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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, wie er beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, eines Lüfters oder dergleichen, verwendet werden kann.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Ein fluiddynamisches Lagersystem umfasst im einfachsten Fall zwei relativ zueinander bewegliche Lagerbauteile, die durch einen schmalen Lagerspalt voneinander getrennt sind. Der Lagerspalt ist mit einem flüssigen oder gasförmigen Lagerfluid gefüllt. Die Lagerbauteile weisen Lagerflächen auf, wobei zumindest eine Lagerfläche mit einer Rillenstruktur versehen ist, die bei einer Relativbewegung der Lagerbauteile im Lagerspalt einen hydrodynamischen Druck erzeugt, der die Lagerflächen auf Abstand hält und eine reibungsarme Bewegung der Lagerbauteile ermöglicht.
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Bei einem Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem ist ein drehbewegliches Lagerbauteil, beispielsweise eine zylindrische Welle, innerhalb einer Bohrung eines feststehenden Lagerbauteils, beispielsweise einer Lagerbuchse, drehbar gelagert. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung ist dabei geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle, so dass zwischen den Mantelflächen von Bohrung und Welle ein dünner Lagerspalt gebildet wird, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise mit einem Lageröl, gefüllt ist.
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Zum Aufbau des fluiddynamischen Druckes im Lagerspalt ist in der Regel wenigstens eine der Lageroberflächen von Welle oder Lagerbuchse mit einer Oberflächenstruktur, beispielsweise einer Rillenstruktur, versehen. Durch die rotatorische Relativbewegung zwischen den einander gegenüberliegenden Mantel- bzw. Lageroberflächen entsteht durch die Rillenstruktur eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid, so dass sich ein gleichmäßig dicker und homogener Schmierfilm ausbilden kann, der die Lageroberflächen voneinander trennt und der durch Zonen fluiddynamischen Druckes stabilisiert wird.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bauformen von fluiddynamischen Lagersystemen für Spindelmotoren bekannt.
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Eine in der
DE 10 2012 020 228 A1 offenbarte Bauform ist das sogenannte Single-Plate Design, bei dem entlang des Lagerspalts zwischen der Welle und der Lagerbuchse zwei fluiddynamische Radiallager angeordnet sind. Eine Stabilisierung des Lagers entlang der Rotationsachse erfolgt durch ein entsprechend ausgestaltetes fluiddynamisches Axiallager. Das Axiallager wird vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer vorzugsweise an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, die in einer durch die Lagerbuchse und eine Abdeckplatte gebildeten Aussparung aufgenommen ist. Entsprechende Flächen des feststehenden Lagerbauteils dienen als Gegenlager zur Druckplatte und sind durch den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt von der Druckplatte getrennt. Auch bei einem fluiddynamischen Axiallager sind die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen mit einer Rillenstruktur versehen, um den für eine stabile axiale Positionierung der Druckplatte bzw. der Welle erforderlichen hydrodynamischen Druck zu erzeugen und die Zirkulation des Lagerfluids innerhalb des Axiallagerbereiches sicherzustellen.
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Am gegenüberliegenden Ende des Lagers ist der Lagerspalt durch einen Dichtungsspalt abgedichtet, der gleichermaßen als Reservoir und als Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid dient. Das in dem Dichtungsspalt zwischen Welle und vorzugsweise konischer Austrittsöffnung der Lagerbuchse befindliche Lagerfluid bildet unter dem Einfluss der Kapillarkräfte einen stabilen zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm, weshalb diese Art der Dichtung auch als Kapillardichtung (capillary seal) bezeichnet wird.
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Durch entsprechende Auslegung der erwähnten Rillenstruktur für den Radiallagerbereich kann bei Rotation der Welle eine einseitige Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Lagerspalt ausgeübt werden. Es baut sich ein hydrodynamischer Druck auf, der in dem an den Axiallagerbereich angrenzenden Radiallagerbereich höher ist als in dem am freien Wellenende angeordneten Radiallagerbereich. Dieser Druckunterschied kann dazu führen, dass die Druckplatte nicht wie erwartet mittig innerhalb der sie umgebenden Aussparung rotiert, sondern dass der axiale Lagerspalt zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Lagerbuchse wesentlich kleiner ist, als der Lagerspalt zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Abdeckplatte. Dieses Kräftegleichgewicht kann ferner dadurch gestört werden, dass sich im Lagerspalt im Bereich der Axiallager Luftbläschchen ansammeln, die entweder im Lagerfluid gelöst waren und aus dem Lagerfluid ausgasen, oder während des Einfüllens des Lagerfluids in den Lagerspalt gelangt waren oder auch während des Betriebs des Lagers in den Lagerspalt gelangen. Durch diese im Axiallagerbereich sich ansammelnden Luftbläschen kann es zu einer einseitigen Verschiebung der Druckplatte in axialer Richtung kommen, da die Axiallager ungleiche Kräfte entwickeln, da die Luftblasen den Aufbau eines hydrodynamischen Drucks im Lagerspalt stören oder verhindern. Dadurch kann der axiale Abstand zwischen der einen Stirnfläche der Druckplatte und der gegenüberliegen Gegenfläche wesentlich kleiner werden, als jener zwischen der anderen Stirnfläche der Druckplatte und der anderen Gegenfläche. Je nach Ausgestaltung und Belastung des Lagers kann dieses Ungleichgewicht des hydrodynamischen Drucks dazu führen, dass der Lagerspalt auf einer Seite der Druckplatte so klein wird, dass sich die Lagerflächen berühren, was zur Verringerung der Lebensdauer oder gar zu einer Beschädigung des Lagers führen kann.
