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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem, insbesondere zum Antrieb eines Lüfters oder eines Festplattenlaufwerkes.
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Stand der Technik
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Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem umfassen im Wesentlichen ein drehbares Motorbauteil, das mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zu einem feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist. Das drehbare Motorbauteil wird elektromotorisch angetrieben.
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Eine bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem ist in der
DE 10 2011 111 062 A1 offenbart. Dieser Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse und eine Welle, die in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse angeordnet und relativ zur Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbar angetrieben ist. Die Lagerbuchse und die Welle bilden zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt. Die Welle umfasst mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei ein erster Abschnitt der Welle mit kleinerem Durchmesser zusammen mit der Lagerbuchse ein erstes fluiddynamisches Radiallager mit Radiallagerrillen ausbildet, und ein zweiter Abschnitt der Welle mit größerem Durchmesser zusammen mit der Lagerbuchse ein zweites fluiddynamisches Radiallager mit Radiallagerrillen ausbildet. Der Durchmesser als auch die Umfangsfläche des zweiten Radiallagers ist gegenüber dem ersten Radiallager vergrößert, wodurch eine große Kippsteifigkeit des Lagersystems erreicht wird.
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Gegenstand der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen flach bauenden Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem anzugeben, der eine große Steifigkeit aufweist und insbesondere zum Antrieb eines Lüfters geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse und eine in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse angeordnete und relativ zur Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbare Welle, wobei Lagerbuchse und Welle zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Welle weist mindestens einen ersten Wellenabschnitt mit größerem Durchmesser und einen zweiten Wellenabschnitt mit kleinerem Durchmesser auf, wobei einander zugeordnete Lagerflächen des ersten Wellenabschnitts und der Lagerbuchse ein erstes fluiddynamisches Radiallager mit Radiallagerrillen ausbilden, und einander zugeordnete Lagerflächen des zweiten Wellenabschnitts und der Lagerbuchse ein zweites fluiddynamisches Radiallager mit Radiallagerrillen ausbilden, und wobei eine stirnseitige Fläche des ersten Wellenabschnitts zusammen mit einer Abdeckplatte ein fluiddynamisches Axiallager mit Axiallagerrillen ausbildet. Eine Abdichtung des Lagerspalts erfolgt mittels zwei Dichtungsspalten, wobei der erste Dichtungsspalt zwischen zwei relativ zueinander feststehenden Flächen der Lagerbuchse und einer an der Lagerbuchse angeordneten Abdeckkappe gebildet ist und der zweite Dichtungsspalt zwischen Flächen der Abdeckkappe und der Welle gebildet ist, wobei an einen dritten Wellenabschnitt eine Nabe angeordnet ist, die durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben ist.
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Durch diese Bauweise des Spindelmotors wird ein sehr flacher Aufbau des Motors bei größtmöglicher Steifigkeit des Lagersystems erreicht. Durch den verbreiterten Abschnitt der Welle im Bereich des ersten Radiallagers ist einerseits ein separates Stopperbauteil zur Begrenzung der axialen Bewegung der Welle nicht mehr notwendig und andererseits wird die Lagersteifigkeit des Radiallagers erhöht. Durch die Verwendung einer Abdeckkappe ist das Lagerfluid vor Verschmutzung und übermäßiger Verdunstung geschützt, so dass dieser Spindelmotor insbesondere zum Antrieb von Lüftern geeignet ist, da die dort auftretenden Luftströmungen nicht direkt über die Oberfläche des Lagerfluids streichen können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Radiallagerrillen des ersten Radiallagers symmetrisch ausgebildet, so dass das in einem ersten Abschnitt des Lagerspalts befindliche Lagerfluid gleichmäßig in beide Richtungen des Lagerspalts gefördert wird. Alternativ können die Radiallagerrillen des ersten Radiallagers asymmetrisch ausgebildet sein derart, dass das in einem ersten Abschnitt des Lagerspalts befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des zweiten Radiallagers gefördert wird.
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Die Radiallagerrillen des zweiten Radiallagers sind vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet derart, dass sie das in einem zweiten Abschnitt des Lagerspalts befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des ersten Radiallagers fördern.
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Die Radiallagerrillen der beiden Radiallager können vorzugsweise sinusförmig, fischgrätenförmig oder chevronförmig ausgebildet sein und entweder auf der Oberfläche der Welle, der Oberfläche der Lagerbuchse oder den Oberflächen beider Bauteile angeordnet sein.
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Die Axiallagerrillen des Axiallagers sind hingegen vorzugsweise spiralförmig ausgebildet und fördern das in einem scheibenförmigen Abschnitt des Lagerspalts befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung der Rotationsachse, so dass im Axiallagerspalt ein starker Druck erzeugt wird. Die Axiallagerrillen können auf der Oberfläche der Welle und/oder der Oberfläche der Abdeckplatte angeordnet sein.
