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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Lüfter mit einem solchen Spindelmotor.
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In der Regel weisen Lüfter, wie sie vorzugsweise in elektronischen Geräten eingesetzt werden, kugelgelagerte Spindelmotoren auf.
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Im Zuge der Miniaturisierung der elektronischen Geräte, z. B. Laptops und andere mobile Geräte, werden zunehmend auch Lüfter mit fluiddynamisch gelagerten Spindelmotoren eigesetzt, da diese eine kleinere Baugröße aufweisen als vergleichsweise kugelgelagerte Spindelmotoren.
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Der Baugröße von fluiddynamisch gelagerten Spindelmotoren sind jedoch auch Grenzen gesetzt, da diese zum einen Bauraum für Dichtmittel zur Abdichtung des mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalts benötigen und zum anderen oftmals eine magnetische Vorspannung für das Lagersystem notwendig ist, was die Bauhöhe des Spindelmotors ebenfalls vergrößert.
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Ein Lüfter mit einem fluiddynamisch gelagerten Spindelmotor ist beispielsweise in der
DE 10 2016 002 832 A1 offenbart. Hierbei wird ein Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem der sogenannten Single-Plate-Bauform verwendet.
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Das Lagersystem besteht aus einer in einer Lagerbuchse drehbar gelagerten Welle, die zusammen mit der Lagerbuchse zwei in einem axialen Abstand voneinander angeordnete fluiddynamische Radiallager bildet. An einem Ende der Welle ist eine Druckplatte angeordnet, die ebenfalls in einer Aussparung der Lagerbuchse gelagert ist.
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Die Stirnseiten der Druckplatte bilden mit gegenüberliegenden Lagerflächen zwei gegeneinander wirkende fluiddynamische Axiallager.
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Der mit einem Lagerfluid gefüllte Lagerspalt zwischen der Welle und der Lagerbuchse ist an seinem offenen Ende, jenseits des oberen fluiddynamischen Radiallagers, durch einen Dichtungsspalt abgedichtet, der zusätzlich weitere axiale Bauhöhe des Fluidlagers benötigt.
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Der axiale Abstand der beiden fluiddynamischen Radiallager ist groß bemessen, sodass die Lagersteifigkeit an Stabilität für die gegebene Belastung sichergestellt ist.
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Will man einen solchen Lüfter miniaturisieren, d.h. beispielsweise die Bauhöhe halbieren, so muss auch die Bauhöhe des Spindelmotors reduziert werden.
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Dies kann man erreichen, indem man den Abstand der beiden fluiddynamischen Radiallager verringert, wodurch jedoch auch die Lagersteifigkeit erheblich reduziert wird. Die axiale Länge des Dichtungsspalts kann hierbei nicht reduziert werden, da ansonsten die Abdichtung nicht sichergestellt und gewährleistet ist.
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Ein Lüfter mit einer anderen Ausgestaltung eines fluiddynamisch gelagerten Spindelmotors ist aus der
DE 10 2013 015 576 A1 bekannt.
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Bei diesem fluiddynamischen Lagersystem ist ein geringer axialer Abstand der beiden Radiallager realisiert, jedoch weist der Spindelmotor lediglich ein fluiddynamisches Axiallager auf, das zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse und der unteren Seite der Nabe ausgebildet ist.
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Dieses eine fluiddynamische Axiallager benötigt eine entgegengesetzt gerichtete Vorspannkraft, die entweder durch das elektromagnetische Antriebssystem realisiert wird, indem ein axialer Versatz des Stators und des Rotormagneten vorgesehen ist, und/oder diese Kraft wird durch die vom Lüfter erzeugte aerodynamische Kraft geleistet, was jedoch nur bei axial ausblasenden Lüftern funktioniert. Alternativ oder zusätzlich zu diesem axialen Versatz des elektromagnetischen Antriebssystems kann die magnetische Kraft mit Hilfe eines ferromagnetischen Zugrings erzeugt werden, der unterhalb der Stirnseite des Rotormagneten angeordnet ist. Dies erhöht jedoch die Bauhöhe des Spindelmotors.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem für den Einsatz in einem Lüfter anzugeben, der eine geringe Bauhöhe aufweist und keine magnetische oder aerodynamische Vorspannung für das Lagersystem benötigt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein Lüfter mit einem Spindelmotor gemäß Patentanspruch 12 ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen ausgeführt.
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Der Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem umfasst ein feststehendes Motorbauteil sowie ein drehbares Motorbauteil, das mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Es ist ein Lagerspalt vorhanden, der Teile eines feststehenden Lagerbauteils und eines drehbaren Lagerbauteils voneinander trennt und mit einem Lagerfluid gefüllt ist.
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Es sind ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Radiallager vorhanden, die in einem gegenseitigen axialen Abstand jeweils zwischen einander gegenüberliegenden zylindrischen Lagerflächen des feststehenden und des drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind.
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Ferner sind ein erstes und ein zweites fluiddynamisches Axiallager vorhanden, die jeweils zwischen ringförmigen Lagerflächen des feststehenden und des drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind.
