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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Spindelmotoren werden beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken oder Lüftern eingesetzt.
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Stand der Technik
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In der Offenlegungschrift
DE 10 2008 039 966 A1 ist ein Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager zum Antrieb von Festplattenlaufwerken gezeigt. Gemäß dieser bekannten Bauart ist eine Welle in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert. Der Durchmesser der Bohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt verbleibt. Die einander zugewandten Oberflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerstrukturen auf als Teil von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe verbunden, die eine untere, ebene Fläche aufweist, die zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der einander zugewandten Oberflächen der Nabe oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerstrukturen versehen.
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Die Nabe wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, welches eine Statoranordnung umfasst, die an einer feststehenden Basisplatte des Spindelmotors befestigt ist, und einen Rotormagneten, der an der drehbaren Nabe angeordnet ist.
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Die in der Lagerbuchse drehgelagerte Welle weist ein freies Wellenende auf, auf welches die Nabe aufgepresst ist. Diese Pressverbindung muss eine ausreichend dimensionierte Fügelänge aufweisen, damit die vorgegebenen Auspresskräfte erreicht werden. Insbesondere beim Antrieb von Festplattenlaufwerken müssen diese Spindelmotoren möglichst vibrations- und resonanzfrei arbeiten. In einem Frequenzbereich zwischen 2000 Hz und 3000 Hz tritt jedoch eine Resonanzspitze auf, die – wie Simulationen gezeigt haben – unter anderem von der Verbindung von Welle und Nabe beeinflusst werden kann. Das freie Wellenende wirkt wie ein Hebelarm, der bei einer radialen Belastung, d. h. einer Schockeinwirkung senkrecht zur Drehachse, zu Vibrationen angeregt wird, die genau diese Frequenzspitze erzeugen.
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Gerade im Frequenzbereich zwischen 2000 Hz und 3000 Hz sind diese Resonanzen sehr weitreichend und gehen auf andere benachbarte Geräte über und können den Betrieb dieser anderen Geräte stören. Auch die Schreib-Leseeinrichtung des Festplattenlaufwerkes selber kann durch diese Resonanzen gestört werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor der eingangs genannten Art hinsichtlich seines Resonanzverhaltens und der strukturellen Steifigkeit zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung beschreibt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, welcher mindestens ein feststehendes Motorbauteil sowie mindestens ein bewegliches Motorbauteil umfasst, wobei das bewegliche Motorbauteil mittels des fluiddynamischen Lagersystems um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Das bewegliche Motorbauteil wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, wobei das bewegliche Motorbauteil eine Welle mit einem freien Wellenende mit einer Länge w und eine Nabe mit einer Bohrung umfasst, in welche das Wellenende über eine Verbindungslänge v befestigt ist.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verhältnis zwischen der Verbindungslänge v und der Länge w des Wellenendes kleiner ist als 0,76.
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Mit anderen Worten beruht die Erfindung darauf, dass das Wellenende nicht in seiner gesamten Länge mit der Nabe verbunden ist, sondern nur höchstens zu 76% oder weniger der Länge.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung weist die Bohrung der Nabe eine kegelförmige Senkung auf, in deren Verlauf das Wellenende nicht mit der Nabe verbunden ist.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Bohrung der Nabe eine Zylindersenkung auf, in deren Verlauf das Wellenende nicht mit der Nabe verbunden ist. Die Zylindersenkung kann auch mit einer kegelförmigen Senkung kombiniert werden.
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Die Senkung an der Bohrung der Nabe, gemäß den oben beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung, kann ergänzt werden durch eine Abfasung oder einem Radius am Wellenende, die ebenfalls den Kontakt zwischen dem Wellenende im Bereich der Abfasung bzw. des Radius und der Nabe verhindert.
