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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2011 016 888 A1 offenbart einen Spindelmotor mit einem konischen fluiddynamischen Lagersystem, das zwei konische fluiddynamische Lager aufweist, die im Wesentlichen gleichartig aufgebaut sind und deren Lagerkräfte gegeneinander wirken. Das Lagersystem weist eine stehende Welle auf, die in einer Durchgangsbohrung einer Basisplatte angeordnet ist. Die Welle weist eine axiale Durchgangsbohrung auf, von welcher mehrere Querbohrungen abzweigen, um entsprechende Freiräume und Hohlräume im Lagersystem miteinander zu verbinden, so dass dort überall derselbe Umgebungsdruck herrscht. Ein solcher Spindelmotor wird vorzugsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt.
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Moderne Festplattenlaufwerke werden oftmals mit Helium gefüllt, um die Reibungsverluste der sich drehenden Speicherplatten zu verringern. Hierzu muss das Gehäuse des Festplattenlaufwerks heliumdicht ausgebildet werden, damit kein Helium entweichen kann. Unter anderem ist die Basisplatte des Spindelmotors ein Teil des Gehäuses des Festplattenlaufwerks und muss ebenfalls heliumdicht ausgebildet werden.
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Kritische Punkte bei der Abdichtung sind u. a. die Verbindung zwischen der Welle und der Basisplatte und die Längsbohrungen der Welle, die abgedichtet werden müssen, damit kein Helium aus dem Innenraum des Festplattenlaufwerks entweichen kann.
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Zur Abdichtung der Pressverbindung zwischen Welle und Basisplatte kann beispielsweise Klebstoff verwendet werden, der jedoch durch Schockbelastungen etc. beschädigt werden kann und damit nicht mehr heliumdicht ist. Auch eine Abdichtung der Längsbohrung der Welle mit Klebstoff ist nicht einfach und prozesssicher herstellbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor anzugeben, der zum Antrieb von heliumgefüllten Festplattenlaufwerken geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Spindelmotor weist ein feststehendes Motorbauteil auf, das eine Basisplatte und eine in der Durchgangsbohrung der Basisplatte angeordneten Welle umfasst, sowie ein drehbares Motorbauteil, das eine Nabe beinhaltet. Die Welle weist eine axiale Bohrung auf, die sich von ausgehend von dem in der Basisplatte befestigten Ende der Welle über einen Teil der Länge der Welle erstreckt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die axiale Bohrung in der Welle durch einen Stopfen oder eine an der Basisplatte befestigte Kappe verschlossen ist.
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Erfindungsgemäß wird vorzugsweise der gesamte stirnseitige Bereich der Welle, welcher in der Basisplatte aufgenommen ist, durch eine mit der Basisplatte verschweißte und heliumdichte Kappe aus Metall verschlossen.
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Damit ist dieser kritische Bereich der Befestigung der Welle in der Basisplatte heliumdicht verschlossen. Die Kappe wird vorzugsweise mit der Basisplatte verschweißt. Sie kann aber alternativ auch mit der Basisplatte verklebt oder verlötet sein.
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Falls die Verbindung zwischen Welle und Basisplatte von sich aus bereits heliumdicht ist, beispielsweise durch Verwendung einer Pressverbindung und zusätzlichem Klebstoff zur Abdichtung der Spalte der Pressverbindung, so genügt es, wenn erfindungsgemäß die Längsbohrung der Welle durch einen Stopfen verschlossen wird, der zusätzlich mit der Welle verklebt sein kann. Auch hier wird es bevorzugt, wenn der Stopfen fest mit der Welle verschweißt wird, damit eine Heliumdichtigkeit gewährleistet ist.
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Um die Heliumdichtigkeit, insbesondere der Basisplatte, zu erhöhen, kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die gesamte Basisplatte mit Nickel beschichtet ist.
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Die Basisplatte besteht beispielsweise aus Aluminium, wobei auf Grund der geringen Dichte von Aluminium die Gefahr besteht, dass Helium durch das Aluminium hindurch diffundiert.
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Durch die Beschichtung der Aluminiumbasisplatte mit dem dichteren Nickel wird eine bessere Heliumdichtigkeit erreicht.
