Title:
Bearing groove structure for fluid dynamic bearing system of spindle motor for hard disk drive, has one end whose width perpendicular to center line is smaller than width of other end with respect to length along center line
Kind Code:
A1


Abstract:
The bearing groove structure (22a) arranged on the bearing surface of fluid dynamic bearing, has defined length along center line and width perpendicular to the center line. The width of the bearing groove structure is varied with respect to length of bearing groove structure so that width of one end of bearing groove structure is smaller than width of other end. Independent claims are included for the following: (1) spindle motor; and (2) fluid dynamic bearing system.



Inventors:
Baytekin, Taner (78050, Villingen-Schwenningen, DE)
Application Number:
DE102011018626A
Publication Date:
10/25/2012
Filing Date:
04/21/2011
Assignee:
Minebea Co., Ltd. (Nagano, JP)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE1525190A1N/A1969-08-14



Foreign References:
200701896482007-08-16
200702177212007-09-20
EP08961631999-02-10
EP17482012007-01-31
WO2008143051A12008-11-27
Attorney, Agent or Firm:
Riebling, Peter, Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 88131, Lindau, DE
Claims:
1. Lagerrillenstruktur (22a; 23a), die auf einer Lagerfläche (100) eines fluiddynamischen Lagers angeordnet ist, wobei die Lagerrillenstruktur eine definierte Länge entlang ihrer Mittellinie (M) und Breite (B) senkrecht zur Mittellinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Lagerrillenstruktur (22a, 23a) über deren Länge ausgehend von einem Ende der Lagerrillenstruktur (22a, 23a) bis hin zum anderen Ende kleiner wird.

2. Lagerrillenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich deren Breite (B) ausgehend von einem Ende der Lagerrillenstruktur (22a, 23a) bis hin zum anderen Ende kontinuierlich oder abschnittsweise ändert.

3. Lagerrillenstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass deren Breite an einem Ende mindestens um 30% kleiner ist als die Breite am anderen Ende.

4. Lagerrillenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Scheitelpunkt (Apex) und zwei vom Scheitelpunkt ausgehende, im wesentlichen gleich lange Abschnitte aufweist, wobei die Breite der Lagerrillenstruktur (23a) vom Ende des einen Abschnitts bis zum Ende des anderen Abschnitts kleiner wird.

5. Lagerrillenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Apex und einen vom Apex ausgehenden längeren Abschnitt (22a2) und einen vom Apex ausgehenden kürzeren Abschnitt (22a1) aufweist, wobei die Breite der Lagerrillenstruktur (22a) vom Ende des längen Abschnitts bis zum Ende des kürzeren Abschnitts kleiner wird.

6. Lagerrillenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (100) einem Lagerbauteil (14) zugeordnet ist und einer weitere Lagerfläche eines anderen Lagerbauteils (12) gegenüberliegt und zwischen den Lagerflächen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt (20) angeordnet ist.

7. Lagerrillenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das im Lagerspalt (20) befindlichen Lagerfluid bei einer Bewegung der Lagerfläche (100) relativ zu der weiteren Lagerfläche durch die Lagerrillenstruktur (22a, 23a) in eine definierte Flussrichtung gefördert wird.

8. Lagerrillenstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Flussrichtung in Richtung des Endes mit der kleineren Breite (B) der Lagerrillenstruktur verläuft.

9. Lagerrillenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige Lagerrillenstrukturen (22a, 23a) in derselben geometrischen Ausrichtung in einem Abstand voneinander auf der Lagerfläche (100) angeordnet sind.

10. Lagerrillenstruktur nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Breite (B) der Lagerrillenstruktur (22a, 23a) senkrecht zur Mittellinie der Lagerrillenstruktur und dem Abstandsmaß der Teilung, Groove to Pitch Ratio (GPR), entlang der Mittellinie der Lagerrillenstruktur variiert.

11. Lagerrillenstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Groove to Pitch Ratio an einem Ende der Lagerrillenstruktur (22a, 23a) kleiner ist als am anderen Ende.

12. Lagerrillenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren gleichartigen Lagerrillenstrukturen (22a, 23a) ein Radiallager und/oder ein Axiallager und/oder ein konisches Lager ausbilden.

13. Fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit mindestens einem Bauteil eines Lagersystems (14) und mindestens einem anderen Bauteil eines Lagersystems (12; 16, 18), wobei die beiden Lagerbauteile durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (20) voneinander getrennt und mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zueinander drehgelagert sind, wobei das fluiddynamische Lagersystem Lagerflächen (100) ausbildet, die teilweise mit Lagerrillenstrukturen (22a, 23a) definierter Länge und Breite versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Lagerrillenstrukturen (22a, 23a) senkrecht zur Mittellinie über deren Länge ausgehend von einem Ende der Lagerrillenstruktur (22a, 23a) bis hin zum anderen Ende kleiner wird.

14. Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem und mindestens einem Bauteil eines Lagersystems (14) und mindestens einem anderen Bauteil eines Lagersystems (12; 16; 18), wobei die beiden Lagerbauteile durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (20) voneinander getrennt und mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zueinander drehgelagert sind, wobei das fluiddynamische Lagersystem Lagerflächen (100) ausbildet, die teilweise mit Lagerrillenstrukturen (22a, 23a) definierter Länge und Breite versehen sind, und einer mit einem Lagerbauteil verbundene Nabe (48), die von einem elektromagnetischen Antriebssystem (42, 44) drehend angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Lagerrillenstrukturen (22a, 23a) senkrecht zur Mittellinie über deren Länge ausgehend von einem Ende der Lagerrillenstruktur (22a, 23a,) bis hin zum anderen Ende kleiner wird.

Description:
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Lagerrillenstruktur für eine Lagerfläche eines fluiddynamischen Lagers, ein entsprechendes fluiddynamisches Lager, sowie einen Spindelmotor mit einem solchen fluiddynamischen Lager.

Stand der Technik

Fluiddynamische Lager, welche Lagerflächen mit Lagerrillenstrukturen aufweisen, werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren, Lüftern oder Pumpen verwendet. Ein fluiddynamisches Lager umfasst wenigstens zwei relativ zueinander bewegliche, vorzugsweise relativ zueinander drehbare, Lagerbauteile, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt von einigen Mikrometern Breite voneinander getrennt sind. Durch einen fluiddynamischen Effekt, der im Betrieb des Lagers einen Druckaufbau im Lagerfluid innerhalb des Lagerspaltes erzeugt, werden die Lagerflächen auf Abstand gehalten und das Lager wird tragfähig. Dieser fluiddynamische Effekt wird erzeugt durch Lagerrillenstrukturen, die auf einer oder beiden der einander zugewandten Lagerflächen vorgesehen sind. Diese Lagerrillenstrukturen erzeugen im Betrieb des Lagers eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid und dadurch einen Druckaufbau im Lagerspalt. In bekannter Weise weisen die Lagerrillenstrukturen (Grooves) eine konstante Breite senkrecht zur Mittellinie der Lagerrillenstruktur über ihre gesamte Länge auf. Beispielsweise beträgt die Breite der Lagerrillenstrukturen bei Miniaturlagern, wie sie zur Drehlagerung von Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke verwendet werden, ca. 100 Mikrometer. Die Lagerrillenstrukturen werden auf den Lageroberflächen vorzugsweise durch ein elektrochemisches Abtragungsverfahren aufgebracht (ECM-Verfahren).

