DE102010021238A1

DE102010021238A1 - Fluiddynamisches Lagersystem und Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem

Info

Publication number: DE102010021238A1
Application number: DE102010021238A
Authority: DE
Inventors: Thilo Rehm
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-11-24
Also published as: US20110285231A1; US9214182B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse und einer Welle, die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Lagerflächen bilden mindestens ein fluiddynamisches Radiallager. An der Welle ist ein Rotorbauteil angeordnet. Ein Stopperring ist an der Welle oder dem Rotorbauteil angeordnet und grenzt an die Lagerbuchse an, wobei zwischen einander zugewandten Oberflächen der Lagerbuchse und des Stopperbauteils ein Spalt gebildet ist, der mit Lagerfluid gefüllt und mit dem Lagerspalt verbunden ist und im Wesentlichen in radialer Richtung verläuft. Erfindungsgemäß sind die Oberflächen der Lagerbuchse und/oder des Stopperbauteils derart ausgebildet, dass sich der Spalt radial nach außen verjüngt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse und einer Welle, die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager ausbilden. Derartige fluiddynamische Lager werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, welche 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 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. Die Lagerrillenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts aufgrund der auf das Lagerfluid ausgeübten Pumpwirkung einen hydrodynamischen Druck erzeugen. 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 als Teil mindestens eines fluiddynamischen Radiallagers auf. Ein freies Ende der Welle ist mit einem Rotorbauteil (Nabe) verbunden, dessen untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der einander zugewandten Oberflächen des Rotorbauteils oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerrillenstrukturen versehen.
Um eine übermäßige axiale Bewegung der Welle innerhalb der Lagerbuchse zu begrenzen, wird oftmals ein Stopperbauteil, beispielsweise in Form eines Stopperrings, verwendet. Das Stopperbauteil ist entweder an der Welle oder einem mit der Welle verbunden Rotorbauteil angeordnet und schlägt an einer gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse an, sobald sich die Welle über ein zulässiges Maß hinaus axial verschiebt. Dadurch wird ein „Herausfallen” der Welle aus der Lagerbuchse verhindert. Es ist bekannt, den Stopperring entweder als separates ringförmiges Bauteil mit der Welle oder dem Rotorbauteil zu verbinden oder aber einteilig mit der Welle auszubilden.
Wird das Lager einem Schock, insbesondere einem axialen Schock, d. h. axialen Beschleunigungskräften, ausgesetzt, so bewegt sich die Welle und auch der Stopperring innerhalb der Lagerbuchse, wobei das Lagerfluid, das in einem Spalt zwischen Stopperring, Lagerbuchse und der Abdeckplatte angeordnet ist, aus dem entsprechenden Spalt herausgepresst wird. Abhängig von diesen Beschleunigungskräften wird insbesondere der Stopperring, der nur wenig zehntel Millimeter dick ist, verformt, beispielsweise um einige Mikrometer. Durch das Herauspressen des Lagerfluids wird das System gedämpft. Wird die Verformung des Stopperrings zu groß, so kann es vorkommen, dass dieser an einer angrenzenden Fläche der Lagerbuchse anschlägt, da in diesem Fall die dämpfende Wirkung abgeschwächt ist. Dieser harte Anschlag überträgt sich auf die Welle und auf ein mit der Welle verbundenes Rotorbauteil. Wird das Lager beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet, wie er zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks verwendet wird, so kann dieser harte Anschlag des Stopperrings an der Lagerbuchse bewirken, dass der Schreib-Lesekopf des Speicherplattenlaufwerkes auf der am Rotorbauteil befestigten Magnetspeicherplatte aufschlägt und diese beschädigt. Dies kann im schlimmsten Falle zu einem Datenverlust führen.