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Zur Abdichtung des Lagerspalts ist ein ringförmiger Dichtungsspalt vorgesehen, der mit einem offenen Ende des Lagerspalts verbunden ist und dieses abdichtet, wobei der Dichtungsspalt parallel zur Drehachse verläuft und radial außerhalb des Lagerspalts und in axialer Richtung überlappend mit einem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts angeordnet ist.
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Der erfindungsgemäße Spindelmotor weist eine geringe Bauhöhe auf, da die Anordnung des Dichtungsspalts keine zusätzliche axiale Bauhöhe benötigt. Ferner sind zwei gegeneinander wirkende fluiddynamische Axiallager vorhanden, sodass keine zusätzlichen Maßnahmen zur Erzeugung einer axialen Vorspannkraft benötigt werden. Dadurch kann ebenfalls Bauhöhe des Spindelmotors eingespart werden.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung weist das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse auf und das drehbare Lagerbauteil eine in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse aufgenommene Welle und eine mit der Welle verbundene Nabe.
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In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors ist demnach die Welle Teil des drehbaren Motorbauteils und drehbar in der Lagerbuchse gelagert.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Motorbauteil eine Welle und das drehbare Motorbauteil eine Lagerbuchse und eine mit der Lagerbuchse verbundene Nabe, wobei die Welle in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse aufgenommen ist.
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In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Welle als feststehendes Motorbauteil ausgebildet und von der drehbar gelagerten Lagerbuchse umgeben.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Welle an einem Ende eine Druckplatte auf, die in einer Aussparung der Lagerbuchse aufgenommen ist. Diese Aussparung ist konzentrisch zur Lagerbohrung angeordnet, wobei die Druckplatte drehfest an der Welle angeordnet ist. Die Druckplatte kann sowohl einteilig mit der Welle ausgebildet sein, als auch ein separates Bauteil bilden.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das erste fluiddynamische Axiallager durch eine erste stirnseitige Lagerfläche der Druckplatte und eine gegenüberliegende stirnseitige Lagerfläche der Lagerbuchse gebildet.
Das zweite fluiddynamische Axiallager wird durch eine zweite stirnseitige Lagerfläche der Druckplatte und eine gegenüberliegende stirnseitige Lagerfläche einer die Aussparung der Lagerbuchse verschließenden Lagerplatte gebildet.
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Die beiden fluiddynamischen Axiallager wirken entgegengesetzt zueinander und sind beide im Bereich der Druckplatte auf gegenüberliegenden Stirnseiten dieser Druckplatte angeordnet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das erste fluiddynamische Axiallager durch eine stirnseitige Lagerfläche der Druckplatte und eine gegenüberliegende, stirnseitige Lagerfläche der Lagerbuchse gebildet. Das zweite fluiddynamische Axiallager wird durch eine stirnseitige Lagerfläche der Lagerbuchse und eine gegenüberliegende stirnseitige Lagerfläche der Nabe gebildet.
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Die beiden fluiddynamischen Axiallager wirken entgegengesetzt zueinander und sind in einem relativ großen axialen Abstand zueinander angeordnet, wobei sich die beiden fluiddynamischen Radiallager entlang des Lagerspalts gesehen zwischen den beiden fluiddynamischen Axiallagern befinden.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung werden das erste fluiddynamische Radiallager sowie das zweite fluiddynamische Radiallager jeweils durch eine äußere Umfangsfläche der Welle und eine gegenüberliegende innere Umfangsfläche der Lagerbohrung gebildet und sind in einem axialen Abstand voneinander angeordnet.
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Der Dichtungsspalt schließt sich an das offene Ende des Lagerspalts an und dichtet diesen zur Umgebung ab. In den Ausführungsformen der Erfindung, bei der eine rotierende Welle verwendet wird, wird der Dichtungsspalt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche eines umlaufenden Randes der Nabe begrenzt. Der ringförmige Dichtungsspalt erstreckt sich in axialer Richtung entlang eines Teils des Außenumfangs der Lagerbuchse.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine feststehende Welle verwendet wird, ist der Dichtungsspalt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche eines feststehenden Lagerbauteils begrenzt. Auch hier erstreckt sich der ringförmige Dichtungsspalt in axialer Richtung entlang eines Teils des Außenumfangs der Lagerbuchse.
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Gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung können bevorzugt entlang eines radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts, zwischen einer stirnseitigen Fläche der Lagerbuchse und einer gegenüberliegenden stirnseitigen Fläche der Nabe, fluiddynamische Pumprillenstrukturen angeordnet sein, d. h. eine oder beide dieser einander zugewandten Flächen können jeweils mit entsprechenden Pumprillenstrukturen versehen sein. Diese Pumprillenstrukturen wirken unterstützend bei der Abdichtung des Lagerspalts, denn sie sind derart ausgebildet, dass sie das Lagerfluid im Betrieb des Lagers in Richtung des Lagerinneren pumpen.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Lüfter mit einem Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem mit den oben genannten Merkmalen, wobei es sich bei dem Lüfter insbesondere um einen Radiallüfter handelt.
