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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem für
einen Spindelmotor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1. Spindelmotoren mit derartigen fluiddynamischen
Lagersystemen werden beispielsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken
verwendet.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische
Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander
drehbare Lagerteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen
einen mit einem Lagerfluid, z. B. einem Lageröl, gefüllten
Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind auf den Lagerflächen
Lagerrillenstrukturen aufgebracht. Die Lagerrillenstrukturen erzeugen bei
relativer Drehung der Lagerteile zueinander innerhalb des Lagerspaltes
einen hydrodynamischen Druck. Dieser hydrodynamische Druck macht
das Lager tragfähig.
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Ein
Nachteil von fluiddynamischen Lagersystemen besteht darin, dass
das in dem fluiddynamischen Lager eingesetzte Öl im Laufe
der Zeit verdampft. In den Lagern muss deshalb ein für
die spezifizierte Lebensdauer ausreichender Fluidvorrat vorgesehen
werden. Dieser Fluidvorrat muss umso größer sein,
je höher die zu erwartende Betriebstemperatur und die geforderte
Lebensdauer sind.
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Ein
weiterer Einflussfaktor auf die Verdampfungsrate des Lagerfluids
ist die Größe der Grenzfläche des Fluids
zur Umgebungsluft. Eine kleine Grenzfläche reduziert hierbei
den Fluidverlust ebenfalls. Ist das Fluid im Vorratsvolumen in Bewegung, weil
beispielsweise rotierende Teile an das Volumen grenzen, so vergrößert
dies die Grenzfläche und damit auch die Verdampfungsrate.
Nicht zuletzt ist auch der Zustand der umgebenden Luft entscheidend
für die Verdampfungsrate. Ist die Grenzfläche
von sich bewegender Luft umgeben, ist die Verdampfungsrate größer
als bei einer Grenzfläche, welche an ein relativ unbewegtes,
bereits mit Fluiddämpfen angereichertes Luftvolumen grenzt.
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Aus
dem Stand der Technik sind eine Reihe verschiedener Bauformen für
fluiddynamische Lager bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 102008052469 A1 einen
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager, das eine Lagerbuchse
besitzt, die drehbar um eine feststehende, mit der Basisplatte eines
Spindelmotors verbundenen Welle gelagert ist, wobei der Lagerspalt
zwischen den feststehenden und den drehenden Teilen des Lagers an
beiden Seiten offen und durch Kapillardichtungen abgedichtet ist.
Dadurch ist das Lagerfluid an zwei Lagerseiten im Kontakt mit der
Umgebungsluft, was zu einer zusätzlichen Erhöhung
der Verdampfungsrate führt. An der Oberseite des Lagers
wird der Spalt deshalb durch eine Kappe abgedeckt. An den unteren,
axial verlaufenden Dichtungsspalt schließt sich ein dünner
axialer Luftspalt an, der zwischen einem Außendurchmesser
der fest mit der Lagerbuchse verbundenen Nabe und dem Innendurchmesser
eines hochgezogenen Rands der Basisplatte des Spindelmotors ausgebildet
ist. Dieser hochgezogene Rand dient an seinem Außendurchmesser
außerdem zur Befestigung der Statoranordnung des Spindelmotors.
Der Nachteil an dieser Ausgestaltung ist, dass, bedingt durch die
vorgegebenen Abmessungen des Spindelmotors, der Luftspalt im Vergleich
zum Dichtungsspalt relativ kurz ausfällt, so dass ein Austreten
von Fluiddampf an dieser Stelle nicht wirkungsvoll verhindert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager für
einen Spindelmotor weiter zu entwickeln, um ein Austreten von Lagerfluid
und insbesondere von Fluiddampf aus dem Lager wirksam zu verhindern
und damit die Lebensdauer des Spindelmotors zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches
Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das
fluiddynamische Lagersystem umfasst eine feststehende Welle, die
direkt oder indirekt in einer Grundplatte gehalten ist und ein relativ
zur Welle um eine Drehachse drehbar gelagertes Rotorbauteil. Das
Lager weist mindestens einen beidseitig offenen Lagerspalt auf,
der mit einem Lagerfluid gefüllt ist, und aneinander angrenzende
Flächen der Welle, des Rotorbauteils und mindestens eines
ersten Lagerbauteils voneinander trennt. Es sind ein erstes Radiallager
und ein zweites Radiallager vorgesehen, die zwischen einander gegenüber
liegenden axial verlaufenden Lagerflächen der Welle und
des Rotorbauteils ausgebildet sind, außerdem ist mindestens
ein Axiallager vorgesehen, ausgebildet zwischen einander gegenüber
liegenden radial verlaufenden Lagerflächen des Rotorbauteils
und dem ersten, mit der Grundplatte verbundenen Lagerbauteil. Ein
mit Lagerfluid gefüllter Rezirkulationskanal verbindet
voneinander entfernte Bereiche des Lagers miteinander. Der Lagerspalt
ist durch mindestens zwei Dichtungsspalte nach außen abdichtet.
