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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager, insbesondere mit einem sogenannten TCA-Lager (Top Cover Attached). Diese Art von Lager umfasst eine feststehende Welle, die an ihrem oberen freien Ende mit dem Motorengehäuse verbunden ist. Es ist mindestens ein fluiddynamisches Axiallager vorhanden. Falls nur ein einziges fluiddynamisches Axiallager verwendet wird, ist dieses vorzugsweise mittels eines magnetischen Axiallagers vorgespannt.
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Stand der Technik
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Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken umfassen heutzutage ausschließlich fluiddynamische Lagersysteme, die in vielfältigen Bauformen bekannt sind.
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Es gibt Bauformen mit einer rotierenden Welle, die in einer Lagerbuchse drehbar gelagert ist, sowie Bauformen mit einer feststehenden Welle, bei der die Lagerbuchse um die Welle rotiert.
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Bei den Bauformen mit feststehender Welle werden entweder konische Lagerbauformen oder die TCA-Lagerbauformen eingesetzt.
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Konische Lager sowie auch TCA-Lager zeichnen sich durch eine hohe Lagersteifigkeit aus, da sie eine feststehende Welle umfassen, die beidseitig mit einer Basisplatte oder einem Motorgehäuse verbunden ist. Diese Lagersysteme werden daher insbesondere für Festplattenlaufwerke hoher Zuverlässigkeit, wie z. B. Server-Festplattenlaufwerke, eingesetzt.
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Bei den konischen Lagern ist ein Ende der Welle unmittelbar in eine Bohrung der Basisplatte eingepresst.
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Bei den TCA-Lagern ist die Welle dagegen in einem feststehenden Lagerbauteil gehalten, das wiederum in einer Öffnung der Basisplatte befestigt, vorzugsweise eingeklebt, wird.
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2 zeigt einen Spindelmotor mit einem STTCA-Lager (Single Thrust TCA), wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110, mit einer zentralen Öffnung, in welche ein erstes feststehendes Lagerbauteil 116 eingeklebt bzw. eingepresst ist. Das feststehende Lagerbauteil 116 weist wiederum eine zentrale Bohrung auf, in welche eine Welle 112 eingepresst ist.
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Die feststehende Welle 112 ist von einem Rotorbauteil 114 umgeben, wobei zwischen dem Außenumfang der Welle 112 und dem Innenumfang des Rotorbauteils 114 ein Lagerspalt 120 von einigen Mikrometern Breite verbleibt. Der Lagerspalt ist mit einem geeigneten Lagerfluid gefüllt.
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Entlang eines axialen Abschnitts des Lagerspaltes 120 sind zwei fluiddynamische Radiallager 122, 124 angeordnet, welche durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Der Lagerspalt 120 setzt sich zwischen einer Stirnfläche des Rotorbauteils 114 und einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des ersten feststehenden Lagerbauteils 116 in radialer Richtung fort, wobei zwischen diesen beiden Teilen ein fluiddynamisches Axiallager 126 gebildet ist.
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Der Lagerspalt 120 ist beidseitig offen und wird in bekannter Weise durch entsprechende konische Kapillar-Dichtungsspalte 132 und 134 abgedichtet.
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Ein zweites feststehendes Lagerbauteil 118 ist an einem freien Ende der Welle befestigt oder mit diesem einteilig ausgebildet und bildet, angeordnet zwischen dem Dichtungsspalt 134 und dem Lagerspalt 120, eine fluiddynamische Pumpdichtung 136 aus, die durch Pumprillenlagerstrukturen gekennzeichnet ist. An diesem Ende des Lagers ist der Dichtungsspalt 134 durch eine Abdeckung 130 abgedeckt.
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Ein Rezirkulationskanal 128 verbindet die beiden entgegen gesetzten Enden des Lagerspalts 120 und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids sowie einen Druckausgleich im Lager.
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Das Rotorbauteil, das zweiteilig aus einer inneren Lagerbuchse und einer äußeren Nabe bestehen oder alternativ einteilig ausgebildet sein kann, wird angetrieben durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, bestehend aus einem Rotormagneten 142, der an der Nabe angeordnet ist und einer Statoranordnung 140, welche an der feststehenden Basisplatte 110 angeordnet ist.
