DE102014007155A1

DE102014007155A1 - Fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor

Info

Publication number: DE102014007155A1
Application number: DE102014007155.3A
Authority: DE
Inventors: Olaf Winterhalter; Thomas Fuss
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2014-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit einer ersten feststehenden Lagerkomponente, welche mindestens eine in einer Lagerbohrung angeordnete Welle (12), ein die Welle aufnehmendes feststehendes Lagerbauteil (16) und ein an der Welle angeordnetes ringförmiges Lagerbauteil (18) umfasst, und einer zweiten drehbaren Lagerkomponente, welche mindestens ein Rotorbauteil (14) mit einer Lagerbuchse (14a) umfasst, wobei die beiden Lagerkomponenten durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (20) voneinander getrennt und mittels zwei axial voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallagern (22a, 22b) und mindestens einem fluiddynamischen Axiallager (26) relativ zueinander drehgelagert sind, wobei der Lagerspalt (20) zwei offene Enden aufweist, die durch Dichtungsspalte (32, 34) abgedichtet sind, und die Lagerbuchse (14a) eine im Wesentlichen radial verlaufende ringförmige Fläche (48) ausbildet, die mit einer gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils (18) einen radial verlaufenden ringförmigen Spalt (47) bildet, der den Lagerspalt (20) mit einem ersten Dichtungsspalt (32) verbindet. Erfindungsgemäß ist in einem radial außen liegenden Abschnitt des ringförmigen Spaltes (47) in der ringförmigen Fläche (48) der Lagerbuchse (14a) oder in der gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils (18) eine umlaufende Rille (46) vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor zur Lagerung eines drehbaren Motorbauteils relativ zu einem feststehenden Motorbauteil. Derartige Spindelmotoren werden beispielsweise zum Antrieb von Speicherplatten in Festplattenlaufwerken verwendet.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind auf die Anmelderin zurückgehende Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem bekannt, bei denen zur Lagerung eines Rotorbauteils ein fluiddynamisches Lagersystem verwendet wird, das aus einer Kombination von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager und mindestens einem fluiddynamischen Axiallager besteht. Ein fluiddynamisches Lagersystem besteht in der Regel aus einer feststehenden Lagerkomponente und einer beweglichen Lagerkomponente, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt und um eine gemeinsame Rotationsachse relativ zueinander drehgelagert sind. In bekannter Weise sind mit Lagerrillenstrukturen versehene Lagerflächen vorhanden, die bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerrillenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf eine oder beide jeweils einander gegenüber liegende Lagerflächen aufgebracht. Bei Drehung der Lagerbauteile relativ zueinander erzeugen die Lagerrillenstrukturen im Lagerspalt einen hydrodynamischen Druck. Durch diesen hydrodynamischen Druck werden die beiden zueinander rotierenden Lagerbauteile durch entsprechende Lagerkräfte berührungsfrei voneinander getrennt und gelagert.
Ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der DE 10 2008 031 618 A1 offenbart. Dieses Lagersystem umfasst als feststehende Lagerkomponente eine Welle, die in einer Bohrung eines feststehenden Lagerbauteils gehalten ist. Eine bewegliche Lagerbuchse, die Teil eines Rotorbauteils ist, rotiert um die feststehende Welle. Das Lagersystem umfasst zwei in einem Abstand voneinander angeordnete fluiddynamische Radiallager und ein magnetisch vorgespanntes fluiddynamisches Axiallager. Auf Grund der Bauweise mit feststehender Welle umfasst der Lagerspalt zwei offene Enden, die jeweils durch einen Dichtungsspalt abgedichtet sind. Diese Dichtungsspalte sind beispielsweise als statische Kapillardichtungen oder dynamische Pumpdichtungen oder eine Kombination dieser beiden Dichtungsarten ausgebildet.
An einem Ende der Welle ist ein ringförmiges Lagerbauteil angeordnet, das als Stopperbauteil ausgebildet ist. Im Bereich des Stopperbauteils befindet sich ein erster Dichtungsspalt, entlang dessen vorzugsweise eine zusätzliche dynamische Pumpdichtung angeordnet ist. Der Dichtungsspalt ist über einen radial verlaufenden ringförmigen Spalt, der zwischen einer unteren Stirnseite des Stopperbauteils und einer oberen Stirnseite des Rotorbauteils angeordnet ist, mit dem Lagerspalt verbunden.
Die axiale Höhe des radial verlaufenden ringförmigen Spaltes ist relativ gering, so dass es bei einem axialen Schock auf das Lager vorkommen kann, dass die axiale Höhe des radial verlaufenden ringförmigen Spaltes sich schlagartig ändert. Wenn sich beispielsweise die axiale Höhe des radial verlaufenden ringförmigen Spalts schlagartig vergrößert, dann kann das Lagerfluid nicht schnell genug in das vergrößerte Volumen nach fließen und es kann sich ein Unterdruck bilden, der ein Austreten von Luftbläschen aus dem Lagerfluid begünstigt.
Die entstandenen Luftbläschen sammeln sich bevorzugt im Bereich dieses radial verlaufenden Spaltes und können auf Grund des sehr engen Dichtungsspaltes bzw. der entgegenwirkenden Pumpströmung der dynamischen Pumpdichtung nicht ohne weiteres über den Dichtungsspalt aus dem Lager entweichen. Wird die Ansammlung von Luft zu groß, so kann das den sicheren Betrieb des Lagers beeinträchtigen.
Ferner wurde beobachtet, dass es bei länger andauernden starken Vibrationen, die im Stillstand auf das Lager einwirken, vorkommen kann, dass durch diese Vibrationen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid verursacht wird und dadurch geringe Mengen an Lagerfluid über den Dichtungsspalt aus dem Lager entweichen, die demnach zur Schmierung nicht mehr zur Verfügung stehen und darüber hinaus eine Kontamination der Speicherplatten mit Lagerfluid bewirken können. Dies kann die Lebensdauer des Lagers beziehungsweise des Festplattenlaufwerks verringern.
Eine weitere Variante der Bauweise des oberen Abschnitts der Welle d. h. des Stopperelements ist in der DE 10 2011 025 369 A1 offenbart. Bei diesem Spindelmotor ist der Abstand der Radiallager (radial bearing span) vergrößert, um eine höhere Steifigkeit des Lagers zu erreichen, während gleichzeitig der obere Dichtungsbereich so gestaltet ist, dass das Lager resistenter gegen axialen Schock ist. Das Stopperelement ist hierfür als Teil der Welle ausgebildet und weist einen senkrecht zur Drehachse verlaufenden, flachen ringförmigen Abschnitt auf und einen daran sich anschließenden zylindrischen Abschnitt, der in axialer Richtung verläuft und in einer entsprechenden ringförmigen Nut des Rotorbauteils angeordnet ist.
