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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischem Lagersystem, welcher eine Basisplatte mit einer zylindrischen Öffnung umfasst, eine Lagerbuchse und eine relativ zur Lagerbuchse drehgelagerte Welle als Teil des fluiddynamischen Lagers, wobei die Lagerbuchse in der Öffnung der Basisplatte angeordnet ist. Ein Rotorbauteil des Spindelmotors ist durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben. Ein derartiger Spindelmotor wird beispielsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken, Lüftern oder ähnlichem verwendet.
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Stand der Technik
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Spindelmotoren mit fluiddynamischem Lagersystem sind in vielfachen Bauformen bekannt. Der Motor umfasst beispielsweise eine feststehende Basisplatte, an welcher die feststehende Komponente des fluiddynamischen Lagersystems befestigt ist. Eine drehbare Komponente des Lagersystems trägt ein Rotorbauteil (Nabe), welches durch ein elektromagnetisches Antriebssystem bestehend aus einer Statoranordnung und einem Rotormagneten drehend angetrieben wird. Die Statoranordnung ist an der Basisplatte gehalten, während der Rotormagnet am Rotorbauteil befestigt ist. Bei einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einer bekannten Bauart ist eine Welle in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse drehbar gelagert. Der Durchmesser der Lagerbohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle, so dass zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt verbleibt. Die einander zugewandten Oberflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse weisen Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen als Teil mindestens eines fluiddynamischen Radiallagers auf. Ein freies Ende der Welle ist mit einem Rotorbauteil (Nabe) verbunden, dessen untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine oder sind beide der einander zugewandten Oberflächen des Rotorbauteils oder der Lagerbuchse mit Druck erzeugenden Lagerrillenstrukturen versehen.
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Für manche Anwendungen ist es notwendig, ein bestehendes fluiddynamisches Lagersystem in einem Spindelmotor mit vergrößerter Bauhöhe zu verwenden. Eine vergrößerte Bauhöhe eines Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes ist beispielsweise in Serveranwendungen notwendig, wo auf dem Festplattenlaufwerk mehrere Speicherplatten übereinander angeordnet werden, um die Speicherkapazität zu erhöhen. Das fluiddynamische Lagersystem hat gegenüber dem Spindelmotor eine geringere Bauhöhe, so dass die in der Öffnung der Basisplatte des Spindelmotors angeordnete Lagerbuchse des Lagersystems diese Öffnung nicht vollständig ausfüllt. Es verbleibt vielmehr ein Luftraum unterhalb des Lagersystems. Dieser Luftraum schwächt die Stabilität der Basisplatte und vermindert deren Steifigkeit. Dadurch verringert sich die Steifigkeit des gesamten Motorsystems und es kann zu Resonanzen im oberen Frequenzbereich oberhalb von 1000 Hertz kommen. Diese Resonanzen sind für eine Anwendung des Spindelmotors zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes unerwünscht, da sie genau in dem Frequenzbereich des Servomotors der Schreib-Lese-Einrichtung des Festplattenlaufwerks liegen und die Datenaufzeichnung stören können. Ferner sind solche Frequenzen auch akustisch störend.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit vergrößerter Bauhöhe anzugeben, der eine verbesserte Steifigkeit und Resonanzfreiheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 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 ist ein Spindelmotor mit einem fluiddynamischem Lagersystem beschrieben, welcher eine Basisplatte mit einer zylindrischen Öffnung umfasst, sowie eine Lagerbuchse und eine relativ zur Lagerbuchse drehgelagerte Welle als Teil des fluiddynamischen Lagers, wobei die Lagerbuchse in der Öffnung der Basisplatte angeordnet ist. Ein Rotorbauteil des Spindelmotors Ist durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben.
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Erfindungsgemäß ist eine Seite der Öffnung der Basisplatte unterhalb des Lagersystems verschlossen.
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Erfindungsgemäß wird der Luftraum unterhalb des Lagers durch ein Bauteil, vorzugsweise ein metallisches Bauteil, verschlossen, so dass die strukturelle Steifigkeit der Basisplatte erhöht wird und sich auch die Steifigkeit des Spindelmotors insgesamt erhöht. Gleichzeitig werden Resonanzen in einen höheren Frequenzbereich verschoben, wo sie die Systemfrequenzen der Schreib-Lese-Einrichtung des Festplattenlaufwerkes nicht mehr stören.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Öffnung in der Basisplatte durch eine zylindrische Platte verschlossen. Die Platte ist hierbei relativ dick, d. h. die Höhe der Platte beträgt mindestens 30% des Außendurchmessers der Platte. Die zylindrische Platte wird direkt mit der Basisplatte verbunden und kann vorzugsweise in die Öffnung der Basisplatte eingepresst, eingeklebt oder mit der Basisplatte verschweißt werden.