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Der Durchmesser des ersten Wellenabschnitts ist deutlich größer als der Durchmesser des zweiten Wellenabschnitts, vorzugsweise mindestens um das 1,1-fache größer.
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In der Lagerbuchse ist ein Rezirkulationskanal vorhanden, der den Dichtungsspalt mit einem radial verlaufenden Kanal verbindet, der zwischen einer Stirnseite der Lagerbuchse und der Abdeckplatte angeordnet ist. Der radial verlaufene Kanal mündet in den scheibenförmigen Abschnitt des Lagerspalts. Der Rezirkulationskanal verläuft vorzugsweise parallel zur Rotationsachse innerhalb der Lagerbuchse.
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Da das erste Radiallager auf einem größeren Durchmesser liegt als das zweite Radiallager erzeugt es deutlich größere Radiallagerkräfte. Daher kann die axiale Länge des ersten Radiallagers kleiner gewählt werden als die axiale Länge des zweiten Radiallagers. Dadurch kann wiederum die Bauhöhe des Lagersystems bzw. des Spindelmotors verringert werden.
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Die Anzahl der Radiallagerrillen des ersten Radiallagers kann größer sein als die Anzahl der Radiallagerrillen des zweiten Radiallagers. Dies ermöglicht ebenfalls eine Erhöhung der Lagerkräfte des ersten Radiallagers.
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Der erfindungsgemäße Spindelmotor kann sowohl zum Antrieb eines Lüfters als auch eines Festplattenlaufwerks oder für andere Antriebszwecke eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem gemäß der Erfindung für den Einsatz in einem Lüfter.
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Der Spindelmotor in 1 umfasst ein feststehendes Gehäuseteil 10 mit einer Öffnung, in welche eine hülsenförmige Motorhalterung 12 eingesetzt ist, welche die Motorkomponenten des Spindelmotors trägt. Die Motorhalterung 12 ist beispielsweise mit dem Gehäuseteil 10 verschweißt, verpresst oder verklebt. In der durch die Motorhalterung 12 gebildeten Öffnung ist eine Lagerbuchse 14 angeordnet, die beispielsweise in die Motorhalterung 12 eingefügt und/oder mit Klebstoff befestigt ist. Die Lagerbuchse 14 weist eine abgestufte axiale zylindrische Bohrung auf, in welcher eine Welle 16 drehbar aufgenommen ist. Die Welle 16 weist drei Wellenabschnitte 16a–16c mit unterschiedlichen Durchmessern auf.
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Ein erster Wellenabschnitt 16a mit größerem Durchmesser und ein zweiter Wellenabschnitt 16b mit kleinerem Durchmesser sind in der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 aufgenommen, wobei die Lagerbohrung entsprechend den Durchmessern der Wellenabschnitte 16a, 16b abgestuft ausgebildet ist. Die entsprechenden Abschnitte der Lagerbohrung sind im Durchmesser geringfügig größer als die Wellenabschnitte 16a und 16b der Welle 16, so dass sich zwischen den Abschnitten 16a und 16b der Welle 16 und den angrenzenden Abschnitten der Lagerbohrung entsprechende Abschnitte 18a und 18b eines Lagerspaltes 18 ergeben. Der erste Abschnitt 18a des Lagerspalts 18 befindet sich auf einem deutlich größeren Durchmesser als der zweite Abschnitt 18b des Lagerspalts 18. Die beiden Abschnitte 18a, 18b des Lagerspalts weisen eine Spaltbreite von wenigen Mikrometern auf. Der gesamte Lagerspalt 18 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, z. B. einem Lageröl, gefüllt.
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Entlang des ersten Abschnittes 18a des Lagerspaltes 18 ist ein erstes fluiddynamisches Radiallager 20 angeordnet, das durch Radiallagerrillen 20a gekennzeichnet ist. Entlang des zweiten Abschnitts 18b des Lagerspaltes 18 ist ein zweites fluiddynamisches Radiallager 22 angeordnet, welches durch Radiallagerrillen 22a gekennzeichnet ist. Die Radiallagerrillen 20a, 22a der beiden Radiallager 20, 22 können sowohl auf der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 als auch auf der Oberfläche der Welle 16 oder auf der Oberfläche beider Teile 14, 16 angeordnet sein.
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Die Radiallagerrillen 20a des ersten Radiallagers 20 sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet, so dass sie das in dem ersten Abschnitt 18a des Lagerspalts 18 befindliche Lagerfluid gleichmäßig in beide Richtungen des Lagerspalts fördern. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die Radiallagerrillen des ersten Radiallagers asymmetrisch ausgebildet sein, und das in dem ersten Abschnitt des Lagerspalts befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des zweiten Radiallagers fördern (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Die Radiallagerrillen 22a des zweiten Radiallagers 22 sind vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet und fördern das in einem zweiten Abschnitt 18b des Lagerspalts 18 befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des ersten Radiallagers 20.