Die Schrift US 2010/0296190 A1 zeigt ein beidseitig offenes Lager mit stehender Welle und zwei Axiallagern, die angeordnet sind auf zwei gegenüberliegenden Stirnseiten der Lagerbuchse.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor anzugeben, bei dem eine verbesserte Ausleitung von im Lager sich ansammelnden Luftblasen vorgesehen ist, und ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsbereich vermieden wird, so dass die Zuverlässigkeit des Lagersystems insgesamt erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine erste feststehende Lagerkomponente, die eine in einer Lagerbohrung angeordnete Welle, ein die Welle aufnehmendes feststehendes Lagerbauteil und ein an der Welle angeordnetes ringförmiges Lagerbauteil umfasst. Eine zweite drehbare Lagerkomponente umfasst mindestens ein Rotorbauteil mit einer Lagerbuchse, wobei die beiden Lagerkomponenten durch eine mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt und mittels zwei axial voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallagern und mindestens einem fluiddynamischen Axiallager relativ zueinander drehgelagert sind. Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, die durch Dichtungsspalte abgedichtet sind. Die Lagerbuchse umfasst eine radial verlaufende ringförmige Fläche, die mit einer gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils einen radial verlaufenden ringförmigen Spalt bildet, der den Lagerspalt mit einem ersten Dichtungsspalt verbindet.
Erfindungsgemäß ist im Bereich eines radial außen liegenden Abschnitts des ringförmigen Spaltes entweder in der ringförmigen Fläche der Lagerbuchse oder in der gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils eine umlaufende Rille vorgesehen. Die Rille ist vorzugsweise in der ringförmigen Fläche der Lagerbuchse angeordnet und kann prinzipiell einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
Aufgrund dieser Rille befindet sich im äußeren Bereich des radial verlaufenden Spaltes mehr Lagerfluid als im inneren Bereich, so dass im Schockfall das Lagerfluid in den inneren Bereich des radial verlaufenden Spaltes nach fließen kann und dort kein Unterdruck entsteht, der ein Ausgasen von Luftbläschen begünstigt. Je tiefer die umlaufende Rille ist, desto wirkungsvoller ist dieser Effekt.
Auch bei starken Vibrationen, die auf das Lagersystem einwirken, wird durch diese erfindungsgemäße Rille ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsbereich wirksam verhindert, da das Lagerfluid in dieser Rille gesammelt und zurückgehalten wird und somit im Lagersystem verbleibt. Auch hier ist steigt die Wirksamkeit des Effekts an je tiefer die Rille ist. Dieser Rückhalteffekt der Rille kann noch verstärkt werden, indem sichergestellt wird, dass die in dem ringförmigen Spalt endende Öffnung eines Rezirkulationskanals vorzugsweise zumindest teilweise direkt in die Rille mündet oder die Öffnung des Rezirkulationskanals über einen Verbindungskanal, der in der radial verlaufenden Fläche der Lagerbuchse bzw. innerhalb der Fläche des ringförmigen Lagebauteils eine Tiefe von 10 bis 400 Mikrometern aufweist, mit der umlaufenden Rille verbunden ist. Dadurch kann das in der Rille befindliche Lagerfluid bei Bedarf über den Rezirkulationskanal in andere Bereiche des Lagers zurück fließen.
Vorzugsweise weist die umlaufende Rille in der im Wesentlichen radial verlaufenden Fläche der Lagerbuchse bzw. der Fläche des ringförmigen Lagerbauteils (Stopperbauteils) in axialer Richtung eine Tiefe von 10 bis 400 Mikrometern und in radialer Richtung eine Breite von mindestens 100 Mikrometern auf. Die im Wesentlichen radial verlaufende Fläche der Lagerbuchse beinhaltet eine radial verlaufende Anschlagsfläche, die sich dadurch auszeichnet, dass sich lediglich zwischen dieser Anschlagsfläche und dem ringförmigen Lagerbauteil ein schmaler radial verlaufender Spalt ausbildet. Je geringer die Ausdehnung der Anschlagsfläche in radialer Richtung ist, desto weniger Reibung entsteht während der Rotation des Lagers, was einen geringeren Stromverbrauch zur Folge hat. Daher ist die Ausdehnung dieser Anschlagfläche in radialer Richtung vorzugsweise kleiner als zwei Drittel der Ausdehnung in radialer Richtung der weitgehend radial verlaufenden Fläche der Lagerbuchse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Tiefe der umlaufenden Rille mindestens sechsmal so groß wie die axiale Höhe des radial verlaufenden Spalts zwischen Anschlagsfläche und ringförmigem Lagerbauteil. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Tiefe der umlaufenden Rille mindestens zehnmal so groß wie die axiale Höhe des radial verlaufenden Spalts zwischen Anschlagsfläche und ringförmigem Lagerbauteil.
Die drehbare und die feststehende Lagerkomponente haben in axialer Richtung einen Spielraum (axial play) von 35 μm zueinander, das heißt sie können sich um 35 μm in axialer Richtung relativ zueinander bewegen. Bei Betrieb des Lagers stellt sich die drehbare Lagerkomponente auf eine bestimmte axiale Höhe ein, so dass der radial verlaufende Spalt zwischen Anschlagsfläche und ringförmigem Lagerbauteil bei Betrieb des Lagers eine axiale Höhe zwischen 15 μm und 25 μm aufweist.
Der Rezirkulationskanal ist bevorzugt um einen Winkel zwischen 3 Grad und 20 Grad relativ zur Rotationsachse des Lagers geneigt. Hierbei weist eine erste obere Öffnung einen geringeren Abstand zur Rotationsachse auf, als eine zweite untere Öffnung, die im Bereich eines radial verlaufenden Spalts zwischen dem Axiallager und einem zweiten Dichtungsspalt mündet. Die obere Öffnung des Rezirkulationskanals mündet dabei bevorzugt zumindest teilweise innerhalb der Anschlagsfläche. Der Rezirkulationskanal kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,4 mm und 0,7 mm aufweisen. Bevorzugt weist er einen Durchmesser von 0,4 mm oder 0,5 mm auf
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Rezirkulationskanals mindestens 40% der radialen Ausdehnung der radial verlaufenden Fläche des Lagerbauteils.
Die Ansammlung von Luftblasen im Lager bzw. deren Ausleitung in die Umgebung kann durch weitere erfindungsgemäße Maßnahmen verbessert werden. Der erste Dichtungsspalt ist vorzugsweise durch aneinander angrenzende Flächen des ringförmigen Lagerbauteils und der Lagerbuchse gebildet, wobei auf der den ersten Dichtungsspalt begrenzenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils oder der Lagerbuchse mindestens eine Entlastungsrille vorgesehen ist, die vorzugsweise parallel oder in einem Winkel von größer Null Grad in Bezug auf die Rotationsachse verläuft.
Diese Entlastungsrille wirkt im Wesentlichen als Kurzschluss entlang des Dichtungsspaltes, durch welchen sich im Bereich des radial verlaufenden Spaltes angesammelte Luftbläschen entlang des Dichtungsspalts in die Umgebung entweichen können. Im Lagersystem herrscht in der Regel ein größerer Druck als in der Umgebung (Atmosphärendruck). Die Luftblasen bewegen sich bekanntermaßen in Richtung des geringeren Drucks und werden somit entlang der Entlastungsrille aus dem Lagersystem ausgeleitet.
Die Entlastungsrille im Bereich des Dichtungsspalts hat eine ausreichende Tiefe, Breite bzw. Länge, damit die Luftbläschen ohne Schwierigkeiten durch die Entlastungsrille hindurch ins Freie entweichen können.
