DE102009054341A1

DE102009054341A1 - Lagerfläche mit Lagerrillen eines fluiddynamischen Lagers und fluiddynamisches Lager

Info

Publication number: DE102009054341A1
Application number: DE200910054341
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerfläche, welche in die Lagerfläche eingearbeitete Lagerrillen umfasst und Teil eines fluiddynamischen Axiallagers ist. Dieser Lagerfläche ist eine andere Lagerfläche zugeordnet, wobei zwischen den beiden Lagerflächen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt angeordnet ist. Die Lagerrillen weisen eine definierte Tiefe auf. Erfindungsgemäß beträgt die Tiefe der Lagerrillen 8 Mikrometer +/- 2 Mikrometer, wobei zwikrometern +/- 10 Mikrometer vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagerfläche mit Lagerrillen eines fluiddynamischen Lagers und ein fluiddynamisches Lager mit einer solchen mit Lagerrillen versehenen Lagerfläche, gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Lagerflächen mit Lagerrillen der beschriebenen Art werden beispielsweise für fluiddynamische Lager eingesetzt, welche wiederum beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren, Lüftern oder Pumpen verwendet werden. Ein fluiddynamisches Lager umfasst wenigstens zwei relativ zueinander bewegliche, vorzugsweise drehbare, Lagerbauteile, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten, sehr schmalen Lagerspalt voneinander getrennt sind. Durch einen fluiddynamischen Effekt, der im Betrieb des Lagers einen Druckaufbau im Lagerfluid innerhalb des Lagerspaltes erzeugt, werden die Lagerflächen auf Abstand gehalten und das Lager wird tragfähig. Dieser fluiddynamische Effekt wird erzeugt durch die Lagerrillen, die auf einer oder beiden der einander zugewandten Lagerflächen angeordnet sind. Diese Lagerrillen erzeugen im Betrieb des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid und damit einen Druckaufbau im Lagerspalt. Es werden sowohl fluiddynamische Axiallager als auch Radiallager eingesetzt.
Fluiddynamische Lager erzeugen ihre Lagerwirkung nur im Betrieb des Lagers, das heißt nur dann, wenn sich die beiden Lagerflächen relativ zueinander bewegen. Wenn das Lager stillsteht, liegen die Lagerflächen aneinander. Beim Anlaufen oder Auslaufen des Lagers liegen die Lagerflächen so lange aneinander, bis das Lager eine ausreichende Tragfähigkeit aufgebaut hat und der entstehende hydrodynamische Effekt die Lagerflächen voneinander trennt. Beim Anlaufen oder Auslaufen des Lagers ergeben sich daher immer ein gewisser Materialabrieb an den Lagerflächen und ein entsprechender Verschleiß. Der Materialabrieb, meist in Form von Metallpartikeln, wird durch das Lagerfluid aufgenommen und kann auf Dauer die Leistung des fluiddynamischen Lagers beeinträchtigen sowie dessen Lebensdauer verkürzen.
Wird ein solches fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet, so lastet die Masse des Rotors – je nach Einbaulage – zu einem großen Teil auf den Lagerflächen des einen oder einem der beiden Axiallager. Im Bereich der Lagerflächen der Axiallager entsteht daher ein erheblicher Materialabrieb beim Anlaufen und Auslaufen des Motors.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Gestaltung der Lagerflächen eines fluiddynamischen Lagers dahingehend zu verbessern, dass die Reibung zwischen den Lagerflächen und damit eine Abnutzung der Lagerflächen bei niederen Drehzahlen, insbesondere beim Anlaufen und Auslaufen des Lagers, reduziert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lagerfläche mit Lagerrillen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Spindelmotor mit einer erfindungsgemäßen Lagerfläche mit Lagerrillen ist im unabhängigen Anspruch 6 angegeben.
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Die erfindungsgemäße Lagerfläche umfasst in die Lagerfläche eingearbeitete Lagerrillen und ist Teil eines fluiddynamischen Axiallagers. Dieser Lagerfläche ist eine andere Lagerfläche zugeordnet, wobei zwischen den beiden Lagerflächen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt angeordnet ist. Die Lagerrillen weisen eine definierte Tiefe auf. Erfindungsgemäß beträgt die Tiefe der Lagerrillen 8 Mikrometer +/–2 Mikrometer, wobei zwischen den Lagerflächen ein axiales Spiel von 30 Mikrometern +/–10 Mikrometer vorgesehen ist.