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In der zylindrischen Platte ist eine vorzugsweise zentrische Bohrung vorgesehen, damit beim Verschließen der Öffnung der Basisplatte die zwischen dem Lager und der zylindrischen Platte eingeschlossene Luft entweichen kann.
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Diese Bohrung kann vorzugsweise durch eine Dichtungsmasse verschlossen werden. Bei der Dichtungsmasse kann es sich um eine elektrisch leitfähige Masse handeln, um beispielsweise einen elektrischen Kontakt zwischen der zylindrischen Platte und einer Abdeckplatte des Lagers herzustellen. Fluiddynamische Lager sind auf Grund ihrer durch Lagerfluid getrennten Lagerkomponenten anfällig für statische Aufladungen, so dass eine gute elektrische Kontaktierung der Lagerbauteile mit der Basisplatte notwendig ist, damit die elektrischen Ladungen abfließen können.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Öffnung in der Basisplatte durch einen Abschnitt der Basisplatte selbst verschlossen sein, d. h. bei der Öffnung in der Basisplatte handelt es sich um ein Sackloch in der Basisplatte, in welchem die Lagerbuchse angeordnet wird.
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Vorzugsweise ist im Bereich des Abschnittes der Basisplatte, der die Öffnung verschließt, eine Bohrung angeordnet, die wiederum dazu dient, bei der Montage der Lagerbuchse die im Hohlraum zwischen Lagerbuchse und Basisplatte eingeschlossene Luft entweichen zu lassen.
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Die Bohrung kann wiederum durch eine Dichtungsmasse, vorzugsweise eine elektrisch leitende Dichtungsmasse, verschlossen werden, so dass ein Kontakt zwischen einer Abdeckplatte des Lagers und der Basisplatte hergestellt wird.
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In einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Unterseite der Lagerbuchse axial verlängert, so dass die Lagerbuchse die Öffnung in der Basisplatte axial vollständig ausfüllt. In dieser Ausgestaltung sind eine Seite des fluiddynamischen Lagersystems sowie die verbleibende Öffnung in der Basisplatte durch eine gemeinsame Abdeckplatte verschlossen. Die gemeinsame Abdeckplatte weist eine relativ große Höhe auf, die mindestens 30% des Außendurchmessers der Abdeckplatte beträgt.
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Durch diese axial verlängerte Lagerbuchse wird die Fügelänge zwischen Basisplatte und Lagerbuchse vergrößert, was die Lagersteifigkeit bzw. die Steifigkeit des Spindelmotors entscheidend verbessert. Ferner verbessert sich die strukturelle Steifigkeit der Basisplatte, da diese durch die sehr dicke Abdeckplatte radial versteift wird.
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Alle beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung haben den weiteren Vorteil, dass die Schockfestigkeit des Lagers verbessert wird, da die Deformation der Basisplatte im Schockfall verringert wird.
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Ferner verbessern sich die akustischen Eigenschaften des Motors, da die Resonanzfrequenzen in einen höheren, akustisch weniger störenden Frequenzbereich verschoben werden.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf einen Spindelmotor, wie er zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert. Daraus ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.
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2 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.
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3 zeigt einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lager.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 mit einer zentralen Öffnung 11, in die eine Lagerbuchse 12 fest aufgenommen ist. Die Lagerbuchse 12 ist beispielsweise in die Öffnung 11 der Basisplatte 10 eingepresst und bildet das feststehende Bauteil des fluiddynamischen Lagersystems. Die axiale Länge der Öffnung 11 der Basisplatte 10 ist wesentlich größer als die axiale Fügelänge der Lagerbuchse 12 mit der Basisplatte 10.