In bekannter Weise ist entlang des ersten Dichtungsspaltes zusätzlich eine dynamische Pumpdichtung mit Pumprillenstrukturen angeordnet, die eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren, also in Richtung des radial verlaufenden Spaltes, erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Entlastungsrille zur Ableitung der Luftbläschen entlang des Dichtungsspalts als Teil der Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung ausgebildet sein. Hierbei weist die Entlastungsrille vorzugsweise eine größere Länge als die restlichen Pumprillenstrukturen auf und kann zusätzlich eine größere Tiefe und/oder eine größere Breite aufweisen, so dass die beiden an den ersten Dichtungsspalt angrenzende Volumina über die Entlastungsrille verbunden sind und dadurch eine gute Ausleitung der angesammelten Luft aus dem Lager – entgegen der Pumprichtung der auf das Lagerfluid wirkenden Pumpdichtung – gegeben ist. Die Tiefe der Entlastungsrille im Bereich der dynamischen Pumpdichtung beträgt vorzugsweise mindestens 12 Mikrometer und liegt üblicherweise zwischen 0,05 mm und 0,2 mm. Die Breite kann zwischen 0,1 mm und 0,5 mm betragen und liegt üblicherweise zwischen 0,1 mm und 0,2 mm. Die Pumprillenstrukturen der dynamischen Pumpdichtung weisen üblicherweise eine Tiefe von 12 Mikrometern und eine Breite zwischen 0,1 mm und 0,2 mm auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können auf der Anschlagsfläche zwischen dem ringförmigen Lagerbauteil und der Lagerbuchse mehrere radial verlaufende oder schräg zum Radius verlaufende Rillen vorgesehen sein. Durch diese radial verlaufenden oder schräg zum Radius verlaufenden Rillen wird eine Verbesserung der Verteilung des Lagerfluids im ringförmigen Spalt erreicht. Diese Rillen begünstigen insbesondere auch im Falle eines Schockes den Fluss des Lagerfluids durch den radial verlaufenden Spalt. Die Rillen können entweder radial verlaufend ausgebildet sein, so dass sie bei einer Rotation des Lagersystems keine spezielle Pumpwirkung auf das Lagerfluid im radial verlaufenden ringförmigen Spalt ausüben. Die Rillen können aber auch schräg zum Radius angeordnet sein und bei einer Rotation des Lagersystems als Pumprillenstrukturen wirken, die das im radial verlaufenden Spalt befindliche Lagerfluid vorzugsweise nach innen in Richtung des Lagerspaltes pumpen. Vorzugsweise können diese Rillen eine größere Tiefe und/oder eine größere Länge und/oder eine größere Breite aufweisen als die Pumprillenstrukturen.
Sofern die Rillen schräg zur radialen Richtung ausgebildet sind und dadurch bei Rotation des Lagersystems eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen, können sie auch als zweites Axiallager wirken, welches eine Gegenkraft zum ersten, unten liegenden Axiallager erzeugt. Da größere Luftbläschen immer in Richtung des geringeren Drucks wandern, bewegen sich die Luftbläschen entgegen der Pumprichtung der schräg zur radialen Richtung ausgebildeten Rillen und können durch die Rillen hindurch in den Bereich der umlaufenden Rille wandern und dann entlang des ersten Dichtungsspalts durch die Entlastungsrille, die beispielsweise als Teil der dynamischen Pumpdichtung ausgebildet ist, nach außen entweichen.
Die Rillen auf der im Wesentlichen radial verlaufenden Fläche entlang des radial verlaufenden Spalts weisen vorzugsweise eine Tiefe von 10 Mikrometern bis 20 Mikrometern und eine Breite von 0,1 mm bis 0,5 mm auf.
Das fluiddynamische Lagersystem ist zur Drehlagerung eines Spindelmotors geeignet. Ein solcher Spindelmotor kann vorzugsweise in einem Festplattenlaufwerk eingesetzt werden und mindestens eine Speicherplatte drehend antreiben, wobei das Festplattenlaufwerk eine Schreib-Leseeinrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte aufweist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nun anhand der nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Hierbei ergeben sich aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
1a zeigt einen Schnitt durch den Spindelmotor von 1 mit einer abgewandelten Ausgestaltung des Details X von 1.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Rotorbauteils im Bereich des oberen Dichtungsspaltes gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Rotorbauteils im Bereich des oberen Dichtungsspaltes gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Details Y von 4.
6 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Details Y von 4.
7 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Details Y von 4.
8 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Details Y von 4.
9 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Details Y von 4.
10 zeigt eine perspektivische Aufsicht auf das Rotorbauteil.
11 zeigt eine perspektivische Aufsicht auf das Rotorbauteil gemäß 2.
12 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
13 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Details Z von 11.
14 zeigt eine abgewandelte Ausführung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
15 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Details Y von 4.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein feststehendes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das feststehende Lagerbauteil 16 ist im Querschnitt etwa becherförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher eine Welle 12 befestigt ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 12 ist ein ringförmiges Lagerbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 16 und 18 bilden das feststehende Lagerbauteil des Spindelmotors. Die Welle 12 weist an ihrem oberen Ende eine Gewindebohrung (nicht dargestellt) zur Befestigung an einem Gehäusedeckel des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks auf.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein Rotorbauteil 14 mit einer angeformten Lagerbuchse 14a, die in einem durch die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das obere ringförmige Lagerbauteil 18 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14a angeordnet. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, der Lagerbuchse 14a und der beiden Lagerbauteile 16, 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 angeordnet ist.
Die am Rotorbauteil 14 angeordnete Lagerbuchse 14a hat eine zylindrische Bohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausgebildet sind, welche durch einen dazwischen liegenden Separatorspalt 24 getrennt sind. Die Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22a, 22b, die mit sinus- oder parabelförmigen Lagerrillenstrukturen versehen sind.
An das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 14a und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des feststehenden Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen sind als zur Rotationsachse 38 senkrechte Kreisringe ausgebildet und bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26. Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14a, dem feststehenden Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b und das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen an Lagerflächen der Lagerbuchse 14a angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des feststehenden Lagerbauteils 16 vereinfacht.
Bevorzugt verlaufen die Lagerrillen des Axiallagers 26 ohne Unterbrechung innerhalb der Lagerbuchse 14a in radialer Richtung vom Bohrungsdurchmesser zur Aufnahme der Welle 12 bis zum Außenumfang der Lagerbuchse 14a. In einem radial innen liegenden Bereich des Axiallagers 26 beträgt der radiale Abschnitt des Lagerspalts 20 etwa 10 Mikrometer, während sich in einem radial außen liegenden Bereich der Lagerspalt 20 in einen etwa 20 Mikrometer bis 100 Mikrometer breiten Spalt 27 aufweitet, in den eine untere zweite Öffnung eines Rezirkulationskanals 28 mündet.
An den radial verlaufenden Spalt 27 schließt sich ein sich konisch öffnender, nahezu axial verlaufender, anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 34 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 14a und des feststehenden Lagerbauteils 16 gebildet wird und das offene Ende des Lagerspalts abdichtet. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 34 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 34 bildenden Flächen an der Lagerbuchse 14a und dem feststehenden Lagerbauteil 16 können jeweils relativ zur Rotationsachse 38 nach innen geneigt sein. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.