Ein derartiges Axiallager kann beispielsweise in einem Spindelmotor verwendet werden, der wiederum zum Antrieb eines 2,5 Zoll Festplattenlaufwerks verwendet werden kann. Bisher war es bei Lagerflächen eines derartigen Axiallagers zur Drehlagerung eines Spindelmotors nach dem Stand der Technik üblich, eine Tiefe t der Lagerrillen von 17 Mikrometern oder mehr vorzusehen, wobei das axiale Spiel des Lagers 35 Mikrometer +/–10 Mikrometer betrug.
Erfindungsgemäß wird nun die Tiefe t der Lagerrillen eines Axiallagers der oben genannten Baugröße reduziert auf 8 Mikrometer +/–2 Mikrometer, wobei sich dadurch erfindungsgemäß eine niedrigere Abhebegeschwindigkeit zwischen den beiden Lagerflächen des Axiallagers ergibt. Der Grund dafür sind die relativ flachen Lagerrillen, die bereits bei niedrigeren Drehgeschwindigkeiten der Lagerflächen eine ausreichend hohe Axialkraft erzeugen, damit die Lagerflächen voneinander abheben. Dadurch wird die Kontaktzeit der Lagerflächen bei Anlaufen und Auslaufen des Axiallagers verringert und der mechanische Abrieb wesentlich reduziert.
Durch die Differenz zwischen einem maximalen und einen minimalen axialen Abstand der beiden Lagerflächen des Axiallagers wird das axiale Spiel s bestimmt. Insbesondere wird erfindungsgemäß das Verhältnis zwischen dem axialen Spiel s des Axiallagers und der Tiefe t der Lagerrillen größer gewählt und beträgt zwischen s/t = 3,33 und 4,0. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Axiallagern derselben Baugröße lag dieses Verhältnis beispielsweise zwischen s/t = 1,67 und 2,37.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind auf der Axiallagerfläche mehrere Lagerrillen in derselben geometrischen Ausrichtung und in einem Abstand voneinander angeordnet. Hierbei können die Lagerrillen spiralförmig auf der Lagerfläche angeordnet sein, oder aber alternativ, je nach Anwendungsfall und Auslegung des Axiallagers, können die Lagerrillen auch fischgrätenförmig sein. Diese Geometrien der Lagerrillen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Tiefe der Lagerrillen jedoch erfindungsgemäß wesentlich kleiner gewählt.
Durch die flacheren Lagerrillen wird außerdem die maximal mögliche Flughöhe des Axiallagers, das heißt der durch den fluiddynamischen Druck erreichbare Abstand der beiden Lagerflächen des Axiallagers, reduziert.
Bei niederen Drehgeschwindigkeiten des Lagers ergibt sich bei Verwendung von flachen Lagerrillen eine höhere Flughöhe als bei der Verwendung von tieferen Lagerrillen. Von Vorteil ist dies insbesondere bei der Verwendung von niederviskosem Lageröl oder bei hohen Temperaturen, die zu einer geringeren Viskosität des Lagerfluids führen, und bei „normaler” Einbaulage des Lagers. Die flachen Lagerrillen sind also unter diesen Betriebsbedingungen effektiver als tiefe Lagerrillen, insbesondere wenn der Axiallagerspalt klein ist. Insbesondere beginnt das Lager bereits bei geringeren Drehzahlen abzuheben („lift-off”), wodurch der durch die Start-/Stopp-Vorgänge verursachte Abrieb der Lagerflächen verringert wird.
Bei hohen Drehgeschwindigkeiten des Axiallagers ergibt sich durch die flacheren Lagerrillen eine geringe Flughöhe des Axiallagers als bei der Verwendung von tieferen Lagerrillen, insbesondere bei kalten Temperaturen, d. h. einer hohen Viskosität des Lagerfluids und bei Überkopfeinbaulage des Lagers. In diesem Fall sind die flachen Lagerrillen weniger effektiv als tiefe Lagerrillen, insbesondere wenn der axiale Lagerspalt sehr groß ist.
