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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische Lagersysteme können zur Drehlagerung von Spindelmotoren, die beispielsweise Festplattenlaufwerke oder Lüfter antreiben, eingesetzt werden. Die fluiddynamischen Lagersysteme umfassen dabei mindestens ein feststehendes und mindestens ein drehbares Lagerbauteil. Die beiden Lagerbauteile umfassen Lagerflächen, die durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind und durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Je nach Design ist der Lagerspalt einseitig oder beidseitig geöffnet und beispielsweise mit Kapillardichtungen abgedichtet. Um die Öffnungen der Kapillardichtungen vor Verschmutzung zu schützen und ein Austreten von Lagerfluid aus dem Lagerspalt bzw. den Kapillardichtungen zu verhindern, können die Öffnungen zusätzlich mittels einer Abdeckkappe abgedeckt sein, die entweder am feststehenden oder am drehbaren Motorbauteil befestigt ist.
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Bei Rotation des drehbaren um das feststehende Lagerbauteil erzeugen die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid, wodurch im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, der das fluiddynamische Lagersystem tragfähig macht. Es gibt fluiddynamische Radiallager, fluiddynamische Axiallager sowie fluiddynamische konische Lager. Während bei Radiallagern die Lagerfläche parallel und bei Axiallagern die Lagerfläche senkrecht zu einer Rotationsachse ausgerichtet ist, ist bei konischen Lagern die Lagerfläche schräg zur Rotationsachse ausgerichtet. Dadurch können konische Lager gleichzeitig Kräfte in radialer und axialer Richtung aufnehmen.
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Die
DE 10 2013 009 491 A1 offenbart zwei Spindelmotoren unterschiedlicher Bauart und mit verschiedenen fluiddynamischen Lagersystemen für ein Festplattenlaufwerk. Eine Variante zeigt einen Spindelmotor mit einem ironischen fluiddynamischen Lagersystem. Hierbei sind an einer feststehenden Welle in einem axialen Abstand zueinander zwei konische Lagerbauteile angeordnet, die zusammen mit einer rotierenden Nabe zwei konische Lager ausbilden. Im Bereich jedes konischen Lagerbauteils ist jeweils ein beidseitig geöffneter Lagerspalt angeordnet, der an beiden Enden durch konische Kapillardichtungen abgedichtet ist. Die Kapillardichtungen sind von Abdeckkappen abgedeckt.
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Die andere Variante zeigt einen Spindelmotor, bei dem anstelle der beiden konischen Lager zwei fluiddynamische Radiallager und ein fluiddynamisches Axiallager vorgesehen sind. Eine Nabe ist drehbar gelagert und um eine feststehende Welle angeordnet, die in einem feststehenden Lagerbauteil gehalten ist. Entlang der Welle sind die beiden Radiallager in einem Abstand zueinander angeordnet. Das Axiallager ist zwischen dem feststehenden Lagerbauteil und der Nabe angeordnet. Zwischen den drehenden und den stehenden Bauteilen ist ein beidseitig geöffneter Lagerspalt vorgesehen, der an beiden Enden durch konische Kapillardichtungen abgedichtet ist. Auf einer Seite des Lagers sind die Kapillardichtungen durch eine Abdeckkappe abgedeckt. Gezeigt sind ebenfalls verschiedene Ausführungen von Abdeckkappen. Der Freiraum zwischen den Abdeckkappen und den Kapillardichtungen ist jedoch sehr gering, weshalb unter Schockeinwirkung, Vibrationen oder bei Druckunterschieden Lagerfluid aus den Kapillardichtungen austreten und direkt über Spalte zwischen den Abdeckkappen und der Welle in den Motorraum gelangen kann.
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Die
US 201310320793 A1 offenbart einen Spindelmotor der oben genannten Art, jedoch mit einem einseitig offenen Lagerspalt, der durch eine konische Kapillardichtung abgedichtet ist. Über der axial verlaufenden Kapillardichtung ist eine Abdeckung angeordnet. Die Abdeckung weist direkt oberhalb der Öffnung der Kapillardichtung eine Aussparung auf, in der sich aus der Kapillardichtung austretendes Lagerfluid sammeln und wieder zurück in den Dichtungsspalt fließen kann. Jenseits der Aussparung verengt sich der Spalt zwischen Abdeckung und dem gegenüberliegenden Lagerbauteil wieder, so dass zu vermuten ist, dass aus der Kapillardichtung in die Aussparung austretendes Lagerfluid durch Kapillarwirkung in den engen Spalt gezogen wird und dort verbleibt, anstelle wieder zurück in die Kapillardichtung zu fließen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem ein Austreten von Lagerfluid aus dem Bereich der Kapillardichtungen aufgrund äußerer Schockeinwirkung, Vibrationen oder Druckdifferenzen verhindert oder zumindest erschwert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil, bestehend mindestens aus einer Welle, ein relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Rotationsachse drehbares Lagerbauteil, bestehend aus einer Nabe mit mindestens einer Lagerbuchse, mindestens einen mit einem Lagerfluid gefüllten, beidseitig offenen Lagerspalt, der das feststehende und das drehbare Lagebauteil voneinander trennt, mindestens eine Kapillardichtung, die an den Enden des Lagerspalts angeordnet ist, sowie mindestens eine Abdeckkappe mit einer Öffnung in der Mitte, die einen radial verlaufenden Abschnitt und einen axial verlaufenden Abschnitt aufweist, wobei der Innenumfang des axial verlaufenden Abschnitts am Außenumfang der Legebuchse befestigt ist, wobei der radial verlaufende Abschnitt der Abdeckkappe auf der der konischen Kapillardichtung zugewandten Seite eine Aussparung aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die Aussparung derart angeordnet, dass sich die Öffnung der Kapillardichtung und die Aussparung in radialer Richtung zumindest teilweise nicht überdecken.