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Der Lüfter weist vorzugsweise ein Lüfterrad auf, das an einer äußeren Umfangsfläche der Nabe befestigt ist. In vorteilhafter Weise kann das Lüfterrad auf einer radialen Auflagefläche der Nabe aufliegen.
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Das Lüfterrad kann sowohl als separates Bauteil als auch einteilig mit der Nabe ausgebildet sein.
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Die Nabe und/oder das Lüfterrad können beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff bestehen. Vorzugsweise besteht die Nabe aus Aluminium und das Lüfterrad aus Kunststoff oder die Nabe aus Stahl und das Lüfterrad aus Kunststoff.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit drehender Welle.
- 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit feststehender Welle.
- 3 zeigt eine dritte Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit drehender Welle.
- 4 zeigt eine vierte Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit drehender Welle.
- 5 zeigt eine fünfte Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit feststehender Welle.
- 6 zeigt eine sechste Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit feststehender Welle.
- 7 zeigt eine siebte Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit drehender Welle.
- 8 zeigt eine vierte Ausgestaltung eines Lüfters gemäß der Erfindung mit drehender Welle.
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In 1 ist ein Lüfter mit einer ersten Ausgestaltung eines fluiddynamisch gelagerten Spindelmotors dargestellt.
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Der Lüfter weist beispielsweise ein Gehäuse 10 auf, wobei in einer bodenseitigen Gehäuseöffnung eine Haltebuchse 12 zur Aufnahme der feststehenden Motor- und Lagerbauteile vorgesehen ist.
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In der Haltebuchse 12 ist eine zylindrische Lagerbuchse 14 des fluiddynamischen Lagersystems aufgenommen.
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In einer Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 ist eine zylindrische Welle 16 drehbar gelagert, wobei die Welle 16 an einem Ende eine Druckplatte 16a aufweist, die in einer zur Lagerbohrung konzentrischen Aussparung der Lagerbuchse 14 ebenfalls drehbar und frei beweglich angeordnet ist. Die Druckplatte 16a dreht sich zusammen mit der Welle 16 in den entsprechenden Bohrungen bzw. Ausnehmungen der Lagerbuchse 14.
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Im Bereich der Druckplatte 16a ist die Lagerbuchse 14 durch eine Abdeckplatte 18 hermetisch dicht verschlossen.
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An einem aus der Lagerbuchse 14 herausragenden Ende der Welle 16 ist eine Nabe 32 befestigt, die in bekannter Weise etwa einen topfförmigen Querschnitt aufweist.
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Die feststehenden Motorbauteile, insbesondere die Lagerbuchse 14 und die Abdeckplatte 18, sind durch einen wenige Mikrometer breiten Lagerspalt 20 von den drehenden Motorbauteilen, insbesondere der Welle 16, der Druckplatte 16a sowie der Nabe 32, getrennt. Der Lagerspalt 20 ist mit einem Lagerfluid gefüllt.
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Der Lagerspalt 20 weist einen axial verlaufenden zylindrischen Spaltabschnitt 20a auf, der parallel zur Drehachse 50 verläuft und entlang welchem in einem axialen Abstand zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 angeordnet sind.
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An den axial verlaufenden Abschnitt 20a schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 an, der sich zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und einer Unterseite der Nabe 32 erstreckt.
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Das Ende des radial verlaufenden Abschnitts 20b des Lagerspalts 20 ist mit einem Dichtungsspalt 30 verbunden, der wiederum axial verläuft und etwa parallel zum axialen Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 angeordnet ist und mit diesem in axialer Richtung überlappt. Der Dichtungsspalt 30 befindet sich vorzugsweise auf axialer Höhe des ersten fluiddynamischen Radiallagers 22 und hat einen konischen Querschnitt. Der Dichtungsspalt 30 ist anteilig mit Lagerfluid gefüllt und bildet eine Kapillardichtung und dient außerdem als Fluidreservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid.
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Die Welle 16 weist an ihrer äußeren zylindrischen Umfangsfläche erste Lagerflächen auf, welche entsprechenden zylindrischen Lagerflächen der Lagerbuchse 14 gegenüber liegen und das erste fluiddynamische Radiallager 22 bilden.
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Eine der beiden Lagerflächen oder beide Lagerflächen der Welle und der Lagerbuchse sind mit Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Drehung der Welle 16 in der Lagerbuchse 14 einen hydrodynamischen Druck im Lagerspalt 20 erzeugen und das Radiallager 22 tragfähig machen.
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In einem axialen Abstand zum ersten Radiallager 22 weist die Welle 16 eine weitere zylindrische Lagerfläche auf, die einer entsprechenden zylindrischen Lagerfläche der Lagerbuchse 14 gegenüberliegt und das zweite fluiddynamische Radiallager 24 ausbildet.
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Auch das zweite fluiddynamische Radiallager 24 weist Lagerrillenstrukturen auf einer oder beiden Lagerflächen auf, die bei Drehung der Welle 16 in der Lagerbuchse 14 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben und einen hydrodynamischen Druck im Lagerspalt 20 erzeugen.
