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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit geringer Bauhöhe nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lager werden zur Drehlagerung von Motoren, beispielsweise von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken, Lüftern oder ähnlichem dienen.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische Lager, wie sie in Spindelmotoren eingesetzt werden, umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. Es sind Radiallager sowie Axiallager vorgesehen, die in bekannter Weise den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerrillenstrukturen aufweisen. Diese Lagerrillenstrukturen sind in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide der einander gegenüber liegenden Lagerflächen aufgebracht und weisen eine geringe Tiefe von einigen Mikrometern auf. Die Lagerrillenstrukturen 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 (herringbone) rillenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige rillenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Die Lagerrillenstrukturen werden vorzugsweise mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens (ECM) auf die Lagerflächen aufgebracht.
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Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken gemäß einer bekannten Bauart ist eine Welle in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert. Der Durchmesser der Bohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt von wenigen Mikrometern Breite verbleibt. Die einander zugewandten Oberflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen auf als Teil von mindestens einem fluiddynamischen Radiallager. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe verbunden, die eine untere, ebene Fläche aufweist, die zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist mindestens eine der einander zugewandten Oberflächen der Nabe oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerrillenstrukturen versehen.
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Spindelmotoren bekannter Bauart für den Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken haben eine Bauhöhe von 9,5 Millimetern. Davon entfallen etwa 4 bis 5 Millimeter auf das fluiddynamische Lagersystem, d. h. dies entspricht neben der Welle-Naben-Verbindung der gesamten axialen Länge des Lagers. Es sind vorzugsweise zwei voneinander beabstandete fluiddynamische Radiallager vorhanden, die durch eine Separatornut voneinander getrennt sind. Die beiden Radiallager haben dabei jeweils eine axiale Länge von beispielsweise 1,5 Millimeter und die Separatornut von ca. 1 Millimeter, so dass sich eine Gesamtlagerlänge von 4 Millimeter ergibt. Es ist bekannt, die Lagerrillenstrukturen der Radiallager als auch der Axiallager mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens (ECM) in die Lagerflächen einzubringen. Hierbei werden die Lagerrillenstrukturen, gemessen von der Oberfläche der Lagerflächen, bis zu einer Tiefe von 1,5 bis 15 Mikrometern abgetragen. Die Separatornut ist vergleichsweise sehr viel tiefer, beispielsweise 20 bis 100 Mikrometer, und wird durch herkömmliche spanende Verfahren, beispielsweise Drehen oder Fräsen, in die Lageroberfläche der Lagerbuchse oder der Welle eingebracht. Die Separatornut ist deshalb so tief, weil dadurch die Reibung zwischen den Oberflächen der Lagerbauteile verringert werden kann und der mittels des Lagers drehgelagerte Spindelmotor somit weniger elektrische Antriebsleistung benötigt.
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Insbesondere für den Einsatz in Antrieben von Festplattenlaufwerken, speziell für mobile Anwendungen, sind kompakte fluiddynamische Lagersysteme gefragt, die eine geringe Bauhöhe aufweisen sollen.
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Beispielsweise erfordert eine Reduzierung der Gesamthöhe des Lagers um 2,5 Millimeter eine erhebliche Reduktion der axialen Länge der Radiallager. Hierzu muss die axiale Länge der Separatornut extrem reduziert werden, damit die Radiallager noch ausreichend groß gestaltet werden können. Aufgrund der relativ geringen axialen Länge der Radiallager ist es schwierig, zum einen die Bohrung der Lagerbuchse zu fertigen, damit der Lagerspalt eine vorgegebene Breite aufweist und zum anderen die Separatornut durch entsprechende spanabtragende Dreh- oder Fräsverfahren zu fertigen, ohne die Lageroberflächen zu beeinträchtigen.
