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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welches vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden kann. Ein solcher fluiddynamisch gelagerter Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, Laserscanners oder Lüfters verwendet werden.
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Fluiddynamische Lagersysteme zur Drehlagerung von Spindelmotoren sind in unterschiedlichen Bauformen bekannt. Für hohe Lasten werden insbesondere fluiddynamische Lagersysteme mit einem oder mehreren konischen fluiddynamischen Lagern verwendet, da konische fluiddynamische Lager eine hohe Lagersteifigkeit aufweisen und daher für diesen Zweck gut geeignet sind.
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Ein konisches fluiddynamisches Lager umfasst in der Regel eine sich entlang einer Drehachse erstreckende Welle, an welcher mindestens ein Lagerbauteil mit einer konischen Lagerfläche befestigt ist. Eine relativ zum Lagerbauteil drehbar gelagerte Lagerbuchse weist eine konische Lagerfläche auf, die der konischen Lagerfläche des Lagerbauteils gegenüberliegt und von dieser durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt getrennt ist. Vorzugsweise werden zwei solcher konischen fluiddynamischen Lager miteinander kombiniert, wobei jedes konische Lager ein an der Welle angeordnetes konisches Lagerbauteil aufweist, deren konische Lagerflächen einander zugewandt sind.
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Die
US 2012/0099223 A1 offenbart ein solches konisches fluiddynamisches Lagersystem für den Einsatz in einem Festplattenlaufwerk. Dort wird vorgeschlagen, die Steifigkeit des Lagersystems durch Verändern der Konuswinkel der konischen Lagerflächen und/oder den Einsatz von Lagerfluiden mit unterschiedlicher Viskosität zu erhöhen. Bei einem Festplattenlaufwerk spielt aber nicht nur die Steifigkeit des Lagersystems eine große Rolle, sondern auch die Lagerreibung, die den Stromverbrauch des Antriebssystems maßgeblich bestimmt. Durch Änderung der Konuswinkel der konischen Lagerflächen und/oder der Viskosität des Lagerfluids werden auch die Lagerreibung und der Stromverbrauch des Spindelmotors beeinflusst.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Lagerreibung eines fluiddynamischen Lagersystems mit mindestens einem konischen Lager zu verringern, ohne dessen Lagersteifigkeit merklich zu beeinflussen.
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Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem mit mindestens einem konischen Lager umfasst eine sich entlang einer Drehachse erstreckende Welle, an welcher ein Lagerbauteil mit einer konischen Lagerfläche befestigt ist, und eine Lagerbuchse, welche eine konische Lagerfläche aufweist, die der konischen Lagerfläche des Lagerbauteils gegenüberliegt und von dieser durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt getrennt ist, wobei das Lagerbauteil und die Lagerbuchse relativ zueinander drehbar gelagert sind.
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Erfindungsgemäß wird zur Verringerung der Lagerreibung des konischen Lagers der Flächeninhalt der konischen Lagerfläche des Lagerbauteils verringert und an den Durchmesser der Welle derart angepasst, dass das Produkt aus dem Durchmesser der Welle und dem Flächeninhalt der konischen Lagerfläche des Lagerbauteils höchstens 148 mm3 beträgt.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser der Welle 4,0 mm, und der Flächeninhalt der konischen Lagerfläche des Lagerbauteils beträgt höchstens 37 mm2.
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Um die ursprüngliche Lagersteifigkeit trotz der verringerten Lagerfläche beizubehalten ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, das axiale Spiel zwischen dem konischen Lagerbauteil und der Lagerbuchse von beispielsweise bisher 12 bis 23 Mikrometer vorzugsweise auf kleiner 12 Mikrometer zu verringern. Ferner kann ein Lagerfluid mit einer bezüglich des Flächeninhalts der Lagerfläche und des axialen Spiels optimierten Viskosität eingesetzt werden.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt das Produkt aus dem Durchmesser der Welle und dem Flächeninhalt der konischen Lagerfläche des Lagerbauteils höchstens 139 mm3.
