DE102007032673A1

DE102007032673A1 - Fluiddynamisches Lagersystem und Spindelmotor mit einem solchen Lagersystem

Info

Publication number: DE102007032673A1
Application number: DE102007032673A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wildpreth; Andreas Kull; Martin Hafen; Olaf Winterhalter; Thilo Rehm
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2008-05-08
Also published as: JP5027612B2; JP2008111552A; US20080101739A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden (10) und mindestens einem beweglichen Lagerbauteil (22), die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (16) drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14) ausbilden, wobei sich an eine Seite des Lagerspalts ein Dichtungsspalt (38) anschließt, der zwischen einer Mantelfläche (40) des feststehenden Lagerbauteils (10) und einer dieser gegenüberliegenden Mantelfläche (42) des beweglichen Lagerbauteils (22) angeordnet ist, der einen radialen Abschnitt und einen axialen Abschnitt umfasst und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist, wobei im Bereich des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts (38) die Mantelfläche (40) des feststehenden Lagerbauteils (10) mit der Rotationsachse (16) einen spitzen Winkel alpha und die Mantelfläche (42) des beweglichen Lagerbauteils (22) mit der Rotationsachse (16) einen spitzen Winkel beta einschließen, wobei für die Winkel gilt, alpha >= beta > 0°, und die Differenz B2 zwischen dem kleinsten Radius r2 der an den Dichtungsspalt (38) angrenzenden Mantelfläche (42) des beweglichen Lagerbauteils (22) und dem größten Radius r1 der an den Dichtungsspalt (38) angrenzenden Mantelfläche (40) des feststehenden Lagerbauteils (10) kleiner oder gleich der kleinsten Breite B1 des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts (38) ist, und dass ferner gilt: B1 <= 2 B2.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lager werden beispielsweise zur Drehlagerung von Lüftern oder Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken oder ähnlichem dienen.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lager, wie sie in Spindelmotoren eingesetzt werden, umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Oberflächenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätartige, sogenannte Herringbone-Oberflächenstrukturen verwendet, die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken gemäß einer bekannten Bauart ist eine Welle in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert. Der Durchmesser der Bohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt verbleibt. Die einander zugewandten Oberflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerstrukturen auf als Teil von mindesten einem fluiddynamischen Radiallager. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe verbunden, deren untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der einander zugewandten Oberflächen der Nabe oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerstrukturen versehen.
Fluiddynamische Lagersysteme für den Einsatz in Spindelmotoren müssen so gebaut sein, dass möglichst kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt in andere Bereiche des Spindelmotors austreten kann. Zum einen verringert aus dem Lagerspalt austretendes Lagerfluid die Lebensdauer des Lagersystems, da zum Beispiel die Gefahr des Trockenlaufens des Lagers besteht, und zum anderen verschmutzt austretendes Lagerfluid andere Bauteile des Spindelmotors. Das Austreten von Lagerfluid aus dem Lagerspalt wird daher durch entsprechende Dichtungsanordnungen verhindert. Oftmals kommen dabei sogenannte Kapillardichtungen zum Einsatz, die sich an das offene Ende des Lagerspaltes anschließen und ein Austreten des Lagerfluids in den Motor verhindern. Das Lagerfluid wird in der Kapillardichtung durch Kapillarkräfte zurückgehalten, wobei sich im Dichtungsspalt auch eine Dampfsperre durch verdunstendes Lagerfluid am Übergang zwischen Lagerfluid und der in der Kapillardichtung vorhanden Luft bildet.
