DE102013015437A1

DE102013015437A1 - Fluiddynamisches Lagersystem und Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem

Info

Publication number: DE102013015437A1
Application number: DE201310015437
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse (10) und einer Welle (12), die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (16) drehbar angeordnet sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14) ausbilden, wobei der Lagerspalt (14) ein geschlossenes Ende und ein mittels eines Dichtungsspalts (38) abgedichtetes offenes Ende aufweist, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (18, 20) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (24) ausbilden, wobei an der Welle (12) ein Stopperbauteil (40) angeordnet ist, das an dem geschlossen Ende des Lagerspalts (14) in einer Aussparung (44) der Lagerbuchse (10) angeordnet ist, und zwischen dem Außenumfang des Stopperbauteils (40) und einem Innenumfang der Aussparung (44) der Lagerbuchse (10) ein axial verlaufender Spalt (48) vorgesehen ist. Der axial verlaufende Spalt (48) weist eine Breite (d) auf, die höchstens 20 mal breiter ist als die Breite (s) des Lagerspalts (14) im Bereich des Radiallagers (18, 20).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Elektromotoren, wie etwa von Spindelmotoren eingesetzt, welche wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken (Hard Disk Drives), Lüftern oder ähnlichem dienen.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme, wie sie zur Drehlagerung 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 dabei als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile zueinander innerhalb des Lagerspalts aufgrund der auf das Lagerfluid ausgeübten Pumpwirkung einen hydrodynamischen Druck erzeugen beziehungsweise eine Förderung des Fluids in eine vorbestimmte Richtung bewirken.
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 gegenüber liegenden Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der einander zugewandten Oberflächen des Rotorbauteils und/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 ein solches Lager einem Schock, insbesondere einem axialen Schock, d. h. axialen Beschleunigungskräften, ausgesetzt, so bewegen sich die Welle und der Stopperring in axialer Richtung innerhalb der Lagerbuchse, wobei das Lagerfluid, das in einem Spalt zwischen Stopperring, Lagerbuchse und der Abdeckplatte angeordnet ist, aus diesen Bereichen des Lagerspalts in Richtung des offenen Endes des Lagerspalts verdrängt wird. Der Lagerspalt ist durch entsprechende Dichtungsmittel abgedichtet, die in einem solchen Fall ein Austreten des Lagerfluids aus dem Lagerspalt verhindern Abhängig von der Stärke der Beschleunigungskräfte ist es jedoch möglich, dass die Abdichtungen des Lagerspalts versagen und das Lagerfluid aus dem Lagerspalt austritt und die Umgebung des Lagers verschmutzt. Oftmals weisen fluiddynamische Lager einen sogenannten Rezirkulationskanal auf, der voneinander entfernte Enden des Lagerspalts direkt miteinander verbindet. Im extremen Schockfall kann das Lagerfluid durch diesen Rezirkulationskanal ungehindert vom Inneren des Lagers bis in den Dichtungsbereich strömen und das Lager verlassen.
Ein Spindelmotor mit einem typischen fluiddynamischen Lager ist in der DE 10 2009 037 519 A1 offenbart. Hier ist das Stopperelement am unteren Ende der Welle angeordnet. Der einseitig geöffnete Lagerspalt ist durch eine konische Kapillardichtung abgedichtet, die von dem Außenumfang der Lagerbuchse und einem zylindrischen Ansatz am Innenumfang der Nabe begrenzt ist. Auf dem Markt befindliche Fluidlager, die im wesentlichen der hier offenbarten Ausführung entsprechen, weisen einen axial verlaufenden Spalt auf, der sich zwischen dem Außenumfang des Stopperbauteils und dem Innenumfang der Aussparung der Lagerbuchse befindet, und dessen Breite etwa 50 mal der Breite des Lagerspalts im Bereich der Radiallager entspricht.