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Um diese Effekte zu reduzieren ist es beispielsweise bekannt, die Druckplatte mit axialen Bohrungen zu versehen, so dass das Lagerfluid um die Druckplatte herum besser zirkulieren kann. Diese Maßnahme löst aber nicht die Probleme, die durch die im Bereich um die Druckplatte eingeschlossenen Luftbläschen auftreten können.
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Die
JP 2002-153015 A offenbart in der
2 einen Spindelmotor mit Single-Plate Design. In einer weiteren Ausgestaltung gemäß
3 weist der Motor ein Axiallager zwischen der Oberseite der Lagerbuchse und der gegenüberliegenden Unterseite des Rotorbauteils auf. Ein weiteres Axiallager ist zwischen der Oberseite der Druckplatte und der gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse angeordnet. Zwischen der Unterseite der Druckplatte und einer gegenüberliegenden Abdeckplatte ist ein radial verlaufender Spalt angeordnet, der eine deutlich größere Spaltbreite als der Lagerspalt aufweist. In einer anderen Ausgestaltung gemäß
4 weist der Motor zwischen der Abdeckplatte und der Unterseite der Druckplatte ein Axiallager auf. Ein weiteres Axiallager ist zwischen der Oberseite der Druckplatte und der gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse angeordnet. Zwischen der Oberseite der Lagerbuchse und einer gegenüberliegenden Fläche des Rotorbauteils ist ein radial verlaufender Spalt ausgebildet, dessen Spaltbreite sich radial nach außen vergrößert. In sämtlichen Ausgestaltungen besteht jedoch weiterhin das Risiko, dass eingeschlossene Luftbläschen nicht nach außen entweichen können und im Lagerspalt verbleiben und somit zu Beschädigungen des Lagers führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager für einen Spindelmotor, insbesondere ein Single-Plate Design, anzugeben, das eine höhere Betriebssicherheit und damit höhere Gesamtlebensdauer aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 8 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Das beschriebene fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil, welches mindestens eine Lagerbuchse aufweist, und ein um eine Rotationsachse drehbewegliches Lagerbauteil, welches eine Welle, eine an der Welle angeordnete Druckplatte und ein an der Welle befestigtes Rotorbauteil umfasst, wobei zwischen den Lagerbauteilen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt vorgesehen ist, wobei mindestens ein fluiddynamisches Radiallager zwischen der Welle und der Lagerbuchse, ein erstes fluiddynamisches Axiallager zwischen einer oberen Stirnseite der Druckplatte und der Lagerbuchse und ein zweites fluiddynamisches Axiallager zwischen einer unteren Stirnseite der Druckplatte und einer gegenüberliegenden Abdeckplatte angeordnet ist, wobei der Lagerspalt ein offenes Ende aufweist, das durch einen teilweise mit Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt abgedichtet ist, wobei der Dichtungsspalt durch einen mit Lagerfluid gefüllten Verbindungsspalt mit dem Lagerspalt verbunden ist.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind auf mindestens einer den Verbindungsspalt begrenzenden Oberflächen der Lagerbuchse und/oder des Rotorbauteils Pumprillenstrukturen angeordnet, die auf das im Verbindungsspalt befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerspalts erzeugen, so dass der hydrodynamische Druck im radial inneren Abschnitt des Verbindungsspalts größer ist als der Druck im radial äußeren Abschnitt des Verbindungsspalts. Diese Druckdifferenz erleichtert es den im Verbindungsspalt befindlichen Luftbläschen in Richtung des fallenden Druckgradienten radial nach außen zu wandern und über den Dichtungsspalt ins Freie zu entweichen.
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Die Pumprillenstrukturen sind dabei vorzugsweise als Spiralrillen ausgebildet, um eine ausreichend große Pumpwirkung im Verbindungsspalt in Richtung radial nach innen zu erzeugen.
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Die Lagerrillenstrukturen des ersten fluiddynamischen Axiallagers sind vorzugsweise fischgrätenförmig ausgebildet. Die Lagerrillenstrukturen des zweiten fluiddynamischen Axiallagers sind dagegen vorzugsweise spiralrillenförmig ausgebildet.