Das im Dichtungsspalt befindliche Lagerfluid dient oft auch als Schmiermittelreservoir, aus dem verdunstendes Lageröl ersetzt wird. Der nicht mit Lageröl gefüllte Teil des Dichtungsspalts dient als Ausgleichsvolumen, in welches das Lagerfluid sich ausdehnen kann, wenn dessen temperaturabhängiges Volumen mit steigender Temperatur zunimmt und sich dadurch der Fluidpegel ändert. Der Lagerspalt und Dichtungsspalt werden mit einer genau bemessenen Menge an Lagerfluid gefüllt. Anschließend muss die Füllhöhe des Lagerfluids im Dichtungsspalt geprüft werden. Eine einfache und schnelle Ermittlung des Füllstandes des Lagerfluids im Dichtungsspalt ist jedoch schwierig, da oftmals der Dichtungsspalt nicht oder lediglich teilweise eingesehen werden kann. In der Patentschrift US 7,118,278 B2 kann das Lagerfluid bei einem geringen Ölstand nicht detektiert werden. Ferner ist hier ein separates Bauteil notwendig, das an der Nabe befestigt wird und den Außenumfang der Kapillardichtung ausbildet.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem der Füllstand des Lagerfluids schnell und einfach ermittelt werden kann. Außerdem soll das Lagersystem eine hohe Standzeit sowie eine gute Schockfestigkeit und Rückhaltevermögen für das Lagerfluid im Lagerspalt aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst mindestens ein feststehendes und mindestens ein bewegliches Lagerbauteil, die um eine gemeinsame Rotationsachse relativ zueinander drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. An eine Seite des Lagerspalts schließt sich ein Dichtungsspalt an, der zwischen einer Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils und einer dieser gegenüberliegenden Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils angeordnet ist, der einen radialen Abschnitt und einen axialen Abschnitt umfasst und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist, wobei im Bereich des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts die Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils mit der Rotationsachse einen spitzen Winkel α und die Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils mit der Rotationsachse einen spitzen Winkel β einschließen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass α ≥ β > 0°, und dass die Differenz B₂ zwischen dem kleinsten Radius r₂ der an den Dichtungsspalt angrenzenden Mantelfläche des beweglichen Lagerbauteils und dem größten Radius r₁ der an den Dichtungsspalt angrenzenden Mantelfläche des feststehenden Lagerbauteils kleiner oder gleich der kleinsten Breite B₁ des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts ist, die dem kleinsten Abstand zwischen dem Außendurchmesser der Lagerbuchse und der Innenwandung der Nabe entspricht.
Damit der Füllstand des Fluids im Dichtspalt in einer zur Rotationsachse parallelen Blickrichtung über die gesamte Länge des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts bis hinauf zur Ebene des Axiallagers eingesehen werden kann, muss der Betrag B₁ kleiner oder gleich dem Zweifachen des Betrags B₂ sein.
Um ein Austreten und auch Abdampfen von Lagerfluid im Bereich der Kapillardichtung zu minimieren, ist der Dichtungsspalt sehr schmal aber dennoch im Vergleich zu den Abmessungen des Lagerspalts um ein oder zwei Größenordnungen größer. Es wird auch angestrebt, den Dichtungsspalt sehr lang auszubilden, zum einen, um einen entsprechenden Vorrat an Lagerfluid dort einbringen zu können und zum anderen, um die Länge der Dampfsperre zu vergrößern.
Erfindungsgemäß ist also ein Dichtungsspalt vorgesehen, der sich über einen Teil des Außenumfangs des feststehenden Lagerbauteils erstreckt und dessen Breite vorzugsweise sehr klein ist. Aufgrund der geringen Breite und der relativen Länge des Dichtungsspaltes ergibt sich eine geringe Abdampfungsrate des im Dichtungsspalt befindlichen Lagerfluids, was eine lange Lebensdauer des fluiddynamischen Lagersystems sicherstellt. Weiterhin ergibt sich aufgrund der geringen Breite des Lagerspaltes ein verbessertes Schockverhalten des Lagers, da auch bei vergleichsweise hohen axialen Schockbelastungen, die auf das Lager einwirken, kein Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt austritt.