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Ein ferromagnetischer Ring 138, der axial gegenüber dem Rotormagneten positioniert ist, erzeugt eine magnetische Anziehungskraft, die der Lagerkraft des einzigen Axiallagers 126 entgegen wirkt und für eine axiale Vorspannung des Lagersystems sorgt.
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Bei diesem Lager ist die Welle in das erste feststehende Lagerbauteil 116 eingepresst, welches wiederum vorzugsweise in eine Öffnung der Basisplatte 110 eingeklebt bzw. eingepresst ist.
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3 zeigt ein so genanntes konisches Lager, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Das Lager umfasst eine Basisplatte 210, in welcher eine Welle 212 in eine dafür vorgesehene Bohrung eingepresst ist. In einem gegenseitigen Abstand sind auf der Welle 212 zwei Lagerbauteile 216, 218 angeordnet, die konische Lagerflächen aufweisen.
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Diesen Lagerbauteilen 216, 218 sind zwei Lagerkonusse 217, 219 zugeordnet, die entsprechende konische Lagerflächen aufweisen. Zwischen den Lagerflächen der Lagerbauteile 216, 218 und den Lagerkonussen 217, 219 sind Lagerspalte 220a, 220b ausgebildet, die mit einem Lagerfluid gefüllt sind. Die beiden Lagerspalte 220a, 220b sind nicht miteinander verbunden und jeweils an beiden Enden offen und durch konische Kapillar-Dichtungsspalte 232a, 232b sowie 234a, 234b abgedichtet. Das konische Lager umfasst somit zwei separate Lagereinheiten 222 und 224, die zusammen in einem Rotorbauteil 214 gehalten sind.
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In jedem Lagerbauteil 216 und 218 sind Rezirkulationskanäle 228a, 228b vorgesehen.
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Die Lagereinheiten 222 und 224 sind nach außen durch Abdeckungen 230a, 230b abgedeckt.
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Im Inneren des Lagers können die Lagerspalte 220a, 220b zusätzlich durch Pumpdichtungen 236a, 236b abgedichtet sein, welche das Lagerfluid nach innen in den Lagerspalt 220a, 220b pumpen.
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Das bewegliche Lagerbauteil bestehend aus dem Rotorbauteil 214 und den Lagerkonussen 217 und 219 wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem in Rotation versetzt. Das Antriebssystem umfasst eine an der Basisplatte 210 angeordnete Statoranordnung 240, welche von einem an der Nabe oder am Rotorbauteil 214 angeordneten Rotormagneten 242 umgeben ist.
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Da konische Lager sehr kostspielig herzustellen sind, ist es ein Bedürfnis, diese konischen Lager durch ebenso stabile TCA-Lager zu ersetzen. Insbesondere ist angedacht, eine gemeinsame Basisplatte zu verwenden.
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Auf Grund der erforderlichen unterschiedlichen Innendurchmesser der Öffnungen der Basisplatte, entweder zur Aufnahme des ersten feststehenden Lagerbauteils beim TCA bzw. zur Aufnahme der Welle beim konischen Lager können jedoch entsprechende Lagerbauteile des TCA-Lagers bzw. konischen Lagers nicht gemeinsam verwendet werden.
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Auf Grund jedoch der unterschiedlichen Innendurchmesser der Basisplattenöffnung können die entsprechenden Lagervarianten nicht ohne größeren Aufwand mit derselben Basisplatte verwendet werden.
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Oft ist durch die Konstruktion des Stators ein Vergrößern der Öffnung in der Basisplatte limitiert, was somit einen größeren Aufnahmebereich für die Lagerbauteile verhindert oder zu sehr dünnen Wandstärken führt, die eine geforderte Lagerstabilität nicht gewährleisten.