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Diese Aussparung minimiert das Risiko, dass unter Schockeinwirkung, Druckdifferenzen oder Vibrationen Lagerfluid aus der Kapillardichtung austritt und direkt über den Spalt zwischen der Abdeckkappe und der Welle in den Motorraum gelangt, da bei einem eventuellen Austritt von Lagerfluid aus der Kapillardichtung dieses in der Aussparung aufgefangen wird. Das in der Aussparung aufgefangene Lagerfluid kann dann wieder zurück in die Kapillardichtung fließen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Aussparung zumindest teilweise radial weiter innen liegend zu der Öffnung der Kapillardichtung angeordnet, erstreckt sich also radial weiter nach innen in Richtung der Rotationsachse als die Öffnung der Kapillardichtung. Dadurch wird verhindert, dass Lagerfluid zwischen der Oberseite des drehbaren Lagerbauteils und der Unterseite der Abdeckkappe hängen bleibt und nicht wieder zurück in die Kapillardichtung fließt.
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Vorzugsweise sind die Oberflächen des drehbaren Lagerbauteils, insbesondere die Oberflächen der Abdeckkappe, die nicht durch Lagerfluid benetzt werden sollen, mit einem geeigneten Ölstopplack oder Barrierefilm beschichtet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Aussparung vollständig radial innen liegend zu der Öffnung der Kapillardichtung angeordnet, so dass sich die Öffnung der Kapillardichtung und die Aussparung in radialer Richtung nicht überdecken.
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Der Bereich der Öffnung der Kapillardichtung ist in diesem Fall nur durch einen radial nach innen verlaufenden Spalt mit der Aussparung verbunden.
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Die Abdeckkappe überdeckt die Öffnung der Kapillardichtung in geringem Abstand. Der ringförmige Spalt bildet eine Engstelle zwischen der Öffnung der Kapillardichtung und der Aussparung der Abdeckkappe. Durch den Spalt als Engstelle wird es dem aus der Kapillardichtung austretendem Lagerfluid erschwert, überhaupt in den Bereich der Aussparung zu gelangen. Vielmehr wird das Lagerfluid größtenteils sofort wieder zurück in die Kapillardichtung fließen. Dies wird noch dadurch unterstützt, dass vorzugsweise die einander zugewandten Oberflächen des feststehenden Lagerbauteils und/oder der Abdeckkappe mit einem Barrierefilm oder einem Ölstopplack beschichtet sind. Dadurch kann das Lagerfluid nicht an diesen Oberflächen anhaften und fließt leichter wieder ab.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Aussparung im Querschnitt rechteckig ausgebildet.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die Aussparung im Querschnitt etwa dreieckig ausgebildet und weist auf der der Welle zugewandten Wandung eine Schräge auf, während die der Welle abgewandte Wandung der Aussparung parallel zur Rotationsachse verläuft. Dadurch wird oberhalb der Kapillardichtung ein relativ großer Freiraum geschaffen, der austretendes Lagerfluid aufnehmen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Aussparung im Querschnitt etwa dreieckig ausgebildet. Hierbei kann die der Welle abgewandte Wandung der Aussparung eine Schräge aufweisen, während die der Welle zugewandte Wandung der Aussparung parallel zur Rotationsachse verläuft. Der dreieckige Querschnitt und die radial außen liegende schräge Wandung der Aussparung begünstigen ein Zurückfließen des Lagerfluids von der Aussparung in die Kapillardichtung mit Hilfe der Zentrifugalkraft, die radial nach außen auf das Lagerfluid wirkt, das sich zusammen mit der Abdeckkappe dreht. Die Fliehkraft befördert das an der Abdeckkappe anhaftende Lagerfluid entlang der Schräge der Aussparung radial nach außen, wo es dann in die Kapillardichtung zurücklaufen kann. Desweiteren wirkt der dreieckige Querschnitt wie eine Kapillardichtung welche das Lagerfluid auch im Stillstand des Motors radial nach außen befördert.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Aussparung auf der der Welle sowie auf der der Lagerbuchse zugewandten Seite eine Schräge aufweisen, so dass sich ein trapezförmiger, keilförmiger oder dreieckiger Querschnitt der Aussparung ergibt.
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Vorzugsweise ist auf der radial innen liegenden Seite des radial verlaufenden Abschnitts der Abdeckkappe ein axial verlaufender Abschnitt angeordnet, der entgegengesetzt der Richtung des axial verlaufenden Abschnitts der Abdeckkappe verläuft. Der Innenumfang dieses axial verlaufenden Abschnitts verläuft in geringem Abstand entlang und parallel zur Welle bzw. des feststehenden Lagerbauteils und bildet eine Spaltdichtung. Zwischen dem Innenumfang der Abdeckkappe und dem Außenumfang der Welle ist vorzugsweise ein enger, axial verlaufender Luftspalt in Form einer Spaltdichtung angeordnet, der dafür sorgt, dass verdampftes Lagerfluid nicht oder nur sehr schwer aus dem Lager entweichen kann.