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Die Lagerrillenstrukturen des ersten fluiddynamischen Radiallagers 22 sind vorzugsweise sinusförmig oder parabelförmig ausgebildet, wobei diese vorzugsweise asymmetrisch bezüglich der Umfangsrichtung der Lagerfläche ausgebildet sind. Die Lagerrillenstrukturen weisen in Bezug auf die Umfangsrichtung längere obere Rillenäste und kürzere untere Rillenäste auf.
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Die Welle dreht sich in 1 entgegen dem Uhrzeigersinn, sodass die oberen längeren Rillenäste der Rillenstrukturen eine stärkere Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben als die unteren Äste der Rillenstrukturen. Dadurch erzeugt das Radiallager 22 eine Gesamtpumpwirkung im Abschnitt 20a des Lagerspalts 20, die überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 24 gerichtet ist.
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Die Lagerrillenstrukturen des zweiten Radiallagers 24 sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet, d.h. sie erzeugen keine Pumpwirkung in eine definierte Richtung des Lagerspalts 20a, sondern eine vorzugsweise gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Abschnitts 20a des Lagerspalts 20.
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Zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern 22, 24 kann ein Separatorspalt 46 mit einer vergrößerten Spaltbreite als „Ruhezone“ vorgesehen sein. Die axiale Länge des Separatorspalts 46 kann weiter reduziert werden, sodass auch die Bauhöhe des Spindelmotors weiter reduziert werden kann.
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Das fluiddynamische Lagersystem weist ferner zwei fluiddynamische Axiallager 26, 28 auf, die durch die beiden Stirnflächen der Druckplatte 16a sowie gegenüberliegende Stirnflächen der Lagerbuchse 14 bzw. der Abdeckplatte 18 gebildet werden.
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Das erste fluiddynamische Axiallager 26 befindet sich zwischen der oberen Stirnfläche der Druckplatte 16a und einer unteren Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und umfasst fischgrätenförmige oder spiralförmige Rillenstrukturen. Die Rillenstrukturen sind auf einer oder beiden Lageroberflächen angeordnet und erzeugen eine Pumpwirkung auf das im radialen Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 zwischen der Druckplatte 16a und der Lagerbuchse 14 befindliche Lagerfluid, die vorzugsweise in Richtung radial nach außen in Richtung des Randes der Druckplatte 16a gerichtet ist.
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Das zweite fluiddynamische Axiallager 28 weist vorzugsweise ebenfalls fischgrätenförmige oder spiralförmige Lagerrillenstrukturen auf, welche entweder auf der unteren Stirnseite der Druckplatte 16a oder der oberen Stirnseite der gegenüberliegenden Abdeckplatte 18 oder auf beiden Lagerflächen angeordnet sind.
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Die Lagerrillenstrukturen des zweiten Axiallagers 28 erzeugen eine Pumpwirkung auf das im radialen Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 zwischen der Unterseite der Druckplatte 16a und der Oberseite der Abdeckplatte 18 befindliche Lagerfluid, die vorzugsweise radial nach innen in Richtung der Drehachse 50 gerichtet ist.
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Die Druckplatte 16a weist vorzugsweise dort, wo sie mit der Welle 16 verbunden ist, eine oder mehrere Durchgangsbohrungen 48 auf, welche eine Zirkulation des Lagerfluids vom radial verlaufenden Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 im Bereich des zweiten Axiallagers 28 in den radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 im Bereich des ersten Axiallagers 26 unterstützen.
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Das Lagerfluid kann somit um die Druckplatte 16a herum zirkulieren, und es kann sich ein gleichmäßiger Druck im Bereich der Druckplatte 16a aufbauen, welche die Druckplatte 16a in der Aussparung vorzugsweise axial zentriert und das Lagersystem axial stabilisiert.
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Der mit dem zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und der Nabe 32 angeordneten, radialen Abschnitt 20b des Lagerspalts verbundene, ringförmige Dichtungsspalt 30 verläuft in axialer Richtung parallel zur Drehachse 50 und auf derselben axialen Höhe wie das obere fluiddynamische Radiallager 22. Der Dichtungsspalt wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines umlaufenden Randes 32a der Nabe 32.
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Dieser Rand 32a der Nabe bildet außerdem mit seiner äußeren Umfangsfläche und einer gegenüberliegenden inneren Umfangsfläche der Haltebuchse 12 einen schmalen Luftspalt 36, der sich im Anschluss an den Dichtungsspalt 30 erstreckt. Dieser Luftspalt 36 dichtet das Lager zusätzlich ab und verhindert ein Austreten von flüssigem oder dampfförmigem Lagerfluid aus dem Lagerbereich in den Motorraum.
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Der Dichtungsspalt 30 befindet sich radial außerhalb des Lagerspalts 20 und insbesondere nicht in axialer Verlängerung des Lagerspalts 20a, sodass nahezu die gesamte axiale Länge des Lagers für die Anordnung der beiden fluiddynamischen Radiallager 22, 24 genutzt werden kann.
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Somit kann der Dichtungsspalt 30 im Vergleich zur Lagerlänge bzw. Bauhöhe des Lagers relativ lang ausgebildet sein, wobei dessen axiale Länge vorzugsweise mindestens ein Drittel der Länge des axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts 20 beträgt.