In modernen Lagern werden ferner Lagerfluide mit niederer Viskosität verwendet, um die Reibung so gering wie möglich zu halten und den Energieverbrauch eines Spindelmotors zu verringern. Dies resultiert jedoch in einem reduzierten Dämpfungseffekt des Lagerfluids im Schockfall. Im Betrieb des Lagers, d. h. wenn sich das Lager im hydrodynamischen Gleichgewicht befindet, beträgt der Abstand zwischen der Oberfläche der Lagerbuchse und des Stopperrings beispielsweise 10 bis 40 Mikrometer. Bei einem extremen Schock reduziert sich dieser Abstand auf Null, wobei der Stopperring insbesondere punktuell die Lagerbuchse berührt, und dadurch sehr hohe Beschleunigungskräfte auf die Welle und Nabe übertragen werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art anzugeben, das eine verbesserte Schockfestigkeit aufweist.
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.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse und eine Welle, die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Lagerflächen bilden mindestens ein fluiddynamisches Radiallager. An der Welle ist ein Rotorbauteil angeordnet. Ein Stopperbauteil ist an der Welle oder dem Rotorbauteil angeordnet und grenzt an die Lagerbuchse an, wobei zwischen einander zugewandten Oberflächen der Lagerbuchse und dem Stopperbauteil ein Spalt gebildet ist, der mit Lagerfluid gefüllt und mit dem Lagerspalt verbunden ist und im Wesentlichen in radialer Richtung verläuft.
Erfindungsgemäß sind die Oberflächen der Lagerbuchse und/oder des Stopperbauteils derart ausgebildet, dass sich der dazwischen liegende Spalt radial nach außen verjüngt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verläuft beispielsweise die Oberfläche der Lagerbuchse leicht schräg in Bezug auf die Oberfläche des Stopperbauteils, so dass sich der Spalt zwischen den beiden Bauteilen radial nach außen verjüngt und eine Art Drossel bildet. Da das Lagerfluid aufgrund der kleinen radialen Lagerspalte nicht entlang der Radiallager entweichen kann, wird das im Spalt befindliche Lagerfluid im Schockfall aus dem Spalt herausgepresst und muss durch diese Drossel hindurch, was die Impulsantwort auf den Schockimpuls verbreitert und eine bessere Dämpfung des Systems bewirkt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise die Oberfläche des Stopperbauteils leicht schräg in Bezug auf die Oberfläche der Lagerbuchse verlaufen, so dass sich der Spalt zwischen den beiden Bauteilen ebenfalls radial nach außen verjüngt.
Vorzugsweise ist der axiale Spalt zwischen Lagerbuchse und Stopperbauteil radial innen etwa 5 bis 25 Mikrometer breiter, als radial außen, so dass sich eine deutliche Verengung des Spaltes in Richtung der Außenkante des Stopperbauteils ergibt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Stopperbauteil an einem Ende der Welle angeordnet und in einer Aussparung in der Lagerbuchse aufgenommen. Die Aussparung ist an einer Stirnseite der Lagerbuchse angeordnet und durch eine Abdeckplatte verschlossen. Die Oberfläche des Stopperbauteils ist durch einen weiteren Spalt von der angrenzenden Oberfläche der Abdeckplatte getrennt, wobei auch dieser Spalt vollständig mit Lagerfluid gefüllt ist. Alternativ ist die axiale Dicke des Stopperbauteils radial innen geringfügig kleiner als radial außen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das freie Ende der Welle mit einem topfförmigen Rotorbauteil verbunden, welche die Lagerbuchse unter Bildung eines Dichtungsspaltes teilweise umgibt. Der Dichtungsspalt ist mit dem Lagerspalt verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Vorzugsweise bildet der Dichtungsspalt zusammen mit dem darin befindlichen Lagerfluid eine Kapillardichtung aus. Der Dichtungsspalt dient ferner als Vorratsreservoir für das Lagerfluid.
