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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk, insbesondere einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, wie er heute überwiegend in Festplattenlaufwerken zur Drehlagerung der Speicherplatten eingesetzt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von verschiedenen Bauformen für Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken bekannt.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2013 014 229 A1 verschiedene Spindelmotoren zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, wobei in den
1 bis
3 Spindelmotoren dargestellt sind mit einem feststehenden Motorbauteil, welches beispielsweise aus einer Basisplatte und einer fest mit der Basisplatte verbundenen Lagerbuchse besteht, sowie einem drehbaren Motorbauteil, welches beispielsweise aus einer in der Lagerbuchse drehbar gelagerten Welle und einem an der Welle befestigten Rotorbauteil besteht. Mittels eines fluiddynamischen Lagersystems ist das drehbare Motorbauteil relativ zum feststehenden Motorbauteil gelagert.
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Das drehbare Motorbauteil, genauer gesagt das Rotorbauteil bzw. die Nabe, umfasst an seinem Außenumfang in bekannter Weise einen ebenen Auflageflansch, auf dem eine Speicherplatte oder mehrere Speicherplatten in Form eines Stapels angeordnet und befestigt sind. Ein solcher Stapel aus mehreren Speicherplatten besteht beispielsweise aus mindestens zwei durch einen oder mehrere ringförmige Abstandhalter voneinander beabstandeten ringförmigen Speicherplatten.
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Die eine oder mehreren Speicherplatte/n werden durch eine Halteklammer gehalten, die auf der Oberseite der Speicherplatte bzw. der Oberseite der oberen Speicherplatte des Stapels aufliegt und eine Kraft entlang einer Wirkungslinie auf die Speicherplatte bzw. den Stapel von Speicherplatten und den Auflageflansch ausübt. Die Halteklammer wird beispielsweise durch eine Schraube befestigt, die in ein zentrales Gewinde der Welle oder in mehrere Gewinde der Nabe einschraubbar ist
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Durch die Kraft, die von der Halteklammer auf die Speicherplatte bzw. den Stapel von Speicherplatten und den Auflageflansch ausgeübt wird, verbiegt sich der Auflageflansch in Richtung nach unten. Diese Verformung des Auflageflansches nach unten kann bis zu 60 Mikrometer betragen.
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Infolge der Verbiegung des Auflageflansches tritt auch eine Verformung der einen oder mehreren Speicherplatte/n auf, die sich in dem sogenannten „Coning” der Speicherplatten äußert. Die Speicherplatten werden in sich konisch verformt, wodurch eine rechtwinklige Ausrichtung der Speicherplatten in Bezug auf die Rotationsachse und eine ausreichende Ebenheit der Speicherplatten nicht mehr gegeben ist.
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Diese unumgängliche Verformung der Speicherplatten stellt ein großes Problem für den Schreib-Lese-Kopf des Festplattenlaufwerks dar, was zu Fehlern und im schlimmsten Fall zu Ausfällen des Schreib-Lese-Kopfs führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks dahingehend zu verbessern, dass das sogenannte „Coning” bei der Montage der Speicherplatten auf dem drehbaren Motorbauteil deutlich verringert wird.
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Diese Aufgabe wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird unterschieden zwischen einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher ein Stapel von mehreren Speicherplatten auf dem drehbaren Motorbauteil montiert ist, und einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bei der lediglich eine einzelne Speicherplatte auf dem drehbaren Motobauteil montiert ist.
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In der ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Spindelmotor ein feststehendes Motorbauteil, ein um eine Drehachse drehbares Motorbauteil und ein Lagersystem zur Drehlagerung des drehbaren Motorbauteils relativ zum feststehenden Motorbauteil. Das drehbare Motorbauteil umfasst einen Auflageflansch zur Auflage einer unteren Speicherplatte eines Stapels von Speicherplatten des Festplattenlaufwerks. Der Stapel von Speicherplatten umfasst mehrere, durch ringförmige Abstandhalter voneinander beabstandete, ringförmige Speicherplatten. Durch eine am drehbaren Motorbauteil befestigte Halteklammer, die auf einer oberen Speicherplatte des Stapels aufliegt, wird eine Kraft auf den Stapel von Speicherplatten und den Auflageflansch ausgeübt.
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Erfindungsgemäß liegen nach der Montage der Speicherplatten der Auflagepunkt der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte sowie der Auflagepunkt der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch axial übereinander. Das heißt, dass nach der Montage der Speicherplatte der Abstand r1 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch gleich groß ist wie der Abstand r3 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte.