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Von
der Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt verdampft
ständig Lagerfluid. Die verdampfende Menge hängt
von der Temperatur des Lagerfluids sowie von der Größe
der Grenzfläche des Lagerfluids zur umgebenden Luft ab.
Der so entstehende Fluiddampf kann in die Atmosphäre außerhalb des
Lagers entweichen und innerhalb des Motors kondensieren.
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Erfindungsgemäß schließt
sich an mindestens einer Seite des Lagers an den Dichtungsspalt ein
enger Barrierespalt an, der mindestens einen axial, parallel zur
Rotationsachse des Motors verlaufenden Abschnitt aufweist. Dieser
axiale Abschnitt wird durch eine Außenfläche des
Rotorbauteils und durch eine Innenfläche des feststehenden
ersten Lagerbauteils gebildet. Damit wird der begrenzte Raum innerhalb
des Lagers optimal ausgenutzt. Weiterhin ist damit die gesamte Ausgestaltung
des Lagers unabhängig vom Aufbau der Basisplatte.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass der Spaltabstand im Barrierespalt sehr klein und
seine axiale Länge parallel zur Rotationsachse möglichst groß ist.
Durch die geringe Spaltbreite und die große axiale Länge
des Barrierespaltes werden sich im Bereich des Barrierespaltes keine
Luftwirbel ausbilden, und aufgrund des geringen Querschnitts und
der relativ dazu großen Länge des Barrierespaltes
kann nur wenig Fluiddampf den Barrierespalt ins Freie verlassen.
Somit hat das erfindungsgemäße Lagersystem nur
geringe Fluidverluste und die Lebensdauer ist gegenüber
herkömmlichen zweiseitig offenen Lagern erhöht.
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Der
axiale Abschnitt des Barrierespaltes wird erfindungsgemäß durch
einen entsprechend geformte Außenfläche des Lagerbauteils,
das zusammen mit der Lagerbuchse das Axiallagers bildet, und einer gegenüberliegenden
Fläche der Lagerbuchse gebildet. Dadurch wird der zur Verfügung
stehende Platz im Lager optimal ausgenutzt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung ist der Barrierespalt
als direkte Verlängerung des Dichtungsspaltes ausgebildet.
Vorzugsweise wird der Barrierespalt durch dieselben Bauteile begrenzt wie
der Dichtungsspalt, nämlich das Rotorbauteil und das erste
Lagerbauteil. In einer besonders bevorzugten Ausführung
ist das erste Lagerbauteil topfförmig ausgebildet und weist
einen axial hervorstehenden Rand auf, der zusammen mit der Außenfläche
des Rotorbauteils sowohl den Dichtungsspalt als auch den Barrierespalt
ausbildet. Da der Barrierespalt möglichst dünn
ausgeführt sein sollte, hat das Rotorbauteil in diesem
Bereich vorzugsweise einen vergrößerten Außendurchmesser.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer bevorzugten Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Lagers.
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Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung
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Die 1 zeigt
einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der
Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten
eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.
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Der
Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen
zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein
erstes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa
topfförmig mit einem Rand 17 ausgebildet und umfasst
eine zentrale Öffnung, in welcher die Welle 12 befestigt
ist. An dem freien Ende der feststehenden Welle 12 ist
ein zweites Lagerbauteil 18 angeordnet, das vorzugsweise
ringförmig und einteilig mit der Welle 12 ausgebildet
ist. Die genannten Bauteile 10, 12, 16 und 18 bilden
die feststehende Komponente des Spindelmotors. Das fluiddynamische
Lager umfasst eine Lagerbuchse 14, die in einem durch die Welle 12 und
die beiden Lagerbauteile 16, 18 gebildeten Zwischenraum
relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 18 ist in
einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 14 angeordnet.
Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, der
Lagerbuchse 14 und der Lagerbauteile 16, 18 sind
durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander
getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl,
gefüllt ist.
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Die
Lagerbuchse 14 hat eine zylindrische Bohrung, an deren
Innenumfang zwei zylindrische Lagerflächen ausbildet sind,
welche durch eine dazwischen umlaufende Separator-Nut 24 mit
vergrößerter Spaltbreite getrennt sind. Diese
Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in
einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial
verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und sind mit
geeigneten Lagerrillenstrukturen versehen, so dass sie mit den jeweils
gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei
fluiddynamische Radiallager 22a und 22b ausbilden.
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An
das untere Radiallager 22b schließt sich ein radial
verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 20 an, der durch
radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 14 und
entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des
ersten Lagerbauteiles 16 gebildet wird. Diese Lagerflächen
bilden ein fluiddynamisches Axiallager 26 mit Lagerflächen
in Form von zur Drehachse 46 senkrechten Kreisringen. Das
fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch
spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder
auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14, dem ersten Lagerbauteil 16 oder
beiden Teilen angebracht werden können. Die Rillenstrukturen
des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über
die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 14, also
von inneren Rand bis zum äußeren Rand. Dadurch
ergibt sich im Betrieb eine definierte Druckverteilung im gesamten
Axiallagerspalt und Unterdruckzonen werden vermieden, da der Fluiddruck
von einer radial äußeren zu einer radial inneren
Position des Axiallagers kontinuierlich zunimmt. In vorteilhafter
Weise sind alle für die Radiallager 22a, 22b und
das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen an
der Lagerbuchse 14 angeordnet, was die Herstellung des
Lagers insbesondere der Welle 12 und des Lagerbauteils 16 vereinfacht.
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An
den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich des
Axiallagers 26 schließt sich ein anteilig mit
Lagerfluid gefüllter erster Dichtungsspalt 34 an,
der durch einander gegenüberliegende Flächen der
Lagerbuchse 14 und den Rand 17 des topfförmigen
Lagerbauteils 16 gebildet wird und das Ende des Fluidlagersystems
an dieser Seite abdichtet. Der erste Dichtungsspalt 34 umfasst
einen gegenüber dem Lagerspalt 20 verbreiterten
radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden
nahezu axial verlaufenden Abschnitt übergeht, der von einer inneren
Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und einer äußeren
Umfangsfläche des Lagerbauteils 16 begrenzt wird.
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 14 und dem Lagerbauteil 16 können
jeweils relativ zur Drehachse 46 nach innen geneigt sein.
Zumindest ist jedoch die Außenfläche der Lagerbuchse 14 relativ
zur Drehachse 46 nach innen geneigt. Dadurch wird das Lagerfluid bei
einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung
des Lagerspalts 20 gedrückt.
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An
der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 14 im
Anschluss an das obere Radiallager 22a so gestaltet, dass
es eine radiale verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer
entsprechend gegenüberliegenden Fläche des zweiten
Lagerbauteils 18 einen radialen Spalt bildet. An den radialen
Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 32 an,
der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der
zweite Dichtungsspalt 32 umfasst eine durch entsprechende
Rillen gekennzeichnete Pumpdichtung 36 und weitet sich
am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt
auf. Der Dichtungsspalt 32 wird durch einander gegenüberliegende
Oberflächen der Lagerbuchse 14 und des Lagerbauteils 18 begrenzt
und kann von einer ringförmigen Abdeckkappe 30 abgedeckt sein.
Der innere Rand der Abdeckkappe 30 bildet zusammen mit
dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung
aus.
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Dies
erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid
aus dem Dichtungsspalt 32.