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Daher kann ein TCA-Lager das aufwändigere und teurere konische Lager nur mit großen Anpassungsarbeiten ersetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem anzugeben, in welchem ein TCA-Lager zusammen mit einer Basisplatte eines konischen Lagers betrieben wird, wodurch sich eine höhere Steifigkeit des Lagersystems ergibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst das TCA-Lager eine verlängerte Welle und ein erstes feststehendes Lagerbauteil, wobei die Welle direkt mit dem ersten feststehenden Lagerbauteil und der Basisplatte verbunden ist. Das erste feststehende Lagerbauteil ist drehfest mit der Welle verbunden und hat vorzugsweise eine Querschnittsform ähnlich eines Blütenkelches. Dieses weist eine zentrische Bohrung zur Aufnahme der Welle auf und einen hohlzylindrischen Teil, welches das Rotorbauteil teilweise umfasst. Durch die über das erste feststehende Lagerbauteil bodenseitig axial herausragende Welle kann das TCA-Lager in eine für konische Lager vorgesehene Basisplatte eingepresst werden und somit ohne großen Mehraufwand als Lagervariante für entsprechende Festplattenanwendungen eingesetzt werden, in welchem bisher ein konisches Lager verbaut war. Durch die Verbindung der Welle mit der Basisplatte anstelle einer Verbindung des feststehenden Bauteils mit der Basisplatte wird die Struktur der Basisplatte weniger geschwächt, wodurch eine die Basisplatte eine bessere strukturelle Steifigkeit aufweist und infolge dessen während des Betriebes des Motors geringere Schwingungen und akustische Emissionen auftreten. Ferner ist es durch die Verbindung der Welle mit der Basisplatte möglich, einen Press-Sitz anstelle eines Klebesitzes vorzusehen, wodurch sich die Auspresskraft deutlich erhöht.
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Die Welle kann eine Stufe aufweisen, an der das erste, feststehende Lagerbauteil anliegt. Das erleichtert die Positionierung und Montage des ersten feststehenden Lagerbauteils. Im Gegensatz zum reinen TCA-Lager kann das erste, feststehende Lagerbauteil in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung dünnwandiger und leichter ausgeführt werden, da die notwendigen Haltekräfte, die bei Schockbelastung des Lagers auftreten, nun von der Welle selbst aufgenommen werden.
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Das erste, feststehende Lagerbauteil weist insbesondere eine an die Basisplatte angepasste Geometrie auf, um den verfügbaren Bauraum im Spindelmotor möglichst gut auszunutzen. Insbesondere kann das erste feststehende Lagerbauteil im Querschnitt kelchförmig ausgebildet sein, wobei dessen axiale sowie auch radiale Dicke im Bereich der Verbindung mit der Welle am größten ist. Die Basisplatte weist hierbei eine entsprechende kelchförmige Aussparung auf, in welcher das feststehende Lagerbauteil teilweise aufgenommen ist. Das feststehende Lagerbauteil ist vorzugsweise in einem Abstand zur Basisplatte an der Welle angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das erste, feststehende Lagerbauteil auch an der Basisplatte direkt anliegen. Dadurch wird bei einer Schockbelastung des Lagers die erforderliche Haltekraft über eine größere Fläche der Basisplatte verteilt.
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Bei allen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist angrenzend an einen radialen Abschnitt des Lagerspalts im Bereich des ersten Axiallagers ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster Dichtungsspalt angeordnet. Dieser erste Dichtungsspalt ist durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils beziehungsweise einer mit dem Rotorbauteil verbundenen Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils begrenzt.
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Jenseits des ersten Dichtungsspalts ist vorzugsweise eine Labyrinthdichtung in Form eines Luftspalts vorgesehen. Die Labyrinthdichtung kann entweder durch schräg zur Drehachse verlaufende Oberflächen des ersten Lagerbauteils und einer mit dem Rotorbauteil verbundenen Nabe begrenzt sein, oder die Labyrinthdichtung wird durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils beziehungsweise einer mit dem Rotorbauteil verbundenen Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils begrenzt. Es kann auch eine Kombination dieser beiden Ausgestaltungen der Labyrinthdichtung möglich sein. Die Labyrinthdichtung vermindert die Verdunstung des im Dichtungsspalt enthaltenden Lagerfluids und erhöht dadurch die Lebensdauer des Spindelmotors. Die Labyrinthdichtung verläuft idealerweise zumindest partiell in axialer Richtung und weist vorzugsweise einen möglichst geringen radialen Spalt auf.