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Die Anmelderin hat festgestellt, dass das Problem des „Coning” der Speicherplatten insbesondere dann auftritt, wenn die Wirkungslinie der von der Halteklammer ausgeübten Kraft nicht mit einer gedachten Verbindungslinie zwischen dem Auflagepunkt der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte und dem Auflagepunkt der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch übereinstimmt, d. h. wenn diese gedachte Verbindungslinie nicht senkrecht zu den Speicherplatten und nicht parallel zur Wirkungslinie der von der Halteklammer ausgeübten Kraft verläuft.
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Insbesondere ist bei der Erfindung vorgesehen, dass die Verbindungslinie zwischen dem Auflagepunkt der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte und dem Auflagepunkt der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch und die Drehachse des Spindelmotors parallel zueinander sind, wobei die Verbindungslinie senkrecht zur Ebene der Speicherplatten angeordnet ist.
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Ausgehend von beispielsweise einer vorgegebenen Form der Halteklammer, insbesondere des Krafteinwirkungspunktes der Halteklammer auf die obere Speicherplatte, wird erfindungsgemäß die Formgebung des Auflageflansches bzw. der Abstandhalter derart optimiert, dass die jeweiligen Auflagepunkte der Speicherplatten axial übereinander liegen.
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Der Auflageflansch ist gemäß der Erfindung derart ausgeführt, dass der Auflagepunkt der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte sowie der Auflagepunkt der unteren Speicherplatte des Stapels auf dem Auflageflansch auf einer gedachten senkrechten Verbindungslinie senkrecht zu den Speicherplatten liegen, welche auch der Kraftlinie der von der Halteklammer ausgeübten Kraft entspricht.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung wird von Auflagepunkten gesprochen. Bei Betrachtung der Schnittdarstellung des Spindelmotors ergeben sich tatsächlich nur Auflagepunkte, d. h. sehr begrenzte Auflageflächen zwischen der Halteklammer und der oberen Speicherplatte und der unteren Speicherplatte und dem Auflageflansch. Tatsächlich handelt es sich jedoch um durchgehende oder unterbrochene kreisförmige Auflagelinien, die konzentrisch zur Rotationsachse des Spindelmotors verlaufen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der ersten Ausgestaltung der Erfindung verlaufen auch die Mittellinien der ringförmigen Abstandhalter durch die Auflagepunkte der oberen und der unteren Speicherplatte.
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Die Mittellinien der ringförmigen Abstandhalter sind insbesondere senkrecht zur Ebene der Speicherplatten angeordnet, wobei die Mittellinien der Abstandhalter und die Drehachse des Spindelmotors parallel zueinander sind.
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Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Krafteinwirkung der Halteklammer ein erster Abstand r1 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch und ein zweiter Abstand r2 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und den Mittellinien der Abstandhalter und ein dritter Abstand r3 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte gleich groß sind, sodass gilt: r1 = r2 = r3.
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Durch die beim Befestigen der Halteklammer auf das drehbare Motorbauteil erzeugten Spannkräfte wird sowohl die Halteklammer selbst als auch der Auflageflansch des drehbaren Motorbauteils elastisch verformt. Der Auflageflansch wird dabei nach unten in Richtung der Basisplatte aufgebogen. Die Verformung bzw. Aufbiegung nach unten kann beispielsweise zwischen 0 Mikrometer und 50 Mikrometer betragen.
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Die Oberfläche des Auflageflansches weist bevorzugt eine konvexe Krümmung auf, und die Speicherplatte liegt auf dem höchsten Punkt dieser konvexen Krümmung auf.
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Vorzugsweise liegt ohne Krafteinwirkung der Halteklammer der höchste Punkt der konvexen Krümmung des Auflageflansches radial außerhalb des Auflagepunktes der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch nach Montage der Speicherplatten. Besonders bevorzugt liegt der höchste Punkt der konvexen Krümmung ohne Krafteinwirkung weniger als drei Mikrometer radial außerhalb des Auflagepunktes der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch nach Montage der Speicherplatten.
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Werden die Speicherplatten montiert, also die Halteklammer befestigt, so verbiegt sich der Auflageflansch nach unten, wodurch der höchste Punkt durch die konvexe Krümmung des Auflageflansches radial nach innen wandert, etwa in der Größenordnung von 0 bis 2 Mikrometer. Die Krümmung muss nun so bestimmt werden, dass bei montierter Halteklammer die Verschiebung des Auflagepunktes (höchsten Punktes) der Auflagefläche des Auflageflansches kompensiert wird, d. h. der höchste Punkt soweit radial nach innen wandert, dass der Auflagepunkt der unteren Speicherplatte auf dem Auflageflansch axial genau unterhalb des Auflagepunktes der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte und den Mittellinien der ringförmigen Abstandhalter liegt.
