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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme
werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt,
die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet
werden.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische
Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare
Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen
einen mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten
Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen
zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerstrukturen vorgesehen.
In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerstrukturen in Form von
Rillenmustern als Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise
auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese
auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten
Lagerstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei
relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen
hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise
sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige
Lagerstrukturen verwendet, die in an einer Fläche parallel
zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von
mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern
werden beispielsweise spiralförmige Lagerstrukturen verwendet,
die in einer Ebene quer zur Rotationsachse angeordnet werden. Bei
einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von
Festplattenlaufwerken ist meist eine Welle drehbar in einer Lagerbohrung
einer Lagerbuchse gelagert. Die Welle hat einen Durchmesser von
beispielsweise wenigen Millimetern.
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Die
US 6,920,013 B2 A1
zeigt in
2 ein gattungsgemäßes
fluiddynamisches Lagersystem nach dem Stand der Technik. Das Lagersystem
umfasst eine feststehende Lagerbuchse, die eine zentrale Bohrung
aufweist. In die Bohrung der Lagerbuchse ist eine Welle eingesetzt,
deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser
der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und
der Welle verbleibt ein Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid gefüllt
ist und zwei fluiddynamische Radiallager umfasst, mittels denen
die Welle um eine Rotationsachse drehbar in der Bohrung der Lagerbuchse
gelagert ist. Am unteren Ende der Welle ist in einer Aussparung
der Lagerbuchse ein Flanschring als Stopperelement angeordnet, der
das axiale Spiel der Welle begrenzt und insbesondere ein Herausfallen der
Welle aus der Lagerbuchse verhindert. Die Radiallager sind in bekannter
Weise durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche
der Welle und/oder Lagerbuchse aufgebracht sind. Ein freies Ende
der Welle ist mit einer Nabe verbunden, deren untere Fläche
zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches
Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der Oberflächen des
Axiallagers mit Lagerstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle
eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe und Stirnseite der Lagerbuchse
befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager tragfähig
wird. Zwischen dem Axiallagerbereich und dem Bereich unterhalb des
unteren Radiallagers ist ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der
die gegenüberliegenden Abschnitte des Lagerspalts miteinander
verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids und einen Druckausgleich
im Lagerspalt unterstützt. Dabei befindet sich die obere Öffnung
des Rezirkulationskanals zwischen dem Axiallager und dem oberen
Radiallager.
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Die
Steifigkeit des Lagers hängt unter anderem ab von dem axialen
Abstand der Radiallager sowie dem Durchmesser des Axiallagers. Je
größer der axiale Abstand der Radiallager, desto
größer ist die Steifigkeit des Lagers. Je größer
der Durchmesser des Axiallagers, desto größer
ist die Lagersteifigkeit. Dadurch, dass am unteren Ende der Welle
ein Flanschring als Stopperelement angeordnet ist, wird die maximal
verfügbare axiale Länge zur Anordnung der Radiallager
reduziert. Ferner dreht sich der Stopperring zusammen mit der Welle
im Lagerfluid und erzeugt ein Reibungsmoment, welches die Effizienz des
Lagers herabsetzt. Außer als sogenannter Stopperring hat
der Flanschring keine andere Funktion.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager, insbesondere
für einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, anzugeben,
das verbesserte Lagereigenschaften in Bezug auf Lagersteifigkeit
und Effizienz aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem
mit den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das
fluiddynamische Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse
und eine relativ zur Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbare
Welle, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen
einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden.
An einem Ende der Welle ist ein mit der Welle einteilig oder separat
ausgebildeter Flanschring angeordnet, der getrennt durch den Lagerspalt
in einer Aussparung der Lagerbuchse aufgenommen ist. Einander zugeordnete
Lagerflächen der Welle und der Lagerbuchse bilden mindestens
ein erstes Radiallager aus, und es ist mindestens ein erstes Axiallager
vorgesehen.