Wenn das Stopperbauteil erfindungsgemäß am Rotorbauteil angeordnet ist, umgibt es die Lagerbuchse teilweise und bildet zusammen mit der Lagerbuchse einen den Lagerspalt abdichtenden Dichtungsspalt.
Das mindestens eine Radiallager ist beispielsweise gekennzeichnet durch Lagerrillenstrukturen, die auf einer Wandung der Lagerbohrung der Lagerbuchse oder auf der Oberfläche der Welle angeordnet sind. Vorzugsweise sind zwei Radiallager in einem axialen Abstand voneinander entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts angeordnet.
Auf der Stirnfläche der Lagerbuchse und/oder einer dieser Stirnfläche gegenüberliegenden Fläche des Rotorbauteils sind Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen ausgebildet, die Teil eines fluiddynamischen Axiallagers sind, welches die axialen Kräfte aufnimmt. Das Axiallager ist entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts angeordnet.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor, wie er zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert. Daraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit erfindungsgemäßem fluiddynamischem Lager.
2 zeigt ein Detail der Lagerbuchse aus 1 im Schnitt.
3 zeigt einen Schnitt einer ersten möglichen Ausgestaltung des Lagers aus 1 im Bereich des Spaltes zwischen der Lagerbuchse und dem Stopperring.
4 zeigt einen Schnitt einer zweiten möglichen Ausgestaltung des Lagers aus 1 im Bereich des Spaltes zwischen der Lagerbuchse und dem Stopperring.
5 zeigt ein Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit erfindungsgemäßem fluiddynamischem Lager.
6 zeigt ein Detail von 5 im Bereich des Stopperbauteils.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Lagerbohrung aufweist und das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. Die Lagerbuchse 10 hat beispielsweise einen Außendurchmesser von ca. 6,5 mm; die Lagerbohrung hat einen Durchmesser von ca. 2,5 mm bis 3,0 mm. In die Bohrung der Lagerbuchse 10 ist eine Welle 12 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig, d. h. nur um einige Mikrometer kleiner ist, als der Durchmesser der Lagerbohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 verbleibt ein Lagerspalt 14 von wenigen Mikrometern Breite. 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 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 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 im Lagerspalt 14 ein hydrodynamischer Druck entsteht, der die Radiallager 18, 22 tragfähig macht. Das obere Radiallager 18 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 20, die das Lagerfluid überwiegend in Richtung des unteren Radiallagers pumpen. Das untere Radiallager 22 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 24, die eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 14 erzeugen.
Ein freies Ende der Welle 12 ist mit einem Rotorbauteil 26 verbunden, welches die Lagerbuchse teilweise umgibt. Eine untere, ebene Fläche des Rotorbauteils 26 bildet zusammen mit einer angrenzenden Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 28 aus. Hierbei ist die Stirnfläche der Lagerbuchse 10 oder die gegenüberliegende Fläche des topfförmigen Rotorbauteils 26 mit vorzugsweise spiralförmigen Lagerrillenstrukturen 30 versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine radial nach innen in Richtung des Radiallagers 18 gerichtete Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen dem Rotorbauteil 26 und der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 28 tragfähig wird. In der Lagerbuchse kann ein Rezirkulationskanal 32 vorgesehen sein, der einen am radial äußeren Rand des Axiallagers 28 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 22 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 36 des Spindelmotors angeordnet. Die Lagerbuchse 10 ist von einer Statoranordnung 38 umgeben, die an der Basisplatte 36 angeordnet ist und aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen besteht. Diese Statoranordnung 38 ist umgeben von einem umlaufenden Rand des Rotorbauteils 26, an welchem ein ringförmiger Rotormagnet 40 angeordnet ist. Der Rotormagnet 40 umgibt die Statoranordnung 38 in radialer Richtung unter Bildung eines Luftspalts. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Unterhalb des Rotormagneten 40 kann ein ferromagnetischer Metallring 42 angeordnet sein, der den Rotormagneten 40 anzieht, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 36 hin gerichtete Kraft ergibt. Diese Kraft wirkt der Lagerkraft des Axiallagers 28 entgegen und dient der axialen Vorspannung des Lagersystems.
