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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere
zur Drehlagerung eines Spindelmotors z.B. für den Antrieb der Speicherplatte(n)
eines Festplattenlaufwerks.
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Spindelmotoren
bestehen im wesentlichen aus Stator, Rotor und mindestens einem
zwischen diesen beiden Teilen angeordneten Lagersystem. Der elektromotorisch
angetriebene Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem
Stator drehgelagert. Als Lagersystem werden unter anderem Wälzlager,
neuerdings aber bevorzugt fluiddynamische Lagersysteme eingesetzt.
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Eine
bekannte Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems, offenbart
z.B. in der
DE 201
19 716 U1 , umfasst eine feststehende Welle und eine Lagerhülse, die
eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Hülse rotiert
frei um die feststehende Welle und bildet zusammen mit dieser ein
Radiallager. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von
Welle und Hülse sind
durch einen dünnen,
konzentrischen und mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet.
In wenigstens einer Lageroberfläche
ist eine Oberflächenstruktur
eingearbeitet, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung
zwischen Hülse
und Welle lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche
Schmiermittel ausübt.
Auf diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die zur Ausbildung
eines homogenen und gleichmäßig dicken
Schmiermittelfilms innerhalb des Lagerspalts führt, der durch Zonen fluiddynamischen
Druckes stabilisiert wird. Die Lagerhülse trägt eine Rotorglocke, auf der
z.B. Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind.
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Eine
Verschiebung der beschriebenen Anordnung entlang der Rotationsachse
wird durch mindestens ein entsprechend ausgestaltetes fluiddynamisches
Axiallager verhindert. Bei einem fluiddynamischen Axiallager sind
die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen, von
denen wenigstens eine mit einer Oberflächenstruktur versehen ist,
jeweils in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene angeordnet
und durch einen dünnen,
vorzugsweise ebenen, mit Schmiermittel gefüllten Lagerspalt axial voneinander
beabstandet. Die zur Aufnahme der axialen Kräfte vorgesehenen fluiddynamischen
Drucklager werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer
am Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei der einen
Stirnfläche
der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Hülse und der anderen Stirnfläche die
innenliegende Stirnfläche
einer Abdeckung zugeordnet ist. Die Abdeckung bildet also ein Gegenlager
zur Druckplatte und verschließt
die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den
mit Schmiermittel gefüllten
Lagerspalt eindringt.
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Der
Trend geht zu immer kleineren Spindelmotoren, vor allem immer geringeren
Bauhöhen,
was zu einer entsprechenden Miniaturisierung der Lagersysteme führt, wobei
es aufgrund der immer kleiner werdenden Lagerabstände schwierig
ist, eine geforderte Steifigkeit der Lagersysteme zu erzielen. Die Steifigkeit
ist eine der wichtigsten Größen zur
Bestimmung der Performance eines Lagers. Bei einem fluiddynamischen
Lager hängt
der Runout (Schlag) in hohem Maße
von der Steifigkeit des Lagers ab.
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Die
US 6 371 649 B1 ,
die als nächstkommender
Stand der Technik betrachtet wird, offenbart insbesondere in
3 ein fluiddynamisches Lagersystem mit
einer feststehenden Welle, einer die Welle umgebende und um eine
Rotationsachse drehbare, rohrförmige
Hülse,
mindestens einer am Außenumfang
der Hülse
angeordneten Druckplatte, und einer die Stirnseiten der Druckplatte
und der Hülse
verschließenden
Abdeckung. Einander zugewandte und durch einen mit einem Lagerfluid
gefüllten
inneren Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen der
Welle, der Hülse,
der Druckplatte und der Abdeckung bilden mindestens einen Radiallagerbereich und
mindestens einen Axiallagerbereich aus. Es ist eine Lagerbuchse
vorgesehen, wobei sich zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbuchse
und dem Außendurchmesser
der Hülse äußerer Lagerspalt ausbildet,
der mit dem inneren Lagerspalt verbunden ist.