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Erfindungsgemäß bilden
einander zugeordnete, an einem Außenumfang des Flanschrings
und an einem in den Umfang der Lagerbuchse angeordnete Lagerflächen
ein zweites Radiallager aus.
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Dadurch,
dass das zweite Radiallager am Außenumfang des Flanschrings
angeordnet ist, kann der axiale Abstand der beiden Radiallager im
Vergleich zu einem Lagesystem nach dem Stand der Technik vergrößert
werden, bei gleichbleibender Bauhöhe des Lagers. Durch
den größeren axialen Abstand der Radiallager nimmt
daher auch die Lagersteifigkeit des erfindungsgemäßen
Lagers im Vergleich zum Stand der Technik zu. Alternativ kann man die
axiale Bauhöhe des Lagers reduzieren und erhält dennoch
dieselbe Lagesteifigkeit wie bei einem Lager nach dem Stand der
Technik, da der axiale Abstand der Radiallager gleich bleibt.
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Erfindungsgemäß ist
der Außendurchmesser des Flanschrings deutlich größer
als der Außendurchmesser der Welle, so dass das zweite
Radiallager auf einem größeren radialen Durchmesser
angeordnet ist, als das erste Radiallager. Aufgrund seines größeren
Durchmessers hat das zweite Radiallager eine größere
wirksame Fläche, so dass dessen Tragkraft bei gleicher
Lagerhöhe und gleichem Radiallagerspalt wesentlich größer
ist als die Tragkraft des ersten Radiallagers.
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Daher
kann man beispielsweise, um eine gleiche Steifigkeit der beiden
Radiallager zu erreichen, die axiale Höhe des zweiten Radiallagers
geringer wählen als die axiale Höhe des ersten
Radiallagers, so dass die Bauhöhe des gesamten Lagers insgesamt
reduziert werden kann. Man kann aber auch die Breite des Lagerspaltes
im Bereich des zweiten Radiallagers größer wählen
als die Breite des Lagerspalts im Bereich des ersten Radiallagers, so
dass die Toleranzvorgaben der Lagerbauteile, insbesondere des Flanschrings
großzügiger sein können, als bei bisherigen
Lagern aus dem Stand der Technik.
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Wie
bereits weiter oben erwähnt wurde, kann der Flanschring
als ein Teil der Welle ausgebildet sein oder aber als separates
Bauteil an der Welle befestigt werden, beispielsweise durch eine
Press- oder Schweißverbindung. Die Welle besteht vorzugsweise aus
Stahl, wobei ein separater Flanschring ebenfalls aus Stahl, beispielsweise
SUS 430, oder aus Silikonbronze, C65500, oder auch Phosphorbronze
C5100, bestehen kann.
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Vorzugsweise
beträgt die axiale Länge des Flanschrings mindestens
10% der axialen Länge der Welle. Je größer
die axiale Länge des Flanschrings ist, desto größer
sind auch die erreichbaren Lagerkräfte im zweiten Radiallager.
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Gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann ein in der Lagerbuchse
verlaufender Rezirkulationskanal vorhanden sein. Je nach Ausgestaltung
der Erfindung kann der Rezirkulationskanal beispielsweise einen
an das Axiallager sowie an die Kapillardichtung angrenzenden Abschnitt des
Lagerspalts mit einem an dem Flanschring angrenzenden Abschnitt
des Lagerspaltes miteinander verbinden. Es ist jedoch auch möglich,
dass der Rezirkulationskanal einen an das Axiallager angrenzenden
Abschnittes Lagerspalts mit einem zwischen den beiden Radiallagern
verlaufenden Abschnittes Lagerspalts miteinander verbindet.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Rezirkulationskanal
in der Welle angeordnet sein und einen an den Flanschring angrenzenden
Abschnitt des Lagerspaltes mit einem zwischen den beiden Radiallagern
verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes miteinander verbinden.
