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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem mit konischen Lagern, welches insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden kann. Spindelmotoren mit derartigen fluiddynamischen Lagern werden beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken oder Lüftern verwendet.
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Stand der Technik
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Die
US 2004/0005101 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei gegeneinander arbeitenden konischen Lagern. Jedes konische Lager weist einen an einer feststehenden Welle angeordneten Lagerkonus auf, der mit einem Gegenlager zusammenwirkt, welches in einem Rotorbauteil angeordnet ist. Die Lagerflächen jedes konischen Lagers sind durch einen eigenen, mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt. Die Lagerspalte der beiden konischen Lager weisen jeweils zwei offene Enden auf, wobei jedes offene Ende durch einen teilweise mit Lagerfluid gefüllten konischen Dichtungsspalt abgedichtet ist. Die inneren, dem jeweils anderen konischen Lager zugewandten Dichtungsspalte werden begrenzt durch die Welle sowie die Nabe. Die äußeren Dichtungsspalte werden begrenzt durch eine Oberfläche des Lagerkonus und eine Abdeckkappe, welcher das Lager an dieser Seite verschließt und am Rotorbauteil befestigt ist. Das Lagerfluid wird durch eine Öffnung in der Abdeckkappe in den Dichtungsspalt eingefüllt und gelangt dann durch Kapillarkräfte in den Lagerspalt.
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Bei konischen fluiddynamischen Lagern ist es bekannt, dass die beiden Lagerkonusse durch eine Pressverbindung mit der Welle verbunden werden. Dabei muss eine relativ starke Presspassung vorgesehen werden, damit die benötigten Auspresskräfte zwischen Welle und Lagerkonussen erreicht werden. Durch die starke Presspassung von Welle und Lagerkonussen kommt es jedoch beim Aufpressen zu einer Verformung der Lagerkonusse, so dass insbesondere die Gefahr der Deformation der Lagerflächen der Lagerkonusse besteht. Auf Grund des sogenannten Haftgleiteffekts (Stick-Slip-Effekt) ist es zudem relativ schwer und technisch aufwendig, den genauen axialen Abstand der beiden Lagerkonusse auf der Welle einzustellen. Durch das Aufpressen der Lagerkonusse auf die Welle kann es ferner zu Reibungseffekten kommen, so dass Metallpartikel entstehen, die, falls sie in den Lagerspalt gelangen, das Lager beschädigen können. Außerdem erzeugen Partikel im Lagerspalt eine unerwünschte Lagerreibung.
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Beim Aufpressen der Lagerkonusse auf die Welle entstehen jedoch auch mikrofeine Kratzer und Rillen an den Lagerkonussen, die parallel zur Rotationsachse verlaufen und durch welche Lageröl aus dem Lager nach außen dringen kann.
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Ein anderes Problem entsteht dadurch, dass am Innenumfang der Lagerkonusse Kanäle und Nuten vorzugsweise mittels elektrochemischer Abtragung erodiert werden. Diese Kanäle und Nuten werden für eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager benötigt. Aufgrund dieser Oberflächenabtragungen verbleibt für die Pressverbindung zwischen der Welle und den Lagerkonussen weniger Verbindungsfläche, wodurch die Auspresskraft geringer wird. Bei der elektrochemischen Abtragung entsteht außerdem unerwünschte Erosion auf Grund der relativ tiefen und breiten Kanäle, welche die erreichbaren Auspresskräfte der Pressverbindung ebenfalls ungünstig beeinflussen kann. Durch diese unerwünschte Erosion kann es außerdem zu unerwünschter Migration des Lagerfluids zwischen dem Lagerkonus und dem jeweiligen Ende der Welle kommen.
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Außerdem benötigt das ECM-Verfahren eine relativ große Prozesszeit, da die Breite und Tiefe der Kanäle und Nuten im Vergleich zu Lagerrillenstrukturen, die ebenfalls mittels ECM generiert werden, wesentlich größer sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein fluiddynamisches Lager der eingangs beschriebenen Bauart anzugeben, das einfacher und genauer montiert werden kann und größere Haltekräfte sowie weniger Dichtigkeitsprobleme aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein erstes konisches Lager sowie ein dem ersten konischen Lager entgegen wirkendes zweites konisches Lager, die beide entlang einer feststehenden Welle angeordnet sind. Das erste und das zweite konische Lager umfassen jeweils einen an der Welle angeordneten Lagerkonus sowie ein in einem Rotorbauteil angeordnetes konisches Gegenlager, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind.