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Bevorzugt weist das feststehende Lagebauteil neben der Welle ein erstes und ein zweites Lagerbauteil auf, die beide an der Welle angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein fluiddynamisches Radiallager zwischen der Welle und der Lagerbuchse und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager zwischen der Lagerbuchse und einem der Lagerbauteile vorgesehen.
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In einer anderen bevorzugtere Ausgestaltung der Erfindung ist der Außenumfang des ersten und zweiten Lagerbauteils konisch ausgebildet, wobei die beiden Lagerbauteile zusammen mit jeweils gegenüberliegenden Lagerbuchsen zwei fluiddynamische konische Lager bilden.
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Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden, der mittels eines elektromagnetischen Antriebsystems zum Antrieb von beispielsweise Festplattenlaufwerken, optischen Laufwerken, Lüftern oder Laserscannern eingesetzt werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
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2 zeigt einen Schnitt durch den Spindelmotor aus 1 mit einer anderen Ausgestaltung der Abdeckkappen.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor in einer anderen Bauart, als der Spindelmotor aus 1.
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4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spindelmotors von 1 in einer abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spindelmotors von 2 in einer abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit zwei zueinander symmetrischen konischen Lagern.
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Eine Basisplatte 10 weist eine Sacklochbohrung auf, in der eine feststehende Welle 12 angeordnet ist. Die Welle 12 kann beispielsweise in die Basisplatte 10 eingepresst sein. Dafür wird ein Schmiermittel in den Innendurchmesser der Sacklochbohrung der Basisplatte 10 aufgetragen und anschließend die Welle 12 eingepresst. Als Schmiermittel kann beispielsweise IPA oder Klebstoff verwendet werden. Klebstoff hat gegenüber IPA den Vorteil, dass die Dosierung sehr genau erfolgen kann und die Verbindung von Welle 12 und Basisplatte 10 fester ist, da zusätzlich zu der Pressverbindung noch eine Klebeverbindung existiert. An der Welle 12 sind Lagerbauteile 14 mit konischen Lagerflächen in einem axialen Abstand zueinander angeordnet. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 14 bilden das feststehende Bauteil des Spindelmotors. Gegenüber den Lagerbauteilen 14 sind um eine Rotationsachse 16 drehbare Lagerbuchsen 18 angeordnet, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sein können und eine Bohrung sowie jeweils eine endseitige hohlkegelige Aussparung aufweisen, in denen die Welle 12 und die beiden Lagerbauteile 14 aufgenommen sind. Die axiale Relativbewegung der Lagerbuchsen 18 zu dem feststehenden Bauteil, das sogenannte Axialplay, kann zwischen 10 und 20 Mikrometer, beispielsweise 14 Mikrometer, betragen. Eine Nabe 20 kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein und ist mit den Lagerbuchsen 18 drehfest verbunden. Zwischen den Lagerbuchsen 18 ist eine Dichtscheibe 22 angeordnet, die beispielsweise aus Hartgummi gefertigt sein kann, die das Lager vor äußeren Einflüssen schützt und außerdem als Ausgleichselement für axiale Bewegungen aufgrund thermischer Ausdehnungen dient. Die Lagerbuchsen 18, die Nabe 20 und die Dichtscheibe 22 bilden zusammen das rotierende Bauteil des Spindelmotors. Die Lagerflächen der Lagerbauteile 14 bilden zusammen mit gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerbuchsen 18 die konischen Lager 24.
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Die Lagerbauteile 14 verlaufen im Bereich der konischen Lagerflächen von ihrer der Lagermitte zugewandten Seite in Richtung des Lageräußeren betrachtet unter einem spitzen Winkel von beispielsweise 30° schräg nach außen. Diese Fläche weist einen sehr großen Radius von beispielsweise 250 Millimetern auf, was als „crowning” bezeichnet wird und wodurch sichergestellt wird, dass die Flächen der Lagerbuchsen 18 und der Lagerbauteile 14 in diesem Bereich nicht festklemmen können. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Radius auch in den jeweiligen gegenüber liegenden Flächen der Lagerbuchsen 18 vorgesehen sein. Die Lagerbuchsen 18 und/oder die Lagerbauteile 14 weisen fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen auf, die bei Betrieb des Lagersystems eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Apex, d. h. etwa des Mittelbereiches der Lagerrillen, ausüben, so dass die konischen Lager 24 tragfähig werden. Da die dem Lageräußeren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die bei Umdrehung des Lagers eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren auf das Lagerfluid ausüben, länger ausgestaltet sind als die dem Lagerinneren zugewandten Äste der fischgrätenförmigen Lagerrillen, die das Lagerfluid in Richtung zum Lageräußeren befördern, und darüber hinaus die dem Lageräußeren zugewandten Äste auf einem vergleichsweise größeren Radius angeordnet sind, überwiegt die Pumpwirkung auf das Lagerfluid, die in das Lagerinnere gerichtet ist. Es ergibt sich also eine resultierende Pumprichtung in Richtung der Lagermitte.
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Gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchsen 18 und der Welle 12 sowie der Lagerbauteile 14, die sich bei Stillstand oder geringen Drehzahlen berühren können, sind durch mit einem Lagerfluid gefüllte Lagerspalte 26 voneinander getrennt. Die Enden der Lagerspalte 26 sind durch mit zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllten Kapillardichtungen 28, 30 abgedichtet. Ein axialer Abschnitt der Lagerspalte 26 verläuft dabei zwischen der Welle 12 und den Lagerbuchsen 18, während ein schräger Abschnitt zwischen den Lagerbauteilen 14 und den Lagerbuchsen 18 verläuft.