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An
dem freien Ende der Welle, welches über die Lagerbuchse
hinaus steht, ist ein Rotor angeordnet, der zusammen mit der Welle
rotiert. Der Rotor weist an einer der Lagerbuchse zugewandten Seite eine
ringförmige, radial verlaufende Lagerfläche auf, die
durch den Lagerspalt von einer auf einer Stirnfläche der
Lagerbuchse angeordneten ringförmige Lagerfläche
getrennt ist und zusammen mit dieser das erste Axiallager ausbildet.
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Erfindungsgemäß können
jedoch noch weitere Axiallager vorgesehen sein. Es können
auf einer oder beiden über den Durchmesser der Welle herausstehenden
Stirnseiten des Flanschrings und/oder auf einer oder beiden den
Stirnseiten des Flanschrings gegenüberliegenden Flächen
der Lagerbuchse bzw. der Abdeckplatte zusätzliche Lagerstrukturen angeordnet
seien, die ein zweites und/oder drittes Axiallager ausbilden.
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Das
erfindungsgemäße Lagersystem kann zur Drehlagerung
eines Spindelmotors vorgesehen sein, welcher eine Basisplatte zur
Aufnahme der Lagerbuchse umfasst sowie ein elektromagnetisches Antriebssystem
zum Drehantrieb des Rotors und der Welle.
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Ein
solcher Spindelmotor kann erfindungsgemäß in einem
Festplattenlaufwerk zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen
Speicherplatte verwendet werden, wobei das Festplattenlaufwerk eine
Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf
oder von der magnetischen Speicherplatte umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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2 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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3 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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4 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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5 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer fünften
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf einen separaten Flanschring zur Befestigung
an der Welle.
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7 zeigt
eine mögliche Ausbildung der Lagerstrukturen eines Axiallagers,
insbesondere eines durch den Flanschring und die Lagerbuchse gebildeten
Axiallagers.
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8 zeigt
eine mögliche Ausbildung der Lagerstrukturen eines Axiallagers,
insbesondere eines durch den Flanschring und die Lagerbuchse gebildeten
Axiallagers.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen der Erfindung
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1 zeigt
eine erste Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen
Lagersystem. Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den 2 bis 5 bauen
auf dem in 1 gezeigten Beispiel auf. In
den Zeichnungen sind gleiche Teile durchweg mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Der
Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, welche eine zentrale Öffnung
zur Aufnahme einer Lagerbuchse 12 aufweist. Eine Welle 14 ist
in einer Bohrung der Lagerbuchse 12 drehbar aufgenommen,
wobei die Welle 14 an ihrem aus der Lagerbuchse 12 herausstehenden
Ende einen Rotor 22 trägt. Der Rotor 22 umfasst
eine planebene Unterseite, die einer Stirnseite der Lagerbuchse 12 gegenüberliegt
und von dieser durch einen Lagerspalt 20 getrennt ist.
Die Unterseite des Rotors 22 bildet mit der Stirnseite
der Lagerbuchse 12 ein erstes Axiallager 28 aus,
während die Welle 14 und die Lagerbuchse 12 ein
erstes Radiallager 24 ausbilden. Der Lagerspalt 20 erstreckt
sich zwischen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 und
weiter zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 12 und der
Unterseite des Rotors 22. Am Außendurchmesser
des ersten Axiallagers 28 geht der Lagerspalt 20 in
einen Spalt mit größerem Spaltabstand über,
welcher als Dichtungsspalt 30 wirkt. Dieser Dichtungsspalt 30 setzt
sich über den Außenumfang der Lagerbuchse 12 fort
und erweitert sich konisch nach außen in Form einer konischen
Kapillardichtung.
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An
ihrem unteren Ende ist die Welle 14 verbreitert und weist
einen Flanschring 16 auf, der in dem dargestellten Beispiel
einteilig mit der Welle 14 ausgebildet ist, aber auch als
separates Bauteil mit der Welle 14 verbunden werden kann.
Der Flanschring 16 weist einen größeren
Außendurchmesser auf als die Welle 14 und ist
vom Lagerspalt 20 umgeben und in einer Aussparung der Lagerbuchse 12 drehbar angeordnet.
