-
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wie er bevorzugt zum Antrieb von Festplattenlaufwerken oder Lüftern eingesetzt werden kann.
-
Stand der Technik
-
Ein Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem der eingangs genannten Art ist beispielsweise in
1 der
DE 10 2008 033 361 A1 offenbart. Die dort offenbarte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem zeigt ein bei Festplattenmotoren, insbesondere für den gängigen Formfaktor 3,5 Zoll, häufig verwendetes Single-Plate-Design. Das Lagersystem umfasst ein erstes feststehendes Lagerbauteil, welches beispielsweise eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung aufweist, und ein zweites drehbares Lagerbauteil, welches eine in der Lagerbohrung drehbar angeordnete Welle umfasst, wobei die Welle und die Lagerbuchse durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt und mittels eines oberen und eines unteren Radiallagers um eine Rotationsachse relativ zueinander drehbar gelagert sind. Der Lagerspalt weist ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende auf, wobei am geschlossenen Ende des Lagerspalts eine mit der Welle verbundene ringförmige Druckplatte vorgesehen ist, die in einer Aussparung der Lagerbuchse angeordnet und von Abschnitten des Lagerspalts umgeben ist und zusammen mit der Lagerbuchse und einer die Aussparung verschließenden Abdeckplatte ein oberes und ein unteres Axiallager ausbildet.
-
In die Lageroberfläche der Radial- und Axiallager sind Lagerrillenstrukturen eingearbeitet, welche bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausüben. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck, der zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms innerhalb des Lagerspalts führt.
-
Die beiden Axiallager verhindern eine Verschiebung der Anordnung von Welle und Nabe entlang der Rotationsachse. Die fluiddynamischen Axiallager werden durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse und der anderen Stirnfläche die innenliegende Stirnfläche einer Abdeckplatte zugeordnet ist. Die Abdeckplatte bildet ein Gegenlager zur Druckplatte, verschließt die betreffende Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt eindringt oder das Lagerfluid ausläuft.
-
Da die oben genannten Single-Plate-Lager sehr zuverlässig sind, werden sie gerne in hoch belasteten Festplattenmotoren für den Servereinsatz eingesetzt, um Festplatten mit großer Speicherkapazität, d. h. einer großen Anzahl von Speicherplatten anzutreiben.
-
Es hat sich herausgestellt, dass sich am geschlossenen Ende des Lagers im Bereich der Druckplatte bevorzugt Luft ansammelt, die im Lagerfluid gelöst ist und aus dem Lagerfluid ausgast oder während des Betriebs des Lagers anderweitig in den Lagerspalt gelangt. Die Luft sammelt sich insbesondere im Spalt zwischen der Druckplatte und der Abdeckplatte an, wodurch die Wirkung des dortigen unteren Axiallagers beeinträchtigt und die Druckverteilung im Lagerspalt verändert wird. Dadurch kann es vorkommen, dass die Druckplatte nicht mehr mittig in der zugeordneten Aussparung zentriert ist, sondern sich axial in Richtung der Lagerbuchse oder der Abdeckplatte verschiebt und teilweise die Lagerbuchse oder die Abdeckplatte berühren kann. Dadurch entsteht unerwünschter Verschleiß an den Lagerbauteilen, welcher die Lebensdauer des Lagers verringert. Ferner können Unterdruckzonen im Lager entstehen, die diesen Effekt noch verstärken.