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Wichtig ist in allen Ausführungsformen, dass die Welle im Bereich des äußeren Wellenendes nicht mit der Nabe verbunden ist, d. h. die Verbindung zwischen Welle und Nabe erfolgt überwiegend am innen Ansatz des Wellenendes im Bereich des Radiallagers, damit die von der Nabe auf die Welle übertragene Kraft möglichst in der Nähe des Schwerpunktes des Spindelmotors angreift.
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Durch die kürzere Verbindungslänge im Vergleich zur Gesamtlänge des Wellenendes verkürzt sich die Länge des schwingungsfähigen Hebels des Wellenendes, so dass sich entsprechende Resonanzfrequenzen in höhere Frequenzbereiche von größer 2.5 kHz verschieben und die Gesamtsteifigkeit des Motors bzw. des Lagersystems verbessert wird. Ferner wird die Amplitude der Resonanzfrequenz deutlich reduziert. In diesem Frequenzbereich von größer 2.5 kHz stören die Vibrationen andere Geräte oder die Schreib-Leseeinreichtung des Festplattenlaufwerks nicht mehr.
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Bei dem Spindelmotor handelt es sich um einen Spindelmotor mit rotierender Welle, wobei das feststehende Motorbauteil eine Basisplatte, eine in der Basisplatte befestigte Lagerbuchse und die Statoranordnung des elektromagnetischen Antriebssystems umfasst.
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Das elektromagnetische Antriebssystem umfasst neben der Statoranordnung einen Rotormagneten, der an der Nabe angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager, vorzugsweise jedoch zwei fluiddynamische Radiallager, und ein fluiddynamisches Axiallager. Die Radiallager und das Axiallager umfassen Lagerflächen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Die Lagerflächen umfassen ferner Lagerrillenstrukturen, die bei Drehung des Lagersystems eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben, so dass im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird.
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Ferner kann in der Lagerbuchse ein mit Lagerfluid gefüllter Rezirkulationskanal angeordnet sein, der voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes miteinander verbindet und dadurch eine Zirkulation des Lagerfluids sowie einen Druckausgleich im Lager erlaubt.
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Der Lagerspalt hat in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein offenes Ende, welches durch Dichtungsmittel abgedichtet ist, wobei die Dichtungsmittel vorzugsweise eine konische kapillare Spaltdichtung umfassen.
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Ein Stopperring, der an einem Ende der Welle angeordnet ist, verhindert eine übermäßige axiale Bewegung der Welle und ein Herausfallen der Welle aus der Lagerbuchse. Bevorzugt ist die Lagerbuchse am unteren Wellenende, an dem der Stopperring angeordnet ist, durch eine Abdeckung verschlossen.
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Ein solcher erfindungsgemäßer Spindelmotor kann vorzugsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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1A zeigt einen vergrößerten Schnitt des Verbindungsbereiches zwischen Welle und Nabe von 1.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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2A zeigt einen vergrößerten Schnitt des Verbindungsbereiches zwischen Welle und Nabe von 2.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der radialen Übertragungsfunktion für verschiedene Verhältnisse von v/w.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung aufweist. 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 16, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise Lageröl, gefüllt ist. Es sind zwei fluiddynamische Radiallager 18, 22 ausgebildet, mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 14 drehbar in der Bohrung der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager sind durch Lagerrillenstrukturen 20, 24 gekennzeichnet, die bei Drehung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung erzeugen, so dass sich im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufbaut, der die Radiallager tragfähig macht. Die Radiallager 18, 22 sind durch einen Separatorspalt 34 voneinander getrennt. Im Bereich des Separatorsspalts ist die Spaltbreite des Lagerspalts vergrößert.
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Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe 26 verbunden. 1 zeigt ein Lagersystem im sogenannten „Single Top-Thrust” Design, d. h. es ist ein einziges fluiddynamisches Axiallager 28 vorhanden, welches zwischen der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 10 und einer unteren Fläche der Nabe 26 ausgebildet ist. Der Lagerspalt 16 erstreckt sich axial entlang der Welle 10 und den Radiallagern 18, 22 und dann weiter radial entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 28. Eine der Lagerflächen des Axiallagers 28, vorzugsweise die Oberfläche der Lagerbuchse 10, ist mit Lagerrillenstrukturen 30 versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung in Richtung radial nach innen auf das zwischen der Nabe 26 und der Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausüben. Es entsteht ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 16 im Bereich des Axiallagers, so dass das Axiallager 28 tragfähig wird.