Die durch die flachen Lagerrillen hervorgerufene reduzierte Flughöhe des Axiallagers erhöht den Druck im Lager und außerdem die Strömungsgeschwindigkeit und die Durchflussrate des Lagerfluids durch den Lagerspalt. Dadurch wird die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des Lagers erhöht, insbesondere auch aufgrund des geringeren Risikos von Unterdruckzonen durch den insgesamt höheren Lagerdruck und die verbesserte Pumpwirkung des Lagers, was einen ausreichenden Durchfluss des Lagerfluids durch den Lagerspalt sicherstellt.
Mit diesen erfindungsgemäß flachen Lagerrillen kann bereits bei niederen Drehzahlen beispielsweise im Bereich von 1000 U/min ein Abheben des Axiallagers bei reduzierter Flughöhe erreicht werden. Aufgrund der durch die flachen Lagerrillen begrenzten maximalen Flughöhe des Lagers kann das Lager in einem großen Drehzahlbereich, beispielsweise von 5400 U/min bis 7200 U/min betrieben werden. Auch bei höheren Drehzahlen wird die Flughöhe des Axiallagers nicht unzulässig groß. Somit kann das Axiallagerspiel ohne weiteres für einen vergleichsweise weiten Drehzahlbereich ausgelegt werden.
Diese Lagerrillen werden insbesondere in einem fluiddynamischen Axiallager eingesetzt, das mindestens ein erstes Lagerbauteil aufweist, das relativ zu einem zweiten Lagerbauteil beweglich angeordnet ist. Die Lagerrillen sind auf einer entsprechenden Lagerfläche eines oder beider Lagerbauteile angeordnet.
Das fluiddynamische Axiallager kann vorzugsweise ein Teil eines fluiddynamischen Lagersystems zur Drehlagerung eines Spindelmotors sein. Der Spindelmotor umfasst einen Stator, einen Rotor und ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Drehantrieb des Rotors.
Ein solcher Spindelmotor kann vorzugsweise Teil eines Festplattenlaufwerks sein und mindestens eine auf dem Rotor angeordnete Speicherplatte drehend antreiben. Das Festplattenlaufwerk umfasst eine Lese-Schreibvorrichtung zum Lesen und Schreiben von Daten von und auf die Speicherplatte.
Die Lagerrillen können durch verschiedene Verfahren auf der Lagerfläche eines fluiddynamischen Axiallagers aufgebracht werden. Ein erstes Verfahren ist ein ECM-Verfahren, also ein Verfahren zur elektrochemischen Abtragung. Es wird vorzugsweise eine ECM-Elektrode verwendet, die den Lagerrillen entsprechende, elektrisch leitende Bereiche aufweist.
Die flachen Lagerrillen reduzieren insbesondere auch die Prozesszeit des ECM-Prozesses, was eine Kostenersparnis nach sich zieht. Die reduzierte Prozesszeit des ECM-Prozesses zum Einbringen der Axiallagerrillen verbessert auch die Genauigkeit der Rillengeometrie, insbesondere ergibt sich eine geringere Erosion im Bereich der Lagerrillen, d. h. der durch den ECM-Prozess bewirkte unerwünschte Materialabtrag zwischen den Lagerrillen wird vermindert.
Ein anderes Verfahren zum Aufbringen der Lagerrillen sieht vor, dass die Lagerrillen eingeprägt werden. Hierfür können aus dem Stand der Technik bekannte Prägeverfahren zum Aufprägen der Lagerrillen verwendet werden.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes mit einem erfindungsgemäßen Axiallager mit Lagerrillen.
2: zeigt eine Aufsicht auf eine Lagerfläche mit Lagerrillen des erfindungsgemäßen Axiallagers gemäß 1.
3: zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereiches des Axiallagers aus 1.
4: zeigt eine Aufsicht auf eine Lagerfläche mit erfindungsgemäßen fischgrätenartigen Lagerrillen.
5: zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen Axiallager und Lagerrillen
6: zeigt eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Abhebegeschwindigkeiten eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Axiallagers.