-
Die
DE 10 2011 108 465 A1 offenbart Kanäle, die zwischen dem Außenumfang der Welle und dem Innenumfang der Druckplatte vorgesehen sind und eine Zirkulation des Lagerfluids um die Druckplatte herum ermöglicht. Ferner ist in der Lagerbuchse ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der einen Spaltbereich am Außendurchmesser der Druckplatte mit dem Dichtungsspalt oberhalb des oberen Radiallagers miteinander verbindet. Mit diesen Maßnahmen lässt sich jedoch nicht sicher verhindern, dass sich Luft unterhalb der Welle im Spalt zwischen dem Ende der Welle und der Abdeckplatte ansammelt. Dieser Bereich befindet sich nicht im direkten Zirkulationsstrom, so dass dort befindliche Luft nicht wegbefördert werden kann.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein eingangs beschriebenes fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Das fluiddynamische Lagersystem weist ein erstes Lagerbauteil auf, welches eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung umfasst, und ein zweites Lagerbauteil, welches eine in der Lagerbohrung drehbar angeordnete Welle umfasst, wobei die Welle und die Lagerbuchse durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt und mittels eines oberen und eines unteren Radiallagers um eine Rotationsachse relativ zueinander drehbar gelagert sind. Der Lagerspalt weist ein geschlossenes Ende und eine offenes Ende auf, wobei am geschlossenen Ende des Lagerspalts eine mit der Welle verbundene ringförmige Druckplatte vorgesehen ist, die in einer Aussparung der Lagerbuchse angeordnet und von Abschnitten des Lagerspalts umgeben ist und zusammen mit der Lagerbuchse und einer die Aussparung verschließenden Abdeckplatte ein oberes und ein unteres Axiallager ausbildet.
-
Erfindungsgemäß weist die Welle Bohrungen auf, welche das geschlossene Ende des Lagerspalts und das offenen Ende des Lagerspalts direkt miteinander verbinden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Welle eine Längsbohrung auf, die von einer der Abdeckplatte gegenüberliegenden Stirnseite der Welle bis in einen Bereich oberhalb der Position des oberen Radiallagers verläuft. Am Ende der Längsbohrung befindet sich mindestens eine Querbohrung in der Welle, die von der Längsbohrung im Bereich oberhalb der Position des oberen Radiallagers bis in einen Übergangsspalt zwischen dem Lagerspalt und einem Dichtungsspalt verläuft.
-
Der Außendurchmesser der Welle ist dabei vorzugsweise zwischen 2 und 12 mal größer als der Durchmesser der Längsbohrung. Der Durchmesser der Längsbohrung kann beispielsweise zwischen 0,3 mm und 3 mm betragen. Besonders bevorzugt ist der Durchmesser der Längsbohrung zwischen 0,5 mm und 1,5 mm.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Längsbohrung mit durchgehend gleichbleibendem Durchmesser ausgebildet.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Längsbohrung eine konische Form auf oder ist als Stufenbohrung ausgebildet, so dass sie mindestens 2 verschiedene Durchmesser aufweist.
-
Durch die Längsbohrung können das unterhalb der Stirnseite der Welle befindliche Lagerfluid und damit auch insbesondere die sich in diesem Bereich angesammelten Luftblasen über die Längsbohrung aus diesem Bereich ausgeleitet werden und gelangen über die Querbohrung in den Übergangsspalt. Vom Übergangsspalt können Luftblasen über den angrenzenden Dichtungsspalt ins Freie entweichen, während das Lagerfluid durch die Pumpwirkung des oberen Radiallagers wieder in den Lagerspalt und den Fluidkreislauf zurück befördert wird.
-
Durch die verbesserte Zirkulation des Lagerfluids im Lager und die direkte Ausleitung von Luftblasen aus dem Bereich unterhalb der Welle kann die Druckplatte innerhalb der zugeordneten Aussparung stabilisiert werden. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Lagersystems.
-
Zusätzlich zu den Längs- und Querbohrungen kann zwischen dem Innenumfang der ringförmigen Druckplatte und dem Außenumfang der Welle mindestens ein Kanal oder eine Bohrung angeordnet sein. Diese Bohrung unterstützt die Zirkulation des Lagerfluids um die Druckplatte herum.