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Die Spaltbreite des Verbindungsspalts ist vorzugsweise mindestens 50 Mikrometer, so dass die den Verbindungsspalt begrenzenden Flächen der Lagerbuchse und dem Rotorbauteil kein fluiddynamisches Axiallager bilden, da zwischen diesen Flächen keine ausreichende hydrodynamische Lagerkraft erzeugt wird.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Spaltbreite des Verbindungsspalts nicht konstant, sondern weitet sich radial nach außen auf. Dadurch wird es im Verbindungsspalt befindlichen Luftbläschen erleichtert, radial nach außen in Richtung des Dichtungsspalts zu wandern und von dort ins Freie zu entweichen, während das Lagerfluid im Verbindungsspalt im Kreislauf verbleibt und radial nach innen zirkuliert. Hierbei beträgt die Spaltbreite am radial inneren Rand des Verbindungsspalts beispielsweise mindestens 50 Mikrometer und weitet sich radial nach außen auf beispielsweise mindestens 100 Mikrometer auf.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass entlang des Verbindungsspaltes sowohl Pumprillenstrukturen angeordnet sind, die das Lagerfluid im Verbindungsspalt radial nach innen fördern, als auch die Spaltbreite des Verbindungsspaltes sich radial nach außen aufweitet.
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Im Vergleich zu einem herkömmlichen Single-Plate Lagersystem fasst das erfindungsgemäße Lagersystem aufgrund des langen Verbindungsspaltes und des außen liegenden Dichtungsspaltes eine wesentlich größere Menge an Lagerfluid, so dass ein ausreichender Vorrat an Lagerfluid über die Lebensdauer des Lagers relativ einfach vorgehalten werden kann. Der Dichtungsspalt ist zumindest teilweise und der Verbindungsspalt vollständig mit Lagerfluid gefüllt.
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Durch die relativ große Menge an verfügbarem Lagerfluid wird es möglich, ein Lagerfluid mit niedriger Viskosität einzusetzen, was zu einer geringeren Lagerreibung und damit zu einem geringeren Stromverbrauch des mit dem fluiddynamischen Lager gelagerten Spindelmotors führt. Die in der Regel höhere Verdunstungsrate eines solchen niederviskosen Lagerfluids wird durch die größere verfügbare Menge an Lagerfluid ausgeglichen.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Bauart des Single-Plate Lagersystems ist auch erstmals eine vollständige Rezirkulation des Lagerfluids im Lagersystem möglich. Vorzugsweise ist in der Lagerbuchse ein Rezirkulationskanal angeordnet, der einen radial außen liegenden Abschnitt des Verbindungsspalts mit einem entfernten Abschnitt des Lagerspalts im Bereich einer mit der Welle verbundenen Druckplatte verbindet. Dadurch wird ein geschlossener Fluidkreislauf im Lagerspalt ermöglicht, was die Schmiersicherheit und Zuverlässigkeit des Lagersystems erhöht. Zudem besteht die Möglichkeit, dass im Bereich der Druckplatte befindliche Luftbläschen über den Rezirkulationskanal in den äußeren Bereich des Lagers gelangen und aus dem Lager entweichen können.
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Der Verbindungsspalt erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse und ist durch eine Stirnfläche der Lagerbuchse und eine dieser gegenüberliegenden Unterseite des Rotorbauteils begrenzt.
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Der Dichtungsspalt weist einen axial und parallel zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt auf, der durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils begrenzt ist. Ausgehend von der Rotationsachse des Lagers befindet sich der Verbindungsspalt radial außerhalb des Lagerspaltes. Der Dichtungsspalt befindet sich radial außerhalb des Verbindungsspaltes.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das fluiddynamische Lagersystem ein feststehendes Lagerbauteil, welches mindestens eine Lagerbuchse aufweist, und ein um eine Rotationsachse drehbewegliches Lagerbauteil, welches eine Welle, eine an der Welle angeordnete Druckplatte und ein an der Welle befestigtes Rotorbauteil umfasst, wobei zwischen den Lagerbauteilen ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt vorgesehen ist, wobei mindestens ein fluiddynamisches Radiallager zwischen der Welle und der Lagerbuchse, ein erstes fluiddynamisches Axiallager zwischen einer oberen Stirnseite der Druckplatte und der Lagerbuchse und ein zweites fluiddynamisches Axiallager zwischen einer Stirnseite der Lagerbuchse und einer Unterseite des Rotorbauteils angeordnet ist, wobei der Lagerspalt ein offenes Ende aufweist, das durch einen teilweise mit Lagerfluid gefüllten Dichtungsspalt abgedichtet ist.
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In dieser Ausgestaltung ist erfindungsgemäß in der Lagerbuchse ein Rezirkulationskanal vorhanden, der einen radial außen liegenden Abschnitt des Lagerspalts im Bereich des ersten Axiallagers mit einem radial außen liegenden Abschnitt des Lagerspalts im Bereich des zweiten Axiallagers verbindet.
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Im Gegensatz zu einem bekannten Single-Plate-Lagersystem, bei dem üblicherweise zwei fluiddynamische Axiallager im Bereich der Druckplatte angeordnet sind, sind die beiden Axiallager gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung in einem möglichst großen axialen Abstand zueinander angeordnet. Dadurch wird die Lagersteifigkeit in axialer Richtung wesentlich verbessert.