Die DE 10 2007 046 247 A1 offenbart einen Spindelmotor mit einer anderen Bauart eines fluiddynamischen Lagers, bei dem der Stopperring als radial auswärts gerichteter Rand an der Lagerbuchse ausgebildet ist. Der Rand bildet zusammen mit der Nabe oder einem mit der Nabe verbundenen Bauteil einen Labyrinthspalt, der zwischen dem Lagerspalt und dem Dichtungsspalt angeordnet ist. Im Falle eines axialen Schocks reduziert dieser Labyrinthspalt die Strömungsgeschwindigkeit des Lagerfluids in Richtung des Dichtungsspalts, so dass die Gefahr eines Austretens von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt erheblich verringert wird. Diese Konstruktion ist jedoch aufwändiger zu fertigen als das zuvor beschriebene Lager.
Die DE 10 2007 039 231 A1 zeigt einen Spindelmotor mit einer weiteren Bauart eines fluiddynamischen Lagers, bei dem auf einem Stopperelement, das am unteren Ende einer Welle angeordnet ist, ein unteres Radiallager angeordnet ist. Ein oberes Radiallager ist am oberen Ende der Welle auf einem kleineren Durchmesser angeordnet.
Die DE 10 2008 014 766 A1 zeigt einen Spindelmotor bei dem das Stopperelement am unteren Ende der Welle angeordnet ist. Der Lagerspalt ist einseitig geöffnet und durch eine konische Kapillardichtung abgedichtet. Die Radiallager sind auf gleichem Durchmesser angeordnet. Ein Rezirkulationskanal verbindet das offene mit dem geschlossenen Ende. Eine Abdeckplatte, die die Lagerbuchse verschließt, weist einen Kanal auf, der sich radial bis an den äußeren Rand erstreckt und dazu dient, durch die Montage des Lagers eingeschlossene Luft über den Rezirkulationskanal entweichen zu lassen.
In modernen Lagern werden 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.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine verbesserte Dämpfung bei einer axialen Krafteinwirkung und folglich eine höhere Schockfestigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Lagersteifigkeit zu verbessern und/oder die axiale Bauhöhe des fluiddynamischen Lagersystems zu verringern.
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, wobei zwischen einander zugeordneten Lagerflächen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt ausgebildet ist. Die Lagerflächen definieren mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager, wobei der Lagerspalt ein geschlossenes Ende und ein mittels eines Dichtungsspaltes abgedichtetes offenes Ende aufweist. An der Welle befindet sich ein Stopperbauteil, das an dem geschlossenen Ende des Lagerspalts in einer Aussparung der Lagerbuchse angeordnet ist. Zwischen dem Außenumfang des Stopperbauteils und einem Innenumfang der Aussparung der Lagerbuchse befindet sich ein axial verlaufender Bereich des Lagerspalts.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass dieser axial verlaufende Spalt höchstens 20 Mal breiter ist als der Lagerspalt im Bereich des Radiallagers.
Dieser axiale Spalt wirkt als Engstelle bzw. Drossel für das Lagerfluid. Im Falle eines axialen Schocks auf das Lager wird das in der Aussparung des Stopperbauteils befindliche Lagerfluid schlagartig beschleunigt, insbesondere durch die Relativbewegung zwischen Stopperbauteil und Lagerbuchse. Der axiale Spalt drosselt die Fließbewegung des Lagerfluids entlang des Stopperbauteils und erhöht die axiale Dämpfung des Lagersystems.
Dieser axiale Spalt verhindert somit auch, dass das Stopperbauteil bereits bei mittlerer Schockeinwirkung die Oberflächen der Lagerbuchse berührt.
Vorzugsweise ist der axiale Spalt nur 2- bis 10-mal breiter als der Lagerspalt im Bereich des Radiallagers. Bei einer typischen Breite des Lagerspalts im Bereich der Radiallager von 1,5 bis 3,5 Mikrometer ist der axiale Spalt vorzugsweise zwischen 3 und 35 Mikrometern breit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind am Außenumfang des Stopperbauteils und/oder am Innenumfang der Aussparung der Lagerbuchse Pumprillenstrukturen angeordnet.
Bei Drehung des Stopperbauteils in der Aussparung der Lagerbuchse üben diese Pumprillenstrukturen eine dynamische Pumpwirkung auf das im axialen Spalt befindliche Lagerfluid aus. Diese Pumpwirkung ist vorzugsweise in Richtung des offenen Endes des Lagerspaltes, also in Richtung der Radiallager, gerichtet.