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Die äußeren Kapillardichtungen 28 sind an dem Ende der Lagerpalte 26 angeordnet, die zum Lageräußeren hin zeigen, und werden begrenzt durch Außenumfangsflächen der Lagerbauteile 14 und Innenumfangsflächen der Lagerbuchsen 18. Die die Kapillardichtungen 28 begrenzenden Flächen verlaufen dabei in Richtung des Lageräußeren leicht nach innen geneigt zur Rotationsachse 16. Der Neigungswinkel der Flächen der Lagerbuchsen 18 ist dabei geringer als der der Lagerbauteile 14, wodurch sich ein konischer Querschnitt ergibt.
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Die inneren Kapillardichtungen 30 sind an dem Ende der Lagerspalte 26 angeordnet, die zum Lagerinneren hin zeigen, und werden begrenzt durch die Außenumfangsfläche der Welle 12 und innenumfangsflächen der Lagerbuchsen 18. Die die Kapillardichtungen 30 begrenzenden Flächen verlaufen zum Lagerinneren zunächst parallel zur Rotationsachse 16 und weisen dann eine Schräge weg von der Rotationsachse 16 auf, wodurch das Ende der Kapillardichtungen 30 einen konischen Querschnitt aufweist. Die Spaltbreite des kapillaren Abschnitts der Kapillardichtungen 30 ist gleich der Spaltbreite der radialen Lagerspalte 26. Entlang dieses Abschnitts sind Pumpdichtungen 32 angeordnet, die Pumpstrukturen umfassen, die eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung der konischen Lager 24 erzeugen.
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Zwischen den Lagerspalten 26 und den äußeren Kapillardichtungen 28 sind ringförmige Nuten 34 vorgesehen, die senkrecht zur Rotationsachse 16 angeordnet sind, die als zusätzliche Reservoire für das Lagerfluid dienen, wodurch die Lebensdauer des Lagers erhöht wird. Zusätzlich schützen diese Nuten 34 das Lager vor in die Kapillardichtungen 28 eindringende Luft. Die Nuten 34 werden beispielsweise in die Innenumfangsflächen der Lagerbuchsen 18 maschiniert.
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Zwischen den inneren Kapillardichtungen 30 verbleibt ein Luftspalt 36, der von dem Außenumfang der Welle 12, den Innenumfangsflächen der Lagerbuchsen 18 sowie dem Innenumfang der Dichtscheibe 22 begrenzt wird. Eine Ausgleichsbohrung in der Welle 12 längs parallel zur Rotationsachse (nicht zeichnerisch dargestellt) sorgt verbunden mit dazu senkrechten Ausgleichsborungen 38 für einen Druckausgleich zwischen diesem Luftspalt 36 und der Umgebung und stellt sicher, dass während des Einpressens der Welle 12 in die Basisplatte 10 die in der Sacklochbohrung vorhandene Luft entweichen kann.
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Um die Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 26 sicherzustellen, sind in den Lagerbauteilen 14 mindestens ein, vorzugsweise jedoch zwei sich gegenüberliegende Rezirkulationskanäle 40 vorgesehen. Die Enden der Rezirkulationskanäle 40 münden auf ihrer einen Seite in die Bereiche der Lagerspalte 26, in denen die axialen Abschnitte in die schrägen Abschnitte übergehen. Von dort ausgehend verlaufen die Rezirkulationskanäle 40 als axiale Verlängerungen der axial verlaufenden Abschnitte der Lagerspalte 26 zwischen den Lagerbauteilen 14 und der Welle 12, knicken dann schräg nach außen ab und verlaufen in einem Winkel kleiner 90° zur Rotationsachse 16 durch die Lagerbauteile 14. Ihre Enden münden auf dieser Seite in die Nuten 34. Die in axiale Richtung verlaufenden Teile der Rezirkulationskanäle 40, die zwischen der Welle 12 und den Lagerbauteilen 14 verlaufen, können beispielsweise mittels ECM in die Lagerbauteile 14 und/oder die Welle 12 eingearbeitet sein.
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An den Lagerbuchsen 18 sind auf der lageräußeren Seite Abdeckkappen 42 befestigt, die zusammen mit den Lagerbuchsen 18 um die Welle 12 rotieren und die außeren Kapillardichtungen 28 abdecken. Die Abdeckkappen 42 weisen jeweils einen radial verlaufenden Abschnitt 42a und einen axial verlaufenden Abschnitt 42b auf. Der Innenumfang des axial verlaufenden Abschnitts 42b der Abdeckkappen 42 liegt am Außenumfang der Lagerbuchsen 18 an, und ein Teil des radial verlaufenden Abschnitts 42b der Abdeckkappen 42 liegt mit seiner der Kapillardichtung 28 zugewandten Seite auf der Stirnseite der Lagerbuchsen 18 auf. In der der Kapillardichtung 28 zugewandten Seite des radial verlaufenden Abschnitts 42a der Abdeckkappen 42 sind Aussparungen 44 in Form einer ringförmigen Nut angeordnet. Die Aussparungen 44 haben einen rechteckigen Querschnitt und die die Aussparungen 42 begrenzenden Flächen verlaufen parallel bzw. senkrecht zur Rotationsachse 16. Die Aussparungen 44 breiten sich in radialer Richtung nach außen bis etwa zu den äußeren Begrenzungsflächen der äußeren Kapillardichtungen 28 aus. Zwischen der Außenumfangsfläche der Welle 12 und den Innenumfangsflächen der Abdeckkappen 42 verbleiben enge Luftspalte, die sogenannte Spaltdichtungen 46 ausbilden und ein Abdampfen des Lagerfluids aus den Lagerspalten 26 bzw. den äußeren Kapillardichtungen 28 minimieren. Die Aussparungen 44 dienen dazu, bei Schock, Vibrationen oder Druckunterschieden eventuell aus den Kapillardichtungen 28 austretendes Lagerfluid aufzufangen, damit dieses nicht über die Spaltdichtungen 46 in den Motorraum gelangt.