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Die Druckplatte ist in einer Aussparung der Lagerbuchse angeordnet, wobei die Aussparung an einer Seite durch eine Abdeckplatte verschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen einer unteren Stirnseite der Druckplatte und einer gegenüberliegenden Fläche der Abdeckplatte ein mit dem Lagerspalt verbundener und mit Lagerfluid gefüllter radial verlaufender Spalt gebildet. Dieser radial verlaufende Spalt ist mit mindestens 50 Mikrometern Spaltbreite wesentlich breiter als der Lagerspalt eines Axiallagers, der eine typische Spaltbreite von weniger als 20 Mikrometern – beispielsweise 10 Mikrometer – aufweist.
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Um eine Umwälzung des im radial verlaufenden Spalt befindlichen Lagerfluids anzutreiben, kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass auf mindestens einer den radial verlaufenden Spalt begrenzenden Oberfläche der Druckplatte oder der Abdeckplatte Pumprillenstrukturen angeordnet sind. Die Pumprillenstrukturen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie im radial verlaufenden Spalt eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid radial nach innen in Richtung der Rotationsachse erzeugen. Hierfür sind beispielsweise Pumprillenstrukturen geeignet, die als Spiralrillen ausgebildet sind.
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Auch bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist das erste fluiddynamische Axiallager vorzugsweise fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen auf, während das zweite fluiddynamische Axiallager vorzugsweise spiralrillenförmige Lagerrillenstrukturen aufweist.
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Der Dichtungsspalt umfasst einen axial und parallel zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt, der durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche des Rotorbauteils begrenzt ist. Da der ringförmige Dichtungsspalt einen wesentlich größeren Durchmesser und damit Fassungsvermögen aufweist, als vergleichsweise ein Dichtungsspalt in einem herkömmlichen Single-Plate-Lagersystem, kann mehr Lagerfluid vorgehalten und die Lebensdauer des Lagersystems erhöht werden.
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Das erfindungsgemäße Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden. Derartige, fluiddynamisch gelagerte Spindelmotoren werden zum Antrieb von Festplattenlaufwerken und Lüftern eingesetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, wobei sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
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2 zeigt eine Aufsicht auf die Lagerbuchse des Lagers aus 1.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
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5 zeigt eine Aufsicht auf die obere Stirnseite der Lagerbuchse von 4.
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6 zeigt eine Aufsicht auf die untere Stirnseite der Lagerbuchse von 4.
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7 zeigt eine Aufsicht auf die obere Stirnseite der Abdeckplatte von 4.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die Zeichnungen zeigen Spindelmotoren zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, Lüfters oder dergleichen, mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem in verschiedenen Varianten.
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Der in 1 dargestellte Spindelmotor weist eine feststehende Basisplatte 10 auf, in welcher die Lagerbuchse 12 gehalten ist. Die Lagerbuchse 12 ist in eine Hülse 14 eingepresst oder eingeklebt, wobei dann die Hülse 14 in der Öffnung der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Lagerbuchse 12 weist eine axiale zylindrische Bohrung 12a (vgl. 5 und 6) auf, in welcher eine Welle 16 drehbar unter Bildung eines mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllten axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 18 aufgenommen ist. Die Welle 16 hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Lagerbohrung, so dass sich der nur wenige Mikrometer breite und mit Lagerfluid gefüllte axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 18 zwischen Welle 16 und Lagerbuchse 12 ergibt.
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Das freie, aus der Lagerbuchse 12 herausragende Ende der Welle 16 trägt ein Rotorbauteil 20 auf der eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerks oder ein Lüfterrad (nicht dargestellt) eines Lüfters angeordnet und befestigt werden können. Das Rotorbauteil 20 kann einteilig oder beispielsweise mehrteilig ausgebildet sein und ein inneres Rotorbauteil 20a und ein äußeres Rotorbauteil 20b umfassen.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst zwei entlang des Lagerspalts angeordnete Radiallagerbereiche 22, 24, die durch sinus-, parabel- oder chevronförmige Lagerrillen gekennzeichnet sind, die auf dem Außenumfang der Welle 16 und/oder auf dem Innenumfang der Lagerbohrung 12a der Lagerbuchse 12 vorgesehen ist. Die Radiallagerbereiche 22, 24 sind in einem axialen Abstand voneinander angeordnet und durch einen Separatorspalt 26 mit gegenüber dem Lagerspalt 18 größerer Spaltbreite voneinander getrennt. Sobald die Welle 16 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Lagerrillen ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 18 auf, so dass die Radiallager 22, 24 tragfähig werden. Das erste, obere Radiallager 22 ist vorzugsweise unsymmetrisch ausgebildet, das heißt der Teil der Lagerrillen oberhalb des Apex ist länger ausgebildet als der Teil der Lagerrillen unterhalb des Apex, wodurch es eine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugt, die überwiegend in Richtung nach unten zum zweiten, unteren Radiallager 24 gerichtet ist. Das zweite Radiallager 24 kann symmetrisch ausgebildet sein, das heißt die Lagerrillen ober- und unterhalb des Apex sind gleichlang ausgebildet, und erzeugen dadurch eine richtungsneutrale Pumpwirkung, oder es kann ebenfalls unsymmetrisch ausgebildet sein, indem die Lagerrillen oder- und unterhalb des Apex eine unterschiedliche axiale Längenausdehnung aufweisen und eine leicht nach oben oder unten gerichtete Pumpwirkung erzeugen.