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Die
US 2004/0240104 A1 offenbart einen Spindelmotor, dessen Lagersystem
in einen oberen und einen unteren Lagerabschnitt unterteilt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein fluiddynamisches Lagersystem für Spindelmotoren
derart weiterzubilden, dass auch bei geringer axialer Bauhöhe eine
hohe Lagersteifigkeit und Rotationsstabilität erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße fluiddynamische
Lagersystem umfasst eine feststehende Welle, eine die Welle umgebende
und um eine Rotationsachse drehbare, rohrförmige Hülse sowie mindestens eine am Außenumfang
der Hülse
angeordnete Druckplatte, und eine die Stirnseiten der Druckplatte
und der Hülse
verschließende
Abdeckung, wobei einander zugewandte und durch einen mit einem Lagerfluid
gefüllten
inneren Lagerspalt voneinander beabstandete Oberflächen der
Welle, der Hülse,
der Druckplatte und der Abdeckung mindestens einen Radiallagerbereich
und mindestens einen Axiallagerbereich ausbilden. Die Hülse weist
an ihrem Außenumfang
einen Bund auf, der die Hülse
in einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt, wobei der
obere Abschnitt von einer oberen Lagerbuchse und der untere Abschnitt
von einer unteren Lagerbuchse umgeben ist, so dass sich zwischen
dem Innendurchmesser der Lagerbuchsen und dem Außendurchmesser der beiden Abschnitte
der Hülse
ein mit Lagerfluid gefüllter äußerer Lagerspalt
ausbildet, der mit dem inneren Lagerspalt verbunden ist.
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Erste
und zweite Radiallagerbereiche werden durch den inneren Lagerspalt
voneinander beabstandete Oberflächen
des oberen Abschnitts der Hülse
und der Welle sowie des unteren Abschnitts der Hülse und der Welle gebildet.
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Dritte
und vierte Radiallagerbereiche werden durch den äußeren Lagerspalt voneinander
beabstandete Oberflächen
des oberen Abschnitts der Hülse
und der oberen Lagerbuchse sowie des unteren Abschnitts der Hülse und
der unteren Lagerbuchse gebildet.
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Es
sind vorzugsweise zwei Axiallagerbereiche vorgesehen, die durch
voneinander beabstandete Oberflächen
der Druckplatte und der Abdeckung sowie der Druckplatte und der
Stirnflächen
der oberen Lagerbuchse gebildet werden. Die Radiallagerbereiche
und die Axiallagerbereiche sind durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet,
die auf mindestens eine der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht
sind.
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Die
hohe Steifigkeit des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers
wird durch eine höhere
Anzahl von Radial- bzw. Axiallagerbereichen erzielt, sowie einen
möglichst
großen
Lagerabstand der Radiallager.
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Aufgrund
der ineinander liegenden Anordnung des oberen Axiallagers sowie
des oberen Radiallagers wird axialer Bauraum eingespart, wodurch die
Konstruktion vergleichsweise flacher Lager möglich wird.
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Das
zentrale Teil dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist die rohrförmige Hülse, die
ein Teil des rotierenden Teils des Lagers bildet. Diese Hülse bildet
zusammen mit den oberen und unteren Lagerbuchsen ein oberes und
ein unteres Radiallager. Der Außendurchmesser
und der Innendurchmesser der Hülse
kann vorzugsweise zur Bildung von weiteren Radiallagerbereichen
verwendet werden.
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Bei
Verwendung eines oberen Axiallagers kann auf das äußere obere
Radiallager, das gebildet ist zwischen dem Außendurchmesser der Hülse und der
oberen Lagerbuchse, verzichtet werden.
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Durch
an beiden Seiten der Hülse
angeordnete Radiallagerbereiche erhöht sich erfindungsgemäß die Steifigkeit
des Lagers. Die beispielsweise im oberen Bereich der Hülse angeordnete
Druckplatte bildet zusammen mit der Deckplatte und der oberen Lagerbuchse
zwei Axiallagerbereiche aus. Vorzugsweise am anderen Ende der Hülse, oder
an jedem beliebigen Punkt der Hülse,
können
weitere Druckplatten angeordnet werden, um die axiale Steifigkeit zu
erhöhen.
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Die
obere Seite des Lagers ist ein Beispiel für die Verwendung oder Anordnung
eines Radiallagers und eines Axiallagers in der selben Ebene senkrecht
zur Rotationsachse. Die Druckplatte ist auf der äußeren Seite der Hülse während das
Radiallager auf der Innenseite angeordnet ist. Dadurch ergibt sich
ein maximal möglicher
Lagerabstand zwischen dem/den oberen und dem/den unteren Radiallager(n),
wodurch sich der radiale Schlag des Lagers reduziert.
