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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei konischen Lagern.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke oder Lüfter eingesetzt. Diese fluiddynamischen Lager umfassen mindestens ein feststehendes und mindestens ein drehbares Lagerbauteil. Die beiden Lagerbauteile umfassen Lagerflächen, die durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind. Die Lagerflächen sind durch einen Lagerspalt voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Bei Betrieb des Lagers erzeugen die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid, wodurch im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, der das Lager tragfähig macht. Es gibt fluiddynamische Radiallager, fluiddynamische Axiallager sowie fluiddynamische konische Lager. Während bei Radiallagern die Lagerfläche parallel und bei Axiallagern die Lagerfläche senkrecht zu einer Rotationsachse ausgerichtet ist, ist bei konischen Lagern die Lagerfläche schräg zur Rotationsachse ausgerichtet. Dadurch können konische Lager Kräfte nicht nur in radiale oder axiale Richtung aufnehmen, sondern in beide Richtungen gleichzeitig.
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Die
DE 10 2011 016 888 A1 offenbart einen Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk mit solch einem fluiddynamischen konischen Lagersystem. An einer feststehenden Welle sind in einem axialen Abstand zueinander zwei konische Lagerbauteile angeordnet, die zusammen mit einer rotierenden Lagerbuchse zwei konische Lager ausbilden. Entlang der konischen Lager verläuft jeweils ein Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Das beschriebene Lager kann bis zu 5 Speicherplatten aufnehmen.
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Festplattenlaufwerke mit fluiddynamischen Lagersystemen, können insbesondere im Bereich von Servern eingesetzt werden. Hier wird eine hohe Speicherkapazität benötigt, was bedeutet, dass die fluiddynamischen Lager für Spindelmotoren mit vielen, teilweise bis zu 10, Speicherplatten ausgelegt sein müssen. Dabei ist zu beachten, dass das Lager die notwendige Stabilität aufweist, was durch eine Vergrößerung des Wellendurchmessers erreicht werden kann. Das hat jedoch einen Anstieg des benötigten Motorstromes („Runcurrent”) zur Folge. Desweiteren muss die Amplitude der sogenannten Hochfrequenz-Mode („High Frequency Peak”) so gering wie möglich gehalten werden, um zu verhindern, dass die Speicherplatten des Laufwerks sowie auch der benachbarten Laufwerke dadurch in Schwingung versetzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem mit großer Bauhöhe und ausreichender Stabilität anzugeben, bei dem der Stromverbauch vergleichsweise niedrig und zugleich die High Frequency Peak Amplitude ausreichend gering ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil und ein dazu drehbar gelagertes rotierendes Lagerbauteil. Eine Welle weist einen freistehenden Teil und einen eingefassten Teil auf, wobei der eingefasste Teil in einem (Sack-)Loch innerhalb einer Basisplatte befestigt ist. Entlang der Welle sind in einem axialen Abstand zueinander ein erstes konisches Lager und ein dem ersten konischen Lager entgegenwirkendes, zweites konisches Lager angeordnet. Basisplatte, Welle und konische Lager sind Teil des feststehenden Bauteils. Desweiteren umfasst das fluiddynamische Lagersystem eine Nabe, die Teil des rotierenden Lagerbauteils ist und um eine Rotationsachse rotiert, sowie entlang der konischen Lager verlaufende und mit einem Lagerfluid gefüllte Lagerspalte.
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Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils der Welle zu dem Durchmesser D der Welle zwischen 6,5 und 9,5.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem keine konischen Lager, sondern mindestens ein fluiddynamisches Axiallager sowie mindestens ein fluiddynamisches Radiallager.
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Das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils der Welle zu dem Durchmesser D der Welle beträgt bei dieser Ausgestaltung ebenfalls zwischen 6,5 und 9,5.
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Dadurch ist in diesen beiden erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eine ausreichende Stabilität des fluiddynamischen Lagersystems bei möglichst geringem Stromverbauch gegeben. Desweiteren ist die Amplitude des High Frequency Peaks hinreichend reduziert.