An der anderen Seite des Lagersystems ist die Lagerbuchse 14a im Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass sie eine im Wesentlichen radial verlaufende Fläche 48 (2) ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten ringförmigen Lagerbauteils 18 einen radial verlaufenden Spalt 47 bildet. An den radial verlaufenden Spalt 47 schließt sich ein axial verlaufender Dichtungsspalt 32 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 32 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbuchse 14a und des ringförmigen Lagerbauteils 18 begrenzt und weitet sich in Richtung seines äußeren Endes mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Entlang des Dichtungsspalts 32 ist vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 36 angeordnet, die Rillenstrukturen 36a umfasst, welche bei Drehung des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 32 befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerspalts 20 ausüben. Der Dichtungsspalt 32 ist vorzugsweise von einer ringförmigen Abdeckkappe 30 abgedeckt, die beispielsweise an einer Stufe der Lagerbuchse 14a gehalten und dort beispielsweise angeklebt ist. Der innere Rand der Abdeckkappe 30 kann zusammen mit dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32.
In der Lagerbuchse 14a ist ein Rezirkulationskanal 28 angeordnet, der ausgehend von der Fläche 48 der Lagerbuchse 14a im Bereich des Spaltes axial nach unten und schräg radial nach außen längs durch die Lagerbuchse 14a verläuft und im radial äußeren Bereich des Axiallagers 26 in den Spalt 27 mündet. Der Rezirkulationskanal 28 ist um einen Winkel zwischen 3 Grad und 20 Grad relativ zur Rotationsachse 38 geneigt, wobei die erste obere Öffnung des Rezirkulationskanals 28 im Bereich des radial verlaufenden Spalts 47 einen geringeren Abstand zur Rotationsachse 38 aufweist, als die zweite untere Öffnung des Rezirkulationskanals 28, welche im Bereich des radial verlaufenden Spalts 27 mündet. Der Durchmesser des Rezirkulationskanals 28 beträgt üblicherweise zwischen 0,4 mm und 0,7 mm, bevorzugt 0,4 mm oder 0,5 mm. Der Durchmesser des Rezirkulationskanals 28 beträgt vorzugsweise mindestens 40% der radialen Ausdehnung der Fläche 48. Da der Spindelmotor nur ein einziges fluiddynamisches Axiallager 26 aufweist, das auf das Rotorbauteil 14 eine Kraft in Richtung des zweiten ringförmigen Lagerbauteils 18 erzeugt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen Lagerteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierfür weist die Basisplatte 10 einen ferromagnetischen Ring 40 auf, der dem Rotormagneten 44 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegen der Kraft des Axiallagers 26 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 42 und der Rotormagnet 44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 44 axial weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die Mitte der Statoranordnung 42. Auch dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt.
Erfindungsgemäß befindet sich im radial äußeren Bereich der Fläche 48 der Lagerbuchse 14a eine relativ tiefe, vorzugsweise umlaufende Rille 46, die mit Lagerfluid gefüllt ist, wie auch der Spalt 47 und der Dichtungsspalt 32. In diese Rille 46 mündet auch zumindest teilweise der Rezirkulationskanal 28 oder ist mit dieser über einen Verbindungskanal 49 verbunden.
Die umlaufende Rille 46 dient als Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid im Falle eines Schockes, so dass das innerhalb der Fläche 48 zwischen der Lagerbuchse 14a und dem ringförmigen Lagerbauteil 18 befindliche Lagerfluid über die Rille 46 sowie den Spalt 47 in den Rezirkulationskanal 28 abfließen kann, anstatt in den Bereich des Dichtungsspalts 32 verdrängt zu werden.
In axialer Richtung beträgt die Tiefe der Rille 46 bevorzugt zwischen 10 Mikrometern bis zu 400 Mikrometer, während in radialer Richtung die Breite der Rille 46 bevorzugt mindestens 100 Mikrometer beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Tiefe der umlaufenden Rille 46 in axialer Richtung 200 μm.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die umlaufende Rille nicht in der Fläche 48 der Lagerbuchse 14a sondern in der gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils 18 (1a) angeordnet sein, vorzugsweise am Außenumfang des ringförmigen Lagerbauteils etwa in Form einer Fase oder eines vergleichsweise großen Radius.
Zwischen einer Fase oder einem Radius im Übergangsbereich der Bohrung innerhalb der Lagerbuchse 14a zur Aufnahme der Welle 12 sowie der umlaufenden Rille 46 befindet sich eine radial verlaufende Anschlagsfläche 48a. Der obere Bereich des Rezirkulationskanals 28 mündet zumindest partiell im Bereich dieser Anschlagsfläche 48a. Die Ausdehnung der Anschlagsfläche 48a in radialer Richtung beträgt bevorzugt weniger als zwei Drittel der gesamten radialen Ausdehnung der Fläche 48.
Entlang des ersten Dichtungsspaltes 32 ist vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 36 angeordnet, die entsprechende Pumprillenstrukturen 36a aufweist, die bei einer Drehung des Lagersystems eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 32 befindliche Lagerfluid in Richtung des radial verlaufenden Spaltes 47 in das Innere des Lagers ausüben.
Aufgrund der relativ geringen Breite des ersten Dichtungsspaltes 32 ist es für Luftbläschen, die sich im Bereich des radial verlaufenden Spaltes 47 angesammelt haben, schwierig, über den Dichtungsspalt 32 nach außen zu entweichen. Daher ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sich entlang des ersten Dichtungsspaltes 32 mindestens eine spezielle Rille 37 erstreckt, die entweder auf der Oberfläche der Lagerbuchse 14a oder auf der Oberfläche des ringförmigen Lagerbauteils 18 angeordnet ist. Diese Rille 37 kann, wie es im Beispiel in 1 dargestellt ist, als Teil der Pumprillenstrukturen 36a ausgebildet sein.
Allerdings besitzt die Rille 37 vorzugsweise eine größere Länge und kann zusätzlich eine größere Breite und/oder größere Tiefe als die übrigen Pumprillenstrukturen 36a aufweisen, so dass die beiden an den Dichtungsspalt 32 angrenzenden Volumina über die Rille 37 verbunden sind und dadurch eine gute Ausleitung der angesammelten Luft aus dem Bereich des radial verlaufenden Spalts 47 bzw. der umlaufenden Rille 46 gegeben ist.
Es können darüber hinaus auch mehrere Rillen 37 verteilt über den Umfang des ersten Dichtungsspaltes 32 angeordnet sein.
Die 1a zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Details X von der 1. Hierbei ist die umlaufende Rille 46 nicht wie in 1 in die Lagerbuchse 14a eingearbeitet, sondern in das ringförmige Lagerbauteil 18 und zwar in Form einer Fase am Außenumfang des ringförmigen Lagerbauteils 18. Der Rezirkulationskanal 28 mündet zumindest teilweise in die umlaufende Rille 46. Das in der Rille 46 befindliche Lagerfluid kann demnach ohne größeren Widerstand in den Rezirkulationskanal 28 einströmen bzw. aus dem Rezirkulationskanal 28 in die Rille 46 ausströmen.
2 zeigt einen Teilschnitt durch das Rotorbauteil von 1, wobei man die Pumprillenstrukturen 36a der Pumpdichtung 36 erkennt und auch die speziell ausgebildete Rille 37, die als Teil der Pumprillenstrukturen 36a ausgebildet ist.