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Ferner wirken sich unvermeidliche Fertigungstoleranzen bei einer Gesamtlagerlänge von nur 2–3 mm stärker aus als bei fluiddynamischen Lagern mit herkömmlichen Abmessungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem mit geringer Bauhöhe anzugeben, das im Vergleich zu bekannten Lagersystemen mit oben liegendem Axiallager mit besserer Genauigkeit, einfacher und kostengünstiger herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem gemäß 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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Es wird ein fluiddynamisches Lagersystem vorgeschlagen, mit einer Lagerbuchse, einer drehbar in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse gelagerte Welle sowie einer mit der Welle verbundene Nabe. Zwischen der Welle, der Lagerbuchse und der Nabe ist ein Lagerspalt definiert, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist und einen axialen sowie einen radialen Abschnitt aufweist. Entlang des axialen Abschnittes des Lagerspalts sind ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Radiallager angeordnet, die durch Lagerrillenstrukturen auf einander zugeordneten Lagerflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse gekennzeichnet sind. Entlang des radialen Abschnittes des Lagerspaltes ist mindestens ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet, welches durch Lagerrillenstrukturen auf einander zugeordneten Lagerflächen der Lagerbuchse und der Nabe definiert ist. Eine Separatornut ist in der Lagerbuchse oder der Welle im axialen Abschnitt des Lagerspaltes zwischen den beiden Radiallagern angeordnet.
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Erfindungsgemäß sind die Lagerrillenstrukturen der beiden Radiallager und die Separatornut mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens hergestellt, vorzugsweise in demselben Arbeitsschritt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lagersystem bleibt die Verbindungslänge zwischen der Welle und der Nabe gegenüber den bisherigen Lagersystemen im Wesentlichen unverändert. Hierbei handelt es sich in der Regel um eine Press-, Schweiß- und/oder Klebe-Verbindung. Daher geht die Verringerung der Gesamtbauhöhe des Lagersystems auf Kosten der Lagerlänge, d. h. es verringert sich sowohl die axiale Länge der Radiallager als auch deren Abstand, der durch die Separatornut bestimmt wird.
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Aufgrund der nunmehr deutlich verringerten axialen Länge der Separatornut ist es möglich, diese mittels elektrochemischen Maschinierens (ECM) herzustellen. Im Vergleich zu den Lagern aus dem Stand der Technik kann dadurch die Tiefe der Separatornut nicht mehr so groß hergestellt werden wie durch spanendes Abtragen. Jedoch spielt die Lagerreibung aufgrund der vergleichsweise geringen Länge der Separatornut keine nennenswerte Rolle, so dass die Separatornut weniger tief ausgebildet werden kann als bisher üblich. Der Materialabtrag in der Lagerbuchse, der durch den ECM Prozess entsteht und der während der Herstellung abfließt, ist ebenfalls nicht sehr groß.
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Die Lagerrillenstrukturen und die Separatornut können also mit einem einzigen ECM-Werkzeug (Elektrode) in einem einzigen Arbeitsschritt hergestellt werden, was die Herstellungszeiten des Lagers wesentlich verkürzt. Ferner werden maßgebliche Toleranzen überwiegend durch die ECM-Elektrode vorgegeben und addieren sich aufgrund nur eines Arbeitsschrittes bei der Fertigung der Lagerrillenstrukturen und der Separatornut nicht. Dadurch kann eine höhere Fertigungsgenauigkeit erreicht werden. Die ECM-Elektrode ist hierzu zylinderförmig ausgebildet und weist an denjenigen Stellen rillenförmige, elektrisch leitende Bereiche auf, an denen radial gegenüber liegend in der Innenwandung der Lagerbuchse Lagerrillen bzw. die Separatornut ausgebildet werden soll. Ansonsten ist die ECM-Elektrode elektrisch isolierend ausgebildet. Die ECM-Elektrode ist dabei als Kathode, das Werkstück als Anode geschaltet.
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Durch die mittels ECM gestaltete Separatornut kann nun ein Lagersystem hergestellt werden, dessen Bauhöhe vorzugsweise kleiner als 3 Millimeter ist, wobei die Bauhöhe definiert ist durch die Länge des axialen Abschnittes des Lagerspaltes.
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In dem erfindungsgemäßen Lagersystem ist der Abstand dL der beiden Radiallager gemessen vom Apex des ersten Radiallagers bis zum Apex des zweiten Radiallagers vorzugsweise kleiner als 1,3 Millimeter. Entsprechend ist die Länge lS der Separatornut vorzugsweise kleiner als 250 Mikrometer.
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Aufgrund des ECM Verfahrens, das sowohl für die Lagerrillenstrukturen als auch für die Separatornut verwendet wird, beträgt vorzugsweise die Tiefe tR der Lagerrillenstrukuren sowie die Tiefe der Separatornut tS zwischen 1 und 10 Mikrometern und ist im Wesentlichen gleich groß.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann jedoch die Tiefe der Separatornut etwas größer sein als die Tiefe der Lagerrillenstrukturen, wobei gilt: tR <= tS <= 1,5·tR.