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Der radiale Abschnitt 20b des Lagerspalts 20, der zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und der Unterseite der Nabe 32 verläuft, bildet einen Verbindungsspalt zwischen dem axialen Abschnitt 20a des Lagerspalts und dem Dichtungsspalt 30, dessen Spaltbreite vorzugsweise größer ist als Spaltbreite des Lagerspalts 20a im Bereich der Radiallager 22, 24. Entlang des radial verlaufenden Abschnitts 20b des Lagerspalts 20 können Pumprillenstrukturen 44 auf der Oberfläche der Lagerbuchse 14 und/oder der Oberfläche der Nabe 32 angeordnet sein, die auf das Lagerfluid im Spaltbereich 20b eine Pumpwirkung radial nach innen ausüben und so für eine zusätzliche Abdichtung des Lagerspalts sorgen. Dadurch wird die Dichtwirkung des kapillaren Dichtungsspalts 30 unterstützt.
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An einer äußeren Umfangsfläche der Haltebuchse 12 ist die Statoranordnung 38 des Spindelmotors befestigt. Die Statoranordnung 38 besteht in bekannter Weise aus einem Eisenkern und entsprechenden Phasenwicklungen.
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Es handelt sich bei dem Spindelmotor vorzugsweise um einen bürstenlosen permanenterregten Motor, wobei der Permanentmagnet 40 an einer inneren Umfangsfläche eines Randes 32b der Nabe 32 radial gegenüberliegend der Statoranordnung 38 angeordnet ist.
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In der gezeigten Ausführungsform besteht die Nabe 32 beispielsweise aus Stahl und bildet gleichzeitig den magnetischen Rückschluss für den Rotormagneten 40.
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Die Nabe 32 kann alternativ aus Aluminium oder aus Kunststoff gefertigt sein, wobei dann vorzugsweise ein ferromagnetischer Rückschlussring radial außerhalb des Rotormagneten 40 vorgesehen sein kann.
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Der Spindelmotor ist zum Antrieb eines Lüfters vorgesehen, wobei ein Lüfterrad 34 an der Nabe 32 angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Nabe 32 eine radiale Auflagefläche 32b1 auf, auf der ein innerer Rand des Lüfterrads 34 aufliegt. Das Lüfterrad ist vorzugsweise mittels Klebstoff an der Nabe 32 befestigt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Pressverbindung zwischen Lüfterrad 34 und Nabe 32 vorgesehen sein.
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Das Lüfterrad 34 kann aus Leichtmetall oder Kunststoff bestehen und als separates Bauteil oder einteilig mit der Nabe 32 ausgebildet sein.
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Der Lüfter ist beispielsweise ein Radiallüfter, welcher die Luft in der dargestellten Zeichnung von oben einsaugt und radial nach außen ausbläst. Hierzu weist das Gehäuse 10 des Lüfters mindestens eine obere Öffnung für den Lufteinlass auf und seitliche Öffnungen für den Luftauslass.
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Die elektrische Kontaktierung der Statoranordnung 38 erfolgt über eine Anschlussplatine 42.
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2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lüfters.
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Das hier dargestellte fluiddynamische Lagersystem entspricht dem fluiddynamischen Lagersystem aus 1, wobei jedoch das Lagersystem über Kopf eingebaut ist und nun die Welle 16 ein Teil des feststehenden Motorbauteils ist, wogegen die Lagerbuchse 14 um die Welle rotiert und die Nabe 32' trägt.
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Die Welle 16 ist in einem etwa topfförmigen, feststehenden Lagerbauteil 13 gehalten und beispielsweise mit dem Lagerbauteil 13 verschweißt. Das Lagerbauteil 13 ist in eine Haltebuchse 12' eingesetzt, welche wiederum am Gehäuse 10 befestigt ist.
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Das fluiddynamische Lagersystem, bestehend aus Lagerbuchse 14, Welle 16 und Abdeckplatte 18, ist identisch wie in 1 ausgebildet und umfasst, wie oben beschrieben, zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 und zwei fluiddynamische Axiallager 26, 28.
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Der Dichtungsspalt 30 ist in dieser Ausgestaltung der Erfindung im Bereich der unteren Lagerbauteils 13 vorgesehen und wird begrenzt durch die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche des Lagerbauteils 13.
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Ein innerer Rand 32a' der Nabe 32' ist an der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 befestigt, beispielsweise mittels Klebstoff, Laserschweißen und/oder einer Pressverbindung.
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Eine äußere Umfangsfläche des inneren Randes 32a' der Nabe 32', bildet mit einer inneren Umfangsfläche der Haltebuchse 12' den Luftspalt 36. In seinen weiteren Merkmalen entspricht der Spindelmotor von 2 dem Spindelmotor von 1.
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3 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors, die im Wesentlichen mit 1 übereinstimmt, wobei im Unterschied zu 1 und auch 2 insbesondere die Haltebuchse 12'', die Lagerbuchse 14'' und die Nabe 32'' sich unterscheiden.