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Die Lagerbuchse 12 hat beispielsweise einen Außendurchmesser von ca. 6,5 mm und weist eine Lagerbohrung mit einem Durchmesser von ca. 2,5 mm auf. In die Lagerbohrung der Lagerbuchse 12 ist eine Welle 14 eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig, d. h. nur um einige Mikrometer kleiner ist, als der Durchmesser der Lagerbohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 verbleibt ein Lagerspalt 16 von wenigen Mikrometern Breite. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 14 und der Lagerbuchse 12 bilden zwei fluiddynamische Radiallager 20, 22 aus, mittels denen die Welle 14 um eine Rotationsachse 18 drehbar in der Lagerbuchse 12 gelagert ist. Die beiden Radiallager 20, 22 sind in bekannter Weise durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 14 und/oder der Lagerbuchse 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 14 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 zwischen Welle 14 und Lagerbuchse 12 befindliche Lagerfluid aus, so dass im Lagerspalt 16 ein hydrodynamischer Druck entsteht, der die Radiallager 20, 22 tragfähig macht. Das obere Radiallager 20 hat vorzugsweise asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die das Lagerfluid überwiegend in Richtung des unteren Radiallagers 22 pumpen. Das untere Radiallager 22 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 16 erzeugen.
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Ein freies Ende der Welle 14 ist mit einem im Querschnitt etwa becherförmigen Rotorbauteil 24 verbunden, welches die Lagerbuchse 12 teilweise umgibt. Am Außenumfang des Rotorbauteils 24 ist eine Nabe 26 angeordnet, die auch einteilig mit dem Rotorbauteil 24 ausgebildet sein kann. Eine untere, ebene Fläche des Rotorbauteils 24 bildet zusammen mit einer angrenzenden Stirnfläche der Lagerbuchse 12 ein fluiddynamisches Axiallager 28 aus. Hierbei ist die Stirnfläche der Lagerbuchse 12 oder die gegenüberliegende Fläche des Rotorbauteils 24 oder beide mit vorzugsweise spiralförmigen Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle 14 eine radial nach innen in Richtung des oberen Radiallagers 20 gerichtete Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 zwischen dem Rotorbauteil 24 und der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 12 befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager 28 tragfähig wird. In der Lagerbuchse 12 kann ein Rezirkulationskanal 30 vorgesehen sein, der einen am radial äußeren Rand des Axiallagers 28 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 16 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 22 befindlichen Abschnitt des Lagers verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager ermöglicht.
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Die Lagerbuchse 12 ist von einer Statoranordnung 36 umgeben, die an der Basisplatte 10 angeordnet ist und aus einem ferromagnetischen Statorblechpaket sowie aus entsprechenden Statorwicklungen besteht. Diese Statoranordnung 36 ist umgeben von einem umlaufenden Rand der Nabe 26, an welchem ein ringförmiger Rotormagnet 38 angeordnet ist. Der Rotormagnet 38 umgibt die Statoranordnung 36 in radialer Richtung unter Bildung eines Luftspalts. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Unterhalb des Rotormagneten 38 kann ein ferromagnetischer Metallring 40 angeordnet sein, der den Rotormagneten 40 magnetisch anzieht, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 10 hin gerichtete Kraft ergibt. Diese Kraft wirkt der Lagerkraft des Axiallagers 28 entgegen und dient zur axialen Vorspannung des Lagersystems.
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Der Lagerspalt 16 umfasst einen axialen Abschnitt, der sich entlang der Welle 14 und der beiden Radiallager 20, 22 erstreckt, und einen radialen Abschnitt, der sich entlang der Stirnseite der Lagerbuchse 12 und des Axiallagers 28 erstreckt. Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 16 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher als Reservoir und Dichtungsspalt 42 wirkt und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. 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 12 zwischen der Lagerbuchse 12 und einem zylindrischen Abschnitt des Rotorbauteils 24 erstreckt und den Dichtungsspalt 42 bildet. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 12 sowie die innere Mantelfläche des Rotorbauteils 24 sind weitgehend zylindrisch, jedoch vorzugsweise leicht in Richtung der Rotationsachse 18 geneigt und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 42. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser der inneren Mantelfläche des Rotorbauteils 24 in Richtung zur Öffnung des Dichtungsspaltes 42 in geringerem Maße ab als der Außendurchmesser der Lagerbuchse 12, so dass sich ein im Wesentlichen konischer Querschnitt des Dichtungsspaltes 42 ergibt.
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Unterhalb des Radiallagers 22 weist die Lagerbuchse 12 eine Aussparung auf, deren Durchmesser wesentlich größer ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Die Lagerbuchse 12 ist an dieser Seite durch eine Abdeckplatte 34 verschlossen. Die Welle 14 weist an diesem Ende einen Stopperring 32 auf, der innerhalb der Aussparung der Lagerbuchse 12 angeordnet ist. Die Aussparung, in welcher der Stopperring 32 angeordnet ist, ist mit dem Lagerspalt 16 sowie dem Rezirkulationskanal 30 verbunden und vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Bei einer übermäßigen axialen Bewegung der Welle 14 stößt der Stopperring 32 an einer Stufe der Lagerbuchse an, die durch den Übergang zwischen der Lagerbohrung und der Aussparung gebildet wird. Der Stopperring 32 verhindert dadurch ein Herausfallen der Welle 14 aus der Lagerbuchse 12.
