DE202005000155U1

DE202005000155U1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE202005000155U1
Application number: DE202005000155U
Authority: DE
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2015-01-08
Also published as: US20060153479A1; US7465097B2; JP2006189155A

Abstract

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb der Speicherplatte(n) eines Speicherplattenlaufwerks, mit einer Lagerhülse (1) und einer in einer Bohrung der Lagerhülse aufgenommene und gegenüber der Lagerhülse drehgelagerten Welle (2), wobei einander zugewandte und durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (3) getrennte Oberflächen der Lagerhülse und der Welle mindestens einen ersten Radiallagerbereich (7) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Welle (2) so gewählt ist, dass das Verhältnis zwischen dem Lagerabstand (A), also dem Abstand der Einspannstelle der Welle zum ersten Radiallagerbereich (7), und dem Durchmesser der Welle gleich oder kleiner 0,9 ist, und dass der Durchmesser (D) der Welle vorzugsweise 3 mm bis 5,0 mm beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein Lagersystem für einen Spindelmotor zum Antrieb von Speicherplatten eines Speicherplattenlaufwerks.
Beschreibung des Standes der Technik
Spindelmotoren bestehen im wesentlichen aus Stator, Rotor und mindestens einem zwischen diesen beiden Teilen angeordneten Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert. Als Lagersystem werden in jüngster Zeit vorzugsweise fluiddynamische Lagersysteme eingesetzt. Eine bekannte Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems, offenbart z.B. in der DE 201 19 716 U1 , umfasst eine feststehende Welle und eine Lagerhülse, die eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Hülse rotiert frei um die feststehende Welle und bildet zusammen mit dieser zwei Radiallager sowie ein oberes Axiallager aus. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Hülse sind durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. In wenigstens einer Lageroberfläche ist eine Oberflächenstruktur eingearbeitet, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung zwischen Hülse und Welle lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche Schmiermittel ausübt und einen Radiallagerbereich definiert. Auf diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms innerhalb des Lagerspalts führt, der durch Zonen fluiddynamischen Druckes stabilisiert wird. Die Lagerhülse trägt eine Rotorglocke, auf der z.B. Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine Verschiebung der beschriebenen Anordnung entlang der Rotationsachse wird durch mindestens ein entsprechend ausgestaltetes fluiddynamisches Axiallager verhindert. Bei einem fluiddynamischen Axiallager sind die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen, von denen wenigstens eine mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, jeweils in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene angeordnet und durch einen dünnen, vorzugsweise ebenen, mit Schmiermittel gefüllten Lagerspalt axial voneinander beabstandet. Die Drucklager werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer am Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Hülse und der anderen Stirnfläche die innenliegende Stirnfläche einer Abdeckung zugeordnet ist. Die Abdeckung bildet also ein Gegenlager zur Druckplatte und verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Schmiermittel gefüllten Lagerspalt eindringt.
Aufgrund dessen, dass der Leistungsverlust in fluiddynamischen Lagersystemen proportional zur dritten Potenz des Radius des Lagers und dem Kehrwert der Breite des Lagerspaltes ist, wurden in der Vergangenheit die Radien der Lagersysteme reduziert und die Spaltbreiten soweit wie möglich vergrößert, um die Leistungsverluste gering zu halten. Die in modernen Speicherplattenlaufwerken eingesetzten Spindelmotoren haben beispielsweise eine Welle aus Stahl 1.4028 (X30Cr13 = SUS 420 J2) mit einem Wellendurchmesser von wenigen Millimetern und einem Elastizitätsmodul von beispielsweise 215 GPa. Die Spaltbreiten liegen im Bereich von nur einigen μm. Je kleiner der Lagerdurchmesser ist bzw. je größer die Spaltbreite wird, desto kleiner wird jedoch die Steifigkeit des Lagersystems, wodurch die Eigenresonanzen eines Lagersystems genannter Bauart in einen Bereich zwischen 500–2000 Hz verschoben werden. In diesem Frequenzbereich liegt auch die Eigenresonanz der Speicherplatten, so dass sich die Lagerresonanzen in unerwünschter Weise auf die Speicherplatten übertragen können.
Die Spezifikationen bei Spindelmotoren schreiben Vibrationstests bei Frequenzen bis zu 500 Hz vor. Bei neueren Entwicklungen werden die Motoren auch auf Vibrationen in einem Frequenzbereich zwischen 500Hz und 2000 Hz getestet. Bis zu Frequenzen von etwa 500 Hz hat die Steifigkeit des Lagersystems einen großen Einfluss auf die Resonanzfrequenzen eines Spindelmotors. Bei Frequenzen über 500 Hz spielt die strukturelle Steifigkeit der Lagerkomponenten und der Komponenten des Motors eine entscheidende Rolle. Beispielsweise muss die strukturelle Steifigkeit der Welle wesentlich größer sein als die vom Lager auf die Welle ausgeübten Lagerkräfte, um eine Deformation der Welle zu vermeiden.
Es ist daher ein Bestreben bei der Entwicklung von fluiddynamischen Lagersystemen für Spindelmotoren, einerseits eine hohe Lagersteifigkeit sicherzustellen und andererseits störende Resonanzen zu minimieren.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Steifigkeit und die Eigenresonanzen eines fluiddynamischen Lagers zu optimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Durchmesser der Welle so gewählt, dass das Verhältnis zwischen dem Lagerabstand, also dem Abstand der Einspannstelle der Welle zum ersten Radiallagerbereich, und dem Durchmesser der Welle gleich oder kleiner 0,9 ist.
Durch diese Maßnahme verschiebt sich die Resonanzfrequenz des Lagers in einen unkritischen höheren Frequenzbereich, vorzugsweise deutlich oberhalb von 2 kHz. Durch das definierte Verhältnis von Lagerabstand zum Durchmesser der Welle ergibt sich eine optimale Steifigkeit des ersten Radiallagerbereichs. Dadurch verringert sich die Amplitude der Resonanz auf einen unkritischen Wert, so dass die Resonanzen sich kaum auf die Speicherplatten auswirken.
