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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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Die
JP 2005-163918 A bildet den nächstliegenden Stand der Technik und offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein ähnliches fluiddynamisches Lagersystem ist in der
WO 2007/007481 A1 offenbart.
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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 Patentanspruchs 1 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 ein erstes Radiallager aus. Ein zweites fluiddynamisches Radiallager wird durch einander zugeordnete, an einem Außenumfang des Flanschrings und an einem Innenumfang der Lagerbuchse angeordnete Lagerflächen gebildet. An einem freien Ende der Welle ist ein Rotor angeordnet, der zusammen mit der Welle rotiert und an einer der Lagerbuchse zugewandten Seite eine ringförmige radial verlaufende Fläche aufweist.
Erfindungsgemäß bildet die ringförmige radial verlaufende Fläche des Rotors eine Lagerfläche, die durch den Lagerspalt von einer auf einer Stirnfläche der Lagerbuchse angeordneten ringförmigen Lagerfläche getrennt ist und zusammen mit dieser ein erstes Axiallager bildet. Der Außendurchmesser des Flanschrings ist größer ist als der Außendurchmesser der Welle, wobei das zweite Radiallager im Bereich des Flanschrings hat einen geringeren Außendurchmesser als das erste Axiallager
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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.
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.
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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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
- 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
- 3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
- 4 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
- 5 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer fünften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
- 6 zeigt eine Draufsicht auf einen separaten Flanschring zur Befestigung an der Welle.
- 7 zeigt eine mögliche Ausbildung der Lagerstrukturen eines Axiallagers, insbesondere eines durch den Flanschring und die Lagerbuchse gebildeten Axiallagers.
- 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.
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.
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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Bezugszeichenliste
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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