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Die Haltebuchse 12'' ist kürzer ausgebildet und dient nicht als Teil der Begrenzung des Luftspalts 36. Stattdessen ist die Statoranordnung 38 derart an der Haltebuchse 12'' befestigt, dass eine innere Umfangsfläche des Eisenkerns der Statoranordnung 38 zusammen mit der äußeren Umfangsfläche des inneren Rands 32a'' der Nabe 32'' den Luftspalt 36 begrenzt.
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Der Außendurchmesser der Lagerbuchse 14'' ist gegenüber der Ausgestaltung von 1 deutlich vergrößert. Dadurch kann auch der Durchmesser der Druckplatte 16a'' deutlich vergrößert werden. Somit können die beiden fluiddynamischen Axiallager 26, 28 auf einem größeren Durchmesser angeordnet werden als vergleichsweise in 1 und 2, wodurch die Stabilität des Lagersystems erhöht werden kann. Zur Ausbildung des Dichtungsspalts 30 und des Luftspalts 36 ist die Nabe 32'' an den vergrößerten Durchmesser der Lagerbuchse 14'' angepasst.
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4 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung eines Lüfters mit einer anderen Bauform eines fluiddynamischen Lagersystems.
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Der Lüfter umfasst ein Gehäuse 110, in welchem eine Haltebuchse 112 befestigt ist. Eine Lagerbuchse 114 ist in der Haltebuchse 112 gehalten. In der Lagerbuchse 114 ist eine Welle 116 drehbar gelagert.
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An einem Ende weist die Welle eine Druckplatte 116a auf, die zusammen mit der Welle 116 in einer Aussparung der Lagerbuchse 114 drehbar angeordnet ist.
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Die Aussparung der Lagerbuchse 114 ist durch einen Deckel 118 verschlossen. An der oberen Stirnseite der Welle 116 ist eine Nabe 132 befestigt. Hierfür hat die Welle 116 eine axiale Mittenbohrung 116b, in welcher ein an der Unterseite der Nabe 132 zentrisch angeordneter Zapfen 132c eingefügt ist. Der Zapfen 132c ist vorzugsweise in die Bohrung 116b der Welle 116 eingeklebt und/oder eingepresst.
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Der Zapfen 132c hat wiederum eine zentrale Bohrung 132d, über welche beim Einfügen des Zapfens 132c in die Bohrung 116b der Welle 116 der Hohlraum unterhalb des Zapfens 132c entlüftet wird.
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Entlang eines axialen Abschnitts 120a des Lagerspalts 120 zwischen der Welle 116 und der Lagerbuchse 114 ist ein erstes fluiddynamisches Radiallager 122 angeordnet und in einem axialen Abstand, getrennt durch einen Separatorspalt 146, ein zweites fluiddynamisches Radiallager 124.
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Die beiden fluiddynamischen Radiallager 122, 124 umfassen Lagerrillenstrukturen, wie sie bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurden. Diese Lagerrillenstrukturen erzeugen einen hydrodynamischen Druck im Abschnitt 120a des Lagerspalts 120, sobald sich die Welle 116 in der Lagerbuchse 114 dreht.
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Bei dem in 4 dargestellten Lagersystem wird entlang eines radial verlaufenden Abschnitts 120c des Lagerspalts 120 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 126 gebildet durch eine obere Stirnfläche der Druckplatte 116a, die einer unteren Stirnseite der Lagerbuchse 114 gegenüberliegt.
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Ein zweites fluiddynamisches Axiallager 128 ist entlang des radial verlaufenden Abschnitts 120b des Lagerspalts 120 zwischen einer oberen Stirnseite der Lagerbuchse 114 und einer unteren Stirnfläche der Nabe 132 angeordnet und wirkt entgegengesetzt zum ersten fluiddynamischen Axiallager 126. Das zweite fluiddynamische Axiallager 128 weist vorzugsweise fischgrätenförmige oder spiralrillenförmige Lagerrillen auf, die das im radial verlaufenden Abschnitt 120b des Lagerspalts 120 befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts 120a des Lagerspalts 120 fördern.
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Durch die Pumpwirkung der beiden Radiallager 122 und 124 wird das Lagerfluid im axialen Abschnitt 120a des Lagerspalts 120 weiter in Richtung nach unten zur Druckplatte 116a gefördert.
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Das erste fluiddynamische Axiallager 126 hat fischgrätenförmige oder spiralförmige Axiallagerrillen, die das Lagerfluid im Lagerspalt 120 zwischen der Druckplatte 116a und der Lagerbuchse 114 vorzugsweise radial nach außen fördern, sodass das Lagerfluid über einen durch die Lagerbuchse 114 axial hindurchführenden Rezirkulationskanal 152 zurück in den Bereich des oberen, zweiten Axiallagers 128 gelangt, wo es wiederum radial nach innen in das Innere des Lagersystems gefördert wird. Somit kann das Lagerfluid frei im Lagerspalt 120 zirkulieren.
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Radial außerhalb des zweiten fluiddynamischen Axiallagers 128 ist ein Dichtungsspalt 130 angeordnet, der sich axial nach unten und parallel zur Drehachse 150 erstreckt.