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In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Durchmesser der Welle vorzugsweise 3,5 mm und der Flächeninhalt der konischen Lagerfläche des Lagerbauteils höchstens 39,5 mm2.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt die konische Lagerfläche des Lagerbauteils mit der Drehachse einen Winkel von 25° bis 35° ein, und besonders bevorzugt einen Winkel von 30°. In diesem Winkelbereich ist das Verhältnis zwischen der radialen und axialen Tragkraft des Lagersystems besonders günstig.
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Um einem möglichen Festfressen des Lagers vorzubeugen, ist die konische Lagerfläche vorzugsweise ballig ausgebildet und weist vorzugsweise einen Radius von 170 mm bis 340 mm auf.
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Zur Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts sind vorzugsweise kapillare Dichtungsspalte vorgesehen. Beispielsweise ist zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Lagerbauteils und einer inneren Umfangsfläche der Lagerbuchse ein mit dem Lagerspalt verbundener Dichtungsspalt angeordnet, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und dessen freie Öffnung von einer Abdeckkappe abgedeckt ist. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verringerung des Flächeninhalts der konischen Lagerfläche verringert sich auch die axiale Länge der Lagerfläche des Lagerbauteils. Dadurch ist es möglich, die axiale Länge des Dichtungsspalts zu vergrößern, sodass eine verbesserte Dichtwirkung insbesondere bei Vibrationen und Schockeinwirkung auf das Lager erreicht wird. Insbesondere wird es bevorzugt und als vorteilhaft angesehen, wenn das Verhältnis zwischen dem Abstand der Fluidoberfläche des im Dichtungsspalt befindlichen Lagerfluids zur Abdeckkappe und der axialen Länge des Dichtungsspalts bis zur Abdeckkappe vorzugsweise gleich oder größer 0,65 ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Abstand von der Fluidoberfläche des im Dichtungsspalt befindlichen Lagerfluids bis zur Abdeckkappe gleich oder größer 1,45 mm beträgt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das fluiddynamische Lagersystem ein dem ersten konischen Lager entgegenwirkendes zweites konisches Lager, wobei jedes konische Lager ein an der Welle angeordnetes konisches Lagerbauteil aufweist, deren konische Lagerflächen einander zugewandt sind.
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Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden. Ein solcher Spindelmotor ist zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks, eines Laserscanners oder eines Lüfters geeignet.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit zwei konischen Lagern.
- 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Lagerfläche des oberen Lagerbauteils und schematisch die Gegenfläche.
- 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Dichtungsbereichs des oberen konischen Lagers von 1.
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In 1 ist ein Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem dargestellt. Das Lagersystem umfasst zwei konische fluiddynamische Lager 14, 16.
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Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, auf welcher die Motor- und Lagerkomponenten aufgebaut sind. In der Basisplatte 10 ist eine Bohrung angeordnet, in welcher eine Welle 12 befestigt ist, beispielsweise mittels einer Pressverbindung und/oder Klebeverbindung. An der Welle 12 sind in einem axialen Abstand zwei konische Lagerbauteile 18, 20 angeordnet, die jeweils eine konische Lagerfläche 18a, 20a aufweisen. Die beiden konischen Lagerflächen 18a, 20a sind einander zugewandt und schließen mit der Rotationsachse 62 einen Winkel von vorzugsweise 30° ein. Die Basisplatte 10 bildet mit der Welle 12 und den konischen Lagerbauteilen 18, 20 die feststehende Lager- bzw. Motorkomponente. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Welle einen Durchmesser von 3,5 mm. Der Wellendurchmesser kann jedoch auch 4 mm betragen.
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Die drehbare Lager- bzw. Motorkomponente umfasst eine Lagerbuchse 22, die eine zentrale Lagerbohrung sowie zwei konische Aussparungen zur Aufnahme der konischen Lagerbauteile 18, 20 aufweist. Die Lagerbuchse 22 ist mittels der beiden konischen fluiddynamischen Lager 14, 16 drehbar um die Welle 12 und die konischen Lagerbauteile 18, 20 gelagert. Die Lagerbuchse 22 ist mit einer Nabe 24 verbunden, welche die Last des Spindelmotors trägt. Die Nabe hat einen Außendurchmesser von beispielsweise 25 mm. Die Lagerbuchse 22 und die Nabe 24 können auch einteilig ausgeführt werden.