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Erfindungsgemäß sind die beiden Lagerkonusse mittels einer Schweißverbindung oder einer Klebeverbindung oder eine Kombination von Schweiß- und Klebeverbindung an der Welle befestigt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Lagerkonusse mittels einer Übergangspassung auf der Welle angeordnet und mit dieser verschweißt oder verklebt.
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Die erfindungsgemäß eingesetzte Schweißverbindung oder Klebeverbindung hat gegenüber der Pressverbindung mehrere Vorteile.
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Zum einen wird keine starke Presspassung zwischen Lagerkonus und Welle benötigt und damit Verformungen der Welle bzw. der Lagerkonusse beim Aufpressen der Lagerkonusse vermieden. Ferner entfällt das Problem bei der Einstellung des Axialspiels auf Grund des Haftreibungseffektes. Außerdem werden durch die verwendete Übergangspassung beim Aufschieben der Lagerkonusse auf die Welle keine unerwünschten Partikel erzeugt und es entstehen auch keine Mikrokratzer, welche eine Migration des Lagerfluids ermöglichen.
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Ein weiterer Vorteil sind die stärkeren Haltekräfte einer Schweißverbindung bzw. Klebeverbindung im Vergleich zur vorhergehenden Pressverbindung. Da keine definierte Fügelänge mehr notwendig ist, um die geforderten Auspresskräfte zu erreichen, wird es auch möglich, die Höhe des gesamten Lagers zu reduzieren, d. h. die axiale Länge der Lagerkonusse und der Welle zu verringern.
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Die Lagerkonusse sind aus weichem Stahl gefertigt, beispielsweise SUS 303 mit ggf. einer Hartbeschichtung, und die Welle aus härterem Stahl, beispielsweise SUS 440 gehärtet. Die Hartbeschichtung auf den Lagerkonussen ist vorzugsweise auf den Lagerflächen vorgesehen, damit diese einen geringeren Verschleiß aufweisen.
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Auf Grund der erfindungsgemäßen Schweiß- oder Klebeverbindung zwischen Lagerkonus und Welle entfallen auch viele Nachteile, die durch die ECM erodierten Kanäle und Nuten in den Lagerkonussen entstehen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Kanäle und Nuten nicht durch elektrochemische Abtragung erzeugt, sondern die Kanäle und Nuten werden vorzugsweise durch spanabhebende Verfahren generiert.
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Durch eine solche spanabhebende Fertigung der Nuten und Rillen, die entweder am Außenumfang der Welle oder am Umfang der Bohrung der Lagerkonusse vorgesehen sein können, wird zum einen die erreichbare Genauigkeit der Strukturen im Vergleich zu erosiven Verfahren erhöht und gleichzeitig die Prozessdauer verringert. Ferner ergibt sich dadurch keine unerwünschte Erosion und es entstehen keine unerwünschten Pfade und Lecks, durch welche Lagerfluid nach außen dringen kann. Als Erosion wird der Überbrand zwischen zwei benachbarten ECM Strukturen bzw. einer breiten ECM Struktur und benachbarten Oberflächen bezeichnet.
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Die Kanäle und Nuten, die an der Welle oder am Lagerkonus aufgebracht werden, haben eine Breite von typischerweise 100 Mikrometern oder mehr und eine typische Tiefe von 100 Mikrometern oder mehr.
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Für eine exakte axiale Ausrichtung der Lagerkonusse auf der Welle kann es vorteilhaft sein, wenn die Welle einen Anschlag, beispielsweise eine Stufe, für die Lagerkonusse aufweist.
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Die beiden konischen Lager sind in der Regel identisch, d. h. symmetrisch zueinander ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft neben dem beschriebenen fluiddynamischen Lagersystem ebenfalls einen Spindelmotor mit einem Stator, einem Rotor, einem elektromagnetischen Antriebssystem und einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem zur Drehlagerung des Rotors gegenüber dem Stator.