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Durch die erfindungsgemäße Bauart des Spindelmotors wird der Lagerabstand, d. h. der Abstand zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern im Vergleich zum konischen Lager etwas geringer, aber ansonsten sind die Lagereigenschaften vergleichbar mit einem konischen Lager, insbesondere was die Laufruhe und Steifigkeit des Lagers betrifft.
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Ferner weist ein solches Lager einen geringeren Strombedarf als ein konisches Lager und eine ebenso große Robustheit auf.
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Eine mögliche Direktmontage des Lagersystems in das Gehäuse eines Festplattenlaufwerkes über die in die Basisplatte eingepresste Welle bietet wesentliche Prozessvorteile gegenüber der Montage des Lagerbauteils in der Basisplatte, die nun ohne nachteilige Klebeverbindungen auskommt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das erste feststehende Lagerbauteil und die Basisplatte mittels einer Pressverbindung mit der Welle verbunden. Erfindungsgemäß ist die Welle besonders lang ausgebildet, wobei sie das feststehende Lagerbauteil vollständig durchdringt und an ebendiesem Ende in die Basisplatte eingepresst ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Rotorbauteil entweder aus einem einteiligen Bauteil mit integrierter Lagerbuchse oder aus zwei Bauteilen mit einer radial innen liegenden Lagerbuchse und einer mit der Lagerbuchse verbundenen, diese radial außen umfassenden Nabe.
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An einem anderen Ende der Welle ist erfindungsgemäß ein zweites, feststehendes Lagerbauteil angeordnet, das vorzugsweise einteilig mit der Welle ausgebildet ist.
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Das zweite Lagerbauteil kann aber auch als separates Bauteil an der Welle befestigt sein, beispielsweise durch eine Press-, Klebe- oder Schweiß-Verbindung oder eine Kombination derartiger Verbindungen. Das zweite Lagerbauteil dient zur Abdichtung des Lagerspalts und als Stopperelement zur Begrenzung des axialen Spiels des Lagersystems. Ferner ist zwischen dem Außenumfang des zweiten Lagerbauteils und dem gegenüber liegenden Innenumfang der Lagerbuchse Pumpdichtung vorgesehen, welche das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren pumpt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und einer Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem STTCA-Lager gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem konischen Lager gemäß dem Stand der Technik.
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4 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors.
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Die Spindelmotoren, wie sie in den 2 und 3 dargestellt sind, wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung näher beschrieben. 2 zeigt einen Spindelmotor mit STTCA-Lager und 3 einen Spindelmotor mit konischem Lager.
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Erfindungsgemäß soll nun das konische Lager eines Spindelmotors mit möglichst geringem Aufwand durch ein TCA-Lager ersetzt werden.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischer Lageranordnung.
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Der Aufbau des fluiddynamischen Lagers entspricht im wesentlichen dem eines STTCA-Lagers gemäß der 2.
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Das Lagersystem umfasst eine Welle 12, an welcher ein erstes feststehendes Lagerbauteil 16 und ein in einem Abstand davon angeordnetes zweites feststehendes Lagerbauteil 18 angeordnet sind. Diese Bauteile bilden das feststehende Bauteil des Lagersystems.
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Im Zwischenraum zwischen der feststehenden Welle 12 und den beiden Lagerbauteilen 16 und 18 ist ein Rotorbauteil 14 um eine Rotationsachse 44 drehbar gelagert. Das Rotorbauteil bildet zusammen mit einer Nabe 15 den Rotor des Spindelmotors.
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Die Oberflächen der feststehenden Bauteile 12, 16 und 18 und die entsprechend zugewandten Oberflächen des Rotorbauteils 14 sind durch einen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der nur wenige Mikrometer breit und mit einem Lagerfluid gefüllt ist.