Der Außendurchmesser des Flanschrings 16 bildet
mit einer angrenzenden innen liegenden Lagerfläche der
Lagerbuchse 12 ein zweites Radiallager 26 aus,
dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser
des ersten Radiallagers 24. Der Außendurchmesser
des Flanschringes sollte dabei mindestens 0,2 mm größer
sein als der Außendurchmesser der Welle im Bereich des
ersten Radiallagers. Beispielsweise beträgt der Außendurchmesser des
Flanschringes im Bereich des zweiten Radiallagers 3,3 mm und der
Außendurchmesser der Welle im Bereich des ersten Radiallagers
2,5 mm. Die beiden in einem axialen Abstand zueinander angeordneten
Radiallager 24, 26 sind durch Lagerstrukturen gekennzeichnet,
die auf einer oder beiden sich gegenüberliegenden Lageoberflächen
angeordnet sind. Der Lagerspalt 20 kann aufgrund des größeren Durchmessers
im Bereich des unteren Radiallagers 26 größer
sein als im Bereich des oberen Radiallagers 24. Der Flanschring
hat außerdem die Aufgabe einer Sicherung (Stopperring)
gegen das Herausfallen der Welle 14 aus der Lagerbuchse 12.
Das untere Ende der Lagerbuchse 12 ist durch eine Abdeckplatte 18 verschlossen.
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Als
Gegenlager zum ersten Axiallager 28 kann ein magnetisches
Lager vorgesehen sein, welches aus dem Rotormagneten 34 und
einem axial dem Rotormagneten 34 gegenüberliegenden
ferromagnetischen Ring 36 und/oder aus einem axialen Versatz
zwischen dem Rotormagneten 34 und der Statoreinheit 32 (sogenannter
magnetischer Offset) besteht.
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Eine
oder beide radial über den Durchmesser der Welle 14 hinausragenden
Stirnflächen des Flanschrings 16 können
zusammen mit entsprechenden radialen Flächen der Lagerbuchse 12 bzw.
der Abdeckplatte 18 ein zweites und/oder drittes Axiallager 38, 40 ausbilden.
Hierzu können auf der entsprechenden Lagerfläche
der Lagerbuchse 12, der Abdeckplatte 18 oder der
Stirnfläche des Flanschrings 16 Lagerstrukturen
angeordnet sein, wie sie beispielsweise in den 7 und 8 gezeigt
und beschrieben sind.
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Der
Spindelmotor umfasst einen elektromagnetischen Antrieb, der aus
einer an der Basisplatte 10 angeordneten Statoranordnung 32 sowie
einem Rotor 22 angeordneten Rotormagneten 34 besteht. Durch
entsprechende Bestromung der Wicklungen der Statoranordnung 32 ergibt
sich ein elektromagnetisches Drehfeld, welches den Rotor 22 in
Drehung versetzt.
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2 zeigt
einen zur 1 nahezu identischen Spindelmotor,
der sich von dieser lediglich durch die Konstruktion der Lagerbuchse 112 und
einen in der Lagerbuchse verlaufenden Rezirkulationskanal 142 unterscheidet.
Der Rezirkulationskanal 142 verbindet den Bereich des mit
Lagerfluid gefüllten Außendurchmessers des ersten
Axiallagers 28 und dem sich daran anschließenden
Dichtungsspalt 30 mit dem Inneren des Lagers, insbesondere
dem Bereich des Lagerspaltes zwischen der Unterseite der Welle 14 und
der der Abdeckplatte 18. Der Rezirkulationskanal 142 bietet
einerseits die Möglichkeit der Zirkulation des Lagerfluids
im Lagerspalt 20 und ermöglicht andererseits einen
Druckausgleich zwischen den Lagerbereichen zur Vermeidung von Unterdruckzonen
im Inneren des Lagersystems.