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Für alle Klebeverbindungen ist es bevorzugt, wenn als Klebstoff ein Ein-Komponenten-Epoxidharzkleber eingesetzt wird. Es kann aber auch ein Zwei-Komponenten-Epoxidharzkleber, bestehend aus einem Kleber- und einem Härtermaterial verwendet werden.
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Vorzugsweise wird ein Klebstoff verwendet, der eine sehr geringe Viskosität aufweist, also sehr flüssig ist, um auch kleine Spalte und Risse ausfüllen zu können und dadurch eine vollständige Abdichtung der Verbindungsspalte zu gewährleisten.
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Ferner muss der Klebstoff eine ausreichende Elastizität aufweisen, um auch Schockereignissen und Kräften standhalten zu können, ohne zu brechen oder zu reißen.
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Ein geeigneter Klebstoff könnte die folgenden Eigenschaften haben:
Viskosität: 7 Pa·s
Scherfestigkeit: 18 N/mm2
Glasübergangstemperatur: 100°C
Härte: 87 shore D
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Aus den Zeichnungen der Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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In den 1 bis 4 sind Spindelmotoren mit einem konischen fluiddynamischen Lager dargestellt, die grundsätzlich denselben Aufbau haben. Der Spindelmotor wird daher nur einmal anhand von 1 beschrieben.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor. Der Spindelmotor ist zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks geeignet und umfasst ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei konischen fluiddynamischen Lagern, die im Wesentlichen identisch aufgebaut sind. Die Erfindung ist nicht auf Spindelmotoren mit zwei konischen fluiddynamischen Lagern beschränkt. Vielmehr können genauso gut andere bekannte Bauformen von fluiddynamischen Lagern oder auch Wälzlager zur Drehlagerung des Spindelmotors verwendet werden.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 mit einer Bohrung, in welcher eine Welle 12 aufgenommen ist. Die Welle 12 ist vorzugsweise mittels einer Presspassung und/oder mittels Klebstoff in der Basisplatte 10 befestigt. Das Lagersystem ist als konisches Lagersystem mit zwei gegeneinander wirkenden konischen fluiddynamischen Lagerflächen ausgebildet. An der Welle 12 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand zwei gleichartige Lagerkonusse 14, 114 angeordnet. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden Lagerkonusse 14, 114 bilden die feststehende Komponente des Lagersystems bzw. in Verbindung mit einer elektrischen Statoranordnung 34 bilden sie das feststehende Motorbauteil des Spindelmotors.
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Jeder Lagerkonus 14, 114 besitzt eine ringförmige, schräg zur Drehachse 38 ausgebildete Lagerfläche. Eine Nabe 16 ist um die Drehachse 38 relativ zu den Lagerkonussen 14, 114 drehbar angeordnet. Die Nabe 16 umfasst einen als Lagerbuchse ausgebildeten Innenteil mit einer Lagerbohrung, die zusätzlich ringförmige und schräg zur Drehachse 38 angeordnete Lagerflächen aufweist, die den Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 jeweils gegenüberliegen. Bei der Montage des Lagers wird beispielsweise der untere Lagerkonus 114 auf der Welle 12 montiert, dann wird die Nabe 16 über die Welle 12 gesteckt und schließlich der Lagerkonus 14 in einem festgelegten axialen Abstand zum untern Lagerkonus 114 auf der Welle 12 montiert. Die Montage des Lagersystems erfolgt derart, dass die einander gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 und der Nabe 16 jeweils durch einen ringförmigen Lagerspalt 20, 120 mit definierter Breite voneinander getrennt sind. Die Lagerspalte 20, 120 haben eine Breite von wenigen Mikrometern und sind mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt.
