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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Spindelmotor kleiner Bauart mit einem hydrodynamischen
Lagersystem, gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der beschriebene Spindelmotor
kann vorzugsweise in Speicherplattenlaufwerken, insbesondere Miniatur-Speicherplattenlaufwerken
eingesetzt werden.
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Stand der
Technik
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Spindelmotoren
bestehen im Wesentlichen aus Stator, Rotor und mindestens einem
dazwischen angeordneten Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene
Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert.
Für kleine
Spindelmotoren werden hydrodynamische Lagersysteme verwendet, die
eine Lagerhülse
und eine in einer axialen Bohrung der Lagerhülse angeordnete Welle umfassen.
Die Welle rotiert frei in der Lagerhülse, wobei die beiden Teile
zusammen ein Radiallager bilden. Die in gegenseitiger Wirkverbindung
stehenden Lageroberflächen
von Welle und Hülse
sind durch einen dünnen,
konzentrischen und mit einem Lagerfluid, z. B. Öl oder Luft gefüllten Lagerspalt
voneinander beabstandet. In wenigstens eine der Lageroberflächen ist
eine Oberflächenstruktur
eingearbeitet, welche infolge der rotierenden Relativbewegung zwischen Welle
und Lagerhülse
lokale Beschleunigungskräfte auf
das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausübt. Auf diese Weise entsteht
eine Art Pumpwirkung, die zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken
Fluidfilms führt,
der durch Zonen hydrodynamischen Druckes stabilisiert wird. Der
zusammenhängende,
kapillare Fluidfilm und der selbstzentrierende Mechanismus des hydrodynamischen
Radiallagers sorgen für
eine stabile, konzentrische Rotation zwischen Welle und Buchse.
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Die
Verschiebung entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend
ausgestaltete hydrodynamische Axiallager verhindert. Bei einem hydrodynamischen
Axiallager sind die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen, von
denen wenigstens eine mit einer Oberflächenstruktur versehen ist,
jeweils in der zur Rotationsachse senkrechten Ebene angeordnet und
durch einen dünnen,
vorzugsweise ebenen, mit Lagerfluid gefüllten, Lagerspalt axial voneinander
beabstandet. Es ist bekannt, ein hydrodynamisches Drucklager durch
die sich gegenüberliegenden
Flächen
der Stirnseite der Lagerhülse
und der Unterseite der Rotorglocke zu bilden. Es ergibt sich ein
nur einseitig wirkendes Drucklager, bei dem die Gegenkraft vorzugsweise
durch magnetische Vorspannmittel erzeugt wird.
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Spindelmotoren
mit einem oben beschriebenen hydrodynamischen Lagersystem sind in
den Patentveröffentlichungen
US 6 456 458 B1 ,
US 20040104634 A1, US 2003097438 A1, US 20030048575 A1, US 20040113501
A1 oder JP 2004-328926 A (nächstliegender
Stand der Technik) offenbart. Die hier gezeigten Lagersysteme umfassen – entlang
der Rotationsachse gesehen – eine
in einer Reihe liegende Anordnung von einem oder mehreren Radiallagern
und einem Axiallager.
