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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind fluiddynamische Lager und insbesondere auch fluiddynamische Lager mit konischen Lagerflächen bekannt.
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Die
DE 10 2018 124 286 A1 zeigt beispielsweise ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei konischen Lagern, welches eine hohe Tragkraft aufweist und insbesondere für Festplattenlaufwerke mit großer Speicherkapazität eingesetzt wird.
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Fluiddynamische Lagersysteme mit nur einem konischen Lager und einem oder mehreren fluiddynamischen Axiallagern sind in der
DE10 2008 008 439 A1 und der
DE10 2016 009 370 A1 offenbart. Diese fluiddynamischen Lagersysteme weisen gegenüber der doppelt konischen Ausführungsform eine kleinere Bauhöhe auf und dienen zur Drehlagerung von Festplattenlaufwerken mit geringer Bauhöhe.
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Die fluiddynamischen Lagersysteme nach dem Stand der Technik weisen einen relativ aufwändigen Aufbau auf und lassen sich nicht ohne Weiteres in ihrer Bauhöhe reduzieren, da ansonsten keine ausreichende Lagerlänge und Lagersteifigkeit mehr gegeben ist.
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Ferner ist bei einem Lagersystem mit nur einer Lageröffnung des Lagerspalts die Druckverteilung im Lagerspalt kritisch, insbesondere ist ein Unterdruck im Lagerspalt zu vermeiden, da sich dadurch im Lagerfluid gelöste Luft in Form von größeren Luftbläschen im Lagerspalt ansammeln kann. Daher muss im Lagerspalt eine ausgewogene Druckverteilung gewährleistet werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem konischen Lager anzugeben, das sehr einfach aufgebaut ist, eine niedrige Bauhöhe von drei Millimetern oder weniger und eine ausgewogene Druckverteilung im Lagerspalt aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Welle, ein mit der Welle verbundenes Lagerbauteil und einen mit der Welle verbundenen Lagerkonus mit konischen Lagerflächen sowie eine Lagerbuchse mit konischen Lagerflächen, die den konischen Lagerflächen des Lagerkonus gegenüberliegen und mit diesen ein konisches fluiddynamisches Lager bilden. Die Welle, das Lagerbauteil und der Lagerkonus sind relativ zur Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbar angeordnet, und zumindest zwischen den Lagerflächen des Lagerkonus und der Lagerbuchse ist ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist im Lagerkonus und/oder in der Welle und/oder im Lagerbauteil mindestens ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der voneinander entfernte Abschnitte des Lagerspalts direkt miteinander verbindet.
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Das erfindungsgemäße Lagersystem ist sehr einfach aufgebaut und umfasst ein einzelnes konisches Lager, dessen axiale Lagerlänge einen Großteil der Bauhöhe des Lagers einnimmt und somit eine große Steifigkeit des Lagersystems gegeben ist.
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Außerdem werden die Welle, der Lagerkonus und das Lagerbauteil durch die konische Ausbildung des Lagerkonus und die konischen Lagerflächen der Lagerbuchse in Position gehalten und gegen Auseinanderfallen gesichert, ohne dass ein separates Stopperbauteil notwendig wäre.
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Das Lagersystem kann erfindungsgemäß mit einer rotierenden Welle ausgebildet sein, wobei der Lagerkonus und das Lagerbauteil zusammen mit der Welle relativ zur feststehenden Lagerbuchse rotieren. Das Lagerbauteil kann in diesem Fall als Rotorbauteil ausgebildet sein und eine rotierende anzutreibende Last tragen.
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Alternativ kann das Lagersystem mit einer feststehenden Welle ausgebildet sein, wobei der Lagerkonus und das Lagerbauteil zusammen mit der Welle feststehend angeordnet sind. In diesem Fall rotieren die Lagerbuchse und ein mit der Lagerbuchse verbundenes Rotorbauteil um die feststehenden Lagerbauteile. Das mit der Welle verbundene Lagerbauteil kann in diesem Fall als Wellenflansch ausgebildet sein, der in einem Haltebauteil gehalten ist.
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Durch den Rezirkulationskanal werden entfernte Abschnitte des Lagerspalts direkt miteinander verbunden und dadurch eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager sichergestellt.
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Gleichzeitig werden durch den Rezirkulationskanal Druckunterschiede in verschiedenen Abschnitten des Lagerspalts ausgeglichen, so dass sich eine ausgewogene Druckverteilung ohne übermäßige Druckspitzen oder Unterdruckzonen einstellt.
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Durch diese Maßnahmen kann ein fluiddynamisches Lagersystem mit sehr geringer Bauhöhe und sehr guter Lagersteifigkeit und Stabilität hergestellt werden, wobei die Bauhöhe beispielsweise drei Millimeter oder weniger beträgt. Nach dieser Bauart lassen sich aber auch Lagersysteme mit größerer Bauhöhe aufbauen.