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Die Lagerflächen der Lagerkonusse 14, 114 bzw. die Lagerflächen der Nabe 16 besitzen in bekannter Weise Lagerrillenstrukturen 26, 126, die bei Rotation der Nabe 16 relativ zu den Lagerkonussen 14, 114 eine Pumpwirkung auf das im jeweiligen Lagerspalt 20, 120 befindliche Lagerfluid ausüben. Dadurch entsteht im Lagerspalt 20, 120 ein fluiddynamischer Druck, der das Lager tragfähig macht. Beide konischen Lagerflächen weisen beispielsweise fischgrätartige Lagerrillen 26, 126 auf, die in Richtung Dichtungsspalt 22, 122 mehr Äste aufweisen, und die in Richtung Pumpdichtung 30, 130 aus weniger Ästen bestehen. Aufgrund der stärkeren Pumpwirkung der jeweils lageräußeren Äste der jeweiligen Lagerrillen 26, 126 des konischen Lagers, die aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der konischen Lagerflächen entsteht, ergibt sich insgesamt eine in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung. Aufgrund der konischen Ausgestaltung der Lagerkonusse 14, 114 wirken die konischen Lager zugleich als Radial- und als Axiallager. Die beiden konusförmigen Fluidlager wirken insofern gegeneinander, als dass diese das Lagerfluid in Richtung der jeweils zugeordneten Pumpdichtung 30, 130 pumpen, so dass das Lagersystem insgesamt im Gleichgewicht ist.
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Die Lagerspalte 20, 120 der beiden konischen Lager sind nicht miteinander verbunden, sondern weisen jeweils ein äußeres und ein inneres offenes Ende auf, die mittels Dichtungen abgedichtet sind. Es werden vorzugsweise Kapillardichtungen in Form von Dichtungsspalten 22, 122 und 28, 128 verwendet. Die Dichtungsspalte 22, 122 und 28, 128 sind teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Die jeweils äußeren Enden der Lagerspalte 20, 120 werden durch äußere Dichtungsspalte 22, 122 abgedichtet, die vorzugsweise als konische Kapillardichtungen ausgebildet. Die äußeren Dichtungsspalte 22, 122 bilden ein Fluidreservoir für das Lagerfluid, welches die Temperaturausdehnung des Lagerfluids ausgleicht und als Vorratsvolumen für das Lagerfluid dient. Die äußeren Dichtungsspalte 22, 122 werden jeweils begrenzt durch eine äußere Dichtungsfläche der Lagerkonusse 14, 114 sowie eine gegenüberliegende innere Dichtungsfläche der Nabe 16. Die äußeren Dichtungsspalte 22, 122 sind jeweils von einer Abdeckung 18, 118 bedeckt, die mit der Nabe 16 fest verbunden sind.
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Die beiden nach innen offenen Enden der Lagerspalte 20, 120 werden durch innere Dichtungsspalte 28, 128 abgedichtet, die durch den Außenumfang der Welle 12 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbohrung der Nabe 16 begrenzt sind. Entlang der inneren Dichtungsspalte 28, 128 sind vorzugsweise dynamische Pumpdichtungen 30, 130 angeordnet. Die dynamischen Pumpdichtungen 30, 130 umfassen Rillenstrukturen, die auf der Oberfläche der Welle 12 und/oder der gegenüberliegenden Oberfläche der Nabe 16 angeordnet sind. Die Rillenstrukturen üben auf das in den Dichtungsspalten 28, 128 befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung in Richtung des jeweiligen Lagerspalts 20, 120 aus. Die jeweils äußeren Dichtungsspalte 22, 122 münden jeweils in Richtung des unteren bzw. oberen Endes der Welle 12, während die innen liegenden Dichtungsspalte 28, 128 innerhalb des Lagers in einen Freiraum 32 münden, der zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Nabe 16 angeordnet ist. Der Freiraum 32 ist beispielsweise durch eine am Außenumfang der Welle 12 und/oder am Innenumfang der Nabe 16 vorgesehene Nut oder Rille gebildet.
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Um eine Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 20, 120 sicherzustellen, sind in den Lagerkonussen 14, 114 so genannte Rezirkulationskanäle 24, 124 vorgesehen. Durch die Lagerrillen 26, 126 wird das in den Lagerspalten 20, 120 befindliche Lagerfluid ausgehend von den äußeren Dichtungsspalten 22, 122 in Richtung der innen liegenden, zweiten Dichtungsspalte 28, 128 und den Pumpdichtungen 30, 130 befördert. Die Pumpdichtungen 30, 130 pumpen das Lagerfluid zurück in das Lagerinnere und dieses fließt über die Rezirkulationskanäle 24, 124 wieder zurück zu den äußeren Dichtungsspalten 22, 122. Die Rezirkulationskanäle 24, 124 verlaufen zunächst zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und dem Innenumfang der Lagerkonusse 14, 114 und dann als radial nach außen durch die Lagerkonusse 14, 114 bis in den Übergangsbereich zwischen den Lagerspalten 20, 120 und den äußeren Dichtungsspalten 22, 122.