Oftmals ist es notwendig und erwünscht, dass die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindlichen Lagerfluid erzeugen, die in eine bestimmte Richtung gerichtet ist. Eine gerichtete Pumpwirkung wird dadurch erreicht, dass die Lagerrillenstrukturen asymmetrisch zu einer den Scheitelpunkt (Apex) schneidenden Basisachse ausgebildet sind und einen längeren sowie einen kürzeren Abschnitt aufweisen. Die Pumpwirkung der beiden Abschnitte der Lagerrillenstruktur sind entgegengesetzt gerichtet, wobei die längeren Abschnitte eine größere Pumpwirkung erzeugen als die kürzeren Abschnitte. Für die Gesamtpumpwirkung überwiegen daher die längeren Abschnitte.

Die Wirksamkeit der Lagerrillenstrukturen verschlechtert sich umso mehr, je größer die Exzentrizität des Lagers wird. Dadurch verringert sich die Stabilität und Lagersteifigkeit des Lagers. Ferner erhöht sich der Lagerverschleiß.

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lagerrillenstruktur für fluiddynamische Lager anzugeben, durch welche die Eigenschaften des Lagers in Bezug auf Stabilität und Lagersteifigkeit verbessert wird. Ferner soll ein geeignetes fluiddynamisches Lager und ein Spindelmotor mit einem solchen Lager angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lagerrillenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein fluiddynamisches Lager mit erfindungsgemäßen Lagerrillenstrukturen sowie ein Spindelmotor mit einem solchen fluiddynamischen Lager sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.

Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.

Die Lagerrillenstruktur ist auf einer Lagerfläche eines fluiddynamischen Lagers angeordnet und weist eine definierte Länge entlang der Mittellinie und Breite senkrecht zur Mittellinie der Lagerrillenstruktur auf. Erfindungsgemäß variiert die Breite der Lagerrillenstruktur über deren Länge. Insbesondere wird die Breite der Lagerrillenstruktur über deren Länge ausgehend von einem Ende der Lagerrillenstruktur bis hin zum anderen Ende kleiner.

Vorzugweise ändert sich die Breite der Lagerrillenstruktur senkrecht zur Mittellinie der Lagerrillenstruktur (Groove) ausgehend von einem Ende bis hin zum anderen Ende der Lagerrillenstruktur kontinuierlich oder abschnittsweise.

Erfindungsgemäß ist die Breite der Lagerrillenstruktur senkrecht zur Mittellinie der Lagerrillenstruktur an einem Ende um mindestens um 30 Prozent kleiner als die Breite am anderen Ende. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Breite der Lagerrillenstruktur an einem Ende um mindestens 50 Prozent kleiner als die Breite am anderen Ende.

Die Lagerrillenstruktur selbst ist als kontinuierliche oder unterbrochene Rille, beispielsweise als sinusförmige oder parabelförmige Rille oder auch als fischgrätenförmige abgewinkelte Rille ausgebildet, wobei vorzugsweise die Tiefe der Rille über ihre Länge entlang ihrer Mittellinie gleich bleibt. Durch die sich zu einem Ende hin verringernde Breite der Lagerrillenstruktur senkrecht zur Mittellinie der Lagerrillenstruktur ergibt sich eine gleichmäßigere Druckverteilung im Lagerspalt während des Betriebes des Lagers im Vergleich zu Lagerrillen mit gleich bleibender Breite. Zwar ist insgesamt der maximal erreichbare Druck, der durch die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen auf das Lagerfluid erzeugt wird, geringer als beim Stand der Technik, bei dem die Breite der Lagerrillenstruktur senkrecht zu ihrer Mittellinie konstant war, jedoch ist der Druckunterschied zwischen dem Druckmaximum und dem Druckminimum größer und daher das Lager insgesamt steifer. Dieser Effekt kommt insbesondere zum Tragen, wenn das Lager, beispielsweise eine Welle in einer Lagerbuchse, exzentrisch läuft. Je größer die Exzentrizität der Welle in der Bohrung der Lagerbuchse ist, desto größer wird der Druckunterschied im Lagerspalt und desto stärker erhöht sich die radiale Gesamtlagerkraft. Durch die radialen Kräfte wird die Welle zur Achse der Lagerbohrung zentriert.