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Eine größere Tiefe der Separatornut kann im ECM Prozess erzielt werden durch entsprechend größere Stromdichten in diesem Bereich der Elektrode bzw. wird generell erzielt durch die größere Fläche der Separatornut im Vergleich zur Fläche der Radiallagerstrukturen.
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Erfindungsgemäß wird ebenfalls ein Verfahren zum Einbringen von Lagerrillenstrukturen und einer Separatornut in eine Oberfläche eines Bauteils eines fluiddynamischen Lagersystems beschrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerrillenstrukturen der beiden Radiallager und die Separatornut mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens hergestellt werden, vorzugsweise im selben Arbeitsschritt und mit derselben ECM Elektrode.
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Vorzugsweise werden die Radiallagerstrukturen sowie die Separatornut in der Lagerbohrung der Lagerbuchse vorgesehen.
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Das erfindungsgemäße Lagersystem kann zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden, welcher einen Stator, einen Rotor und ein elektromagnetisches Antriebssystem umfasst. Ein derartiger Spindelmotor kann vorzugsweise zum Drehantrieb einer Speicherplatte eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus der Zeichnung und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager.
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2a zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die Lagerbuchse mit Lagerrillenstrukturen und einer Separatornut von gleicher Tiefe
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2b zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die Lagerbuchse mit Lagerrillenstrukturen und einer Separatornut von größerer Tiefe
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Lagerbuchse 10, die eine zentrale Bohrung aufweist und das feststehende Bauteil des Lagersystems ausbildet. In die Bohrung der Lagerbuchse 10 ist eine Welle 12 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 10 und der Welle 12 verbleibt ein Lagerspalt 16. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 12 und der Lagebuchse 10 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 20, 22 aus, mittels denen die Welle 12 um eine Rotationsachse 18 drehbar in der Lagerbuchse 10 gelagert ist. Die Radiallager 20, 22 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Lagerbuchse 10 oder der Welle 12 aufgebracht sind. Der Lagerspalt 16 ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Lagerrillenstrukturen der Radiallager 20, 22 üben bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 zwischen Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid aus. Dadurch wird im Lagerspalt ein Druck aufgebaut, der die Radiallager 20, 22 tragfähig macht.
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Ein freies Ende der Welle 12 ist mit einer Nabe 24 verbunden, welches einen die Lagerbuchse 10 teilweise umgebenden zylindrischen Ansatz aufweist. Eine untere, ebene Fläche der Nabe 24 bildet zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse 10 ein fluiddynamisches Axiallager 26 aus. Die Stirnfläche der Lagerbuchse 10 oder die gegenüberliegende Fläche der Nabe 24 sind mit Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 zwischen der Nabe 24 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 26 tragfähig wird. Der Lagerspalt 16 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 10 und der beiden Radiallager 20, 22 erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und des Axiallagers 26 erstreckt.
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Die Lagerrillenstrukturen 20a, 22a der Radiallager 20, 22 sowie die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 26 werden in bekannter Weise und gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mittels eines elektrochemischen Abtragungsverfahrens (ECM Prozess) in die entsprechenden Lagerflächen eingebracht. Hierzu wird eine ECM Elektrode verwendet, die auf ihrer Oberfläche ein Abbild der einzubringenden Lagerrillenstrukturen aufweist. Mittels des ECM Prozesses werden Lagerrillenstrukturen mit einer Tiefe von 1 bis 10 Mikrometern in die Oberfläche zumindest eines der gegenüber liegenden Lagerbauteile, bevorzugt in die Lagerbuchse 10 eingebracht. Erfindungsgemäß wird nun vorzugsweise in demselben Arbeitsprozess auch die Separatornut in das Lagerbauteil eingebracht, nämlich zwischen die entsprechenden Lagerrillenstrukturen der beiden Radiallager. Da die Separatornut relativ schmal ist, beispielsweise weniger als 300 Mikrometer, vorzugsweise 200 Mikrometer, kann diese sehr gut mittels eines ECM-Verfahrens realisiert werden.