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Die Nabe 16 wird über ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend gegenüber den feststehenden Motorbauteilen angetrieben. Der Spindelmotor ist ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, dessen Antriebssystem eine ringförmige Statoranordnung 34 mit mehreren Phasenwicklungen umfasst, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Statoranordnung 34 ist innerhalb einer Aussparung der Nabe 16 auf der Basisplatte 10 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 36 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 36 ist an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 angeordnet und durch einen Luftspalt von der Statoranordnung 34 getrennt. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 34 wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 36 wirkt und die Nabe 16 und somit den Rotor in Drehung versetzt. Auf ein separates Bauteil als magnetischer Rückschluss für den Rotormagneten 36 kann im dargestellten Beispiel verzichtet werden, da die Nabe 16 aus Stahl besteht und selbst den magnetischen Rückschluss bildet. Die äußere Umfangsfläche des Rotormagneten 36 liegt unmittelbar an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 16 an.
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Am Innenumfang der Nabe 16 ist vorzugsweise eine Stufe angeordnet, die einen Anschlag 37 für die Stirnseite des Rotormagneten 36 bildet und die Stirnseite des Rotormagneten 36 teilweise überdeckt. Dieser Anschlag 37 erleichtert die axiale Positionierung des Rotormagneten 36 und das Eintreten der magnetischen Feldlinien in die als magnetischer Rückschluss dienende Nabe 16.
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Bei dem dargestellten Lagersystem mit zwei separaten konischen Lagern und jeweils Lagerspalten 20, 120 mit zwei offenen Enden ist es wichtig, dass der Freiraum 32 und die im Lagerinneren mündenden Öffnungen der Dichtungsspalte 28, 128 belüftet werden, so dass an der Grenze zwischen dem in den Dichtungsspalten 28, 128 befindlichen Lagerfluid und der umgebenden Luft Umgebungsdruck herrscht. Eine Belüftung des Lagerinneren erfolgt vorzugsweise durch eine in der Welle angeordnete axiale Sackbohrung 12a, die sich von der unteren Stirnseite der Welle 12 über mehr als die Hälfte der Länge der Welle 12 bis in die Höhe des Freiraums 32 erstreckt. Die axiale Sackbohrung 12a ist über eine erste Querbohrung 12b mit einem Freiraum 40 unterhalb der inneren Abdeckung 118 verbunden. Dieser Freiraum 40 ist über den Hohlraum in der Nabe 16, in welchem sich die Statoranordnung befindet, und einen Spalt zwischen der Basisplatte und dem unteren Rand der Nabe 16 mit der Außenumgebung verbunden. Ferner ist die axiale Sackbohrung 12a an ihrem geschlossenen Ende über eine zweite Querbohrung 12c mit dem Freiraum 32 im Lagerinneren verbunden. Somit herrscht im Freiraum 32 Atmosphärendruck wie auch im Freiraum 40 und an der Außenseite des Lagers im Bereich des äußeren Dichtungsspalts 22.
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Das obere freie Ende der Welle 12 weist eine Gewindebohrung 42 auf und kann mittels einer in die Gewindebohrung 42 eingedrehten Schraube mit einem feststehenden Bauteil (nicht dargestellt) verbunden sein, welches beispielsweise ein Gehäusebauteil des Festplattenlaufwerks sein kann.
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Da moderne Festplattenlaufwerke vielfach mit Helium befällt sind, muss das Gehäuse des Festplattenlaufwerks die notwendige Heliumdichtigkeit aufweisen.
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Kritische Bereiche für die Heliumdichtigkeit sind der Fügespalt 46 zwischen der Welle 12 und der Basisplatte 10 sowie die Bohrungen 12a bis 12c der Welle 12, welche an der unteren Stirnseite der Welle 12 und damit außerhalb des Innenraums des Spindelmotors münden.
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Die Basisplatte 10 des Spindelmotors stellt ein Gehäusebauteil des Festplattenlaufwerks dar und muss daher ebenfalls heliumdicht ausgeführt sein.