Die Lagerrillenstruktur kann, abgesehen von der variierenden Breite, symmetrisch zu einer Basisachse, die durch die Verbindung aller Scheitelpunkte (Apex) der Lagerrillenstrukturen gebildet wird, sein. Hierbei weist die Lagerrillenstruktur einen Apex und zwei vom Apex ausgehende, im wesentlichen gleich lange Abschnitte auf, wobei die Breite der Lagerrillenstruktur vom Ende des einen Abschnitts bis zum Ende des anderen Abschnitts kleiner wird.

Alternativ kann die Lagerrillenstruktur in sich asymmetrisch ausgebildet sein. Hierbei weist die Lagerrillenstruktur einen Apex und einen vom Apex ausgehenden längeren Abschnitt und einen vom Apex ausgehenden kürzeren Abschnitt auf, wobei die Breite der Lagerrillenstruktur vom Ende des längen Abschnitts bis zum Ende des kürzeren Abschnitts kleiner wird.

Die mit der Lagerrillenstruktur versehene Lagerfläche liegt innerhalb eines fluiddynamischen Lagers einer weiteren Lagerfläche gegenüber, wobei zwischen den beiden Lagerflächen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt angeordnet ist. Durch eine Drehung des fluiddynamischen Lagers bewegen sich die Lagerflächen relativ zueinander, so dass das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid durch die Lagerrillenstruktur verdrängt wird und sich ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt aufbaut. Die Verdrängung des Lagerfluids kann in einer definierten Flussrichtung erfolgen, wie es weiter unten beschrieben ist.

Symmetrische Lagerrillenstrukturen mit Lagerrillenstrukturen von gleich bleibender Breite erzeugen eine gleichmäßige, ungerichtete Pumpwirkung, während asymmetrische Lagerrillenstrukturen, die beispielsweise einen längeren und einen kürzeren Abschnitt aufweisen, eine in eine Richtung überwiegende Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt ausüben. Durch diese in einer Richtung überwiegende Pumpwirkung lässt sich eine gewünschte Strömung des Lagerfluids im Lagerspalt erzeugen. Erfindungsgemäß kann auch durch die Variation der Breite der Lagerrillenstruktur eine einseitig gerichtet Pumpwirkung im Lagerspalt erzeugt werden. Der Abschnitt der Lagerrillenstruktur mit größerer Breite und/oder größerer Länge erzeugt eine größere Pumpwirkung, während der Abschnitt mit kleinerer Breite und/oder kleinerer Länge eine kleinere Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausübt.

Auf der Lagerfläche eines fluiddynamischen Lagers sind in der Regel mehrere gleichartige Lagerrillenstrukturen in derselben geometrischen Ausrichtung in einem Abstand voneinander angeordnet.

Das Abstandsmaß der Teilung wird gebildet aus dem Umfang der Lagerstruktur geteilt durch die Anzahl der einzelnen Lagerrillenstrukturen und als Pitch bezeichnet. Je nach geometrischer Form der Lagerrillenstruktur kann sich das Verhältnis zwischen der Breite der Lagerrillenstruktur senkrecht zur Mittellinie der Lagerrillenstruktur und dem Abstandsmaß der Teilung verändern. Daraus lässt sich das sogenannte Groove to Pitch Ratio (GPR) berechnen, das über die Länge entlang der Mittellinie der Lagerrillenstruktur variieren kann.

Insbesondere kann das Groove to Pitch Ratio an einem Ende der Lagerrillenstruktur kleiner sein als am anderen Ende.

Erfindungsgemäß sind die beschriebenen Lagerrillenstrukturen Teil eines fluiddynamischen Lagersystems und darin verwendeten fluiddynamischen Radiallagern und/oder fluiddynamischen konischen Lagern. Das fluiddynamische Lagersystem kann zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden, wie er beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken verwendet wird.