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Das fluiddynamische Lagersystem ist vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors vorgesehen und so ausgebildet, dass die Bauhöhe des Spindelmotors insgesamt nicht sehr viel größer ist als die Bauhöhe des verwendeten fluiddynamischen Lagersystems.
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Der Lagerspalt umfasst im Bereich des konischen fluiddynamischen Lagers einen schräg zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitt, der zwischen den Lagerflächen des Lagerkonus und der Lagerbuchse angeordnet ist.
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Ferner umfasst der Lagerspalt einen ersten radial verlaufenden Abschnitt, der zwischen einer Stirnfläche der Lagerbuchse und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des mit der Welle verbundenen Lagerbauteils angeordnet ist.
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Schließlich umfasst der Lagerspalt einen zweiten radial verlaufenden Abschnitt, der zwischen aneinander angrenzenden Stirnflächen des Lagerkonus und der Welle und einer die Lagerbuchse verschließenden Abdeckung angeordnet ist.
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Die Enden des schräg zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts sind jeweils mit einem Ende des ersten radial verlaufenden Abschnitts und einem Ende des zweiten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts verbunden.
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Hierbei erstreckt sich der erste radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts von einem Ende des schräg zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts radial nach außen, während sich der zweite radial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts, ausgehend vom anderen Ende des schräg zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts, radial nach innen in Richtung zur Rotationsachse erstreckt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rezirkulationskanal so angeordnet und ausgebildet, dass er den ersten radialen Abschnitt des Lagerspalts mit dem zweiten radialen Abschnitt des Lagerspalts verbindet. Insbesondere kann der Rezirkulationskanal zwischen den Übergangsbereichen des schräg verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts und den jeweiligen ersten und zweiten radial verlaufenden Abschnitten des Lagerspalts angeordnet sein und diese miteinander verbinden.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Rezirkulationskanals weist dieser einen axial verlaufenden Abschnitt auf, der vorzugsweise als axial verlaufende Nut im Lagerkonus und/oder als axial verlaufende Nut in der Welle ausgebildet ist.
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An diesen axial verlaufenden Abschnitt des Rezirkulationskanals schließt sich ein radial verlaufender Abschnitt des Rezirkulationskanals an, der vorzugsweise als radial verlaufende Nut im Lagerkonus und/oder als radial verlaufende Nut in dem mit der Welle verbundenen Lagerbauteil ausgebildet ist.
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Die vorzugsweise als Nut ausgebildeten radial und axial verlaufenden Abschnitte des Rezirkulationskanals werden durch die die Nut abdeckenden Oberflächen des Lagerkonus und/oder der Welle und/oder des Lagerbauteils begrenzt. Ist der axial verlaufende Abschnitt des Rezirkulationskanals beispielsweise als axial verlaufende Nut im Lagerkonus ausgebildet, so wird diese Nut durch die angrenzende Umfangsfläche der Welle abgedeckt und die Nut verschlossen.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Rezirkulationskanal als Bohrung in dem Lagerkonus ausgebildet sein, wobei die Bohrung im Wesentlichen axial oder im spitzen Winkel schräg zur Rotationsachse im Lagerkonus verläuft. Die den Rezirkulationskanal ausbildende Bohrung verbindet die gegenüberliegenden Stirnflächen des Lagerkonus.
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Hierbei kann die den Rezirkulationskanal bildende Bohrung so ausgebildet sein, dass sie etwa parallel zur konischen Lagerfläche des Lagerkonus oder in einem spitzen Winkel zur Lagerfläche des Lagerkonus verläuft.
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Zur Unterstützung des konischen fluiddynamischen Lagers kann mindestens ein fluiddynamisches Axiallager vorgesehen sein.
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Das fluiddynamische Axiallager kann entweder entlang des ersten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts angeordnet sein oder entlang des zweiten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts.
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Es kann auch jeweils ein fluiddynamisches Axiallager entlang des ersten und des zweiten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts angeordnet sein.
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Zur Abdichtung des Lagerspalts ist am Ende des ersten radial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts ein Dichtungsspalt, vorzugsweise ein kapillarer Dichtungsspalt, angeordnet.
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Dieser kapillare Dichtungsspalt verläuft im Wesentlichen in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse und etwa auf derselben axialen Höhe wie der schräg zur Rotationsachse verlaufende Abschnitt des Lagerspalts.
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Dieser Dichtungsspalt wird durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche eines Randes des mit der Welle verbundenen Lagerbauteils begrenzt.
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Vorzugsweise handelt es sich um einen Dichtungsspalt mit konischem Querschnitt in Form eines Ringspalts.