Man erkennt ferner die umlaufende Rille 46 im radial äußeren Bereich der Fläche 48 der Lagerbuchse 14a. Vorzugsweise kann die Anschlagsfläche 48a zusätzlich mit Rillenstrukturen 50 versehen sein, die beispielsweise schräg zur radialen Richtung angeordnet sind.
Diese Rillenstrukturen 50 sind derart ausgebildet, dass sie bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das im radial verlaufenden Spalt 47 befindliche Lagerfluid nach innen in Richtung des radialen Lagerspaltes 20 erzeugen und somit ein zweites oberes Axiallager 52 bilden. Diese Rillen 50 sind vorzugsweise tiefer ausgebildet und können zusätzlich breiter ausgebildet sein als die Pumprillenstrukturen 36a und erlauben es daher, dass die im radial verlaufenden Spalt 47 enthaltenen Luftbläschen radial nach außen durch die Rillen 50 in den Bereich der umlaufenden Rille 46 wandern und dann entlang des ersten Dichtungsspalts 32 durch die Rille 37 nach außen entweichen können.
Da größere Luftbläschen immer in Richtung des geringeren Druckes wandern, bewegen sich diese Luftbläschen entgegen der Pumprichtung der Pumprillenstrukturen 36a und auch entgegen der Pumprichtung der Rillen 50 auf der Anschlagsfläche 48a. Da sich ferner kleinere Luftbläschen in Flussrichtung des Lagerfluids bewegen, werden diese innerhalb des radial verlaufenden Spaltes 47 radial nach außen in die umlaufende Rille 46 befördert.
3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung der Erfindung und einen vergrößerten Schnitt durch die Lagerbuchse 14a.
Im Unterschied zu der 2 umfasst die radial verlaufende Anschlagsfläche 48a nun Rillen 150, die in radialer Richtung nach außen verlaufen. Aufgrund der radialen Ausrichtung erzeugen die Rillen 150 keine definierte Pumpwirkung auf das im Spalt 47 befindliche Lagerfluid, sondern verbessern die Verteilung des Lagerfluids im radial verlaufenden Spalt 47 durch Verwirbelung des Lagerfluids. Von der umlaufenden Rille 46 können Luftbläschen über eine separat angeordnete, vorzugsweise in axialer Richtung verlaufende Rille 137 durch den Bereich des ersten Dichtungsspaltes 32 nach außen entweichen. Die Rille 137 ist zusätzlich zu den Rillenstrukturen 36a der dynamischen Pumpdichtung 36 auf der Oberfläche der Lagerbuchse 14a bzw. der Oberfläche des ringförmigen Lagerbauteils 18 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung kann entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen mehrere Ausgestaltungen umfassen.
Bei allen Ausgestaltungen ist die umlaufende Rille 46 an der weitgehend radial verlaufenden Fläche 48 im Bereich des Spaltes 47 vorgesehen.
Zusätzlich zur Rille 46 können schräg verlaufende Rillen 50 oder radial verlaufende Rillen 150 auf der Anschlagsfläche 48a vorgesehen sein.
Es können auch nur entsprechende Rillen 37 bzw. 137 im Bereich des ersten Dichtungsspalts 32 zusätzlich zur umlaufenden Rille 46 vorgesehen sein.
Es können aber auch alle Strukturen, d. h. die umlaufende Rille 46, die schräg verlaufenden Rillen 50 bzw. die radial verlaufenden Rillen 150 und die Rillen 37 bzw. 137 im Bereich des ersten Dichtungsspalts 32 vorgesehen sein, um eine optimale Ausleitung von im Lager befindlichen Luftbläschen über den ersten Dichtungsspalt 32 nach außen zu ermöglichen und eine Verbesserung der Verteilung des Lagerfluids im radial verlaufenden Spalt 47 zu erreichen.
4 zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber 1 abgewandelte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem. Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit denselben Funktionen sind mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Insgesamt weist der Spindelmotor von 4 eine sehr viel geringere Bauhöhe auf als der Spindelmotor von 1 und ist z. B. zum Einbau in flache, tragbare Geräte geeignet. Aufgrund der geringen Bauhöhe des fluiddynamischen Lagersystems ist die axiale Länge des ersten Dichtungsspaltes 32 relativ klein und auch die Länge der entlang des ersten Dichtungsspaltes 32 vorgesehenen Pumprillenstrukturen 36a der Pumpdichtung 36 ist im Vergleich zu 1 erheblich reduziert.
Dagegen ist die Länge des radial verlaufenden ringförmigen Spalts 47 etwa gleich groß oder sogar größer als der entsprechende Spalt in 1. In der den radial verlaufenden Spalt 47 begrenzenden Fläche 48 der Lagerbuchse 14a ist wiederum eine umlaufene Rille 46 angeordnet.
Wie man in der vergrößerten Ansicht des Details X von 5 erkennt, ist der radial verlaufende Spalt 47 derart ausgebildet, dass sich seine axiale Höhe radial nach außen deutlich vergrößert, so dass sich die umlaufende Rille 46 ausbildet, die im radial äußeren Abschnitt des Spaltes 47 ihre größte Tiefe von beispielsweise 200 Mikrometern erreicht. Die Fläche 48 der Lagerbuchse 14a ist radial nach außen abgeschrägt, so dass sich die Tiefe der Rille 46 nach außen vergrößert. Der Rezirkulationskanal 28 mündet zumindest teilweise in die Rille 46, dort wo der Spalt 47 bereits tiefer ist. Das in der Rille 46 befindliche Lagerfluid kann demnach leicht und ohne größeren Widerstand in den Rezirkulationskanal 28 einströmen bzw. aus dem Rezirkulationskanal 28 in die Rille 46 ausströmen.
In 6 ist eine gegenüber 5 abgewandelte Ausgestaltung der umlaufenden Rille 46 dargestellt. Hierbei ist die Fläche 48 der Lagerbuchse 14a im Vergleich zu 5 in einem steileren Winkel radial nach außen geneigt. Dadurch verbreitert sich der radial verlaufende Spalt 47 zu einer Rille 46 mit größerer Tiefe im Vergleich zu 5. Die maximale Tiefe der Rille 46 beträgt in dieser Ausgestaltung 400 Mikrometer. Die Rille 46 hat insgesamt einen größeren Querschnitt und ein größeres Volumen als die Rille 46 von 5. Der Rezirkulationskanal 28 mündet zumindest teilweise in einen tieferen Bereich der Rille 46.