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Der
Trend geht zu Speicherplattenlaufwerken und damit auch Spindelmotoren
kleiner Bauart, für
den Einsatz in kleinen portablen elektronischen Geräten, wie
z. B. portablen Musikplayern (MP3-Playern) oder Mobilfunktelefonen,
insbesondere sogenannte Smart Phones. Für diese Anwendungen müssen die
eingesetzten Speicherplattenlaufwerke, und auch die Spindelmotoren
für den
Antrieb solcher Laufwerke, hohe Anforderungen erfüllen. Die wichtigsten
Anforderungen sind beispielsweise:
- – kleine
Baugröße und Höhe
- – hohe
Steifigkeit des Lagersystems
- – zulässige Schockbelastung über 1000
G
- – leichter
Zusammenbau
- – geringe
Leistungsaufnahme
- – geringe
Geräuschentwicklung
- – geringe
Herstellungskosten
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Die
oben angegebenen Kriterien sind sehr wichtig für Speicherplattenlaufwerke
bzw. Spindelmotoren geringer Baugröße und mit den herkömmlichen
bei Spindelmotoren bekannten Bauformen nicht ohne weiteres zu erreichen.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor kleiner
Bauart anzugeben, dessen Rotor sich selbständig in axialer Richtung stabilisiert, so
dass keine zusätzlichen
Mittel zur Erzeugung einer axialen Vorspannung vorgesehen werden
müssen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der
beschriebene Spindelmotor umfasst einen Rotor mit einer Rotorglocke
und einer damit verbundenen Welle, eine zylindrische Lagerhülse mit
einer zentralen Bohrung zur Aufnahme der Welle und einem an der
Aufnahmeöffnung
angeordneten Bund, ein topfförmiges,
einseitig geschlossenes Lagergehäuse
zur Aufnahme der Lagerhülse,
eine Basisplatte zur Halterung der Lageraufnahme, einen am Innenumfang
der Rotorglocke zwischen dem Bund und der Basisplatte angeordneten
Stopperring, und mindestens einen zwischen dem Außendurchmesser
der Welle und dem Innendurchmesser der Bohrung gebildeten und durch
Oberflächenstrukturen
gekennzeichneten Radiallagerbereich. Ferner ist ein zwischen einer
unteren Fläche
des Bundes und einer oberen Fläche
des Stopperrings gebildeter ringförmiger Axiallagerbereich vorgesehen.
Hierzu ist erfindungsgemäß die Verwendung
von Oberflächenstrukturen,
z.B. vom Herringbone-Typ (Fischgrätenstruktur), für wenigstens
eine der genannten Flächen
vorgesehen, so dass bei Rotation des Rotors eine Pumpwirkung auf
das Lagerfluid in Richtung des Radiallagerbereichs erzeugt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die dem Axiallagerbereich
zugeordneten Flächen
des Stopperringes und/oder des Bundes eine vorzugsweise unsymmetrische
Oberflächenstruktur
auf, die bei Rotation des Rotors eine Pumpwirkung auf des Lagerfluid
in Richtung des Radiallagerbereichs erzeugt.
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Ein
weiterer Axiallagerbereich kann zwischen der oberen Fläche der
Rotorglocke und einer oberen Fläche
des Bundes ausgebildet sein.
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Der
Lagerspalt des hydrodynamischen Lagers ist in bekannter Weise mit
einem Lagerfluid gefüllt
und erstreckt sich durchgehend entlang bzw. zwischen den jeweils
einander zugewanden Oberflächen
der Lagerhülse,
des Bundes, der Welle, der Rotorglocke und des Stopperrings.
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Erfindungsgemäß ist die
Lagerhülse
fest im Lagergehäuse
aufgenommen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist
zwischen dem Lagergehäuse
und der Lagerhülse – oder aber
ausschließlich
in einem dieser Bauteile – mindestens
ein Fluidkanal vorgesehen, der den Bereich des Lagerspaltes zwischen
Lagerhülse
und Welle mit dem Bereich des Lagerspaltes zwischen dem Bund und
dem Stopperring verbindet. Durch den Lagerspalt und den Fluidkanal
wird ein geschlossener Kreis gebildet, in welchem das Lagerfluid
zirkulieren kann.
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Die
Verbindung des Lagerspaltes zur Umgebung wird durch einen mit dem
Lagerspalt verbundenen und sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngenden
ringförmigen
Spalt hergestellt. Dieser Spalt erstreckt sich zwischen dem Außendurchmesser
des Lagergehäuses
und dem Innendurchmesser des Stopperringes und ist mindestens teilweise
mit Lagerfluid gefüllt.
Der Spalt dient gleichermaßen
als Reservoir für
das Lagerfluid und als Kapillardichtung, durch die ein Austreten
des Lagerfluids aus dem Lagerbereich vermieden wird.
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Für den ordnungsgemäßen Betrieb
des beschriebenen Spindelmotors ist ein einziges Axiallager ausreichend.