Die Pumprillenstrukturen verbessern die axiale Dämpfung des Lagers bzw. die Verteilung des Lagerfluids im Lager und können erfindungsgemäß einen Teil der Lagerrillenstrukturen des unteren Radiallagers bilden.
Das untere Radiallager kann sowohl symmetrische als auch asymmetrische Lagerrillenstrukturen aufweisen. Während die symmetrisch ausgebildeten Lagerrillen keine Pumprichtung erzeugen, können die asymmetrischen Lagerrillen beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie insgesamt eine gerichtete Pumpwirkung nach unten, also in Richtung der Abdeckplatte, auf das Lagerfluid ausüben.
Wenn die Pumprillenstrukturen als Teil der Lagerrillenstrukturen des Radiallagers verwendet werden, kann die axiale Höhe des angrenzenden unteren Radiallagers reduziert werden. Dies vergrößert insbesondere die verfügbare Lagerspanne zwischen den beiden Radiallagern, was eine bessere Lagerstabilität zur Folge hat. Alternativ kann die Gesamtbauhöhe des Lagers bei gleich bleibender Lagerspanne verkleinert werden.
Das geschlossene Ende des Lagerspaltes ist durch einen in der Lagerbuchse verlaufenden Rezirkulationskanal mit dem offenen Ende des Lagerspaltes verbunden. Bisher war der Rezirkulationskanal im Bereich des geschlossenen Endes des Lagerspaltes direkt mit dem axialen Spalt am Außenumfang des Stopperbauteils verbunden. Beim Gegenstand der Erfindung ist der Rezirkulationskanal nun über mindestens eine radiale Verbindung in Form einer Aussparung oder eines radial verlaufenden Verbindungskanals mit dem axialen Spalt am Außenumfang des Stopperbauteils verbunden.
Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass Lagerfluid aus dem Bereich der Aussparung, in welcher das Stopperelement angeordnet ist, bei einer Schockeinwirkung unmittelbar über den Rezirkulationskanal ungebremst in den Bereich des offenen Endes des Lagerspaltes gelangen kann und evtl. die Dichtungsbarrieren überwindet und aus dem Lager austritt.
Es ist also eine zusätzliche Drosselwirkung vorgesehen dadurch, dass die Verbindung zwischen dem axialen Spalt am Außenumfang des Stopperbauteils und dem Rezirkulationskanal nicht direkt, sondern durch mindestens eine definierte Verbindung in Form eines radial verlaufenden Verbindungskanals gewährleistet ist, der im Falle eines Schockes die Durchflussmenge des Lagerfluids und auch die Fließgeschwindigkeit in Richtung des Rezirkulationskanals reduziert. Dieser radial verlaufende Verbindungskanal kann entweder in der Stirnfläche der Lagerbuchse oder der gegenüberliegenden Fläche der Abdeckplatte oder in beiden vorgenannten Bauteilen angeordnet sein. Der radial verlaufende Verbindungskanal kann dabei eine Tiefe von beispielsweise 200 Mikrometern aufweisen.
Im Betrieb des Lagers liegt das Stopperbauteil in axialer Richtung nicht mittig in der Aussparung der Lagerbuchse, dabei weist der Lagerspalt im Bereich zwischen dem Stopperbauteil und der gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse eine axiale Höhe von beispielsweise 26 Mikrometern auf, während der Lagerspalt im Bereich zwischen dem Stopperbauteil und einer unteren Abdeckplatte eine axiale Höhe von beispielsweise 74 Mikrometern aufweist. Die Breite des axialen Spalts am Außenumfang des Stopperbauteils beträgt demgegenüber zwischen 3 und 40 Mikrometer. Dadurch wird eine Drosselwirkung und Durchflussbegrenzung für das Lagerfluid erreicht.