7 zeigt eine Ausgestaltung, die im Wesentlichen der Ausgestaltung von 6 entspricht. Die Fläche 48 der Lagerbuchse 14a ist etwa in demselben Winkel wie in 6 radial nach außen geneigt, wobei die Fläche 48 im radial äußeren Bereich jedoch nicht mehr geneigt ist, sondern parallel zur gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils 18 verläuft. Dadurch hat die Rille 46 im radial äußeren Bereich eine gleich bleibende Tiefe von beispielsweise 200 Mikrometern und hat insgesamt einen kleineren Querschnitt und ein kleineres Volumen als die Rille 46 von 6. Der Rezirkulationskanal 28 mündet zumindest teilweise in einen tieferen Bereich der Rille 46.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines fluiddynamischen Lagers mit einer abgewandelten Ausgestaltung einer Rille 46. Das am oberen Ende der Welle 12 befestigte ringförmige Lagerbauteil 18 weist einen gegenüber der Welle 12 vergrößerten Außendurchmesser auf und dient somit als axialer Endanschlag für die Lagerbuchse 14a. Zwischen dem Außenumfang des ringförmigen Lagerbauteils 18, sowie dem gegenüberliegenden Innenumfang der Lagerbuchse 14a ist ein Dichtungsspalt 32 mit einer Pumpdichtung 36 angeordnet, wobei die Pumpdichtung 36 durch schräg zur Rotationsachse verlaufende Rillenstrukturen 36a gebildet ist, welche bei Betrieb des Lagers das Lagerfluid in das Lagerinnere pumpen. In der axialen Verlängerung des Dichtungsspalts 32 in Richtung des Lagerinneren befindet sich eine Rille 46 innerhalb der Fläche 48, welche eine Vertiefung gegenüber der als axiale Anschlagsfläche des ringförmigen Lagerbauteils 18 dienenden Fläche 48a der Lagerbuchse 14a darstellt und mit Lagerfluid gefüllt ist. Ein Rezirkulationskanal 28 verbindet einen Bereich, der radial außerhalb des unteren Axiallagers 26 sowie radial innerhalb der unteren Kapillardichtung 34 angeordnet ist, mit dem oberen radial verlaufenden Lagerspalt 47. Das obere Ende des Rezirkulationskanals 28 mündet zumindest teilweise im Bereich der radial verlaufenden Anschlagsfläche 48a. Die obere Mündung des Rezirkulationskanals 28 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel nicht direkt in die umlaufende Rille 46, sondern wird durch einen radial verlaufenden Verbindungskanal 49, der eine Vertiefung im Bereich der Anschlagsfläche 48a darstellt, mit der konzentrisch umlaufenden Rille 46 verbunden. Die Tiefe des Verbindungskanals 49 kann dabei im Bereich zwischen 10 Mikrometern und 0,4 mm betragen. Die axiale Höhe des Verbindungskanals 49 in Umlaufrichtung ist vorzugsweise mindestens so groß wie der Durchmesser des Rezirkulationskanals 28.
9 zeigt ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel des fluiddynamischen Lagers mit einer abgewandelten Ausgestaltung der Rille 46. Die Tiefe der Rille 46 beträgt hier 10 Mikrometer und kann beispielsweise mit einem spanabhebenden Verfahren oder alternativ mittels des Verfahrens des elektro-chemischen Maschinierens (ECM) in die Oberfläche der Lagerbuchse 14a eingearbeitet werden. Die Abtragung der Rille 46 kann dabei insbesondere zugleich mit dem Arbeitsschritt des Entgratens der oberen Mündung des Rezirkulationskanals 28 erfolgen. Des weiteren kann, wenn benötigt, die Herstellung des Verbindungskanals 49 ebenfalls mit dem gleichen Verfahren in demselben Arbeitsschritt erfolgen.
15 zeigt ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel des fluiddynamischen Lagers mit einer abgewandelten Ausgestaltung der umlaufenden Rille 46. Der Rezirkulationskanal 28 mündet vollständig innerhalb der radial verlaufenden Anschlagsfläche 48a. Dadurch ist der Rezirkulationskanal 28 nur über den radial verlaufenden Spalt 47 mit der umlaufenden Rille 46 verbunden und nicht, wie in zuvor gezeigten Figuren, über einen Verbindungskanal 49 mit größerer axialer Höhe oder dadurch, dass der Rezirkulationskanal 28 zumindest teilweise in die umlaufende Rille 46 mündet. Das Ausgestaltungsbeispiel gemäß 15 hat den Vorteil, dass der nicht wiederholbare Schlag (NRRO, non-repeatable runout) sehr gering ist.
10 zeigt eine Aufsicht auf die Lagerbuchse 14a. Man erkennt in der Mitte die Lagerbohrung an welche sich radial nach außen die Fläche 48 anschließt. Im radial äußeren Bereich der Fläche 48 ist die umlaufende Rille 46 angeordnet. Zwischen dem Rezirkulationskanal 28 und der eingearbeiteten Rille 46 ist vorzugsweise eine Verbindung vorhanden, insbesondere auch wenn die Lagerbuchse 14a im Stillstand des Lagers am Stopperbauteil 18 anliegt. Daher ist es vorgesehen, zwischen der Rille 46 und zumindest einem Bereich des Rezirkulationskanals 28 eine Verbindung von mindestens 10 Mikrometern Tiefe bestehen bleibt, auch wenn der radial verlaufende Spalt 47 zwischen der Fläche 48 der Lagerbuchse 14a und dem ringförmigen Lagerbauteil 18 (Stopperbauteil) nahezu verschwindet. Diese Verbindung zwischen Rille 46 und Rezirkulationskanal 28 kann auf verschiedene Arten erzeugt werden. Beispielsweise mündet der Rezirkulationskanal 28 in diesem Ausführungsbeispiel nicht unmittelbar in der Rille 46 sondern ist durch eine die Öffnung des Rezirkulationskanals 28 umgebende Aussparung oder Vertiefung mit der Rille 46 verbunden.
11 zeigt eine Aufsicht auf die 2. Man erkennt in der Mitte die Lagerbohrung zur Aufnahme einer Welle 12, an welche sich radial nach außen die Fläche 48 anschließt, in der sich die Anschlagsfläche 48a befindet. Deutlich zu erkennen sind die Rillen 50, die schräg zur radial verlaufenden Richtung auf der Anschlagsfläche 48a angeordnet sind und dadurch ein oberes Axiallager 52 darstellen. Die Pumprichtung des oberen Axiallagers wirkt radial nach innen in Richtung zur Lagerbohrung.
12 zeigt ein fluiddynamisches Lagersystem mit gegenüber der 4 weiter verringerter axialer Bauhöhe. Das Lager besteht aus einer T-förmigen stehenden Welle 12, die an der Unterseite einen größeren Außendurchmesser aufweist, dessen Außenumfang mit einem feststehenden Lagerbauteil 16 verbunden ist, das wiederum in einer Basisplatte (nicht zeichnerisch dargestellt) eines Festplattenantriebes befestigt ist. Dabei ist der radial verlaufende Lagerspalt, der gebildet ist durch den T-förmigen Abschnitt 12a der Welle 12 sowie der Lagerbuchse 14a, vorzugsweise kleiner als der radial verlaufende Lagerspalt 27, der gebildet ist zwischen dem feststehenden Lagerbauteil 16 und der Lagerbuchse 14a. In Spalt 27 mündet ein Rezirkulationskanal 28. Der radial verlaufende Spalt 27 zwischen dem feststehenden Lagerbauteil 16 und der Lagerbuchse 14a knickt in axialer Richtung um und bildet einen Dichtungsspalt 34 aus, der angeordnet ist zwischen dem Innenumfang des feststehenden Lagerbauteils 16 sowie dem Außenumfang der Lagerbuchse 14a. Dieser Dichtungsspalt 34 weist die Form einer konischen, sich zum Lageräußeren öffnenden Kapillardichtung auf. Dabei ist zumindest der Außenumfang der Lagerbuchse 14a im Bereich des Dichtungsspalts 34 im axialen Verlauf nach oben betrachtet in Richtung zur Drehachse 38 um einen geringen Winkel zwischen 10 Grad und 2 Grad geneigt. Die gegenüberliegende, den Dichtungsspalt 34 radial nach außen begrenzende Innenwandung des feststehenden Lagerbauteils 16 verläuft in axialer Richtung oder ist optional zumindest in einem Bereich, in welchem sich Lagerfluid befindet, ebenfalls im axialen Verlauf nach oben betrachtet in Richtung zur Drehachse 38 um einen Winkel zwischen Null Grad und 8 Grad geneigt. Der Neigungswinkel des Außenumfangs der Lagerbuchse 14a ist dabei im Bereich der Kapillardichtung stets um mindestens 2 Grad größer als der Neigungswinkel der Innenwandung des feststehenden Lagerbauteils 16 im Bereich der Kapillardichtung.