Die Lagerrillenstrukturen können durch verschiedene Verfahren auf der Lagerfläche eines fluiddynamischen Lagers aufgebracht werden. Ein bevorzugtes Verfahren ist ein ECM-Verfahren, d. h. ein Verfahren zur elektrochemischen Abtragung. Es wird vorzugsweise eine ECM-Elektrode verwendet, die der Lagerrillenstruktur entsprechende, elektrisch leitende Bereiche aufweist.

Generell kann die Lagerrillenstruktur für ein Axiallager, Radiallager oder konisches Lager verwendet werden, wobei die Lagerflächen dann mehrere Lagerrillenstrukturen umfassen, die in derselben geometrischen Form und Ausrichtung in einem Abstand voneinander angeordnet sind.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer bevorzugten Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers mit erfindungsgemäßen Lagerrillenstrukturen.

1A zeigt eine erfindungsgemäße Lagerrillenstruktur mit Mittellinie vergrößert dargestellt.

2A zeigt eine Abwicklung einer zylindrischen Lagerfläche eines Radiallagers mit Lagerrillenstrukturen gemäß dem Stand der Technik.

2B zeigt eine Abwicklung einer zylindrischen Lagerfläche eines Radiallagers mit erfindungsgemäßen Lagerrillenstrukturen.

3A zeigt schematisch die Druckverteilung in einem Lagerspalt entlang der in 2A dargestellten Lagerfläche gemäß dem Stand der Technik.

3B zeigt schematisch die Druckverteilung in einem Lagerspalt entlang der in 2B dargestellten Lagerfläche mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Lagerrillenstrukturen.

4 zeigt eine Simulation der radialen Lagerkraft in Abhängigkeit der Exzentrizität der Lagerflächen eines Radiallagers.

5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Diagramm 4 für Werte des Exzentrizitätsverhältnisses zwischen 0 und 0,2.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung

Die 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lager gemäß der Erfindung. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb von Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks verwendet werden.

Der Spindelmotor umfasst eine Grundplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein erstes Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das erste Lagerbauteil 16 ist etwa topfförmig 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. Die Welle 12 weist an ihrem oberen Ende eine Gewindebohrung zur Befestigung an einem Gehäusedeckel des Spindelmotors bzw. des Festplattenlaufwerks auf. Das 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. Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird in bekannter Weise gebildet durch eine an der Grundplatte 10 angeordnete Statoranordnung 42 und einem die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 44, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 48 angeordnet ist.

Die Lagerbuchse 14 hat eine zylindrische Bohrung an deren Innenumfang zwei zylindrische Lagerflächen ausbildet sind, welche durch einen dazwischen liegenden Separatorspalt 24 getrennt sind. Die Lagerflächen umschließen die stehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22 und 23, die mit sinus- oder parabelförmigen oder fischgrätenartigen Lagerrillenstrukturen 22a, 23a versehen sind.

An das untere Radiallager 23 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, welche als zur Drehachse 46 senkrechte Kreisringe ausgebildet sind.

Das fluiddynamische Axiallager 26 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 14, dem ersten Lagerbauteil 16 oder beiden Teilen angebracht werden können. Die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 26 erstrecken sich vorzugsweise über die ganze Stirnfläche der Lagerbuchse 14, also vom inneren Rand bis zum äußeren Rand. Dadurch ergibt sich 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 22, 23 und das Axiallager 26 notwendigen Lagerrillenstrukturen 22a, 23a an der Lagerbuchse 14 angeordnet, was die Herstellung des Lagers insbesondere der Welle 12 und des ersten Lagerbauteils 16 vereinfacht.

An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 im Bereich des Axiallagers 26 schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter Dichtungsspalt 34 an, der durch einander gegenüberliegende Flächen der Lagerbuchse 14 und des Lagerbauteils 16 gebildet wird und das Ende des Fluidlagersystems an dieser Seite abdichtet. Der Dichtungsspalt 34 umfasst einen gegenüber dem Lagerspalt 20 verbreiterten radial verlaufenden Abschnitt, der in einen sich konisch öffnenden und 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. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 20 gedrückt.