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Das erste konische fluiddynamische Lager 14 wird gebildet durch die konische Lagerfläche 18a des ersten konisches Lagerbauteils 18 und eine entsprechende und gegenüberliegende konische Lagerfläche 22a (2) der Lagerbuchse 22. Die beiden konischen Lagerflächen 18a, 22a sind durch einen Lagerspalt 26 voneinander getrennt, welcher mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Zumindest eine der beiden konischen Lagerflächen 18a, 22a ist mit Lagerrillenstrukturen versehen, welche bei Drehung der Lagerbuchse 22 um die Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 26 befindliche Lagerfluid ausüben und dadurch einen fluiddynamischen Druck im Lagerspalt 26 erzeugen.
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In 2 sind die Lagerflächen 18a, 22a des oberen konischen fluiddynamischen Lagers 14 vergrößert dargestellt. Die Lagerfläche 18a des konischen Lagerbauteils 18 erstreckt sich bis zu einem Außendurchmesser Ra, der gleichzeitig dem größten Außendurchmesser des konischen Lagerbauteils 18 entspricht. Der kleinste Durchmesser des Lagerbauteils 18 entspricht dem Durchmesser der Welle 12, während der kleinste Durchmesser Ri der Lagerfläche 18a etwas größer ist als der kleinste Durchmesser des konischen Lagerbauteils 18.
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Die konische Lagerfläche 18a des Lagerbauteils 18 hat einen bevorzugten Flächeninhalt von höchstens 39,5 mm2, wobei sich ein Produkt aus dem Durchmesser der Welle 12 und dem Flächeninhalt der Lagerfläche 18a von 3,5 mm * 39,5 mm2 = 138,25 mm3 ergibt. Bei Verwendung einer Welle 12 mit einem größeren Durchmesser von 4 mm wird der Innendurchmesser des Lagerbauteils 18 ebenfalls größer, und auch der kleinste Durchmesser Ri der Lagerfläche 18a vergrößert sich. Der Flächeninhalt der Lagerfläche 18a wird dadurch etwas geringer und beträgt vorzugsweise 37 mm2. In diesem Fall ist das Produkt aus dem Durchmesser der Welle 12 und dem Flächeninhalt der Lagerfläche 18a, d. h. 4 mm * 37 mm2 = 148 mm3.
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Mit Ra' ist zum Vergleich der Außendurchmesser des Lagerbauteils 18 eines bekannten Lagers gleicher Bauart dargestellt. Man erkennt, dass der bisherige Außendurchmesser des Lagerbauteils 18 deutlich größer war und damit auch dessen Lagerfläche 18a' um etwa 20% größer war als die Lagerfläche 18a des erfindungsgemäßen Lagerbauteils 18. Die Gesamtabmessung eines solchen größeren Lagerbauteils 18 ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
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Durch die Verringerung der Lagerfläche 18a des Lagerbauteils 18 um 20% kann die Lagerreibung erfindungsgemäß um ebenfalls etwa 20% verringert werden.
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Um die geforderte Steifigkeit des Lagersystems trotz kleinerer Lagerflächen aufrechtzuerhalten ist es vorgesehen, das axiale Spiel des Lagersystems anzupassen. Bei einem bisherigen vergleichbaren konischen fluiddynamischen Lagersystem betrug das axiale Spiel beispielsweise 12 bis 23 Mikrometer. Beim erfindungsgemäßen Lagersystem ist ein axiales Spiel von vorzugsweise kleiner als 12 Mikrometer vorgesehen.
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Bei einem bevorzugten Winkel der konischen Lagerfläche in Bezug auf die Rotationsachse 62 von 30° ergibt sich anhand des eingestellten axialen Spiels bei zwei konischen Lagern 14, 16 eine nominale Breite des Lagerspalts jedes Lagers während des Betriebs des Lagers von 10 Mikrometer / 2 (Lager) * sin 30° = 2,5 Mikrometer.