-
Die Bohrungen in der Welle können aus herstellungstechnischen Gründen keinen beliebig kleinen Durchmesser aufweisen, sondern weisen beispielsweise einen Bohrungsdurchmesser von 1 mm oder größer auf. Somit haben die Bohrungen im Vergleich zum Lagerspalt einen großen Querschnitt und damit ein großes Volumen, das mit Lagerfluid ausgefüllt werden muss. Um das Volumen und damit die Menge an Lagerfluid im Lager zu reduzieren ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass vorzugsweise in der Längsbohrung der Welle ein den Bohrungsquerschnitt reduzierendes Füllelement angeordnet ist. Dieses Füllelement kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
-
Als Füllelement wird ein Spiralspannstift oder eine geschlitzte Spannhülse aus martensitischem Stahl oder austenitischem Stahl, beide sind rostfrei, bevorzugt. Spiralspannstifte und Spannhülsen haben folgende Vorteile:
- – kostengünstig,
- – einfach zu montieren,
- – stellen keine besonderen Anforderungen an die Genauigkeit des Durchmessers der Bohrung der Welle,
- – bieten sicheren Halt auch unter Schock, Vibration und Temperaturbelastung,
- – weisen kein Altern oder Schrumpfen wie z. B. viele Kunststoffe, auf,
- – bringen keine großen radialen Kräfte im eingebauten Zustand auf, und vermeiden dadurch eine Deformation der Welle und der Radiallagerflächen,
- – haben eine Bohrung, um den Durchfluss des Lagerfluids zu gewährleisten und sind verträglich mit dem Lagerfluid und generieren keine Partikel.
-
Für die Anwendung gemäß der Erfindung sind auch andere Arten von Füllelementen denkbar, welche die oben genannten Eigenschaften erfüllen. Auch kann als Material beispielsweise Kunststoff oder das Material der Welle eingesetzt werden.
-
Durch das Füllelement wird einerseits das benötigte Gesamtvolumen an Lagerfluid für das Lager reduziert und andererseits wird der Durchmesser der Längsbohrung in der Welle verringert. Dadurch wird der Fluss innerhalb der Längsbohrung erhöht, was die Beförderung eventuell vorhandener Luftblasen durch die Längsbohrung begünstigt.
-
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Lagerbuchse in einem zusätzlichen Bauteil gehalten. Der Außenumfang der Lagerbuchse ist dabei flüssigkeitsdicht mit dem Innenumfang dieser Hülse verbunden und Lagerbuchse und Hülse können vorzugsweise aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
-
Um im Bereich der Axiallager eine bestmögliche Förderung und Zirkulation des Lagerfluids zu gewährleisten, ist vorzugsweise in einer Ausgestaltung der Erfindung das obere Axiallager durch obere Axiallagerrillen gekennzeichnet, die vom Innendurchmesser der Druckplatte bis zum Außendurchmesser der Druckplatte verlaufen und auf der Lagerbuchse und/oder auf der Druckplatte angeordnet sind Ferner ist bevorzugt, dass das untere Axiallager Axiallagerrillen aufweist, die vom Durchmesser der Langbohrung bis zum Außendurchmesser der Druckplatte verlaufen und auf der Abdeckplatte und/oder auf Druckplatte und Welle angeordnet sind. Die Lagerrillen können radial nach innen über den Innendurchmesser der Druckplatte hinaus laufen.
-
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist die Aufrechterhaltung einer definierten Strömung und Strömungsrichtung des Lagerfluids im Lagersystem. Eine definierte Strömung und Strömungsrichtung des Lagerfluids im Lager wird dadurch erreicht, dass zumindest eines der beiden Radiallager oder eines der beiden Axiallager eine gerichtete Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid erzeugt, wobei die überwiegend vorherrschende Pumpwirkung derart gerichtet ist, dass das Lagerfluid entlang des Lagerspalts vom oberen Radiallager nach unten bis zum unteren Axiallager und in den Bohrungen der Welle wieder zurück in den Bereich des oberen Radiallager fließt.
-
Um diese bevorzugte Strömungsrichtung des Lagerfluids zu erreichen, kann das Axiallager, das zwischen der Unterseite der Lagerbuchse und der Oberseite der Druckplatte angeordnet ist, so ausgebildet sein, dass es eine Pumpwirkung, die radial nach außen gerichtet ist, auf das Lagerfluid ausübt, während das Axiallager, das zwischen der Unterseite der Druckplatte und der Oberseite der Abdeckplatte angeordnet ist, so ausgebildet sein kann, dass es auf das Lagerfluid eine Pumpwirkung radial nach innen gerichtet in Richtung der Längsbohrung ausübt. Das untere Radiallager kann symmetrisch ausgebildet sein und keine definierte Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben, während das obere Radiallager asymmetrisch ausgebildet sein kann und auf das Lagerfluid ein Pumpwirkung in Richtung des unteren Radiallagers ausübt.