Zwischen der Oberseite des verbreiterten T-förmigen Abschnitts 12a der Welle 12 und der gegenüberliegenden Unterseite der Lagerbuchse 14a befindet sich ein Axiallager 26, welches durch spiralförmige Lagerrillen gebildet ist, die bevorzugt in der Oberfläche der Lagerbuchse 14a eingeformt sind und bevorzugt von dem Rand des Mittellochs zur Aufnahme der Welle 12 bis zum Außendurchmesser der Lagerbuchse 14a verlaufen.
Am axial oberen Ende der Welle 12 befindet sich ein ringförmiges Lagerbauteil 18 mit einem gegenüber dem Außenumfang der Welle 12 verbreiterten Außendurchmesser. Das ringförmige Lagerbauteil 18 weist einen radial verlaufenden Abschnitt 18a und einen radial außen liegenden, etwa hohlzylindrischen Abschnitt 18b auf. Der hohlzylindrische Abschnitt 18b verläuft dabei in axiale Richtung nach unten. Ein drehbares Rotorbauteil 14 ist einteilig mit der Lagerbuchse 14a verbunden und weist an einer Innenumfangsfläche einen Rotormagneten 44 auf sowie ferner mindestens eine Magnetspeicherplatte (nicht zeichnerisch dargestellt), die an der Außenumfangsfläche des Rotorbauteils befestigt werden. Zwischen dem Außenumfang des hohlzylindrischen Abschnitts 18b des ringförmigen Lagerbauteils 18 und einem gegenüberliegenden Innenumfang der Lagerbuchse 14a befindet sich ein erster Dichtungsspalt 32 der als konische Kapillardichtung ausgebildet ist. Axial oberhalb des Dichtungsspalts 32 befindet sich eine Abdeckkappe 30, welche verhindert, dass Lagerfluid zur Oberseite hin aus dem Lager austritt. Entlang des Außendurchmessers der Welle 12 sind zwei Radiallager 22a, 22b im Bereich des axial verlaufenden Lagerspalts 20 zwischen dem Innenumfang der Lagerbuchse 14a und dem Außendurchmesser der Welle 12 angeordnet. Die Radiallager werden durch fischgrätartige (herringbone) bzw. sinusförmige Lagerrillen gebildet. Das obere, dem ringförmigen Lagerbauteil 18 benachbarte Radiallager 22a besteht aus einem oberen, nach unten pumpenden Abschnitt, so wie aus einem unteren, nach oben pumpenden Abschnitt und ist symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der obere und der untere Abschnitt die gleiche axiale Länge aufweisen. Demgegenüber ist das untere Radiallager 22b asymmetrisch ausgebildet, indem der untere, nach oben pumpende Abschnitt in axialer Richtung länger ausgebildet ist, als der obere, nach unten pumpende Abschnitt. Zwischen beiden Radiallagern 22a, 22b befindet sich ein Bereich, der keine Lagerrillen aufweist und einen gegenüber den Radiallagerspalten vergrößerten radialen Lagerspalt hat. Dieser Bereich wird als Separatorspalt 24 bezeichnet.
Am axial oberen Ende der Welle 12 ist ein ringförmiges Lagerbauteil 18 angeordnet, welches auf einer Stufe der Welle 12 aufliegt, etwa mittels eines Presssitzes mit der Welle 12 verbunden ist und einen in radialer Richtung verlaufenden Abschnitt 47 des Lagerspalts 20 mit der gegenüberliegenden Oberseite der Lagerbuchse 14a bildet. Die dem ringförmigen Lagerbauteil 18 gegenüberliegende Fläche 48 der Lagerbuchse 14a weist im radial äußeren Bereich eine Vertiefung zur Aufnahme des hohlzylindrischen Abschnitts 18b des ringförmigen Lagerbauteils 18 auf. Der in diesem Bereich radial verlaufende Abschnitt 47a des Lagerspalts 20 weist eine größere axiale Höhe auf, als der radial verlaufende Spalt 47 im Bereich der Anschlagsfläche 48a. Der Rezirkulationskanal 28 verbindet einen Bereich des Lagerspalts 20 zwischen der Unterseite des radialen Abschnitts 18a des ringförmigen Lagerbauteils 18 und der Fläche 48 der Oberseite der Lagerbuchse 14a mit dem radial verlaufenden Spalt 27, der radial außerhalb des unteren Axiallager 26 angeordnet ist.
13 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt Z aus der 12 im Bereich des ringförmigen Lagerbauteils 18, das am oberen Ende der Welle 12 befestigt ist. Zwischen dem ringförmigen Lagerbauteil 18 und der Fläche 48 auf der Oberseite der Lagerbuchse 14a befindet sich ein zunächst radial verlaufender Abschnitt 47 des Lagerspalts 20, in welchem der Rezirkulationskanal 28 mündet. Im Verlauf radial nach außen knickt der Lagerspalt 20 zunächst in axiale Richtung nach unten gerichtet ab und verläuft anschließend wiederum, als Spalt 47a, in radiale Richtung bevor er zwischen dem Außenumfang des ringförmigen Lagerbauteils 18 und einer Innenumfangsfläche der Lagerbuchse 14a in den weitgehend axial verlaufenden Dichtungsspalt 32 mündet. Dieser Dichtungsspalt 32 ist als konische Kapillardichtung ausgebildet, die begrenzt wird durch eine axial verlaufende Wandung der Lagerbuchse 14a sowie einer dazu geneigt verlaufenden Außenumfangsfläche des hohlzylindrischen Abschnitts 18b des ringförmigen Lagerbauteils 18. Zwischen der Mündung des Rezirkulationskanals 28 sowie dem zylindrischen Abschnitt 18b des ringförmigen Lagerbauteils 18 befindet sich eine umlaufende Rille 46, die in den Rezirkulationskanal 28 mündet und eine deutlich größere axiale Tiefe im Vergleich zu dem Abschnitt des radial weiter innen liegenden Spalts 47 im Bereich der radial verlaufenden Anschlagsfläche 48a aufweist. Die Oberseite des ringförmigen Lagerbauteils 18 weist bevorzugt keine Kanten beziehungsweise keine kleinen Radien auf, so dass das während des Einfüllprozesses eingebrachte Lagerfluid ohne Rückstände (Tropfen) über den Dichtungsspalt 32 in den Lagerspalt 20 gelangt.