Der Lagerspalt 14 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 10 und der beiden Radiallager 18, 22 erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 28 erstreckt. Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 14 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher teilweise als Dichtungsspalt 44 wirkt und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. 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 des topfförmigen Rotorbauteils 26 erstreckt und den Dichtungsspalt 44 bildet. Bei einem Durchmesser der Lagerbuchse 10 von einigen Millimetern beträgt die Breite des Dichtungsspalts 44 typischerweise 50–300 Mikrometer. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 10 sowie die innere Mantelfläche des topfförmigen Rotorbauteils 26 sind weitgehend zylindrisch, jedoch vorzugsweise leicht konisch geneigt und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 44. Dadurch dass die obere Öffnung des Rezirkulationskanals 32 sehr nahe an der Übergangszone zwischen Lagerfluid und Atmosphäre angeordnet ist, können im Lagerfluid gelöste Luftblasen relativ leicht in die Atmosphäre entweichen.
An der in der Basisplatte befestigten Seite weist die Lagerbuchse 10 eine Aussparung 50 auf, deren Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Beispielsweise beträgt der Durchmesser der Aussparung 4,5 mm. Die Lagerbuchse 10 ist an dieser Seite durch eine Abdeckplatte 34 verschlossen. Innerhalb der Aussparung 50 der Lagerbuchse 10 ist ein Stopperbauteil in Form eines Stopperrings 46 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser, beispielsweise 4,3 mm, im Vergleich zum Durchmesser der Welle 12 von ca. 2,5 mm aufweist. Die Aussparung 50, in welcher der Stopperring 46 angeordnet ist, ist mit dem Lagerspalt sowie dem Rezirkulationskanal 32 verbunden und vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Bei einer übermäßigen axialen Bewegung der Welle 12 stößt der Stopperring 46 an einer Stufe 48 an, die durch den Übergang zwischen der Lagerbohrung und der Aussparung 50 gebildet wird. Der Stopperring 46 verhindert dadurch ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10.
Zwischen einer sich in radiale Richtung erstreckende Oberfläche 52b des Stopperrings 46 und einer angrenzenden radialen Oberfläche 52a der Lagerbuchse 10 verbleibt ein axialer Spalt 52, der einige zehn Mikrometer breit ist. Zwischen der anderen radialen Fläche des Stopperrings 46 und einer angrenzenden radialen Fläche der Abdeckplatte 34 verbleibt ein weiterer Spalt 54, der ebenfalls einige zehn Mikrometer breit ist. Die beiden Spalte 52, 54 werden nur im Betrieb des Lagersystems gebildet, da dann ein axiales Gleichgewicht im Lager herrscht, der den Stopperring etwa mittig in der Aussparung 50 hält. Im Betrieb beträgt der Spalt 52 etwa 10 bis 25 Mikrometer.
2 zeigt ein Detail der Lagerbuchse im Schnitt und zwar den Verlauf der Fläche 52a der Lagerbuchse 10, welche den Spalt 52 begrenzt. Die Fläche 52a der Lagerbuchse 10 verläuft nicht parallel zur Fläche 52b des Stopperrings 46, sondern in einem geringen Winkel. Zwischen den beiden Punkten A und B fällt die Fläche 52a radial nach außen um einen Betrag d ab, der beispielsweise zwischen 5 und 25 Mikrometer beträgt.