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Der Dichtungsspalt ist auf einem radial größeren Durchmesser angeordnet als der Lagerspalt bzw. alle Abschnitte des Lagespalts.
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Das fluiddynamische Lagersystem wird vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt, wobei der Spindelmotor ein feststehendes Motorbauteil sowie mittels des Lagersystems ein drehgelagertes drehbares Motorbauteil aufweist sowie ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Antrieb des drehbaren Motorbauteils.
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Als Ergänzung oder als Alternative zu dem optionalen fluiddynamischen Axiallager kann ein magnetisches Axiallager vorgesehen sein, welches durch das elektromagnetische Antriebssystem oder Teile davon gebildet ist.
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Eine axial gerichtete magnetische Kraft kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten axial versetzt zur magnetischen Mitte der Statoranordnung angeordnet ist.
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Alternativ kann am feststehenden Motorbauteil gegenüberliegend einer Stirnseite des Rotormagneten ein ferromagnetisches Bauteil angeordnet sein, das vom Rotormagneten in axialer Richtung magnetisch angezogen wird und eine axiale Kraft ausbildet.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung,
- 1 zeigt einen Spindelmotor mit einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems.
- 2 zeigt einen Spindelmotor mit einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems.
- 3 zeigt einen Spindelmotor mit einer dritten Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems.
- 4 zeigt einen Spindelmotor mit einer vierten Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems.
- 5 zeigt eine erste bevorzugte Ausgestaltung eines Lagerkonus.
- 6 zeigt eine zweite bevorzugte Ausgestaltung eines Lagerkonus.
- 7 zeigt eine dritte bevorzugte Ausgestaltung der eines Lagerkonus.
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Der in 1 dargestellte Spindelmotor umfasst eine Motorbasis 10, auf welcher die Komponenten des Spindelmotors aufgebaut sind. In einer Öffnung der Motorbasis ist ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Haltebauteil 12 befestigt. Im Haltebauteil 12 ist eine im Wesentlichen zylindrische Lagerbuchse 14 gehalten, die eine konische Lagerbohrung aufweist. An ihrer Unterseite auf der Ebene der Motorbasis 10 ist die Lagerbuchse 14 einseitig durch eine Abdeckung 22 verschlossen. Die Lagerbuchse und die Abdeckung 22 sind ein Teil des feststehenden Lagerbauteils des Lagersystems.
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Das drehbare Lagerbauteil umfasst ein Lagerbauteil in Form eines etwa topfförmigen Rotorbauteils 18, an welchem eine Welle 20 angeformt ist. Das Rotorbauteil 18 und die Welle 20 sind in diesem Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet. Sie können auch als zwei miteinander verbundene separate Bauteile ausgebildet sein. Auf der Welle 20 ist ein Lagerkonus 16 befestigt.
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Bei der Montage des Spindelmotors wird die mit dem Rotorbauteil verbundene Welle 20 in die Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 eingeführt. Dann wird der Lagerkonus 16 von der Gegenseite in die Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 eingeführt und gleichzeitig mit der Welle 20 verbunden, z. B. durch Einpressen und/oder Einkleben. Schließlich wird die Lagerbuchse 14 durch die Abdeckung 22 verschlossen.
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Der Lagerkonus 16 umfasst eine zylindrische Bohrung, mit welcher er auf die Welle 20 aufgesteckt wird, sowie eine konische Umfangsfläche, die entsprechend der konischen Bohrung der Lagerbuchse 14 ausgebildet ist.
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Der Innendurchmesser der konischen Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 ist überall geringfügig größer als der Außendurchmesser der konischen Lagerfläche des Lagerkonus 16, so dass zwischen den Lagerflächen der Lagerbuchse und dem Lagerkonus ein schräg verlaufender Abschnitt 24a des Lagerspalts 24 verbleibt, der wenige Mikrometer breit ist.
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Um ein Fressen der Lagerflächen des Lagerkonus 16 und der Lagerbuchse 14 zu vermeiden, ist zumindest eine der beiden Lagerflächen in axialer Richtung ballig ausgebildet, wobei insbesondere oder vorzugsweise der Lagerkonus 16 ballig ausgebildet ist mit einem Radius von beispielsweise 250 Millimetern.
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Der Lagerspalt 24 umfasst nicht nur einen schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitt 24a zwischen den Lagerflächen der Lagerbuchse 14 und den Lagerflächen des Lagerkonus 16, sondern noch zwei radial verlaufende Abschnitte 24b, 24c, die jeweils mit einem Ende des schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitts 24a des Lagerspalts 24 verbunden sind.