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Das Lagersystem ist an einem unteren Ende der Welle durch eine Abdeckung 42 verschlossen, die in der Aussparung in der Lagerbuchse 10 dem unteren Ende der Welle gegenüber liegend angeordnet ist. An diesem unteren Ende der Welle 12 ist ein vorzugsweise einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 38 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Durchmesser der Welle 12 aufweist. Der Stopperring 38 verhindert eine übermäßige axiale Bewegung der Welle 12 und ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10, indem er an eine Stufe der Lagerbuchse 10 anschlägt.
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Zwischen einem Spalt 36 am radial äußeren Rand des Axiallagers 28 und einem Spaltbereich, der an den Außendurchmesser des Stopperrings 38 angrenzt, ist ein Rezirkulationskanal 32 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 32 ist in der Lagerbuchse angeordnet und verbindet voneinander entfernte Bereiche des Lagerspalts 16 miteinander. Der Rezirkulationskanal 32 verläuft von einem an den Stopperring 38 angrenzenden Bereich des Lagerspalts 16 bis zu einem im radial äußeren Bereich des Axiallagers 28 liegenden Spaltabschnitt 36 des Lagers. Durch die Lagerrillenstrukturen der Axial- und Radiallager wird eine überwiegend in Richtung des Stopperrings 38 gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausgeübt. Das Lagerfluid zirkuliert im Lagerspalt 16 ausgehend vom Axiallager 28 radial nach innen und über die Radiallager 18 und 22 nach unten und gelangt von dort über den Rezirkulationskanal 32 wieder an die Außenseite des Axiallagers 28, wo es durch die radial nach innen gerichtete Pumpwirkung des Axiallagers 28 wieder in Richtung der Radiallager 18, 22 gepumpt wird.
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Am Außendurchmesser des Axiallagers 28 geht der Lagerspalt 16 in den Spalt 36 mit vergrößerten Spaltbreite und dann in einen Dichtungsspalt 40 über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 fortsetzt und sich konisch nach außen in Form eines kapillaren Dichtungsspalts 40 erweitert.
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Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 46 gehalten, welche außerdem eine ringförmige Statoranordnung 48 trägt. Die Statoranordnung 48 ist umgeben von einem Rotormagneten 50, welcher an der Nabe 26 befestigt ist. Der Rotormagnet 50 ist um einen betimmten Betrag axial versetzt zur Statoranordnung 48 an der Nabe 26 befestigt. Dadurch ist die magnetische Mitte des Rotormagneten 50 etwas oberhalb der Mitte des Statorkerns angeordnet, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 46 hin gerichtete magnetische Kraft ergibt, welche der durch das fluiddynamische Axiallager 28 erzeugten Kraft entgegenwirkt. Denselben Zweck erfüllt ein ferromagnetischer Zugring 52, welcher axial unterhalb des Rotormagneten 50 an der Basisplatte 46 befestigt ist und ebenfalls der durch das fluiddynamische Axiallager 28 erzeugten Kraft entgegenwirkt. Neben der magnetischen Kraft wirkt die Gewichtskraft auf den Rotor. Abhängig von der Lage des Spindelmotors im Raum ändert diese entsprechend ihre Richtung. Durch das hydrodynamische Axiallager wird eine hydraulische Kraft erzeugt, die bei Umdrehung des Rotors entgegengesetzt zur Richtung der magnetischen Kraft auf den Rotor wirkt und somit für ein Schweben des Rotors um einige Mikrometer oberhalb der Lagerbuchse sorgt.
