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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem wie es beispielsweise
in Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken Verwendung
finden kann.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Als
Drehlager in Spindelmotoren, wie sie z. B. zum Antrieb der Speicherplatten
in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, kommen größtenteils fluiddynamische
Lager zur Anwendung. Ein fluiddynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes
Gleitlager, das aus einer Lagerhülse mit beispielsweise
zylindrischer Bohrung und einer in die Bohrung eingesetzten Welle
gebildet ist. Die Welle bzw. die Innenseite der Bohrung besitzen
entsprechende Lagerflächen, die mit einer Rillenstruktur
versehen ist, wobei der Durchmesser der Welle geringfügig
kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den beiden Lagerflächen
verbleibt somit ein konzentrischer Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid
gefüllt ist. Die Lagerflächen von Welle und Lagerbuchse
bilden ein Radiallager aus, wobei durch die Rillenstrukturen ein fluiddynamischer
Druck im Lagerfluid erzeugt wird, wenn sich die Welle in der Lagerbuchse
dreht. Eine Stabilisierung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse
erfolgt durch ein fluiddynamisches Axiallager oder Drucklager. Das
Axiallager wird in bekannter Weise durch senkrecht oder quer zur
Rotationsachse ausgerichtete Lagerflächen gebildet, beispielsweise
durch eine an der Welle angeordneten Druckplatte, die mit einem
Gegenlager zusammenwirkt.
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Es
sind auch andere Bauformen fluiddynamischer Lager bekannt, beispielsweise
konische Lager bei denen die Welle einen konischen Abschnitt aufweist,
der in einer zugeordneten konischen Lagerbohrung zu liegen kommt,
so dass sich zur Rotationsachse schräg verlaufende Lagerflächen
ergeben, die sowohl eine radiale als auch axiale Lagerkraft auf
die Welle ausüben. Ein derartiges konisches fluiddynamisches
Lager ist beispielsweise aus
US 7,063,463 B2 bekannt oder beispielsweise
in doppelt-konischer Form aus
WO98/28550 .
Allgemein und insbesondere bei Fluidlagern mit konischer Bauform
besteht ein Problem in der Bemessung des Lagerspaltes zwischen den
Lagerflächen. Die Lagerbauteile müssen sehr genau
gefertigt und montiert werden, um einen Lagerspalt mit einer vorgeschriebenen
Breite sicherzustellen, so dass das Lager eine ausreichende Steifigkeit
und einen geforderten Betriebstemperaturbereich aufweist. Bei Änderung
der Umgebungstemperatur dehnen sich die Lagerbauteile aus bzw. ziehen sich
zusammen, so dass sich dadurch auch die Breite des Lagerspalts entsprechend ändert.
Zudem ändert sich die Viskosität des Lagerfluids über
die Temperatur, was ebenfalls einen Einfluss auf die Steifigkeit
des Lagers hat. Wie gesagt, kann man diesen Problemen dadurch beikommen,
dass man die Lagerbauteile sehr genau fertigt und montiert und beispielsweise
ein Lagerfluid verwendet, dessen Viskosität sich über
der Temperatur nicht übermäßig stark ändert.
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Es
die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem anzugeben,
das ein konisches Lager umfasst, und eine hohe Steifigkeit und gutes Temperaturverhalten
aufweist und zudem kostengünstig gefertigt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen
des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des Lagersystems und weitere vorteilhafte Merkmale
sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem umfasst
eine Welle mit mindestens einem konischen Abschnitt mit Lagerflächen,
eine Lagerbuchse mit einer konischen Lagerbohrung mit Lagerflächen,
die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt
von den Lagerflächen der Welle getrennt sind und zusammen
mit den Lagerflächen der Welle mindestens ein konisches
Lager ausbilden, sowie Mittel zur Erzeugung einer axialen Kraft
auf die Welle.
