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Dokumentenidentifikation DE102005007297B4 31.05.2007
Titel Fluiddynamisches Luftlagersystem zur Drehlagerung eines Motors
Anmelder Minebea Co., Ltd., Nagano, JP
Erfinder Schwamberger, Stefan, 02999 Lohsa, DE;
Engesser, Martin, 78166 Donaueschingen, DE
Vertreter Riebling, P., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 88131 Lindau
DE-Anmeldedatum 17.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005007297
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse F16C 17/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 7/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Luftlagersystem zur Drehlagerung eines Motors, insbesondere eines Spindelmotors, wie er zum Antrieb der Speicherplatte(n) eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird. Im Rahmen der Erfindung wird unter einem fluiddynamischen Luftlagersystem jedes mit einem gasförmigen Lagerfluid betriebene fluiddynamische Lagersystem verstanden.

Stand der Technik

Spindelmotoren besitzen im Wesentlichen einen Stator, einen Rotor und mindestens ein zwischen diesen beiden Teilen angeordnetes Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert. Als Lagersystem werden unter Anderem fluiddynamische Lagersysteme eingesetzt.

Mit der US 6 371 649 B1 ist lediglich ein Flüssigkeitslager bekannt geworden, das ein erstes Radiallager an einem hülsenförmigen Abschnitt zeigt, dem im Abstand hierzu ein zweites Radiallager an einem scheibenförmigen Abschnitt zugeordnet ist. Ebenso sind erste und zweite Axiallager vorhanden, die in gegenseitigem Abstand am scheibenförmigen Abschnitt angeordnet sind.

Kippkräfte können von den Axiallagern nur schlecht aufgenommen werden, denn sie sind in dichtem Abstand unmittelbar am scheibenförmigen Teil und unterhalb der umlaufenden Masse angeordnet. Darüber hinaus fehlen durchgehende und nach außen geöffnete Lagerspalte

Mit der DE 195 10 593 A1 ist ein als Dynamikdrucklager bezeichnetes Luftlagersystem bekannt, bei dem das zweite (obere) Axiallager zwischen der Stirnseite eines Abschnittes des drehbaren Bauteils und der dieser Oberfläche zugewandten Oberfläche der Lagerplatte gebildet ist und bei dem weiterhin beide Axiallager an einem offenen Ende des Lagerspaltes angeordnet sind.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Luftlagersystem anzugeben, das in bezog auf ein Öllagersystem bei vergleichbarer Baugröße, insbesondere Bauhöhe, eine vergleichbare Lagersteifigkeit und Tragkraft aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung ist demgemäß wesentlich, dass die Hauptmasse des Rotors zwischen den beiden Axiallagern liegt, um die größtmöglichste Kippstabilität zu gewährleisten. Ferner werden größtmöglichste Abstände zwischen den Radiallagern erzielt, um so eine überlegene Lagersteifigkeit zu erreichen.

Das erfindungsgemäße fluiddynamische Luftlagersystem zur Drehlagerung eines Motors umfasst eine feststehende Welle, eine die Welle teilweise umgebende und mit der Welle verbundene Lagerbuchse, eine die Welle teilweise umgebende und mit der Welle verbundene Lagerplatte, wobei die Welle, die Lagerbuchse und die Lagerplatte zwischen sich einen in Bezug auf eine Rotationsachse rotationssymmetrischen Hohlraum ausbilden. In dem Hohlraum ist drehbar ein die Welle teilweise umgebendes Bauteil mit einem hülsenförmigen Abschnitt und einem scheibenförmigen Abschnitt aufgenommen, wobei ein mit Luft oder mit Gas gefüllter Lagerspalt die Oberfläche des drehbaren Bauteils und die dem drehbaren Bauteil zugewandten Oberflächen der Welle, der Lagerbuchse und der Lagerplatte voneinander trennt. Das Lagersystem umfasst ferner

ein erstes Radiallager, gebildet zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Welle und des hülsenförmigen Abschnitts, ein zweites Radiallager, gebildet zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Welle und des scheibenförmigen Abschnittes, und mindestens ein drittes Radiallager, gebildet zwischen den einander zugewandten Oberflächen des hülsenförmigen Abschnitts und der Lagerbuchse, ein erstes Axiallager, gebildet zwischen der stirnseitigen Oberfläche des scheibenförmigen Abschnitts des drehbaren Bauteils und der dieser Oberfläche zugewandten Oberfläche der Lagerbuchse und

ein zweites Axiallager, gebildet zwischen der stirnseitigen Oberfläche des scheibenförmigen Abschnitts des drehbaren Bauteils und der dieser Oberfläche zugewandten Oberfläche der Lagerplatte, wobei beide Axiallager einen gegenseitigen Abstand aufweisen, in dessen Bereich die grösste Masse des zu lagernden Rotors liegt, wobei der Lagerspalt durchgehend ausgebildet ist und zwei offene Enden aufweist, und jedes der dem scheibenförmigen Abschnitt zugeordnete Axiallager an ein offenes Ende des Lagerspaltes angrenzt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung bilden – sofern das drehbare Bauteil mit einen Rotor verbunden ist – durch einen Lagerspalt getrennte und einander zugewandte Oberflächen des Rotors und der Lagerplatte ein zusätzliches Axiallager aus.