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Die Öffnung 11 in der Basisplatte ist erfindungsgemäß mit einem zylindrischen Bauteil, insbesondere einer zylindrischen Platte 44, verschlossen. Dadurch erhält die Basisplatte 10 eine größere Steifigkeit und es bilden sich weniger Resonanzen.
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Damit die zylindrische Platte 44 in der Öffnung 11 der Basisplatte befestigt werden kann, ist in der Platte 44 eine Bohrung 46 vorgesehen, damit die zwischen Lagersystem und Platte 44 eingeschlossene Luft während des Einbaus der Platte 44 entweichen kann. Die Bohrung 46 kann durch eine Dichtungsmasse 48 verschlossen werden. Vorzugsweise ist die Dichtungsmasse 48 als elektrisch leitfähige Dichtungsmasse ausgebildet und tief in der Bohrung 46 im Bereich der Abdeckplatte 34 des Lagers angeordnet, so dass die Abdeckplatte 34 und die zylindrische Platte 44 elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor in einer abgewandelten Ausgestaltung, die in großen Teilen identisch zur Ausgestaltung von 1 ist. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Im Unterschied zu 1 ist bei 2 die Basisplatte 110 anders ausgebildet und umfasst eine Öffnung 111, die als Sackloch ausgebildet und nach unten verschlossen ist.
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Die Lagerbuchse 12 wird beispielsweise in die Öffnung 111 der Basisplatte 110 eingepresst. Damit beim Montieren der Lagerbuchse eingeschlossene Luft zwischen Lagerbuchse 12 und Basisplatte 110 entweichen kann, ist in der Basisplatte 110 eine Bohrung 146 vorgesehen, die diesen Bereich entlüftet. Die Bohrung 146 kann vorzugsweise mit einer Dichtungsmasse 148 verschlossen werden.
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Diese Dichtungsmasse ist wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben vorzugsweise elektrisch leitfähig ausgebildet und verbindet die Abdeckplatte 34 des Lagersystems mit der Basisplatte 110 elektrisch leitend miteinander.
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In dieser Ausgestaltung ist die Basisplatte 110 also ohne durchgehende Öffnung ausgebildet, so dass deren strukturelle Steifigkeit verbessert wird. Es wird kein zusätzliches Bauteil zum Verschließen der Öffnung 111 benötigt.
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3 zeigt eine weitere, gegenüber 1 abgewandelte Ausgestaltung der Erfindung, bei der gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Im Unterschied zu 1 ist in die Öffnung 11 der Basisplatte 10 eine Lagerbuchse 212 eingefügt, deren unterer Abschnitt axial verlängert ausgebildet ist, so dass die gesamte axiale Länge der Öffnung 11 durch die Lagerbuchse 212 ausgefüllt wird.
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Eine Abdeckplatte 234, die besonders dick ausgebildet ist, verschließt das Lagersystem nach unten und ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 212 angeordnet. Durch die dicke Abdeckplatte 234 wird gleichzeitig auch die verbleibende Öffnung 11 der Basisplatte 10 nach unten verschlossen. Die dicke Abdeckplatte 234 versteift sowohl die Lagerbuchse 212 als auch die Basisplatte 10. Die verlängerte Lagerbuchse 212 macht eine größere Fügelänge zwischen Lagerbuchse 212 und Basisplatte 10 möglich.
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Eine Dichtungsmasse 248 kann zwischen der Lagerbuchse 212 und Basisplatte 10 angeordnet sein und vorzugsweise elektrisch leitfähig ausgebildet sein, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen Lagerbuchse 212 und Basisplatte 10 zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- Basisplatte
- 11, 111
- Öffnung
- 12, 212
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Rotationsachse
- 20
- Radiallager
- 22
- Radiallager
- 24
- Rotorbauteil
- 26
- Nabe
- 28
- Axiallager
- 30
- Rezirkulationskanal
- 32
- Stopperring
- 34, 234
- Abdeckplatte
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rotormagnet
- 40
- Metallring
- 42
- Dichtungsspalt
- 44
- Platte
- 46, 146
- Bohrung
- 48, 148, 248
- Dichtungsmasse