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 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors, der beispielsweise für Festplatten mit einem Durchmesser von 2,5 Zoll eingesetzt werden kann, mit erfindungsgemäßem fluiddynamischem Lager.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Lagersystems von 1 im Bereich des Stopperbauteils
3 zeigt die Unteransicht der Lagerbuchse mit nicht montierter Welle und ohne Abdeckplatte.
4 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors, der beispielsweise für Festplatten mit einem Durchmesser von 3,5 Zoll eingesetzt werden kann, mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischem Lager.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der beispielsweise für Festplatten mit einem Durchmesser von 2,5 Zoll eingesetzt werden kann, mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Lagerbohrung aufweist und in einer Basisplatte 30 angeordnet ist, mit der zusammen sie das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbilden. Die Lagerbuchse 10 hat beispielsweise einen Außendurchmesser von ca. 6–7 mm; die Lagerbohrung hat einen Durchmesser von ca. 2,5 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 dessen Breite, abhängig von der Stelle im Lager, zwischen 1,5 und 74 Mikrometern variiert. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und der Lagebuchse 10 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 18, 20 aus, mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar in der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager 18, 20 sind jeweils durch Lagerrillenstrukturen 18a, 20a gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 angeordnet sind. Zwischen den Radiallagern 18, 20 befindet sich ein Separatorspalt 19, in dessen Bereich die Spaltbreite des Lagerspalts 14 deutlich größer ist, als die Spaltbreite des Lagerspalts 14 im Bereich der Radiallager 18, 20. Der Lagerspalt 14 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerrillenstrukturen 18a, 20a 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, 20 tragfähig macht. Das obere Radiallager 18 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 18a, die eine gerichtete Pumpwirkung erzeugen und das Lagerfluid überwiegend in das Lagerinnere, d. h. Richtung des unteren Radiallagers 20 fördern. Das untere Radiallager 20 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen 20a, die eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 14 erzeugen. Es kann vorgesehen sein, dass das untere Radiallager 20 ebenfalls asymmetrische Lagerrillenstrukturen 20a aufweist. In diesem Fall sind die Lagerrillenstrukturen 20a so ausgebildet, das sie eine Pumpwirkung nach unten in Richtung des unteren Endes der Welle 12 erzeugen.
Ein freies oberes Ende der Welle 12 ist mit einem Rotorbauteil 22 verbunden, welches etwa topfförmig ausgebildet ist und einen inneren zylindrischen Ansatz 22a aufweist, der die Lagerbuchse 10 teilweise umgibt. Eine untere, ebene Fläche des Rotorbauteils 22 bildet zusammen mit einer angrenzenden Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 24 aus. Die Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ist durch einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 14 von der unteren Fläche des Rotorbauteils 22 getrennt. Die Stirnfläche der Lagerbuchse 10 oder die gegenüberliegende Fläche des Rotorbauteils 22 mit vorzugsweise spiralförmigen Lagerrillenstrukturen 24a versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine radial nach innen in Richtung des Radiallagers 18 gerichtete Pumpwirkung auf das im radialen Abschnitt des Lagerspalt 14 zwischen dem Rotorbauteil 22 und der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 24 tragfähig wird.
Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 30 des Spindelmotors angeordnet. Radial außerhalb der Lagerbuchse 10 weist die Basisplatte 30 einen Rand auf, an welchem eine Statoranordnung 32 angeordnet ist, die aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen besteht. Diese Statoranordnung 32 liegt gegenüber von einem umlaufenden Rand 22b des Rotorbauteils 22, an welchem ein ringförmiger Rotormagnet 34 angeordnet ist. Der Rotormagnet 34 umgibt die Statoranordnung 32 in radialer Richtung unter Bildung eines Luftspalts. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Die Mitte der Statoranordnung 32 ist in axialer Richtung relativ zu der magnetischen Mitte des Rotormagneten 32 in Richtung nach unten zu der Basisplatte 30 hin verschoben. Dadurch entsteht eine magnetische Kraft, die der hydrodynamischen Lagerkraft des Axiallagers 24 entgegen wirkt und als axiale Vorspannung für das Lagersystem dient. Zusätzlich dazu kann unterhalb des Rotormagneten 34 ein ferromagnetischer Zugring 36 angeordnet sein, der vom Rotormagneten 34 magnetisch angezogen wird, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 30 hin gerichtete magnetische Kraft ergibt, die ebenfalls der hydrodynamischen Lagerkraft des Axiallagers 24 entgegen wirkt und ebenfalls der axialen Vorspannung des Lagersystems dient.