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3 zeigt
einen Spindelmotor gemäß 2 ebenfalls
mit einem Rezirkulationskanal 242, der sich im Gegensatz
zu 2 jedoch nicht über die gesamte Länge
der Lagerbuchse 212 erstreckt, sondern ausgehend vom Außendurchmesser
des ersten Axiallagers 28 in einen Bereich des Lagerspalts
zwischen dem ersten Radiallager 24 und dem zweiten Radiallager 26 mündet.
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4 zeigt
eine Ausgestaltung eines Spindelmotors, bei dem ein Rezirkulationskanal 344 innerhalb
der Welle 314 ausgebildet ist. Der Rezirkulationskanal 344 erstreckt
sich als axiale Bohrung von der Unterseite der Welle 314 bis
etwa zur deren Mitte und geht dann in eine radiale Bohrung über,
die in einem Bereich des Lagerspalts 20 zwischen dem ersten
Radiallager 24 und dem zweiten Radiallager 26 mündet.
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Die
Ausgestaltung nach 4 lässt sich beispielsweise
sehr gut mit Ausgestaltung gemäß 3 kombinieren,
d. h. es kann eine Kombination des Rezirkulationskanals 344 mit
dem Rezirkulationskanal 242 verwendet werden, welche zusammen
für ein vollständiges Durchspülen des
Lagers mit Lagerfluid sorgen und für einen Druckausgleich
an allen kritischen Punkten des Lagersystems.
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In 5 ist
ein Spindelmotor dargestellt, der im Wesentlichen der Ausgestaltung
gemäß 1 entspricht. Im Unterschied
zu 1 ist hier der Flanschring 416 nicht
einstückig mit der Welle 414 ausgebildet, sondern
ist ein separates Bauteil, welches beispielsweise auf das Wellenende
aufgepresst wird.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf den Flanschring 416. Am Innendurchmesser
weist der Flanschring 416 vorzugsweise Längsrillen 446 auf,
die nach dem Aufpressen des Flanschrings 416 auf die Welle 414 entsprechende
Kanäle bilden, die eine Zirkulation von Lagerfluid zwischen
den beiden Stirnflächen des Flanschringes 416 ermöglichen.
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Eine
oder beide Stirnflächen des Flanschrings 416 können
zusammen mit entsprechenden Lagerflächen der Lagerbuchse 12 bzw.
der Abdeckplatte 18 ein zweitens oder drittes Axiallager 38 ausbilden.
Hierzu können auf der Fläche der Lagerbuchse 12,
der Abdeckplatte 18 oder der Stirnfläche des Flanschrings 416 Lagerstrukturen 448 angeordnet sein,
wie sie in 7 dargestellt sind. Beispielsweise können
die Lagerstrukturen 448 spiralrillenförmig ausgebildet
sein und bei Drehung des Flanschrings 416 um seine Achse
eine Pumpwirkung radial nach innen auf das Lagerfluid ausüben.
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8 zeigt
eine Ausbildung von axialen Lagerstrukturen 450 in Form
von fischgrätartigen Strukturen, die sowohl eine radial
nach außen gerichtete Pumpwirkung als auch eine radial
nach innen gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben
und somit das Lagerfluid in Richtung zur Mittellinie 451 pumpt.
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16
- Flanschring
- 18
- Abdeckplatte
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Rotor
- 24
- erstes
Radiallager
- 26
- zweites
Radiallager
- 28
- erstes
Axiallager
- 30
- Dichtungsspalt
- 32
- Statoranordnung
- 34
- Rotormagnet
- 36
- Ferromagnetischer
Ring
- 38
- zweites
Axiallager
- 40
- drittes
Axiallager
- 112
- Lagerbuchse
- 142
- Rezirkulationskanal
- 212
- Lagerbuchse
- 242
- Rezirkulationskanal
- 314
- Welle
- 344
- Rezirkulationskanal
- 414
- Welle
- 416
- Flanschring
(separat)
- 446
- Längsrillen
- 448
- Lagerstruktur
- 450
- Lagerstruktur
- 451
- Mittellinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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