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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der
DE 10 2014 007 155 A1 offenbart, wobei dieses Lagersystem mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und zwei gegeneinander wirkende fluiddynamische Axiallager umfasst, wie es beispielsweise in
2 offenbart ist.
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Dieses Lagersystem umfasst einen beidseitig offenen Lagerspalt, der an beiden Enden durch kapillare Dichtungsspalte abgedichtet ist.
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Während der untere kapillare Dichtungsspalt eine relativ große Dichtungslänge aufweist, ist der obere kapillare Dichtungsspalt relativ kurz ausgebildet, da ansonsten die axiale Bauhöhe des Lagersystems unnötig groß werden würde. Ein weiteres Problem dieses kurzen Dichtungsspalts ist die Herabsetzung der Schockfestigkeit des Lagersystems, da bei einem axialen Stoß die Rückhaltewirkung dieses kurzen Dichtungsspalts auf das Lagerfluid begrenzt ist und dieses aus dem Lagersystem austreten kann.
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Ferner muss das Lagersystem so abgestimmt werden, dass an beiden Enden des Lagersystems derselbe Druck herrscht, da ansonsten ebenfalls das Lagerfluid aus dem Lagerspalt bzw. den Dichtungsspalten ausfließen würde.
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Eine zusätzliche Rückhaltwirkung gegen ein Austreten des Lagerfluids wird durch eine dynamische Pumpdichtung erreicht, die entlang des kurzen Dichtungsspalts angeordnet ist und die unter anderem auch für einen dynamischen Druckausgleich im Lagersystem sorgt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Schockfestigkeit und der Druckverteilung im Lagerspalt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die axiale Bauhöhe des fluiddynamischen Lagersystems möglichst gering zu halten und den Abstand der Radiallager möglichst groß auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass das fluiddynamische Lagersystem annäherungsweise symmetrisch ausgebildet ist und mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und zwei gegeneinander wirkende fluiddynamische Axiallager aufweist.
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Anschließend an die fluiddynamischen Axiallager sind zwei gleichartig ausgebildete kapillare Dichtungsspalte vorgesehen, die beide in axialer Richtung verlaufen, wobei deren Öffnungen einander zugewandt sind.
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Durch diese erfindungsgemäßen Merkmale wird erreicht, dass das Lagersystem zum einen einen relativ großen Abstand der Radiallager (Lagerspanne) aufweist und zum andern auch relativ lange Dichtungsspalte vorhanden sind, ohne dass die axiale Bauhöhe des fluiddynamischen Lagersystems aufgrund der Dichtungsspaltlänge vergrößert werden müsste.
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Das Lagersystem ist einfach aufgebaut und besteht nur aus wenigen Teilen, wovon die beiden Lagerbauteile identisch ausgebildet sind.
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Die kapillaren Dichtungsspalte verlaufen in axialer Richtung, wobei deren Öffnungen einander zugewandt sind, und erstrecken sich beide auf Höhe des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts, insbesondere liegen sie nicht Außerhalb des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts.
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Damit kann die Bauhöhe des Lagersystems, trotz einer großen Lagerspanne, gering gehalten werden und gleichzeitig die Länge der kapillaren Dichtungsspalte maximiert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die kapillaren Dichtungsspalte beide auf demselben radialen Durchmesser bezüglich der Rotationsachse des Lagersystems angeordnet. Ferner weisen sie dieselbe axiale Länge auf.
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Dadurch sind die beiden kapillaren Dichtungsspalte auch bezüglich ihrer Schockfestigkeit gegen den Austritt von Lagerfluid gleich stark wirksam.
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Gemäß der Erfindung erzeugen das erste und das zweite fluiddynamische Axiallager eine Pumpwirkung auf das in den radial verlaufenden Abschnitten des Lagerspalts befindliche Lagerfluid in Richtung des mindestens einen Radiallagers, genauer gesagt in das Innere des Lagersystems in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts.