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Um
eine bestmögliche
Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten zu gewährleisten,
sind der äußere und
der innere Lagerspalt vorzugsweise durch in der Hülse angeordnete
radiale Bohrungen bzw. Verbindungskanälen direkt miteinander verbunden.
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Ferner
kann die Welle vorzugsweise eine Einschnürung aufweisen, die zusammen
mit der Hülse
einen Hohlraum bildet, in welchen die offenen Enden des inneren
Lagerspaltes münden.
Der Hohlraum ist in den Übergangsbereichen
zum inneren Lagerspalt teilweise mit Lagerfluid gefüllt und
dient zur Abdichtung der inneren Lagerspalten und als Reservoir
für das
Lagerfluid.
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Außerdem kann
die Welle Bohrungen oder Kanäle
zur Ent-/Belüftung
des durch die Einschnürung
gebildeten Hohlraumes aufweisen, so dass ein Druckausgleich im Hohlraum
und anderen Bereichen des Lagersystems gewährleistet ist.
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Die
Hülse besitzt
vorzugsweise auf ihrer halben Länge
einen Bund, der die Hülse
mit den übrigen Teilen
des Rotors, insbesondere der Rotorglocke, verbindet. Die Hülse und
der Bund können
dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Stirnflächen dieses
Bundes können
zusammen mit den Stirnflächen
der entsprechenden Lagerbuchsen ebenfalls als Axiallager verwendet
werden.
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Das
gesamte Lager ist an beiden Enden der feststehende Welle befestigt.
An einem Ende ist die Welle fest in einer Basisplatte aufgenommen.
Am anderen Ende kann die Welle mit einer Schraube an einem Gehäuseteil
befestigt werden. Die beidseitige Befestigung der Welle trägt ebenfalls
zur Erhöhung der
Steifigkeit des Lagers bei und verringert damit den Schlag.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnungsfigur näher beschrieben
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Lagersystems.
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Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines Spindelmotors zum Antrieb
eines Festplattenlaufwerkes mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen
Lagersystem.
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Der
Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 1. In
einer Öffnung
der Basisplatte 1 ist eine Welle 2 angeordnet
und fest mit der Basisplatte 1 verbunden. Die Welle 2 ist
von einer um eine Rotationsachse 3 drehbaren rohrförmigen Hülse 4 umgeben,
wobei der Innendurchmesser der Hülse 4 geringfügig größer ist
als der Außendurchmesser
der Welle 2, so dass zwischen Hülse 4 und Welle 2 ein
innerer Lagerspalt 5 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise
einem Lageröl,
gefüllt
ist. Am Außenumgang
der Hülse 4 ist – vorzugsweise
an einem oder beiden Enden – eine
scheibenförmige
Druckplatte 6 angeordnet, die teilweise von einer weiteren unten
näher beschriebenen
oberen Lagerbuchse 10 umgeben ist. Die Stirnseiten der
Druckplatte 6 und der Hülse 4 sind
durch eine Abdeckung 7 verschlossen. Die Welle 2 ist
durch eine zentrale Bohrung der Abdeckung 7 hindurch geführt.
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Zwischen
den einander zugewandten Oberflächen
der Druckplatte 6, der Abdeckung 7 und der oberen
Lagerbuchse 10 ist ebenfalls ein Lagerspalt 8 definiert,
der mit dem inneren Lagerspalt 5 verbunden ist.
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Die
Hülse 4 besitzt
an ihren Außenumfang – etwa auf
halber Länge – einen
Bund 9, der die Hülse 4 in
einen oberen Abschnitt 4a und einen unteren Abschnitt 4b unterteilt.
Der obere Abschnitt 4a der Hülse 4 ist von einer
oberen Lagerbuchse 10 und der untere Abschnitt 4b von
einer unteren Lagerbuchse 11 umgeben. Der Innendurchmesser
der die Hülse 4 aufnehmenden
axialen Bohrungen der beiden Lagerbuchsen 10, 11 ist
geringfügig
größer als
der Außendurchmesser
der Hülse 4,
so dass sich zwischen den Oberflächen
der Lagerbuchsen 10, 11 und den zugeordneten Abschnitten
der Hülse 4 ein
mit Lagerfluid gefüllter äußerer Lagerspalt 12 ausbildet,
der über den
Lagerspalt 8 mit dem inneren Lagerspalt 5 verbunden
ist. Die obere Lagerbuchse 10 ist fest mit der Abdeckung 7 verbunden,
die wiederum fest mit dem oberen Abschnitt der Welle 2 verbunden
ist. Die untere Lagerbuchse 11 ist drehfest an der Welle 2 angeordnet.