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Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 20 sind in einem Abstand voneinander zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 angeordnet. Die Radiallager 22, 24 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Innenwand der Lagerbohrung des Rotorbauteils bzw. dem Außenumfang der Welle 12 angeordnet sind. Durch diese Lagerrillenstrukturen wird bei Drehung des Lagers ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt erzeugt, der die Lager tragfähig macht. Die Lagerrillenstrukturen können beispielsweise sinusförmige oder fischgrätenförmig sein und symmetrisch oder unsymmetrisch im Bezug auf die Umfangslinie im Apex der Lagerflächen ausgebildet sein.
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Unterhalb des unteren Radiallagers 24 geht der Lagerspalt 20 in einen radialen Abschnitt über, der durch eine Stirnfläche des Rotorbauteils 14 und eine gegenüber liegende Fläche des Lagerbauteils 16 begrenzt ist.
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Entlang dieses radialen Abschnitts des Lagerspaltes 20 ist ein fluiddynamisches Axiallager 26 angeordnet, das ebenfalls durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet ist, die auf den Rotorbauteil 14 bzw. dem Lagerbauteil 16 angeordnet sind.
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Die Axiallagerrillen sind beispielsweise spiralrillenförmig ausgebildet und derart angeordnet, dass diese das im Lagerspalt 20 befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung des Radiallagers 24 pumpen.
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An diesem Ende ist der Lagerspalt 20 durch einen ersten konischen Kapillar-Dichtungsspalt 32 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 32 ist durch eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 und eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 begrenzt und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Die innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 und eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 sind dabei beide im axialen Verlauf in Richtung zum Lageräußeren zumindest partiell radial nach innen geneigt, wobei die äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 gemessen zur Drehachse einen größeren Neigungswinkel aufweist, wodurch sich im axialen Verlauf zum Lageräßeren ein sich konisch öffnender kapillarer Dichtungsspalt ausbildet. Jenseits des ersten Dichtungsspalts 32 ist eine Labyrinthdichtung 48 in Form eines schmalen Luftspalts vorgesehen. Die Labyrinthdichtung 48 wird gebildet durch eine zur Drehachse 44 schräg verlaufende Oberfläche des ersten Lagerbauteils 16 und eine gegenüberliegende und schräg verlaufende Oberfläche der mit dem Rotorbauteil 14 verbundenen Nabe 15. Die Labyrinthdichtung 48 erschwert ein Austreten von verdampftem Lagerfluid aus dem Lagerspalt 32 und erhöht somit die Lebensdauer des Spindelmotors.
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Am gegenüber liegenden Ende ist ein zweiter Dichtungsspalt 34 angeordnet, der durch eine äußere Umfangsfläche des zweiten Lagerbauteils 18 sowie eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 begrenzt ist.
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Die beiden Dichtungsbereiche 32, 34 verlaufen in etwa parallel zur Rotationsdrehachse 44 und sind je nach Betriebszustand des Lager mehr oder weniger mit Lagerfluid gefüllt.
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Ein Rezirkulationskanal 28 verbindet voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspaltes 20 direkt miteinander, so dass das Lagerfluid durch den gesamten Lagerspalt 20 hindurch zirkulieren und durch den Rezirkulationskanal 28 wieder zurück fließen kann und wodurch sich ferner ein Druckausgleich der mit dem Rezirkulationskanal verbundenen Lagerstellen einstellt.
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Oberhalb des zweiten Lagerbauteils 18 ist der Lagerspalt bzw. der Dichtungsspalt 34 durch eine Abdeckung 30 verschlossen, die ein Eindringen von Schmutz bzw. ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsbereich verhindern soll.
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Axial unterhalb des oberen Dichtungsspalts 34 kann ferner eine dynamische Pumpdichtung 36 vorgesehen sein, welche das im Dichtungsspalt 20 befindliche Lagerfluid nach unten in Richtung des ersten Radiallagers 22 fördert, sobald das Lagersystem in Drehung versetzt wird.
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Die Rillenstrukturen der Radiallager 22, 24, der Axiallager 26, 46 und der dynamischen Pumpdichtung 36 sind vorzugsweise alle auf den entsprechenden Oberflächen des Rotorbauteils 14 angeordnet. Dadurch wird die Herstellung der anderen Lagerbauteile vereinfacht.