7: zeigt eine grafische Darstellung des Verhältnisses des axialen Spiels des Axiallagers zur Lagerrillentiefe für ein herkömmliches und ein erfindungsgemäßes Axiallager.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, insbesondere einem fluiddynamischen Axiallager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Der Spindelmotor umfasst eine Grundplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein topfförmiges Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa topfförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle 12 befestigt ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 12 ist ein scheibenförmiges Lagerbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise ringförmig und einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 16 und 18 bilden die feststehende Komponente des Spindelmotors. Das Lager umfasst eine Lagerbuchse 14, die in einem durch die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 18 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14 angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, der Lagerbuchse 14 und der Lagerbauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt. Der Lagerspalt 20 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt
Die Lagerbuchse 14 hat eine zylindrische Bohrung an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen 22a und 22b ausbildet sind, welche durch eine dazwischen umlaufende Separatornut 24 getrennt sind. Die Radiallagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20. Die Radiallagerflächen sind mit geeigneten Lagerrillen versehen, so dass sie mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22a und 22b ausbilden.
An das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 14 und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des ersten Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 in Form eines zur Drehachse 46 senkrechten Kreisringes. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist beispielsweise durch spiralförmige Lagerrillen 27 gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14, dem ersten Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Lagerrillen 27 des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 14, 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.
In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b, das Axiallager 26 sowie evtl. einer Pumpdichtung 36 notwendigen Lager- bzw. Pumprillen 27 an der Lagerbuchse 14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht.
An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 26 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 34 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 14 und des ersten Lagerbauteils 16 gebildet wird. Der Dichtungsspalt 34 dichtet den Lagerspalt 20 an dieser Seite ab. Der Dichtungsspalt 34 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 20 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 34 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 34 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 14 und dem Lagerbauteil 16 können jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
Auf der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten Lagerbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 32 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 32 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Der Dichtungsspalt 32 umfasst vorzugsweise eine Pumpdichtung 36, die durch Pumpstrukturen 36a gekennzeichnet ist. Eine Abdeckung 30 verschließt den Dichtungsspalt 32. Die Abdeckung 30 ist an einer Stufe 38 der Lagerbuchse 14 gehalten und dort beispielsweise angeklebt, aufgepresst und/oder verschweißt. Der innere Rand der Abdeckung 30 kann zusammen mit dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32.
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Grundplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Rotormagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche einer Nabe 48 angeordnet ist. Prinzipiell ist es auch möglich, die Nabe 48 und die Lagerbuchse einteilig auszubilden. Der Rotormagnet 44 kann mit einem Joch 50 kombiniert sein. Wenn der Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird, trägt die Nabe eine oder mehrere Speicherplatten 52.
Da der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 26 aufweist, das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils 18 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür kann die Grundplatte 10 einen ferromagnetischen Ring 40 aufweisen, der dem Rotormagneten 44 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 26 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 42 und der Rotormagnet 44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 44 axial weiter entfernt von der Grundplatte 10 angeordnet wird als die magnetische Mitte der Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt.
Um eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 28 ist erfindungsgemäß als axial oder leicht schräg verlaufender Kanal in der Lagerbuchse 14 ausgebildet, der vorzugsweise in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Rotationsachse 46 des Lagers angeordnet ist. Der Rezirkulationskanal 28 verbindet die beiden radialen Abschnitte des Lagerspalts 20 zwischen den Lagerbereichen und den Dichtungsbereichen direkt miteinander und endet vorzugsweise im radial äußeren Abschnitt des Axiallagers 26, in welchem der axiale Spaltabstand größer ist als der Teil des Radiallagerspaltes, der näher zur Welle benachbart angeordnet ist. Aufgrund der gerichteten Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 26 und der Radiallager 22a, 22b ergibt sich im Lagerspalt 20 vorzugsweise eine Strömung des Lagerfluids in Richtung des oberen Dichtungsspalts 32. Außerdem wird das Lagerfluid im Rezirkulationskanal 28 aufgrund der Wirkung der Fliehkraft im schrägen Kanal nach unten in Richtung des Axiallagers 26 gefördert, so dass sich ein stabiler Fluidkreislauf einstellt.