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Eine am unteren Ende der Welle 16 befestigte Druckplatte 28 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 12 angeordnet. Die Druckplatte 28 kann in der Aussparung der Lagerbuchse 12 rotieren, wobei die Lagerbuchse auf der Seite der Aussparung von einer Abdeckplatte 30 verschlossen ist. Ober- und Unterseite der Druckplatte 28 bilden zusammen mit gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 12 bzw. der Abdeckplatte 30 jeweils ein fluiddynamisches Axiallager 32, 34, welche die axialen Kräfte der Lageranordnung aufnehmen. Das obere Axiallager 32, das zwischen Lagerbuchse 12 und Druckplatte 28 gebildet wird, ist durch fischgrätenförmige Lagerrillen gekennzeichnet, die beispielsweise eine Tiefe von 8 bis 14, beispielsweise von 12 Mikrometern aufweisen können. Das untere Axiallager 34, das zwischen Druckplatte 28 und Abdeckplatte 30 gebildet wird, ist durch spiralförmige Lagerrillen gekennzeichnet, die beispielsweise ebenfalls eine Tiefe von 8 bis 14 Mikrometern, beispielsweise von 12 Mikrometern aufweisen können.
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Anschließend an seinen axial verlaufenden Abschnitt verläuft der Lagerspalt 18 um die Druckplatte 28 herum zwischen Druckplatte 28 und Lagerbuchse 12 bzw. Abdeckplatte 30. Im Bereich der Axiallager 32, 34 hat der Lagerspalt 18 beispielsweise eine Spaltbreite von 8 bis 12 Mikrometern, beispielsweise von 10 Mikrometern.
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Der axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 18 endet knapp oberhalb des oberen Radiallagers 22. Hier geht der Lagerspalt 18 in einen Verbindungsspalt 36 über, der relativ zum Lagerspalt 18 um ca. 90° abknickt und sich radial nach außen zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 12 und einer Unterseite des inneren Rotorbauteils 20a erstreckt. Der Verbindungsspalt 36 ist wesentlich breiter als der Lagerspalt 18, wobei die Spaltbreite vorzugsweise mindestens 50 Mikrometer, beispielsweise 70 Mikrometer beträgt. Erfindungsgemäß ist die Oberfläche der Lagerbuchse 12 oder die Unterseite des inneren Rotorbauteils 20a im Bereich des Verbindungsspaltes 36 mit Pumprillen 52 versehen. Der Verbindungsspalt wirkt aufgrund seiner im Vergleich zu den Axiallagerspalten größeren Spaltbreite nicht als Axiallagerspalt bzw. die Pumprillen wirken aus diesem Grund nicht als fluiddynamisches Axiallager. Der Verbindungsspalt 36 erstreckt sich bis zum Außenumfang der Lagerbuchse 12 und geht dort in einen Dichtungsspalt 38 über, der relativ zum Verbindungsspalt um ca. 90° nach unten abknickt und im Wesentlichen konzentrisch zu einer Rotationsachse 40 und dem axialen Abschnitt des Lagerspalts 18 verläuft. Der Verbindungsspalt 36 ist vollständig und der Dichtungsspalt 38 ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 38 besitzt vorzugsweise einen sich konisch in Richtung seiner Öffnung auf weitenden Querschnitt, wirkt als kapillare Dichtung und dient gleichzeitig als Vorrats- und Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid. Der Dichtungsspalt 38 dichtet das Lagersystem nach außen ab. Die den Dichtungsspalt 38 begrenzende innere Umfangsfläche des inneren Rotorbauteils 20a sowie die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 sind im Bereich des Dichtungsspalts 38 ausgehend vom Verbindungsspalt 36 zum Ende des Dichtungsspalts 38 hin leicht nach innen in Richtung zur Rotationsachse 40 geneigt. Die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 weist dabei einen größeren Neigungswinkel, der zwischen 2 Grad und 8 Grad – beispielsweise 5 Grad – betragen kann, auf, als innere Umfangsfläche des inneren Rotorbauteils 20a. Hier kann der Neigungswinkel zwischen 0 Grad und 4 Grad – beispielsweise 2 Grad – betragen.
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Der Außenumfang der Lagerbuchse 12 weist seinen größten Durchmesser im Bereich des Übergangs zwischen dem Verbindungsspalt 36 und dem Dichtungsspalt 38 auf. Dadurch lässt sich nach dem Befüllen des Lagers mit Lagerfluid jedoch noch vor der Montage der Lagerbuchse 12 in die Hülse 14 durch die Öffnung des Dichtungsspalts 38 die Höhe des Füllstandes des Lagerfluids bestimmen beispielsweise durch optische Verfahren.