3 zeigt einen Schnitt des Lagers im Bereich des Spaltes 52. Man erkennt, dass der Spalt 52, d. h. die Breite des Spaltes 52, sich radial nach außen verjüngt, da die Fläche 52a der Lagerbuchse 10 in einem spitzen Winkel zur Fläche 52b des Stopperringes 46 verläuft. Demnach verringert sich die Dicke des Spaltes 52 vom radial innen liegenden Ende bis zum radial außen liegenden Ende des Spaltes 52 um den Betrag d (2), d. h. um 5 bis 25 Mikrometer. Der Spalt 52 zwischen den beiden Bauteilen 10, 46 bildet eine Art sich radial nach außen verjüngende Drossel, wobei im Schockfall das im Spalt 52 befindliche Lagerfluid radial nach außen aus dem Spalt 52 herausgepresst wird und diese Drossel passieren muss.
4 zeigt einen Schnitt einer anderen Ausgestaltung des Lagers im Bereich des Spaltes 52. Auch hier verjüngt sich der Spalt 52, d. h. die Breite des Spaltes 52, radial nach außen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Fläche 52b' des Stopperrings 46' in einem spitzen Winkel zur Fläche 52a' der Lagerbuchse 10' verläuft. Demnach verringert sich die Dicke des Spaltes 52' vom radial innen liegenden bis zum radial außen liegenden Ende des Spaltes 52' um den Betrag d (2), d. h. um 5 bis 25 Mikrometer.
Im Schockfall, d. h. bei einer axialen Krafteinwirkung auf die Welle 12, bewegt sich die Welle 12, 12' mitsamt dem Stopperring 46 in axialer Richtung innerhalb der Lagerbuchse 10, 10', wobei das Lagerfluid, das sich in dem Spalt 52, 52' zwischen Stopperring 46, 46' und Lagerbuchse 10, 10' befindet, radial nach außen aus dem Spalt 52, 52' herausgepresst wird. Durch diese Kraft wird insbesondere der Stopperring 46, 46', der beispielsweise lediglich zwischen 0,4 Millimeter und 0,5 Millimeter dick ist, um einige Mikrometer verformt. Der Stopperring 46, 46' verbiegt sich beispielsweise so, dass die Fläche 52b, 52b' des Stopperringes nach außen hin abfällt und dann etwa parallel zur Fläche 52a, 52a' der Lagerbuchse 10, 10' zu liegen kommt. D. h., dass im Schockfall durch die Verformung des Stopperrings 46, 46' der Spalt 52, 52' über seine radiale Erstreckung wieder eine relativ gleichbleibende Dicke aufweist, so dass auch ein gleichmäßiger Lagerfluidfilm im Spalt 52 verbleibt, der im Schockfall ein hartes Anschlagen des Stopperrings 46, 46' bzw. der Fläche 52b, 52b' des Stopperringes 46, 46' an der Fläche 52a, 52a' der Lagerbuchse 10, 10' verhindert bzw. einen flächigen anstatt einen lediglich punktuellen Anschlag unterstützt.
5 zeigt einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem mit einer Basisplatte 136, an welcher die übrigen Motorkomponenten befestigt werden. Die Basisplatte 136 umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine im Wesentlichen hohlzylindrische Lagerbuchse 110 befestigt ist, beispielsweise durch Einpressen, Einkleben oder Schweißen.
Eine Welle 112 ist in der Bohrung der Lagerbuchse 110 um eine Rotationsachse 116 drehbar angeordnet. Die Welle 112 hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Bohrung in der Lagerbuchse 110, so dass zwischen der Welle 112 und der Lagerbuchse 110 ein mit Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllter Lagerspalt 114 verbleibt. Entlang eines axialen Abschnitts des Lagerspaltes 114 sind in einem gegenseitigen Abstand zwei fluiddynamische Radiallager 118, 122 angeordnet, welche durch entsprechende Lagerrillenstrukturen 120, 124 auf der Oberfläche der Bohrung der Lagerbuchse 110 bzw. der Umfangsfläche der Welle 112 gekennzeichnet sind. Bei einer Drehung der Welle 112 in der Lagerbuchse 110 wird durch diese Lagerrillenstrukturen 120, 124 im Lagerfluid eine Pumpwirkung erzeugt, durch welche ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 114 aufgebaut wird, so dass die Radiallager 118, 122 tragfähig werden. Zumindest das obere Radiallager 118 hat vorzugsweise eine Pumpwirkung in eine spezifische axiale Richtung, vorzugsweise in Richtung des geschlossenen Endes des Lagers, das durch eine Abdeckplatte 134 verschlossen ist, die in einer Aussparung der Lagerbuchse 110 befestigt ist und die Lagerbuchse luftdicht verschließt.