Die beiden Winkel α und β können in einem Bereich zwischen vorzugsweise 0° und 10° gewählt werden, wobei der Winkel α vorzugsweise größer gewählt wird als der Winkel β. Dadurch weitet sich der Dichtungsspalt in Richtung seines offenen Endes konisch auf und es ergibt sich neben der auf Kapillareffekten basierenden Dichtwirkung des Dichtungsspalts ein weiterer die Dichtwirkung erhöhende Effekt, der auf der Zentrifugalkraft beruht, die bei Rotation der Lagerbauteile auf das Lagerfluid ausgeübt wird. Durch die Zentrifugalkraft wird das Lagerfluid radial nach außen beschleunigt. Durch die stärker abgeschrägte Mantelfläche der Lagerbuchse, wird das Lagerfluid entgegengesetzt zur Öffnung des Dichtungsspaltes in den Dichtungsspalt hineingedrückt aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt. Weiterhin erleichtert die sich axial nach unten hin weitgehend stetig erweiternde Kapillardichtung die Abgabe von innerhalb des Lagerfluids ausgasender Luft nach außen in die Atmosphäre. Somit wird die Ansammlung von Luft insbesondere im Bereich des oberen Axiallagers wirksam unterbunden. Dies ist insofern von Wichtigkeit, da eine Ansammlung von Luft im Bereich von Lagerstrukturen zum Ausfall des Lagers führt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Dichtungsspalts kann der Füllstand des Lagerfluids im Dichtungsspalt auch bei verhältnismäßig niederem Fluidpegel exakt optisch ermittelt werden. Beispielsweise kann während des Befüllvorgangs des Lagers mit Lagerfluid bei im Vergleich zur Spezifikation zu geringen Füllstand die noch fehlende Menge an Lagerfluid exakt ermittelt werden und in einem zweiten Befüllschritt eine weitere Menge des Lagerfluids in das Lager gefüllt werden. Dadurch kann die spezifizierte Gesamtfluidmenge eingehalten werden ohne dass eine zu große oder zu geringe Fluidmenge innerhalb des Lagers vorhanden ist. Somit sind keine weitere Kontrolle des Füllstands und kein weiteres Nachfüllen oder sogar ein Absaugen bzw. Entfernen von Lagerfluid mehr notwendig.
Weiterhin ist es auch nach längerer Laufzeit des Lagers, z.B. im Falle einer Untersuchung eines Rückläufers, immer noch möglich, von außen ohne Probleme optisch festzustellen, ob noch genügend Lagerfluid im Lager vorhanden ist. Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, im Verlauf von Tests zur Lebensdauer immer wieder Zwischenmessungen des Fluidpegelstandes machen zu können. Dadurch ist man in der Lage, die Abdampfungsraten des Lagerfluids für die spezifizierten Motordesigns bei verschiedenen Umdrehungszahlen des Spindelmotors sowie bei unterschiedlichen Temperaturen exakt zu ermitteln.
Hierzu wird in einer zur Drehachse weitgehend parallelen Blickrichtung etwa mittels eines chromatischen Sensors oder eines Mikroskops die axiale Lage des Apex, d.h. des axial höchsten Punktes des Fluidmeniskus ermittelt. Da der Fluidmeniskus wie ein konkaver Spiegel wirkt, wird abhängig von der optischen Apertur des Messmittels lediglich dasjenige Licht detektiert, das in einem kleinen lateralen Abstand zum Apex auf die Fluidoberfläche trifft und reflektiert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse mit einer zentralen Lagerbohrung, und das bewegliche Lagerbauteil eine in der Lagerbohrung drehbar gelagerte Welle und eine Nabe, die mit dem freien Ende der Welle verbunden ist und die Lagerbuchse unter Bildung des Dichtungsspaltes teilweise umgibt.
In bekannter Weise sind auf der Wandung der zentralen Lagerbohrung und/oder auf der Oberfläche der Welle Druck erzeugende Lagerstrukturen ausgebildet, als Teil von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager. Auf der Stirnfläche der Lagerbuchse und/oder einer dieser Stirnfläche gegenüberliegenden Fläche des topfförmigen Bauteils sind ebenfalls Druck erzeugende Lagerstrukturen ausgebildet als Teil eines fluiddynamischen Axiallagers.
Der Dichtungsspalt beginnt radial außerhalb des Axiallagers und setzt sich dann in axialer Richtung entlang der Außenoberfläche der Lagerbuchse fort. Die axiale Länge des Dichtungsspaltes beträgt beispielsweise ein Drittel der Länge der Lagerbuchse.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor, wie er zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert. Daraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager.