Die beschriebenen Radiallager und Axiallager sind in bekannter Weise jeweils durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet, die auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht sind und eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft oder das Gas ausüben.

Jedes der beiden auf das drehende Bauteil wirkende Axiallager grenzt an ein offenes Ende des Lagerspaltes an. Je nach Ausgestaltung des Lagersystems können entweder die Oberflächenstrukturen jedes Axiallagers eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft ausüben, die überwiegend in Richtung des anderen Endes des Lagerspalts gerichtet ist, oder die Oberflächenstrukturen der Axiallager und/oder der Radiallager üben gemeinsam eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft aus, die in eine definierte Richtung von einem Ende des Lagerspaltes zum anderen Ende des Lagerspaltes gerichtet ist.

Dabei wird durch die Pumpwirkung der Oberflächenstrukturen Luft aus der Umgebung, vorzugsweise durch einen feinen Filter, in den Lagerspalt gesaugt.

Das beschriebene Lagersystem eignet sich zur Drehlagerung von Motoren, insbesondere von Spindelmotoren. Zu diesem Zweck ist der Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts des drehbaren Bauteils vorzugsweise größer als der Außendurchmesser von Lagerbuchse und Lagerplatte, so dass der scheibenförmige Abschnitt des drehbaren Bauteils leicht mit dem Rotor des Motors verbunden werden kann, z. B. mittels einer Pressverbindung.

Das erfindungsgemäße Luftlagersystem ermöglicht es, trotz der im Vergleich zu Öllagern benötigten größeren Lagerflächen, Motoren und insbesondere Spindelmotoren mit geringer Baugröße und insbesondere geringer Bauhöhe herzustellen, wie sie in modernen Speicherplattenlaufwerken benötigt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben.

Es zeigen:

1: eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftlagersystems;

2: eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftlagersystems;

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung

Die Figuren zeigen Innenläuferausführungen von erfindungsgemäßen Luftlagern für Festplattenmotoren. Für Außenläufermotoren oder Scheibenläufermotoren lässt sich das Prinzip leicht anpassen.

Das Luftlager in 1 umfasst eine feststehende Welle 1 und eine die Welle 1 teilweise umgebende und mit der Welle 1 verbundene Lagerbuchse 5. Ferner ist eine die Welle teilweise umgebende und mit der Welle verbundene Lagerplatte 6 vorgesehen. Lagerbuchse 5 und Lagerplatte 6 sind an entgegengesetzten Enden der Welle 1 angeordnet, so dass sich zwischen der Welle 1, der Lagerbuchse 5 und der Lagerplatte 6 ein in Bezug auf eine Rotationsachse 9 rotationssymmetrischer Hohlraum ausbildet. In diesem Hohlraum ist ein Bauteil 2 drehbar aufgenommen, wobei die Außenabmessungen des Bauteils 2 geringfügig kleiner sind als die Abmessungen des Hohlraums, so dass sich zwischen der Oberfläche des drehbaren Bauteils 2 und den dem drehbaren Bauteil zugewandten Oberflächen der Welle 1, der Lagerbuchse 5 und der Lagerplatte 6 ein Lagerspalt 16 ausbildet, der mit Luft oder einem Gas gefüllt ist. Das drehbare Bauteil 2 umfasst einen die Welle 1 größtenteils umgebenden hülsenförmigen Abschnitt 3, sowie einen vorzugsweise an einem Ende des hülsenförmigen Abschnitts 3 angeordneten scheibenförmigen Abschnitt 4, der einen ausgeprägten radial nach außen sich erstreckenden Bund bildet. Der Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts 4 ist größer als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 5 bzw. der Lagerplatte 6 und ist mit einem Rotor 7 eines Motors verbunden. Am Rotor 7 sind Permanentmagnete 8 angeordnet, die einen Teil des elektromagnetischen Antriebssystems des Motors darstellen. Die übrigen Komponenten des Antriebssystems, wie z. B. Statorwicklungen, sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Erfindungsgemäß umfasst das Luftlager eine große Radiallagerfläche, die vornehmlich durch die Formgebung des rotierenden Bauteils 2 erreicht wird. Sowohl der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser des hülsenförmigen Abschnitts 3 des Bauteils 2 umfasst vorzugsweise mehrere Radiallager. Die inneren Radiallager 10, 11 werden von der Innenoberfläche des hülsenförmigen Teils 3 sowie der Außenoberfläche der Welle 1 gebildet. Die äußeren Radiallager 12, 13 werden durch die Außenoberfläche des hülsenförmigen Teils 3 sowie die Innenoberfläche der Lagerbuchse 5 gebildet. Durch die Addition der Tragfähigkeiten der hier sich jeweils gegenüberliegenden Radiallager 10, 11 und 12, 13 ergibt sich eine hohe radiale Steifigkeit des Lagersystems.