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Ein Antrieb des Rotorbauteils 14 erfolgt durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das eine elektrische Statoranordnung 40 umfasst, die fest an der Basisplatte 10 angeordnet ist. Ein Rotormagnet 42 ist radial gegenüberliegend der Statoranordnung an der Nabe 15 des Rotors befestigt.
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Unterhalb des Rotormagneten 42 ist ein ferromagnetischer Ring 38 vorgesehen, der eine axiale magnetische Zugkraft auf den Rotormagneten 42 ausübt, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 26 gerichtet ist.
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Dieser ferromagnetische Ring erzeugt dadurch eine magnetische Vorspannung für das einzige Axiallager 26.
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Alternativ kann gegenüberliegend dem Axiallager 26 ein zweites Axiallager 46 angeordnet sein, welches in einem radialen Abschnitt des Lagerspaltes durch eine Lagerfläche des zweiten Lagerbauteils 18 und eine gegenüber liegende Lagerfläche des Rotorbauteils 14 gebildet ist. Wenn zwei fluiddynamische Axiallager 26, 46 vorgesehen sind, kann die magnetische Vorspannung durch den ferromagnetischen Ring 38 entfallen, da die beiden fluiddynamischen Axiallager sich gegenseitig stabilisieren.
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Die Basisplatte 10 ist von einem herkömmlichen konischen Lager entnommen, wobei das TCA-Lagersystem erfindungsgemäß in dieser Basisplatte befestigt wird, indem die Welle 12 verlängert ist, die das erste feststehende Lagerbauteil 16 durchdringt und mit ihrem freien Ende in der Basisplatte 10 eingepresst ist. Die Basisplatte 10 hat eine Aussparung mit abgeflachten Rändern, in welche das im Querschnitt etwa kelchförmige erste feststehende Lagerbauteil 16 eingepasst ist, ohne dass es die Basisplatte 10 berührt.
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Die Welle 12 geht durch das erste feststehende Lagerbauteil 16 hindurch, welches ebenfalls auf die Welle 12 aufgepresst ist.
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Charakteristisch für dieses Lager ist, dass beide Bauteile, das erste Lagerbauteil 16 sowie die Basisplatte 10, gleichermaßen mittels einer Pressverbindung mit der Welle 12 verbunden sind und das erste feststehende Lagerbauteil 16 teilweise in einer kelchförmigen Aussparung der Basisplatte 10 zu liegen kommt.
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4 zeigt einen Schnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem fluiddynamischen Lager. Der Aufbau dieses Spindelmotors entspricht im wesentlichen dem Aufbau des Spindelmotors von 1.
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Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 310, in welcher eine Welle 312 fest angeordnet ist. An der Welle sind zwei Lagerbauteile 316, 318 in einem Abstand voneinander fest angeordnet. Die beschriebenen Bauteile 310, 312, 316 und 318 bilden die feststehende Komponente des Spindelmotors.
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Die drehbare Komponente des Spindelmotors wird gebildet durch ein als Lagerbuchse ausgebildetes Rotorbauteil 314, das in dem Zwischenraum zwischen den beiden feststehenden Lagerbauteilen 316, 318 angeordnet ist.
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Zwischen dem Rotorbauteil 314, der Welle 312 und den beiden Lagerbauteilen 316, 318 ist ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt 320 gebildet. Entlang eines axial verlaufenden Abschnitts dieses Lagerspaltes 320 sind zwei Radiallager 322 und 324 angeordnet. Zwischen beiden Radiallagern 322 und 324 befindet sich ein Separatorspalt mit gegenüber den Radiallagerspalten deutlich größerem radialem Spaltabstand. Entlang von radialen Abschnitten des Lagerspalts 320 sind zwei Axiallager 326 und 346 angeordnet.
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An dem Rotorbauteil 314 ist eine Nabe 315 befestigt, welche die Last des Spindelmotors, beispielsweise Speicherplatten eines Festplattenlaufwerkes, trägt.
