DE102010015335A1

DE102010015335A1 - Fluiddynamisches Lagersystem und Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem

Info

Publication number: DE102010015335A1
Application number: DE201010015335
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2010-04-17
Filing date: 2010-04-17
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem insbesondere für einen Spindelmotor, 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 aufweist. Die beiden Lagerbauteile weisen im Bereich des Lagerspaltes einander zugewandte Lagerflächen auf, die mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden. Erfindungsgemäß weisen die Lagerbauteile angrenzend an die Lagerflächen einander zugewandte Abriebflächen auf, und es ist mindestens ein abriebfestes Bauteil mit einer gehärteten Oberfläche vorgesehen, das an einem Lagerbauteil angeordnet ist und eine Abriebfläche 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 beispielsweise zur Drehlagerung von Motoren, wie zum Beispiel Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken, Lüftern oder ähnlichem dienen können.
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 Lagerrillenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerrillenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide der einander gegenüber liegenden Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Lagerrillenstrukturen 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 Lagerrillenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen 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 Lagerrillenstrukturen 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 Lagerrillenstrukturen 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 Lagerbauteile. Für die Lagerbauteile werden vorzugsweise Materialien verwendet, die einen geringen Materialabrieb aufweisen, was insbesondere wichtig ist während der Anlauf- und Auslaufphasen des Lagers, bei denen sich die Lagerflächen und andere Oberflächen der Lagerbauteile berühren. Bei geringer Relativgeschwindigkeit zwischen den Lagerbauteilen bzw. beim Stillstand erzeugen die Lagerrillenstrukturen keinen ausreichenden fluiddynamischen Druck im Lager, so dass die Welle innerhalb der Lagerbohrung eine entsprechende Kipplage einnimmt. Dabei berührt die äußere Fläche der Welle die innere zylindrische Fläche der Lagerbohrung zumindest teilweise und es entsteht ein Materialabrieb, insbesondere an den Berührpunkten der Lagerbauteile an den Rändern der Lagerbohrung. Der Abrieb ist umso größer, je höher das Lager belastet ist. Diese Abriebpartikel verunreinigen das Lagerfluid und verändern die Geometrie der Lagerrillenstrukturen. Bei den Lagerflächen des Axiallagers ist es ähnlich. Bei geringer Relativgeschwindigkeit zwischen den Lagerbauteilen bzw. beim Stillstand erzeugen die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers keinen ausreichenden fluiddynamischen Druck im Lager, so dass die Axiallagerflächen aneinander liegen.
Eine entsprechende Materialpaarung der Lagerbauteile 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. Zur Verringerung des Abriebs an den Lagerbauteilen können diese mit einer härtenden Oberflächenbeschichtung versehen sein, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. 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. Das Aufbringen einer harten Oberflächenbeschichtung ist ebenfalls kostspielig und zeitaufwändig, da nicht die gesamten Lagerbauteile beschichtet werden können und die nicht zu beschichten Flächen vor dem Beschichten ausmaskiert werden müssen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Maßnahmen zur kostengünstigen Reduzierung des Materialabriebs an den Lagerbauteilen getroffen sind.
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 aufweist. Die beiden Lagerbauteile weisen im Bereich des Lagerspaltes einander zugewandte Lagerflächen auf, die mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und ein fluiddynamisches Axiallager ausbilden. Erfindungsgemäß weisen die Lagerbauteile angrenzend an die Lagerflächen einander zugewandte Abriebflächen auf, und die Abriebfläche mindestens eines Lagerbauteils ist mit einer gehärteten Oberflächenbeschichtung versehen.
Vorzugsweise kann mindestens ein abriebfestes Bauteil mit einer gehärteten Oberfläche vorgesehen sein, das an einem Lagerbauteil angeordnet ist und die Abriebfläche dieses Lagerbauteils ausbildet.
Die Erfindung bietet eine sehr flexible Möglichkeit der Materialpaarung der Abriebflächen außerhalb der Lagerflächen bei geringen Kosten, indem eine oder beide Abriebflächen eine gehärtete Oberfläche aufweisen oder mit einer abriebfesten Beschichtung versehen sind. Diese abriebfesten Beschichtung kann beispielsweise eine Diamant ähnliche (DLC) Beschichtung oder Nickel-Beschichtung sein.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können eine oder beide Abriebflächen jeweils durch ein am Lagerteil angeordnetes abriebfestes Bauteil gebildet werden. Dieses abriebfeste Bauteil kann scheibenförmig bzw. ringförmig ausgebildet und vorzugsweise außerhalb der Lagerflächen des fluiddynamischen Lagersystems angeordnet sein. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können eine oder beide Abriebflächen oder auch Teile der Abriebflächen im Bereich der Lagerflächen des Radiallagers und/oder Axiallagers des Lagersystems angeordnet sein.