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Vorzugsweise weisen das erste und das zweite Axiallager eine gleich starke Pumpwirkung auf das Lagerfluid auf. Das mindestens eine fluiddynamische Radiallager erzeugt vorzugsweise eine neutrale Pumpwirkung auf das Lagerfluid, die gleich stark in beide Richtungen des axialen Abschnitts des Lagerspalts wirkt. Dadurch ist ein Druckgleichgewicht im Lagerspalt hergestellt. Alternativ kann das mindestens eine fluiddynamische Radiallager eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen, die vorzugsweise in eine bestimme Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts gerichtet ist.
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Im dritten Lagerbauteil, das eine Lagerbuchse und eine Nabe umfasst, ist mindestens ein axial verlaufender Rezirkulationskanal vorhanden, der die radial verlaufenden Abschnitte des Lagerspalts direkt miteinander verbindet. Dieser Rezirkulationskanal unterstützt das Druckgleichgewicht im Lagersystem und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids bzw. einen Ausgleichsfluss im Lagerspalt.
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Um das fluiddynamische Lagersystem mit Lagerfluid zu befüllen, ist vorzugsweise in der Welle eine axiale Bohrung vorgesehen, die über eine Querbohrung mit dem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts verbunden ist.
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Über diese axiale Bohrung wird das Lagerfluid eingefüllt, das dann über die Querbohrung in den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts strömt und sich im restlichen Lagerspalt verteilt.
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Danach wird die axiale Bohrung in der Welle verschlossen, damit kein Lagerfluid austreten kann.
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Vorzugsweise weist das fluiddynamische Lagersystem nicht nur ein radiales fluiddynamisches Lager auf, sondern vorzugsweise zwei in einem axialen Abstand voneinander angeordnete fluiddynamische Radiallager.
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Diese beiden fluiddynamischen Radiallager können gleichartig ausgebildet sein. Vorzugsweise aber sind die fluiddynamischen Radiallager unterschiedlich ausgebildet, insbesondere erzeugen sie eine unterschiedliche Lagerkraft, wobei das obere Radiallager eine größere Lagerkraft erzeugt, da es sich nahe des Schwerpunktes des Lagersystems und des Spindelmotors befindet. Die Radiallagerrillen der beiden Radiallager können in sich symmetrisch ausgebildet sein und eine gleich starke Pumpwirkung in beide Richtungen des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts erzeugen. Vorzugsweise sind jedoch die Radiallagerrillen von mindestens einem oder beiden Radiallagern asymmetrisch geformt, so dass sie eine Pumpwirkung überwiegend in eine Richtung des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts erzeugen, beispielweise in Richtung des Separatorspalts. Die beiden Radiallager können auch derart ausgebildet sein, dass jedes einzelne eine Pumpwirkung erzeugt, die in Richtung des Separatorspalts, d. h. in Richtung des jeweils anderen Radiallagers, gerichtet ist.
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Sofern das Lagersystem zwei fluiddynamische Radiallager aufweist, mündet die Querbohrung, die von der axialen Bohrung in der Welle abzweigt, vorzugsweise in den axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Welle 12, wobei an einem Ende der Welle ein erstes Lagerbauteil 14 und am anderen Ende der Welle ein zweites identisches Lagerbauteil 16 angeordnet sind.
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Die beiden Lagerbauteile 14, 16 sind im Querschnitt etwa topfförmig ausgebildet und in einem axialen Abstand zueinander an der Welle 12 befestigt.
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Die Lagerbauteile 14, 16 sind so an der Welle 12 angeordnet, dass deren Öffnungen zueinander gerichtet sind, so dass sich zwischen der Welle und den Lagerbauteilen ein Freiraum ergibt, in welchem ein drittes Lagerbauteil in Form einer Lagerbuchse 18a mit einer daran angeordneten Nabe 18 lose aufgenommen ist. Die Lagerbuchse 18a umfasst eine Lagerbohrung, welche die Welle 12 aufnimmt.