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Die
strukturierten Lagerflächen des Fluidlagersystems befinden
sich vorzugsweise alle an einem Teil, vorzugsweise der Lagerbuchse 14,
so dass diese relativ einfach mit der geforderten Genauigkeit hergestellt
werden können. Aufgrund der Montage des Lagers in dem ersten
Lagerbauteil 16, das als Flansch zur Verbindung mit der
Basisplatte 10 dient, ist es möglich, das Fluidlager
als Baueinheit zu montieren, mit Lagerfluid zu befüllen
und zu testen, bevor das Fluidlager als Baueinheit mit der Basisplatte 10 verbunden
wird.
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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 umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44,
der an einer inneren Umfangsfläche einer einteilig mit
der Lagerbuchse ausgebildeten Nabe 48 angeordnet ist. Alternativ
kann die Nabe auch als separates Teil ausgeführt sein und
fest mit der Lagerbuchse verbunden werden.
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Da
der Spindelmotor nur ein fluiddynamisches Axiallager 26 aufweist,
das eine Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils 18 erzeugt,
muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft am beweglichen
Lagerteil vorgesehen werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht
hält. Hierfür kann die Basisplatte 10 einen
ferromagnetischen Ring 40 aufweisen, 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 der Rotormagnet 44 axial weiter
entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet wird als die
Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem
des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die ebenfalls entgegengesetzt
zum Axiallager 26 wirkt. Alternativ oder zusätzlich
kann zwischen dem Lagerbauteil 18 und der Lagerbuchse 14 ein zweites
Axiallager 50 mit spiralförmigen Lagerrillen vorgesehen
werden, das dem Axiallager 26 entgegenwirkt.
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Um
eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit
Lagerfluid sicherzustellen, ist in bekannter Weise ein Rezirkulationskanal 28 vorgesehen.
Der Rezirkulationskanal 28 ist ebenfalls mit Lagerfluid
gefüllt.
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Erfindungsgemäß schließt
sich an den Dichtungsspalt 34 direkt ein Barrierespalt 35 an,
der durch radial gegenüberliegende Flächen der
Lagerbuchse und des zweiten Lagerbauteils 16 gebildet wird.
Der Rand 17 des zweiten Lagerbauteils 16 ist dazu
in axialer Richtung verlängert. Die Lagerbuchse besitzt
im Bereich des Barrierespalts an ihrem Außendurchmesser
oberhalb des Dichtungsspaltes 34 einen Bereich 37 mit
vergrößertem Außendurchmesser, der bewirkt,
dass die Breite des Barrierespaltes 35 deutlich kleiner
ist, als die Breite des axialen Dichtungsspaltes 34. So
beträgt die Breite des Barrierespaltes typischerweise zwischen
0,03 und 0,1 mm. Die axiale Länge des Barrierespaltes beträgt
typischerweise ungefähr 1 mm. Die Breite des axialen Dichtungsspaltes
beträgt an seiner schmalsten Stelle typischerweise 0,08
bis 0,15 mm und erweitert sich auf einer axialen Länge
von ungefähr 2,5 bis 3 mm bis auf ungefähr 0.18
bis 0.25 mm. Durch die geringe Breite und den axialen Verlauf entstehen
in dem Barrierespalt nur sehr geringe Fliehkräfte, die
auf den Fluiddampf wirken können. Dadurch wird erreicht, dass
das verdampfte Lagerfluid nur sehr langsam durch den Barrierespalt
entweichen (diffundieren) kann. Stattdessen sammelt sich der Fluiddampf
im Bereich des Dichtungsspaltes. Durch die hohe Konzentration an
Fluiddampf oberhalb der Grenzfläche verlangsamt sich zusätzlich
die Verdampfungsrate.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14
- Lagerbuchse
- 16
- Lagerbauteil
- 17
- Rand
- 18
- Lagerbauteil
- 20
- Lagerspalt
- 22a,
22b
- Radiallager
- 24,
- Separator
- 26
- Axiallager
- 28
- Rezirkulationskanal
- 30
- Abdeckkappe
- 32
- zweiter
Dichtungsspalt
- 34
- erster
Dichtungsspalt
- 35
- Barrierespalt
- 36
- Pumpdichtung
- 37
- Bereich
- 40
- ferromagnetischer
Ring
- 42
- Statoranordnung
- 44
- Permanentmagnet
- 46
- Drehsachse
- 48
- Nabe
- 50
- Axiallager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008052469
A1 [0005]