14 zeigt ein im Bereich der Oberseite der Lagerbuchse 14a abgewandeltes fluiddynamisches Lager. Auch hier mündet der Rezirkulationskanal 28 innerhalb des radial verlaufenden Spalts 47, jedoch ist hierbei die umlaufende Rille 46 als Fase innerhalb der Oberseite der Lagerbuchse 14a ausgebildet und ist mittels eines Verbindungskanals 49 mit der oberen Mündung des Rezirkulationskanals 28 verbunden. Vorzugsweise ist der Verbindungskanal 49 dabei nicht umlaufend ausgebildet.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: Welle
12a: T-förmiger Abschnitt
14: Rotorbauteil
14a: Lagerbuchse
16: feststehendes Lagerbauteil
18: ringförmiges Lagerbauteil
18a: radialer Abschnitt
18b: hohlzylindrischer Abschnitt
20: Lagerspalt
22a, b: Radiallager
24: Separatorspalt
26: Axiallager
27: Spalt
28: Rezirkulationskanal
30: Abdeckkappe
32: Dichtungsspalt
34: Dichtungsspalt
36: Pumpdichtung
36a: Rillenstrukturen
37, 137: Rille
38: Rotationsachse
40: ferromagnetischer Ring
42: Statoranordnung
44: Rotormagnet
46: Rille
47: Spalt, radial
47a: Spalt, radial
48: Fläche
48a: Anschlagsfläche
49: Verbindungskanal
50, 150: Rillen
52: Axiallager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008031618 A1 [0003]
DE 102011025369 A1 [0008]
US 2010/0296190 A1 [0009]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit einer ersten feststehenden Lagerkomponente, welche mindestens eine in einer Lagerbohrung angeordnete Welle (12), ein die Welle aufnehmendes feststehendes Lagerbauteil (16) und ein an der Welle angeordnetes ringförmiges Lagerbauteil (18) umfasst, und einer zweiten drehbaren Lagerkomponente, welche mindestens ein Rotorbauteil (14) mit einer Lagerbuchse (14a) umfasst, wobei die beiden Lagerkomponenten durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (20) voneinander getrennt und mittels zwei axial voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallagern (22a, 22b) und mindestens einem fluiddynamischen Axiallager (26) relativ zueinander drehgelagert sind, wobei der Lagerspalt (20) zwei offene Enden aufweist, die durch Dichtungsspalte (32, 34) abgedichtet sind, und die Lagerbuchse (14a) eine im Wesentlichen radial verlaufende ringförmige Fläche (48) ausbildet, die mit einer gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils (18) einen radial verlaufenden ringförmigen Spalt (47) bildet, der den Lagerspalt (20) mit einem ersten Dichtungsspalt (32) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem radial außen liegenden Abschnitt des ringförmigen Spaltes (47) in der ringförmigen Fläche (48) der Lagerbuchse (14a) oder in der gegenüberliegenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils (18) eine umlaufende Rille (46) vorgesehen ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rille (46) in axialer Richtung eine Tiefe aufweist, die mindestens sechsmal so groß ist wie die axiale Höhe des ringförmigen Spalts (47).
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rille (46) in axialer Richtung eine Tiefe aufweist, die mindestens zehnmal so groß ist wie die axiale Höhe des ringförmigen Spalts (47).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe des ringförmigen Spalts (47) im Betrieb des Lagers zwischen 15 μm und 25 μm beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rille (46) in axialer Richtung eine Tiefe von mindestens 10 Mikrometern aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rille (46) in radialer Richtung eine Breite von mindestens 100 Mikrometern aufweist
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Lagerbuchse (14a) verlaufender Rezirkulationskanal (28) im Bereich des ringförmigen Spaltes (47) endet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rezirkulationskanals (28) mindestens 40% der radialen Ausdehnung der ringförmigen Fläche (48) beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) zumindest teilweise in die Rille (46) mündet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) mittels eines Verbindungskanals (49) mit der umlaufenden Rille (46) verbunden ist, wobei die axiale Höhe des Verbindungskanals (49) größer ist als die axiale Höhe des ringförmigen Spalts (47).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (28) um einen Winkel zwischen 3 Grad und 20 Grad relativ zur Rotationsachse (38) geneigt ist, wobei eine erste Öffnung des Rezirkulationskanals (28) im Bereich des ringförmigen Spalts (47) einen geringeren Abstand zur Rotationsachse (38) aufweist, als eine zweite Öffnung des Rezirkulationskanals (28), welche im Bereich eines radial verlaufenden Spalts (27) mündet, wobei der radial verlaufende Spalt (27) zwischen dem Axiallager (26) sowie dem Dichtungsspalt (34) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Fläche (48) eine radial verlaufende Anschlagsfläche (48a) vorgesehen ist, wobei lediglich im Bereich der Anschlagsfläche (48a) ein schmaler Spalt zwischen dem ringförmigen Lagerbauteil (18) und der Lagerbuchse (14a) verbleibt.
Fluiddynamisches Lager nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Anschlagsfläche (48a) in radialer Richtung weniger als zwei Drittel der Ausdehnung der Fläche (48) in radialer Richtung beträgt.
Fluiddynamisches Lager nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Öffnung des Rezirkulationskanals (28) zumindest partiell in der Anschlagsfläche (48a) mündet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Lagerbuchse (14a) verlaufender Rezirkulationskanal (28) vollständig im Bereich der Anschlagsfläche (48a) endet und, dass der Rezirkulationskanal (28) lediglich über den radial verlaufenden Spalt (47) mit der umlaufenden Rille (46) verbunden ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dichtungsspalt (32) durch aneinander angrenzende Flächen des ringförmigen Lagerbauteils (18) und der Lagerbuchse (14a) gebildet ist, wobei auf der den ersten Dichtungsspalt (32) begrenzenden Fläche des ringförmigen Lagerbauteils (18) oder der Lagerbuchse (14a) mindestens eine Rille (37, 137) vorgesehen ist, die senkrecht oder in einem Winkel > 0° in Bezug auf die Rotationsachse (38) verläuft.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des ersten Dichtungsspalts (32) eine dynamische Pumpdichtung (36) mit Pumprillenstrukturen (36a) angeordnet ist, wobei die Pumprillenstrukturen (36a) bei einer Rotation des Lagers eine in Richtung des ersten Radiallagers (22a) gerichtete Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt (32) befindliche Lagerfluid erzeugen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (37) ein Teil der Pumprillenstrukturen (36a) der Pumpdichtung (36) ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (37, 137) eine größere Tiefe und/oder eine größere Länge und/oder eine größere Breite aufweist als die Pumprillenstrukturen (36a).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem radial innen liegenden Bereich der ringförmigen Fläche (48) mehrere radial verlaufende oder schräg zum Radius verlaufende Rillen (50, 150) vorgesehen sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach dem Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (50, 150) eine größere Tiefe und/oder eine größere Länge und/oder eine größere Breite aufweisen als die Pumprillenstrukturen (36a).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mit schräg zum Radius verlaufenden Rillen (50) versehene Fläche (48) zusammen mit einer unteren Stirnfläche des ringförmigen Lagerbauteils (18) ein zweites fluiddynamisches Axiallager (52) bildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 20 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg zum Radius verlaufenden Rillen (50) bei einer Rotation des Lagers eine in Richtung des ersten Radiallagers (22a) gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 24, der mindestens eine Speicherplatte drehend antreibt, und eine Schreib-Leseeinrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte aufweist.