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Der Lagerspalt 320 wird durch zwei Dichtungsspalte 332, 334 abgedichtet. Ein erster Dichtungsspalt 332 schließt sich an einen radialen Abschnitt des Lagerspalts 320 radial außerhalb des ersten Axiallagers 326 an und wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorbauteils 314 und eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 316. An dem unteren Dichtungsspalt 332 schließt sich eine Labyrinthdichtung 348 in Form eines schmalen Luftspaltes an. Diese Labyrinthdichtung wirkt als Dampfsperre, welche verhindert, dass im Dichtungsspalt 332 verdampfendes Lagerfluid nach außen in den Motorraum gelangt.
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Ein zweiter Dichtungsspalt 334 schließt sich an einen radialen Abschnitt des Lagerspalts 320 radial außerhalb des oberen Axiallagers 346 an und wird im Unterschied zur 1 gebildet durch eine äußere Umfangsfläche des zweiten feststehenden Lagerbauteils 318 und eine innere Umfangsfläche der Nabe 315 anstelle des Rotorbauteils 314. Im Bereich des zweiten Dichtungsspaltes 334 kann in bekannter Weise eine dynamische Pumpdichtung 336 angeordnet sein, die durch Rillenstrukturen gekennzeichnet ist, die bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Dichtungsspalt 334 ausüben, welche das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren pumpt.
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An dieser Seite des Lagers ist der obere Dichtungsspalt 334 durch eine Abdeckkappe 330 verschlossen. Im Unterschied zu 1 ist die Abdeckkappe 330 nicht an einem Rand des Rotorbauteils 314 sondern an einem Rand der Nabe 315 angeordnet.
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Bei dem in der 4 dargestellten Lager besteht das Rotorbauteil 314 aus rostfreiem Stahl und die Nabe 315 besteht aus Aluminium zur Halterung von Glasdisks eines Festplattenlaufwerks. Vorzugsweise befinden sich hierbei die Pumprillen der dynamischen Pumpdichtung 336 in der Oberfläche der Aluminium-Nabe 315. Zur Herstellung der Pump- und Lagerrillen des Axial- und Radiallagers wird das Rotorbauteil 314 bevorzugt zuerst innerhalb der Nabe 315 befestigt, bevor mittels elektrochemischer Maschinierung (ECM) die Radial- und Axiallagerrillen in das Rotorbauteil 314 sowie zugleich die Pumprillen der dynamischen Pumpdichtung in die Nabe 315 maschiniert werden.
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Das erste feststehende Lagerbauteil 316 ist im Querschnitt etwa kelchförmig ausgebildet, weist jedoch eckige Konturen auf. Das erste feststehende Lagerbauteil 316 liegt in einer etwa rechteckigen Aussparung der Basisplatte 310, berührt die Basisplatte 310 aus Toleranzgründen jedoch vorzugsweise nicht, sondern ist an der Welle 312 in einem bestimmten Abstand zur Basisplatte 310 angeordnet.
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An der Basisplatte 310 ist eine Statoranordnung 340 vorgesehen, die zusammen mit einem permanentmagnetischen Rotormagnet 342 und einem entsprechenden Rückschluss-Joch 350 zum elektromagnetischen Antriebssystem gehört. Das Joch 350 ist zusammen mit dem Rotormagneten 342 an einem Innenumfang der Nabe 315 angeordnet und durch einen Luftspalt radial von der Statoranordnung 340 getrennt. Dargestellt ist ein Außenläufer-Motor, jedoch ist ebenso gut ein Innenläufer-Motor einsetzbar.
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Ferner wird eine Fläche des oberen Dichtungsspaltes 334 durch die Nabe 315 gebildet, welche beispielsweise aus Aluminium, also einem relativ weichen Metall, besteht, während das Rotorbauteil 314 vorzugsweise aus Stahl besteht.
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Beim Lagersystem gemäß 1 sind die Lagerrillenstrukturen bzw. Pumprillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung 336 an dem stählernen Rotorbauteil 314 angeordnet.
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In der Ausgestaltung gemäß 4 befinden sich die Pumprillenstrukturen an der aus Aluminium bestehenden Nabe 315. Beim Zusammenbau des Lagers wird zunächst das Rotorbauteil 314 innerhalb der Nabe 315 befestigt, bevor beispielsweise mit elektrochemischer Abtragung die Lagerrillenstrukturen der Radiallager und Axiallagerrillen in das Rotorbauteil 314 und zugleich oder nacheinander die Rillenstrukturen der Pumpdichtung 336 in die Nabe 315 maschiniert werden.