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Bei den beiden erfindungsgemäßen Ausgestaltungen beträgt der Durchmesser der Welle vorzugsweise zwischen 4 und 6 Millimetern.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser der Welle 4 Millimeter, wobei das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils der Welle zu dem Durchmesser D der Welle zwischen 8,8 und 9,3 beträgt.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser der Welle 4,5 Millimeter, wobei das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils der Welle zu dem Durchmesser D der Welle zwischen 7,8 und 8,3 beträgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser der Welle 5 Millimeter, wobei das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils der Welle zu dem Durchmesser D der Welle zwischen 7 und 7,5 beträgt.
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Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden, der mittels eines elektromagnetischen Antriebsystems, bestehende aus einer Statoranordnung und einem Rotormagnet, zum Antrieb eines Festplattenlaufwerk mit mindestens 6 Speicherplatten verwendet werden. Besonders bevorzugt weist das Festplattenlaufwerk 10 Speicherplatten auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das fluiddynamische Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet, der einen Lüfter antreibt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfigur näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
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2 zeigt ein Diagramm über das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils der Welle zum Wellendurchmesser D für verschiedene Anzahlen an Speicherplatten.
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3 zeigt die radiale Schwingungsübertragungsfunktion für Spindelmotoren des Stands der Technik und der Erfindung.
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Beschreibung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit zwei zueinander symmetrischen konischen Lagern.
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Das fluiddynamische Lagersystem weist eine Basisplatte 10 mit einer zentralen Sacklochbohrung sowie eine stehende Welle 12 auf. Die Welle 12 weist einen freistehenden Teil 12a und einen eingefassten Teil 12b auf, wobei der eingefasste Teil 12b in der Sacklochbohrung der Basisplatte 10 befestigt ist. Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils 12a der Welle 12 zum Durchmesser D der Welle 12 zwischen 6,5 und 9,5. Dadurch ist eine ausreichende Stabilität des fluiddynamischen Lagersystems bei möglichst geringem Stromverbauch gegeben. Desweiteren ist die Amplitude des sogenannten High Frequency Peaks hinreichend reduziert.
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An der Welle 12 sind zwei konische Lagerbauteile 14, 16 mit konischen Lagerflächen in einem axialen Abstand zueinander angeordnet. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 bilden gemeinsam mit einer Statoranordnung 52 das feststehende Bauteil des Spindelmotors. Eine um eine Rotationsachse 18 drehbar gelagerte Nabe 20 kann beispielsweise aus Stahl gefertigt sein und weist eine Bohrung sowie zwei endseitig hohlkegelige Aussparungen auf, in der die Welle 12 und die konischen Lagerbauteile 14, 16 aufgenommen sind. Sie bildet gemeinsam mit einem Rotormagnet 50 das rotierende Bauteil des Spindelmotors. Die Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 bilden zusammen mit gegenüberliegenden Lagerflächen der Nabe 20 die konischen Lager 22, 24.
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Die konischen Lagerbauteile 14, 16 verlaufen im Bereich der konischen Lagerflächen von ihrer der Lagermitte zugewandten Seite in Richtung des Lageräußeren betrachtet unter einem spitzen Winkel von beispielsweise 30° schräg nach außen. Diese Fläche weist einen sehr großen Radius von beispielsweise 250 Millimetern auf, was als „crowning” bezeichnet wird und wodurch sicher gestellt wird, dass die Flächen der Nabe 20 und der konischen Lagerbauteile 14, 16 in diesem Bereich nicht festklemmen. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Radius auch in den jeweiligen gegenüberliegenden Flächen der Nabe 20 vorgesehen sein. Die Nabe 20 und/oder die konischen Lagebauteile 14, 16 weisen fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen auf, die bei Betrieb des Lagersystems eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Apex ausüben, so dass die konischen Lager 22, 24 tragfähig werden. Der Teil der Lagerrillen, der dem Lageräußeren zugewandt ist, ist dabei länger ausgebildet und übt eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren aus. Der Teil der Lagerrillen, der dem Lagerinneren zugewandt ist, ist kürzer ausgebildet und übt eine Pumpwirkung in Richtung des Lageräußeren aus. Desweiteren ist der längere Teil der Lagerrillen aufgrund der konischen Form des Lagers auf einem vergleichsweise größeren Radius angeordnet. Dadurch überwiegt die Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren. Es ergibt sich also eine resultierende Pumprichtung der konischen Lager 22, 24 in Richtung der Lagermitte. An die konischen Lager 22, 24 anschließend, sind Pumprillenstrukturen in Form von Pumpdichtungen 26 angeordnet, die eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben, die der resultierenden Pumpwirkung der konischen Lager 22, 24 entgegenwirkt. Die Pfeile geben die Pumprichtung der jeweiligen Rillenstrukturen an.