2 zeigt einen Ausschnitt des Spindelmotors gemäß der 1.
3 zeigt die Ansicht des Dichtungsspaltes in einem wiederum vergrößerten Ausschnitt aus den 1 bzw. 2.
4 zeigt eine Darstellung eines Lagersystems im Bereich des Dichtungsspalts ähnlich der 2 aber nicht gemäß der Erfindung.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Die 1 bis 3 zeigen Schnitte durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem in verschiedenen Detailansichten. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung aufweist und das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. In die Bohrung der Lagerbuchse 10 ist eine Welle 12 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 verbleibt ein Lagerspalt 14. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und der Lagebuchse 10 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 18, 20 aus, mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 16 drehbar in der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager 18, 20 sind durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbuchse 10 aufgebracht sind. Der Lagerspalt 14 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerstrukturen üben bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid aus, so dass die Radiallager 18, 20 tragfähig werden.
An der Unterseite der Welle 12 ist ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 13 angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10. Das Lager ist an dieser Seite der Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckplatte 28 verschlossen Ein freies Ende der Welle 12 ist mit einer topfförmigen Nabe 22 verbunden, welche einen ringförmigen Rand 23 aufweist, der die Lagerbuchse teilweise umgibt. Eine untere, ebene Fläche der Nabe 22 bildet zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 24 aus. Hierbei ist die Stirnfläche der Lagerbuchse 10 oder die gegenüberliegende Fläche der Nabe 22 mit Lagerstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 14 zwischen der Nabe 22 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 24 tragfähig wird. In der Lagerbuchse 10 kann ein Rezirkulationskanal 26 vorgesehen sein, der einen am äußeren Rand des Axiallagers 24 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 20 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 14 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfuids im Lager unterstützt. Vorzugsweise reichen die Pumpstrukturen des Axiallagers 24 in radialer Richtung zumindest bis an die in der 3 mit P bezeichneten Stelle, besonders bevorzugt jedoch bis an den radialen Außenrand der Lagerbuchse 10. Dabei können die Pumpstrukturen des Axiallagers in der Unterseite der Nabe 22 oder in der gegenüber angeordneten Oberseite der Lagerbuchse 10 angeordnet sein.
Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 30 des Spindelmotors angeordnet. Die Lagerbuchse 10 umgebend ist eine Statoranordnung 32 an der Basisplatte 30 angeordnet, welche aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen besteht. Diese Statoranordnung 32 ist umgeben von einem ringförmigen Rotormagneten 34, welcher in einem Rückschlussring 36 mit größerem Durchmesser angeordnet ist und am Innenumfang eines äußeren Randes der Nabe 22 befestigt ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden.
Der Lagerspalt 14 umfasst einen in axialer Richtung verlaufenden Abschnitt, der sich entlang der Welle 10 und der Radiallager 18, 20 erstreckt, und einen in radialer Richtung verlaufenden Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 24 erstreckt. Am radial äußeren Ende des radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 14 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, der einen radialen Abschnitt eines Dichtungsspalts 38 ausbildet. Der Dichtungsspalt 38 erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 14 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse 10 und einem Rand der Nabe 22 erstreckt. Bei einem Durchmesser der Lagerbuchse 10 von einigen Millimetern beträgt die Breite des Dichtungsspalts 38 typischerweise 100-300 Mikrometer.