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Im Rotorbauteil 314 ist ein schräg verlaufender Rezirkulationskanal 328 vorgesehen, welcher eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager ermöglicht. Dieser Rezirkulationskanal 328 verbindet den radialen Außenbereich des oberen Axiallagers 346 mit dem radialen Außenbereich des unteren Axiallagers 326. Da das untere Axiallager 326 einen größeren Außendurchmesser aufweist als das obere Axiallager 346, verläuft der Rezirkulationskanal 328 leicht geneigt um einen Winkel von vorzugsweise zwischen 2 Grad und 15 Grad und besonders bevorzugt zwischen 3 Grad und 8 Grad.
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Die Welle 312 weist zwei Wellenabschnitte 312a und 312b mit unterschiedlichen Durchmessern auf: Einen ersten Wellenabschnitt 312a mit größerem Durchmesser, der sich vom Bereich des ersten Lagerbauteils 316 über den Bereich des axial verlaufenden Lagerspaltes 320 im Inneren des Rotorbauteils 314 bis zum zweiten Lagerbauteil 318 erstreckt und einen zweiten Wellenabschnitt 312b mit einem geringfügig kleineren Durchmesser im Verbindungsbereich mit der Basisplatte 310. Zur Montage wird zunächst das erste Lagerbauteil 316 mittels einer Presspassung bei zusätzlicher Verklebung im Bereich des ersten Wellenabschnitts 312a an der Welle 312 befestigt. Anschließend wird die Welle 312 im Bereich des zweiten Wellenabschnitts 312b mittels einer Presspassung mit der Basisplatte 310 verbunden. Um zu vermeiden, dass Kleber in den Verbindungsbereich von Welle 312 und Basisplatte 310 gelangt bzw. um eine Reinigung des zweiten Wellenabschnittes 312b der Welle 312 zu vermeiden, ist der Durchmesser der Welle 312 im Bereich des zweiten Wellenabschnittes 312b kleiner als der Durchmesser der Welle 312 im Bereich des ersten Wellenabschnittes 312a.
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Bezugszeichenliste
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- 10,110, 310
- Basisplatte
- 12, 112, 312
- Welle
- 312a, 312b
- Wellenabschnitte
- 14, 114, 314
- Rotorbauteil
- 15, 315
- Nabe
- 16, 116, 316
- erstes feststehendes Lagerbauteil
- 18, 118, 318
- zweites feststehendes Lagerbauteil
- 20, 120, 320
- Lagerspalt
- 22, 122, 322
- Radiallager
- 24, 124, 324
- Radiallager
- 26, 126, 326
- Axiallager
- 28, 128, 328
- Rezirkulationskanal
- 30, 130, 330
- Abdeckung
- 32, 132, 332
- Dichtungsspalt
- 34, 134, 334
- Dichtungsspalt
- 36, 136, 336
- Pumpdichtung
- 38, 138
- ferromagnetischer Ring
- 40, 140, 340
- Statoranordnung
- 42, 142, 342
- Rotormagnet
- 44, 144, 344
- Drehachse
- 46, 346
- Axiallager
- 48, 148, 248, 348
- Labyrinthdichtung
- 50, 250, 350
- Joch
- 210
- Basisplatte
- 212
- Welle
- 214
- Rotorbauteil
- 216
- Lagerbauteil
- 217
- Lagerkonus
- 218
- Lagerbauteil
- 219
- Lagerkonus
- 220a, 220b
- Lagerspalt
- 222
- konisches Lager
- 224
- konisches Lager
- 228a, 228b
- Rezirkulationskanal
- 230a, 230b
- Abdeckung
- 232a, 232b
- Dichtungsspalt
- 234a, 234b
- Dichtungsspalt
- 236a, 236b
- Pumpdichtung
- 240
- Statoranordnung
- 242
- Rotormagnet
- 244
- Drehachse