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Durch
die erfindungsgemäße Kombination eines konischen
Lagers mit Mitteln zur Erzeugung einer axialen Kraft, z. B. einem
Axiallager, dass an einem Ende der Welle angeordnet ist, ergibt
sich insgesamt ein Lagersystem, dass bei geringer Bauhöhe eine
hohe Lagersteifigkeit aufweist. Durch das Axiallager kann die axiale
Position der Welle in der Lagerbuchse bestimmt werden, wodurch sich
das Lager für ein gutes Temperaturverhalten optimieren
lässt. Dennoch kann das Lager kostengünstig aufgebaut
werden, denn die Lagerkomponenten müssen nicht mehr so
präzise gefertigt werden, wie bei dem oben genannten Lagersystem
gemäß dem Stand der Technik.
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In
einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Axiallager
als magnetisches Lager ausgebildet, das heißt es wird eine
magnetische Kraft in axialer Richtung auf die Welle ausgeübt,
entweder hervorgerufen durch entsprechend angeordnet Permanentmagnete
an der Welle und einem feststehenden Lagerbauteil oder aber durch
entsprechende Ausgestaltung der elektromagnetischen Antriebseinheit
eines Elektromotors, in welchem das Lagersystem betrieben wird.
Dieses magnetische Lager erzeugt eine „elastische" axiale
Vorspannung, die es ermöglicht, dass sich das konische
Lager, insbesondere die Breite des Lagerspaltes selbst auf die gegebenen
Temperaturbedingungen und Viskosität des Lagerfluids einstellt,
wobei die axiale Vorspannungskraft derart gerichtet ist, dass sie
der durch das konische Lager erzeugten axialen Kraft entgegenwirkt.
Somit ergibt sich eine nahezu konstante Lagersteifigkeit, über
den geforderten Temperaturbereich.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Axiallager als
fluiddynamisches Axiallager ausgebildet und umfasst an einem Ende
der Welle ein erstes Lagerbauteil, das mit einem ein Gegenlager
bildenden zweiten Lagerbauteil zusammenwirkt, wobei das erste und/oder
das zweite Lagerbauteil auf einer Lagerfläche Rillenstruktur
zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform dieses Axiallagers
erzeugt der durch das Axiallager hervorgerufene hydrodynamische
Druck eine axialgerichtete Kraft auf die Welle, welche die selbe
Richtung aufweist, wie die axiale Kraft, die durch den hydrodynamischen
Druck im konischen Lager erzeugt wird. Bei dieser Ausgestaltung
ist dann eine axiale Vorspannung vorgesehen, die den vom konischen
und vom axialen Lager erzeugten Kräften entgegenwirkt.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erzeugt das Axiallager
aufgrund des hydrodynamischen Drucks eine axialgerichtete Kraft
auf die Welle, die der axialen Kraft, die durch den hydrodynamischen
Druck im konischen Lager erzeugt wird entgegengerichtet ist. Das
Axiallager ist also so ausgeführt, dass es eine Gegenkraft
zum konischen Lager ausübt in Form einer dynamischen Vorspannung.
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Die
Mittel zur Erzeugung einer axialen Vorspannungskraft können
sowohl magnetische Mittel als auch mechanische Mittel, wie z. B.
eine Feder, sein. Ist das Lager in einem Elektromotor verbaut, kann
die Vorspannung auch durch die magnetische Antriebseinheit des Elektromotors
bereitgestellt werden, in dem man die Wicklungsanordnung und den Motormagneten
zueinander axial versetzt anordnet.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der Erfindung können
zwei einander entgegengesetzt gerichtete konische Lager vorgesehen
sein.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen
und den Erläuterungen noch weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen vereinfachten Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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2 zeigt
einen vergrößerten Schnitt des Lagersystems von 1.
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3 zeigt
schematisch die Anordnung der Lagerbauteile bei Stillstand des Lagersystems.
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4 zeigt
schematisch die Anordnung der Lagerbauteile beim Betrieb des Lagersystems.
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5 zeigt
schematisch die Anordnung der Lagerbauteile bei einer niederen Umgebungstemperatur.