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Für die Halteklammer bzw. die Formgebung der Auflagefläche der Halteklammer auf der oberen Speicherplatte gilt im Prinzip dasselbe wie für die Formgebung des Auflageflansches. Die Halteklammer kann ebenfalls eine konvex gekrümmte Auflagefläche aufweisen, die auf der oberen Speicherplatte aufliegt.
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Da sich die Halteklammer und der Auflageflansch auf Grund der Verwendung verschiedener Werkstoffe und Geometrien unterschiedlich stark verformen, ist beispielsweise die Dicke in axialer Richtung des Auflageflansches ein maßgeblicher Einflussfaktor, aber auch die Geometrie und der Werkstoff desselben sind relevante Größen. Insbesondere sind auch die Form und die Größe der Abstandhalter bei der Auslegung des Auflageflansches zu berücksichtigen.
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Da der Innendurchmesser der Abstandhalter in der Regel dem Innendurchmesser der Speicherplatten entspricht, ist der Außendurchmesser der Abstandhalter entsprechend symmetrisch zur Kraft-Wirkungs-Linie festzulegen.
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Als Material für die Halteklammer und das Rotorbauteil bzw. den Auflageflansch kann vorzugsweise Stahl bzw. Aluminium eingesetzt werden.
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Die Speicherplatten bestehen ebenfalls aus Aluminium oder Glas (Keramik).
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Entsprechend bestehen die Abstandhalter möglichst aus demselben Material wie die Speicherplatten.
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Gemäß der zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Spindelmotor ein feststehendes Motorbauteil, ein um eine Drehachse drehbares Motorbauteil und ein Lagersystem zur Drehlagerung des drehbaren Motorbauteils relativ zum feststehenden Motorbauteil. Das drehbare Motorbauteil umfasst einen Auflageflansch zur Auflage einer einzelnen Speicherplatte des Festplattenlaufwerks. Durch eine am drehbaren Motorbauteil befestigte Halteklammer, die auf der Oberseite der Speicherplatte aufliegt, wird eine Kraft auf die Speicherplatte und den Auflageflansch ausgeübt.
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Erfindungsgemäß ist vor der Montage der Speicherplatte der Abstand r1 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der Speicherplatte auf dem Auflageflansch größer als der Abstand r3 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der Halteklammer auf der Speicherplatte.
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Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere auch das Verhältnis zwischen der Differenz der Abstände r1 – r3 und der Differenz zwischen dem Außenradius r4 der Speicherplatte und dem Abstand r1 einen Einfluss auf die Stärke der Verformung (Coning) der Speicherplatte hat und somit bei vorgegebenen Abständen der Halteklammer => r3 und dem Außenradius der Speicherplatte => r4, kann der optimale Abstand des Auflagepunktes des Auflageflansches von der Drehachse folgendermaßen angegeben werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass folgendes Verhältnis für die Konstruktion und Fertigung der Rotorbauteile gilt: 1 / 250 < (r1 – r3) / (r4 – r1) < 1 / 150
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Bei diesem Verhältnis 1: (150 bis 250) tritt insbesondere bei 3,5-Zoll-Speicherplatten aus Glas, Aluminium oder Keramik die geringste Verformung auf.
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Ganz allgemein besteht die Erfindung darin, dass der Abstand r1 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der (unteren) Speicherplatte auf dem Auflageflansch und der Abstand r3 zwischen der Drehachse des Spindelmotors und dem Auflagepunkt der Halteklammer auf der (oberen) Speicherplatte in Abhängigkeit der Dimensionen der Halteklammer, der verwendeten Werkstoffe, der Anzahl der montierten Speicherplatten und der Anzahl der Abstandhalter und deren Dimensionen gewählt sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei 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 erfindungsgemäßen Spindelmotor mit mehreren montierten Speicherplatten und montierter Halteklammer.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Spindelmotors des Stands der Technik im Bereich des Auflageflansches für die Speicherplatten.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spindelmotors von 1 im Bereich des Auflageflansches mit montierter Halteklammer.
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4 zeigt einen nochmals vergrößerten Ausschnitt des Rotorbauteils (Nabe) im Bereich des Auflageflansches vor und nach Krafteinwirkung der Halteklammer.