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Die Öffnung des Dichtungsspalts 38 mündet in einen ringförmigen Freiraum, der über einen ringförmigen Luftspalt 48 mit der Außenumgebung verbunden ist, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann. Der Luftspalt 48 erstreckt sich vertikal zwischen einer inneren Umfangsfläche des äußeren Rotorbauteils 20b und einer äußeren Umfangsfläche der Hülse 14. Der Luftspalt 48 verhindert ferner einen übermäßigen Verlust an Lagerfluiddampf, der von der Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt 38 verdampft.
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Der innere Bereich des Lagers, genauer gesagt ein radial außen gelegener Abschnitt des Lagerspalts 18 zwischen der Oberseite der Druckplatte 28 und einer gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse 12, ist über einen Rezirkulationskanal 50 mit einem radial außen liegenden Abschnitt des Verbindungsspalts 36 verbunden. Der Rezirkulationskanal 50 verläuft in Längsrichtung innerhalb der Lagerbuchse 12, ist vollständig mit Lagerfluid gefüllt und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagersystem. Zumindest das obere Radiallager 22 pumpt das Lagerfluid in Richtung nach unten in den Lagerspalt 18 im Bereich um die Druckplatte, wo dieses Lagerfluid dann über den Rezirkulationskanal 50 zurück nach oben in den Bereich des Verbindungsspalts 36 fließen kann, wo es wie weiter unten beschrieben wieder radial nach innen und zurück in den Kreislauf befördert wird.
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Am äußeren Rotorbauteil 20b ist ein ringförmiger Permanentmagnet 42 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, die von der über einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 44 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden, so dass das Rotorbauteil 20 zusammen mit der Welle 16 in Drehung versetzt wird. Der Permanentmagnet 42 ist von einem Rückschlussring 46 umgeben, der am äußeren Rotorbauteil 20b befestigt ist. Die Stromversorgung der Statorwicklungen erfolgt beispielsweise über elektrische Kontakte, die an der Unterseite der Basisplatte 10 angeordnet sind.
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2 zeigt schematisch eine Aufsicht der Lagerbuchse 12 und die vorzugsweise auf deren Stirnseite angeordneten Pumprillen 52. Die Pumprillen 52 sind beispielsweise spiralförmig ausgebildet und weisen beispielsweise eine Tiefe von etwa 15 bis 25 Mikrometern, beispielsweise von 20 Mikrometern auf. Aufgrund der Drehung des Rotorbauteils 20 relativ zur Lagerbuchse 12 erzeugen die Pumprillen 52 eine radial nach innen gerichtete Pumpwirkung auf das im Verbindungsspalt 36 befindliche Lagerfluid, wodurch der hydrodynamische Druck im Verbindungsspalt 36 radial nach innen in Richtung des Lagerspalts 18 größer wird. Am radial äußeren Ende des Verbindungsspalts 36, dort wo der Verbindungsspalt 36 in den Dichtungsspalt 38 übergeht, herrscht derselbe Druck wie im Dichtungsspalt 38, nämlich im wesentlichen Umgebungsdruck, da der Dichtungsspalt 38 unmittelbar mit der Umgebung verbunden ist.
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Dieser Druckgradient entlang des Verbindungsspalts 36 ermöglicht es Luftbläschen, die sich im Bereich des Verbindungsspalts 36 ansammeln, radial nach außen dem Druckgefälle zu folgen und über den Dichtungsspalt 38 nach außen zu entweichen, während das Lagerfluid durch die Pumprillen 52 radial nach innen in das Lagersystem gefördert werden.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der sich lediglich durch die Ausgestaltung des Verbindungsspaltes 136 von dem Spindelmotor aus 1 unterscheidet. In 3 sind gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in 1 versehen.
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Der Verbindungsspalt 136 hat in dieser Ausgestaltung der Erfindung keine gleich bleibende Spaltbreite sondern ist derart ausgestaltet, dass dessen Spaltbreite sich radial nach außen vergrößert. Die vergrößerte Spaltbreite wird durch eine Schräge in der Unterseite des inneren Rotorbauteils 20a und/oder in der Oberseite der Lagerbuchse 12 erreicht. Die Schräge kann beispielsweise zwischen 1 und 5 Grad betragen. Das aus dem Rezirkulationskanal 50 ausströmende Lagerfluid gelangt in die radial außen liegenden Abschnitte des Verbindungsspalts 136. Dort herrscht ein geringer Druck, vorzugsweise Umgebungsdruck. Da das obere Radiallager 22 eine Pumpwirkung in Richtung des Inneren des Lagersystems erzeugt, fließt das im Verbindungsspalt 136 befindliche Lagerfluid radial nach innen, da es vom Radiallager 22 angesaugt wird. Die im Lagerfluid mitgeführten Luftbläschen folgen aber nicht dem Strom des Lagerfluids, sondern können aufgrund der relativ großen Breite der äußeren Bereiche des Verbindungsspalts 136 leicht über den Dichtungsspalt 38 nach außen entweichen.