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Die
obere Lagerbuchse 10 weist eine erste ringförmige Aussparung
auf, in welcher die Druckplatte 6 aufgenommen ist. Die
Abdeckung 7 ist in einer zweiten im Durchmesser größeren Aussparung der
oberen Lagerbuchse 10 aufgenommen und verschließt die Lageranordnung
dicht.
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Die
dargestellte Lageranordnung umfasst mindestens zwei, jedoch vorzugsweise
drei Radiallagerbereiche 13, 14, 16,
wodurch eine sehr große Steifigkeit
des Lagersystems erzielt wird. Die Erfindung ist auf diese Ausführungen
jedoch nicht beschränkt.
So ist etwa die Verwendung weiterer, etwa eines vierten Radiallagerbereichs
auf der Außenseite des
oberen Hülsenabschnittes 4a unterhalb
des Axiallagers möglich.
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Die
durch den inneren Lagerspalt 5 voneinander beabstandeten
Oberflächen
des oberen Abschnitts 4a der Hülse 4 und der Welle 2 definieren
einen ersten Radiallagerbereich 13. Entsprechend definieren
die durch den inneren Lagerspalt 5 voneinander beabstandete
Oberflächen
des unteren Abschnitts 4b der Hülse 4 und der Welle 2 einen
zweiten Radiallagerbereich 14.
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In
bekannter Weise sind die Radiallagerbereiche durch Oberflächenstrukturen 17, 18,
beispielsweise ein Rillenmuster, gekennzeichnet, die auf mindestens
einer der gepaarten Lageroberflächen,
etwa die Oberfläche
der Welle 2, aufgebracht sind. Natürlich können diese Oberflächenstrukturen
auch auf der entsprechenden gegenüberliegenden Oberfläche der
Hülse 4 angeordnet
sein. Sobald die bewegliche Hülse 4 in
Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Oberflächenstrukturen 17, 18 im
inneren Lagerspalt 5 ein fluiddynamischer Druck auf, so
dass die Radiallager 13, 14 tragfähig werden.
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Die
axialen Kräfte
des Lagersystems werden durch zwei einander entgegengesetzt wirkende
Axiallager 19, 20 aufgenommen. Das erste Axiallager 19 wird
durch die voneinander beabstandeten Oberflächen der Druckplatte 6 und
der Abdeckung 7 definiert, während das zweite Axiallager 20 durch
die voneinander beabstandeten Oberflächen der Druckplatte 6 und
der Stirnseite der oberen Lagerhülse 10 gebildet
wird. Die Axiallagerbereiche 19, 20 sind durch
spiralförmige
Oberflächenstrukturen
gekennzeichnet, die auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht
sind und eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben. Die Form und Ausgestaltung
der Oberflächenstrukturen
ist einem Fachmann bekannt und daher in der Zeichnung nicht weiter
dargestellt.
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Zur
Verbesserung der Steifigkeit des Lagersystems ist vorzugsweise ein
weiterer Radiallagerbereich 16 vorgesehen. Ein dritter
Radiallagerbereich kann durch die äußeren Oberflächen des
oberen Abschnitts 4a der Hülse 4 und der oberen
Lagerbuchse 10 definiert sein, die durch den äußeren Lagerspalt 12 voneinander
beabstandet sind (nicht dargestellt). Die ebenfalls durch den äußeren Lagerspalt 12 voneinander
beabstandeten Oberflächen
des unteren Abschnitts 4b der Hülse 4 und der unteren
Lagerbuchse 11 bilden ein viertes Radiallager 16.
Auch diese Radiallagerbereiche 15, 16 sind durch
Oberflächenstrukturen
(nicht dargestellt) gekennzeichnet.