2 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine Lagerfläche 15 des fluiddynamischen Axiallagers 26 gemäß 1. Die Lagerfläche 15 ist eine stirnseitige Fläche der Lagerbuchse 14 und hat etwa die Form eines Kreisringes, wobei verteilt auf der Lagerfläche 15 mehrere gleichartige, spiralförmige Lagerrillen 27 aufgebracht sind. Die Lagerrillen 27 erstrecken sich vorzugsweise von einer auf der Lagerfläche 15 vorgesehenen, äußeren Rinne 15a bis zu einer inneren Rinne 15b. Die äußere Rinne 15a sowie die innere Rinne 15b sind als eine Fase oder ein Radius jeweils an der Kante der Lagerfläche 15 der Lagerbuchse 14 ausgebildet.
3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bereichs des Axiallagers aus 1. Die Darstellung ist nur als schematisch anzusehen, wobei die Abmessungen der Lagerrillenstrukturen sowie die Breite des Lagerspaltes bzw. das axiale Spiel im Verhältnis zu den Abmessungen der Lagerkomponenten übertrieben dargestellt sind.
Man erkennt die auf der Stirnseite bzw. der Lagerfläche 15 der Lagerbuchse 14 angeordneten Lagerrillenstrukturen 27, wobei der Lagerfläche 15 eine sich radial erstreckende Lagerfläche 17 des Lagerbauteils 16 gegenüberliegt. Die beiden Lagerflächen 15, 17 sind durch den Lagerspalt 20 voneinander getrennt. Der Lagerspalt 20 ist mit Lagerfluid gefüllt.
Man erkennt ferner, hier schematisch dargestellt, das axiale Spiel s des Axiallagers, welches erfindungsgemäß beispielsweise 30 Mikrometer +/–10 Mikrometer beträgt. Das axiale Spiel s ist bestimmt durch die Differenz zwischen einem maximalen und einem minimalen axialen Abstand der beiden Lagerflächen 15, 17 oder die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Breite des Axiallagerspalts 20. Die Tiefe t der Lagerrillenstrukturen 27 beträgt erfindungsgemäß 8 Mikrometer +/–2 Mikrometer.
Somit ergibt sich ein nominales Verhältnis zwischen dem axialen Spiel und der Tiefe der Lagerrillen von s/t = 3,75.
In 4 ist dargestellt, dass auf der Lagerfläche 15 alternativ zu den spiralförmigen Lagerrillen 27 fischgrätenförmige Lagerrillen 27a („herringbone grooves”) vorgesehen sein können, deren grundsätzliche Formgebung aus dem Stand der Technik bekannt ist.
5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Axiallager. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Lagerbuchse 114, die eine zentrale Lagerbohrung aufweist und das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. In die Lagerbohrung der Lagerbuchse 114 ist eine Welle 112 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 114 und der Welle 112 verbleibt ein schmaler Lagerspalt 120 von einigen Mikrometern Breite. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 112 und der Lagebuchse 114 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 122a, 122b aus, mittels denen die Welle 112 um eine Rotationsachse 146 drehbar in der Lagerbuchse 114 gelagert ist. Die Radiallager 122a, 122b sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Lagerbuchse 114 oder der Welle 112 aufgebracht sind. Der Lagerspalt 120 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerrillenstrukturen der Radiallager 122a, 122b üben bei Rotation der Welle 112 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 120 zwischen Welle 112 und Lagerbuchse 114 befindliche Lagerfluid aus. Dadurch wird im Lagerspalt ein Druck aufgebaut, der die Radiallager 122a, 122b tragfähig macht.