Eine Statoranordnung 138 ist an der Basisplatte 136 befestigt und ist Teil eines elektromagnetischen Antriebssystems des Spindelmotors. Die Statoranordnung 138 besteht aus einem ferromagnetischen Magnetkern sowie entsprechenden Phasenwicklungen.
Ein freies Ende der Welle 112, welches über die Bohrung der Lagerbuchse 110 hinausragt, ist mit einem Rotorbauteil 126 verbunden, welches im Wesentlichen einen becherförmigen Querschnitt hat und das Lagersystem sowie eine Statoranordnung 138 teilweise umschließt. Das Rotorbauteil 126 ist beispielsweise auf das freie Ende der Welle 112 aufgepresst. Das Rotorbauteil 126 weist einen umlaufenden etwa zylindrischen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein Rotormagnet 140 befestigt ist, der die Statoranordnung 136 ergänzt und mit dieser das elektromagnetische Antriebssystem ausbildet. Wird der Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerkes verwendet, werden auf dem Rotorbauteil 126 beispielsweise eine oder mehrere Speicherplatten (nicht zeichnerisch dargestellt) befestigt. In axialer Richtung gegenüberliegend dem Rotormagneten 140 ist ein Metallring 142 vorgesehen, welcher als axiales Magnetlager wirkt, indem dieser den Rotormagneten 140 anzieht und das Rotorbauteil 126 in axialer Richtung vorspannt und stabilisiert.
Wie bereits erwähnt, ist das offene Ende der Lagerbuchse 110 durch die Abdeckplatte 134 verschlossenen, wobei zwischen dem Ende der Welle 112 und der Abdeckplatte 134 ein Spalt 154 verbleibt, der mit Lagerfluid gefüllt ist.
Die obere Stirnfläche der Lagerbuchse 110, die an das Rotorbauteil 126 angrenzt, ist als Axiallagerfläche ausgebildet, sowie auch die angrenzende Fläche des Rotorbauteils 126. Die beiden Axiallagerflächen der Lagerbuchse 110 und des Rotorbauteils 126 bilden ein Axiallager 128, das ebenfalls wie die Radiallager 118, 122 durch Lagerrillenstrukturen 130 gekennzeichnet ist, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 110 und/oder der Oberfläche des Rotorbauteils 126 angeordnet sind. Das Axiallager 128 ist entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 114 angeordnet, welcher sich an den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes 114 anschließt. Das Axiallager 128 umfasst beispielsweise spiralförmige oder fischgrätförmige Lagerrillenstrukturen 130, die eine in Richtung der Radiallager 118, 122 gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid in das Innere des Lagerspaltes 114 drängen.
Radial außerhalb des Axiallagers 128 weitet sich der Lagerspalt 114 auf in einen Spalt der nun abknickt und in einen axial verlaufenden Dichtungsspalt 144 übergeht, der als Kapillardichtung, insbesondere konische Kapillardichtung ausgebildet ist. Der Dichtungsspalt 144 wird begrenzt durch eine äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 110 und eine gegenüberliegende ringförmige Mantelfläche eines ringförmigen Bauteils, das gleichzeitig als Stopperbauteil 146 funktioniert. Die den Dichtungsspalt 144 begrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse 110 und des Stopperbauteils 146 können beispielsweise parallel zur Rotationsachse 116 verlaufen, sie sind jedoch vorzugsweise in Bezug auf die Rotationsachse 116 leicht geneigt und zwar so, dass der Innendurchmesser des Stopperbauteils 146 in Richtung der Öffnung des Dichtungsspaltes 114 in geringerem Maße abnimmt als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 110, so dass sich ein im Wesentlichen konischer und radial nach innen geneigter Querschnitt des Dichtungsspaltes 144 ergibt. Das ringförmige Stopperbauteil 146 ist an einem ringförmigen Ansatz des Rotorbauteils 126 befestigt und liegt einem Stopperflansch 110a der Lagerbuchse 110 gegenüber und verhindert zusammen mit diesem ein Herausfallen der Anordnung von Rotorbauteil 116 und Welle 112 aus der Lagerbuchse 110.