Wie man insbesondere aus 2 entnehmen kann, weist die Lagerbuchse 10 an ihrer in der Basisplatte 30 befestigten Seite eine Aussparung 44 auf, deren Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Der Durchmesser der Aussparung beträgt beispielsweise 3,45 mm und maximal 5 mm. Die Lagerbuchse 10 ist an dieser Seite durch eine Abdeckplatte 28 verschlossen. Innerhalb der Aussparung 44 der Lagerbuchse 10 ist ein Stopperbauteil 40 in Form eines Stopperrings angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser, beispielsweise 3,38 mm, im Vergleich zum Durchmesser der Welle 12 von ca. 2,5 mm aufweist. Die Aussparung 44, in welcher der Stopperring 40 angeordnet ist, ist mit dem Lagerspalt 14 verbunden und vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Bei einer übermäßigen axialen Bewegung der Welle 12 stößt der Stopperring 40 an einer Stufe 42 an, die durch den Übergang zwischen der Lagerbohrung und der Aussparung 44 gebildet wird. Der Stopperring 40 verhindert dadurch eine übermäßige axiale Bewegung und ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10.
Der Lagerspalt 14 verläuft in axialer Richtung entlang der beiden zwischen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 angeordneten Radiallagern 18, 20 und in radialer Richtung entlang des Axiallagers 24, das angeordnet ist zwischen der Oberseite der Lagerbuchse 10 und der Unterseite des Rotorbauteils 22. Ferner verläuft der Lagerspalt 14 im Bereich zwischen der Lagerbuchse 10 und dem Stopperbauteil 40 sowie zwischen der Abdeckplatte 28 und dem Stopperbauteil 40. Radial außerhalb des Axiallagers 24 geht der Lagerspalt 14 in einen Spalt mit größerer Spaltbreite über, welcher mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 14 radial nach außen und geht in einen axial verlaufenden Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse 10 und dem zylindrischen Ansatz 22a des topfförmigen Rotorbauteils 22 erstreckt und einen kapillaren Dichtungsspalt 38 bildet. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 10 sowie die innere Mantelfläche des Ansatzes 22a des Rotorbauteils 22 können in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse 16 verlaufen, sind jedoch vorzugsweise in radialer Richtung im axialen Verlauf von der Ebene des Axiallagers 24 zur Basisplatte 30 leicht nach innen zur Rotationsachse 16 geneigt und bilden die Begrenzung des kapillaren Dichtungsspaltes 38.
Das geschlossene Ende des Lagerspaltes 14 im Bereich der Aussparung 44, in welcher das Stopperbauteil 40 angeordnet ist, ist mittels eines Rezirkulationskanals 26 mit dem offenen Ende des Lagerspaltes 14 verbunden. Der Rezirkulationskanal 26 ist in der Lagerbuchse 10 angeordnet und verläuft in axialer Richtung oder wie dargestellt leicht schräg in einem spitzen Winkel relativ zur Rotationsachse 16. Die obere Mündung des Rezirkulationskanals 26 befindet sich zwischen dem Axiallager 24 und dem Dichtungsspalt 38 und der Rezirkulationskanal endet in einer ringförmigen Rille 50, die zwischen der Lagerbuchse 10 und der Abdeckplatte 28 angeordnet ist und in der Stirnfläche der Lagerbuchse 10 und/oder in der gegenüberliegenden Stirnfläche der Abdeckplatte 28 eingearbeitet sein kann. Insbesondere mündet der Rezirkulationskanal 26 nicht innerhalb der Aussparung 44, in welcher der Stopperring 40 angeordnet ist, also insbesondere nicht im Bereich des Lagerspalts 14.