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Man
erkennt, dass der äußere Lagerspalt 12 über den
die Druckplatte 6 umgebenen Abschnitt des Lagerspaltes 8 mit
dem inneren Lagerspalt 5 verbunden ist. Ferner kann die
Hülse 4 vorzugsweise
mehrere Bohrungen bzw. Verbindungskanäle 21, 22 aufweisen,
welche den äußeren und
den inneren Lagerspalt 12, 5 zusätzlich miteinander
verbinden, so dass ein direkter Austausch von Lagerfluid zwischen
den beiden Lagerspalten 12, 5 sichergestellt ist.
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Die
Hülse 4 bildet
zusammen mit der Druckplatte den beweglichen Teil des Lagersystems.
Am Bund 9 der Hülse 4 ist
die Rotorglocke 23 des Spindelmotors befestigt. Der Außendurchmesser
des Bundes 9 ist vorzugsweise größer als der Außendurchmesser
der beiden Lagerbuchsen 10, 11, so dass die Rotorglocke 23 und
Bund 9 etwa mittels einer Pressverbindung miteinander verbunden
werden können.
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Wird
der Spindelmotor in einem Speicherplattenlaufwerk eingesetzt, trägt die Rotorglocke 23 eine
oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) und treibt diese
drehend an.
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Die
zum Betrieb des Spindelmotors notwendigen elektro-magnetischen Komponenten
sind an der Basisplatte 1 bzw. der Rotorglocke 23 angeordnet.
Die Basisplatte 1 trägt
eine Statoranordnung 24, die aus einer Mehrzahl von Statorwicklungen
besteht. Die Statorwicklungen sind in geringem Abstand ringförmig von
Permanentmagneten 25 umgeben, die an der Rotorglocke 23 befestigt
sind.
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Die
Welle 2 weist vorzugsweise auf halber Länge, vorzugsweise in Höhe des Bundes 9,
eine Einschnürung
auf, so dass sich in diesem Bereich zwischen der Hülse 4 und
der Welle 2 ein Hohlraum 26 bildet. Die Abschnitte
des inneren Lagerspaltes 5 münden in den Hohlraum 26.
In den Übergangsbereichen
zum inneren Lagerspalt 5 verjüngt sich der Hohlraum 26 in
Richtung der Lagerspalte 5 und bildet Dichtungsbereiche,
sogenannte „visco-seals". Diese Dichtungsbereiche
sind teilweise mit Lagerfluid gefüllt und dienen einerseits als
Reservoir für
das Lagerfluid und andererseits zur Abdichtung der Lagerspalte 5.
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Die
offenen Enden des äußeren Lagerspaltes 12 münden in
Zwischenräume 27 zwischen
den Stirnseiten des Bundes 9 und den Stirnseiten der jeweils
gegenüberliegenden
Lagerbuchsen 10 bzw. 11. Um auch hier ein Austreten des
Lagerfluids aus dem Lagerspalt 12 bzw. ein Eindringen von
Schmutz in den Lagerspalt zu verhindern, können als Dichtungen ebenfalls
konische Dichtungsbereiche oder auch gerade Dichtungsbereiche mit
einem sehr kleinen Öffnungswinkel
vorgesehen sein.
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In
der Welle 2 sind Bohrungen bzw. Kanäle 28 vorgesehen,
welche den durch die Einschnürung definierten
Hohlraum 26 mit der Umgebungsatmosphäre verbinden und für einen
Druckausgleich im Lagersystem sorgen.
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- 1
- Basisplatte
- 2
- Welle
- 3
- Rotationsachse
- 4
- Hülse
- 4a
- Hülsenabschnitt
(oben)
- 4b
- Hülsenabschnitt
(unten)
- 5
- Lagerspalt
(innen)
- 6
- Druckplatte
- 7
- Abdeckung
- 8
- Lagerspalt
(Axiallager)
- 9
- Bund
- 10
- Lagerbuchse
(obere)
- 11
- Lagerbuchse
(untere)
- 12
- Lagerspalt
(außen)
- 13
- Radiallagerbereich
- 14
- Radiallagerbereich
- 15
- Radiallagerbereich
- 16
- Radiallagerbereich
- 17
- Oberflächenstruktur
- 18
- Oberflächenstruktur
- 19
- Axiallager
- 20
- Axiallager
- 21
- Verbindungskanal
- 22
- Verbindungskanal
- 23
- Rotorglocke
- 24
- Statoranordnung
- 25
- Permanentmagnete
- 26
- Hohlraum
(Einschnürung)
- 27
- Zwischenraum
- 28
- Kanäle