Bei Spindelmotoren ist der Lagerabstand meist konstruktionsbedingt vorgegeben. Multipliziert man den vorgegebenen Lagerabstand erfindungsgemäß mit dem Faktor 0,9 so erhält man den maximalen Wellendurchmesser, der bei aktuellen Spindelmotoren beispielsweise zwischen 3,5 und 5,0 mm beträgt.
Vorzugsweise umfasst das Lagersystem in einem Abstand zum ersten Radiallagerbereich einen zweiten Radiallagerbereich. Ferner können Axiallagerbereiche vorgesehen sein, die durch eine an der Welle befestigte Druckplatte, ein mit der Druckplatte zusammenwirkendes Gegenlager und die Lagerhülse gebildet werden. Die axiale Festlegung des Lagersystems kann jedoch auch durch andere Mittel, beispielsweise durch Axialkugellager, Axialnadellager oder Gleitlager, erreicht werden. Das Axiallager kann außerdem durch (magnetische) Vorspannmittel ergänzt werden.
Das Elastizitätsmodul der Welle wird im wesentlichen vom verwendeten Material bestimmt. Erfindungsgemäß wird als Material zur Herstellung der Welle eine Stahllegierung mit Additiven von Cr, Mo, W und/oder V verwendet. Dadurch kann ein E-Modul größer als 215 GPa erzielt werden. Beispielweise ist eine Stahllegierung mit der Bezeichnung 1.4535 (X90CrCoMoV17) mit einem E-Modul von 230 GPa geeignet. Als Alternative zu Stahl können keramische Materialien verwendet werden, beispielsweise
Al₂O₃, mit einem E-Modul von 300 – 400 GPa,
SSiC, mit einem E-Modul von 410 GPa,
SiSiC, mit einem E-Modul von 350 GPa, oder
SSN, mit einem E-Modul von 280 GPa.
Bei einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem als Teil eines Spindelmotors ist die Welle an der Einspannstelle mit einer Rotorglocke des Spindelmotors verbunden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
Es zeigen:
1: eine schematische Schnittdarstellung eines fluiddynamischen Lagersystems für einen Spindelmotor mit aufgesetztem Rotor;
2: ein Diagram der Steifigkeit der Radiallagerbereiche eines Spindelmotorlagersystems in Abhängigkeit vom Wellendurchmesser;
3: ein Diagram des dynamischen Resonanzfrequenzgangs eines Spindelmotorlagersystems in Abhängigkeit vom Wellendurchmesser.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines fluiddynamischen Lagersystems, wie es in Spindelmotoren zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt wird.
Das Lagersystem umfasst eine Lagerhülse 1 mit einer konzentrischen axialen Lagerbohrung, in welcher eine Welle 2 drehbar aufgenommen ist. Der Innendurchmesser der Bohrung der Lagerhülse 1 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle 2, so dass sich zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Welle 2 und der Lagerhülse 1 ein Lagerspalt 3 ausbildet. Der Lagerspalt 3 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise Lageröl oder auch Luft, gefüllt.
An einem Ende umfasst die Welle 2 eine Druckplatte 4 als Teil eines Axiallagers. Die Druckplatte 4 ist in einer ringförmigen, im Durchmesser größeren Ausnehmung der Lagerhülse 1 aufgenommen, so dass sich der Lagerspalt 3 zwischen Welle 2, Druckplatte 4 und Lagerhülse 1 fortsetzt. Die Druckplatte 4 bzw. die Stirnseite der Welle 2 ist durch eine Abdeckplatte 5 abgedeckt, die ein Gegenlager zur Druckplatte 4 bildet.
Das andere, freie Ende der Welle ist mit einer Rotorglocke 6 verbunden, die eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerkes trägt und zusammen mit der Welle 2 in Rotation versetzt werden kann.
Die eigentliche fluiddynamische Lageranordnung wird zum einen durch zwei Radiallagerbereiche 7, 8 gebildet, die durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet sind, die auf der äußeren Oberfläche der Welle 2 und/oder auf der Innenfläche der Lagerhülse 1 angeordnet sind. Sobald die Welle 2 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Oberflächenstrukturen der Radiallagerbereiche 7, 8 im Lagerspalt 3 ein fluiddynamischer Druck auf, so dass die Radiallager tragfähig werden.
Die stirnseitigen, d.h. senkrecht zur Rotationsachse gerichteten Oberflächen der Druckplatte 4 bilden zusammen mit den entsprechend gegenüberliegenden stirnseitigen Flächen der Abdeckplatte 5 bzw. der Lagerhülse 1 zwei Axiallagerbereiche 9, 10 (fluiddynamische Drucklager) aus. Teile der Oberflächen der Axiallagerbereiche 9, 10 sind ebenfalls mit entsprechenden Oberflächenstrukturen versehen, die eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben. Die Form und Ausgestaltung der Oberflächenstrukturen ist einem Fachmann bekannt und daher in den Zeichnungen nicht weiter dargestellt.
In Abhängigkeit von der Baugröße des Lagersystems, welche auch die Baugröße des das Lagersystem umfassenden Spindelmotors bestimmt, kann ein Lagerabstand A festgelegt werden, der die Distanz zwischen der Einspannstelle der Welle 2 an der Rotorglocke 6 und der Mitte des ersten Radiallagers 7 angibt. Anhand der Beziehung Lagerabstand A/Wellendurchmesser D <= 0,9kann nun der minimale Wellendurchmesser D ermittelt werden zu Wellendurchmesser D >= Lagerabstand A / 0,9.
2 zeigt beispielhaft ein Diagramm der Steifigkeit der Welle 2 eines Spindelmotorlagersystems in Abhängigkeit vom Wellendurchmesser an den Radiallagerbereichen. Die Kurve 20 zeigt die Steifigkeit der Welle 2 am ersten Radiallagerbereich 7, während die Kurve 21 die Steifigkeit der Welle am zweiten Radiallagerbereich 8 zeigt.
Wie man erwartet, wird die Steifigkeit der Welle 2 mit zunehmendem Wellendurchmesser größer. Insbesondere die Steifigkeit der Welle 2 am ersten Radiallagerbereich 7 hängt stark vom Wellendurchmesser ab, während der Einfluss des Wellendurchmessers auf die Steifigkeit der Welle am zweiten Radiallagerbereich 8 relativ gering ist.
In 3 ist beispielhaft ein Diagram des dynamischen Resonanzfrequenzgangs eines Spindelmotorlagersystems in Abhängigkeit vom Wellendurchmesser dargestellt. Auf der Abszisse ist die Frequenz aufgetragen, auf der Ordinate die Schwingungsamplitude. Die einzelnen Kurven a bis p zeigen den Frequenzgang bei verschiedenen Wellendurchmessern, wobei Kurve a dem kleinsten Wellendurchmesser und Kurve p dem größten Wellendurchmesser entspricht.
Man erkennt, dass die Resonanzfrequenz größer wird, je größer der Durchmesser D der Welle 2 gewählt wird. Außerdem nehmen die Schwingungsamplituden bei steigendem Wellendurchmesser D stark ab.