Zur Verbindung des in die Rille 50 mündenden Rezirkulationskanals 26 mit dem Lagerspalt 14 sind in der Lagerbuchse 10 und/oder der Abdeckplatte 28 ein oder mehrere radial verlaufende Verbindungskanäle 52 angeordnet, wie insbesondere in den 2 und 3 erkennbar ist.
Diese radial verlaufenden Verbindungskanäle 52 verbinden die ringförmige Rille 50 direkt mit dem radial verlaufenden Bereich des Lagerspalts 14, der zwischen der unteren Stirnseite des Stopperelements 40 und der Abdeckplatte 28 verläuft.
Ein axial verlaufender Spalt 48 zwischen dem Außendurchmesser des Stopperbauteils 40 und dem Innendurchmesser der Aussparung 44 in der Lagerbuchse 10 ist relativ schmal und weist erfindungsgemäß eine Breite d auf, die höchstens 20 Mal so breit ist, wie die Breite s des Lagerspalts 14 im Bereich der Radiallager 18, 20. Die Breite d des Spalts 48 am Außendurchmesser des Stopperelementes 40 ist vorzugsweise zwischen 2 und 10 mal so breit, wie die Breite s des Lagerspalts 14 im Bereich der Radiallager 18, 20. Letzteres entspricht einer Breite d von 3 bis 35 Mikrometern bei einer Breite s von 1,5 bis 3,5 Mikrometern.
Die Verbindungskanäle 52 in der Oberfläche der Lagerbuchse 10 bzw. der Abdeckplatte 28 sind mindestens so tief wie die Breite des radial verlaufenden Bereichs des Lagerspalts 14 zwischen dem Stopperbauteil 40 und der Abdeckplatte 28, d. h. 74 Mikrometer. Der Verbindungskanal 52 ist aber vorzugsweise maximal 100-mal so tief wie der axial verlaufende Bereich des Lagerspalts 14 im Bereich der Radiallager 18, 20, damit die Drosselwirkung nicht gefährdet wird.
Der Rezirkulationskanal 26 ist vorzugsweise nicht unmittelbar mit dem Lagerspalt 14 verbunden, sondern indirekt über zwei Engstellen, zum einen über den axialen Spalt 48 und zum anderen über die Verbindungskanäle 52. Diese Engstellen 48, 52 stellen einen Strömungswiderstand für das im Lager zirkulierende Lagerfluid dar und erhöhen die Dämpfungswirkung des Lagers, insbesondere im Schockfall, indem diese Engstellen 48, 52 ein zu schnelles Durchströmen des Lagerfluids von dem Lagerspalt 14 durch den Rezirkulationskanal 26 in Richtung des Dichtungsspaltes 38 verhindern und drosseln.
In der 3 erkennt man insbesondere die Unterseite der Lagerbuchse 10 und die in der Oberfläche der Abdeckplatte 28 bzw. der Lagerbuchse 10 angeordnete Rille 50, die über die Verbindungskanäle 52 mit dem zwischen dem Außenumfang des Stopperbauteils 40 und dem Innenumfang der Aussparung 44 axial verlaufenden Spalt 48 verbunden ist.
Zur Verbesserung der Druckverhältnisse im Lager bzw. der Zirkulation des Lagerfluids im Lager können am Außenumfang des Stopperelements 40 bzw. am Innenumfang der Aussparung 44 der Lagerbuchse 10 Pumprillenstrukturen 40a angeordnet sein. Diese Pumprillenstrukturen 40a erzeugen bei Drehung des Stopperbauteils 40 in der Aussparung 44 eine Pumpwirkung auf das im Spalt 48 befindliche Lagerfluid. Durch diese Pumpwirkung wird das Lagerfluid in Richtung des Radiallagers 20 gefördert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können die Pumprillenstrukturen 40a einen Teil des unteren Radiallagers 20 ersetzen, so dass insbesondere die an das Stopperelement 40 angrenzenden Lagerrillenstrukturen 20a und deren untere Äste kürzer ausgebildet werden können. Insbesondere sind die unteren Äste der Lagerrillenstrukturen 20a des unteren Radiallagers 20 in axialer Richtung kürzer ausgebildet als die oberen Äste der Lagerrillenstrukturen 20a des unteren Radiallagers 20. Dadurch erhöht sich der axiale Abstand (bearing span) zwischen den beiden Radiallagern 18, 20 und somit die Stabilität des Lagers.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bauhöhe des Lagers durch diese Maßnahme reduziert werden, da das untere Radiallager 20 bis an die untere Stirnseite des Stopperelements 40 reicht.
