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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine konische Lagerfläche eines fluiddynamischen
Lagersystems, sowie ein diese Lagerfläche aufweisendes
fluiddynamisches Lagersystem. Ein derartiges Lagersystem kann beispielsweise
zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken
Verwendung finden.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Als
Drehlager in Spindelmotoren, wie sie z. B. zum Antrieb der Speicherplatten
in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, kommen größtenteils fluiddynamische
Lager zur Anwendung. Ein fluiddynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes
Gleitlager, das aus einer Lagerhülse mit beispielsweise
zylindrischer Bohrung und einer in die Bohrung eingesetzten Welle
gebildet ist. Die Welle bzw. die Innenseite der Bohrung besitzen
entsprechende Lagerflächen, die mit einer Rillenstruktur
versehen sind, wobei der Durchmesser der Welle geringfügig
kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den beiden
Lagerflächen verbleibt somit ein konzentrischer Lagerspalt,
der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Die Lagerflächen
von Welle und Lagerbuchse bilden ein Radiallager aus, wobei durch
die Rillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid und ein
fluiddynamischer Druck im Lagerspalt erzeugt werden, wenn sich die
Welle in der Lagerbuchse dreht. Eine Stabilisierung der Lageranordnung
entlang der Rotationsachse erfolgt durch ein fluiddynamisches Axiallager
oder Drucklager. Das Axiallager wird in bekannter Weise durch senkrecht
zur Rotationsachse ausgerichtete Lagerflächen gebildet,
beispielsweise durch eine an der Welle angeordneten Druckplatte, die
mit einem Gegenlager zusammenwirkt.
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Es
sind auch andere Bauformen fluiddynamischer Lager bekannt, beispielsweise
konische Lager bei denen die Welle mindestens eine konische Lagefläche
aufweist, die in einer zugeordneten konischen Lagerbohrung zu liegen
kommt, so dass sich zur Rotationsachse der Welle schräg
verlaufende Lagerflächen ergeben, die sowohl eine radiale
als auch axiale Lagerkraft auf die Welle ausüben. Ein derartiges
fluiddynamisches Lager in doppelt-konischer Form ist z. B. aus
WO 98/28550 A1 bekannt.
Die beiden konischen Lagerbereiche sind symmetrisch ausgestaltet. Das
beschriebene Lager weist eine feststehende Welle auf. Da das Lager
bzw. der Lagerspalt auf beiden Seiten des Lagers offen ist, kann
die Welle an beiden Enden befestigt werden, was die Steifigkeit des
Lagers gegenüber nur einer einseitig befestigten Welle
verbessert. Wird das Lager beispielsweise zur Drehlagerung eines
Spindelmotors verwendet, ist ein Ende der Welle In der Regel in
einer Basisplatte fest aufgenommen, während das andere
Ende am der Deckplatte des Motors befestigt ist. In den
5A–
5D der
WO 98/28550 A1 sind verschiedene Formgebungen
der auf den konischen Lagerflächen angeordneten Lagerrillen
gezeigt, sowohl einfach gebogene Spiralrillen als auch fischgrätenförmige
Lagerrillen. Die fischgrätenförmigen Rillen sind
unterteilt in eine gleiche Anzahl von äußeren
Lagerrillen und inneren Lagerrillen. Die Lagerrillen sind in einem spitzen
Winkel zueinander angeordnet und treffen sich in einem Punkt. Aufgrund
der konischen Lagerfläche sind die äußeren
Lagerrillen über den Umfang gesehen weiter voneinander
entfernt als die inneren Lagerrillen. Daher erzeugen die äußeren
Lagerrillen eine geringere Pumpwirkung als die inneren Lagerrillen.
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Um
diese Ungleichgewicht zu Kompensieren kann es vorgesehen sein, die
entweder auf den konischen Oberflächen der Welle oder auf
der Innenfläche der konisch ausgebildeten Bereiche der
Lagerbuchse befindlichen äußeren und inneren Lagerrillen getrennt
voneinander auszubilden und die Anzahl der äußeren
Lagerrillen zu erhöhen, um die gewünschte Pumpwirkung
zu erzielen. Eine solche konische Lagerfläche 114 ist
in 4 dargestellt. Es sind beispielsweise vierzehn
innere Lagerrillen 114b und siebzehn äußere
Lagerrillen 114c über den Umfang der Lagerfläche 114 verteilt.
Die inneren und äußeren Lagerrillen sind in einem
spitzen Winkel von ca. 30 bis 50° zueinander geneigt (bzw.