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Der in 4 dargestellte Spindelmotor entspricht in seinem Grundaufbau dem Spindelmotor von 1. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Im Gegensatz zu dem Spindelmotor aus 1 weist der hier gezeigte keine Hülse auf, in der die Lagerbuchse aufgenommen ist. Dafür ist die Basisplatte 10 so ausgestaltet, dass sie einen hülsenförmigen Aufsatz aufweist, in dem die Lagerbuchse 12 aufgenommen ist. Hülse und Basisplatte sind also einteilig ausgebildet.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst zwei entlang des axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts angeordnete Radiallagerbereiche 22, 24, wie sie in Zusammenhang mit 1 beschrieben sind.
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Die am unteren Ende der Welle 16 befestigte Druckplatte 28 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 12 angeordnet. Die Druckplatte 28 kann in der Aussparung der Lagerbuchse 12 rotieren, wobei die Lagerbuchse 12 auf Seiten der Aussparung von einer Abdeckplatte 30 verschlossen ist. Die obere Stirnfläche der Druckplatte 28 bildet zusammen mit der gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse 12 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 32, welches eine Lagerkraft in Richtung nach unten auf die Druckplatte 28 und die damit verbundene Welle erzeugt. Im Bereich des Axiallagers 32 hat der Lagerspalt 18 beispielsweise eine Spaltbreite von 10 Mikrometern. Das erste fluiddynamische Axiallager 32 umfasst Axiallagerrillen 32a (6), die auf der oberen Stirnfläche der Druckplatte 28 und/oder vorzugsweise auf der unteren Gegenfläche der Lagerbuchse 12 angeordnet sind.
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Der axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 18 knickt oberhalb des oberen Radiallagers 22 um 90° nach außen ab und erstreckt sich als radial verlaufender Abschnitt des Lagerspalts 18 weiter radial nach außen zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 12 und einer Unterseite des inneren Rotorbauteils 20a. Die Spaltbreite des radialen Abschnitts des Lagerspalts 18 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise 10 Mikrometer und vorzugsweise weniger als 15 Mikrometer. Entlang dieses radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 18 ist ein zweites fluiddynamisches Axiallager 34 angeordnet. Das zweite Axiallager 34 weist vorzugsweise spiralförmige Axiallagerrillen 34a auf, die vorzugsweise auf der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 12 angeordnet sind, aber auch auf der gegenüberliegenden Unterseite des inneren Rotorbauteils 20a angeordnet sein können. Die Tiefe der Lagerrillen 34a beträgt etwa 8 bis 14 Mikrometer, beispielsweise 12 Mikrometer.
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Der radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 18 erstreckt sich bis zum Außendurchmesser der Lagerbuchse 12 und geht dort in einen Dichtungsspalt 38 über, der relativ zum Verbindungsspalt um ca. 90° nach unten abknickt und im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse 40 und dem axialen Abschnitt des Lagerspalts 18 verläuft. Der Dichtungsspalt 38 ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 38 besitzt vorzugsweise einen sich konisch in Richtung seiner Öffnung auf weitenden Querschnitt, wirkt als kapillare Dichtung und dient gleichzeitig als Vorrats- und Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid. Der Dichtungsspalt 38 dichtet das Lagersystem nach außen ab. Die den Dichtungsspalt 38 begrenzende innere Umfangsfläche des inneren Rotorbauteils 20a sowie die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 sind im Bereich des Dichtungsspalts 38 ausgehend vom radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 18 zum Ende des Dichtungsspalts 38 hin leicht nach innen in Richtung zur Rotationsachse 40 geneigt. Die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 weist dabei einen größeren Neigungswinkel, der zwischen 2 Grad und 8 Grad – beispielsweise 5 Grad – betragen kann, auf, als innere Umfangsfläche des inneren Rotorbauteils 20a. Hier kann der Neigungswinkel zwischen 0 Grad und 4 Grad – beispielsweise 2 Grad – betragen.
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Der Außenumfang der Lagerbuchse 12 weist seinen größten Durchmesser im Bereich des Übergangs zwischen dem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 18 und dem Dichtungsspalt 38 auf. Dadurch lässt sich nach dem Befüllen des Lagers mit Lagerfluid jedoch noch vor der Montage der Lagerbuchse 12 in die Basisplatte 10 durch die Öffnung des Dichtungsspalts 38 die Höhe des Füllstandes des Lagerfluids bestimmen beispielsweise durch optische Verfahren.
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Die Öffnung des Dichtungsspalts 38 mündet in einen ringförmigen Freiraum, der über einen ringförmigen Luftspalt 48 mit der Außenumgebung verbunden ist, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann. Der Luftspalt 48 erstreckt sich vertikal zwischen einer inneren Umfangsfläche des äußeren Rotorbauteils 20b und einer äußeren Umfangsfläche der Hülse 14. Der Luftspalt 48 verhindert ferner einen übermäßigen Verlust an Lagerfluiddampf, der von der Oberfläche des Lagerfluids im Dichtungsspalt 38 verdampft.