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6 zeigt
schematisch die Anordnung der Lagerteile bei einer höheren
Umgebungstemperatur.
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7 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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8 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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9 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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10 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer fünften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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11 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer sechsten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems.
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12 zeigt
die Anordnung der Lagerbauteile einer siebten Ausgestaltung des
Lagersystems bei niederer Temperatur.
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13 zeigt
die Anordnung der Lagerbauteile der siebten Ausgestaltung bei höherer
Temperatur.
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14 zeigt
einen Schnitt durch die Anordnung der Lagerbauteile einer achten
Ausgestaltung bei niederer Temperatur.
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15 zeigt
einen Schnitt durch die Anordnung der Lagerbauteile einer achten
Ausgestaltung bei höherer Temperatur.
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16 zeigt
einen Schnitt durch eine neunte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Lagersystems.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen
einen Schnitt durch eine erste schematische Ausgestaltung eines fluiddynamischen
Lagersystems gemäß der Erfindung als Teil eines
Spindelmotors. Das Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 10,
welche eine konische Lagerbohrung aufweist, in der eine Welle 12 drehbar gelagert
ist. Die Welle 12 ist passend zur Lagerbohrung ebenfalls
konisch ausgebildet, wobei der Innendurchmesser der konischen Lagerbohrung
der Lagerhülse 10 geringfügig größer
ist als der entsprechende Außendurchmesser der konischen
Welle 12, so dass sich zwischen den einander gegenüberliegenden
Oberflächen der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 ein
mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt 14 bildet.
Die Welle 12 ist relativ zur Lagerbuchse 10 um
eine gemeinsame Rotationsachse 30 drehbar. Die Oberfläche
der konischen Welle 12 bzw. der Bohrung in der Lagerbuchse 10 umfasst
Lagerbereiche 32 und 34, die durch Oberflächenstrukturen
in Form eines Rillenmusters gekennzeichnet sind. Die Lagerbereiche 32 und 34 bilden
ein konisches Lager, also ein kombiniertes Axial-/Radiallager. Durch
entsprechende Auslegung der Oberflächenstrukturen der Lagerbereiche 32 und 34 wird
bei Rotation der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 eine
Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt 14 ausgeübt.
Hierdurch baut sich im Lagerspalt 14 ein hydrodynamischer
Druck auf, der für eine Zentrierung der Weile 12 innerhalb
der Lagerbuchse 10 und somit für eine definierte
Breite des Lagerspalts 14 über den Umfang des
Lagers sorgt und die Tragfähigkeit des konischen Fluidlagers
bestimmt. An einem Ende der konischen Welle 12 ist eine
Druckplatte 16 angeordnet, die senkrecht zur Rotationsachse 30 verläuft
und in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 10 zu liegen
kommt. Die Druckplatte 16 ist von den Oberflächen
der Aussparung der Lagerbuchse 10 ebenfalls durch den Lagerspalt 14 getrennt,
der sich in diesen Bereich in radialer Richtung fortsetzt. Druckplatte 16 und
die zugewandte Oberfläche der Lagerbuchse 10 bilden
zusammen einen ersten Axiallagerbereich 36 aus. Hierzu
ist die Oberfläche der Druckplatte 16 bzw. die
gegenüberliegende Oberfläche der Lagerbuchse 10 im
Lagerbereich 36 mit einem Rillenmuster versehen, welches
für eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid sorgt und die Tragfähigkeit
des Axiallagers bestimmt. Das Axiallager bzw. die Aussparung der Lagerbuchse 10 ist
durch eine Abdeckplatte 18 verschlossen.
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Das
obere freie Ende der Welle 12, das aus der Lagerbuchse
hinausragt, trägt eine Nabe 20, die zusammen mit
der Welle 12 den rotierenden Teil des dargestellten Spindelmotors
bildet, während die Lagerbuchse 10, die in einer
Basisplatte 24 befestigt ist, den feststehenden Teil des
Spindelmotors bildet. Die Nabe 20 wird beispielsweise mittels
einer Schraube 22 mit der Welle 12 verbunden.