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Um ein Fressen der konischen Lager zu vermeiden, kann jeweils eine Lagerfläche jedes Lagers, vorzugsweise die Lagerflächen der konischen Lagerbauteile, ballig ausgebildet sein. Hierzu sind die konischen Lagerflächen der Lagerbauteile 18, 20 mit einem Radius versehen, der zwischen 170 mm bis 340 mm betragen kann.
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Der Lagerspalt 26 ist an seiner außenliegenden Öffnung durch einen Dichtungsspalt 32 abgedichtet, der eine im Querschnitt konische Kapillardichtung ausbildet, sowie an seiner innenliegenden Öffnung durch einen weiteren kapillaren Dichtungsspalt 36, entlang welchem vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 40 angeordnet ist.
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Das zweite konische fluiddynamische Lager 16 ist vorzugsweise identisch zum ersten konischen fluiddynamischen Lager 14 aufgebaut. Dieses zweite konische Lager 16 wird gebildet durch das zweite konische Lagerbauteil 20 mit einer konischen Lagerfläche 20a, der eine konische Lagerfläche der Lagerbuchse 22 gegenüberliegt und von dieser durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 28 getrennt ist. Mindestens eine der beiden konischen Lagerflächen weist Lagerrillenstrukturen auf, die bei Rotation der Lagerflächen relativ zueinander einen fluiddynamischen Druck im Lagerspalt 28 erzeugen.
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Die Öffnungen des zweiten Lagerspalts 28 sind durch einen außenliegenden Dichtungsspalt 34 abgedichtet sowie einen innenliegenden Dichtungsspalt 38, entlang welchem vorzugsweise eine dynamische Pumpdichtung 42 angeordnet ist.
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Die beiden konischen Lager 14, 16 sind nicht fluidleitend miteinander verbunden, d. h. sie teilen keinen gemeinsamen mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt, sondern sind durch einen Freiraum 30 axial und fluidtechnisch voneinander getrennt. Der Freiraum 30 steht über eine in der Welle 12 vorgesehene Längsbohrung 12a und eine Querbohrung 12b mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung und ist mit Luft oder einem Gas gefüllt.
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Die Lagerrillenstrukturen der beiden konischen fluiddynamischen Lager 14, 16 sind derart ausgebildet, dass sie das in den beiden Lagerspalten 26, 28 befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des Lagerinneren, d. h. in Richtung der dynamischen Pumpdichtungen 40, 42 fördern, während die dynamischen Pumpdichtungen 40, 42 derart ausgebildet sind, dass sie das in den jeweiligen inneren Dichtungsspalten 36, 38 befindliche Lagerfluid in Richtung der konischen Lager 14, 16 fördern. Auf diese Weise stellt sich in den jeweiligen Lagerspalten 26, 28 ein Druckgleichgewicht ein.
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Die beiden konischen fluiddynamischen Lager 14, 16 müssen nicht identisch aufgebaut sein. Sie können sich in dem Flächeninhalt ihrer Lagerflächen und/oder dem Winkel der Lagerflächen in Bezug auf die Rotationsachse 62 unterscheiden. Ferner können die beiden Lager 14, 16 mit Lagerfluiden unterschiedlicher Viskosität gefüllt sein.
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Die außenliegende Öffnung des Dichtungsspalts 32, der den ersten Lagerspalt 26 abdichtet, ist von einer Abdeckkappe 44 abgedeckt. Die Abdeckkappe 44 ist auf einem Rand der Lagerbuchse 22 befestigt. Zwischen der Öffnung des Dichtungsspalts 32 und der Abdeckkappe 44 verbleibt ein luftgefüllter ringförmiger Freiraum 46, der über eine Spaltdichtung 48 zwischen dem inneren Rand der Abdeckkappe 44 und dem Außenumfang der Welle 12 belüftet und auf Umgebungsdruck gehalten wird.
