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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Luftlagersystem zur Drehlagerung
eines Motors, insbesondere eines Spindelmotors, wie er zum Antrieb der
Speicherplatte(n) eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird. Im
Rahmen der Erfindung wird unter einem fluiddynamischen Luftlagersystem
jedes mit einem gasförmigen
Lagerfluid betriebene fluiddynamische Lagersystem verstanden.
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Spindelmotoren
besitzen im wesentlichen einen Stator, einen Rotor und mindestens
ein zwischen diesen beiden Teilen angeordnetes Lagersystem.
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Der
elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems
gegenüber
dem Stator drehgelagert. Als Lagersystem werden unter anderem fluiddynamische
Lagersysteme eingesetzt.
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Eine
bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem
Lagersystem ist in der
DE
102 39 650 B3 offenbart. Das Lagersystem umfasst eine Welle
und eine Lagerhülse,
die eine axiale Bohrung zur Aufnahme der Welle aufweist. Die Welle rotiert
frei in der feststehenden Hülse
und bildet zusammen mit dieser ein Radiallager. Die in gegenseitiger
Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Hülse sind
durch einen dünnen,
konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander
beabstandet. In wenigstens einer Lageroberfläche ist eine Oberflächenstruktur
eingearbeitet, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung
zwischen Hülse
und Welle lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche
Lagerfluid ausübt.
Auf diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die zur Ausbildung
eines homogenen und gleichmäßig dicken
Schmiermittelfilms innerhalb des Lagerspalts führt, der durch Zonen fluiddynamischen
Druckes stabilisiert wird. Die Welle trägt eine Rotorglocke, auf der
z. B. Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind.
Eine Verschiebung der beschriebenen Anordnung entlang der Rotationsachse
wird durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager
verhindert. Die fluiddynamischen Drucklager werden vorzugsweise
durch die beiden Stirnflächen
einer am Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, wobei
der einen Stirnfläche
der Druckplatte eine entsprechende Stirnfläche der Hülse und der anderen Stirnfläche die
innenliegende Stirnfläche
einer Abdeckung zugeordnet ist. Die Abdeckung bildet also ein Gegenlager
zur Druckplatte und verschließt
die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den
mit Lagerfluid gefüllten
Lagerspalt eindringt. Bei dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges Lagerfluid,
beispielsweise ein Lageröl
verwendet.
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Sollen
statt fluiddynamischer Öllagersysteme
Luftlagersysteme bzw. allgemein Gaslagersysteme eingesetzt werden,
erfordert die im Vergleich zu Öl
wesentlich geringere Viskosität
von Gasen größere Lagerflächen, um
die benötigten
Lagersteifigkeiten in einem Gas- oder Luftlager bei vergleichbaren Drehzahlen
zu erreichen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Luftlagersystem
anzugeben, das in bezug auf ein Öllagersystem
bei vergleichbarer Baugröße, insbesondere
Bauhöhe,
eine vergleichbare Lagersteifigkeit und Tragkraft aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße fluiddynamische Luftlagersystem
zur Drehlagerung eines Motors umfasst eine feststehende Welle, eine
die Welle teilweise umgebende und mit der Welle verbundene Lagerbuchse,
eine die Welle teilweise umgebende und mit der Welle verbundene
Lagerplatte, wobei die Welle, die Lagerbuchse und die Lagerplatte
zwischen sich einen in Bezug auf eine Rotationsachse rotationssymmetrischen
Hohlraum ausbilden. In dem Hohlraum ist drehbar ein die Welle teilweise
umgebendes Bauteil mit einem hülsenförmigen Abschnitt
und einem scheibenförmigen
Abschnitt aufgenommen, wobei ein mit Luft oder mit Gas gefüllter Lagerspalt
die Oberfläche
des drehbaren Bauteils und die dem drehbaren Bauteil zugewandten
Oberflächen
der Welle, der Lagerbuchse und der Lagerplatte voneinander trennt.
Das Lagersystem umfasst ferner mindestens ein Radiallager, gebildet
zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Welle und des hülsenförmigen Abschnitts,
mindestens ein Radiallager, gebildet zwischen den einander zugewandten Oberflächen des
hülsenförmigen Abschnitts
und der Lagerbuchse, und mindestens ein Axiallager, gebildet zwischen
den stirnseitigen Oberflächen
des scheibenförmigen
Abschnitts des drehbaren Bauteils und den diesen Oberflächen jeweils
zugewandten Oberflächen
der Lagerbuchse und der Lagerplatte.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung bilden durch den Lagerspalt getrennte
Oberflächen
des hülsenförmigen Abschnitts
des drehbaren Bauteils und der Lagerplatte ein zusätzliches
Radiallager aus.