Zwei großflächige Axiallager 14, 15, gebildet zwischen den stirnseitigen Oberflächen des scheibenförmigen Abschnitts 4 des drehbaren Bauteils 2 und den diesen Oberflächen jeweils zugewandten Oberflächen der Lagerbuchse 5 und der Lagerplatte 6, stellen die benötigte axiale Steifigkeit des Lagersystems sicher. Die Radiallager 10 bis 13 sowie die Axiallager 14, 15 sind in bekannter Weise durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet, die auf mindestens eine der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht sind, um eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft oder das Gas ausüben. Die Ausgestaltungen solcher Oberflächenstrukturen, z.B. als fischgrätartige Rillenmuster (Radiallager) oder spiralförmige Rillenmuster (Axiallager), sind einem Fachmann bekannt und daher in den Zeichnungen nicht näher dargestellt.

In 1 sind alle Lager, sowohl die Radiallager 1013 als auch die Axiallager 14, 15 als symmetrische Lager, d.h. Lager mit symmetrischen Oberflächenstrukturen dargestellt, welche eine gleichmäßige Pumpwirkung im Lagerspalt erzeugen, also keine überwiegend in eine Richtung gerichtete Pumpwirkung.

Im Gegensatz zu einem Lagersystem mit einer rotierenden Welle ermöglicht die dargestellte Verwendung einer stehenden Welle 1 eine beidseitige Befestigung der Lageranordnung. Durch diese Art der Einspannung kann die Verbindung von Welle 1 und Lagerhülse 5 entsprechend schwach ausgelegt werden.

2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems, dessen Aufbau sich nur wenig vom Lagersystem gemäß 1 unterscheidet. Die Welle 20 ist in der Lagerhülse 24 einseitig eingespannt und umfasst am anderen Ende eine Lagerplatte 25. Das rotierende Bauteil 21 mit dem hülsenförmigen Abschnitt 22 und dem scheibenförmigen Abschnitt 23 befindet sich in dem durch die Welle 20, die Lagerhülse 24 sowie die Lagerplatte 25 gebildeten Hohlraum. Aufgrund der einseitigen Einspannung der Welle 20 lediglich in der Lagerbuchse 24 ist der Rotor 26 oben geschlossen ausgeführt. Das ermöglicht bei einer definierten Pumprichtung des Lagersystems eine Filterung der angesaugten Luft durch einen im Rotor 26 angeordneten Filter 28. Am Außenumfang umfasst der Rotor 26 wiederum Magnete 27 des elektromagnetischen Antriebs.

Im Gegensatz zur Lageranordnung gemäß 1 ist bei der Ausgestaltung von 2 die Pumpwirkung der beiden Axiallager 33, 35 jeweils nach innen in Richtung des Lagerspaltes 36 gerichtet, um die Luft im Lagerspalt zu komprimieren. Die Radiallager 29 bis 31 sind auf dem Innen- wie auf dem Außendurchmesser des hülsenförmigen Abschnitts 22 des drehbaren Bauteils 21 angeordnet, wie es in Verbindung mit 1 bereits beschrieben wurde. Zwei Axiallager 33, 34 werden durch die stirnseitigen Oberflächen des scheibenförmigen Abschnitts 23 des drehbaren Bauteils 21 und den diesen Oberflächen jeweils zugewandten Oberflächen der Lagerbuchse 24 und der Lagerplatte 25 gebildet. Bei dieser Anordnung ist es vorteilhaft, ein weiteres Axiallager 35 zwischen der Unterseite des Rotors 26 und der Oberseite der Lagerplatte 25 vorzusehen. Das Axiallager 35 bewirkt eine im oberen Lagerspalt 37 radial nach außen gerichtete Pumpwirkung auf die darin befindliche Luft bzw. das darin befindliche Gas. Wie man im rechten Teil von 2 erkennt, wird die Luft durch die Pumpwirkung des oberen Axiallagers 35 durch den Filter 28 angesaugt, im Lagerspalt 37 radial nach außen befördert und gelangt in den Lagerspalt 36, wo sie durch die Pumpwirkung des Axiallagers 33 weiter nach innen durch den Lagerspalt 36 transportiert wird. Die Pumpwirkung des Axiallagers 34 saugt die Luft aus dem Lagerspalt 36 heraus, so dass diese nach außen zwischen der Lagerbuchse 24 und dem Rotor 26 ins Freie austreten kann.