Durch die beiderseitige Umströmung
des Bundes mit Lagerfluid und die einseitig gerichtete Pumpwirkung
der axiallagerseitigen Oberflächenstrukturen,
zirkuliert das Lagerfluid um den Bund herum und hält die Anordnung
im axialen Gleichgewicht. Es sind demnach keine zusätzlichen Mittel
notwendig, um das Axiallager einseitig vorzuspannen. Es kann aber
vorgesehen sein, dass zwischen einer unteren Fläche der Rotorglocke und einer
oberen Fläche
des Bundes ein zweiter ringförmiger
Axiallagerbereich ausgebildet ist, der für eine zusätzliche Stabilisierung des
Lagers in axialer Richtung sorgt. Hierbei weisen die dem zweiten
Axiallagerbereich zugeordneten Oberflächen der Rotorglocke und/oder
des Bundes ebenfalls eine Oberflächenstruktur
auf. Die vorzugsweise unsymmetrisch ausgestaltete Oberflächenstruktur
erzeugt bei Rotation des Rotors eine Gegenkraft zum ersten Axiallager und
eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Radiallagerbereichs.
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Der
erfindungsgemäße Spindelmotor
bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Konstruktionen.
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Dadurch
dass der Spindelmotor aus einfach geformten und herstellbaren Bauteilen
zusammen gesetzt ist, sind keine komplizierten und kostspieligen
Herstellungsprozesse notwendig. Es wird ein hydrodynamisches Lagersystem
verwendet, das sich durch eine einfache Bearbeitung der Lagerflächen, insbesondere
ein einfaches Aufbringen von Oberflächenstrukturen auszeichnet,
da ein Stopperring bzw. Anschlagring verwendet wird, der einerseits
als Teil des Axiallagers und andererseits als axialer Anschlag dient
und relativ einfach bearbeitet werden kann.
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Das
Axiallager ist etwa zentrisch bezogen auf die Längserstreckung der Welle angeordnet,
wodurch zum einen eine hohe Steifigkeit des Lagersystems erzielt
wird und zum anderen eine freie Gestaltung des Spindelmotors in
Bezug auf seine Höhe
und Größe möglich ist.
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Es
handelt sich um ein einfaches „selbstzentrierendes" Axiallager mit einer „toten" Druckzone, was eine
(magnetische) Vorspannung des Axiallagers unnötig macht. Das bedeutet eine
erhebliche Energieeinsparung aufgrund fehlender magnetischer Kräfte der
Vorspannung.
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Es
ist möglich,
die Dichtzone und die Größe des Reservoirs
für das
Lagerfluid relativ frei zu dimensionieren, so dass verschiedenste
Anforderungen an die Lebensdauer des Lagersystems realisierbar sind.
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Die
Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Speicherplattenlaufwerk,
das den erfindungsgemäßen Spindelmotor
enthält.
Das Speicherplattenlaufwerk umfasst ein Gehäuse, in welchem mindestens eine
Speicherplatte durch den Spindelmotor drehend angetrieben wird.
Es ist ferner eine Datenaufzeichnungs- und Leseeinrichtung zum Schreiben und
Lesen von Daten auf die bzw. von der Speicherplatte vorhanden.
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In
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen und
der zugehörenden
Beschreibung sind weitere Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen
der Erfindung offenbart.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1:
einen schematischen Schnitt durch ein Speicherplattenlaufwerk mit
einem Spindelmotor gemäß der Erfindung;
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2:
einen vergrößerten Schnitt
des Spindelmotors gemäß der Erfindung;
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3:
eine Draufsicht auf den im Spindelmotor vorgesehenen Stopperring.
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Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch ein typisches Speicherplattenlaufwerk 1,
in dessen Gehäuse 2 die zugehörigen Komponenten
angeordnet sind. Wesentlicher Bestandteil ist der Spindelmotor 3 zum
Antrieb der wenigstens einen Speicherplatte 4. Weitere Komponenten
sind die Datenaufzeichnungs- und Leseeinrichtung 5 zum
Schreiben und Lesen von Daten auf die bzw. von der Speicherplatte 4 sowie
die Elektronik (nicht dargestellt) zur Steuerung des Spindelmotors 3 und
der Datenaufzeichnungs- und Leseeinrichtung 5.
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt des
Spindelmotors 3 gemäß der Erfindung.