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Andererseits
können – sofern
das drehbare Bauteil mit einen Rotor verbunden ist – durch
einen Lagerspalt getrennte und einander zugewandte Oberflächen des
Rotors und der Lagerplatte ein zusätzliches Axiallager ausbilden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass
am freien Ende der Hülse
eine Druckplatte angeordnet ist, die in einer von der Lagerbuchse
und einer Abdeckplatte gebildeten Ausnehmung aufgenommen und vom
Lagerspalt umgeben ist, wobei die stirnseitigen Oberflächen der
Druckplatte und die diesen Oberflächen jeweils zugewandten Oberflächen der
Lagerbuchse und der Abdeckplatte jeweils ein Axiallager ausbilden.
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Die
beschriebenen Radiallager und Axiallager sind in bekannter Weise
jeweils durch Oberflächenstrukturen
gekennzeichnet, die auf mindestens einer der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht sind
und eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft oder
das Gas ausüben.
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Im
Gegensatz zu anderen bekannten Lageranordnungen ist der Lagerspalt
erfindungsgemäß durchgehend
ausgebildet und weist zwei offene Enden auf, die mit der Umgebungsatmosphäre verbunden
sind.
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Jedes
der beiden auf das drehende Bauteil wirkende Axiallager grenzt an
ein offenes Ende des Lagerspaltes an. Je nach Ausgestaltung des
Lagersystems können
entweder die Oberflächenstrukturen jedes
Axiallagers eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft
ausüben,
die überwiegend
in Richtung des anderen Endes des Lagerspalts gerichtet ist, oder
die Oberflächenstrukturen
der Axiallager und/oder der Radiallager üben gemeinsam eine Pumpwirkung
auf die im Lagerspalt befindliche Luft aus, die in eine definierte
Richtung von einem Ende des Lagerspaltes zum anderen Ende des Lagerspaltes
gerichtet ist.
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Dabei
wird durch die Pumpwirkung der Oberflächenstrukturen Luft aus der
Umgebung, vorzugsweise durch einen feinen Filter, in den Lagerspalt
gesaugt.
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Das
beschriebene Lagersystem eignet sich zur Drehlagerung von Motoren,
insbesondere von Spindelmotoren. Zu diesem Zweck ist der Außendurchmesser
des scheibenförmigen
Abschnitts des drehbaren Bauteils vorzugsweise größer als
der Außendurchmesser
von Lagerbuchse und Lagerplatte, so dass der scheibenförmige Abschnitt
des drehbaren Bauteils leicht mit dem Rotor des Motors verbunden
werden kann, z. B. mittels einer Pressverbindung.
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Das
erfindungsgemäße Luftlagersystem
ermöglicht
es, trotz der im Vergleich zu Öllagern
benötigten
größeren Lagerflächen, Motoren
und insbesondere Spindelmotoren mit geringer Baugröße und insbesondere
geringer Bauhöhe
herzustellen, wie sie in modernen Speicherplattenlaufwerken benötigt werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Aus den Zeichnungen
und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und
Anwendungsgebiete der Erfindung. Es zeigen:
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1:
eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Luftlagersystems;
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2:
eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Luftlagersystems;
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3:
eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Luftlagersystems;
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4:
eine schematische Schnittdarstellung einer vierten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Luftlagersystems;
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung
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Die
Figuren zeigen Innenläuferausführungen von
erfindungsgemäßen Luftlagern
für Festplattenmotoren.
Für Außenläufermotoren
oder Scheibenläufermotoren
lässt sich
das Prinzip leicht anpassen.
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Das
Luftlager in 1 umfasst eine feststehende
Welle 1 und eine die Welle 1 teilweise umgebende
und mit der Welle 1 verbundene Lagerbuchse 5.