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Gegenüberliegende Flächen der Nabe 20 und der Welle 12 sowie der konischen Lagerbauteile 14, 16, die sich bei Stillstand oder geringen Drehzahlen berühren können, sind durch mit Lagerfluid gefüllte Lagerspalte 28 voneinander getrennt. Die Lagerspalte 28 umfassen schräg zur Rotationsachse 18 verlaufende Abschnitte, die zwischen den konischen Lagerbauteilen 14, 16 und der Nabe 20 verlaufen sowie daran in Richtung des Lagerinneren angrenzende axial verlaufende Abschnitte, die zwischen der Welle 12 und der Nabe 20 verlaufen. Entlang der axial verlaufenden Abschnitte der Lagerspalt 28 sind die Pumpdichtungen 26 angeordnet.
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Die zum Lagerinneren zeigenden Enden der axial verlaufenden Abschnitte der Lagerspalte 28 sind durch innere konische Kapillardichtungen 30 abgedichtet. Die inneren konischen Kapillardichtungen 30 sind zwischen dem Innenumfang der Bohrung der Nabe 20 und dem Außenumfang der Welle 12 angeordnet. Der Außenumfang der Welle 12 und/oder der Innenumfang der Nabe 20 weisen dabei Schrägen auf, so dass sich die konischen Querschnitte der Kapillardichtungen 30 ergeben. Die zum Lageräußeren zeigenden Enden der schräg verlaufenden Abschnitte der Lagerspalte 28, sind durch äußere Kapillardichtungen 32 abgedichtet. Die äußeren Kapillardichtungen 32 sind zwischen den Innenumfängen von Rändern 20a der Nabe 20 und den Außenumfängen der konischen Lagerbauteile 14, 16 angeordnet. Die Innenumfänge der Ränder 20a der Nabe 20 sowie die Außenumfänge der konischen Lagerbauteile 14, 16 verlaufen dabei zum Lageräußeren zur Rotationsachse 18 geneigt. Die Außenumfänge der konischen Lagerbauteile 14, 16 weisen einen größeren Neigungswinkel auf, wodurch sich die konischen Querschnitte der Kapillardichtungen 32 ergeben.
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Zwischen den Lagerspalten 28 und den äußeren Kapillardichtungen 32 sind Nuten 34 vorgesehen, die als zusätzliche Reservoire für das Lagerfluid dienen, wodurch die Lebensdauer des Lagers erhöht wird. Zusätzlich schützen diese Nuten 34 das Lager vor in die Kapillardichtungen 32 eindringender Luft. Die Nuten 34 werden in die Ränder 20a der Nabe 20 maschiniert.