Der Spindelmotor 3 umfasst im Wesentlichen einen Rotor 6, bestehend
aus einer Rotorglocke 7 und einer damit verbundenen Welle 8.
Im gezeigten Beispiel ist die Welle 8 einteilig mit der
Rotorglocke 7 ausgebildet. Die Welle 8 kann aber
auch aus einem separaten, mit der Rotorglocke 7 fest verbundenen
Teil bestehen. Der Rotor 6 ist rotationssymmetrisch zu
einer Rotationsachse 9 ausgebildet. Die Welle 8 ist
in einer Lagerhülse 10 aufgenommen,
die an ihrem oberen, der Rotorglocke 6 zugewandten Ende
einen ausgeprägten
Bund 11 aufweist, der sich radial nach außen erstreckt.
Die Lagerhülse 10 selbst
ist z. B. im Presssitz mit einem Lagergehäuse 12 verbunden,
welches im Wesentlichen topfförmig
ausgebildet ist und im Bereich des freien Endes der Lagerhülse 10 bzw.
Welle 8 verschlossen ist. Das Lagergehäuse 12 wiederum ist
in einer Basisplatte 13 gehalten, welche auch die übrigen feststehenden
Teile des Spindelmotors 3 trägt. Am Innenumfang der Rotorglocke 7 ist
ein Stopperring 14 angeordnet, der den Raum zwischen dem
Bund 11 und der Basisplatte 13 weitestgehend ausfüllt. Basisplatte 13,
Lagergehäuse 12 sowie
Lagerhülse 10, 11 bilden
den feststehenden Teil des Motors, während der Rotor 6,
bestehend aus Rotorglocke 7 und Welle 8, sowie
der Stopperring 14 den drehbaren Teil bilden. Die Lagerung
erfolgt über
ein hydrodynamisches Lagersystem.
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Das
hydrodynamische Lagersystem umfasst im gezeigten Beispiel zwei Radiallagerbereiche 15, 16,
die zwischen dem Außenumfang
der Welle 8 und dem Innenumfang der Lagerbuchse 10 ausgebildet und
durch entsprechende in bekannter Weise ausgebildete Oberflächenstrukturen
gekennzeichnet sind. Diese Oberflächenstrukturen z. B. in Form
eines Fischgrätenmusters,
erzeugen bei einer Rotation der Welle 8 einen hydrodynamischen
Druck im Lagerfluid, das sich in einem Lagerspalt zwischen der Welle 8 und
der Lagerbuchse befindet.
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Zur
Stabilisierung des Lagersystems in axialer Richtung ist ein Axiallagerbereich 18 vorgesehen, der
durch die aneinander angrenzenden Flächen des Bundes 11 und
des Stopperrings 14, d.h. durch die untere Fläche des
Bundes 11 und die obere Fläche des Stopperrings 14,
gebildet wird. Bei Stillstand des Spindelmotors 3 liegt
die untere Fläche
des Bundes 11 auf der oberen Fläche des Stopperrings 14 auf. Eine
dieser Flächen
oder auch beide Flächen
weisen eine Oberflächenstruktur 19 auf,
die bei Rotation des Rotors 6 und somit auch des Stopperrings 14 einen hydrodynamischen
Druck im Lagerfluid erzeugt, so dass sich ein Lagerspalt 20 zwischen
diesen beiden Flächen
ausbildet.
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Die
Oberflächenstruktur 19 ist
beispielsweise spiralförmig
ausgebildet, wie man in 3 erkennt.
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Das
obere Ende des Abschnittes 17 des Lagerspaltes setzt sich
radial nach außen
in einen Abschnitt 21 des Lagerspaltes fort, da die Unterseite
der Rotorglocke 7 um ein gewisses Maß von der Oberseite des Bundes 11 beabstandet
ist. Die Lücke
zwischen den Abschnitten 20 und 21 des Lagerspaltes wird
durch einen Abschnitt 22 geschlossen der dadurch entsteht,
dass der Außendurchmesser
des Bundes 11 geringfügig
kleiner ist als der Innendurchmesser der Rotorglocke 7 in
diesem Bereich. Zwischen dem freien Ende der Welle 8 bzw.
dem freien Ende der Lagerhülse 10 befindet
sich eine Fluidsenke.