Das abriebfeste Bauteil kann aus einem beliebigen Werkstoff bestehen, insbesondere Metall, einer Metalllegierung, aus Kunststoff, Keramik, Glas oder Sintermaterial. Es kann mit einer zugeordneten Abriebfläche des anderen Lagerbauteils optimal gepaart werden, unabhängig davon, ob das abriebfeste Bauteil die anderen an ein Lagerbauteil gestellten Bedingungen wie Steifigkeit und Härte, Zugfestigkeit etc. aufweist. Das abriebfeste Bauteil selbst hat keinen Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit und die Gesamteigenschaften des Lagers, sondern liefert nur die benötigte positive Materialpaarung der Abriebflächen. Vorzugsweise können Materialien mit extremer Härte und Zähigkeit zur Herstellung des abriebfesten Bauteils verwendet werden, obwohl diese sehr schwierig zu bearbeiten sind. Aufgrund der geringen Größe des abriebfesten Bauteils im Verhältnis zum gesamten Lagerbauteil ist dies jedoch kein Kostennachteil, da das abriebfeste Bauteil sehr einfach in seiner Geometrie ausgebildet ist. Solche Materialien sind z. B. Keramik, Invar, Glas, Glasfiberstrukturen usw. Das abriebfeste Bauteil kann unabhängig von den Lagerbauteilen gefertigt werden und wird dann mit dem Lagerbauteil verbunden, beispielsweise durch Einpressen, Verkleben, Verschweißen, etc.
Das abriebfeste Bauteil ist in seiner Geometrie sehr einfach gehalten, vorzugsweise als Scheibe bzw. Ringscheibe, welche einfach in der Herstellung ist. Natürlich kann das abriebfeste Bauteil auch jede andere Formgebung annehmen.
Vorzugsweise kann das abriebfeste Bauteil auch mit einer abriebfesten Beschichtung, beispielsweise einer Diamant ähnlichen (DLC) Beschichtung oder Nickel-Beschichtung, versehen werden. Aufgrund der geringen Größe des abriebfesten Bauteils im Vergleich zum gesamten Lagerbauteil ist diese Beschichtung kostengünstig durchzuführen und es können auch mehrere abriebfeste Bauteile gleichzeitig beschichtet werden. Es ist also keine Beschichtung des kompletten Lagerbauteils mehr notwendig, bei welcher die nicht zu beschichtenden Flächen maskiert oder anderweitig vor Kontamination geschützt werden müssen.
Durch Verringerung des Abriebs an den Lagerbauteilen ist es möglich, insbesondere das axiale Spiel des Lagers, das beispielsweise bisher 35 μm +/–10 μm beträgt, zu reduzieren. Es erhöht sich zwar die Zeitdauer der Berührung der Axiallagerflächen, was aber durch die Abriebfestigkeit der Lagerbauteile kompensiert wird. Eine Verringerung des axialen Spiel des Lagers verbessert die Stoßfestigkeit des Lagers und erhöht dessen Lebensdauer.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, das abriebfeste Bauteil als Teil der Lagerflächen des fluiddynamischen Radiallagers und/oder Axiallagers auszubilden. Hierbei werden Teile der auf den Lagerflächen vorhandenen Lagerrillenstrukturen auf dem abriebfesten Bauteil aufgebracht was wesentlich einfacher ist als das Aufbringen der Lagerrillenstrukturen auf einer entsprechenden Fläche eines großen Lagerbauteils. Derartige Lagerrillenstrukturen werden vorzugsweise mittels eines elektrochemischen Abtrageverfahrens („Electrochemical Machining” ECM) aufgebracht. Dieses ECM Verfahren kann bei der einfachen Formgebung des abriebfesten Bauteils kostengünstig und einfach durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist das abriebfeste Bauteil in einer Aussparung einer Fläche des Lagerbauteils gehalten. Das abriebfeste Bauteil kann auch direkt an oder 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, einen mit der Welle verbundenen Stopperring oder eine Druckplatte und eine mit der Welle verbundene Nabe als Rotorbauteil aufweisen.
Vorzugsweise umfasst das fluiddynamische Lager 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 abriebfesten Bauteils 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 kann z. B. zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Das fluiddynamische Lager kann 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 eine gegenüber 3 abgewandelte Ausgestaltung der Erfindung.