15 bis 25° zur Rotationsrichtung), wodurch sich im Betrieb
eine Pumpwirkung in Richtung der Grenze zwischen dem inneren und
dem äußeren Bereich ergibt. Durch die so erreichte
Druckerhöhung in diesem Bereich wird das Lager tragfähig.
Im Betrieb eines Lagers mit solchen Lagerflächen 114 hat
es sich jedoch gezeigt, dass durch die unterschiedliche Anzahl der
inneren 114b und äußeren Lagerrillen 114c eine
ungleichmäßige Druckverteilung in den Umfangsabschnitten
des Lagerspalts entsteht. Die 5A–5C zeigen
die Druckverteilung (Drucklevel p) an verschiedenen Umfangsabschnitten
der Lagerfläche 114a bei 0°, 120° und
240°. Man erkennt die ungleichmäßige Druckverteilung
in den einzelnen Druckzonen „1”, „2” und „3”,
insbesondere der Druckspitzen in der Druckzone „3”)
in jedem Umfangsabschnitt. Die ungleichmäßige
Druckverteilung im Lagerspalt erzeugt eine Taumelbewegung und damit
Unwucht der Welle, die sich auf die Laufruhe des Lagers und die
akustischen Eigenschaften auswirkt. Beim Betrieb des Lagers in einem
Spindelmotor für Festplattenlaufwerke kann sich dieser
Effekt zudem ungünstig auf die Schreib-/Lesegenauigkeit
des Laufwerks auswirken.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lagerfläche eines konischen
fluiddynamischen Lagers anzugeben, die eine verbesserte Laufruhe
des Lagersystems ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine konische Lagerfläche gemäß den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer entsprechenden konischen
Lagerfläche ist Gegenstand des Anspruchs 10.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Lagerfläche und des zugeordneten Lagersystems
und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
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Die
konische Lagerfläche umfasst einen Bereich mit kleinerem
Durchmesser und einen Bereich mit größerem Durchmesser,
wobei im Bereich mit kleinerem Durchmesser über dessen
Umfang verteilt angeordnete innere Lagerrillen angeordnet sind,
und im Bereich mit größerem Durchmesser über
dessen Umfang verteilt angeordnete äußere Lagerrillen
angeordnet sind. Erfindungsgemäß unterscheidet
sich die Anzahl M der inneren Lagerrillen von der Anzahl N der äußeren
Lagerrillen, wobei M und N so gewählt sind, dass sie einen
gemeinsamen ganzzahligen Teiler T > 1
aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der gemeinsame
ganzzahlige Teiler T von M und N größer gleich
drei (T > = 3).
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Durch
die durch einen gemeinsamen ganzzahligen Teiler T gekennzeichnete
Anzahl M und N der Lagerrillen wird erreicht, dass sich die gegenseitige
Lage der inneren und äußeren Lagerrillen über den
Umfang der Lagerfläche periodisch wiederholt. Der Umfang
der Lagerfläche wird in eine Anzahl von T Umfangsabschnitten
unterteilt, in welchen die gegenseitige Lage der der inneren und äußeren
Lagerrillen identisch ist. In jedem Umfangsabschnitt ergibt sich dadurch
dieselbe Druckverteilung im Lagerspalt, so dass die Welle weniger
Unwucht erfährt und der Schlag reduziert wird. Das Lager
läuft insgesamt ruhiger.
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Das
fluiddynamische Lagersystem gemäß der Erfindung
umfasst einen erstes konisches Lager und ein dem ersten konischen
Lager entgegenwirkendes zweites konisches Lager, wobei die beiden konischen
Lager entlang einer feststehenden Welle angeordnet sind. Das erste
konische Lager weist einen an der Welle angeordneten ersten Lagerkonus mit
einer konischen Lagerfläche auf, sowie eine erste Lagerbuchse
mit einer konischen Lagerfläche, die durch einen mit einem
Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt von der konischen
Lagerfläche des ersten Lagerkonus getrennt ist. Das zweite
konische Lager weist einen an der Welle angeordneten zweiten Lagerkonus
mit einer konischen Lagerfläche auf, sowie eine zweite
Lagerbuchse mit einer konischen Lagerfläche, die durch
einen mit einem Lagerfluid gefüllten zweiten Lagerspalt
von der konischen Lagerfläche des zweiten Lagerkonus getrennt
ist. Die konischen Lagerflächen der beiden Lagerkonusse
und die konischen Lagerflächen der beiden Lagerbuchsen
weisen einen Bereich mit kleinerem Durchmesser und einen Bereich
mit größerem Durchmesser auf. Auf den konischen
Lagerflächen der Lagerkonusse oder auf den konischen Lagerflächen
der Lagerbuchsen jeweils im Bereich mit kleinerem Durchmesser über dessen
Umfang verteilt angeordnete innere Lagerrillen angeordnet, und im
Bereich mit größerem Durchmesser über
dessen Umfang verteilt angeordnete äußere Lagerrillen
angeordnet. Die inneren und äußeren Rillen sind
zueinander geneigt und schließen einen spitzen Winkel ein.