Die Pumprillenstrukturen 40a am Außenumfang des Stopperelementes 40 pumpen in Richtung der Radiallager 18, 20, d. h. insofern die Pumprillenstrukturen 40a Teil des unteren Radiallagers 20 sind, kann das untere Radiallager 20 symmetrisch sein oder auch asymmetrisch ausgebildet werden und dann das Lagerfluid ebenfalls in Richtung des oberen Radiallagers 18 pumpen.
Die 4 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors, der beispielsweise für Festplatten mit einem Durchmesser von 3,5 Zoll eingesetzt werden kann, mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager. Der Motor ähnelt dem Motor aus 1, allerdings hat der hier dargestellte Motor eine deutlich größere axiale Bauhöhe. Anstatt eines einzigen Axiallagers 24, wie es in der Ausführung aus 1 angeordnet ist, sind hier zwei Axiallager 25a und 25b vorgesehen. Das Axiallager 25a ist entlang des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 14 angeordnet, der zwischen dem Stopperbauteil 40 und der Lagerbuchse 10 verläuft. Das Axiallager 25b. ist entlang des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 14 angeordnet, der zwischen dem Stopperbauteil 40 und der Abdeckplatte 28 verläuft.
Zwischen den beiden Axiallagern 25a, 25b sind Verbindungskanäle 54 vorgesehen, die eine gute Verteilung des Lagerfluids sowie einen Druckausgleich bei eventuellen Druckunterschieden im Lagersystem gewährleisten.
Das Rotorbauteil 22 ist in dieser Ausführung aus Aluminium gefertigt. Daher wird ein magnetischer Rückschluss 35 benötigt, der die Rückseite des Rotormagneten 34 magnetisch kurzschließt. Da in dieser Ausführung zwei Axiallager 25a, 25b vorgesehen sind, ist keine axiale Vorspannung des Lagersystems nötig und daher kein ferromagnetischer Zugring 36 wie in der 1 vorgesehen. Auch ist keine Verschiebung der magnetischen Mitte des Rotormagneten 34 relativ zur Mitte der Statoranordnung 32 vorgesehen. Die geometrische Mitte des Rotormagneten 34 ist jedoch gegenüber der Mitte der Statoranordnung 32 etwas in Richtung des Rotorbauteils 22 nach oben versetzt angeordnet, da sich durch den magnetischen Rückschluss 35 die magnetischen Feldlinien am oberen Ende des Rotormagneten 34 kurzschließen und sich dadurch die effektive axiale Länge des Rotormagneten 34 verkürzt.
Aufgrund der größeren Bauhöhe und des fehlenden Axiallagers 24 schließt sich der konische Dichtungsspalt 38 in axialer Richtung an den Lagerspalt 14 im Bereich oberhalb des oberen Radiallagers 18 an und ist somit axial nach oben in Richtung des Rotorbauteils 22 geöffnet.
Ein Rezirkulationskanal 26, der wie in 1 das geschlossene Ende des Lagerspaltes 14 im Bereich der Aussparung 44 mit dem offenen Ende des Lagerspaltes 14 verbindet ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen.