An der anderen Seite des Fluidlagersystems ist die Lagerbuchse 14 im Anschluss an das obere Radiallager 22 so gestaltet, dass es eine radial 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 Dichtungsspalt 32 an, der das Fluidlagersystem an diesem Ende abschließt. Der Dichtungsspalt 32 umfasst vorzugsweise eine 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. Die Abdeckkappe 30 ist an einer Stufe 38 der Lagerbuchse 14 gehalten und dort beispielsweise angeklebt. Der innere Rand der Abdeckkappe 30 kann zusammen mit dem Außenumfang der Welle 12 eine Spaltdichtung ausbilden. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 32.

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 Grundplatte 10 einen ferromagnetischen Ring 40 aufweisen, der dem Permanentmagneten 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 Permanentmagnet 44 axial zueinander versetzt angeordnet werden, und zwar so, dass der Permanentmagnet 44 axial weiter entfernt von der Grundplatte 10 angeordnet wird als die Statoranordnung 42. Dadurch wird durch das Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft aufgebaut, die entgegengesetzt zum Axiallager 26 wirkt.

Ein Rezirkulationskanal 28 verläuft ausgehend vom Spalt zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Lagerbauteils 18 schräg und radial nach außen längs durch die Lagerbuchse 14 und mündet radial außerhalb des Axiallagers 26 in einen Bereich zwischen dem Lagerspalt 20 und dem Dichtungsspalt 34.

Die 1A zeigt eine erfindungsgemäße Lagerrillenstruktur vergrößert dargestellt. Dabei ist die Mittellinie M eingezeichnet, die in der Mitte der Begrenzungen der Lagerrillenstruktur liegt. Die Breite B der Lagerrillenstruktur an einer Position wird jeweils senkrecht zur Mittellinie gemessen.

2A zeigt die Abwicklung einer zylindrischen Lagerfläche eines Radiallagers mit darauf angeordneten Lagerrillenstrukturen 122a gemäß dem Stand der Technik. Die dargestellte Lagerfläche 100 ist die Lagerfläche eines typischen Radiallagers mit sinusförmig gebogenen Radiallagerstrukturen 122a bzw. parabelförmig gebogenen Lagerrillenstrukturen, die entlang des Umfangs der Lagerfläche angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen weisen eine über ihre Länge gleich bleibende Breite auf.

Bei einer Bewegung der Lagerfläche 100 von rechts nach links relativ zu einer dieser, Lagerfläche gegenüber liegenden Lagerfläche, erzeugen die Lagerrillenstrukturen 122a in einem zwischen den Lagerflächen angeordneten Lagerspalt eine Pumpwirkung auf ein im Lagerspalt befindliches Lagerfluid. Die in der Abbildung dargestellten oberen Äste der Lagerrillenstrukturen 122a erzeugen eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid nach unten, und die unteren Äste der Lagerrillenstrukturen 122a eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid nach oben, also in die entgegen gesetzte Richtung. Die Lagerrillenstrukturen 122a sind unsymmetrisch zu einer den Apex schneidenden Basisachse 150 ausgebildet, so dass die Pumpwirkung der oberen, kürzeren Abschnitte der Lagerrillenstrukturen 122a kleiner ist als die Pumpwirkung der unteren, längeren Abschnitte, so dass sich insgesamt eine Gesamtpumpwirkung nach oben ergibt.