-
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem und einem elektromagnetischen Antriebssystem. Dieser Spindelmotor kann zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks oder eines Lüfters verwendet werden.
-
Nachfolgend wir die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
-
2 zeigt eine Ansicht einer an der Lagerbuchse angeordneten Lagerfläche des oberen Axiallagers.
-
3 zeigt eine Ansicht einer an der Abdeckplatte angeordneten Lagerfläche des unteren Axiallagers.
-
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Druckplatte mit Rezirkulationskanälen.
-
5 zeigt das Detail X der 1 im Bereich des Übergangsspalts zwischen Lagerspalt und Dichtungsspalt.
-
6 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
-
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
-
In 1 ist ein Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem im sogenannten Single-Plate-Design dargestellt. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 46 mit einer zylindrischen Öffnung, in welcher eine zylindrische Lagerbuchse 10 befestigt ist. Die Lagerbuchse 10 weist eine axiale, zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 12 drehbar aufgenommen ist. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 12 ist ein Lagerspalt 14 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid 16, beispielsweise einem Schmieröl, gefüllt ist. Einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 bilden zusammen ein oberes Radiallager 18 und ein unteres Radiallager 20, die entlang des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 14 angeordnet und durch entsprechende Radiallagerrillen 18a, 20a gekennzeichnet sind. Die Radiallagerrillen 18a, 20a sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 und/oder der Oberfläche der Welle 12 angeordnet und können beispielsweise parabel-, sinus- oder chevronförmig ausgebildet sein. Sobald sich die Welle 12 in der Lagerbuchse 10 dreht, üben die Radiallagerrillen 18a, 20a eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 befindliche Lagerfluid 16 aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt 14 ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 14 ausbildet, der die Radiallager 18, 20 tragfähig macht. Zwischen den beiden Radiallagern 18, 20 befindet sich ein Abschnitt des Lagerspalts mit vergrößerter Lagerspaltbreite, der so genannte Separatorspalt 22. Der Separatorspalt 22 kann in der Lagerbuchse 10 und/oder der Welle 12 angeordnet sein. Die Lagerrillenstrukturen 18a des oberen Radiallagers 18 sind vorzugsweise asymmetrisch ausgestaltet, d. h. sie erzeugen keine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid 16 in beide Richtungen des Lagerspalts 14, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die überwiegend nach unten in Richtung des unteren Radiallagers 20 gerichtet ist. Das untere Radiallager 20 umfasst vorzugsweise Lagerrillenstrukturen 20a, die symmetrisch ausgebildet sind, so dass es eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid 16 in beide Richtungen des Lagerspalts 14 erzeugt. Die Spaltbreite des Lagerspalts 14 im Bereich der Radiallager kann beispielsweise zwischen 3 und 4 Mikrometern betragen.
-
An einem unteren Ende der Welle 12 ist eine ringförmige Druckplatte 24 angeordnet, die auf das Ende der Welle 12 aufgepresst oder alternativ einteilig mit der Welle 12 ausgebildet ist. Die Druckplatte 24 ist mit Spiel in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 aufgenommen. Auf der Unterseite der Druckplatte 24 ist die Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckplatte 26 verschlossen. Die Abdeckplatte 26 ist ebenfalls in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 10 konzentrisch zur Lagerbohrung befestigt und verschließt das Lager an diesem Ende luftdicht. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 24 bilden zusammen mit gegenüberliegenden, radial verlaufenden Flächen der Lagerbuchse 10 bzw. der Abdeckplatte 26 ein oberes Axiallager 28 und ein unteres Axiallager 30. Das obere Axiallager 28 ist durch Axiallagerrillen 28a gekennzeichnet, die auf den sich gegenüberliegenden Lagerflächen der Druckplatte 24 und/oder der Lagerbuchse 10 angeordnet sind. Das untere Axiallager 30 ist durch Axiallagerrillen 30a gekennzeichnet, die auf den sich gegenüberliegenden Lagerflächen der Druckplatte 24 und/oder der Abdeckplatte 26 angeordnet sind. Sobald die Welle 12 zusammen mit der Druckplatte 24 innerhalb der Lagerbuchse 10 in Rotation versetzt werden, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen 28a, 30a auf den Axiallagerflächen ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 14 auf, so dass die Axiallager 28, 30 tragfähig werden und die Druckplatte 24 im Wesentlichen axial mittig in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 10 positioniert wird. Die Axiallagerrillen 28a, 30a der beiden Axiallager 28, 30 sind vorzugsweise spiralrillenförmig, fischgrätenförmig oder chevronförmig ausgebildet. Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Axiallagerrillen 28a, 30a der Axiallager 28, 30 eine gerichtete Pumpwirkung in eine bestimmte Richtung der radialen Abschnitte 14a, 14b des Lagerspalts 14 erzeugen. Das obere Axiallager erzeugt vorzugsweise eine Pumpkraft auf das Lagerfluid 16 radial nach außen, während das untere Axiallager vorzugsweise eine Pumpkraft auf das Lagerfluid 16 radial nach innen in Richtung der Rotationsachse 32 des Lagers erzeugt oder eine gleichmäßige Pumpkraft in beider Richtungen.