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Die 1A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 1. Die Verbindung zwischen der Welle 12 und der Nabe 26 ist als Pressverbindung ausgebildet, wobei die Nabe 26 auf das Wellenende 12a aufgepresst ist. Damit die Welle 12 leichter in die Bohrung der Nabe 26 eingeführt werden kann, umfasst die Welle 12 eine Abfasung 12b, die sich etwa über ein Viertel der Länge w des Wellenendes 12a erstreckt. Die Bohrung in der Nabe 26 kann ferner eine konische Senkung 26a aufweisen. Durch die Abfasung 12b am Wellenende 12a ergibt sich zwischen der Welle 12 und der Nabe 26 eine effektive Verbindungslänge v, die wesentlich kürzer ist als die Gesamtlänge w des Wellenendes 12a. Es hat sich herausgestellt, dass es für die Steifigkeit und das radiale Schockverhalten günstig ist, wenn das Verhältnis zwischen der Verbindungslänge v und der Länge w des Wellenendes kleiner ist als 0,76.
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Die 2 und 2A zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spindelmotors, der in weiten Teilen identisch ausgebildet ist wie der Spindelmotor der 1 und 1a. Es sind daher gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und die allgemeine Beschreibung der Bauteile und der Funktionsweise dieser Bauteile, wie sie im Zusammenhang mit 1 angegeben wurde, gilt entsprechend auch für 2.
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Im Unterschied zur 1 ist bei den 2 und 2A der Verbindungsbereich zwischen der Welle 112 und der Nabe 126 anders ausgebildet. Die Länge w des Wellenendes 112a ist jedoch dieselbe. In dieser Ausgestaltung ist das Wellenende 112a der Welle 112 ebenfalls mit einer Abfasung 112b versehen, die jedoch im Vergleich zur 1 kürzer ausgebildet ist.
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Die Nabe 126 weist an der Bohrung zur Aufnahme der Welle 112 eine relativ flache konische Senkung 126a auf, die dann in eine zylindrische Senkung 126b übergeht, die zusammen mit der konischen Senkung 126a mindestens ein Viertel der Länge w des Wellenendes 112a beträgt. Die Verbindung zwischen Welle 112 und Nabe 126 ist durch die Senkungen 126a und 126b der Bohrung der Nabe 126 nur entlang einer Verbindungslänge v gegeben, wobei das Verhältnis v/w kleiner ist als 0,76.
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3 zeigt beispielhaft eine Darstellung einer radialen Übertragungsfunktion eines Spindelmotors, wobei die Stärke der Vibrations-Abhängigkeit in Form der Auslenkung pro Beschleunigung der Speicherplatte in Mikrometer pro g in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt ist.
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Man sieht verschiedene Graphen im Frequenzband zwischen 2000 Hz und 3000 Hz. Je kleiner das Verhältnis v/w ist, desto höher ist die Frequenz der Resonanzspitze und desto kleiner ist deren Amplitude der Übertragungsfunktion des Spindelmotors.
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Dies stimmt mit dem Ziel der Erfindung überein, das Resonanzverhalten und die strukturelle Steifigkeit des Spindelmotors zu verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagerbuchse
- 12, 112
- Welle
- 12a, 112a
- Wellenende
- 12b, 112b
- Abfasung
- 14
- Rotationsachse
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Radiallager
- 20
- Lagerrillenstrukturen
- 22
- Radiallager
- 24
- Lagerrillenstrukturen
- 26,126
- Nabe
- 26a, 126a
- Senkung
- 126b
- Zylindersenkung
- 28
- Axiallager
- 30
- Lagerrillenstrukturen
- 32
- Rezirkulationskanal
- 34
- Separatorspalt
- 36
- Spalt
- 38
- Stopperring
- 40
- Dichtungsspalt
- 42
- Abdeckung
- 44
- Speicherplatte
- 46
- Basisplatte
- 48
- Statoranordnung
- 50
- Rotormagnet
- 52
- Zugring
- v
- Verbindungslänge
- w
- Länge des Wellenendes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008039966 A1 [0002]