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Die „außenliegende“ Öffnung des unteren Dichtungsspalts 34 ist gleichermaßen durch eine Abdeckkappe 50 abgedeckt, wobei zwischen der Öffnung des Dichtungsspalts 34 und der Abdeckkappe 50 ein luftgefüllter ringförmiger Freiraum 52 verbleibt, der ebenfalls durch eine ringförmige Spaltdichtung 54 zwischen Welle 12 und Abdeckkappe 50 belüftet ist. Die Spaltdichtung 54 mündet in einen weiteren Freiraum 68, in welchem Umgebungsdruck herrscht. Der Freiraum 68 ist über einen Luftspalt mit dem Motorraum und über einen weiteren Luftspalt mit der Außenumgebung verbunden.
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Da der Außendurchmesser Ra der beiden konischen Lagerbauteile 18, 20 im Vergleich zu einem bekannten konischen fluiddynamischen Lagersystem derselben Bauart kleiner ist, vergrößert sich entsprechend die axiale Länge der Umfangsflächen der Lagerbauteile 18, 20, welche die jeweiligen äußeren Dichtungsspalte 32 und 34 begrenzen.
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Dies führt dazu, dass bei gleichem Füllvolumen des Lagerfluids der Füllstand in den Dichtungsspalten 32, 34 in Form der Fluidmenisken 32a, 34a im Vergleich zur axialen Länge der Dichtungspalte 32, 34 niedriger ist als bei vergleichbaren Lagern. Dies bewirkt eine verbesserte Dichtwirkung im Falle einer Schockeinwirkung und kann den Austritt von Lagerfluid aus dem Lager verhindern.
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In 3 ist die axiale Länge hR des Dichtungsspalts 32 vom unteren Ende des Dichtungsspalts 32 bis zur Unterseite der Abdeckkappe 44 dargestellt. Ferner ist der Abstand zwischen dem Fluidmeniskus 32a des Lagerfluids im Dichtungsspalt 32 von der Unterseite der Abdeckkappe als hL angegeben.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis von hL zu hR vorzugsweise größer oder gleich 0,65. Hierbei wird es bevorzugt, wenn der Abstand hL des Fluidmeniskus' 32a von der Unterseite der Abdeckplatte 44 gleich oder größer 1,45 mm beträgt.
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Im Motorraum ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 56 befestigt. Der Statoranordnung 56 gegenüberliegend ist ein Rotormagnet 58 an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 22 angeordnet. Da die Nabe 22 vorzugsweise aus Aluminium besteht, ist an der innen Umfangsfläche der Nabe 22 ein magnetischer Rückschluss 60 vorgesehen, an welchem der Rotormagnet 58 befestigt ist. Der elektrische Anschluss der Statoranordnung 56 erfolgt an einer Leiterplatte 64, die an der Unterseite der Basisplatte 10 angeordnet ist und mit welcher die Wicklungsdrähte 66 der Statorwicklungen elektrisch verbunden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 12a
- Längsbohrung
- 12b
- Querbohrung
- 14
- konisches fluiddynamisches Lager
- 16
- konisches fluiddynamisches Lager
- 18
- konisches Lagerbauteil
- 18a
- konische Lagerfläche
- 18a'
- konische Lagerfläche (prior art)
- 20
- konisches Lagerbauteil
- 20a
- konische Lagerfläche
- 22
- Lagerbuchse
- 22a
- Lagerfläche
- 24
- Nabe
- 26
- Lagerspalt
- 28
- Lagerspalt
- 30
- Freiraum
- 32
- Dichtungsspalt
- 32a
- Fluidmeniskus
- 34
- Dichtungsspalt
- 34a
- Fluidmeniskus
- 36
- Dichtungsspalt
- 38
- Dichtungsspalt
- 40
- dynamische Pumpdichtung
- 42
- dynamische Pumpdichtung
- 44
- Abdeckkappe
- 46
- Freiraum
- 48
- Spaltdichtung
- 50
- Abdeckkappe
- 52
- Freiraum
- 54
- Spaltdichtung
- 56
- Statoranordnung
- 58
- Rotormagnet
- 60
- magnetischer Rückschluss
- 62
- Rotationsachse
- 64
- Leiterplatte
- 66
- Wicklungsdraht
- 68
- Freiraum
- Ra
- Außendurchmesser
- Ra'
- Außendurchmesser (prior art)
- Ri
- kleinster Durchmesser
- hR
- axiale Länge
- hL
- axialer Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0099223 A1 [0004]