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5 zeigt einen Teilschnitt durch einen Spindelmotor gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung mit einer einzelnen montierten Speicherplatte und aufgelegter, nicht angeschraubter Halteklammer ohne Krafteinwirkung.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, vorzugsweise eines 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerks.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche Teil des Spindelmotors ist und die Komponenten des Spindelmotors trägt. Die Basisplatte 10 ist beispielsweise aus Aluminium gefertigt und umfasst eine Öffnung, die von einem hülsenförmigen Rand 10a umgeben ist.
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Eine im Wesentlichen zylindrische Lagerbuchse 12 ist in der hülsenförmigen Öffnung der Basisplatte 10 angeordnet. Die Lagerbuchse 12 besteht beispielsweise aus Stahl; sie kann aber auch aus Keramik oder einem Sintermaterial bestehen. Die Lagerbuchse 12 ist vorzugsweise mit einer Klebeverbindung in der Basisplatte 10 befestigt.
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Mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 50, der bevorzugt zwischen dem am unteren Ende der Lagerbuchse 12 und einer Kerbe in der Basisplatte 10 aufgebracht wird, ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Lagerbuchse 12 und der Basisplatte 10 hergestellt, um eine statische Aufladung der Lagerbuchse 12 zu vermeiden.
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Die Lagerbuchse 12 umfasst eine zentrale Lagerbohrung, in welcher eine Welle 14 drehbar gelagert ist. Die Drehlagerung der Welle 14 in der Lagerbuchse 12 erfolgt mittels eines fluiddynamischen Lagersystems, das weiter unten beschrieben ist.
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An einem freien Ende der Welle 14 ist eine Nabe 16 befestigt, die sich mit der Welle 14 dreht und durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben ist.
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Das elektromagnetische Antriebssystem umfasst eine Statoranordnung 36, die beispielsweise an einem Außenumfang des umlaufenden Randes 10a der Basisplatte 10 angeordnet ist. Die Statoranordnung 36 besteht aus einem Statorkern mit einzelnen Statorzähnen, die mit Statorwicklungen bewickelt sind. Die Statorwicklungen werden in einer bestimmten Abfolge mit Strom versorgt, so dass sich um die Statoranordnung 36 ein rotierendes Magnetfeld ergibt.
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An einem Innenumfang der Nabe 16 ist ein Rotormagnet 38 befestigt, der radial gegenüberliegend des Außenumfangs der Statoranordnung 36 angeordnet ist. Durch das wechselnde Magnetfeld der Statoranordnung 36 wird der Rotormagnet 38 in Drehung versetzt und nimmt die Nabe 16 sowie die Welle 14 drehend mit. Die Drehung erfolgt um eine zentrale Rotationsachse 48.
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Die Welle 14 hat einen geringfügigen kleineren Durchmesser als die Lagerbohrung in der Lagerbuchse 12, so dass zwischen dem Innenumfang der Lagerbuchse 12 und dem Außenumfang der Welle 14 ein Lagerspalt 20 mit wenigen Mikrometern Breite gebildet wird. Dieser Lagerspalt 20 verläuft als axialer Abschnitt 20a in axialer Richtung, also parallel zur Rotationsachse 48.
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Zwischen einer oberen Stirnseite der Lagerbuchse 12 und einer unteren Fläche der Nabe 16 wird ein radialer Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 gebildet, der mit einem oberen Ende des axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts direkt verbunden ist.
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Der radiale Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 ist durch einen Dichtungsspalt 24 abgedichtet, der radial außen an den radialen Abschnitt 20b des Lagerspalts angrenzt und um etwa 90 Grad nach unten nahezu parallel zur Rotationsachse 48 in Richtung der Basisplatte 10 verläuft. Der Dichtungsspalt 24 ist gebildet zwischen einem Außenumfang der Lagerbuchse 12 und einer inneren Umfangsfläche eines Randes 16a der Nabe 16.
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An ihrem unteren Ende umfasst die Welle 14 einen Stopperring 14a, der in einer Aussparung der Lagerbuchse 12 angeordnet ist und ein Herausfallen der Welle 14 aus der Lagerbuchse 12 verhindert. An diesem Ende der Welle 14 ist das Lager durch eine Abdeckung 18 dicht verschlossen.
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Entlang des axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts 20 sind zwei fluiddynamische Radiallager 26 und 28 in einem axialen Abstand zueinander angeordnet. Die beiden Radiallager 26, 28 umfassen jeweils Lagerrillenstrukturen 26a und 28a, die auf einer oder beiden Lagerflächen der Lagerbohrung der Lagerbuchse 12 bzw. der Welle 14 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Lagerrillenstrukturen 26a, 28a auf der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 12 angeordnet.
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Zwischen den Radiallagern 26, 28 weitet sich der axiale Abschnitt 20a des Lagerspaltes 20 auf und wird deutlich breiter. Dieser verbreiterte Spalt wird als Separatorspalt 22 bezeichnet.