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Zwischen den beiden Radiallagern 20, 22 bilden die Welle 16 und die Lagerbohrung eine Stufe aus, wobei sich im Bereich der Stufe ein radial verlaufender kurzer Abschnitt 18c des Lagerspaltes 18 ergibt, der die beiden Abschnitte 18a und 18b des Lagerspalts miteinander verbindet. Die Stufe dient als Anschlagfläche, die eine übermäßige axiale Bewegung der Welle 16 begrenzt und ein Herausfallen der Welle 16 aus der Lagerbuchse 14 verhindert.
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Zwischen dem ersten Wellenabschnitt 16a und dem zweiten Wellenabschnitt 16b weist die Welle 16 einen umlaufenden Einstich 21 auf.
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Unterhalb des ersten Wellenabschnitts 16a der Welle 16 ist die Lagerbohrung durch eine Abdeckplatte 26 luftdicht verschlossen. Zwischen der unteren Stirnseite des ersten Wellenabschnitts 16a und der Abdeckplatte 26 ist ein scheibenförmiger Abschnitt 18d des Lagerspaltes 18 angeordnet, der in radialer Richtung verläuft, wobei entlang dieses Abschnitts 18d des Lagerspalts 18 ein fluiddynamisches Axiallager 24 gebildet ist. Das Axiallager 24 ist durch Axiallagerrillen gekennzeichnet, die auf der unteren Stirnseite des ersten Wellenabschnitts 16a und/oder der der gegenüberliegenden Oberfläche der Abdeckplatte 26 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Axiallagerrillen auf der Oberfläche der Abdeckplatte angeordnet. Die Axiallagerrillen des Axiallagers 24 sind vorzugsweise spiralförmig ausgebildet und fördern das in dem scheibenförmigen Abschnitt 18d des Lagerspalts 18 befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung der Rotationsachse 46.
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Ein dritter Wellenabschnitt 16c, der beispielsweise den geringsten Durchmesser aller Wellenabschnitte 16a–16c aufweist, ist mit einer Nabe 36 verbunden, die beispielsweise auf den dritten Wellenabschnitt 16c aufgepresst ist.
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Die Nabe 36 weist einen Rand auf, an dessen innerer Umfangsfläche ein ringförmiger Rotormagnet 38 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet ist. Der Rotormagnet 38 ist durch einen Arbeitsluftspalt von der Statoranordnung 40 beabstandet. Die Statoranordnung 40 erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches den Rotormagnet 38 zusammen mit der Nabe 36 und der Welle 16 in Drehung versetzt. Die Stromversorgung der Statorwicklungen erfolgt beispielsweise über eine elektrische Leiterplatte 44.
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Sobald die Nabe 36 und somit auch die Welle 16 in Rotation versetzt werden, baut sich im Lagerspalt 18 aufgrund der Lagerrillenstrukturen ein fluiddynamischer Druck auf, so dass die Lager tragfähig werden.
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Der dritte Wellenabschnitt 16c ist aus der Lagerbuchse 14 herausgeführt. Die Lagerbuchse 14 ist an diesem Ende durch eine Abdeckkappe 28 abgedeckt, die die Stirnseite der Lagerbuchse 14 sowie einen Teil des sich anschließenden Außenumfangs der Lagerbuchse 14 überdeckt. Zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und dem Boden der Abdeckkappe 28 ist ein Abstand vorgesehen, dessen Größe durch einen oder vorzugsweise mehrere Abstandshalter 28a bestimmt wird. Die Abstandshalter 28a sind vorzugsweise aus dem Material der Abdeckkappe 28 ausgeformt, können aber auch als Teil der Lagerbuchse 14 oder als separate Teile ausgebildet sein. Zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und dem Boden der Abdeckkappe 28 bildet sich durch den eingehaltenen Abstand ein ringförmiger erster Dichtungsspalt 30, der an seinem radial innen liegenden Ende mit dem Lagerspalt 18 verbunden ist und im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Lagers verläuft. Der Dichtungsspalt 30 hat eine axiale Ausdehnung von vorzugsweise einige zehn Mikrometer, wobei sich dessen Querschnitt vorzugsweise radial nach außen aufweitet.
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Zwischen dem Außenumfang der Lagerbuche 14 und der diesen Bereich der Lagerbuchse 14 umgebenden Abdeckkappe 28 ist ein Reservoir 32 für das Lagerfluid angeordnet. Das Reservoir 32 ist über den ringförmigen ersten Dichtungsspalt 30 direkt mit dem Lagerspalt 18 verbunden. Das Reservoir 32 wird dadurch gebildet, dass der Außenumfang der Lagerbuchse 14 vorzugsweise einen Freistich in Form einer umlaufenden, sich in axialer Richtung konisch aufweitenden Aussparung aufweist. Zwischen der Abdeckkappe 28 und der Lagerbuchse 14 bildet sich dadurch ein konzentrischer, kegelförmiger Ringraum, der in einem Winkel bezüglich der Rotationsachse verläuft.