Die 2 und 3 zeigen vergrößerte Ansichten des Dichtspaltes 38 des Spindelmotors in 1. Man erkennt, dass eine äußere axiale Mantelfläche 40 der Lagerbuchse 10 sowie eine innere axiale Mantelfläche 42 des Randes 23 der Nabe 22 die Begrenzung des Dichtungsspaltes 38 bilden. Die beiden Mantelflächen 40 und 42 verlaufen nicht parallel sondern in einem spitzen Winkel schräg zur Rotationsachse 16. Der Winkel α zwischen der Mantelfläche 40 der Lagerbuchse 10 und der Rotationsachse 16 ist größer als 0° und beträgt beispielsweise 5°. Der Scheitel des Winkels α liegt im Bereich des Beginns des axialen Abschnitts des Dichtungsspaltes 38 d.h. etwa in der Ebene des Axiallagers 24, wobei sich der Winkel α zur Öffnung des Dichtungsspaltes 38 hin öffnet. Der Winkel β zwischen der Mantelfläche 42 des Randes 23 der Nabe 22 und der Rotationsachse 16 ist ebenfalls größer als 0° und beträgt beispielsweise 3°. Der Scheitel des Winkels β liegt im Bereich des Beginns des axialen Abschnitts des Dichtungsspaltes 38, wobei sich der Winkel β zur Öffnung des Dichtungsspaltes 38 hin öffnet. Im Betrieb des Lagers wird das Lagerfluid durch die Zentrifugalkraft von der Rotationsachse 16 aus gesehen radial nach außen beschleunigt und durch die im Vergleich zur äußeren Mantelfläche 42 stärker abgeschrägte innere Mantelfläche 40 der Lagerbuchse 10 in den Dichtungsspalt 38 gedrückt und darin gehalten. Dadurch ergibt sich neben den wirkenden Kapillarkräften eine zusätzliche Dichtwirkung im dynamischen Betrieb des Lagers.
Um bei der Montage des Lagersystems den Rand 23 der Nabe 22 über die Lagerbuchse 10 stecken zu können muss der größte Radius r₁ der Lagerbuchse 10, im Bereich des Dichtungsspalts 38, kleiner sein als der kleinste Radius r₂ des Randes 23 der Nabe 22 im Bereich des Dichtungsspalts 38. Die Differenz zwischen den Radien r₂ und r₁ ist mit der Größe B₂ bezeichnet. In dem Teil des Dichtungsspalts 38, der an den unteren Abschnitt des Randes 23 der Nabe 22 angrenzt, befindet sich normalerweise kein Lagerfluid. Dieser Bereich der Mantelfläche 42 kann daher ebenfalls schräg oder – wie in der 2 dargestellt – beispielsweise auch parallel zur Drehachse 16 verlaufen.
Der axiale Abschnitt des Dichtungsspalts 38 ist ausgehend von seiner kleinsten Breite B₁ über eine Länge L₂ mit Lagerfluid gefüllt. Aufgrund der Kapillarwirkung bildet die Grenzfläche zwischen Lagerfluid und Luft einen Meniskus aus, dessen Apex A (tiefster Punkt) den Füllstand des Lagers bzw. den Füllstand des Lagerfluids im axialen Abschnitt des Dichtungsspalts 38 definiert. Um den Füllstand des Lagerfluids im axialen Abschnitt des Dichtungsspalts 38 optisch sicher und schnell bestimmen zu können, ist es eine Voraussetzung, dass der Apex A des Meniskus über mindestens eine axiale Länge L₁ des Dichtungsspalts 38 bis in die Ebene des Axiallagers 24 hinein sichtbar ist, wenn man vom offenen Ende des Dichtungsspalts 38 parallel zur Drehachse 16 in den Dichtungsspalt 38 hineinschaut. Berechnungen haben ergeben, dass der Apex A des Fluidmeniskus für kleine Winkel α, β in guter Näherung auf der Winkelhalbierenden innerhalb des Dichtungsspaltes 38 positioniert ist.