3A zeigt eine simulierte Druckverteilung im Lagerspalt eines mit den Lagerrillenstrukturen 122a gemäß 2A ausgebildeten Radiallagers gemäß dem Stand der Technik. Hierbei wird angenommen, dass die Lagerbauteile leicht exzentrisch zueinander angeordnet sind, d. h. die Breite des Lagerspaltes zwischen den Lagerflächen ist je nach Umfangswinkel unterschiedlich groß, insbesondere im rechten Bereich der Lagerfläche 100 kleiner als im linken Bereich. Man erkennt, dass im Bereich der Lagerfläche ein Druckmaximum im Apex der Lagerrillenstrukturen 122a auftritt. Das Druckminimum beträgt beispielsweise 1084 Kilopascal (kPa) im linken Bereich der Lagerfläche. Im rechten Bereich der Lagerfläche 100 erreicht der Druck im Lagerspalt ein Druckmaximum beispielsweise in Höhe von 1491 Kilopascal. Die Differenz zwischen dem Druckmaximum und dem Druckminimum beträgt etwa 407 Kilopascal. Diese absolute Druckdifferenz lässt eine Aussage über die Steifigkeit des Lagers zu.

Die 2B zeigt die Abwicklung einer zylindrischen Lagerfläche 100 eines Radiallagers mit erfindungsgemäß ausgebildeten Lagerrillenstrukturen 22a, die wiederum sinusförmig bzw. parabelförmig gebogen sind und sich zu mehreren über den Umfang der Lagerfläche 100 verteilen. Die Lagerrillenstrukturen 122a sind ebenfalls unsymmetrisch zu der den Apex schneidenden Achse 150 ausgebildet, mit oberen kürzeren Abschnitten 22a1 und unteren, längeren Abschnitten 22a2. Die Pumpwirkung der oberen, kürzeren Abschnitte 22a1 der Lagerrillenstrukturen 122a ist kleiner ist als die Pumpwirkung der unteren, längeren Abschnitte 22a2, so dass sich insgesamt eine Gesamtpumpwirkung nach oben ergibt Erfindungsgemäß sind die Lagerrillenstrukturen 22a derart ausgebildet, dass sich deren Breite ausgehend von den unteren, längeren Abschnitten 22a2 hin zu den oberen kürzeren Abschnitten 22a1 verringert. Die Breite der Lagerrillenstrukturen 22a an den Enden der kürzeren Abschnitte 22a1 ist dabei um mindestens 30 Prozent, vorzugsweise jedoch um 50 Prozent kleiner als die Breite an den Enden der längeren Abschnitte 22a2. Diese Beschreibung kann sinngemäß auch für die Lagerrillenstrukturen 23a übernommen werden.

3B zeigt schematisch die Druckverteilung im Lagerspalt eines Lagers mit den erfindungsgemäßen Lagerrillenstrukturen 22a. Die Druckverteilung ist wiederum simuliert für ein exzentrisches Lager, d. h. die Breite des Lagerspaltes ist über den Umfang der Lagerfläche 100 unterschiedlich groß aufgrund einer Exzentrizität der Lagerbauteile bei gleicher Exzentrizität wie bei 3A. Insbesondere im rechten Bereich der Lagerfläche 100 ist die Breite des Lagerspaltes klein und somit der Druck im Lagerspalt größer, während im linken Bereich der Lagerfläche 100 die Breite des Lagerspaltes groß ist und damit der Druck im Lagerspalt kleiner.

Man erkennt im linken Bereich ein Druckminimum, das bei etwa 876 Kilopascal liegt, während im Bereich mit kleinem Lagerspalt das Druckmaximum bis auf 1313 Kilopascal steigt. Die relative Lagerkraft, also der Druckunterschied zwischen Druckmaximum und Druckminimum beträgt hier etwa 437 Kilopascal. Verglichen mit der Druckverteilung in 3A ist die Druckdifferenz in 3B um etwa 7 Prozent größer. Der Grund dafür ist die Verwendung von erfindungsgemäß geformten Lagerrillenstrukturen 22a mit variierender Breite, die sich von einem Ende der Lagerrillenstrukturen hin zum anderen Ende verringert. Im Vergleich zu Lagern mit herkömmlichen Lagerrillenstrukturen 122a gemäß den 2A und 3A, ist die Lagersteifigkeit insgesamt beim erfindungsgemäßen Lager mit erfindungsgemäßen Lagerrillenstrukturen größer, da der relative Druckunterschied zwischen Druckmaximum und Druckminimum größer ist.