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Die Abdeckkappe 28 weist mindestens eine Öffnung 28b zur Entlüftung des Reservoirs 32 beim Aufpressen der Abdeckkappe 28 auf die Lagerbuchse 14 auf.
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Der erste Dichtungsspalt 30 und das Reservoir 32 sind in vorteilhafter Weise zwischen zwei relativ zueinander feststehenden Flächen der Lagerbuchse 14 und der Abdeckkappe 28 ausgebildet. Dadurch entsteht keine Fluidreibung im ersten Dichtungsspalt 30 und Reservoir 32, da die Oberflächen still stehen. Ferner sind erster Dichtungsspalt 30 und Reservoir 32 durch die Abdeckkappe 28 gut geschützt und unempfindlich gegen den vom Lüfter erzeugten Luftstrom. Dadurch kann eine Verschmutzung und eine Verdunstung des Lagerfluids gering gehalten werden.
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Ein zweiter deutlich kürzerer Dichtungsspalt 31 ist zwischen den Flächen der Abdeckkappe 28 und der Welle 16 ausgebildet. Die Fläche der Abdeckkappe 28 verläuft dabei parallel zur Rotationsachse 46 während die Fläche der Welle 16 eine Schräge aufweise kann, wodurch sich ein konischer Querschnitt des zweiten Dichtungsspalts 31 ergibt.
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Vorzugsweise ist in der Lagerbuchse 14 ein Rezirkulationskanal 34 vorhanden, der den ersten Dichtungsspalt 30 mit einem radial verlaufenden Kanal 48 verbindet, der zwischen einer Stirnseite der Lagerbuchse 14 und der Abdeckplatte 26 angeordnet ist. Der Kanal 48 verbindet den Rezirkulationskanal 34 mit dem scheibenförmigen Abschnitt 18d des Lagerspalts 18. Der Rezirkulationskanal 34 ermöglicht eine kontinuierliche Durchspülung des Lagersystems mit Lagerfluid Das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors wird gebildet durch die an der Motorhalterung 12 angeordnete Statoranordnung 40 und einen die Statoranordnung in einem Abstand umgebenden, ringförmigen Rotormagneten 38, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 36 angeordnet ist.
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Als Gegenlager zu dem einzigen und einseitig wirkenden fluiddynamischen Axiallager 24 ist ein axialer Versatz zwischen den magnetischen Mitten des Rotormagneten 38 und der Statoranordnung 40 (ein so genannter magnetischer Offset) vorgesehen. Hierbei liegt die magnetische Mitte des Rotormagneten 38 weiter oben in Richtung der Oberseite der Nabe 36 als die magnetische Mitte der Statoranordnung 40, so dass die Nabe 36 entgegen der Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 24 nach unten gezogen wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein unterhalb des Rotormagneten angeordneter ferromagnetischer Zugring vorgesehen sein. Der ferromagnetische Zugring wird von dem Rotormagneten magnetisch angezogen und erzeugt eine axiale Kraft auf die Nabe, die entgegengesetzt zu der durch das fluiddynamische Axiallager 24 erzeugten Kraft gerichtet ist. Diese axiale Kraft kann auch dadurch erreicht werden, in dem das Gehäuseteil aus Stahl gefertigt ist und somit ebenfalls von dem Rotormagneten angezogen wird.
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1 zeigt den Spindelmotor als Antrieb für einen Lüfter, wobei direkt an der Nabe 36 ein Lüfterrad 42 befestigt ist. Alternativ kann die Nabe selbst als Lüfterrad ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuseteil
- 12
- Motorhalterung
- 14
- Lagerbuchse
- 16
- Welle
- 16a–c
- Wellenabschnitte
- 18
- Lagerspalt
- 18a–d
- Abschnitte des Lagerspalts
- 20
- Fluiddynamisches Radiallager
- 20a
- Radiallagerrillen
- 21
- Einstich
- 22
- Fluiddynamisches Radiallager
- 22a
- Radiallagerrillen
- 24
- Fluiddynamisches Axiallager
- 26
- Abdeckplatte
- 28
- Abdeckkappe
- 28a
- Abstandhalter
- 28b
- Öffnung
- 30
- Dichtungsspalt
- 31
- Dichtungsspalt
- 32
- Reservoir
- 34
- Rezirkulationskanal
- 36
- Nabe
- 38
- Permanentmagnet
- 40
- Statoranordnung
- 42
- Lüfterrad
- 44
- Elektrische Leiterplatte
- 46
- Rotationsachse
- 48
- Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011111062 A1 [0003]