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Der radiale Abschnitt 42a der Abdeckkappe 42, die auf der Seite der Basisplatte 10 angeordnet ist, kann in axialer Ausdehnung kleiner ausgestaltet sein als der radiale Abschnitt 42a der Abdeckkappe 42 auf der anderen Seite des Lagers.
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Die Nabe 20 besteht vorzugsweise aus Aluminium und weist einen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein magnetischer Rückschluss 48 für einen Rotormagneten 50 befestigt ist. Der Rotormagnet 50 umschließt eine Statoranordnung 52 konzentrisch, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die an der Basisplatte 10 befestigte Statoranordnung 52 bildet mit dem Rotormagneten 50 und dem magnetischen Rückschluss 48 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors.
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In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind Nabe und Lagerbuchse zwei separate Bauteile aus verschiedenen Materialien. Nabe und Lagerbuchse können auch einteilig ausgebildet sein (nicht zeichnerisch dargestellt) und beispielsweise aus Stahl gefertigt sein. In diesem Fall kann auf den magnetischen Rückschluss des elektromagnetischen Antriebsystems verzichtet werden.
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2 zeigt einen Schnitt durch den Motor aus 1 mit einer anderen Ausgestaltung der Abdeckkappen 142. Wie die Abdeckkappen 42 aus 1 weisen sie einen radialen Abschnitt 142a, einen axialen Abschnitt 142b sowie eine ringförmige Aussparung 144 auf. Die Aussparung 144 ist auf der Seite des radialen Abschnitts 142a angeordnet, die den äußeren Kapillardichtungen 28 gegenüberliegt. Die Aussparung 144 weist keinen rechteckigen, sondern einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die radial außen liegende Begrenzungsfläche verlauft dabei parallel zur Rotationsache 16, während die radial innenliegende Begrenzungsfläche eine Schräge aufweist. Die Schräge kann einen Winkel zwischen 20° und 60°, beispielsweise 35°, senkrecht zur Rotationsachse 16 aufweisen.
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Der radiale Abschnitt 142a der Abdeckkappe 142, die auf der Seite des Lagers angeordnet ist, die weiter entfernt von der Basisplatte 10 ist, kann in axialer Richtung größer ausgebildet sein als der radiale Abschnitt 142a der Abdeckkappe 142, die auf der Seite des Lagers nahe der Basisplatte 10 angeordnet ist.
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Des Weiteren ist auf der radial innenliegenden Seite des radialen Abschnitts 142a ein axialer Aufsatz 142c vorgesehen, der entgegengesetzt der Richtung des axialen Abschnitts 142b verläuft. Durch den Aufsatz 142c wird die Spaltdichtung 46, die zwischen Welle 12 und Abdeckkappe 142 ausgebildet ist, in axialer Richtung verlängert, was ihre Funktion verbessert.
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3 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem einer anderen Bauart ohne konische Lager.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein feststehendes erstes Lagerbauteil 116 aufgenommen ist. Das Lagerbauteil 116 kann mit der Basisplatte 110 mittels eines elektrischen Leitklebers elektrisch leitend verbunden sein. Das erste Lagerbauteil 116 ist etwa topfförmig ausgebildet und umfasst eine zentrale Öffnung, in welcher die Welle 112 eingepresst ist. Als Schmiermittel für den Fügeprozess kann beispielsweise Klebstoff verwendet werden, wodurch die Pressverbindung zusätzlich durch die Klebeverbindung gestärkt wird. An dem freien Ende der feststehenden Welle 112 ist ein ringförmiges zweites Lagerbauteil 118 angeordnet, das an der Welle 112 befestigt oder einteilig mit der Welle 112 ausgebildet ist. Die genannten Bauteile 110, 112, 118 und 118 bilden das feststehende Lagerbauteil des Spindelmotors. Die Welle 112 weist an ihrem oberen Ende vorzugsweise eine Gewindebohrung (zeichnerisch nicht dargestellt) auf, die zur Befestigung der Welle 112 an einem Gehäusedeckel des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks dient.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Nabe 114 mit einer einteilig integrierten Lagerbuchse 114a, die in einem durch die Welle 112 und die beiden Lagerbauteile 116, 118 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen drehbar angeordnet ist. Das obere Lagerbauteil 118 ist in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbuchse 114a angeordnet, an deren radial außen gelegenem Rand eine umlaufende Rille 117 angeordnet ist, die das Verhaften des fluiddynamischen Lagers unter Vibrationen verbessert. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 112, der Lagerbuchse 114a und der beiden Lagerbauteile 116, 118, die sich bei Stillstand, geringen Drehzahlen oder unter Vibrationen berühren können, sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 120 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Basisplatte 110 angeordnete Statoranordnung 146 und einem die Statoranordnung 146 in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 148, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 114 angeordnet ist.
