine oder beide Lagerflächen des Axiallagers des Lagersystems ausbilden. Das Einsatzteil kann dabei aus einem beliebigen Werkstoff bestehen, insbesondere Metall, einer Metalllegierung, aus Kunststoff, Keramik, Glas oder Sintermaterial. Es kann mit der anderen Lagerfläche optimal gepaart werden, unabhängig davon, ob das Einsatzteil die anderen an ein Lagerbauteil gestellten Bedingungen wie Steifigkeit und Härte, Zugfestigkeit etc. aufweist. Das Einsatzteil selbst hat keinen Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit und die Gesamteigenschaften des Lagers, sondern liefert nur die benötigte positive Materialpaarung der Lagerflächen. Daher können selbst Materialien mit sehr geringer struktureller Steifigkeit wie z. B. Kunststoffe oder Gummi oder sehr weiche Materiallegierungen für die Herstellung des Einsatzteils verwendet werden. Außerdem können natürlich auch Materialien mit extremer Härte und Zähigkeit zur Herstellung des Einsatzteils verwendet werden, obwohl diese sehr schwierig zu bearbeiten sind. Aufgrund der geringen Größe des Einsatzteils im Verhältnis zum gesamten Lagerbauteil ist dies jedoch kein Kostennachteil, da das Einsatzteil sehr einfach in seiner Geometrie ausgebildet ist. Solche Materialien sind z. B. Keramik, Invar, Glas, Glasfiberstrukturen usw. Das Einsatzteil kann unabhängig von den Lagerbauteilen gefertigt werden und wird dann mit dem Lagerbauteil verbunden, beispielsweise durch Einpressen, Verkleben, Verschweißen, etc.
  • Das Einsatzteil ist in seiner Geometrie sehr einfach gehalten, vorzugsweise als Scheibe bzw. Ringscheibe, welche einfach in der Herstellung ist. Natürlich kann das Einsatzteil auch jede andere Formgebung annehmen.
  • Vorzugsweise kann das Einsatzteil auch mit einer abriebfesten Beschichtung, beispielsweise einer DLC Beschichtung versehen werden. Aufgrund der geringen Größe des Einsatzteils im Vergleich zum gesamten Lagerbauteil ist diese Beschichtung kostengünstig durchzuführen und es können auch mehrere Einsatzteile gleichzeitig beschichtet werden. Es ist also keine Beschichtung des kompletten Lagerbauteils mehr notwendig, bei welcher die nicht zu beschichtenden Flächen abgeklebt oder anderweitig geschützt werden mussten.
  • Ferner ist es sehr einfach, die auf den Lagerflächen vorhandenen Lagerstrukturen auf dem Einsatzteil aufzubringen, wesentlich einfacher als das Aufbringen auf einer entsprechenden Fläche eines großen Lagerbauteils. Derartige Lagerstrukturen werden vorzugsweise mittels eines elektrochemischen Abtrageverfahrens („Electrochemical Machining” ECM) aufgebracht. Dieses ECM Verfahren kann bei der einfachen Formgebung des Einsatzteils kostengünstig und einfach durchgeführt werden.
  • Vorzugsweise ist das Einsatzteil in einer Aussparung einer Fläche des Lagerbauteils gehalten und steht über diese Fläche über. Der Überstand liegt etwa in der Größenordnung des Lagerspaltes und beträgt beispielsweise weniger als 0,15 mm, mindestens jedoch 20 Mikrometer. Das Einsatzteil bildet die Lagerfläche eines Axiallagers aus und entspricht in seinen Abmessungen den Abmessungen der Lagerfläche. Das Einsatzteil kann auch direkt auf der Oberfläche des Lagerbauteils angeordnet sein.
  • Erfindungsgemäß kann das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse mit einer zentralen Lagerbohrung umfassen. Das bewegliche Lagerteil kann im ersten Fall eine in der Lagerbohrung drehgelagerte Welle und eine mit der Welle verbundene Nabe als Rotorbauteil aufweisen. Alternativ kann das feststehende Lagerbauteil aus einer feststehenden Welle bestehen, welche an ihren gegenüberliegenden Enden angeordnete ringförmige Lagerteile aufweist, die in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Das rotierende Lagerbauteil umfasst hierbei eine Lagerbuchse, die in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Lagerteil um die feststehende Welle drehbar angeordnet ist. Das Einsatzteil steht dabei nicht notwendig in einer Verbindung mit der Welle.