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Das dritte Lagerbauteil 18, 18a ist mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zu den Bauteilen 12, 14, 16 drehbar gelagert.
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Zwischen der Welle 12, dem ersten und dem zweiten Lagerbauteil 14, 16 und der Lagerbuchse 18a des dritten Lagerbauteils ist ein Lagerspalt 20 von wenigen bis einigen Mikrometern Breite gebildet, der einen axialen Abschnitt 20a aufweist, der sich zwischen der Welle 12 und der inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse 18a erstreckt sowie einen ersten radial verlaufenden Abschnitt 20b, der sich zwischen der inneren Bodenfläche des ersten Lagerbauteils 14 und der Stirnfläche der Lagerbuchse 18a erstreckt und einen zweiten radial verlaufenden Abschnitt 20c, der sich zwischen der inneren Bodenfläche des zweiten Lagerbauteils 16 und der oberen Stirnfläche der Lagerbuchse 18a erstreckt.
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Der Lagerspalt 20 ist vollständig mit einem geeigneten Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl, gefüllt.
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Entlang des axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts sind zwei in Abstand voneinander angeordnete fluiddynamische Radiallager 22, 24 angeordnet. Zwischen den beiden Radiallagern 22, 24 vergrößert sich die Spaltbreite des Lagerspalts deutlich und es ist ein sogenannter Separatorspalt 30 gebildet, der den Reibungswiderstand des Lagersystems durch die vergrößere Spaltbreite verringert.
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Die Radiallager 22, 24 weisen einander zugeordnete Lagerflächen auf der Oberfläche der Welle 12 bzw. dem Innenumfang der Lagerbohrung der Lagerbuchse 18a auf, auf der Lagerrillenstrukturen 22a, 24a angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 22a, 24a können entweder auf dem Innenumfang der Lagerbuchse 18a, dem Außenumfang der Welle 12 oder auf beiden Teilen angeordnet sein. Die Lagerrillenstrukturen 22a, 24a sind beispielsweise sinus-, parabel- oder chevronförmig ausgebildet und erzeugen bei Drehung der Lagerbuchse 18a relativ zur Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im axialen Abschnitt 20a befindliche Lagerfluid.
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Die Pumpwirkung ist aufgrund der Form der Lagerrillenstrukturen 22a und 24a jeweils in beide Richtungen des axial verlaufenden Abschnitts 20a gerichtet.
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Die Lagerrillenstrukturen 22a des oberen Radiallagers 22 sind vorzugsweise symmetrisch bezüglich ihres Apex angeordnet, sodass sie in beide Richtungen des axial verlaufenden Abschnittes 20a eine gleichstarke Pumpwirkung erzeugen, die das Lager tragfähig macht.
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Das untere Radiallager 24 weist Lagerrillenstrukturen 24a auf, die bezüglich ihres Apex vorzugsweise asymmetrisch sind, wobei die Lagerrillenstrukturen 24a im unteren Bereich längere Strukturen aufweisen als im oberen Bereich, sodass die Pumpwirkung, d. h. die Gesamtpumpwirkung des Radiallagers 24a, überwiegend in Richtung des ersten Radiallagers 22 gerichtet ist. Das untere Radiallager 24 pumpt demnach in Richtung des Separatorspalts 30, sodass verhindert wird, dass im Separatorspalt 30 ein Unterdruck entsteht.
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Entlang des ersten radial verlaufenden Abschnittes 20b des Lagerspalts 20 ist ein erstes fluiddynamisches Axiallager 26 angeordnet, das beispielsweise spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen aufweist, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 18a oder der gegenüberliegenden inneren Bodenfläche des ersten Lagerbauteils 14 oder auf beiden Bauteilen angeordnet sind. Es können auch andere bekannte Formen von axialen Lagerrillenstrukturen, beispielsweise fischgrätenförmige Strukturen, verwendet werden.