Erfindungsgemäß unterscheidet sich die Anzahl
M der inneren Lagerrillen von der Anzahl N der äußeren
Lagerrillen, wobei M und N so gewählt sind, dass sie einen
gemeinsamen ganzzahligen Teiler T aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Lagersystems bilden die beiden
miteinander verbunden Lagerbuchsen das drehbewegliche Bauteil des
Lagersystems.
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Die
Erfindung betrifft ein beidseitig offenes Lagersystem mit zwei getrennten
konischen Lagern mit jeweils unabhängigen Lagerspalten.
Jeder Lagerspalt weist daher zwei offene Enden auf, welche durch
kapillare Dichtungsspalte und dynamische Pumpstrukturen gegenüber
der Umgebung abgedichtet sind.
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Ein
offenes Ende jedes Lagerspaltes ist durch einen kapillaren Dichtungsspalt
abgedichtet, der durch eine Oberfläche des zugeordneten
Lagerkonus und eine angrenzende Oberfläche einer mit der
zugeordneten Lagerbuchse verbundenen Abdeckkappe begrenzt wird.
Der Dichtungsspalt ist vorzugsweise in einem Winkel relativ zur
Drehachse angeordnet und bildet mit dem zugeordneten Lagerspalt
einen stumpfen Winkel (> =
90°). Der Dichtungsspalt ist teilweise mit Lagerfluid gefüllt
und derart angeordnet, dass er an seinem größten
Durchmesser mit dem Lagerspalt verbunden ist. Dadurch wird sichergestellt,
dass bei Drehung des Lagers die im Dichtungsspalt auf das Lagerfluid
wirkenden Fliehkräfte das Lagerfluid in Richtung des Lagerspaltes
drücken. Dadurch wird zusätzlich zur Kapillarwirkung
des Dichtungsspaltes ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt
verhindert. Auch die Abdeckkappe bietet einen gewissen Schutz gegen Austreten
des Lagerfluids.
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Das
fluiddynamische Lager kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors
eingesetzt werden, wie er beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken
Verwendung findet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen
und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen
Lagersystem mit zwei erfindungsgemäßen konischen
Lagern.
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2 zeigt
eine Ansicht eines Lagerkonus mit erfindungsgemäßer
konischer Lagerfläche und Lagerrillen.
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3A bis 3C zeigen
die simulierte Druckverteilung im Lagerfluid über den Umfang
der konischen Lagerfläche des Lagerkonus aus 2.
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4 zeigt
eine Ansicht eines Lagerkonus mit konischer Lagerfläche
und Lagerrillen nach dem Stand der Technik.
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5A bis 5C zeigen
die simulierte Druckverteilung im Lagerfluid über den Umfang
der konischen Lagerfläche des Lagerkonus aus 4.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen
Lagersystem mit zwei konischen Lagern.
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Der
Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 als tragende Struktur,
in welcher eine feststehende Welle 12 angeordnet ist, so
dass sie größtenteils über die Oberfläche
der Basisplatte hinausragt. Die Welle 12 bildet zusammen
mit zwei Lagerkonussen 14, 26 das feststehende
Bauteil des Lagersystems. Die Lagerkonusse 14, 26 sind
in einem Abstand voneinander auf der Welle 12 angeordnet
und mit dieser fest verbunden. Die Lagerkonusse 14, 26 haben
einander zugewandte in einem Winkel zur Drehachse 50 verlaufende
konische Lagerflächen 14a und 26a. Dem
ersten Lagerkonus 14 ist eine Lagerbuchse 16 zugeordnet,
welche eine teilweise konische Lagerbohrung und eine konische Lagerfläche 16a aufweist,
die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt 20 von
der konischen Lagerfläche 14a des ersten Lagerkonus 14 getrennt
ist. Die konischen Lagerflächen und der Lagerspalt 20 verlaufen also
schräg zur Drehachse 50. Der Lagerspalt 20 hat zwei
offene Enden, jeweils angrenzend an die Stirnflächen der
Lagerbuchse 16. Das erste offene Ende des Lagerspaltes 20 wird
durch einen kapillaren Dichtungsspalt 22 abgedichtet, der durch
eine Oberfläche des ersten Lagerkonus 14 und eine
angrenzende Oberfläche einer mit der ersten Lagerbuchse 16 verbundenen
Abdeckkappe 18 begrenzt wird. Der Dichtungsspalt 22 bildet
mit dem Lagerspalt 20 einen stumpfen Winkel (> = 90°) und
mit der Drehachse 50 einen spitzen Winkel. Der Dichtungsspalt 22 ist
teilweise mit Lagerfluid gefüllt und wirkt somit als Fluidreservoir.