Bezugszeichenliste

10: Lagerbuchse
12: Welle
14: Lagerspalt
16: Rotationsachse
18: Radiallager
18a: Lagerrillenstrukturen
19: Separatorspalt
20: Radiallager
20a: Lagerrillenstrukturen
22: Rotorbauteil (Nabe)
22a: Ansatz
22b: Rand
24: Axiallager
24a: Lagerrillenstrukturen
25a: Axiallager
25b: Axiallager
26: Rezirkulationskanal
28: Abdeckplatte
30: Basisplatte
32: Statoranordnung
34: Rotormagnet
35: magnetischer Rückschluss
36: Zugring
38: Dichtungsspalt
40: Stopperbauteil
40a: Pumprillenstrukturen
42: Stufe
44: Aussparung
48: axialer Spalt
50: Rille
52: Verbindungskanal
54: Verbindungskanal
d: Breite des axialen Spalts
s: Breite des Radiallagerspalts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009037519 A1 [0006]
DE 102007046247 A1 [0007]
DE 102007039231 A1 [0008]
DE 102008014766 A1 [0009]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse (10) und einer Welle (12), die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (16) drehbar angeordnet sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14) ausbilden, wobei der Lagerspalt (14) ein geschlossenes Ende und ein mittels eines Dichtungsspalts (38) abgedichtetes offenes Ende aufweist, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (18, 20) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (24) ausbilden, wobei an der Welle (12) ein Stopperbauteil (40) angeordnet ist, das an dem geschlossen Ende des Lagerspalts (14) in einer Aussparung (44) der Lagerbuchse (10) angeordnet ist, und zwischen dem Außenumfang des Stopperbauteils (40) und einem Innenumfang der Aussparung (44) der Lagerbuchse (10) ein axial verlaufender Spalt (48) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der axial verlaufende Spalt (48) eine Breite (d) aufweist, die höchstens 20 mal breiter ist als die Breite (s) des Lagerspalts (14) im Bereich des Radiallagers (18, 20).
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (d) des axialen Spalts (48) vorzugsweise zwischen 2 und 10 mal breiter ist als die Breite (s) des Lagerspalts (14) im Bereich des Radiallagers (18, 20).
Fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse (10) und einer Welle (12), die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (16) drehbar angeordnet sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14) ausbilden, wobei der Lagerspalt (14) ein geschlossenes Ende und ein mittels eines Dichtungsspalts (38) abgedichtetes offenes Ende aufweist, wobei die Lagerflächen mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (18, 20) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (24) ausbilden, wobei an der Welle (12) ein Stopperbauteil (40) angeordnet ist, das an dem geschlossen Ende des Lagerspalts (14) in einer Aussparung (44) der Lagerbuchse (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang des Stopperbauteils (40) und/oder am Innenumfang der Aussparung (44) der Lagerbuchse (10) Pumprillenstrukturen (40a) angeordnet sind, die einen Teil der Lagerrillenstrukturen des Radiallagers (20) bilden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumprillenstrukturen (40a) eine dynamische Pumpwirkung auf das im axialen Spalt (48) befindliche Lagerfluid ausüben und das Lagerfluid in Richtung des Radiallagers (18, 20) pumpen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Radiallager (18) Lagerrillenstrukturen (18a) aufweist, die asymmetrisch ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Radiallager (20) Lagerrillenstrukturen (20a) aufweist, die asymmetrisch ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Ende des Lagerspalts (14) durch einen in der Lagerbuchse (10) verlaufenden Rezirkulationskanal (26) mit dem offenen Ende des Lagerspalts (14) verbunden ist, wobei der Rezirkulationskanal (26) nicht direkt sondern über mindestens einen radial verlaufenden Verbindungskanal (52) mit dem geschlossenen Ende des Lagerspalts (14) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (26) in eine ringförmige Rille (50) mündet, die in der Lagerbuchse (10) oder der Abdeckplatte (28) angeordnet ist, wobei mindestens ein Verbindungskanal (52) mit der Rille (50) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungskanal (52) an der an eine Abdeckplatte (28) angrenzenden Stirnseite der Lagerbuchse (10) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungskanal (52) an der an die Lagerbuchse (10) angrenzenden Stirnseite der Abdeckplatte (28) angeordnet ist.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 10, einer Basisplatte (30) zur Befestigung der Lagerbuchse (10), einem mit der Welle (12) verbundenen Rotorbauteil (22) und einem elektro-magnetischen Antriebssystem (32; 34), bestehend aus einem Rotormagneten (34) und einer Statoranordnung (32) zum Antrieb der Anordnung von Welle (12) und Rotorbauteil (22).
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 11 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte, und einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf, bzw. von der magnetischen Speicherplatte.