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Der zweite radial verlaufende Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 umfasst ein zweites fluiddynamisches Axiallager 28, das vorzugsweise ebenfalls spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen aufweist, die auf der Stirnfläche der Lagerbuchse 18a oder der gegenüberliegenden inneren Bodenfläche des zweiten Lagerbauteils 16 oder beiden Bauteilen angeordnet sind.
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Die beiden fluiddynamischen Axiallager 26, 28 erzeugen in ihren radialen Abschnitten 20b, 20c des Lagerspalts 20 eine Pumpwirkung auf das darin vorhandene Lagerfluid radial nach innen in Richtung des axial verlaufenden Abschnittes 20a des Lagerspalts 20.
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Beide fluiddynamischen Axiallager 26, 28 haben eine vorzugsweise gleich starke Pumpwirkung und erzeugen eine gleich starke Axialkraft, die jeweils entgegengesetzt der Axialkraft des anderen Axiallagers gerichtet ist.
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Das erste Lagerbauteil 14 ist in einer Aussparung einer Basisplatte 10 aufgenommen und bildet zusammen mit der Basisplatte 10, der Welle 12 und dem zweiten Lagerbauteil 16 die feststehende Komponente des Lagersystems und des Spindelmotors.
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Die Lagerbuchse 18a ist größtenteils von der Welle 12 und den Rändern der beiden Lagerbauteile 14, 16 umschlossen und nur über einen Bund mit der Nabe 18b verbunden, die außerhalb des Außenumfangs der beiden Lagerbauteile 14, 16 angeordnet ist.
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Die radial äußeren Enden der radial verlaufenden Abschnitte 20b und 20c des Lagerspalts 20 sind jeweils durch einen kapillaren ringförmigen Dichtungsspalt 32 bzw. 34 abgedichtet.
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Der untere radial verlaufende Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 geht an seinem radial äußeren Ende in den ersten kapillaren Dichtungsspalt 32 über, der gegenüber dem radial verlaufenden Lagerspalt 20b um 90 Grad nach oben abknickt.
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Der erste Dichtungsspalt 32 ist im Querschnitt annähernd konisch geformt und weitet sich ausgehend vom Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 in Richtung seines offenen Endes auf.
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Der erste Dichtungsspalt 32 ist im Vergleich zur axialen Bauhöhe des Lagersystems relativ lang, vorzugsweise beträgt dessen Länge etwa ein Viertel bis ein Drittel der Länge des axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts 20.
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Der obere radial verlaufende Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 geht in den zweiten Dichtungsspalt 34 über, der gegenüber dem radial verlaufenden Abschnitt 20c um 90 Grad abknickt und in Richtung des ersten Dichtungsspalts 32 verläuft.
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Der zweite Dichtungsspalt 34 ist im Querschnitt annähernd konisch geformt und weitet sich ausgehend vom Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 in Richtung seines offenen Endes auf.
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Der zweite Dichtungsspalt 34 ist im Vergleich zur axialen Bauhöhe des Lagersystems relativ lang, vorzugsweise beträgt dessen Länge etwa ein Viertel bis ein Drittel der Länge des axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts 20.
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Die beiden Dichtungsspalte 32, 34 sind somit einander zugewandt und haben vorzugsweise beide denselben Querschnitt und dieselbe Länge.
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Die Dichtungsspalte 32, 34 befinden sich ferner vorzugsweise auf demselben radialen Durchmesser in Bezug auf die Rotationsachse 48 des Lagersystems. Insbesondere benötigen die beiden Dichtungsspalte 32, 34 keinen zusätzlichen axialen Bauraum, da sie beide auf derselben axialen Höhe des axialen Abschnittes 20a des Lagerspalts liegen und vorzugsweise parallel zu diesem angeordnet sind.
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Dadurch kann die Bauhöhe des Lagersystems insgesamt gering gehalten werden.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Welle 12 vorzugsweise nicht über die äußeren Bodenflächen oder Stirnseiten des ersten und zweiten Lagerbauteils 14, 16 hinaus steht.