-
Das freie Ende der Welle 12 ist mit einer Nabe 38 des Spindelmotors verbunden. Die Nabe 38 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerkes gedacht, werden auf der Nabe 38 eine oder mehrere Speicherplatten des Festplattenlaufwerkes angeordnet und befestigt (nicht zeichnerisch dargestellt).
-
Das offene Ende des Lagerspaltes 14 axial oberhalb des oberen Radiallagers 18 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 34, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 34 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 12 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10.
-
Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 ist vorzugsweise abgeschrägt, so dass der Dichtungsspalt 34 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist und sich nach außen verbreitert. Der Neigungswinkel kann beispielsweise etwa 10 Grad betragen bei einer axialen Gesamtlänge des Dichtungsspalts von 1,6 Millimetern. Der Dichtungsspalt 34 ist unmittelbar oder über einen kurzen, umlaufenden Übergangsspalt 36 mit dem Lagerspalt 14 verbunden und zumindest anteilig mit Lagerfluid 16 gefüllt. Der Übergangsspalt 36 hat eine deutlich größere Spaltbreite als der Lagerspalt 14 im Bereich der Radiallager 18, 22 und geht dann in den Dichtungsspalt 34 über, dessen Spaltbreite sich vorzugsweise kontinuierlich zu seiner Öffnung hin vergrößert. Die Spaltbreite des Übergangsspalts 36 kann beispielsweise 12 Mikrometer betragen.
-
An den Dichtungsspalt 34 angrenzend verläuft ein sogenannter Labyrinthspalt 37. Dieser enthält kein Lagerfluid 16 und weist einen radial und einen axial verlaufenden Abschnitt auf. Der radiale Abschnitt verläuft zwischen der Nabe 38 und der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und der axiale Abschnitt verläuft zwischen dem Außenumfang der Lagerbuchse 10 und einem Innenumfang der Nabe 38. Der Labyrinthspalt 37 verhindert ein übermäßiges Abdampfen von Lagerfluid 16 aus dem Dichtungsspalt 34.
-
Erfindungsgemäß hat die Welle 12 eine zentrale Längsbohrung 50, die ausgehend vom radialen Abschnitt 14a des Lagerspalts 14, der zwischen der Stirnseite der Welle 12 und der Abdeckplatte 26 angeordnet ist, in der Welle 12 nach oben bis in einen Bereich oberhalb des oberen Radiallagers 18 verläuft. Dort setzt eine Querbohrung 52 an, die von der Längsbohrung 50 bis an den Außenumfang der Welle 12 reicht und in den Übergangsspalt 36 mündet. Die Längsbohrung 50 und die Querbohrung 52 verbinden demnach den radialen Abschnitt 14a des Lagerspalts 14 am geschlossenen Ende des Lagers direkt mit dem Übergangsspalt 36 am offenen Ende des Lagers. Der Durchmesser der Längsbohrung 50 kann ungefähr um den Faktor 10 kleiner als die Länge der Längsbohrung 50 sein. So kann beispielsweise der Durchmesser etwa 1,2 Millimeter betragen, während die Länge beispielsweise 15 Millimeter betragen kann. Der Durchmesser der Längsbohrung kann bis 30 mal kleiner als die Länge der Längsbohrung sein.