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2a zeigt einen Ausschnitt der Lagerbuchse 10 in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Man erkennt die Lagerrillen 20a und 22a der beiden Radiallager 20 und 22 sowie die zwischen den Radiallagern angeordnete Separatornut 28. Die beiden Radiallager 20, 22 haben einen Lagerabstand dL von weniger als 1,5 Millimeter, vorzugsweise 1,2 Millimeter. Die axiale Länge lS der Separatornut 28 beträgt weniger als 0,3 Millimeter, vorzugsweise 0,2 Millimeter. In diesem Beispiel ist die Tiefe tS der Separatornut 28 gleich groß wie die Tiefe tR der Radiallagerrillen. Die Tiefe tR = tS kann zwischen 1 und 10 Mikrometer betragen.
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2b zeigt einen Ausschnitt einer Lagerbuchse gemäß 2a, wobei jedoch hier die Tiefe tS der Separatornut 28 größer ist als die Tiefe tR der Lagerrillenstrukturen der Radiallager. Vorzugsweise ist die Tiefe tS <= 1,5·tR.
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1 zeigt ferner, dass an der Unterseite der Welle 12 ist ein einteilig mit der Welle oder ein separat ausgebildeter Stopperring 14 angeordnet ist, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring 14 verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbuchse 10. Das Lager ist an dieser Seite der Lagerbuchse 10 durch eine Abdeckplatte 30 verschlossen. Zwischen den Oberflächen des Stopperrings 14 und den Oberflächen der Lagerbuchse 10 bzw. der Abdeckplatte 30 verbleibt ein mit Lagerfluid gefüllter Spalt 48, der mit dem Lagerspalt verbunden ist. Der Stopperring 14 dreht sich also zusammen mit der Welle innerhalb der Aussparung zwischen Lagerbuchse 10 und Abdeckplatte 30 im Lagerfluid.
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Am radial äußeren Ende des radialen Abschnitts des Lagerspalts 16 ist ein Spalt mit größerem Spaltabstand angeordnet, welcher teilweise als Dichtungsspalt 42 wirkt. Der Spalt erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 16 radial nach außen und geht in einen axialen Abschnitt über, der sich entlang des Außenumfangs der Lagerbuchse 10 zwischen der Lagerbuchse 10 und einem zylindrischen Ansatz der Nabe 24 erstreckt und den Dichtungsspalt 42 bildet. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 10 sowie die innere Mantelfläche der Nabe 24 bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 42. Somit verläuft der Dichtungsspalt 42 etwa parallel zur Rotationsachse 18.
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In der Lagerbuchse 10 kann ein Rezirkulationskanal 40 vorgesehen sein, der einen am äußeren Rand des Axiallagers 26 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 16 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 24 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 16 miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
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Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 32 des Spindelmotors angeordnet. Die Nabe 24 weist an ihrem Außenumfang einen umlaufenden Rand auf. An der Basisplatte 32 ist eine die Lagerbuchse 10 umgebende Statoranordnung 36 angeordnet, welche aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen besteht. Diese Statoranordnung 36 ist in einem radialen Abstand umgeben von einem ringförmigen Rotormagneten 38. Der Rotormagnet 38 ist am Innenumfang des umlaufenden Randes der Nabe 24 befestigt. Die Statorwicklungen sind über eine Anschlussplatine 34 elektrisch kontaktiert.
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Das Antriebssystem weist einen axialen Versatz (Offset) zwischen der magnetischen Mitte des Rotormagneten und der magnetischen Mitte des Statorblechpaketes auf. Dadurch ergibt sich eine statische, nach unten in Richtung der Basisplatte 32 gerichtete magnetische Kraft. Diese magnetische Kraft ist entgegengesetzt zu der Lagerkraft des Axiallagers 26 gerichtet und dient der axialen Vorspannung des Lagersystems bzw. des Axiallagers 26.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Stopperring
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Rotationsachse
- 20
- Radiallager
- 20a
- Lagerrillenstrukturen
- 22
- Radiallager
- 22a
- Lagerrillenstrukturen
- 24
- Nabe
- 26
- Axiallager
- 28
- Separatornut
- 30
- Abdeckplatte
- 32
- Basisplatte
- 34
- Anschlussplatine
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rotormagnet
- 40
- Rezirkulationskanal
- 42
- Dichtungsspalt
- 48
- Spalt
- dL
- Lagerabstand
- lS
- axiale Länge der Separatornut
- tR
- Tiefe der Lagerrillenstrukturen
- tS
- Tiefe der Separatornut