Das untere Ende des Lagerspaltes 20 ist abgedichtet durch
einen weiteren Dichtungsspalt 24, der vorzugsweise eine
Pumpdichtung umfasst, indem auf entweder auf der Welle 12 oder
auf der Lagerbuchse 16 im Bereich des Spaltes 24 Pumpstrukturen
aufgebracht sind, die bei Rotation der Lagerbuchse 12 eine
Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des Lagerspalts 20 erzeugen.
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Der
zweite Lagerkonus 26 weist konische Lagerflächen 26a auf,
die mit der Drehachse 50 einen spitzen Winkel ausbilden.
Der Lagerkonus 26 ist in einer zweiten Lagerbuchse 28 angeordnet,
die ebenfalls konische Lagerflächen 28a aufweist,
die durch einen zweiten Lagerspalt 32 von den konischen
Lagerflächen 26a des zweiten Lagerkonus 26 getrennt
sind. Auch der zweite Lagerspalt 32 ist an seinen beiden
offenen Enden durch jeweils einen Dichtungsspalt 34, sowie
einen Dichtungsspalt mit Pumpdichtung 36 abgedichtet. Der
Dichtungsspalt 34 wird begrenzt durch entsprechende Oberflächen des
zweiten Lagerkonus 28 und einer an der zweiten Lagerbuchse 28 angeordneten
Abdeckkappe 30. Der Dichtungsspalt 34 bildet mit
dem Lagerspalt 32 einen stumpfen Winkel (> = 90°) und
mit der Drehachse 50 einen spitzen Winkel. Die Pumpdichtung 36 wird
gebildet zwischen aneinander angrenzenden Oberflächen der
Welle 12 und der Lagerbuchse 28.
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Die
beiden Lagerbuchsen 16 und 28 grenzen aneinander
an und sind durch eine Distanzscheibe 38 voneinander getrennt,
die gleichzeitig der Temperaturkompensation dient und als Dichtungsscheibe wirkt.
Der Zwischenraum zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und
den Lagerbuchsen bzw. der Distanzscheibe 38 ist belüftet,
um einen Druckausgleich herzustellen. Hierzu kann die Welle 12 eine entsprechende
Bohrung 52 aufweisen, die den Zwischenraum mit der Außenatmosphäre
verbindet.
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Die
beiden Lagerbuchsen 14 und 28 werden in einer
zentralen Aussparung einer Nabe 40 des Spindelmotors gehalten,
beispielsweise durch eine Pressverbindung, oder werden in die Nabe 40 eingeklebt.
Beide Lagerbuchsen 16 und 28 weisen am Außenumfang
einen Bund auf, der auf einer Stirnseite des Randes der Öffnung
der Nabe 40 aufliegt. Vorzugsweise sind die Lagerbuchsen 16, 28 aus
Stahl, Keramik oder ähnlichem, also einem Material mit
einem geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten, während
die Nabe 40 beispielsweise aus Aluminium, also einem Material
mit hohem Temperaturausdehnungskoeffizienten gefertigt ist. Die
Lagerkonusse 14, 26 sind relativ zu den Lagerbuchsen 16, 28 so
angeordnet, dass die Lagerspalten 20, 32 bei Zimmertemperatur
eine definierte Breite von einigen Mikrometern aufweisen. Die Tragfähigkeit
der konischen Lager hängt unter anderem ab von der Breite
der Lagerspalten 20, 32 und der Viskosität
des darin enthaltenen Lagerfluids. Erhöht sich die Umgebungstemperatur,
so nimmt in der Regel die Viskosität des Lagerfluids ab,
was zur Folge hat, dass die Tragfähigkeit der Lager bei
ansonsten konstanter Lagerspaltbreite ebenfalls abnimmt. Um dies
zu kompensieren sind die Lagerbuchsen 16, 28 derart
in der Nabe gelagert, dass die relativ starke Wärmeausdehnung
der Nabe 40 sich in axialer Richtung auf die Lagerbuchsen 16, 28 überträgt,
wodurch diese auseinandergedrückt werden, und sich die
Breite der Lagerspalten 20, 32 verringert. Somit
wird die abnehmende Viskosität des Lagerfluids bei steigender
Temperatur durch eine Reduktion der Breite der Lagerspalten 20, 32 kompensiert.