-
Ausgehend vom Übergangsspalt 36 wird das Lagerfluid 16 durch die Pumpkraft des oberen Radiallagers 18 in Richtung des Pfeils 47 nach unten gefördert und passiert das untere Radiallager 20, welches entweder eine neutrale oder eine geringfügig nach unten gerichtete Pumpwirkung aufweisen kann. Nach Passieren des unteren Radiallagers 20 gelangt das Lagerfluid 16 in den radialen Abschnitt 14b des Lagerspalts 14 zwischen Lagerbuchse 10 und Druckplatte 24 und somit in den Einfluss des oberen Axiallagers 28, das eine radial nach außen gerichtete Pumpkraft auf das Lagerfluid 16 in Richtung des Pfeils 48 erzeugt. Das Lagerfluid 16 fließt um den Außenrand der Druckplatte 24 herum und gelangt in den Abschnitt 14a des Lagerspalts 14 und in den Einfluss des unteren Axiallagers 30. Das untere Axiallager 30 erzeugt eine neutrale oder eine leicht radial nach innen gerichtete Pumpkraft auf das Lagerfluid 16 in Richtung des Pfeils 49 und entgegen der Richtung des Pfeils 48 und pumpt das Lagerfluid 16 in Richtung der Mündung der Längsbohrung 50.
-
Das in Richtung zur Rotationsachse 32 strömende Lagerfluid 16 fließt durch die Längsbohrung 50 nach oben und gelangt über die Querbohrung 52 in den Übergangsspalt 36, wo der Kreislauf des Lagerfluids 16 wieder von vorne beginnt. Luftbläschen, die zusammen mit dem Lagerfluid 16 transportiert werden, können über die Bohrungen 50, 52 aus dem geschlossenen Teil des Lagers im Bereich der Druckplatte 24 in den Übergangsspalt 36 gelangen. Im Übergangsspalt 36 herrscht – wie auch im Dichtungsspalt 34 – im Wesentlichen Umgebungsdruck, so dass die Luftbläschen über den Dichtungsspalt 34 ungehindert aus dem Lager entweichen können.
-
Die Bohrungen 50, 52 in der Welle 12 haben im Vergleich zum Lagerspalt einen relativ großen Querschnitt und damit ein großes Volumen, das mit Lagerfluid 16 ausgefüllt werden muss. Um das Volumen und damit die Menge an Lagerfluid 16 im Lager zu reduzieren, kann es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass vorzugsweise in der Längsbohrung 50 der Welle 12 ein den Bohrungsquerschnitt reduzierendes Füllelement 54 angeordnet ist. Dieses Füllelement kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
-
Als Füllelement 54 kann beispielsweise ein Kunststoffteil, ein Spiralspannstift, eine geschlitzte Spannhülse aus Metall oder ein Bauteil aus rostfreiem Stahl oder dem Material der Welle 12 verwendet werden. Dieses Füllelement 54 verringert den Querschnitt bzw. das Volumen der Längsbohrung 50 deutlich und weist einen oder mehrere Kanäle oder Bohrungen mit geringem Querschnitt auf, die von Lagerfluid 16 durchströmt werden. Diese Kanäle können als zentrale Bohrung im Füllelement 54 oder als am Außenumfang des Füllelements 54 befindliche Kanäle ausgebildet sein. Das Füllelement 54 kann die Längsbohrung 50 nur teilweise oder über ihre gesamte Länge ausfüllen.
-
An einer inneren Umfangsfläche der Nabe 38 ist ein magnetischer Rückschlussring 40 angeordnet, der einen ringförmigen Rotormagneten 42 mit einer Mehrzahl von Polpaaren umschließt. Radial gegenüberliegend dem Rotormagnet 42 ist an der Basisplatte 46 des Spindelmotors eine Statoranordnung 44 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagnet 42 getrennt ist. Die Statoranordnung 44 weist entsprechende Statorwicklungen 44a auf, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor, bestehend aus der Nabe 38 und Welle 12, in Drehung versetzt wird.