1: Lagerhülse
2: Welle
3: Lagerspalt
4: Druckplatte
5: Abdeckplatte
6: Rotorglocke
7: Radiallagerbereich (erster)
8: Radiallagerbereich (zweiter)
9: Axiallagerbereich
10: Axiallagerbereich
11: Rotationsachse
D: Wellendurchmesser
A: Lagerabstand
20: Wellensteifigkeit am ersten Lager
21: Wellensteifigkeit am zweiten Lager

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb der Speicherplatte(n) eines Speicherplattenlaufwerks, mit einer Lagerhülse (1) und einer in einer Bohrung der Lagerhülse aufgenommene und gegenüber der Lagerhülse drehgelagerten Welle (2), wobei einander zugewandte und durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (3) getrennte Oberflächen der Lagerhülse und der Welle mindestens einen ersten Radiallagerbereich (7) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Welle (2) so gewählt ist, dass das Verhältnis zwischen dem Lagerabstand (A), also dem Abstand der Einspannstelle der Welle zum ersten Radiallagerbereich (7), und dem Durchmesser der Welle gleich oder kleiner 0,9 ist, und dass der Durchmesser (D) der Welle vorzugsweise 3 mm bis 5,0 mm beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Abstand zum ersten Radiallagerbereich (7) einen zweiten Radiallagerbereich (8) aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es Axiallagerbereiche (9; 10) aufweist, die durch eine an der Welle befestigte Druckplatte (4), ein mit der Druckplatte zusammenwirkendes Gegenlager (5) und die Lagerhülse gebildet werden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle aus einer Stahllegierung mit Additiven von Cr, Mo, W und/oder V besteht und ein Elastizitätsmodul größer als 215 GPa aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle aus einem keramischen Material mit einem Elastizitätsmodul größer als 215 GPa besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es Teil eines Spindelmotors ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) an der Einspannstelle mit einer Rotorglocke (6) des Spindelmotors verbunden ist.