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Der Dichtungsspalt 130 wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 114 und eine innere Umfangsfläche eines inneren Randes 132a der Nabe 132.
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Durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das eine Statoranordnung 138 und einen Permanentmagneten 140 umfasst, wird der Spindelmotor angetrieben und treibt das Lüfterrad 134 an, das auf der Nabe 132 befestigt ist. Die Statoranordnung ist an eine elektrische Anschlussplatine 142 angeschlossen.
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Bei diesem Lagersystem sind die beiden fluiddynamischen Axiallager 126, 128 auf gegenüberliegenden Seiten des Lagersystems bzw. der Lagerbuchse 114 angeordnet, wobei sich entlang des Lagerspalts zwischen den beiden Axiallagern 126, 128 die beiden fluiddynamischen Radiallager 122, 124 befinden.
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Bei den Lagersystemen gemäß 1 bis 3 sind die beiden fluiddynamischen Axiallager 26, 28 entlang des Lagerspalts 20 hintereinander angeordnet, gefolgt von den beiden ebenfalls axial hintereinander angeordneten Radiallagern 22, 24.
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5 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, ähnlich wie 4, bei der jedoch das fluiddynamische Lagersystem über Kopf eingebaut ist, sodass die Welle 116 ein Teil des feststehenden Motorbauteils bildet.
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Die Welle 116 ist in einem etwa topfförmigen, feststehenden Lagerbauteil 113 gehalten und beispielsweise mit dem Lagerbauteil 113 verschweißt. Das Lagerbauteil 113 ist in eine Haltebuchse 112' eingesetzt, welche wiederum am Gehäuse 110 des Lüfters befestigt ist.
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Das fluiddynamische Lagersystem, bestehend aus Lagerbuchse 114, Welle 116 und Deckel 118, ist identisch wie in 4 ausgebildet und umfasst, wie oben beschrieben, zwei fluiddynamische Radiallager 122, 124 und zwei fluiddynamische Axiallager 126, 128.
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Der Dichtungsspalt 130 ist in dieser Ausgestaltung der Erfindung im Bereich des unteren Lagerbauteils 113 vorgesehen und wird begrenzt durch die äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 114 und eine innere Umfangsfläche des Lagerbauteils 113.
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Ein innerer Rand 132a' der Nabe 132' ist an der äußeren Umfangsfläche der Lagerbuchse 114' befestigt, beispielsweise mittels Klebstoff und/oder einer Pressverbindung.
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Eine äußere Umfangsfläche des inneren Randes 132a' der Nabe 132', bildet mit einer inneren Umfangsfläche der Haltebuchse 112' einen Luftspalt 136.
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In seinen weiteren Merkmalen entspricht der Spindelmotor von 5 dem Spindelmotor von 4.
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6 zeigt einen Lüfter in einer ähnlichen Ausgestaltung wie 5, wobei jedoch die in 5 vorhandene Haltebuchse 112' und das Lagerbauteil 113 nicht als separate Bauteile ausgebildet sind, sondern in eine gemeinsame Haltebuchse 112" integriert sind.
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Ansonsten entsprechen Spindelmotor und Lüfter dem in 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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7 zeigt einen Spindelmotor nach der Bauart von 3, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in 3 bezeichnet sind.
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Im Unterschied zu 3 weist der in 7 dargestellte Spindelmotor keine Durchgangsbohrung 48 in der Druckplatte 16a'' auf, die eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt um die Druckplatte 16a'' herum ermöglicht, sondern es ist ein in der Welle 16 verlaufender Rezirkulationskanal 52 vorgesehen.
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Der Rezirkulationskanal 52 besteht aus einer axial verlaufenden Sackbohrung 52a, die sich ausgehend von der an die Druckplatte 16a''' angrenzenden Stirnseite der Welle 16 bis etwa auf halbe Länge der Welle 16' erstreckt. Vom inneren Ende der Sackbohrung 52a erstreckt sich eine Querbohrung 52b radial nach außen und mündet an der Umfangsfläche der Welle 16. Der Rezirkulationskanal 52 ist mit Lagerfluid gefüllt und verbindet den radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 zwischen der Welle 16 bzw. der Druckplatte 16a'' und der Abdeckplatte 18 direkt mit dem axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts zwischen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14'', in dessen Verlauf sich die beiden fluiddynamischen Radiallager 22, 24 befinden. Der axial verlaufende Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern 22, 24 wird als Separatorspalt 46 bezeichnet und weist vorzugsweise eine größere Spaltbreite als die restlichen Abschnitte des axial verlaufenden Lagerspalts 20a auf.
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Der Rezirkulationskanal 52 ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids vom radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 zwischen der Unterseite der Welle 16 bzw. der Druckplatte 16a'' und der Abdeckplatte 18 und dem Separatorspalt 46 zwischen den beiden fluiddynamischen Radiallagern 22, 24 im Bereich des axial verlaufenden Abschnitts 20a des Lagerspalts 20. Über den radial verlaufenden Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 zwischen der oberen Stirnseite der Druckplatte 16a'' und der unteren Stirnseite der Lagerbuchse 14'' gelangt das Lagerfluid um den äußeren Rand der Druckplatte 16a'' herum wieder zurück zum radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20.