Ferner ist eine die Welle teilweise umgebende und mit der Welle
verbundene Lagerplatte 6 vorgesehen. Lagerbuchse 5 und
Lagerplatte 6 sind an entgegengesetzten Enden der Welle 1 angeordnet,
so dass sich zwischen der Welle 1, der Lagerbuchse 5 und der
Lagerplatte 6 ein in Bezug auf eine Rotationsachse 9 rotationssymmetrischer
Hohlraum ausbildet. In diesem Hohlraum ist ein Bauteil 2 drehbar
aufgenommen, wobei die Außenabmessungen
des Bauteils 2 geringfügig
kleiner sind als die Abmessungen des Hohlraums, so dass sich zwischen
der Oberfläche des
drehbaren Bauteils 2 und den dem drehbaren Bauteil zugewandten
Oberflächen
der Welle 1, der Lagerbuchse 5 und der Lagerplatte 6 ein
Lagerspalt 16 ausbildet, der mit Luft oder einem Gas gefüllt ist. Das
drehbare Bauteil 2 umfasst einen die Welle 1 größtenteils
umgebenden hülsenförmigen Abschnitt 3,
sowie einen vorzugsweise an einem Ende des hülsenförmigen Abschnitts 3 angeordneten
scheibenförmigen
Abschnitt 4, der einen ausgeprägten radial nach außen sich
erstreckenden Bund bildet. Der Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts 4 ist
größer als
der Außendurchmesser
der Lagerbuchse 5 bzw. der Lagerplatte 6 und ist
mit einem Rotor 7 eines Motors verbunden. Am Rotor 7 sind
Permanentmagnete 8 angeordnet, die einen Teil des elektromagnetischen
Antriebssystems des Motors darstellen. Die übrigen Komponenten des Antriebssystems,
wie z. B. Statorwicklungen, sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Luftlager eine große
Radiallagerfläche,
die vornehmlich durch die Formgebung des rotierenden Bauteils 2 erreicht
wird. Sowohl der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser
des hülsenförmigen Abschnitts 3 des Bauteils 2 umfasst
vorzugsweise mehrere Radiallager. Die inneren Radiallager 10, 11 werden
von der Innenoberfläche
des hülsenförmigen Teils 3 sowie der
Außenoberfläche der
Welle 1 gebildet. Die äußeren Radiallager 12, 13 werden
durch die Außenoberfläche des
hülsenförmigen Teils 3 sowie
die Innenoberfläche
der Lagerbuchse 5 gebildet. Durch die Addition der Tragfähigkeiten
der hier sich jeweils gegenüberliegenden
Radiallager 10, 11 und 12, 13 ergibt sich
eine hohe radiale Steifigkeit des Lagersystems.
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Zwei
großflächige Axiallager 14, 15,
gebildet zwischen den stirnseitigen Oberflächen des scheibenförmigen Abschnitts 4 des
drehbaren Bauteils 2 und den diesen Oberflächen jeweils
zugewandten Oberflächen
der Lagerbuchse 5 und der Lagerplatte 6, stellen
die benötigte
axiale Steifigkeit des Lagersystems sicher. Die Radiallager 10 bis 13 sowie
die Axiallager 14, 15 sind in bekannter Weise
durch Oberflächenstrukturen
gekennzeichnet, die auf mindestens eine der gepaarten Lageroberflächen aufgebracht
sind, um eine Pumpwirkung auf die im Lagerspalt befindliche Luft
oder das Gas ausüben.
Die Ausgestaltungen solcher Oberflächenstrukturen, z.B. als fischgrätartige
Rillenmuster (Radiallager) oder spiralförmige Rillenmuster (Axiallager),
sind einem Fachmann bekannt und daher in den Zeichnungen nicht näher dargestellt.
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In 1 sind
alle Lager, sowohl die Radiallager 10-13 als auch
die Axiallager 14, 15 als symmetrische Lager,
d.h. Lager mit symmetrischen Oberflächenstrukturen dargestellt,
welche eine gleichmäßige Pumpwirkung
im Lagerspalt erzeugen, also keine überwiegend in eine Richtung
gerichtete Pumpwirkung.
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Im
Gegensatz zu einem Lagersystem mit einer rotierenden Welle ermöglicht die
dargestellte Verwendung einer stehenden Welle 1 eine beidseitige Befestigung
der Lageranordnung. Durch diese Art der Einspannung kann die Verbindung
von Welle 1 und Lagerhülse 5 entsprechend
schwach ausgelegt werden.
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2 zeigt
eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems, dessen Aufbau sich
nur wenig vom Lagersystem gemäß 1 unterscheidet.