Ein freies Ende der Welle 112 ist mit einer Nabe 148 verbunden, welche einen die Lagerbuchse 114 teilweise umgebenden zylindrischen Ansatz aufweist. Der Lagerspalt 120 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 112 und der beiden Radiallager 122a, 122b erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 114 und des Axiallagers 126 erstreckt. Eine untere, ebene Fläche der Nabe 148 bildet zusammen mit einer als Lagerfläche 115 ausgebildeten Stirnfläche der Lagerbuchse 114 ein fluiddynamisches Axiallager 126 aus. Die Lagerfläche 115 der Lagerbuchse 114 oder eine als Lagerfläche ausgebildete Oberfläche der gegenüberliegenden Nabe 148 sind mit Lagerrillen 127 versehen, die bei Rotation der Welle 112 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 120 zwischen der Nabe 148 und der Stirnseite der Lagerbuchse 114 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 126 tragfähig wird. Die Lagerrillen 127 des Axiallagers 126 sind vorzugsweise als spiralförmige Lagerrillen 127 ausgebildet. Die Formgebung der Lagerfläche 115 und der Lagerrillen 127 entspricht dabei im Wesentlichen der Darstellung in 2.
An der Unterseite der Welle 112 ist ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 113 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring 113 verhindert ein Herausfallen der Welle 112 aus der Lagerbuchse 114. Das Lager ist an dieser Seite der Lagerbuchse 114 durch eine flache Abdeckplatte 130 verschlossen. Zwischen den Oberflächen des Stopperrings 113 und den Oberflächen der Lagerbuchse 114 bzw. der Abdeckplatte 130 verbleibt eine mit Lagerfluid gefüllte Aussparung, die mit dem Lagerspalt 120 verbunden ist. Der Stopperring 113 dreht sich zusammen mit der Welle 112 innerhalb der Aussparung zwischen Lagerbuchse 114 und Abdeckplatte 130 im Lagerfluid.
Am radial äußeren Ende des radialen Abschnitts des Lagerspalts 120 ist ein Spalt mit größerem Spaltabstand angeordnet, welcher teilweise als Dichtungsspalt 132 wirkt. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 120 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 114 zwischen der Lagerbuchse 114 und einem zylindrischen Ansatz der Nabe 148 erstreckt und den Dichtungsspalt 132 bildet. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 114 sowie die innere Mantelfläche der Nabe 148 bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 132. Somit verläuft der Dichtungsspalt 132 etwa parallel zur Rotationsachse 146.
In der Lagerbuchse 114 kann ein Rezirkulationskanal 128 vorgesehen sein, der einen am äußeren Rand des Axiallagers 126 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 120 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 122b befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 120 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
Die Lagerbuchse 114 ist in einer Basisplatte 110 des Spindelmotors angeordnet. Die Nabe 148 weist an ihrem Außenumfang einen umlaufenden Rand auf. An der Basisplatte 110 ist eine die Lagerbuchse 114 umgebende Statoranordnung 142 angeordnet, welche aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen besteht. Diese Statoranordnung 142 ist in einem radialen Abstand umgeben von einem ringförmigen Rotormagneten 144. Der Rotormagnet 144 ist am Innenumfang des umlaufenden Randes der Nabe 148 befestigt. Wenn der Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird, trägt die Nabe eine oder mehrere Speicherplatten 152.
Das Antriebssystem weist einen axialen Versatz (Offset) zwischen der magnetischen Mitte des Rotormagneten 144 und der magnetischen Mitte des Statorblechpaketes 142 auf. Dadurch ergibt sich eine statische, nach unten in Richtung der Basisplatte 110 gerichtete magnetische Kraft. Diese magnetische Kraft ist entgegengesetzt zu der Lagerkraft des Axiallagers 126 gerichtet und dient der axialen Vorspannung des Lagersystems bzw. des Axiallagers 126. Es kann ferner ein ferromagnetischer Ring 140 unterhalb des Rotormagneten 144 angeordnet sein, der zusammen mit dem Rotormagneten 144 eine zusätzlich axiale Kraft zur Vorspannung des Axiallagers 126 erzeugt.
Die Lagerrillen der Radiallager 122a, 122b sowie die Lagerrillen 127 des Axiallagers 126 können in bekannter Weise und gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens (ECM Prozess) in die entsprechenden Lagerflächen eingebracht werden. Hierfür wird eine ECM Elektrode verwendet, die auf ihrer Oberfläche ein Abbild der einzubringenden Lagerrillen aufweist. Mittels des ECM Prozesses werden die Lagerrillen 127 des Axiallagers 126 mit einer Tiefe von 8 um +/–2 um in die Oberfläche zumindest eines der gegenüber liegenden Lagerbauteile, bevorzugt in die Lagerbuchse 114 eingebracht. Erfindungsgemäß wird nun vorzugsweise in demselben Arbeitsprozess auch eine Separatornut 124 in das Lagerbauteil eingebracht, nämlich zwischen die entsprechenden Lagerrillen der beiden Radiallager 122a, 122b. Da die Separatornut 124 relativ schmal ist, kann diese sehr gut mittels eines ECM-Verfahrens realisiert werden.