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Um die Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 28 sicher zu stellen, sind in den konischen Lagerbauteilen 14, 16 mindestens ein, vorzugsweise jedoch zwei sich gegenüberliegende Rezirkulationskanäle 36 vorgesehen. Die Enden der Rezirkulationskanäle 36 münden auf ihrer einen Seite in die Bereiche der Lagerspalte 28, in denen die axial verlaufenden Abschnitte in die schräg verlaufenden Abschnitte übergehen. Von dort ausgehend verlaufen die Rezirkulationskanäle 36 als axiale Verlängerungen der axial verlaufenden Abschnitte der Lagerspalte 28 zwischen den konischen Lagerbauteilen 14, 16 und der Welle 12, knicken dann schräg radial nach außen ab und verlaufen schräg in einem Winkel kleiner 90° zur Rotationsachse 18 durch die konischen Lagerbauteile 14, 16. Ihre Enden münden auf dieser Seite in die Nuten 34. Die in axiale Richtung verlaufenden Teile der Rezirkulationskanäle, die zwischen der Welle 12 und den konischen Lagerbauteilen 14, 16 verlaufen können beispielsweise mittels ECM in die konischen Lagerbauteile 14, 16 und/oder die Welle 12 eingearbeitet sein.
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An den Rändern 20a der Nabe 20 sind jeweils Abdeckkappen 38, 40 befestigt, die zusammen mit der Nabe 20 um die Welle 12 rotieren und die konischen Kapillardichtungen 32 abdecken. Zwischen der Welle 12 und den Abdeckkappen 38, 40 verbleiben enge Luftspalte, die sogenannte Spaltdichtungen 42, 44 ausbilden und ein Abdampfen des Lagerfluids aus den Lagerspalten 28 bzw. den Kapillardichtungen 32 minimieren.
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Zwischen den beiden konischen Lagern 22, 24 angrenzend an die Kapillardichtungen 30 ist zwischen der Welle 12 und der Lagerbuchse 20 ein Separatorspalt 46 angeordnet, der eine größere Spaltbreite als die Lagerspalte 28 aufweist und mit Luft gefüllt ist. Der Separatorspalt 46 kann in der Nabe 20 und/oder der Welle 12 ausgebildet sein.
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In das untere Ende der Welle 12 ist eine axiale Bohrung 48 eingebracht, die bis auf die axiale Höhe des Separatorspalts 46 reicht. Von dieser axialen Bohrung 48 gehen zwei radiale Abzweigungen 48a, 48b ab. Die erste radiale Abzweigung 48a mündet in den Bereich des Übergangs zwischen dem freistehenden Teil 12a und dem eingefassten Teil 12b der Welle 12 zwischen Basisplatte 10 und Abdeckkappe 38. Die zweite radiale Abzweigung 48b mündet in den Separatorspalt 46. Dadurch wird sichergestellt, dass während des Einpressens der Welle 12 in die Basisplatte 10 die in der Sacklochbohrung vorhandene Luft über die axiale Bohrung 48 und die erste radiale Abzweigung 48a entweichen kann. Desweiteren werden über die axiale Bohrung 48 und die radialen Abzweigungen 48a, b Druckschwankungen im Separatorspalt 46 ausgeglichen bzw. wird der Separatorspalt 46 belüftet und somit mit der Umgebungsatmosphäre verbunden.
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Die Nabe 20 weist einen Rand auf, an dessen Innendurchmesser der Rotormagnet 50 befestigt ist. Der Rotormagnet 50 umschließt die Statoranordnung 52 konzentrisch, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die an der Basisplatte 10 befestigte Statoranordnung 52 bildet mit dem Rotormagneten 50 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors.
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Der hier gezeigte Spindelmotor kann zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet werden. Dafür sind auf der Nabe 20 eine oder mehrere, beispielsweise 10, Speicherplatten 54 befestigt. Zwischen den Speicherplatten 54 sind Abstandshalter 56 angeordnet, die einen Abstand der Speicherplatten 54 untereinander zum Schreiben von Daten von und auf die Speicherplatten mittels Schreib-/Leseköpfe (nicht zeichnerisch dargestellt) sicherstellen. Die Speicherplatten 54 mit den Abstandshaltern 56 werden mittels einer Druckklammer 58 (disk clamp), die mit Schrauben 60 auf die Stirnseite der Nabe 20 geschraubt ist, auf einer Auflagefläche 20b der Nabe 20 fixiert.