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Die Lagerbuchse 114a hat eine zylindrische Bohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausbildet sind, welche durch einen dazwischen liegenden Separatorspalt 126 getrennt sind. Die Lagerflächen umschließen die stehende Welle 112 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 120 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 112 zwei fluiddynamische Radiallager 122, 124, die durch sinus-, chevron-, fischgräten- oder parabelförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Der Separatorspalt 126 weist eine größere Spaltbreite auf als der Lagerspalt 120 im Bereich der Radiallager 122, 124 und kann in der Lagerbuchse 114a und/oder der Welle 112 ausgebildet sein.
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Die Lagerstrukturen der Radiallager 122, 124 sind auf die Oberfläche der Welle 112 und/oder der Lagerbuchse 114a aufgebracht und üben bei Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 120 befindliche Lagerfluid aus. Dadurch wird ein hydrodynamischer Druck aufgebaut, der die Radiallager 122, 214 tragfähig macht. Das obere Radiallager 122 ist weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass die Lagerrillenstrukturen oberhalb und unterhalb des Apex gleich lang ausgebildet sind. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Lagerrillen gibt es keine resultierende, gerichtete Pumpwirkung, die auf das Lagerfluid wirkt. Demgegenüber ist das untere Radiallager 124 asymmetrisch ausgebildet, insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der unterhalb des Apex angeordnet ist, länger ausgebildet ist als der Teil, der oberhalb angeordnet ist. Hierdurch entsteht eine resultierende, gerichtete Pumpwirkung, die das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 122 befördert.
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An das untere Radiallager 124 schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 120 an, der durch radial verlaufende Lagerflächen der Lagerbuchse 114a und entsprechend gegenüberliegende Lagerflächen des feststehenden Lagerbauteils 116 gebildet wird. Diese Lagerflächen sind als zur Rotationsachse 140 senkrechte Kreisringe ausgebildet und bilden ein fluiddynamisches Axiallager 128. Das erste fluiddynamische Axiallager 128 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiral- oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren, also dem unteren Radiallager 124, auf das Lagerfluid ausüben.
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An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 120 im Bereich des Axiallagers 128 schließt sich eine anteilig mit Lagerfluid gefüllte Kapillardichtung 136 an, die durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 114a und des ersten Lagerbauteils 116 gebildet wird und die den Lagerspalt 120 des Lagersystems an dieser Seite abdichtet. Die Kapillardichtung 136 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 120 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der radial außerhalb des Axiallagers 128 angeordnet ist. Der radial verlaufende Abschnitt der Kapillardichtung 136 geht in einen sich konisch öffnenden nahezu axial verlaufenden Abschnitt über, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 114a und einer inneren Umfangsfläche des ersten Lagerbauteils 118 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient die Kapillardichtung 136 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 der Kapillardichtung 136 begrenzenden Flächen der Lagerbuchse 114a und des Lagerbauteils 116 können jeweils zwischen 0° und 5° relativ zur Rotationsachse 140 nach innen geneigt sein, wobei die Außenumfangsfläche der Lagerbuchse 114a stärker nach innen geneigt ist als die innenumfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils 116. Dadurch entsteht der konische Querschnitt der Kapillardichtung 136, und das Lagerfluid wird bei Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 120 gedrückt.
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Oberhalb der unteren Kapillardichtung 136 schließt sich ein Luftraum an, der zunächst axial nach oben verläuft, anschließend in radiale Richtung abknickt und abschließend wieder in axiale Richtung abknickt. Dieser Luftraum bildet eine Labyrinthdichtung 137 aus, die ein übermäßiges Abdampfen des Lagerfluids aus der Kapillardichtung 136 verhindert.
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Ein Rezirkulationskanal 130 verläuft ausgehend von einem radialen Abschnitt des Lagerspalts 120 zwischen einer Stirnfläche der Aussparung der Lagerbuchse 114a und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des zweiten Lagerbauteils 118 schräg nach unten durch die Lagerbuchse 114a und mündet radial außerhalb des Axiallagers 128 in den radial verlaufenden Abschnitt der Kapillardichtung 136.
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Entlang des radialen Abschnitts des Lagerspalts 120 zwischen der Aussparung der Lagerbuchse 114a und dem zweiten Lagerbauteil 118 kann ein optionales zweites fluiddynamisches Axiallager (nicht zeichnerisch dargestellt) angeordnet sein. An diesen Abschnitt schließt sich eine Kapillardichtung 134 an, der den Lagerspalt 120 des Lagersystems an diesem Ende abdichtet. Die Kapillardichtung 134 wird begrenzt durch die Außenumfangsfläche des ringförmigen Lagerbauteils 118 sowie die Innenumfangsfläche der Lagerbuchse 114a. Die die Kapillardichtung 134 begrenzende Fläche der Lagerbuchse 114a verläuft zum Lageräußeren parallel zur Rotationsachse 140, während die Fläche des ringförmigen Lagerbauteils 118 zunächst ebenfalls parallel zur Rotationsachse 140 verläuft und dann eine Schräge nach außen aufweist, wodurch das Ende der Kapillardichtung 134 einen konischen Querschnitt aufweist. Entlang des zur Rotationsachse 140 parallel verlaufenden Abschnitts ist vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 138 angeordnet, die durch Pumprillenstrukturen gekennzeichnet ist, welche an der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 114a und/oder der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Lagerbauteils 118 angeordnet sind und eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren erzeugen. Zwischen der Pumpdichtung 138 und dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 120 ist in axialer Richtung eine sogenannte Ruhezone angeordnet, die verhindert, dass Luft in das Lager gelangt.