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Die Lagerrillenstrukturen 26a, 28a sind beispielsweise sinusförmig bzw. parabelförmig ausgebildet und zu mehreren über den Umfang der Lagerbohrung der Lagerbuchse 12 verteilt. Die Lagerrillenstrukturen können auch chevronförmig ausgebildet sein.
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Bezüglich ihres Scheitelpunktes bzw. Apexes können die Lagerrillenstrukturen 26a, 28a der Radiallager 26, 28 entweder asymmetrisch angeordnet sein oder aber eine asymmetrische Formgebung haben. Die Scheitelpunkte der Lagerrillenstrukturen 26a, 28a sind die Punkte, an denen eine angelegte Tangente parallel zur Rotationsachse 48 verläuft.
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In der dargestellten Ausgestaltung sind die Lagerrillenstrukturen 26a des oberen Radiallagers 26 leicht asymmetrisch ausgebildet, indem deren obere Äste länger sind als die unteren Äste, so dass sie eine überwiegende Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 28 ausüben.
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Die Lagerrillenstrukturen 28a des zweiten Radiallagers 28 können dagegen symmetrisch ausgebildet sein und erzeugen eine Pumpwirkung zu gleichen Teilen in beide Richtungen des axial verlaufenden Lagerspaltes 20a.
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Entlang des radialen Abschnitts 20b des Lagerspalts 20 ist ein fluiddynamisches Axiallager 30 angeordnet, das Axiallagerrillen umfasst, die auf einer oder beiden Lagerflächen der Lagerbuchse 12 bzw. der Unterseite der Nabe 16 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Axiallagerrillen auf der Stirnseite der Lagerbuchse 12 angeordnet. Die Axiallagerrillen können spiralförmig ausgebildet sein und erzeugen auf das im radialen Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung radial nach innen in Richtung des axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts 20.
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Durch diese Pumpwirkung wird außerdem die Gefahr eines Austretens von Lagerfluid aus dem Lagerspalt 20 bzw. Dichtungsspalt 24 verringert.
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Der Dichtungsspalt 24 ist vorzugsweise als kapillarer Dichtungsspalt ausgebildet und weist einen konischen Querschnitt auf, d. h. der Dichtungsspalt weitet sich ausgehend vom Lagerspalt 20 nach außen auf.
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Der Dichtungsspalt 24 ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt und dient als Ausgleichsreservoir bezüglich der Temperaturausdehnung des Lagerfluids und auch als Vorratsreservoir für das Lagerfluid, um für die Lebensdauer des Spindelmotors ausreichend Lagerfluid vorzuhalten. Geringe Mengen an Lagerfluid verdampfen über die Zeit, und diese verdampfende Menge muss beim verfügbaren Gesamtvolumen des Lagerfluids berücksichtigt werden.
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Über einen Rezirkulationskanal 32, der in Längsrichtung innerhalb der Lagerbuchse 12 leicht geneigt zur Rotationsachse 48 verläuft, kann eine Zirkulation des Lagerfluids innerhalb des Lagersystems sichergestellt werden.
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Im Rezirkulationskanal 32 fließt das Lagerfluid von unten nach oben, also vom Stopperring 14a der Welle 14 in Richtung des radial verlaufenden Abschnitts 20b des Lagerspalts 20, und wird durch das Axiallager 30 wieder radial nach innen befördert und weiter durch die Pumpwirkung des oberen Radiallagers 26 nach unten, wo es wiederum in den Rezirkulationskanal 32 eintritt und der Kreislauf von Neuem beginnt.
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Um eine übermäßige Verdunstung des Lagerfluids aus dem Dichtungsspalt 24 zu verhindern, ist jenseits des Dichtungsspalts 24 vorzugsweise eine Engstelle zur Außenatmosphäre in Form eines Luftspaltes 34 vorgesehen. Dieser Luftspalt 34 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche des Randes 16a der Nabe 16 und eine innere Umfangsfläche des Randes 10a der Basisplatte 10. Der Luftspalt 34 ist relativ lang, bis zu einigen Millimetern, und weist eine geringe Spaltbreite auf, so dass eine wirkungsvolle Dampfbremse gegen Verdunstung des Lagerfluids gegeben ist.