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In der Lagerbuchse 18a kann vorzugsweise ein Rezirkulationskanal 36 angeordnet sein, der in axialer Richtung verläuft und die radial verlaufenden Abschnitte 20b und 20c des Lagerspalts 20 direkt miteinander verbindet.
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Dadurch werden ein Druckausgleich im Lagersystem und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagersystem ermöglicht.
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An der feststehenden Basisplatte 10 ist eine Statoranordnung 44 des Spindelmotors angeordnet, die mit einem Rotormagneten 46 zusammenwirkt, der an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 18 befestigt ist.
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Durch entsprechende Ansteuerung der Statorwicklungen wird ein Magnetfeld erzeugt, und die Nabe 18 und die Lagerbuchse 18a werden in Drehung versetzt.
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Sobald sich die Lagerbuchse 18a relativ zur Welle 12 und zu den beiden Lagerbauteilen 14, 16 dreht, erzeugen die Lagerrillenstrukturen der beiden fluiddynamischen Radiallager 22, 24 und der beiden fluiddynamischen Axiallager 26, 28 des Lagersystems einen hydrodynamischen Druck im Lagerspalt 20, der die Lagerflächen voneinander trennt und das Lagersystem tragfähig macht.
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Der Lagerspalt 20 muss nach der Montage des Lagersystems mit Lagerfluid befüllt werden. Hierzu ist beispielsweise in der Welle 12 eine axiale Bohrung 38 vorgesehen, die etwa bis zur Mitte der Welle 12 reicht und dort auf eine Querbohrung 40 trifft, welche den Außenumfang der Welle 12 durchbricht. Die Querbohrung 40 mündet in den Zwischenraum zwischen den beiden Radiallagern, also in den Separatorspalt 30.
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Über die Bohrungen 38, 40 kann das Lagerfluid in den Separatorspalt 30 eingefüllt werden und verteilt sich dann in die anderen Abschnitte 20a, 20b und 20c des Lagerspalts 20 sowie die Dichtungsspalte 32, 34, die anteilig mit Lagerfluid gefüllt sind.
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Die Dichtungsspalte 32, 34 dienen als Fluidreservoir und halten das für die Lebensdauer des Lagersystems notwendige Lagerfluid bereit, das durch Verdunstung verloren geht.
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Nach dem Befüllen des Lagerspalts 20 mit Lagerfluid wird die axiale Bohrung 38 beispielsweise durch einen Stopfen 42 verschlossen. Der Stopfen 42 wird vorzugsweise mit Klebstoff an der Welle 12 befestigt wodurch eine zusätzlich Abdichtung gegen herausfließendes Lageröl erreicht wird. Ebenso kann der Stopfen 42 eingepresst oder mittels einer Schweißverbindung an oder in der Welle 12 befestigt werden. Weiterhin kann der Stopfen konisch ausgeführt sein um Lufteinschlüsse bei der Montage an die Welle 12 zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14
- erstes Lagerbauteil
- 16
- zweites Lagerbauteil
- 18
- drittes Lagerbauteil
- 18a
- Lagerbuchse
- 18b
- Nabe
- 20
- Lagerspalt
- 20a
- axial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts
- 20b
- radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts
- 20c
- radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts
- 22
- fluiddynamisches Radiallager
- 22a
- Radiallagerrillen
- 24
- fluiddynamisches Radiallager
- 24a
- Radiallagerrillen
- 26
- fluiddynamisches Axiallager
- 28
- fluiddynamisches Axiallager
- 30
- Separatorspalt
- 32
- Dichtungsspalt
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Rezirkulationskanal
- 38
- axiale Bohrung
- 40
- Querbohrung
- 42
- Stopfen
- 44
- Statoranordnung
- 46
- Rotormagnet
- 48
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014007155 A1 [0002]