  • Vorzugsweise umfasst das fluiddynamische Lager zusätzlich mindestens zwei Radiallager, die gebildet werden durch einander angrenzende und durch den Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen des feststehenden und des rotierenden Lagerbauteils.
  • Um eine gute Zirkulation des Lagerfluids im Lager sicherzustellen, kann das Lager einen Rezirkulationskanal aufweisen, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes miteinander verbindet. Der Rezirkulationskanal kann erfindungsgemäß im oder am feststehenden Lagerbauteil angeordnet sein, oder aber auch im oder am rotierenden Lagerbauteil. Vorzugsweise ist der Rezirkulationskanal in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse angeordnet. Der Rezirkulationskanal endet vorzugsweise radial außerhalb des Einsatzteils und damit radial außerhalb des Axiallagers mit engem Lagerspalt.
  • Die Abdichtung des Lagerspaltes erfolgt durch ein Dichtungsmittel, welches beispielsweise eine Kapillardichtung, vorzugsweise eine konische Kapillardichtung ist. Das Dichtungsmittel kann aber auch eine dynamische Pumpdichtung aufweisen. Es können auch Kombinationen zwischen einer Kapillardichtung und einer Pumpdichtung vorgesehen sein.
  • Das fluiddynamische Lager kann beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden. Ein solcher Spindelmotor wird beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet.
  • Das fluiddynamische Lager kann jedoch auch zur Drehlagerung eines Lüfterrades in einem Lüfter verwendet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
  • 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Lagersystems aus 3.
  • Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
  • Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung aufweist und das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. In die Bohrung der Lagerbuchse 10 ist eine Welle 12 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 verbleibt ein Lagerspalt 14. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und der Lagebuchse 10 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 aus, mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar in der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager 18, 22 sind durch Lagerstrukturen 20, 24 in Form von Vertiefungen oder Rillen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 aufgebracht sind. Der Lagerspalt 14 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerstrukturen 20, 24 üben bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid aus, so dass die Radiallager 18, 22 tragfähig werden. An der Unterseite der Welle 12 ist ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 26 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Durchmesser der Welle 12 aufweist. Der Stopperring 26 verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10. Das Lagersystem ist an dieser Seite der Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckplatte 36 verschlossen.
  • Ein freies Ende der Welle 12 ist mit einem topfförmigen Bauteil verbunden, welches die Nabe 40 des Spindelmotors bildet. Die Nabe 40 weist einen inneren Rand auf, der die Lagerbuchse 10 teilweise umgibt. Radial außerhalb der Bohrung für die Welle 12 umfasst die Nabe 40 ein Einsatzteil 28. Das Einsatzteil 28 ist vorzugsweise als ringförmige Scheibe ausgebildet und in einer Aussparung der Nabe 40 angeordnet. Die Oberfläche des Einsatzteils 28 kann über die Nabe 40 hinaus stehen, das heißt das Einsatzteil 28 ist nicht vollständig in der Aussparung versenkt, sondern hat einen Überstand über die Fläche der Nabe 40 von vorzugsweise zwischen 20 und 150 Mikrometern.
  • Ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 14 erstreckt sich zwischen dem Einsatzteil 28 und der Stirnseite der Lagerbuchse 10. Dieser radiale Abschnitt des Lagerspalts 14 ist mit Lagerfluid gefüllt und mit dem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts verbunden. Eine untere, ebene Fläche des Einsatzteils 28 bildet zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 30 aus. Dazu ist die Stirnfläche der Lagerbuchse 10, jedoch vorzugsweise die gegenüberliegende Fläche des Einsatzteils 28 mit Lagerstrukturen 32 in Form von Vertiefungen oder Rillen versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen dem Einsatzteil 28 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 30 tragfähig wird. Vorzugsweise pumpen die Lagerstrukturen 32 des Axiallagers 30 das Lagerfluid radial nach innen in Richtung des Radiallagers 18, d. h. in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 14. Der Spaltabstand des Lagerspalts 14 im Bereich des Axiallagers beträgt beispielsweise fünf bis 25 Mikrometer. Durch den vorgesehen Überstand d des Einsatzteils 28 ist der Lagerspalt 14 des Axiallagers im Bereich des Einsatzteiles 28 enger als im Bereich radial außerhalb.