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Ein Speicherplattenlaufwerk mit einem solchen Spindelmotor, welches mindestens eine durch den Spindelmotor angetriebene Speicherplatte und Mittel zum Schreiben und/oder Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte aufweist, wird ebenfalls beansprucht.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Dabei ergeben sich weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
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1A zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Lagerkonus des in 1 dargestellten Lagersystems.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 mit einer Bohrung, in welcher eine Welle 12 aufgenommen ist. Das Lagersystem ist als konisches Lagersystem mit zwei gegeneinander arbeitenden konischen Lagerbereichen ausgebildet. An der Welle 12 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand zwei Lagerkonusse 14, 114 angeordnet. Das obere freie Ende der Welle 12 kann mit einem feststehenden Bauteil (nicht dargestellt) verbunden sein, welches beispielsweise ein Gehäusebauteil sein kann. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden Lagerkonusse 14, 114 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems.
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Jeder Lagerkonus 14, 114 besitzt eine ringförmige, schräg zur Drehachse 38 ausgebildete Lagerfläche. Ein Rotorbauteil 16 ist um die Drehachse 38 relativ zu den Lagerkonussen 14, 114 drehbar angeordnet. Das Rotorbauteil 16 kann zweiteilig ausgebildet sein, und aus einem inneren Lagerbauteil 16a und einer äußeren Nabe 16b bestehen. Das Rotorbauteil 16 besitzt ebenfalls ringförmige und schräg zur Drehachse 38 angeordnete Lagerflächen, die den Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 jeweils gegenüberliegen. Bei der Montage des Lagers wird beispielsweise der untere Lagerkonus 114 auf der Welle 12 montiert, dann wird das Rotorbauteil 16 über die Welle 12 gesteckt und schließlich der Lagerkonus 14 in einem festgelegten axialen Abstand auf der Welle 12 montiert. Die Montage erfolgt so, dass die einander gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 und des Rotorbauteils 16 jeweils durch einen Lagerspalt 20, 120 definierter Breite voneinander getrennt sind. Die Lagerspalte 20, 120 haben beispielsweise eine Breite von wenigen Mikrometern. Die Lagerspalte 20, 120 sind mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
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Die Lagerspalte 20, 120 der beiden konischen Lager sind nicht miteinander verbunden, sondern weisen jeweils zwei offene Enden auf. Das jeweils außen liegende Ende der Lagerspalte 20, 120 mündet jeweils in Richtung der beiden Enden der Welle 12, während das innen liegende Ende der Lagerspalte 20, 120 innerhalb des Lagers in einen Freiraum mündet, der zwischen den beiden Lagerkonussen 14, 114, der Welle 12 und dem Rotorbauteil 16 angeordnet ist. Der Freiraum ist beispielsweise durch eine am Außenumfang der Welle 12 und/oder am Innenumfang des Rotorbauteils 16 vorgesehene Nut 32 oder Rille gebildet. Die Enden der Lagerspalte 20, 120 sind durch Dichtungen, vorzugsweise Kapillardichtungen in Form von Dichtungsspalten 22, 122 und 28, 128 abgedichtet. Die zweiten Dichtungsspalte 28, 128 weisen darüber hinaus eine in Richtung des jeweiligen Lagerkonus 14, 114 wirkende Pumpdichtung 30, 130 auf. Die Dichtungsspalte 22, 122 und 28, 128 sind teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Die äußeren, ersten Dichtungsspalte 22, 122 werden begrenzt durch eine Dichtungsfläche der Lagerkonusse 14, 114 sowie eine gegenüberliegende Dichtungsfläche einer Abdeckung 18, 118. Die Abdeckungen 18, 118 sind mit dem Rotorbauteil 16 verbunden.