Auch die Lagerrillen des in 4 dargestellten Lagers können vorzugsweise mittels ECM Verfahren in die Lagerflächen eingebracht werden.
6 zeigt eine grafische Darstellung eines Vergleichs zwischen der Flughöhe eines herkömmlichen Axiallagers und eines Axiallagers mit den erfindungsgemäßen flachen Lagerrillen aufgetragen über die Drehzahl. Die Kurve 62 zeigt die Flughöhe eines herkömmlichen Axiallagers, wobei man erkennt, dass die Axiallagerflächen erst bei einer Drehzahl von 3500 U/min voneinander abheben. Die Flughöhe nimmt mit steigender Drehzahl etwa linear zu und beträgt beispielsweise bei einer Drehzahl von 4200 U/min 1,2 Mikrometer. Die Kurve 60 zeigt die Flughöhe eines erfindungsgemäßen Axiallagers. Man erkennt deutlich, dass die Axiallagerflächen bereits bei einer Drehzahl von etwas über 1000 U/min voneinander abheben und sich dann die Flughöhe im Wesentlichen linear steigert und bei etwa 2000 U/min bereits knapp 2 Mikrometer beträgt. Dieser Vergleich zeigt, dass die flachen Lagerrillen mit einer Rillentiefe von 8 Mikrometern +/–2 Mikrometern bereits bei niedrigen Drehzahlen eine relativ große Flughöhe des Axiallagers erlauben. Dadurch hebt das Axiallager bereits bei einer Drehzahl von 1000 U/min ab und der mechanische Abrieb an den Lagerflächen verringert sich entsprechend. Dies ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung.
7 zeigt eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem axialen Spiel s und der Lagerrillentiefe t des Axiallagers. Die linke Darstellung, bezeichnet mit der Bezugsziffer 64, zeigt den Bereich dieses Verhältnisses für ein herkömmliches Axiallager nach dem Stand der Technik. Bei einem herkömmlichen Axiallager eines Spindelmotors zum Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken beträgt das minimale Verhältnis 1,67 und das maximale Verhältnis 2,37.
Die rechte Kurve 66 zeigt das entsprechende Verhältnis zwischen Axiallagerspiel s und Tiefe t der Lagerrillen bei einem Axiallager mit erfindungsgemäßen flachen Lagerrillen. Hierbei beträgt das minimale Verhältnis 3,33 und das maximale Verhältnis 4,0. Die Kurven 64 und 66 machen den Unterschied zwischen einem Axiallager nach dem Stand der Technik mit herkömmlichen tiefen Axiallagerrillen und einem Axiallager gemäß der Erfindung mit wesentlich flacheren Axiallagerrillen deutlich.