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Der
Spindelmotor wird angetrieben durch ein elektromagnetisches Antriebssystem,
das aus einer an der Basisplatte 10 befestigten Statoranordnung 42 besteht
und einem gegenüberliegend der Statoranordnung an der Nabe 40 befestigten
Rotormagneten 44, der von einem Joch 46 umgeben
ist.
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2 zeigt
eine vergrößerte Seitenansicht der Lagerfläche 14a aus 1.
Die Lagerfläche 26a ist identisch zur Lagerfläche 14a ausgebildet.
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Die
konische Lagerfläche 14a ist in Richtung der Rotationsachse 50 in
einen Bereich mit kleinerem Durchmesser und einen Bereich mit größerem Durchmesser
unterteilt. Der Bereich mit kleinerem Durchmesser umfasst über
den Umfang verteilt eine Anzahl M = 12 von inneren Lagerrillen 14b.
Der Bereich mit größerem Durchmesser umfasst über
den Umfang verteilt eine Anzahl N = 18 von äußeren
Lagerrillen 14c. Die Lagerrillen 14b sind in einem
spitzen Winkel αb zur Horizontalen
geneigt. Lagerrillen 14b sind in einem Winkel αc zur Horizontalen geneigt. In diesem Ausführungsbeispiel
betragen die Winkel αb und αb jeweils 20°. Die Anzahlen M und
N der Lagerrillen weisen den gemeinsamten Teiler T = 3 auf.
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Der
gemeinsame Teiler T bewirkt, dass sich die gegenseitige Lage und
Ausrichtung der inneren 14b und der äußeren
Lagerrillen 14c entlang des Umfangs alle 360°/T
= 120° wiederholt. Dadurch wird in jedem dieser Umfangsabschnitte
von 120° dieselbe Druckverteilung im Lagerspalt erzielt.
Die 3A–3C zeigen
die Druckverteilung (Druck-Level p) an verschiedenen Umfangsabschnitten
der Lagerfläche 14a bei Umfangswinkeln von 0°, 120° und
240°. Es bilden sich verschieden Druckzonen, eine Zone „1” mit
niederem Druck, eine Zone „2” mit mittlerem Druck
und einzelne Zonen „3” mit hohem Druck. Man erkennt,
dass die Druckverteilung bei allen Umfangsabschnitte der Lagerfläche 14a identisch
ist und auch die Umrissformen der verschiedenen Druckzonen „1”, „2” und „3” identisch sind.
Diese gleichmäßige Druckverteilung im Lagerspalt
bewirkt, dass die Welle 12 besser im Lager zentriert wird
und eine wesentlich geringere Taumelbewegung ausführt,
als es beim Stand der Technik der Fall war. Dies resultiert in einer
geringeren Unwucht der Welle, wodurch die Laufruhe des Lagers und
die akustischen Eigenschaften verbessert werden.
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Die
Lagerrillen müssen nicht auf den Lagerflächen
der Lagerkonusse angeordnet sein, sondern können erfindungsgemäß auch
auf den konischen Lagerflächen der Lagerbuchsen angeordnet
werden.
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14
- erster
Lagerkonus
- 14a
- Lagerfläche
- 14b
- innere
Lagerrillen
- 14c
- äußere
Lagerrillen
- 16
- erste
Lagerbuchse
- 16a
- Lagerfläche
- 18
- Abdeckkappe
- 20
- erster
Lagerspalt
- 22
- Dichtungsspalt
- 24
- Pumpdichtung
- 26
- zweiter
Lagerkonus
- 26a
- Lagerfläche
- 28
- zweite
Lagerbuchse
- 28a
- Lagerfläche
- 30
- Abdeckkappe
- 32
- zweiter
Lagerspalt
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Pumpdichtung
- 38
- Distanzscheibe
- 40
- Nabe
- 42
- Statoranordnung
- 44
- Rotormagnet
- 46
- Joch
- 50
- Drehachse
- 52
- Bohrung
- 114
- Lagerkonus
- 114a
- Lagerfläche
- 114b
- innere
Lagerrillen
- 114c
- äußere
Lagerrillen
- αb
- Winkel
- αc
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 98/28550
A1 [0003, 0003]