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Die Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 bzw. die Lagerflächen des Rotorbauteils 16 besitzen in bekannter Weise Lagerrillenstrukturen 26, 126, die bei Rotation des Rotorbauteils 16 relativ zu den Lagerkonussen 14, 114 eine Pumpwirkung auf das im jeweiligen Lagerspalt 20, 120 befindliche Lagerfluid ausüben. Dadurch entsteht im Lagerspalt 20, 120 ein fluiddynamischer Druck, der das Lager tragfähig macht. Beide konusförmigen Lager weisen beispielsweise fischgrätenartige Lagerrillen 26, 126 auf, die einen längeren Ast aufweisen, der dem Dichtungsspalt 22, 122 benachbart angeordnet ist, sowie einen kürzeren Ast, welcher der Pumpdichtung 30, 130 benachbart angeordnet ist. Aufgrund der stärkeren Pumpwirkung des längeren Astes der Lagerrillen 26, 126 des konischen Lagers ergibt sich insgesamt eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung. Aufgrund der konischen Ausgestaltung der Lagerkonusse 14, 114 wirken diese zugleich als Radial- und als Axiallager. Die beiden konusförmigen Fluidlager arbeiten insofern gegeneinander, als dass diese das Lagerfluid in Richtung der jeweils zugeordneten Pumpdichtung 30, 130 pumpen, so dass das Lagersystem insgesamt im Gleichgewicht ist.
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Um eine Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 20, 120 sicherzustellen, sind in den Lagerkonussen 14, 114 so genannte Rezirkulationskanäle 24, 124 vorgesehen. Durch die Lagerrillen 26, 126 wird das in den Lagerspalten 20, 120 befindliche Lagerfluid ausgehend vom ersten Dichtungsspalt 22, 122 in Richtung der innen liegenden, zweiten Dichtungsspalte 28, 128 befördert. Über die Rezirkulationskanäle 24, 124 kann dieses Lagerfluid wieder zurück zum ersten Dichtungsbereich 22, 122 zirkulieren. Im Bereich der zweiten Dichtungsspalte 28, 128 können außerdem noch Pumpdichtungen 30, 130 vorgesehen sein. Die Pumpdichtungen 30, 130 sind gekennzeichnet durch Rillenstrukturen, die auf der Welle 12 oder dem Rotorbauteil 16 angeordnet sind. Bei Rotation des Rotorbauteils 16 erzeugen die Rillenstrukturen der Pumpdichtungen 30, 130 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Lageinneren, also in Richtung des Lagerspaltes 20 bzw. 120.
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Das Rotorbauteil 16 wird über ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend gegenüber den feststehenden Motorbauteilen angetrieben. Das Antriebssystem besteht aus einer ringförmigen Statoranordnung 34 mit mehreren Phasenwicklungen, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Statoranordnung 34 ist innerhalb einer Aussparung des Rotorbauteils 16 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 36 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 36 ist am Innenumfang eines magnetischen Rückschlussringes 37 angeordnet. Dieser ist an einem inneren Rand des Rotorbauteils 16 angeordnet und durch einen Luftspalt von der Statoranordnung 34 getrennt. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 34 wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 36 wirkt und den Rotor 16 in Drehung versetzt.
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Bei dem dargestellten Lagersystem mit zwei separaten konischen Lagern und jeweils Lagerspalten 20, 120 mit zwei offenen Enden ist es wichtig, dass die im Lagerinneren mündenden Öffnungen des Lagerspaltes 20, 120 bzw. die Dichtungsbereiche 28, 128 belüftet werden, so dass an der Grenze zwischen dem im Lagerspalt befindlichen Lagerfluid und der umgebenden Luft Umgebungsdruck herrscht. Eine Belüftung des Lagerinneren erfolgt vorzugsweise durch eine in der Welle angeordnete Bohrung 42, die über eine Querbohrung 44 mit dem Freiraum 32 im Lagerinneren verbunden ist. Somit herrscht im Freiraum 32 Atmosphärendruck wie auch an der Außenseite des Lagers im Bereich des Dichtungsspalts 22. Der erste Dichtungsspalt 122 des unteren konischen Lagers wird entweder über eine weitere Querbohrung in der Welle 12 belüftet oder aber über einen Spalt 40 zwischen dem Rotorbauteil 16 und einem Rand der Basisplatte 10.