5 zeigt eine Ansicht eines Spindelmotors mit erfindungsgemäßem Lagersystem angeordnet in einem Gehäuseteil eines Festplattenlaufwerks.
6 zeigt ein von einem Spindelmotor mit erfindungsgemäßem Lagersystem angetriebenes Lüfterrad.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems. 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 Lagerrillenstrukturen 20, 24 in Form von Vertiefungen oder Rillen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 aufgebracht sind. Die beiden Radiallager 18, 22 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, den so genannten Separatorspalt, axial getrennt. Der Lagerspalt 14 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerrillenstrukturen 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.
Zwischen dem Stopperring 26 und der Stirnseite der Lagerbuchse findet insbesondere während des Anlaufens und Auslaufens des Lagers ein besonders großer Abrieb statt. Diese Abriebflächen sind daher erfindungsgemäß besonders ausgebildet und/oder beschichtet. Radial außerhalb der Lagerbohrung für die Welle 12 umfasst die Lagerbuchse 10 an ihrer dem Stopperring 26 zugewandten Stirnseite ein abriebfestes Bauteil 28. Das abriebfeste Bauteil 28 ist vorzugsweise als ringförmige Scheibe ausgebildet und in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 angeordnet. Das abriebfeste Bauteil 28 bildet eine dem Stopperring 26 zugeordnete Abriebfläche.
Der Lagerspalt 14 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 12 und der Radiallager 18, 22 erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und eines Axiallagers 30 erstreckt.
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 46 auf, der die Lagerbuchse 10 teilweise umgibt. Ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 14 erstreckt sich zwischen der Nabe 40 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 der Nabe 40 bildet zusammen mit der Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 30 aus. Dazu sind vorzugsweise die Stirnfläche der Lagerbuchse 10, oder die gegenüberliegende Fläche der Nabe 40, mit Lagerrillenstrukturen 32 in Form von Vertiefungen oder Rillen versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen der Nabe 40 und der Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausüben, so dass das Axiallager 30 tragfähig wird. Vorzugsweise pumpen die Lagerrillenstrukturen 32 des Axiallagers 30 das Lagerfluid radial nach innen in Richtung der Welle 12, d. h. in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 14. Der Spaltabstand des Lagerspalts 14 im Bereich des Axiallagers beträgt beispielsweise 35 Mikrometer.
In der Lagerbuchse kann ein Rezirkulationskanal 34 in Form einer dünnen Bohrung angeordnet sein. Der Rezirkulationskanal 34 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 34 ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagersystem. Vorzugsweise endet der Rezirkulationskanal 34 radial außerhalb des Axiallagers 30 in einem Bereich mit einer im Vergleich zum Axiallagerspalt 14 vergrößerten Spaltbreite. Dadurch wird zum einen die Lagerfläche des Axiallagers 30 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.
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 Dichtungsspalt wird begrenzt durch eine äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 10 und der inneren Mantelfläche des Randes 46 der Nabe 40. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 14 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse 10 und einem zylindrischen Abschnitt der Nabe 40 den Dichtungsspalt 50 bildet.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 138, in welcher eine Lagerbuchse 110 befestigt ist. Die Lagerbuchse 110 weist eine axiale, zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 112 drehbar aufgenommen ist. Die Lagerbuchse 110 und die Welle 112 bilden zusammen einen Teil des fluiddynamischen Lagersystems. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 112 ist ein Lagerspalt 114 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist. Das fluiddynamische Lagersystem umfasst zwei Radiallager 118, 122, die durch entsprechende Lagerrillen 120, 124 gekennzeichnet sind. Die Radiallagerrillen 120, 124 sind entweder auf der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 110 oder der Oberfläche der Welle 112 vorgesehen. Die beiden Radiallager 118, 122 sind durch einen Separatorspalt axial getrennt. An einem Ende der Welle ist eine Druckplatte 126 angeordnet, die vorzugsweise einteilig mit der Welle 112 ausgebildet ist. Gegenüberliegend der Druckplatte 126 ist die Lagerbuchse 110 durch eine Abdeckplatte 136 verschlossen. Sowohl die Druckplatte 126 als auch die Abdeckplatte 136 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 110 konzentrisch zur Lagerbohrung angeordnet. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 126 bilden zusammen mit gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 110 bzw. der Abdeckplatte 136 zwei Axiallager 130, 131 aus, deren Lagerkraft entgegengesetzt zueinander gerichtet ist. Sobald die Welle 112 in der Lagerbuchse 110 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Rillenstrukturen der Radial- bzw. Axiallagerbereiche ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 114 auf, so dass das Lager tragfähig wird.