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Erfindungsgemäß weist die Basisplatte 10 unterhalb der Bohrung für die Welle 12 eine Aussparung auf, die mit einer metallischen Platte 44 verschlossen ist.
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Die Platte 44 ist vorzugsweise über eine Schweißnaht 44a mit der Basisplatte 10 verschweißt.
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Dadurch ist der Verbindungsbereich zwischen Basisplatte 10 und Welle 12 durch die Platte 44 hermetisch verschlossen.
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Auch die axiale Bohrung 12a der Welle wird durch die Platte 44 nach außen verschlossen.
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2 zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung, bei der keine Platte verwendet wird, sondern zunächst die axiale Bohrung 12a in der Welle 12 durch einen metallischen Stopfen 48 verschlossen und entsprechend mit einer Schweißnaht 48a mit der Welle 12 verschweißt oder verklebt wird.
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Der Stopfen 48 ist an seinem Ende mit einer schräg verlaufenden Stufe ausgeführt, die eine einfache axiale Positionierung in der Welle 12 ermöglicht und keine aufwendige Stufenbohrung in der Welle 12 erfordert. Um eine scharfe Kante am Stopfen 48 zu vermeiden wird am Ende der Schrägung die Fase gebrochen, hierdurch wird auch eine ausreichende Materialdicke, vorzugsweise mindestens 0.1 mm, im Bereich der Schweißnaht zur Verfügung gestellt.
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Der Bereich unterhalb der mit dem Stopfen 48 versehenen Welle 12 wird dann beispielsweise mit Klebstoff 50 aufgefüllt und versiegelt.
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Zur Abdichtung des Fügespalts 46 zwischen der Welle 12 und der Basisplatte 10 kann ebenfalls Klebstoff eingesetzt werden.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der zunächst die axiale Bohrung 12a in der Welle durch einen metallischen Stopfen 54 verschlossen wird, der eine etwas andere Formgebung wie in 2 aufweist.
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Dieser Stopfen wird ebenfalls mittels einer Schweißnaht 54a mit der Welle 12 verschweißt.
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Danach wird der Bereich unterhalb der Welle 12 mit Klebstoff 50 aufgefüllt und kann zusätzlich mit einem Kunststoffsiegel 52 verschlossen werden.
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Der Fügespalt zwischen der Welle 12 und der Basisplatte 10 kann ebenfalls durch Klebstoff abgedichtet werden.
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Schließlich zeigt 4 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die axiale Bohrung 12a der Welle durch einen Stopfen 48, wie in 2, verschlossen wird.
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Der Bereich unterhalb der Welle 12 wird wiederum mit Klebstoff 50 verschlossen.
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Zusätzlich kann durch eine Platte 44 der Bereich nochmals abgedeckt werden, wobei die Platte beispielsweise in eine entsprechende Aussparung mit der Basisplatte 10 eingeklebt oder verschweißt ist.
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Die oben beschriebenen Maßnahmen stellen sicher, dass zum einen der Fügespalt 46 zwischen der Welle 12 und der Basisplatte und zum anderen die Öffnung der axialen Bohrung 12a der Welle 12 nach außen heliumdicht abgedichtet sind, damit in diesem Bereich aus dem Inneren des Festplattenlaufwerks kein Helium nach außen dringen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 12a, b, c
- Bohrungen
- 14, 114
- Lagerkonus
- 16
- Nabe
- 16a
- Lagerbuchse
- 18, 118
- Abdeckung
- 20, 120
- Lagerspalt
- 22, 122
- äußerer Dichtungsspalt
- 24, 124
- Rezirkulationskanal
- 26, 126
- Lagerrillen
- 28, 128
- innerer Dichtungsspalt
- 30, 130
- Pumpdichtung
- 32
- Freiraum
- 34
- Statoranordnung
- 36
- Rotormagnet
- 37
- Anschlag
- 38
- Drehachse
- 40
- Freiraum
- 42
- Gewindebohrung
- 44
- Platte
- 44a
- Schweißnaht
- 46
- Fügespalt
- 48
- Stopfen
- 48a
- Schweißnaht
- 50
- Klebstoff
- 52
- Kunststoffsiegel
- 54
- Stopfen
- 54a
- Schweißnaht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016888 A1 [0002]