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Die Verbindung zwischen den beiden Lagerkonussen 14, 114 und der Welle 12 wird durch Schweißnähte 46, 146 gebildet, die an der außen liegenden Nahtstelle zwischen den Lagerkonussen 14, 114 und der Welle 12 umlaufend vorgesehen sind. Diese Schweißverbindungen verbinden die Lagerkonusse 14, 114 gasdicht mit der Welle 12, so dass kein Lagerfluid zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und dem Innenumfang der Lagerkonusse 14, 114 hindurch kriechen und nach außen gelangen kann.
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Die Dichtungsspalte 22, 122 sind anteilig mit Lagerfluid gefüllt und dienen einerseits als Dichtungsbereiche und andererseits als Vorratsvolumen, aus welchem verdampfendes Lagerfluid ersetzt wird.
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Am radial inneren Ende der Rezirkulationskanäle 24, 124 weisen die Lagerkonusse 14, 114 eine umlaufende Nut 48, 148 oder Rille auf, die erfindungsgemäß durch spanabhebende Verfahren maschiniert wird.
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Von dieser umlaufenden Nut 48, 148 erstrecken sich am Innenumfang der Lagerkonusse in Richtung des Lagerinnen axial verlaufende Kanäle 50, 150 bis hinein in den Bereich der Dichtungen 28, 128. Das in den Lagerspalten 20, 120 befindliche Lagerfluid wird durch die Lagerrillenstrukturen 26, 126 in Richtung des Lagerinneren befördert und gelangt dann über die Kanäle 50, 150, die umlaufenden Nuten 48, 148 und die Rezirkulationskanäle 24, 124 zurück in den Raum der oberen Dichtungen 22, 122, so dass ein geschlossener Kreislauf des Lagerfluids entsteht.
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1A zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Lagerkonus 14. Man erkennt die zentrale Bohrung für die Welle 12, sowie die umlaufende Nut 48, in welche der Rezirkulationskanal 24 mündet. Von dieser umlaufenden Nut 48 gehen ferner die an der Wandung der Bohrung axial verlaufenden Kanäle 50 aus. Bei einem Spindelmotor zum Antrieb eines 3,5 Zoll Festplattenlaufwerks hat die zentrale Bohrung beispielsweise einen Durchmesser von 2,8 mm. Der Durchmesser des Rezirkulationskanals ist in diesem Beispiel 0,4 mm. Die Breite der Nut 48 beträgt beispielsweise 0,58 mm und deren Tiefe gemessen von der Wandung der Bohrung beispielsweise 130 Mikrometer. Die Breite der Kanäle 50 beträgt 0,44 mm und deren Tiefe ebenfalls beispielsweise 100 bis 150 Mikrometer.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der nahezu identisch zum Spindelmotor von 1 ausgebildet ist. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und erfüllen entsprechende Funktionen, wie sie in Zusammenhang mit 1 beschrieben sind.
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Im Gegensatz zu 1 sind in 2 die umlaufenden Nuten 52 bzw. 152 oder Rillen am Außenumfang der Welle 12 und nicht an den Lagerkonussen 14, 114 angeordnet. Der Vorteil einer Anordnung der Nuten 52, 152 sowie 32 an der Welle 12 ist, dass nun lediglich die Welle 12 hinsichtlich der umlaufenden Nuten 52, 152 bzw. auch der Nuten 32, die den Freiraum bildet, maschiniert werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14, 114
- Lagerkonus
- 16
- Rotorbauteil
- 16a
- Lagerbauteil
- 16b
- Nabe
- 18, 118
- Abdeckung
- 20, 120
- Lagerspalt
- 22, 122
- erster Dichtungsspalt
- 24, 124
- Rezirkulationskanal
- 26, 126
- Lagerrillen
- 28, 128
- zweiter Dichtungsspalt
- 30, 130
- Pumpdichtung
- 32
- Nut
- 34
- Statoranordnung
- 36
- Rotormagnet
- 37
- Magnetischer Rückschlussring
- 38
- Drehachse
- 40
- Spalt
- 42
- Bohrung (Welle)
- 44
- Querbohrung
- 46, 146
- Schweißnaht
- 48, 148
- Nut
- 50, 150
- Kanäle
- 52, 152
- Nut (Welle)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0005101 A1 [0002]