-
2 zeigt eine Ansicht der Lagerbuchse 10 von unten. Man erkennt in der Mitte die Lagerbohrung, an deren Außenrand eine Fase oder Rille 29 angrenzt. Radial außerhalb der Fase 29 erstreckt sich eine Lagerfläche des oberen Axiallagers 28, die vorzugsweise mit Axiallagerrillen 28a versehen ist. Die Axiallagerrillen 28a sind fischgrätenförmig bzw. chevronförmig ausgebildet und brechen radial nach innen bis in die Fase 29 durch. Man erkennt die unsymmetrische Ausbildung der Axiallagerrillen 28a, wobei die radial innen liegenden Äste der Axiallagerrillen 28a länger ausgebildet sind als die radial außen liegenden Äste der Axiallagerrillen 28a. Bei Rotation der Druckplatte 24 relativ zur der dargestellten Lagerfläche des Axiallagers 28 erzeugen die längeren Äste der Axiallagerrillen 28a eine stärkere und radial nach außen gerichtete Pumpkraft auf das Lagerfluid 16, während die kürzeren Äste eine kleinere und radial nach innen gerichtete Pumpkraft auf das Lagerfluid 16 erzeugen. Die effektive Gesamtpumpkraft des oberen Axiallagers 28 ist demnach radial nach außen gerichtet.
-
3 zeigt eine Ansicht der Abdeckplatte 26 von der dem Lagerinneren zugewandten Seite. Die Abdeckplatte 26 bildet eine Lagerfläche des unteren Axiallagers 30, die vorzugsweise mit Axiallagerrillen 30a versehen ist. Die Axiallagerrillen 30a sind fischgrätenförmig bzw. chevronförmig ausgebildet und erstrecken sich von einer am Außenumfang der Abdeckplatte 26 angeordneten Fase oder Rille 31 nach innen. Die Axiallagerrillen 30a sind so geformt, dass sie bei Rotation der Druckplatte 24 relativ zur der dargestellten Lagerfläche des Axiallagers 30 eine effektive Gesamtpumpkraft auf das Lagerfluid 16 radial nach innen erzeugen oder eine neutrale Gesamtpumpkraft erzeugen, die das Lagerfluid 16 in keine spezifische Richtung fördert. In der Mitte der Abdeckplatte 26 ist ein Bereich, der nicht mit Axiallagerrillen versehen ist, angeordnet. Dieser Bereich liegt der Mündung der Längsbohrung 50 der Welle 12 gegenüber und hat etwa denselben Durchmesser wie die Längsbohrung 50 der Welle 12. In einer nicht zeichnerisch dargestellten Ausführung können die Axiallagerrillen weiter radial nach innen verlaufen, so dass der Bereich ohne Lagerrillen einen kleineren Durchmesser als die Längsbohrung der Welle aufweist oder gar nicht mehr vorhanden ist.
-
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Druckplatte 24, die in 1 als eine ringförmige Druckplatte dargestellt ist, die auf die Welle aufgepresst ist. In 1 liegt dabei der gesamte Innenumfang der Druckplatte am Außenumfang der Welle an und ist mit diesem flüssigkeitsdicht verbunden. Es kann kein Lagerfluid durch den Verbindungsbereich zwischen der Welle und der Druckplatte hindurch fließen. Die Druckplatte 24, die in 4 dargestellt ist, weist an ihrem Innenumfang eine oder mehrere Rillen auf, die als Rezirkulationskanäle 25 dienen und in axialer Richtung von einer Stirnseite der Druckplatte 24 zur anderen Stirnseite verlaufen. Wenn die Druckplatte 24 an der Welle 12 befestigt ist, dann kann das Lagerfluid 16 vom Abschnitt 14b des Lagerspalts 14 im Bereich des oberen Axiallagers 28 über die Rezirkulationskanäle 25 direkt zum Abschnitt 14a des Lagerspalts 14 im Bereich des unteren Axiallagers 30 fließen. Neben dem oben beschriebenen großen Kreislauf des Lagerfluids 14 stellt sich dann ein kleiner Kreislauf um die Druckplatte 24 herum ein.