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Die
Oberflächenstrukturen 19 des
Stopperrings 14 sind derart ausgebildet, dass sie eine
Pumpwirkung auf das Lagerfluid radial nach außen ausüben, so dass das Lagerfluid
in Folge durch die Abschnitte 20, 22, 21 und 17 des
Lagerspaltes zirkuliert. Zur Verbindung des Abschnittes 20 des
Lagerspaltes mit dem Abschnitt 17 des Lagerspaltes 17 ist
zwischen der Lagerhülse 10 und
dem Lagergehäuse 12 mindestens
ein Fluidkanal 24 vorgesehen. Der Fluidkanal 24 kann
auch vollständig
in der Lagerbuchse 17 bzw. dem Lagergehäuse 12 angeordnet
sein. Dieser Fluidkanal 24 ermöglicht eine vollständige Zirkulation
des Lagerfluids vom Abschnitt 17 über den Fluidkanal 24 zu
den Abschnitten 20, 22, 21 zurück zum Abschnitt 17.
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Die
Abdichtung des Lagerspaltes 17 in Richtung zur Umgebung
erfolgt durch eine ringförmige Kapillardichtung,
die durch einen sich in Richtung des Lagerspaltes 17 verjüngenden
Dichtungsbereich 23 bzw. Dichtungsspalt gebildet wird.
Der Dichtungsspalt 23 wird durch die radial äußere Oberfläche des Lagergehäuses 12 und
die radial innere Oberfläche des
Stopperrings 14 begrenzt und mündet in den Verbindungsbereich
zwischen dem Abschnitt 20 des Lagerspaltes und dem Fluidkanal 24.
Dieser Dichtungsbereich 23 dient ferner als Reservoir für das Lagerfluid
sowie als Ausdehnungsvolumen bei Temperaturänderungen des Lagerfluids.
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Aufgrund
der ständigen
Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt bzw. Fluidkanal, hervorgerufen
durch die Pumpwirkung der Oberflächenstrukturen 19 des
Axiallagerbereiches 18, stabilisiert sich der Rotor 6 selbständig in
axialer Richtung, so dass keine zusätzlichen Mittel zur Erzeugung
einer axialen Vorspannung, z. B. magnetische Mittel, vorgesehen werden
müssen.
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Zur
Befestigung der Speicherplatte 4 auf dem Rotor 6 ist
eine Befestigungsklammer 25 vorgesehen, die mittels einer
Schraube 26 befestigt wird (1).
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Der
Spindelmotor 3 umfasst ferner eine Statoranordnung 28,
die ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf einen Permanentmagneten 27 wirkt,
der am Außenumfang
des Rotors 6 befestigt ist. Dadurch wird der Rotor 6 in
bekannter Weise in Rotation versetzt. Vorzugsweise ist der Spindelmotor 3 als
bürstenloser
Gleichstrommotor ausgebildet, dessen Kommutierung durch elektronische
Mittel gesteuert wird.
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- 1
- Speicherplattenlaufwerk
- 2
- Gehäuse
- 3
- Spindelmotor
- 4
- Speicherplatte
- 5
- Datenaufzeichnungs-/
und Leseeinrichtung
- 6
- Rotor
- 7
- Rotorglocke
- 8
- Welle
- 9
- Rotationsachse
- 10
- Lagerhülse
- 11
- Bund
- 12
- Lagergehäuse
- 13
- Basisplatte
- 14
- Stopperring
- 15
- Radiallagerbereich
- 16
- Radiallagerbereich
- 17
- Abschnitt
des Lagerspalts
- 18
- Axiallagerbereich
- 19
- Oberflächenstruktur
- 20
- Abschnitt
des Lagerspalts
- 21
- Abschnitt
des Lagerspalts
- 22
- Abschnitt
des Lagerspalts
- 23
- Dichtungsbereich
- 24
- Fluidkanal
- 25
- Befestigungsklammer
- 26
- Schraube
- 27
- Magnet
- 28
- Statoranordnung
- 29
- Axiallagerbereich