Die Welle 20 ist in der Lagerhülse 24 einseitig eingespannt
und umfasst am anderen Ende eine Lagerplatte 25. Das rotierende
Bauteil 21 mit dem hülsenförmigen Abschnitt 22 und
dem scheibenförmigen
Abschnitt 23 befindet sich in dem durch die Welle 20,
die Lagerhülse 24 sowie
die Lagerplatte 25 gebildeten Hohlraum. Aufgrund der einseitigen
Einspannung der Welle 20 lediglich in der Lagerbuchse 24 ist
der Rotor 26 oben geschlossen ausgeführt. Das ermöglicht bei
einer definierten Pumprichtung des Lagersystems eine Filterung der
angesaugten Luft durch einen im Rotor 26 angeordneten Filter 28. Am
Außenumfang
umfasst der Rotor 26 wiederum Magnete 27 des elektromagnetischen
Antriebs.
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Im
Gegensatz zur Lageranordnung gemäß 1 ist
bei der Ausgestaltung von 2 die Pumpwirkung
der beiden Axiallager 33, 35 jeweils nach innen
in Richtung des Lagerspaltes 36 gerichtet, um die Luft
im Lagerspalt zu komprimieren. Die Radiallager 29 bis 31 sind
auf dem Innen- wie auf dem Außendurchmesser
des hülsenförmigen Abschnitts 22 des
drehbaren Bauteils 21 angeordnet, wie es in Verbindung
mit 1 bereits beschrieben wurde. Zwei Axiallager 33, 34 werden
durch die stirnseitigen Oberflächen
des scheibenförmigen
Abschnitts 23 des drehbaren Bauteils 21 und den
diesen Oberflächen
jeweils zugewandten Oberflächen
der Lagerbuchse 24 und der Lagerplatte 25 gebildet.
Bei dieser Anordnung ist es vorteilhaft, ein weiteres Axiallager 35 zwischen
der Unterseite des Rotors 26 und der Oberseite der Lagerplatte 25 vorzusehen.
Das Axiallager 25 bewirkt eine im oberen Lagerspalt 37 radial nach
außen
gerichtete Pumpwirkung auf die darin befindliche Luft bzw. das darin
befindliche Gas. Wie man im rechten Teil von 2 erkennt,
wird die Luft durch die Pumpwirkung des oberen Axiallagers 35 durch
den Filter 28 angesaugt, im Lagerspalt 37 radial
nach außen
befördert
und gelangt in den Lagerspalt 36, wo sie durch die Pumpwirkung
des Axiallagers 33 weiter nach innen durch den Lagerspalt 36 transportiert
wird. Die Pumpwirkung des Axiallagers 34 saugt die Luft
aus dem Lagerspalt 36 heraus, so dass diese nach außen zwischen
der Lagerbuchse 24 und dem Rotor 26 ins Freie
austreten kann.
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3 zeigt
eine gegenüber
den 1 und 2 stark abgewandelte Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Lagersystems.
Die Welle 40 ist zwischen einer unteren Lagerbuchse 43 und
einer oberen Lagerplatte 44 eingespannt, so dass sich ein
entsprechender Hohlraum ergibt, in dem ein drehbares Bauteil in
Form einer Hülse 41 und
einem damit fest verbundener scheibenförmigen Platte 42 drehbar aufgenommen
ist, wobei zwischen den feststehenden Teilen 40, 43, 44 und
den rotierenden Teilen 41, 42 ein Lagerspalt 53 verbleibt.
Ein Rotor 45 ist mit dem Bund 42 verbunden und
rotiert zusammen mit Bund 42 und Hülse 41 um die Rotationsachse 9 der Welle 40.
Am Außenumfang
des Rotors 45 sind Magnete 46 des elektromagnetischen
Antriebsystems angeordnet.
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Mit
der hier gezeigten Lageranordnung wird gegenüber den Ausgestaltungen in
den 1 und 2 eine noch größere radiale
Steifigkeit erreicht, indem das scheibenförmige Bauteil 42 mehr
in Richtung der Mitte der Hülse 41 verschoben
wird. Die Anordnung der beiden Axiallager 51 und 52 bleibt
gegenüber
den 1 und 2 unverändert. Durch die definierte
Pumprichtung der Axiallager 51 und 52 in Richtung
des Inneren des Lagerspaltes 53 wird die Luft in den Lagerspalt
gedrückt.
Die beiden äußeren Radiallager 49, 50 und
die beiden inneren Radiallager 47, 48 liegen sich
nun direkt gegenüber,
so dass sich eine gleichmäßige Verteilung
der Lagerkräfte
ergibt. Die Hülse 41 sowie
das scheibenförmige
Bauteil 42 sind vorzugsweise als getrennte Teile ausgeführt, können aber
auch aus einem Teil bestehen. Die getrennte Konstruktionsweise kann
natürlich
auch bei den Lagersystemen gemäß den 1 und 2 angewandt
werden.