Das offene Ende des Lagerspaltes 114 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen konischen Dichtungsspalt 150, abgedichtet. Das freie Ende der Welle 112 ist mit einer Nabe 140 verbunden. Die Nabe 140 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerkes gedacht, werden auf der Nabe 140 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerkes angeordnet und befestigt. An einem inneren, unteren Rand der Nabe ist ein Rotormagnet 144 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet. Gegenüberliegend dem Rotormagneten 144 ist an der Basisplatte 138 eine Statoranordnung 142 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagnet 144 getrennt ist. Die Statoranordnung 142 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend bestromt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor, bestehend aus der Nabe 140 und Welle 112, in Drehung versetzt wird. Insbesondere die Radiallagerrillen 120, 124 der Radiallager 118, 122 erzeugen bei Drehung der Welle 112 in der Lagerbuchse 110 eine Pumpwirkung, die das Lagerfluid antreibt und im Lagerspalt 114 einen fluiddynamischen Druck erzeugt.
Solange sich die Welle 112 in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 110 dreht, wird diese durch den durch die Radiallagerrillen 120, 124 erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung, getrennt durch den Lagerspalt 114. Während des Startens oder Stoppens des Lagers besteht im Lagerspalt 114 jedoch kein oder nur ein geringer fluiddynamischer Druck, so dass die Welle 112 in der Bohrung verkippt und die Oberfläche der Bohrung im Bereich der äußeren Ränder der Radiallager 118, 122 berührt. Diese Berührung erzeugt einen Abrieb an den betroffenen Bereichen der Lagerbuchse 110 und der Welle 112.
Erfindungsgemäß sind dort, wo ein besonders großer Abrieb festgestellt worden ist, entsprechende abriebfeste Bauteile 128, 129 in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 110 eingefügt. Die abriebfesten Bauteile 128, 129 sind direkt angrenzend an die Radiallager 118, 122 angeordnet. Die abriebfesten Bauteile 128, 129 befinden sich noch im Bereich des axial und parallel zur Drehachse 116 verlaufenden Abschnittes des Lagerspaltes 114. Das abriebfeste Bauteil 128 befindet sich im Bereich des Dichtungsspalts 150. Das abriebfeste Bauteil 129 befindet sich im Bereich zwischen dem Radiallager 122 und dem Übergang zur Druckplatte 126.
3 zeigt eine Ausgestaltung des Lagers gemäß 2, bei dem der Durchmesser des unteren abriebfeste Bauteils 129' mindestens so groß ist wie der Durchmesser der Druckplatte 126. Das abriebfeste Bauteil 129' wirkt daher sowohl im Bereich des axialen Lagerspalts am Übergang zwischen dem Radiallager 122 und der Druckplatte 126 als auch im Bereich des radialen Lagerspalts entlang des Axiallagers 130. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann das abriebfeste Bauteil mit entsprechenden Lagerrillenstrukturen zur Ausbildung des Axiallagers 130 versehen sein.
In 4 ist ein Lager dargestellt, das keine separaten abriebfesten Bauteile 128 und 129' aufweist. Stattdessen sind die Oberflächen vorzugsweise der Lagerbuchse 110, dort, wo ein besonders großer Abrieb zu erwarten ist, mit einer gehärteten Oberflächenbeschichtung 152 versehen. Entsprechende gehärtete Oberflächenbeschichtungen 152 befinden sich einerseits direkt angrenzend an die Radiallager 118, 122, einerseits zwischen dem Radiallager 118 und dem Dichtungsspalt 150 und andererseits zwischen dem Radiallager 122 und der Druckplatte 126. Die Oberflächenbeschichtungen 152 befinden sich im Bereich des axial und parallel zur Drehachse 116 verlaufenden Abschnittes des Lagerspaltes 114. Des weiteren ist eine radial verlaufende Oberflächenbeschichtung 152 der Lagerbuchse 110 gegenüberliegend der Druckplatte 126 im Bereich des Axiallager 130 vorgesehen.
5 zeigt eine Ansicht eines Spindelmotors 52 mit erfindungsgemäßem Lagersystem, der in einem Gehäuseteil 54 eines Festplattenlaufwerks angeordnet ist. Das Gehäuseteil 54 bildet gleichzeitig die Basisplatte (vgl. z. B. 4, 138) des Spindelmotors. Man erkennt insbesondere die Nabe 140, die nahezu den gesamten Spindelmotor umschließt.
6 zeigt ein von einem Spindelmotor 56 mit erfindungsgemäßem Lagersystem angetriebenes Lüfterrad 58. Das Lüfterrad 58 ist mit der Nabe (vgl. z. B. 4, 140) des Spindelmotors verbunden.