Mit Bezug auf die 4 gelten die folgenden Gleichungen:
Die Bedingungen dafür, dass der Apex A des Meniskus innerhalb des Dichtungsspalts 38 immer sichtbar ist, lautet: B1 ≤ 2B2
Da B₂ kleiner ist als B₁, ergibt sich die abschließende Bedingung: B2 ≤ B1 ≤ 2B2
Eine weitere Eigenschaft des Lagers zur Verringerung der Lagerreibung und somit der notwendigen Stromaufnahme des antreibenden Elektromotors besteht darin, dass bereits ab einer Position P vor der Außenkante der Lagebuchse 10 der Lagerspalt 14 sich kontinuierlich in den Dichtungsspalt 38 öffnet und verbreitert. Dieser Abschnitt des Dichtungsspalts 38 ist dabei horizontal d.h. radial angeordnet und geht dann in einen weit gehenden vertikalen d.h. axialen Abschnitt des Dichtungsspalts 38 über. Der axiale Abschnitt des Dichtungsspalts 38 wird begrenzt von der Lagerbuchse 10 und dem Rand 23 der Nabe 22. Aufgrund der bevorzugten Winkelbedingung α > β weitet sich der Querschnitt des axialen Abschnittes des Dichtungsspaltes 38 in radialer Richtung immer weiter auf. Dasselbe gilt für den radialen Abschnitt des Dichtungsspaltes ab einer Position P. Durch die beschriebene Ausbildung des Dichtungsspalts 38 ergeben sich eine Verringerung der Lagerreibung sowie die Möglichkeit einer Bevorratung eines hinreichend großen Volumens an Lagerfluid zur Sicherstellung der Lagerlebensdauer. Aufgrund der weitgehend konischen Öffnung des Dichtungsspalts 38 ergibt sich aufgrund der Kapillarwirkung des Fluids im Dichtungsspalt eine gute Abdichtungen des Lagers, so dass auch unter Schockeinwirkungen kein Lagerfluid aus dem Lager austritt.
An der radial äußeren Mantelfläche 40 der Lagerbuchse 10 ist im axial oberen Bereich ein kurzer Abschnitt, der parallel zur Drehachse des Lagers verläuft. Dieser Abschnitt kann auch fehlen und dient lediglich zur Messung des Außendurchmessers der Lagerbuchse.
4 zeigt im Vergleich zu den 2 und 3 eine vergrößerte Ansicht eines Dichtungsspaltes 138 eines nicht gemäß der Erfindung ausgebildeten fluiddynamischen Lagers. Das Lager ist jedoch sehr ähnlich zu dem in den 1 bis 3 gezeigten Lager. Daher sind in 4 gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion wie in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei diesen Bezugszeichen eine „1" vorangestellt wurde. Wie man in 4 erkennt, bilden die äußere axiale Mantelfläche 140 der Lagerbuchse 110 sowie die innere axiale Mantelfläche 142 des Randes 123 der Nabe 122 die Begrenzung des Dichtungsspaltes 138. Die beiden Mantelflächen 140 und 142 verlaufen nicht parallel sondern in einem spitzen Winkel schräg zur Rotationsachse 116. In 4 sind die Winkel zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt.
Der größte Radius r₁ der Lagerbuchse 110, der im Bereich des Dichtungsspalts 138 liegt, ist wiederum kleiner als der kleinste Radius r₂ des Randes 123 der Nabe 122 im Bereich des Dichtungsspalts 138. Die Differenz zwischen den Radien r₂ und r₁ ist mit der Größe B₂ bezeichnet.
Der axiale Abschnitt des Dichtungsspalts 138 ist ausgehend von seiner kleinsten Breite B₁ über eine Länge L₂ mit Lagerfluid gefüllt. Aufgrund der Kapillarwirkung bildet die Grenzfläche zwischen Lagerfluid und Luft einen Meniskus aus, dessen Apex A (tiefster Punkt) den Füllstand des Lagers bzw. den Füllstand des Lagerfluids im axialen Abschnitt des Dichtungsspalts 138 definiert.
Um den Füllstand des Lagerfluids im axialen Abschnitt des Dichtungsspalts 138 optisch sicher und schnell bestimmen zu können, ist es notwendig, dass der Apex A des Meniskus über die gesamte axiale Länge L₁ des Dichtungsspalts 138 bis in die Ebene des Axiallagers 124 hinein sichtbar ist, wenn man vom offenen Ende des Dichtungsspalts 138 parallel zur Drehachse 116 in den Dichtungsspalt 138 hineinschaut. Selbstverständlich können zur Bestimmung der Füllhöhe optische Messmittel, wie etwa ein Mikroskop, eine CCD-Kamera, ein Weißlichtinterferometer oder ein chromatischer Sensor verwendet werden. Erfindungsgemäß lautet die Bedingung, dass der Apex A des Meniskus innerhalb des Dichtungsspalts 38 immer sichtbar ist: B1 ≤ 2B2
Diese Bedingung ist in 4 nicht erfüllt. Der in 4 dargestellte Füllstand des Fluids kann gerade noch erkannt werden. Geringere Füllstände lassen sich nicht mehr detektieren, da der Apex A des Fluidmeniskus durch den unteren Rand 123 der Nabe 122 verdeckt wird.