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4 zeigt
eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems. Die Welle 60 ist fest
in einer Lagerplatte 65 eingespannt, die wiederum in einer
Ausnehmung der Lagerbuchse 64 aufgenommen ist. Das rotierende
Bauteil 61 umfasst einen hülsenförmigen Abschnitt 62,
einen ersten scheibenförmigen
Abschnitt 63 sowie einen zweiten scheibenförmigen Abschnitt 69 in
Form einer Druckplatte. Die scheibenförmigen Abschnitte 63 und 69 sind
an gegenüberliegenden
Enden der Hülse 62 angeordnet. Der
hülsenförmige Abschnitt 62 sowie
die Druckplatte 69 sind in einem Hohlraum angeordnet, der
durch die Welle 60, die Lagerplatte 65 sowie die
Lagerbuchse 64 gebildet wird und ist von einem Lagerspalt 76 umgeben.
Der obere scheibenförmige
Abschnitt 63 des rotierenden Bauteils 61 trägt den nach
oben geschlossenen Rotor 66 mit den Magneten 67.
Es sind wiederum vier Radiallager 70-73 vorgesehen, wobei
sich die beiden inneren Radiallager 70, 71 zwischen
der Welle 60 und dem Innendurchmesser der Hülse 62 befinden.
Die beiden äußeren Radiallager 72, 73 wirken
zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbuchse 64 und dem
Außendurchmesser
des hülsenförmigen Bauteils 62.
Die axialen Kräfte
werden durch zwei Axiallager 74, 75 aufgenommen,
die von den Oberflächen
der Druckplatte 69 und den entsprechenden Oberflächen der
Lagerbuchse 64 und der Lagerplatte 65 gebildet
werden. Der Rotor kann wiederum einen Filter 68 enthalten,
um die in den Lagerspalt 76 gelangende Luft von Schmutzpartikeln
zu reinigen. Durch eine definierte Pumprichtung der Axiallager 74, 75 bzw.
der Radiallager 70-73 wird die Luft von außen durch
den Filter 68 in den Lagerspalt 76 eingesaugt.
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Ein
weiteres Axiallager 77 kann zwischen der Lagerbuchse 64 und
dem scheibenförmigen
Abschnitt 63 des drehbaren Bauteils 61 gebildet
sein.
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- 1
- Welle
- 2
- Drehbares
Bauteil
- 3
- Abschnitt
(hülsenförmig)
- 4
- Abschnitt
(scheibenförmig)
- 5
- Lagerbuchse
- 6
- Lagerplatte
- 7
- Rotor
- 8
- Magnet
- 9
- Rotationsachse
- 10
- Radiallager
- 11
- Radiallager
- 12
- Radiallager
- 13
- Radiallager
- 14
- Axiallager
- 15
- Axiallager
- 16
- Lagerspalt
- 20
- Welle
- 21
- Drehbares
Bauteil
- 22
- Abschnitt
(hülsenförmig)
- 23
- Abschnitt
(scheibenförmig)
- 24
- Lagerbuchse
- 25
- Lagerplatte
- 26
- Rotor
- 27
- Magnet
- 28
- Filter
- 29
- Radiallager
- 30
- Radiallager
- 31
- Radiallager
- 32
- Radiallager
- 33
- Axiallager
- 34
- Axiallager
- 35
- Axiallager
- 36
- Lagerspalt
- 37
- Lagerspalt
- 40
- Welle
- 41
- Hülse
- 42
- Platte
(scheibenförmig)
- 43
- Lagerbuchse
- 44
- Lagerplatte
- 45
- Rotor
- 46
- Magnet
- 47
- Radiallager
- 48
- Radiallager
- 49
- Radiallager
- 50
- Radiallager
- 51
- Axiallager
- 52
- Axiallager
- 53
- Lagerspalt
- 60
- Welle
- 61
- Drehbares
Bauteil
- 62
- Abschnitt
(hülsenförmig)
- 63
- Abschnitt
(scheibenförmig)
- 64
- Lagerbuchse
- 65
- Lagerplatte
- 66
- Rotor
- 67
- Magnet
- 68
- Filter
- 69
- Druckplatte
- 70
- Radiallager
- 71
- Radiallager
- 72
- Radiallager
- 73
- Radiallager
- 74
- Axiallager
- 75
- Axiallager
- 76
- Lagerspalt
- 77
- Axiallager