Bezugszeichenliste

10, 110: Grundplatte
12, 112: Welle
113: Stopperring
14, 114: Lagerbuchse
15, 115: Lagerfläche
15a: Rinne
15b: Rinne
16: topfförmiges Lagerbauteil
17, 117: Lagerfläche
18: scheibenförmiges Lagerbauteil
20, 120: Lagerspalt
22a, 22b: Radiallager
122a, 122b
24, 124: Separatornut
26, 126: Axiallager
27, 27a, 127: Lagerrillen
28, 128: Rezirkulationskanal
30, 130: Abdeckplatte
32, 132: Dichtungsspalt
34: Dichtungsspalt
36: Pumpdichtung
36a: Pumprillenstrukturen
38: Stufe
40, 140: ferromagnetischer Ring
42, 142: Statoranordnung
44, 144: Rotormagnet
46, 146: Drehachse
48, 148: Nabe
50: Joch
52, 152: Speicherplatte
60: Kurve (Lagerrillentiefe 9 μm)
62: Kurve (Lagerrillentiefe 17 μm)
64: Verhältnis Axialspiel/Lagerrillentiefe (bisher)
66: Verhältnis Axialspiel/Lagerrillentiefe (Erfindung)
s: Axiallagerspiel
t: Rillentiefe

Claims

Lagerfläche (15; 115) mit Lagerrillen (27; 127) eines fluiddynamischen Axiallagers (26; 126), wobei dieser Lagerfläche (15; 115) eine andere Lagerfläche (17; 117) zugeordnet ist, und zwischen den beiden Lagerflächen (15; 115; 17; 117) ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt (20; 120) angeordnet ist, wobei die Lagerrillen (27; 127) eine definierte Tiefe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe t der Lagerrillen (27; 127) 8 μm +/–2 μm beträgt und zwischen den Lagerflächen (15; 115, 17; 117) ein axiales Spiel s von 30 μm +/–10 μm vorgesehen ist.
Lagerfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Differenz zwischen einen maximalen und einen minimalen axialen Abstand der beiden Lagerflächen (15, 115; 17; 117) das axiale Spiel s des fluiddynamischen Axiallagers (26; 126) bestimmt wird, wobei das Verhältnis zwischen dem axialen Spiel s des Axiallagers (26; 126) und der Tiefe t der Lagerrillen (27; 127) zwischen 3,33 und 4,00 beträgt
Lagerfläche nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lagerrillen (27; 127) in derselben geometrischen Ausrichtung in einem Abstand voneinander auf der Lagerfläche (15; 115) angeordnet sind.
Lagerfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillen (27; 127) spiralförmig auf der Lagerfläche angeordnet sind.
Lagerfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillen (27a) fischgrätenförmig auf der Lagerfläche angeordnet sind.
Fluiddynamisches Axiallager mit einem ersten Lagerbauteil (14; 148), das relativ zu einem zweiten Lagerbauteil (16; 114) beweglich, vorzugsweise drehbar, angeordnet ist, wobei Lagerrillen (27; 127) auf einer Lagerfläche (15; 115) eines der Lagerbauteile angeordnet sind, wobei dieser Lagerfläche (15; 115) eine andere Lagerfläche (17; 117) des anderen Lagerbauteils zugeordnet ist, und zwischen den beiden Lagerflächen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt (20; 120) angeordnet ist, wobei die Lagerrillen (20; 120) eine definierte Tiefe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Lagerrillen (27; 127) 8 μm +/–2 μm beträgt und zwischen den Lagerflächen (15; 115; 17; 117) ein axiales Spiel s von 30 μm +/–10 μm vorgesehen ist.
Fluiddynamisches Axiallager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem axialen Spiel s des Axiallagers (26; 126) und der Tiefe t der Lagerrillen (27; 127) zwischen 3,33 und 4,00 beträgt
Fluiddynamisches Axiallager nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lagerrillen (27; 127) in derselben geometrischen Ausrichtung in einem Abstand voneinander auf der Lagerfläche (15; 115) angeordnet sind.
Fluiddynamisches Axiallager nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillen (27; 127) spiralförmig auf der Lagerfläche angeordnet sind.
Fluiddynamisches Axiallager nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerrillen (27a) fischgrätenförmig auf der Lagerfläche angeordnet sind.
Fluiddynamisches Axiallager nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es Teil eines fluiddynamischen Lagersystems zur Drehlagerung eines Spindelmotors ist, wobei der Spindelmotor einen Stator, einen Rotor und ein elektromagnetisches Antriebssystem (42; 44; 142; 144) zum Drehantrieb des Rotors aufweist.
Fluiddynamisches Axiallager nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es Teil eines fluiddynamischen Lagersystems zur Drehlagerung eines Spindelmotors ist, wobei der Spindelmotor Teil eines Festplattenlaufwerks ist und mindestens eine auf dem Rotor angeordnete Speicherplatte (52; 152) drehend antreibt, und das Festplattenlaufwerk ferner eine Lese-Schreibvorrichtung zum Lesen und Schreiben von Daten von und auf die Speicherplatte (52; 152) aufweist.