Die obere Fläche der Lagerbuchse 10 ist planeben
ausgebildet, sowie auch die gegenüberliegende Fläche
auf der Unterseite der Nabe 20. Der Lagerspalt 14 verläuft
ebenfalls zwischen diesen sich gegenüberliegenden Flächen der
Lagerbuchse 10 und der Nabe 20, wobei ein zweiter
Axiallagerbereich 38 ausgebildet wird, der ebenfalls durch
die oben beschriebenen Rillenstrukturen zum Aufbau eines hydrodynamischen
Druckes gekennzeichnet ist. Die Axiallagerbereiche 36 und 38 üben
vorzugsweise eine Pumpwirkung aus, die in das Innere des Lagers,
also in Richtung der Radiallager 32, 34 gerichtet
ist. An der Nabe 20 ist bekannterweise ein Rotormagnet 26 angeordnet,
der zusammen mit einer Statoranordnung 28 das elektromagnetische
Antriebssystem des Spindelmotors bildet.
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Die 3 und 4 zeigen
schematisch die Wirkungsweise des konischen Lagers bei Stillstand und
im Betrieb. Erfindungsgemäß ist das konische Lager
mit mindestens einem Axiallager 42 kombiniert, welches
eine Vorspannungskraft 44 auf die Welle 12 ausübt
und so die durch das konische Lager hervorgerufenen axialen Kräfte
kompensiert. Im Stillstand des Lagers gemäß 3 wirkt
keine hydrodynamische Kraft im Lager, wodurch der Lagerspalt 14 zwischen
der konischen Welle 12 und der konischen Bohrung der Lagerbuchse 10 sehr
klein ist, da die Oberflächen von Welle 12 und
Lagerbuchse 10 aneinander liegen. Die Lagerbereiche 32 und 34 zeigen keine
Wirkung. Wird das Lager in Drehung versetzt, wie in 4 dargestellt,
so zeigen die konischen Lagerbereiche 32 und 34 Wirkung
und es baut sich eine hydrodynamische Kraft, dargestellt durch die
Kraftvektoren 40, im Lagerspalt 14 auf, welche
die Welle stabilisiert und in axialer Richtung von der Lagerbuchse 10 abhebt.
Das Axiallager 42 generiert eine hydrodynamische Gegenkraft
in Form der Vorspannungskraft 44, die entgegengesetzt zu
dem axialen Anteil der Kraftvektoren 40 wirkt und das Lagersystem
im Gleichgewicht hält, das heißt die Breite des Lagerspaltes 14 stellt
sich automatisch auf einen definierten Wert ein.
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Die 4 und 6 zeigen
schematisch die Wirkung von Temperaturänderungen auf das
erfindungsgemäße Lager.
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5 zeigt
das Lager bei niederer Temperatur, wobei das Lagerfluid eine hohe
Viskosität aufweist. Da die im Lagerspalt 14 erzeugte
Kraft 40 durch die entgegengesetzte Vorspannungskraft 44 des
Axiallagers 42 kompensiert wird, stellt sich bei niedriger
Temperatur und damit hoher Viskosität ein relativ großer
Lagerspalt ein.
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Erhöht
sich nun die Temperatur, wie es in 6 dargestellt
ist, so verringert sich die Viskosität des Lagerfluids
im Lagerspalt 14 und der in den Lagerbereichen 32 und 34 erzeugte
hydrodynamische Druck nimmt ab, so dass sich im Gleichgewicht des Kraftvektors 40 und
der Vorspannungskraft 44 die Breite des Lagerspaltes 14 verringert.
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Aus
den 3 bis 6 erkennt man, dass sich das
konische Lager aufgrund der Kombination mit Mitteln zur Erzeugung
einer axialen Vorspannungskraft, z. B. eines Axiallagers, selbstständig
justiert und auch sich die Breite des Lagerspaltes je nach Drehzahl
und Temperatur automatisch so einstellt, dass eine optimale Lagersteifigkeit
gewährleistet ist.