Wie man insbesondere in 6 erkennt, hat der Stopperflansch 110a einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Durchmesser der Lagerbuchse 110 und überlappt das Stopperbauteil 146 in radialer Richtung. Die sich überlappenden Oberflächen von Stopperbauteil 146 und Stopperflansch 110a liegen im Bereich des Dichtungsspalts 144 und sind von Lagerfluid umspült. Bei einer übermäßigen axialen Bewegung der Welle 110 und somit des Rotorbauteils 126 stößt das Stopperbauteil 146 am Stopperflansch 110a an. Zwischen der sich in radiale Richtung erstreckende Oberfläche 152b des Stopperbauteils 146 und einer angrenzenden radialen Oberfläche 152a der Lagerbuchse 110 verbleibt ein Spalt 152, der einige zehn Mikrometer breit ist. Im Betrieb beträgt der Spalt 152 in axialer Richtung etwa 10 bis 25 Mikrometer. Die Fläche 152a der Lagerbuchse 110 verläuft erfindungsgemäß nicht parallel zur Fläche 152b des Stopperbauteils 146, sondern in einem geringen Winkel. Dadurch verjüngt sich der Spalt 152, d. h. die Breite des Spaltes 152, radial nach außen, da die Fläche 152a der Lagerbuchse 110 in einem spitzen Winkel zur Fläche 152b des Stopperbauteils 146 verläuft. Alternativ kann die Fläche 152b des Stopperbauteils 146 in einem Winkel zur Fläche 152a der Lagerbuchse 110 verlaufen. Dadurch verjüngt sich der Spalt 152, d. h. die Breite des Spaltes 152, radial nach außen, da die Flächen 152a der Lagerbuchse 110 und 152b des Stopperbauteils 146 nicht parallel zueinander sind.
Vorzugsweise ist ein Rezirkulationskanal 132 vorgesehen, der das geschlossene Ende des Lagerspalts, also den Bereich des Spaltes 154 am unteren Ende der Welle 110, mit dem offenen Ende des Lagerspalts radial außerhalb des Axiallagers 128 verbindet.