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In 8 ist ein Spindelmotor dargestellt, der ebenfalls einen in der Welle angeordneten Rezirkulationskanal 54 aufweist. Der Spindelmotor entspricht ansonsten der Bauart von 3, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in 3 bezeichnet sind.
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Der Rezirkulationskanal 54 besteht aus einer axial verlaufenden Sackbohrung 54a, die sich ausgehend von der an die Druckplatte 16a'' angrenzenden Stirnseite der Welle 16 bis etwa auf Dreiviertel der Länge der Welle 16 erstreckt. Vom inneren Ende der Sackbohrung 54a erstreckt sich eine Querbohrung 54b radial nach außen und mündet an der Umfangsfläche der Welle 16. Der Rezirkulationskanal 54 ist mit Lagerfluid gefüllt und verbindet den radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 zwischen der Welle 16 bzw. der Druckplatte 16a'' und der Abdeckplatte 18 direkt mit dem axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts zwischen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14'' oberhalb des fluiddynamischen Radiallagers 22.
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Der Rezirkulationskanal 54 ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids vom radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 zwischen der Unterseite der Welle bzw. der Druckplatte 16a'' und der Abdeckplatte 18 und dem axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 oberhalb des Radiallagers 22. Das im axialen Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 befindliche Lagerfluid wird durch die Pumpwirkung der beiden fluiddynamischen Radiallager 22, 24 nach unten in Richtung des radial verlaufenden Abschnitts 20c des Lagerspalts 20 zwischen der oberen Stirnseite der Druckplatte 16a'' und der unteren Stirnseite der Lagerbuchse 14'' gefördert und gelangt über den radial verlaufenden Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 um den äußeren Rand der Druckplatte 16a'' herum wieder zurück zum radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20.
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Die in den 7 und 8 dargestellte Führung des Rezirkulationskanals 52, 54 innerhalb der Welle 16 hat den Vorteil, dass bei der Herstellung der Bohrungen 52a, 52b bzw. 54a, 54b des Rezirkulationskanals 52, 54 und dem nachfolgenden Entgraten der Bohrungsränder ein ausreichender Abstand zu den Lagerflächen der fluiddynamischen Radiallager 22, 24 und der Axiallager 26, 28 gegeben ist, so dass die Lagerflächen und insbesondere die auf den Lagerflächen aufgebrachten Lagerrillenstrukturen durch die Arbeitsprozesse nicht beschädigt werden. Die Spindelmotoren gemäß den 7 und 8 können auch als Spindelmotoren mit feststehender Welle ähnlich wie in 2 realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 12, 12', 12"
- Haltebuchse
- 13
- Lagerbauteil
- 14, 14', 14''
- Lagerbuchse
- 16
- Welle
- 16a, 16a''
- Druckplatte
- 18
- Abdeckplatte
- 20
- Lagerspalt
- 20a
- axialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20b
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20c
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20d
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 22
- fluiddynamisches Radiallager
- 24
- fluiddynamisches Radiallager
- 26
- fluiddynamisches Axiallager
- 28
- fluiddynamisches Axiallager
- 30
- Dichtungsspalt
- 32, 32', 32''
- Nabe
- 32a, 32a', 32a'\'
- Rand
- 32b, 32b', 32b''
- Rand
- 32b1, 32b1', 32b1"
- Auflagefläche
- 34
- Lüfterrad
- 36
- Luftspalt
- 38
- Statoranordnung
- 40
- Permanentmagnet
- 42
- Anschlussplatine
- 44
- Pumprillenstrukturen
- 46
- Separatorspalt
- 48
- Durchgangsbohrung
- 50
- Drehachse
- 52
- Rezirkulationskanal
- 52a
- Sackbohrung
- 52b
- Querbohrung
- 54
- Rezirkulationskanal
- 54a
- Sackbohrung
- 54b
- Querbohrung
- 110
- Gehäuse
- 112, 112', 112''
- Haltebuchse
- 113
- Lagerbauteil
- 114
- Lagerbuchse
- 116
- Welle
- 116a
- Druckplatte
- 116b
- Mittenbohrung
- 118
- Deckel
- 120
- Lagerspalt
- 120a
- axialer Abschnitt des Lagerspalts
- 120b
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 120c
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 122
- fluiddynamisches Radiallager
- 124
- fluiddynamisches Radiallager
- 126
- fluiddynamisches Axiallager
- 128
- fluiddynamisches Axiallager
- 130
- Dichtungsspalt
- 132, 132'
- Nabe
- 132a, 132a'
- Rand
- 132b, 132b'
- Rand
- 132c
- Zapfen
- 132d
- Bohrung
- 132b1, 132b1'
- Auflagefläche
- 134
- Lüfterrad
- 136
- Luftspalt
- 138
- Statoranordnung
- 140
- Permanentmagnet
- 142
- Anschlussplatine
- 146
- Separatorspalt
- 150
- Drehachse
- 152
- Rezirkulationskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016002832 A1 [0005]
- DE 102013015576 A1 [0012]