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Um die Lagerkräfte des einen Axiallagers 30 zu kompensieren und das Lagersystem im axialen Gleichgewicht zu halten, ist eine Gegenkraft in Form einer magnetischen Vorspannung vorgesehen. Die magnetische Vorspannung kann einerseits durch einen axialen Versatz zwischen dem Rotormagneten 38 und der Statoranordnung 36 erzielt werden, so dass sich eine magnetische axiale Kraft ergibt, die entgegen der Kraft des Axiallagers 30 wirkt. Zum anderen kann vorzugsweise ein ferromagnetischer Zugring 40 axial unterhalb der Stirnseite des Rotormagneten 38 vorgesehen sein.
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Dieser Zugring 40 wird vom Rotormagneten 38 magnetisch angezogen und erzeugt eine axiale magnetische Kraft, die ebenfalls entgegen der Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 30 wirkt und das Lagersystem im Gleichgewicht hält.
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Über eine elektrische Leiterplatte, die sich beispielsweise an der Unterseite der Basisplatte 10 befindet, wird eine elektrische Kontaktierung 42 der Statoranordnung 36 hergestellt.
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An der Außenseite der Nabe 16 ist ein Auflageflansch 16b angeordnet, auf dem ein Stapel von mehreren Speicherplatten 44 des Festplattenlaufwerks parallel zueinander montiert ist. Die Speicherplatten 44 werden mit Abstandhaltern 46 in einem gegenseitigen Abstand gehalten.
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Der Stapel von Speicherplatten 44 wird mittels einer Halteklammer 52 auf den Auflageflansch 16b gedrückt.
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Die Halteklammer 52 ist federelastisch ausgebildet und wird mittels einer zentralen Schraube 56, die in eine Bohrung der Welle 14 eingeschraubt wird, gehalten und vorgespannt. Die Halteklammer 52 drückt mit einer äußeren, konvex nach außen gekrümmten, ringförmigen Auflagefläche auf die obere Speicherplatte 44a des Stapels, wobei sich die eingeleitete Kraft entlang einer Wirkungslinie über die Speicherplatten 44 und Abstandhalter 46 bis auf den Auflageflansch 16b überträgt.
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Erfindungsgemäß liegt nach Montage der Speicherplatten 44 der Auflagepunkt 60a der Halteklammer 52 auf der oberen Speicherplatte 44a axial über dem Auflagepunkt 60b der unteren Speicherplatte 44b auf dem Auflageflansch 16b. Eine Verbindungslinie der beiden Auflagepunkte 60a, 60b der oberen und unteren Speicherplatte 44a, 44b verläuft also genau senkrecht zur Ebene der Speicherplatten 44 und gleichzeitig parallel zur Rotationsachse 48.
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Ferner sind die ringförmigen Abstandhalter 46 so ausgebildet und positioniert, dass deren Mittellinie ebenfalls auf der Verbindungslinie der beiden Auflagepunkte 60a, 60b liegt. Die Mittellinie der ringförmigen Abstandhalter 46 beschreibt dabei die Linie, die parallel zur Rotationsachse 48 verläuft und dabei durch den Mittelpunkt M zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser des ringförmigen Abstandhalters 46 verläuft.
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Somit wird die Kraft der Halteklammer 52 unmittelbar senkrecht auf den Stapel von Speicherplatten 44 und den Auflageflansch 16b ausgeübt, wodurch eine Verformung der Speicherplatten 44 durch die eingeleitete Kraft wesentlich reduziert wird.
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Hierzu trägt auch die spezielle Formgebung des Auflageflansches 16b bei, wie nachfolgend erläutert wird.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Spindelmotors des Stands der Technik nach der Montage der Speicherplatten 44 im Bereich des Auflageflansches 16b.
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Zu sehen ist, dass der Auflagepunkt 60a der Halteklammer 52 auf der oberen Speicherplatte 44a auch nach der Montage der Speicherplatten 44, also bei Krafteinwirkung der Halteklammer 52, radial weiter innen liegt als der Auflagepunkt 60b der unteren Speicherplatte 44a auf dem Auflageflansch 16b.
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Ebenfalls liegen die Mittellinien der Abstandhalter 46, die durch die Mittelpunkte M der Abstandhalter 46 verlaufen, nicht axial über dem Auflagepunkt 60b der unteren Speicherplatte 44b auf dem Auflageflansch 16b.
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Durch diese Anordnung wird das Verbiegen, also das sogenannte Coning, der Speicherplatten 44 und vor allem der unteren Speicherplatte 44b gefördert, wodurch eine gerade und ebene Ausrichtung der Speicherplatten 44 nicht mehr möglich ist. Dies kann zu Problemen während des Betriebs des Festplattenlaufwerks führen.
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3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des erfindungsgemäßen Spindelmotors von 1 im Bereich des Speicherplattenstapels bei montierter Halteklammer 52.