Bezugszeichenliste

10, 110, 10': Lagerbuchse
110a: Stopperflansch
12, 112, 12': Welle
14, 114: Lagerspalt
16, 116: Rotationsachse
18, 118: Radiallager
20, 120: Lagerrillenstrukturen
22, 122: Radiallager
24, 124: Lagerrillenstrukturen
26, 126: Rotorbauteil (Nabe)
28, 128: Axiallager
30, 130: Lagerrillenstrukturen
32, 132: Rezirkulationskanal
34, 134: Abdeckplatte
36, 136: Basisplatte
38, 138: Statoranordnung
40, 140: Rotormagnet
42, 142: Metallring
44, 144: Dichtungsspalt
46, 146, 46': Stopperbauteil
48: Stufe
50: Aussparung
52, 152: Spalt
52a, 152a, 52a: Fläche (Lagerbuchse)
52b, 152b, 52b': Fläche (Stopperbauteil)
54, 154: Spalt
d: Abstand

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse (10, 10', 110) und einer Welle (12, 12', 112), die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (16, 116) drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14, 114) ausbilden, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (18; 22, 118, 122) ausbilden, wobei an der Welle (12, 12', 112) ein Rotorbauteil (26; 126) angeordnet ist, und ein Stopperbauteil (46, 46', 146) an der Welle (12; 112) oder dem Rotorbauteil (26, 126) angeordnet ist, das an die die Lagerbuchse (10, 10', 110) angrenzt, wobei zwischen einander zugewandten Oberflächen der Lagerbuchse (10, 10', 110) und dem Stopperbauteil (46, 46', 146) ein Spalt (52, 152) gebildet ist, der mit Lagerfluid gefüllt und mit dem Lagerspalt (14, 114) verbunden ist und im wesentlichen in radialer Richtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Oberflächen (52a, 52b; 52a', 52b', 152a, 152b) der Lagerbuchse (10, 10', 110) und/oder des Stopperbauteils (46, 46', 146 ) derart ausgebildet sind, dass sich die axiale Ausdehnung des Spalts (52, 152) im Verlauf radial nach außen verjüngt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (52a, 152a) der Lagerbuchse (10, 110) derart ausgebildet ist, dass sich deren axialer Abstand zur Oberfläche (52b, 152b) des Stopperbauteils (46, 146) im Verlauf radial nach außen verringert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (52b') des Stopperbauteils (46') derart ausgebildet ist, dass sich deren axialer Abstand zur Oberfläche (52a') der Lagerbuchse (10') im Verlauf radial nach außen verringert.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stopperbauteil (46; 46') in einer Aussparung (50) der Lagerbuchse (10, 10') angeordnet ist, die an einer Stirnseite der Lagerbuchse (10, 10') angeordnet und durch eine Abdeckplatte (34) verschlossen ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Stopperbauteils (46, 46') durch einen mit Lagerfluid gefüllten und mit dem Spalt (52) verbundenen weiteren Spalt (54) von der angrenzenden Oberfläche der Abdeckplatte (34) getrennt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil (26) die Lagerbuchse (10, 10') unter Bildung eines mit dem Lagerspalt verbundenen Dichtungsspalts (44) teilweise umgibt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Dichtungsspalt (44) an eine Seite des Lagerspalts (14) anschließt, und zwischen einer radial nach außen gerichteten Mantelfläche der Lagerbuchse (10, 10') und einer dieser gegenüberliegenden, radial nach innen gerichteten Mantelfläche des Rotorbauteils (26) angeordnet und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stopperbauteil (146) an dem Rotorbauteil (126) angeordnet ist und die Lagerbuchse (110) teilweise umgibt und zusammen mit der Lagerbuchse (110) einen den Lagerspalt (114) abdichtenden Dichtungsspalt (144) begrenzt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (44, 144) zusammen mit dem darin befindlichen Lagerfluid eine Kapillardichtung ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerflächen der Lagerbuchse (10, 10', 110) und/oder die Lagerflächen der Welle (12, 12', 112) mit Druck erzeugenden Lagerrillenstrukturen (20; 24, 120, 124) versehen sind als Teil des mindestens einen fluiddynamischen Radiallagers (18; 22, 118, 122).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnfläche der Lagerbuchse (10, 10'; 110) und/oder eine dieser Stirnfläche gegenüber liegende Fläche des Rotorbauteils (26; 126) mit Druck erzeugenden Lagerrillenstrukturen (30, 130) versehen ist als Teil eines fluiddynamischen Axiallagers (28, 128).
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, einer Basisplatte (36, 136) zur Befestigung der Lagerbuchse (10, 10', 110), einem mit der Welle (12, 12', 112) verbundenen Rotorbauteil (26, 126) und einem elektro-magnetischen Antriebssystem (38; 40, 138, 140) zum Antrieb der Anordnung von Welle und Rotorbauteil.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 12 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte, sowie einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf bzw. von der magnetischen Speicherplatte.