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Eine
zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen konischen
Lagers ist in 7 beschrieben. Hierbei sind
identische oder nahezu identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen
wie in den 1 und 2 bezeichnet.
Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 fehlt
bei diesem Lagersystem der obere Axiallagerbereich 38.
Die Lagerbuchse 110 kann im Durchmesser somit kleiner ausgebildet
sein und eine konische Bohrung umfassen, in welcher die konische
Welle 12 drehbar gelagert ist. Die Welle 12 trägt
eine Nabe 120, wobei wie gesagt zwischen der Stirnseite
der Lagerbuchse 110 und der Unterseite der Nabe 120 kein
Axiallager vorgesehen ist. Die Gegenkraft zum konischen Lager wird
durch einen Axiallagerbereich 36 aufgebracht. Um eine zuverlässige
Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 14 zu gewährleisten,
ist ein Rezirkulationskanal 142 in der Lagerbuchse 110 vorgesehen. Dieser
Rezirkulationskanal 142 verbindet den unteren Axiallagerbereich 36 direkt
mit dem offenen Ende des Lagerspaltes zwischen Lagerbuchse 110 und Nabe 120.
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Die
Kraftwirkung der konischen Lagerabschnitte 32 und 34 sowie
des Axiallagerabschnittes 36 sind in dieselbe Richtung
(Richtung nach unten) gerichtet. Diese Kraftwirkung wird kompensiert
durch eine Vorspannungskraft 144, die durch das elektromagnetische
Antriebssystem des Spindelmotors aufgebracht wird. Hierzu sind der
Rotormagnet 26 sowie die Statoranordnung 28 nicht
in einer Ebene angeordnet, sondern axial zueinander versetzt. Dadurch wird
auf den Rotormagnet 26 eine Kraftwirkung 144 nach
oben ausgeübt, die gleichermaßen auf die Nabe 120 und
auf die Welle 12 sowie die Druckplatte 16 übertragen
wird. Zwischen den durch die Lagerbereiche 32, 34 und 36 erzeugten
Kräfte und der Vorspannungskraft 144 stellt sich
im Betrieb des Lagers ein Gleichgewicht ein.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das wiederum
gegenüber 7 abgewandelt ist, wobei identische
oder nahezu identische mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Im Unterschied zu 7 weist das Lagersystem aus 8 keine
Axiallagerbereiche mehr auf, sondern lediglich die konischen Lagerbereiche 32 und 34,
die beim Betrieb des Lagers eine nach unten gerichtete axiale Kraft
auf die Welle ausüben. Diese axiale Kraft wird wiederum
durch eine entgegengesetzte Vorspannungskraft 144 kompensiert,
die durch das elektromagnetische Antriebssystem, sprich Rotormagnet 26 und
Statoranordnung 28, aufgebracht wird. Diese Ausführung
des Lagers ist sehr einfach herzustellen und besteht aus nur wenigen
Lagerkomponenten. Es ist somit auch sehr einfach und kostengünstig
aufzubauen.
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9 zeigt
eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Lagers, wobei gegenüber den vorhergehenden Figuren identische
oder nahezu identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen
sind.
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Wesentliches
Unterscheidungsmerkmal gegenüber den vorangegangenen Beispielen
ist die Welle 212, die als doppelt-konische Welle 212 ausgebildet
ist und zwei entgegengesetzt wirkenden konischen Lagerbereichen 32 und 34 aufweist.
Die Lagerbuchse 210 weist eine entsprechend der Geometrie
der Welle 212 ausgestaltete Lagerbohrung auf. Um die Welle 212 in
die Lagerbuchse einbringen zu können, ist diese zweiteilig
ausgebildet, wobei die beiden Teile der Welle 212 sowie
die Nabe 120 durch eine gemeinsame Schraube 222 miteinander
verbunden werden. Durch die zwei entgegengesetzt wirkenden konischen
Lagerbereiche 32 und 34 stabilisiert sich das
Lager in radialer sowie in axialer Richtung selbstständig.