  • In der Lagerbuchse kann ein Rezirkulationskanal 34 in Form einer dünnen Bohrung angeordnet sein. Der Rezirkulationskanal ist mit Lagerfluid gefüllt und verbindet einen am radial äußeren Rand des Axiallagers 30 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 22 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 miteinander. Der Rezirkulationskanal ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagersystem. Vorzugsweise endet der Rezirkulationskanal 34 radial außerhalb des Einsatzteils 28 in einem Bereich mit einer im Vergleich zum Axiallagerbereich 30 vergrößerten Spaltbreite. Dadurch wird zum einen die Lagerfläche nicht durch die Öffnung des Rezirkulationskanals 34 unterbrochen, was zu gleichmäßigen Druckverhältnissen im Axiallager führt. Außerdem werden durch den breiteren Spalt ein erhöhter Fluss und eine effizientere Entlüftung ermöglicht.
  • Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 38 des Spindelmotors angeordnet. Die Nabe 40 weist an ihrem Außenumfang einen umlaufenden Rand auf, der in Richtung der Basisplatte 38 weist. Eine Statoranordnung 42 umgibt die Lagerbuchse und ist an der Basisplatte 38 angeordnet. Die Statoranordnung 42 besteht aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket und aus entsprechenden Statorwicklungen. Diese Statoranordnung 42 ist umgeben von einem ringförmigen Rotormagneten 44, welcher am Innenumfang des umlaufenden Randes der Nabe 40 befestigt ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Unterhalb des Rotormagneten 44 ist ein ferromagnetischer Metallring 48 angeordnet, der den Rotormagneten anzieht, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 38 hin gerichtete Kraft ergibt. Diese Kraft dient der axialen Vorspannung des Lagersystems und ist der durch das Axiallager 30 erzeugten Kraft entgegen gerichtet.
  • Der Lagerspalt 14 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 10 und der Radiallager 18, 22 erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 30 erstreckt. Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 14 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher teilweise als Dichtungsspalt 50 wirkt. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 14 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse 10 und einem zylindrischen Abschnitt der Nabe 40 und den Dichtungsspalt 50 bildet.
  • Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 10 sowie die innere Mantelfläche des topfförmigen Bauteils 40 sind zylindrisch und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 50. Somit verläuft der Dichtungsspalt 50 im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 16. Derartige zylindrische Mantelflächen, welche die Begrenzungen des Dichtungsspaltes 50 bilden, können sehr genau und vor allem mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit bearbeitet werden und setzen dem Lagerfluid einen geringen Reibungswiderstand entgegen.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotors mit einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems, wobei bezogen auf 1 gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Der Aufbau und die Funktion des dargestellten Spindelmotors kann der Beschreibung von 1 entnommen werden.
  • Im Unterschied zu 1 ist bei 2 das Einsatzteil 128 nicht in einer Aussparung der Nabe angeordnet, sondern in einer stirnseitigen Aussparung der Lagerbuchse 10. Eine obere, ebene Lagerfläche des Einsatzteils 128 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Lagerfläche der Nabe 40 ein fluiddynamisches Axiallager 30 aus. Dazu ist die Stirnfläche der Nabe 40, jedoch vorzugsweise die gegenüberliegende Fläche des Einsatzteils 128 mit Lagerstrukturen 132 in Form von Vertiefungen oder Rillen versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen dem Einsatzteil 128 und der gegenüberliegenden Lagerfläche der Nabe 40 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 30 tragfähig wird.
  • Die 3 zeigt einen Spindelmotor mit einer weiteren Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers gemäß der Erfindung.
  • Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 238, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein erstes Lagerteil 211 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 211 ist etwa topfförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle 212 befestigt ist. Der Durchmesser der Welle beträgt beispielsweise 2–3 mm. An dem freien Ende der feststehenden Welle 212 ist ein zweites Lagerteil 213 angeordnet, das vorzugsweise ringförmig und einteilig mit der Welle 212 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 211, 212, 213 und 238 bilden die feststehende Komponente des Spindelmotors. Das Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 210, die in einem durch die Welle 212 und die beiden Lagerbauteile 211, 213 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen auf der Welle 212 drehbar angeordnet ist. Der Durchmesser der Lagerbuchse beträgt beispielsweise 4–5 mm. Das obere Lagerbauteil 213 ist in einer ringförmigen Aussparung in der Stirnseite der Lagerbuchse 210 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 212, der Lagerbuchse 210 und der beiden Lagerbauteile 211, 213 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 214 voneinander getrennt. Der Lagerspalt 214 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
  • Die Lagerbuchse 210 hat eine zylindrische Bohrung an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausbildet sind, welche durch eine dazwischen umlaufende Separator-Nut getrennt sind. Die Radiallagerflächen umschließen die stehende Welle 212 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 214 und sind mit geeigneten Rillenstrukturen 220, 224 versehen, so dass sie mit den jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 212 zwei fluiddynamische Radiallager 218, 222 ausbilden.
  • Radial außerhalb der Bohrung für die Welle 212 umfasst das untere Lagerteil 211 ein Einsatzteil 228. Das Einsatzteil 228 ist vorzugsweise als ringförmige Scheibe ausgebildet und in einer Aussparung des unteren Lagerteils 211 angeordnet, derart dass sie der Stirnseite der Lagerbuchse 210 gegenüber liegt. Die Oberfläche des Einsatzteils 228 steht vorzugsweise über die Oberfläche des Lagerteils 211 hinaus, das heißt das Einsatzteil 228 ist nicht vollständig in der Aussparung des Lagerteils 211 versenkt, sondern hat einen Überstand über die Fläche des Lagerteils von vorzugsweise zwischen 20 und 150 Mikrometern.
  • 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des ersten Lagerteils 211 und dem Einsatzteil 228, das in einer Aussparung des ersten Lagerteils 211 angeordnet ist. Die Dicke t des Einsatzteils kann beispielsweise weniger als 1 mm betragen, vorzugsweise etwa 0,4 mm. Der Überstand d beträgt wie oben erwähnt etwa 20 bis 150 Mikrometer und liegt etwa in der Größenordnung des Lagerspalts des Axiallagers 230. Durch den Überstand verbreitert sich der Lagerspalt 214 radial außerhalb des Einsatzteils um den Wert t des Überstands, wobei in diesen verbreiterten Bereich der Rezirkulationskanal 234 mündet.
  • Zwischen sich gegenüberliegenden Lagerflächen des Einsatzteils 228 und der Lagerbuchse 210 verläuft ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 214, der sich an den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 214 anschließt. Die Lagerflächen des Einsatzteils 228 und des Lagerteils 211 bilden ein fluiddynamisches Axiallager 230, wobei die Lagerflächen als zur Rotationsachse 216 senkrechte Kreisringe ausgebildet sind. Das fluiddynamische Axiallager 230 ist in bekannter Weise durch spiralförmige oder fischgrätenförmige Rillenstrukturen 232 gekennzeichnet, die vorzugsweise entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 210, oder auf dem Einsatzteil 228 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen 232 des Axiallagers 230 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 210, 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 230 kontinuierlich zunimmt.
  • An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 214 im Bereich des Axiallagers 230 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 250 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 210 und einen hoch gezogenen Rand des Lagerteils 211 gebildet wird und den Lagerspalt 214 an dieser Seite abdichtet. Der Dichtungsspalt 250 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 214 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer inneren Umfangsfläche des Lagerteils 211 und einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 210 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 250 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 250 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 210 und dem Lagerteil 211 können jeweils relativ zur Drehachse 216 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 214 gedrückt.
  • An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 210 im Anschluss an das obere Radiallager 218 so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten Lagerteils 213 einen radialen Spalt 226 bildet. Der Spalt 226 ist mit dem Lagerspalt 214 verbunden und mit Lagerfluid gefüllt. An den radialen Spalt 226 schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 246 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 246 umfasst eine Pumpdichtung 252 und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Der Dichtungsspalt 246 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 210 und des Lagerteils 213 begrenzt und kann von einer ringförmigen Abdeckung 236 abgedeckt sein. Die Abdeckung 236 ist an der Stirnseite der Lagerbuchse 210 gehalten und dort beispielsweise angeklebt. Der innere Rand der Abdeckkappe 236 kann zusammen mit dem Außenumfang der Welle 212 eine Spaltdichtung ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 246.
  • Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte 238 angeordnete Statoranordnung 242 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 244, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 240 angeordnet ist.
  • Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 230 aufweist, das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerteils 213 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerbauteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann die Basisplatte 238 einen ferromagnetischen Ring 248 aufweisen, der dem Rotormagneten 244 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 230 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 242 und der Rotormagnet 244 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass die Mitte des Rotormagneten 244 axial oberhalb der Mitte der Statoranordnung 242 angeordnet ist. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 230 wirkt.
  • Der Rezirkulationskanal 234 verläuft ausgehend vom Spalt 226 zwischen der Stirnfläche der Lagerbuchse 210 und des Lagerteils 213 schräg und radial nach außen längs durch die Lagerbuchse 210 und mündet radial außerhalb des Einsatzteils 228 in einen Bereich mit verbreitertem Spaltabstand zwischen dem Lagerspalt 214 und dem Dichtungsspalt 250. Durch die Anordnung des Rezirkulationskanals 234 im rotierenden Bauteil, wirken auf das im Rezirkulationskanal 234 befindliche Lagerfluid Fliehkräfte, sobald das Lager in Betrieb ist, d. h. die Lagerbuchse 210 sich um die Welle 212 dreht. Da der Rezirkulationskanal 234 schräg angeordnet ist, wirken im unteren Bereich nahe dem Axiallager 230 größere Fliehkräfte als im oberen Bereich nahe dem Lagerteil 213. Dadurch ergibt sich ein Fluss des Lagerfluids im Rezirkulationskanal in Richtung des unteren Lagerteils 211 und des Axiallagers 230.
  • 10
    Lagerbuchse
    12
    Welle
    14
    Lagerspalt
    16
    Rotationsachse
    18
    Radiallager
    20
    Oberflächenstrukturen
    22
    Radiallager
    24
    Oberflächenstrukturen
    26
    Stopperring
    28
    Einsatzteil
    30
    Axiallager
    32
    Lagerstrukturen
    34
    Rezirkulationskanal
    36
    Abdeckung
    38
    Basisplatte
    40
    Nabe
    42
    Statoranordnung
    44
    Rotormagnet
    48
    Metallring
    50
    Dichtungsspalt
    128
    Einsatzteil
    132
    Lagerstrukturen
    210
    Lagerbuchse
    211
    erstes Lagerteil
    212
    Welle
    213
    zweites Lagerteil
    214
    Lagerspalt
    216
    Rotationsachse
    218
    Radiallager
    220
    Oberflächenstrukturen
    222
    Radiallager
    224
    Oberflächenstrukturen
    226
    Spalt
    228
    Einsatzteil
    230
    Axiallager
    232
    Lagerstrukturen
    234
    Rezirkulationskanal
    236
    Abdeckung
    238
    Basisplatte
    240
    Nabe
    242
    Statoranordnung
    244
    Rotormagnet
    246
    Dichtungsspalt
    248
    Metallring
    250
    Dichtungsspalt
    252
    Pumpdichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 7008109 B2 [0004]

Claims (27)

  1. Fluiddynamisches Lagersystem, welches aufweist: mindestens ein feststehendes Lagerbauteil, mindestens ein rotierendes Lagerbauteil, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse (16; 216) drehbar gelagert ist, mindestens einen Lagerspalt (14; 214), der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Lagerbauteile ausgebildet ist und der einen mit einem Lagerfluid gefüllten Abschnitt mit mindestens einem offenen Ende aufweist, das durch ein Dichtungsmittel (50; 250) gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei die Lagerbauteile im Bereich des Lagerspalts (14; 214) einander zugewandte Lagerflächen aufweisen, die mindestens ein fluiddynamisches Lager (30; 230) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einsatzteil (28; 128; 228) vorgesehen ist, das an einem Lagerbauteil (10; 40; 211) angeordnet ist und eine Lagerfläche dieses Lagerbauteils (10; 40; 211) ausbildet.