Bezugszeichenliste

10, 110: Lagerbuchse
12, 112: Welle
14, 114: Lagerspalt
16, 116: Rotationsachse
18, 118: Radiallager
20, 120: Lagerrillenstrukturen
22, 122: Radiallager
24, 124: Lagerrillenstrukturen
26, 126: Stopperring, Druckplatte
28, 128: abriebfestes Bauteil
129: abriebfestes Bauteil
129': abriebfestes Bauteil
30, 130: Axiallager
131: Axiallager
32: Lagerrillenstrukturen
34: Rezirkulationskanal
36, 136: Abdeckung
38, 138: Basisplatte
40, 140: Nabe
42, 142: Statoranordnung
44, 144: Rotormagnet
46: Rand (Nabe)
48: Metallring
50, 150: Dichtungsspalt
152: Oberflächenbeschichtung
52: Spindelmotor
54: Gehäuseteil
56: Spindelmotor
58: Lüfterrad

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, welches aufweist: mindestens ein feststehendes Lagerbauteil (10; 110), mindestens ein rotierendes Lagerbauteil (12, 40; 112, 140, 26, 126), das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse (16; 116) drehbar gelagert ist, mindestens einen Lagerspalt (14; 114), der zwischen einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Lagerbauteile ausgebildet ist und der einen mit einem Lagerfluid gefüllten Abschnitt aufweist, wobei die Lagerbauteile im Bereich des Lagerspalts (14; 114) einander zugewandte Lagerflächen aufweisen, die mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (30; 130; 131) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbauteile angrenzend an die Lagerflächen einander zugewandte Abriebflächen aufweisen, und dass die Abriebfläche mindestens eines Lagerbauteils mit einer gehärteten Oberflächenbeschichtung versehen ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein abriebfestes Bauteil (28; 128; 129; 129') mit einer gehärteten Oberfläche vorgesehen ist, das an einem Lagerbauteil (10; 110) angeordnet ist und die Abriebfläche dieses Lagerbauteils (10; 110) ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das abriebfeste Bauteil (28; 128, 129; 129') mit einer gehärteten Oberflächenbeschichtung versehen ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung der Abriebfläche eine Diamond-Like-Carbon, DLC, oder Nickel-Beschichtung ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abriebfeste Bauteil (28; 128, 129, 129') in einer Aussparung des Lagerbauteils (10; 110) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das abriebfeste Bauteil (28; 128; 129; 129') angrenzend an oder als Teil einer Lagerfläche des fluiddynamischen Axiallagers (30; 130) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche des abriebfesten Bauteils (129') eines Lagerbauteils (110) und/oder einer dieser Stirnfläche gegenüber liegenden Fläche des anderen Lagerbauteils (126) Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen ausgebildet sind als Teil des fluiddynamischen Axiallagers (130).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das abriebfeste Bauteil (28; 128; 129; 129') angrenzend aber außerhalb einer Lagerfläche des fluiddynamischen Radiallagers angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche des abriebfesten Bauteils (28; 129; 129') eines Lagerbauteils (10; 110) und/oder einer dieser Oberfläche gegenüber liegenden Fläche des anderen Lagerbauteils (12, 112) Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen (120, 124) ausgebildet sind als Teil des fluiddynamischen Radiallagers (118, 122).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse (10, 110) mit einer zentralen Lagerbohrung umfasst
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das abriebfeste Bauteil (28; 128; 129; 129') im Bereich der Wandung der Lagerbohrung befindet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das abriebfeste Bauteil an einer stirnseitigen Fläche der Lagerbuchse (10; 110) befindet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Lagerbauteil eine in der Lagerbohrung der Lagerbuchse (10; 110) drehbar gelagerte Welle (12; 112), einen mit der Welle verbundenen Stopperring (26) oder eine Druckplatte (126) und/oder eine mit der Welle verbundene Nabe (40) aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das abriebfeste Bauteil dem Stopperring oder Druckplatte gegenüberliegend angeordnet ist.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Basisplatte (38; 138) zur Aufnahme des feststehenden Lagerbauteils (10; 110) des fluiddynamischen Lagersystems, einer mit dem beweglichen Lagerbauteil verbundenen Nabe (40; 140) und einem elektro-magnetischen Antriebssystem (42, 44; 142, 144) zum Antrieb des beweglichen Lagerbauteils.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 15 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte, sowie einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte.
Lüfter mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem mit dem beweglichen Lagerbauteil verbundenen Lüfterrad (58) und einem elektromotorischen Antriebssystem zum Antrieb des beweglichen Lagerbauteils.