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Es ist zu erkennen, dass hier nach der Montage der Speicherplatten 44 der Auflagepunkt 60a der Halteklammer 52 auf der oberen Speicherplatte 44a axial über dem Auflagepunkt 60b der unteren Speicherplatte 44a auf dem Auflageflansch 16b liegt. Ebenfalls liegen die Mittellinien der Abstandhalter auf einer gedachten Verbindungslinie der beiden Auflagepunkte 60a, 60b der oberen und der unteren Speicherplatte 44a, 44b. Durch diese Ausgestaltung des Auflageflansches 16b und die dadurch gezeigte Anordnung Auflagepunkte 60a, 60b der oberen und der unteren Speicherplatte 44a, 44b sowie den Mittellinien der Abstandhalter 46 wird die Verbiegung der Speicherplatten 44, vor allem der unteren Speicherplatte 44b, stark reduziert.
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Bei Montage der Speicherplatten übt die Halteklammer 52 im Auflagepunkt 60a eine Kraft auf die obere Speicherplatte 44a des Speicherplattenstapels aus, die sie über die Abstandhalter 46 und die weiteren Speicherplatten 44 nach unten fortsetzt bis hin zur unteren Speicherplatte 44b, die die Kraft im Auflagepunkt 60b auf den Auflageflansch 16b überträgt. Der Auflageflansch 16b biegt sich durch die Krafteinwirkung nach unten in Richtung der Basisplatte 10, wie in 4 dargestellt.
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Die gestrichelte Linie zeigt dabei den Auflageflansch 16b vor der Montage der Speicherplatten 44, also in unverformtem Zustand ohne Krafteinwirkung der Halteklammer 52. Nach Krafteinwirkung der Haltklammer 52 verformt sich der Auflageflansch 16b und nimmt die Formgebung gemäß der durchgezogenen Umrisslinie an.
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Man erkennt, dass durch die Biegung des Auflageflansches 16b der höchste Punkt 60b' der konvexen Krümmung des Auflageflansches 16b des unbelasteten Zustands radial nach innen wandert und in den Auflagepunkt 60b der unteren Speicherplatte 44b auf dem Auflageflansch 16b nach Montage der Speicherplatten 44 übergeht, der bei nach unten gebogenem Auflageflansch 16b nun den höchsten Punkt der Krümmung der Oberfläche des Auflageflansches 16b definiert.
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Die konvexe Krümmung des Auflageflansches 16b ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass die Position des höchsten Punkts 60b' der konvexen Krümmung um einen bestimmten Betrag s radial nach innen wandert zum Auflagepunkt 60b. Diese Strecke s ist so bemessen, dass in belastetem Zustand, d. h. bei montierter Halteklammer 52, ein erster Abstand r1 zwischen der Rotationsachse 48 und dem Auflagepunkt 60b in belastetem Zustand gleich groß ist wie ein dritter Abstand r3 zwischen der Rotationsachse 48 und dem Auflagepunkt 60a der Halteklammer 52 auf der oberen Speicherplatte 44.
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Dadurch wird erreicht, dass die Wirkungslinie der eingeleiteten Kraft genau senkrecht zu den Speicherplatten 44 verläuft und damit parallel zur Rotationsachse 48 ausgerichtet ist.
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Durch diese Auslegung der Halteklammer 52 der Abstandhalter 46 und des Auflageflansches 16b ergibt sich eine wesentlich geringere Verformung der Speicherplatten 44 in montiertem Zustand.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Spindelmotors im Bereich des Auflageflansches 116b mit aufgelegter, noch nicht verschraubter Halteklammer 152 ohne Krafteinwirkung, und insbesondere einen vergrößerten Ausschnitt des Spindelmotors im Bereich des Auflageflansches 116b mit aufgelegter, noch nicht verschraubter Speicherplatte 144 und Halteklammer 152 ohne Krafteinwirkung.
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Man erkennt das Rotorbauteil in Form der Nabe 116, wobei am unteren, äußeren Rand der Nabe 116 ein Rotormagnet 138 und ein Rückschlussring 139 angeordnet sind.
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Der Auflageflansch 116b ist an der Außenseite der Nabe 116 angeordnet, wobei auf dem Auflageflansch 116b eine einzelne Speicherplatte 144 des Festplattenlaufwerks aufliegt. Die Oberfläche des Auflageflansches 116b weist eine konvexe Krümmung auf, wobei die Speicherplatte 144 auf dem höchsten Punkt der konvexen Krümmung aufliegt. Die Speicherplatte 144 wird mittels einer an der Nabe 116 mit Schrauben befestigten Halteklammer 152 auf den Auflageflansch 116b gedrückt.