10: Lagerbuchse
12: Welle
13: Stopperring
14: Lagerspalt
16: Rotationsachse
18: Radiallager
20: Radiallager
22: Nabe
23: Rand der Nabe
24: Axiallager
26: Rezirkulationskanal
28: Abdeckplatte
30: Basisplatte
32: Statoranordnung
34: Rotormagnet
36: Rückschlussring
38: Dichtungsspalt
40: Mantelfläche (feststehendes Lagerbauteil)
42: Mantelfläche (bewegliches Lagerbauteil)
110: Lagerbuchse
114: Lagerspalt
116: Rotationsachse
122: Nabe
123: Rand der Nabe
124: Axiallager
138: Dichtungsspalt
140: Mantelfläche (feststehendes Lagerbauteil)
142: Mantelfläche (bewegliches Lagerbauteil)
A: Apex
P: Position

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden (10) und mindestens einem beweglichen Lagerbauteil (12, 22), die relativ zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse (16) drehbar sind und zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (14) ausbilden, wobei sich an eine Seite des Lagerspalts ein Dichtungsspalt (38) anschließt, der zwischen einer Mantelfläche (40) des feststehenden Lagerbauteils (10) und einer dieser gegenüberliegenden Mantelfläche (42) des beweglichen Lagerbauteils (12, 22) angeordnet ist, der einen radialen Abschnitt und einen axialen Abschnitt umfasst und zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist, wobei im Bereich des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts (38) die Mantelfläche (40) des feststehenden Lagerbauteils (10) mit der Rotationsachse (16) einen spitzen Winkel α und die Mantelfläche (42) des beweglichen Lagerbauteils (12, 22) mit der Rotationsachse (16) einen spitzen Winkel β einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass für die Winkel gilt, α ≥ β >0°, dass die Differenz B₂ zwischen dem kleinsten Radius r₂ der an den Dichtungsspalt (38) angrenzenden Mantelfläche (42) des beweglichen Lagerbauteils (22) und dem größten Radius r₁ der an den Dichtungsspalt (38) angrenzenden Mantelfläche (40) des feststehenden Lagerbauteils (10) kleiner oder gleich der kleinsten Breite B₁ des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts (38) ist, und dass ferner gilt, B₁≤ 2B₂, so dass der Füllstand des Lagerfluids im gesamten axialen Abschnitt des Dichtungsspalts (38) optisch detektiert werden kann.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass α > β ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α zwischen 0° und 10° beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β zwischen 0° und 10° beträgt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsspalt (38) mit dem darin befindlichen Lagerfluid eine Kapillardichtung ausbildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Bauteil eine Lagerbuchse (10) mit einer zentralen Lagerbohrung umfasst.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Lagerbauteil eine in der Lagerbohrung drehbar gelagerte Welle (12) umfasst, deren freies Ende mit einer Nabe (22) verbunden ist, welches die Lagerbuchse (10) unter Bildung des Dichtungsspalts (38) teilweise umgibt.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wandung der zentralen Lagerbohrung und/oder auf der Oberfläche der Welle (12) Druck erzeugende Lagerstrukturen ausgebildet sind als Teil von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager (18; 20).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Stirnfläche der Lagerbuchse (10) und/oder einer dieser Stirnfläche gegenüber liegenden Fläche der Nabe (22) Druck erzeugende Lagerstrukturen ausgebildet sind als Teil eines fluiddynamischen Axiallagers (24).
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 10, einer Basisplatte (30) zur Aufnahme des feststehenden Lagerbauteils (10) des Lagersystems und einem elektro-magnetischen Antriebssystem (40; 42; 44) zum Antrieb des beweglichen Lagerbauteils (12; 22).
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 10 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte, sowie einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte.
Lüfter mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 10 zum Antrieb eines Lüfterrades.