  2. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (28; 128; 228) aus einem anderen Werkstoff besteht als das Lagerbauteil (10; 40; 211).
  3. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (28; 128; 228) aus einem der folgenden Werkstoffe besteht: Metall, Metalllegierung, Kunststoff, Keramik, Glas, Sintermaterial.
  4. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (28; 128; 228) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen ist.
  5. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung des Einsatzteils (28; 128; 228) eine Diamond-Like-Carbon, DLC, Beschichtung ist.
  6. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (28; 128; 228) in einer Aussparung einer Fläche des Lagerbauteils (10; 40; 211) angeordnet ist und in axialer Richtung über diese Fläche übersteht.
  7. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand weniger zwischen 20 und 150 μm beträgt.
  8. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (28; 128; 228) eine Lagerfläche eines Axiallagers (30; 230) ausbildet.
  9. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Stirnfläche des Einsatzteils (28; 128; 228) eines Lagerbauteils (10; 40; 210) und/oder einer dieser Stirnfläche gegenüber liegenden Fläche des anderen Lagerbauteils (40; 10; 210) Druck erzeugende Lagerstrukturen (32; 132; 232) ausgebildet sind als Teil des fluiddynamischen Axiallagers (30; 230).
  10. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse (10) mit einer zentralen Lagerbohrung umfasst
  11. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck erzeugende Lagerstrukturen (32; 132; 232) sich auf der Stirnfläche der Lagerbuchse (10) befinden.
  12. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck erzeugende Lagerstrukturen (32; 132; 232) die gesamte Stirnfläche der Lagerbuchse (10) überdecken.
  13. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Lagerbauteil eine in der Lagerbohrung der Lagerbuchse (10) drehbar gelagerte Welle (12) und eine mit der Welle verbundene Nabe (40) aufweist.
  14. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil ein erstes Lagerteil (211), eine in dem Lagerteil (211) aufgenommene Welle (212) und ein an der Welle (212) angeordnetes zweites ringförmiges Lagerteil (213) aufweist, wobei die Lagerteile in einem gegenseitigen Abstand an der Welle angeordnet sind.
  15. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Lagerbauteil eine Lagerbuchse (210) umfasst, die in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Lagerteil (211, 213) um die Welle (212) drehbar angeordnet ist.
  16. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Radiallager (18, 22; 218, 222) umfasst, gebildet durch aneinander angrenzende und durch den Lagerspalt (14; 214) voneinander beabstandete Oberflächen der Welle (12; 212) und der Lagerbuchse (10; 210).
  17. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Rezirkulationskanal (34; 234) umfasst, der mit Lagerfluid gefüllt ist und voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts (14; 214) miteinander verbindet.
  18. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rezirkulationskanal (34) im oder am feststehenden Lagerbauteil (10) angeordnet ist.
  19. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rezirkulationskanal (234) im oder am rotierenden Lagerbauteil (210) angeordnet ist.
  20. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rezirkulationskanal (34; 234) in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse (16; 216) angeordnet ist.
  21. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rezirkulationskanal (34; 234) ein Ende aufweist, das sich radial außerhalb des Einsatzteils (28; 128; 228) in einem Bereich mit vergrößerter Spaltbreite befindet.
  22. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmittel (50; 246; 250) eine Kapillardichtung umfasst.
  23. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmittel (50; 246; 250) eine konische Kapillardichtung umfasst.
  24. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmittel (246) eine dynamische Pumpdichtung (252) umfasst.
  25. Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 24, einer Basisplatte (38; 238) zur Aufnahme des feststehenden Lagerbauteils des Lagersystems, einer mit dem beweglichen Lagerbauteil verbundenen Nabe (40; 240) und einem elektromagnetischen Antriebssystem (42, 44; 242, 244) zum Antrieb des beweglichen Lagerbauteils.
  26. Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 25 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte, sowie einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte.
  27. Lüfter mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 24, mit einem mit dem beweglichen Lagerbauteil verbundenen Lüfterrad und einem elektromotorischen Antriebssystem zum Antrieb des beweglichen Lagerbauteils.
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