1
Welle
2
Drehbares Bauteil
3
Abschnitt (hülsenförmig)
4
Abschnitt (scheibenförmig)
5
Lagerbuchse
6
Lagerplatte
7
Rotor
8
Magnet
9
Rotationsachse
10
Radiallager
11
Radiallager
12
Radiallager
13
Radiallager
14
Axiallager
15
Axiallager
16
Lagerspalt
20
Welle
21
Drehbares Bauteil
22
Abschnitt (hülsenförmig)
23
Abschnitt (scheibenförmig)
24
Lagerbuchse
25
Lagerplatte
26
Rotor
27
Magnet
28
Filter
29
Radiallager
30
Radiallager
31
Radiallager
32
Radiallager
33
Axiallager
34
Axiallager
35
Axiallager
36
Lagerspalt
37
Lagerspalt


Anspruch[de]
Fluiddynamisches Luftlagersystem zur Drehlagerung eines Motors, welches umfasst:

eine feststehende Welle (1; 20) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende,

eine an dem ersten Ende der Welle angeordnete und mit der Welle fest verbundene Lagerbuchse (5; 24),

eine an dem zweiten Ende der Welle angeordnete und mit der Welle fest verbundene Lagerplatte (6; 25), wobei die Welle, die Lagerbuchse und die Lagerplatte zwischen sich einen in Bezug auf eine Rotationsachse (9) rotationssymmetrischen Hohlraum ausbilden,

ein die Welle teilweise umgebendes und in dem Hohlraum in Bezug auf die Bauteile (1; 5; 6) drehbar aufgenommenes Bauteil (2; 21) mit einem hülsenförmigen Abschnitt (3; 22) und mindestens einem scheibenförmigen Abschnitt (4; 23),

einen mit Luft oder einem Gas gefüllten Lagerspalt (16; 36; 37), der die Oberfläche des drehbaren Bauteils und die dem drehbaren Bauteil zugewandten Oberflächen der Welle, der Lagerbuchse und der Lagerplatte voneinander trennt,

ein erstes Radiallager (11; 30), gebildet zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Welle und des hülsenförmigen Abschnitts, ein zweites Radiallager (10, 29) gebildet zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Welle und des scheibenförmigen Abschnittes, und mindestens

ein drittes Radiallager (12, 13; 31, 32), gebildet zwischen den einander zugewandten Oberflächen des hülsenförmigen Abschnitts und der Lagerbuchse,

ein erstes Axiallager (15, 34), gebildet zwischen der stirnseitigen Oberfläche des scheibenförmigen Abschnitts des drehbaren Bauteils und der dieser Oberfläche zugewandten Oberfläche der Lagerbuchse, und

ein zweites Axiallager (14; 33) gebildet zwischen der stirnseitigen Oberfläche des scheibenförmigen Abschnitts des drehbaren Bauteils und der dieser Oberfläche zugewandten Oberfläche der Lagerplatte, wobei beide Axiallager (14, 15) einen gegenseitigen Abstand aufweisen, in dessen Bereich die grösste Masse des zu lagernden Rotors liegt, wobei der Lagerspalt durchgehend ausgebildet ist und zwei offene Enden aufweist, und jedes der dem scheibenförmigen Abschnitt zugeordnete Axiallager (14, 15; 33, 34) an ein offenes Ende des Lagerspaltes angrenzt.
Fluiddynamisches Luftlagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Lagerspalt (37) getrennte und einander zugewandte Oberflächen eines mit dem drehbaren Bauteil (21) verbundenen Rotors (26) und der Lagerplatte (25) ein zusätzliches Axiallager (35) ausbilden. Fluiddynamisches Luftlagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Radiallager (1013; 2932) und jedes Axiallager (14, 15; 3335) durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet ist, die auf mindestens eine der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht sind und eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft oder das Gas ausüben. Fluiddynamisches Luftlagersystem nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen der Axiallager (3335) und/oder der Radiallager (2932) eine Pumpwirkung erzeugen, die in eine definierte Richtung von einem Ende des Lagerspaltes (36, 37) zum anderen Ende des Lagerspaltes gerichtet ist. Fluiddynamisches Luftlagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Pumpwirkung der Oberflächenstrukturen Luft aus der Umgebung durch einen Filter (28) in den Lagerspalt (36; 37) gesaugt wird. Fluiddynamisches Luftlagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts des drehbaren Bauteils größer ist als der Außendurchmesser von Lagerbuchse und Lagerplatte, wobei der scheibenförmige Abschnitt des drehbaren Bauteils mit einem Rotor (7; 26) des Motors verbunden ist.






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