4 zeigt ein Diagramm der radialen Gesamtkraft in Abhängigkeit vom Exzentrizitätsverhältnis eines Radiallagers für Lagerrillenstrukturen mit konstanter Breite und Lagerrillenstrukturen mit variabler Breite. Das Exzentrizitätsverhältnis ist dabei definiert als das Verhältnis der Exzentrizität zur Spaltbreite im Zustand ohne Exzentrizität. Bei einem Exzentrizitätsverhältnis von 0 ist die radiale Gesamtkraft auch 0, d. h. das Lager ist im Gleichgewicht.

Je größer die Exzentrizität wird, desto stärker steigt auch die radiale Gesamtkraft, die der Exzentrizität entgegen wirkt, um das Lager wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Die Kurve 160 zeigt die radiale Gesamtkraft für ein Lager mit Lagerrillenstrukturen 122a konstanter Breite, während die Kurve 162 die Gesamtkraft für ein Lager mit Lagerrillenstrukturen 22a variierender Rillenbreite gemäß der Erfindung zeigt.

Man erkennt, dass insbesondere bei einer großen Exzentrizität des Lagers die radiale Gesamtkraft der Kurve 162 größer ist als die der Kurve 160, d. h. die radiale Gesamtkraft eines Lagers mit Lagerrillen 22a von variierender Bereite ist wesentlich größer, beispielsweise bis zu 26 Prozent größer, als die eines Lagers mit Lagerrillen 122a von konstanter Rillenbreite.

5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Diagramms von 4 im Bereich eines Exzentrizitätsverhältnisses zwischen 0 und 0,2. Man erkennt, dass selbst hier im Bereich geringer Exzentrizität die radiale Gesamtkraft eines Lagers mit Lagerrillenstrukturen 22a mit variierender Breite gemäß Kurve 162 deutlich größer ist, als die radiale Gesamtkraft eines Lagers mit Lagerrillenstrukturen 122a konstanter Rillenbreite gemäß Kurve 160. Der Unterschied der radialen Gesamtkraft zwischen den Kurven 162 und 160 ist beispielsweise bei einer Exzentrizität von 0,05 etwa 9 Prozent, d. h. ein Lager mit Lagerrillen 22a variierender Rillenbreite hat bei einer Exzentrizität von 0,05 eine um etwa 9 Prozent größere radiale Gesamtkraft als ein Lager mit Lagerillen 122a mit konstanter Rillenbreite.

Obwohl diese Erfindung anhand des Beispiels einer feststehenden Welle beschrieben ist sind andere Ausgestaltungen, z. B. für eine drehende Welle, ebenso von der Erfindung erfasst.

Bezugszeichenliste

10
Grundplatte
12
Welle
14
Lagerbuchse
16
erstes Lagerbauteil
18
zweites Lagerbauteil
20
Lagerspalt
22,
Radiallager
22a
Lagerrillenstrukturen
22a1
kürzerer Abschnitt
22a2
längerer Abschnitt
23
Radiallager
23a
Lagerrillenstrukturen
24
Separatorspalt
26
Axiallager
28
Rezirkulationskanal
30
Abdeckkappe
32
Dichtungsspalt
34
Dichtungsspalt
36
Pumpdichtung
38
Stufe
40
ferromagnetischer Ring
42
Statoranordnung
44
Permanentmagnet
46
Drehachse
48
Nabe
100
Lagerfläche
122a
Lagerrillenstruktur
150
Basisachse im Apex
M
Mittellinie
B
Breite der Lagerrillenstruktur an dieser Position