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Zwischen den unteren Stirnflächen der Druckplatte 28 und der Welle 12 sowie der oberen Stirnfläche der Abdeckplatte 30 wird ein radial verlaufender ringscheibenförmiger Spalt 37 gebildet. Dieser radiale Spalt 37 hat eine Spaltbreite von mindestens 50 Mikrometern, welche also wesentlich größer ist als die Spaltbreite des Lagerspalts 18. Das Lagerfluid kann im Lagerspalt 18 und dem radial verlaufenden Spalt 37 um die Druckplatte 28 herum zirkulieren.
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Der radial verlaufende Spalt 37 wirkt aufgrund seiner großen Spaltbreite nicht als Lagerspalt oder fluiddynamisches Axiallager. Erfindungsgemäß kann die Oberfläche der Abdeckplatte 30 und/oder die Unterseite der Druckplatte 28 im Bereich des radialen Spaltes 37 mit Pumprillen 52 versehen sein. Die Pumprillen 52 können beispielsweise eine Tiefe von 15 bis 30 Mikrometern, beispielsweise von 20 Mikrometern aufweisen.
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Der innere Bereich des Lagers, genauer gesagt ein Abschnitt des Lagerspalts 18 zwischen der Oberseite der Druckplatte 28 und einer gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse 12, ist über einen Rezirkulationskanal 50 mit einem radial außen liegenden Abschnitt des radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 18 im Bereich des zweiten Axiallagers 34 verbunden. Der Rezirkulationskanal 50 verläuft in Längsrichtung leicht schräg innerhalb der Lagerbuchse 12, ist vollständig mit Lagerfluid gefüllt und ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagersystem. Zumindest das obere Radiallager 22 pumpt das Lagerfluid in Richtung nach unten in den Lagerspalt 18 im Bereich um die Druckplatte 28, wo dieses Lagerfluid dann über den Rezirkulationskanal 50 zurück nach oben in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 18 im Bereich des zweiten Axiallagers 34 fließen kann, wo es durch das zweite Axiallager 34 wieder radial nach innen und zurück in den Kreislauf befördert wird.
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In allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine das Rotorbauteil 20 tragende Welle 16 drehbar in einer feststehenden Lagerbuchse 12 gelagert. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch Konstruktionen, bei denen eine feststehende Welle von einer das Rotorbauteil tragenden, drehbaren Lagerbuchse umgeben ist.
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5 zeigt eine Aufsicht der Lagerbuchse 12 mit darauf angeordneten spiralrillenförmigen Axiallagerrillen 34a des zweiten fluiddynamischen Axiallagers 34. Die Axiallagerrillen 34a erzeugen bei Drehung des Rotorbauteils 20 relativ zur Lagerbuchse 12 eine radial nach innen gerichtete Pumpwirkung auf das im radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 18 befindliche Lagerfluid.
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6 zeigt eine Ansicht der Lagerbuchse von unten, wobei man die Axiallagerillen 32a des ersten Axiallagers 32 erkennt, die beispielsweise fischgrätenförmig ausgebildet sind. Es wird eine symmetrische (Anmerkung: die radial äußeren Äste pumpen aufgrund der höheren Umfangsgeschwindigkeit stärker als die radial innen liegenden Äste der Herringbone-förmigen Axiallagerrillen) Ausbildung der Axiallagerrillen 32a bevorzugt, so dass das erste Axiallager 32 einen ausgeglichenen hydrodynamischen Druck in diesem Abschnitt des Lagerspalts 18 erzeugt. Die Lagerrillen 32a können beispielsweise eine Tiefe von 12 Mikrometern aufweisen.
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7 zeigt schematisch eine Aufsicht der Oberseite der Abdeckplatte 30 und die vorzugsweise spiralförmig ausgebildeten Pumprillen 52. Aufgrund der Drehung der Druckplatte 28 relativ zur Abdeckplatte 30 erzeugen die Pumprillen 52 eine radial nach innen gerichtete Pumpwirkung auf das im Spalt 37 befindliche Lagerfluid, wodurch der hydrodynamische Druck im Spalt 37 radial nach innen in Richtung der Rotationsachse 40 größer wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Lagerbuchse
- 12a
- Bohrung
- 14
- Hülse
- 16
- Welle
- 18
- Lagerspalt
- 20
- Rotorbauteil
- 20a
- Inneres Rotorbauteil
- 20b
- Äußeres Rotorbauteil
- 22
- Radiallager
- 24
- Radiallager
- 26
- Separatorspalt
- 28
- Druckplatte
- 30
- Abdeckplatte
- 32
- Axiallager
- 32a
- Axiallagerrillen
- 34
- Axiallager
- 34a
- Axiallagerrillen
- 36, 136
- Verbindungsspalt
- 37
- radialer Spalt
- 38
- Dichtungsspalt
- 40
- Rotationsachse
- 42
- Permanentmagnet
- 44
- Statoranordnung
- 46
- Rückschlussring
- 48
- Luftspalt
- 50
- Rezirkulationskanal
- 52
- Pumprillen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020228 A1 [0006]
- JP 2002-153015 A [0010]