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Alternativ kann der Spindelmotor auch zum Antrieb eines Lüfterrads eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verhältnis der Länge L des freistehenden Teils
12a der Welle
12 zum Durchmesser D der Welle
12, das zwischen 6,5 und 9,5 beträgt, kann ebenfalls auf einen Spindelmotor angewendet werden, wie er beispielsweise in der
DE 10 2012 010 945 A1 beschrieben ist.
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2 zeigt das Verhältnis der Länge L des freistehenden Teil 12a der Welle 12 zum Durchmesser D der Welle 12 mit unterschiedlichen Durchmessern D und für verschiedene Speicherplattenanzahlen.
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Dieses Verhältnis beträgt im Stand der Technik bei einem Durchmesser D der Welle von 2,8 Millimetern und 3 Speicherplatten 3,65, bei einem Durchmesser D der Welle von 3,5 Millimetern und 4 Speicherplatten 4,91, bei einem Durchmesser D der Welle von ebenfalls 3,5 Millimetern und 5 Speicherplatten 4,88 und bei einem Durchmesser D der Welle von 4 Millimetern und 6 Speicherplatten 4,51.
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Bei der Erfindung beträgt das Verhältnis bei einem Durchmesser D der Welle von 4 Millimetern und 10 Speicherplatten 9,05, bei einem Durchmesser D der Welle von 4,5 Millimetern und ebenfalls 10 Speicherplatten 8,04 und bei einem Durchmesser D der Welle von 5 Millimetern und 10 Speicherplatten 7,23.
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3 zeigt die radiale Schwingungsübertragungsfunktion für ein Frequenzspektrum von 0 Hz bis 3000 Hz für einen Spindelmotor aus dem Stand der Technik mit einem Wellen-Durchmesser von 4 Millimetern sowie für einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit einem Durchmesser D der Welle 12 von 4,5 Millimetern.
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Es ist zu erkennen, dass die radiale Schwingungsübertragungsfunktion zwei Spitzen, sogenannte „Peaks” aufweist. Eine erste Spitze ist in einem sehr niedrigen Frequenzbereich angeordnet und kann über die Schreib-/Lesevorrichtung eines Festplattenlaufwerkes kompensiert werden, und die andere, für den Betrieb eines Festplattenlaufwerkes kritischere Spitze liegt zwischen 1000 und 2000 Hertz. Die Spitze zwischen 1000 und 2000 Hertz ist oben als die sogenannte Hochfrequenz-Mode bezeichnet. Die Kurve 62 stellt die radiale Schwingungsübertragungsfunktion eines Spindelmotors gemäß dem Stand der Technik dar, der zum Antrieb von 6 Speicherplatten verwendet wird. Die Kurve 64 stellt die radiale Schwingungsübertragungsfunktion eines Spindelmotors gemäß der Erfindung dar, der zum Antrieb von 10 Speicherplatten 54 verwendet werden kann. Zwar ist die erste, niederfrequente Spitze der Kurve 64 etwas größer, aber die zweite Spitze – also die Hochfrequenz-Mode – ist deutlich geringer im Vergleich zur Kurve 62 eines Spindelmotors gemäß dem Stand der Technik.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 12a
- freistehender Teil
- 12b
- eingefasster Teil
- 14, 16
- konisches Lagerbauteil
- 18
- Rotationsachse
- 20
- Nabe
- 20a
- Rand
- 20b
- Auflagefläche
- 22, 24
- konisches Lager
- 26
- Pumpdichtung
- 28
- Lagerspalt
- 30, 32
- Kapillardichtung
- 34
- Nut
- 36
- Rezirkulationskanal
- 38, 40
- Abdeckkappe
- 42, 44
- Spaltdichtung
- 46
- Separatorspalt
- 48
- axiale Bohrung
- 48a, 48b
- radiale Abzweigung
- 50
- Rotormagnet
- 52
- Statoranordnung
- 54
- Speicherplatte
- 56
- Abstandshalter
- 58
- Druckklammer
- 60
- Schraube
- 62, 64
- Kurve
- D
- Durchmesser der Welle
- L
- Länge des freistehenden Teils der Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016888 A1 [0003]
- DE 102012010945 A1 [0036]