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Eine
weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen
Lagersystems ist in 10 dargestellt. Dieses Lagersystem
ist ähnlich zu dem Lager aus 7, wobei
der einzige Unterschied besteht, dass die konische Welle 312 sowie
auch die konische Lagerbohrung in der Lagerbuchse 310 im
Vergleich zu 7 entgegengesetzt gerichtet
sind, also der größte Durchmesser der Welle 312 im
Bereich der Nabe 120 ist. Dadurch ergibt sich durch die
konischen Lagerbereiche 32 und 34 eine nach oben
in Richtung der Nabe gerichtete Kraftwirkung beim Betrieb des Lagers,
die durch eine entsprechende Vorspannungskraft 344 in entgegengesetzter
Richtung kompensiert wird. Die Vorspannungskraft wird durch das elektromagnetische
Antriebssystem 26, 28 aufgebracht. Das Lagersystem
umfasst ebenfalls ein Axiallagerbereich 36 der durch die
Druckplatte 16 in Verbindung mit der Oberfläche
der Lagerbuchse 310 definiert wird.
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11 zeigt
eine Ausgestaltung des Lagers, ähnlich zu der Ausgestaltung
der 1 und 2, wobei auch hier die Form
des Konus im Gegensatz zu 1 und 2 umgedreht
ist, das heißt der größte Durchmesser
der Welle 412 bzw. der Lagerbohrung in der Lagerbuchse 410 befindet
sich seitens der Nabe 20. Es sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 zwei konische Lagerbereiche 32, 34 sowie
zwei Axiallagerbereiche 36, 38 vorgesehen. Außerdem
kann ein Rezirkulationskanal 442 vorgesehen sein, der den
Lagerspalt der axialen Lagerbereiche 36 und 38 miteinander
verbindet und für eine gute Zirkulation des Lagerfluids
im Lagerspalt 14 sorgt.
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Das
Lager kann zusätzlich durch eine statische Vorspannungskraft 444 stabilisiert
werden, welche durch das elektromagnetische Antriebssystem 26, 28 aufgebracht
wird.
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Die 12 und 13 zeigen
schematisch einen Schnitt durch ein konisches Lager, wobei hier der
Konus der Lagerbohrung in der Lagerbuchse 510 bzw. der
Konus der Welle 512 eine oben abgerundete Form, entsprechend
einer umgedrehten Parabel hat. 12 stellt
das Lager bei niederer Temperatur dar, wobei sich das Lager entsprechend
verhält wie in Zusammenhang mit 5 beschrieben.
Bei hoher Temperatur, 13, verringert sich die Viskosität
des Lagerfluids im Lagerspalt 14, so dass die Breite des Lagerspalts
abnimmt, wie in Zusammenhang mit 6 beschrieben.
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Die 14 und 15 zeigen
ein konisches Lagersystem, bei dem die Welle 612 sowie
die Lagerbohrung in der Lagerbuchse 610 wiederum eine von der
reinen konischen Form abgewandelte Geometrie hat, im Wesentlichen
in Form einer Hyperbel. Auch hier entspricht das Verhalten bei niederer
Temperatur (14) und bei höherer
Temperatur (15) dem in Zusammenhang mit
den 5 und 6 beschriebenen Lagerverhalten,
wobei sich die Breite des Lagerspalts auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen
einstellt ohne das sich die Lagereigenschaften wie Steifigkeit und
Dämpfungsverhalten grundlegend ändern.