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Die Kapillardichtung 134 ist von der in 2 gezeigten Abdeckkappe 142, die auf der Seite des Lagers, die weiter entfernt von der Basisplatte 10 angeordnet ist und den axialen Aufsatz 142c aufweist, abgedeckt. Die Abdeckkappe 142 wird über den Rand der Lagerbuchse 114a gestülpt und ist dort beispielsweise mittels einer Press- und/oder Klebeverbindung befestigt.
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Oberflächen, insbesondere der Abdeckung 142, die nicht durch Lagerfluid benetzt werden sollen, können mit einem geeigneten Ölstopplack oder Ähnlichem beschichtet sein.
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Zwischen der Außenumfangsfläche eines zylindrischen Endabschnitts des ringförmigen Lagerbauteils 118 und dem Innenumfang der Abdeckkappe 142 ist ein axial verlaufender Luftspalt in Form einer Spaltdichtung 132 angeordnet, der für den Druckausgleich sorgt, das Risiko vermindert, dass verdampftes Lagerfluid aus dem Lager entweicht und die Kapillardichtung 134 mit der Außenumgebung verbindet.
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Falls das Lagersystem lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 128 aufweist, das auf die Nabe 114 eine axial gerichtete Kraft in Richtung des zweiten Lagerbauteils 118 ausübt, muss eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft auf die Nabe 114 ausgeübt werden, die das Lagersystem axial im Gleichgewicht hält. Hierzu kann an der Basisplatte 110 ein ferromagnetischer Ring 150 angeordnet sein, der dem Rotormagneten 148 axial gegenüberliegt und von diesem magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Anziehungskraft wirkt entgegengesetzt zur Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 128 und hält das Lager axial stabil. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Lösung können die Statoranordnung 146 und der Rotormagnet 148 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 148 axial weiter entfernt von der Basisplatte 110 angeordnet ist als die Mitte der Statoranordnung 146. Auch dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 128 wirkt.
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4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spindelmotors von 1 in einer abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung. Im Gegensatz zu 1, wo die Aussparung 44 der Abdeckkappe 42 größtenteils direkt über der Kapillardichtung 28 angeordnet ist, ist die Aussparung 44' in 4 vollständig radial innen liegend zu der Öffnung der Kapillardichtung 28 angeordnet. Die Öffnung der Kapillardichtung 28 und die Aussparung 44' überdecken sich daher nicht in radialer Richtung. Die Aussparung 44' hat einen rechteckigen Querschnitt, wobei die seitlichen Wandungen parallel zur Rotationsachse 16, und die oben liegende Wandung senkrecht dazu verlaufen.
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Der Bereich der Öffnung der Kapillardichtung 28 ist lediglich durch einen radial nach innen verlaufenden Spalt 45 mit der Aussparung verbunden. Die Unterseite der Abdeckkappe 42 überdeckt die Öffnung der Kapillardichtung 28 vollständig und in geringem Abstand. Der ringförmige Spalt 45 bildet eine Engstelle zwischen der oberen Öffnung der Kapillardichtung 28 und der Aussparung 44' der Abdeckkappe 42. Die vom Spalt 45 gebildete Engstelle verhindert, dass aus der Kapillardichtung 28 austretendes Lagerfluid in den Bereich der Aussparung gelangt. Vielmehr wird aus der Kapillardichtung 28 austretendes Lagerfluid an der Unterseite der Abdeckkappe 42 abgewiesen und wird größtenteils sofort wieder zurück in die Kapillardichtung 28 fließen. Die Aussparung 44' bildet eine zweite Sicherheitszone und nimmt das Lagerfluid auf, welches dennoch durch den Spalt 45 in die Aussparung 44' gelangt.
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Um eine Benetzung mit Lagerfluid zu verhindern, sind geeignete Oberflächen mit einem Barrierefilm oder einem Ölstopplack versehen. Vorzugsweise ist ein Barrierefilm 54 auf der Abdeckung 42, insbesondere auf den Oberflächen der Aussparung 44 und oberhalb der Öffnung der Kapillardichtung 28 sowie dem Innenumfang der Abdeckung, angebracht. Ferner ist ein Barrierefilm 56 auf der oberen Stirnfläche des Lagerkonus 14 sowie der äußeren Umfangsfläche der Welle 12 angeordnet. Dadurch kann das Lagerfluid nicht an diesen beschichteten Oberflächen anhaften und fließt leichter wieder ab.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spindelmotors von 2 in einer abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung. Im Unterschied zu 2, wo die im Querschnitt etwa keilförmige Aussparung 144 der Abdeckkappe 142 zum großen Teil direkt über der Kapillardichtung 28 angeordnet ist, ist die Aussparung 144' in 5 vollständig radial innen liegend zu der Öffnung der Kapillardichtung 28 angeordnet. Die Öffnung der Kapillardichtung 28 überdeckt sich in radialer Richtung nicht mit der Aussparung 144'. Die Aussparung 144' hat einen dreieckigen Querschnitt, wobei die radial außen liegende seitliche Wandung als Schräge ausgebildet ist und die radial innen liegende, der Welle 12 zugewandte Wandung der Aussparung 144' parallel zur Rotationsachse 16 verläuft.