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Die Halteklammer 152 ist federelastisch ausgebildet und wird mit der Nabe 116 verschraubt und vorgespannt. Die Halteklammer 152 drückt mit einer äußeren, konvex gekrümmten, ringförmigen Auflagefläche auf die Speicherplatte 144, wobei die von der Halteklammer 152 eingeleitete Kraft auf die Speicherplatte 144 und den Auflageflansch 116b überträgt.
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Nach der Montage der Speicherplatte 144 liegt der Auflagepunkt 160a der Halteklammer 152 auf der Speicherplatte 144 axial über dem Auflagepunkt 160b der Speicherplatte 144 auf dem Auflageflansch 116b. Eine Verbindungslinie der beiden Auflagepunkte 160a, 160b der Speicherplatte 144 verläuft also genau senkrecht zur Ebene der Speicherplatten 144 und gleichzeitig parallel zur Rotationsachse 148. Hierdurch wird eine durch die Krafteinleitung durch die Halteklammer 152 hervorgerufenen Verbiegung der einzelnen Speicherplatte 144 stark reduziert.
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Erfindungsgemäß ist vor der Montage der Speicherplatte 144 und bevor die Kraft der Halteklammer 152 einwirkt der Abstand r1 zwischen der Drehachse 148 des Spindelmotors und dem Auflagepunkt 160b der Speicherplatte 144 auf dem Auflageflansch 116b größer als Abstand r3 zwischen der Drehachse 148 des Spindelmotors und dem Auflagepunkt 160a der Halteklammer 152 auf der Speicherplatte 144.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist es daher vorgesehen, dass folgendes Verhältnis gilt: 1 / 250 < (r1 – r3) / (r4 – r1) < 1 / 150
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Beispielhafte Dimensionen für einen 3,5-Zoll-Spindelmotor für HDD-Anwendungen sind der Abstand r1 = 14,913 mm zwischen der Drehachse 148 des Spindelmotors und dem Auflagepunkt 160b der Speicherplatte 144 auf dem Auflageflansch 116b, der Abstand r3 = 14,732 mm zwischen der Drehachse 148 des Spindelmotors und dem Auflagepunkt 160a der Halteklammer 152 auf der Speicherplatte 144 und der Abstand r4 = 48,5 mm zwischen Drehachse und dem Außenrand der Speicherplatte 144.
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Die Erfindung wurde beispielhaft für einen Spindelmotor mit drehender Welle zum Antrieb eines 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerk sowie eines 3,5-Zoll-Festplattenlaufwerks gezeigt. Die Erfindung ist dabei jedoch nicht darauf beschränkt und kann ebenso in Spindelmotoren wie sie in der
DE 10 2014 007 155 A1 , der
DE 10 2013 015 437 A1 oder der
DE 10 2011 016 888 A1 dargestellt sind zum Einsatz kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 10a
- Rand
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 14a
- Stopperring
- 16, 116
- Nabe
- 16a
- Rand
- 16b, 116b
- Auflageflansch
- 18
- Abdeckung
- 20
- Lagerspalt
- 20a
- axial verlaufender Abschnitt
- 20b
- radial verlaufender Abschnitt
- 22
- Separatorspalt
- 24
- Dichtungsspalt
- 26
- fluiddynamisches Radiallager
- 26a
- Lagerrillen
- 28
- fluiddynamisches Radiallager
- 28a
- Lagerrillen
- 30
- fluiddynamisches Axiallager
- 32
- Rezirkulationskanal
- 34
- Luftspalt
- 36
- Statoranordnung
- 38, 138
- Rotormagnet
- 139
- Rückschlussring
- 40
- ferromagnetischer Zugring
- 42
- elektrische Kontaktierung
- 44, 144
- Speicherplatten
- 44a
- obere Speicherplatte
- 44b
- untere Speicherplatte
- 46
- Abstandhalter
- 48, 148
- Rotationsachse
- 50
- elektrisch leitender Klebstoff
- 52, 152
- Halteklammer
- 56
- Schraube
- 60a, 160a
- Auflagepunkt obere Speicherplatte
- 60b, 160b
- Auflagepunkt untere Speicherplatte
- 60b'
- höchster Punkt der konvexen Krümmung
- r1
- Abstand
- r2
- Abstand
- r3
- Abstand
- r4
- Außenradius der Speicherplatte
- M
- Mittelpunkt Abstandhalter
- S
- Betrag
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013014229 A1 [0003]
- DE 102014007155 A1 [0099]
- DE 102013015437 A1 [0099]
- DE 102011016888 A1 [0099]