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16 zeigt
eine letzte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
fluiddynamischen konischen Lagersystems. In einer konischen Aussparung
einer Lagerbuchse 710 ist eine konisch ausgestaltete Welle 712 um
eine Drehachse 30 drehbar gelagert, wobei der Durchmesser
der Welle 712 so gewählt ist, dass ein Lagerspalt 714 zwischen
der Wellenoberfläche und der Oberfläche der Lagerbohrung
verbleibt. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid gefüllt,
und zwar bis in den Bereich einer konischen Dichtung 750, während
die andere Öffnung des Lagerspalts durch eine Abdeckplatte 718 verschlossen
ist. Es sind zwei konische Lagerbereiche 32 und 34 vorgesehen,
die eine radiale und axiale Lagerkraft erzeugen, wobei der axiale
Anteil eine nach unten in Richtung der Abdeckplatte 718 gerichtete
Kraft bewirkt. Diese Kraft wird durch ein magnetisches Gegenlager,
das als Axiallager ausgebildet ist und eine magnetische Vorspannungskraft 744 auf
die Welle 712 ausübt, kompensiert. Das magnetische
Lager besteht aus mehreren ringförmig um die Rotationsachse 30 angeordneten
Magneten 746, die an der Unterseite der Welle angeordnet
sind. Dem gegenüber liegen in der Abdeckplatte 718 ringförmig
vorgesehene Magnete 748. Die Magnete 746 und 748 sind
derart gepolt, dass sie eine abstoßende Kraft aufeinander
ausüben, so dass die Welle 712 relativ zur Abdeckplatte 718 nach
oben in Richtung der Lagerbuchse 710 gedrückt
wird. Dadurch wird die axiale Kraft der Lagerbereiche 32 und 34 kompensiert,
da die magnetische Vorspannung entgegen dieser Kraft wirkt.
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Die
magnetische Vorspannung erlaubt es dem Lager, die „Flughöhe",
also die Breite des Lagerspaltes selbst zu justieren, so dass diese
nicht mehr abhängig von der Viskosität des Lagerfluids
bzw. anderen Temperatureinflüssen ist. Gleichzeitig stellt sich
eine im Wesentlichen unveränderte Steifigkeit und Dämpfung
des Lagers ein, unabhängig von den Umgebungseinflüssen.
Als Lagerbauteile können recht kostengünstige
Materialen eingesetzt werden. Beispielsweise können die
Lagerbuchse und die Welle 712 aus Kunststoff oder Kunstharz
hergestellt werden. Die große Temperaturausdehnung von
Kunststoff spielt aufgrund der Selbstjustierung des Lagers nur eine
untergeordnete Rolle. Außerdem ist das Lager gemäß 16 ebenfalls
sehr einfach aufgebaut und besteht nur aus wenigen Komponenten.
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Die
oben genannten Vorteile und Merkmale treffen im Wesentlichen auf
alle in den 1 bis 16 gezeigten
Ausführungsformen der Erfindung zu.
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Lagerspalt
- 16
- Druckplatte
- 18
- Abdeckplatte
- 20
- Nabe
- 22
- Schraube
- 24
- Basisplatte
- 26
- Rotormagnet
- 28
- Statoranordnung
- 30
- Rotationsachse
- 32
- Lagerbereich
konisch
- 34
- Lagerbereich
konisch
- 36
- Lagerbereich
axial
- 38
- Lagerbereich
axial
- 40
- Kraftvektor
- 42
- Axiallager
- 44
- Vorspannungskraft
- 110
- Lagerbuchse
- 120
- Nabe
- 142
- Rezirkulationskanal
- 144
- Vorspannungskraft
- 210
- Lagerbuchse
- 212
- Welle
- 222
- Schraube
- 310
- Lagerbuchse
- 312
- Welle
- 344
- Vorspannungskraft
- 410
- Lagerbuchse
- 412
- Welle
- 442
- Rezirkulationskanal
- 444
- Vorspannungskraft
- 510
- Lagerbuchse
- 512
- Welle
- 610
- Lagerbuchse
- 612
- Welle
- 710
- Lagerbuchse
- 712
- Welle
- 714
- Lagerspalt
- 718
- Abdeckplatte
- 742
- Rezirkulationskanal
- 744
- Vorspannungskraft
- 746
- Magnet
- 748
- Magnet
- 750
- Konische
Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7063463
B2 [0003]
- - WO 98/28550 [0003]