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Der Bereich der Öffnung der Kapillardichtung 28 ist lediglich durch einen radial nach innen verlaufenden Spalt 45 mit der Aussparung verbunden. Die Unterseite der Abdeckkappe 142 überdeckt die Öffnung der Kapillardichtung 28 vollständig und in geringem Abstand. Der ringförmige Spalt 45 bildet eine Engstelle zwischen der oberen Öffnung der Kapillardichtung 28 und der Aussparung 144' der Abdeckkappe 142. Ausgehend vom Spalt 45 verbreitert sich der Querschnitt der Aussparung kontinuierlich in Richtung der Welle 12. Die vom Spalt 45 gebildete Engstelle verhindert, dass aus der Kapillardichtung 28 austretendes Lagerfluid direkt in den Bereich der Aussparung gelangt. Vielmehr wird aus der Kapillardichtung 28 austretendes Lagerfluid an der Unterseite der Abdeckkappe 142 abgewiesen und größtenteils sofort wieder zurück in die Kapillardichtung 28 fließen. Die Aussparung 144' bildet eine zweite Sicherheitszone und nimmt Lagerfluid auf, das dennoch durch den Spalt 45 in die Aussparung 144' gelangen sollte.
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Der dreieckige Querschnitt und die radial außen liegende schräge Wandung der Aussparung 144' erleichtern ein Zurückfließen des Lagerfluids von der Aussparung in die Kapillardichtung. Diese wird zusätzlich durch die Zentrifugalkraft unterstützt, die radial nach außen auf das Lagerfluid wirkt, das sich zusammen mit der Abdeckkappe 142 dreht. Die Fliehkraft befördert das innerhalb der Aussparung 144' der Abdeckkappe 142 anhaftende Lagerfluid entlang der schrägen Wandung der Aussparung 144' radial nach außen, wo es dann in die Kapillardichtung 28 abtropfen kann.
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Um eine Benetzung mit Lagerfluid zu verhindern, sind geeignete Oberflächen mit einem Barrierefilm oder einen Ölstopplack versehen. Vorzugsweise ist ein Barrierefilm 54 auf der Abdeckung 142 vorgesehen, insbesondere auf den Oberflächen der Aussparung 144' und oberhalb der Öffnung der Kapillardichtung 28 sowie dem Innenumfang des axialen Abschnitts 142c der Abdeckung 142. Ferner ist ein Barrierefilm 56 auf der oberen Stirnfläche des Lagerkonus 14 sowie der äußeren Umfangsfläche der Welle 12 angeordnet. Dadurch haftet des Lagerfluid nicht an diesen beschichteten Oberflächen und fließt leichter wieder ab.
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Insbesondere die Welle 12 wird in eine vorgesehene Bohrung der Basisplatte 10 eingepresst. Als Schmiermittel zum leichteren Einpressen wird vorzugsweise Isopropanolamin (IPA) verwendet. Die Basisplatte 10 besteht vorzugsweise aus Aluminium, während die Welle 12 aus gehärtetem Stahl besteht. In 1 ist die Bohrung in der Basisplatte 10 als Sackbohrung ausgebildet. Wird vor dem Einpressen der Welle 10 in die Sackbohrung der Basisplatte 10 zu viel IPA aufgetragen, so wird beim Einpressen der Welle das überschüssige IPA aus der Sackbohrung herausgedrückt und gelangt in das Lagerinnere, wo es Schaden anrichten kann. In vorteilhafter Weise kann es daher vorgesehen sein, bei allen Pressverbindungen, die in den hier gezeigten Spindelmotoren vorgesehen sind, als Schmiermittel Klebstoff zu verwenden. Aufgrund der Konsistenz des Klebstoffs lässt sich die Menge des aufgebrachten Klebstoff-Schmiermittels sehr präzise dosieren, und des Weiteren wird die Pressverbindung zusätzlich durch die Klebeverbindung gestärkt.
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Die hier gezeigten Spindelmotoren können zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet werden. Dafür können auf der Nabe eine oder mehrere Speicherplatten (nicht zeichnerisch dargestellt) befestigt werden. Des Weiteren kann der Spindelmotor auch zum Antrieb eines Lüfterrades oder eines Laserscanners eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- Basisplatte
- 12, 112
- Welle
- 14, 116, 118
- Lagerbauteil
- 16, 140
- Rotationsachse
- 18, 114a
- Lagerbuchse
- 20, 114
- Nabe
- 22
- Dichtscheibe
- 24
- konisches Lager
- 26, 120
- Lagerspalt
- 28, 30, 134, 136
- Kapillardichtung
- 32, 138
- Pumpdichtung
- 34
- Nut
- 36
- Luftspalt
- 38
- Ausgleichsbohrung
- 40, 130
- Rezirkulationskanal
- 42, 142
- Abdeckkappe
- 42a, 142a
- radialer Abschnitt
- 42b, 142b
- axialer Abschnitt
- 142c
- axialer Aufsatz
- 44, 144
- Aussparung
- 44', 144'
- Aussparung
- 45
- Spalt
- 46, 132
- Spaltdichtung
- 48
- magnetischer Rückschluss
- 50, 148
- Rotormagnet
- 52, 146
- Statoranordnung
- 54
- Barrierefilm
- 56
- Barrierefilme
- 117
- umlaufende Rille
- 122, 124
- Radiallager
- 126
- Separatorspalt
- 128
- Axiallager
- 137
- Labyrinthdichtung
- 150
- ferromagnetischer Ring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013009491 A1 [0004]
- US 201310320793 A1 [0006]