-
5 zeigt das Detail X der 1, das einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich des Übergangsspalts 36 zeigt. Zu sehen ist ein Ausschnitt des Lagerspalts 14 und die Radiallagerrillen 18a des oberen Radiallagers 18. An den Lagerspalt 14 schließt sich der Übergangsspalt 36 an, der im Vergleich zum Lagerspalt 14 im Bereich der Radiallager 18, 20 eine deutlich größere Spaltbreite aufweist und gebildet wird durch eine umlaufende Stufe im Innenumfang der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10. Alternativ kann der Übergangsspalt 36 in der Welle 12 angeordnet sein (nicht zeichnerisch dargestellt). Die Spaltbreite des Lagerspalts 14 im Bereich der Radiallager 18, 20 kann beispielsweise zwischen 3 und 4 Mikrometern betragen, während die Spaltbreite des Übergangsspalts 36 beispielsweise 12 Mikrometer betragen kann. Die Spaltbreite des Übergangsspalts 36 kann vorzugsweise zwischen 2- und 10-mal größer der Spaltbreite des Lagerspalts im Beriech der Radiallager sein. In den Übergangsspalt 36 mündet die Querbohrung 52 der Welle 12. An den Übergangsspalt 36 grenzt der Dichtungsspalt 34 an, dessen Spaltbreite sich ausgehend von der Spaltbreite des Übergangsspalts 36 vorzugsweise konisch nach außen verbreitert. Die Spaltbreiten des Lagerspalts 14, Übergangsspalts 36 und Dichtungsspalts 34 sowie der Durchmesser der Querbohrung 52 sind in 5 nicht maßstäblich und nicht im richtigen Verhältnis zueinander dargestellt.
-
6 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors aus 1. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in 1 benannt und erfüllen dieselbe Funktion, können aber in ihrer Formgebung leicht variieren.
-
Der hier gezeigte Spindelmotor weist die in 4 dargestellten Rezirkulationskanäle 25 auf.
-
Im Unterschied zu 1 weist der hier dargestellte Spindelmotor eine Hülse 56 auf. Diese Hülse 56 ist mit ihrem Innenumfang flüssigkeitsdicht mit dem Außenumfang der Lagerbuchse 10 verbunden und mit ihrem Außenumfang zumindest teilweise in der Öffnung der Basisplatte 46 befestigt. An ihrem Innenumfang auf axialer Höhe des oberen Axiallagers 28 weist die Hülse eine umlaufende Nut 58 auf. Diese Nut 58 dient beispielsweise dazu, überschüssigen Klebstoff aufzufangen, der beim Einklebeprozess der Lagerbuchse 10 in die Hülse 56 auftreten kann.
-
Die Lagerbuchse 10 und die Hülse 56 können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Die Lagerbuchse 10 kann beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein, während die Hülse 56 aus Stahl gefertigt sein kann. Ebenso können beide Bauteile aus unterschiedlichen metallischen Materialien gefertigt sein oder ein Bauteil aus einem metallischen Material während das andere Bauteil aus einem Kunststoff gefertigt sein kann. Hierbei sind die verschiedensten Materialkombinationen denkbar.
-
Alle Lagerrillenstrukturen in den gezeigten Figuren werden vorzugsweise in die Lagerbuchse eingebracht. Dies kann beispielsweise mittels ECM erfolgen. Die Welle kann zur Erhöhung ihrer Oberflächenbeständigkeit nitriert oder mit Stromlos/Chemisch-Nickel oder DLC beschichtet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Lagerspalt
- 16
- Lagerfluid
- 18
- Radiallager
- 18a
- Radiallagerrillen
- 20
- Radiallager
- 20a
- Radiallagerrillen
- 22
- Separatorspalt
- 24
- Druckplatte
- 25
- Rezirkulationskanal
- 26
- Abdeckplatte
- 28
- Axiallager
- 28a
- Axiallagerrillen
- 29
- Fase
- 30
- Axiallager
- 30a
- Axiallagerrillen
- 31
- Fase
- 32
- Rotationsachse
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Übergangsspalt
- 37
- Labyrinthspalt
- 38
- Nabe
- 40
- Rückschlussring
- 42
- Rotormagnet
- 44
- Statoranordnung
- 44a
- Statorwicklung
- 46
- Basisplatte
- 47, 48, 49
- Pfeil
- 50
- Längsbohrung
- 52
- Querbohrung
- 54
- Füllelement
- 56
- Hülse
- 58
- Nut
-
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 102008033361 A1 [0002]
- DE 102011108465 A1 [0007]