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Ein erster radial verlaufender Abschnitt 24b des Lagerspalts erstreckt sich, ausgehend von einem oberen Ende des schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitts 24a, radial nach außen, ist ringförmig oder scheibenförmig ausgebildet und wird begrenzt durch eine obere Stirnseite der Lagerbuchse 14 und eine untere Stirnfläche des Rotorbauteils 18.
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Ein zweiter radial verlaufender Abschnitt 24c des Lagerspalts erstreckt sich, ausgehend vom unteren Ende des schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitts 24a des Lagerspalts, radial nach innen und ist ringförmig oder scheibenförmig ausgebildet und wird begrenzt durch eine obere Stirnseite der Abdeckung 22 und untere Stirnflächen des Lagerkonus 16 und der Welle 20.
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Je nach eingestelltem axialen Lagerspiel beträgt die Breite der radialen Abschnitte des Lagerspalts 24b, 24c einige Mikrometer bis einige 10 Mikrometer.
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Die Abschnitte 24a, 24b, 24c des Lagerspalts 24 sind miteinander verbunden und vollständig mit einem Lagerfluid, beispielsweise mit einem Lageröl, gefüllt.
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Der Lagerspalt weist ein offenes Ende auf, das an dem radial äußeren Ende des ersten radialen Abschnitts 24b des Lagerspalts 24 angeordnet und durch einen Dichtungsspalt 26 abgedichtet ist.
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Der Dichtungsspalt 26 erstreckt sich nach unten in Richtung der Motorbasis 10 im Wesentlichen in axialer Richtung parallel zur Rotationachse 42 und ist anteilig mit dem Lagerfluid gefüllt und mit dem äußeren radialen Ende des radialen Abschnitts 24b des Lagerspalts verbunden. Der Dichtungsspalt 26 befindet sich im Wesentlichen auf derselben axialen Höhe wie der schräg verlaufende Abschnitt 24a des Lagerspalts 24.
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Der Dichtungsspalt dient einerseits zur Abdichtung des offenen Endes des Lagerspalts 24 und andererseits als Fluidreservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid. Der Dichtungsspalt 26 wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines inneren Randes 18a des Rotorbauteils. Vorzugsweise weitet sich der Dichtungsspalt 26 in Richtung seiner Öffnung konisch auf.
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Das offene Ende des Dichtungsspalts 26 ist über einen Luftspalt 32, der zwischen dem Haltebauteil 12 und der äußeren Umfangsfläche des inneren Rands 18a des Rotorbauteils verläuft, mit der Außenumgebung verbunden und wird somit auf Umgebungsdruck gehalten. Der Luftspalt 32 wirkt als Labyrinthdichtung und minimiert die Evaporation des Lagerfluids.
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Damit eine Zirkulation des Lagerfluids in allen Abschnitten 24a, 24b, 24c des Lagerspalts 24 möglich ist, ist mindestens ein Rezirkulationskanal 30 vorgesehen, der den ersten radialen Abschnitt 24b des Lagerspalts 24 direkt mit dem zweiten radialen Abschnitt 24c des Lagerspalts 24 verbindet.
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Der Rezirkulationskanal 30 umfasst einen axial verlaufenden Abschnitt 30a, der sich ausgehend vom zweiten radial verlaufenden Abschnitt 24c des Lagerspalts 24 zwischen dem Außenumfang und der Welle 20 und dem Innenumfang des Lagerkonus 16 erstreckt. Der axial verlaufende Abschnitt 30a des Rezirkulationskanals 30 verläuft bis unterhalb des Rotorbauteils 18 und geht dort über in einen radial verlaufenden Abschnitt 30b, der sich zwischen der Stirnfläche des Lagerkonus 16 und der Unterseite des Rotorbauteils 18 bis zum ersten radial verlaufenden Abschnitt 24b des Lagerspalts 24 erstreckt und in den Lagerspalt 24 mündet bzw. in den Übergangsbereich zwischen dem schräg verlaufenden Abschnitt 24a und dem ersten radial verlaufenden Abschnitt 24b des Lagerspalts 24 mündet.
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Der axial verlaufende Abschnitt 30a des Rezirkulationskanals 30 befindet sich auf derselben axialen Höhe wie der schräg verlaufende Abschnitt 24a des Lagerspalts 24. Der radial verlaufende Abschnitt 30b des Rezirkulationskanals 30 befindet sich auf derselben radial verlaufenden Ebene wie der erste radial verlaufende Abschnitt 24b des Lagerspalts 24.
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Der Rezirkulationskanal 30 kann beispielsweise als eine Nut in der Oberfläche des Lagerkonus 16 ausgebildet sein, d. h. als axial verlaufende Nut am Innenumfang des Lagerkonus 16, welche in eine radial nach außen verlaufende Nut auf der oberen Stirnseite des Lagerkonus 16 übergeht.
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Da der Lagerkonus 16 an der Welle 20 bzw. am Rotorbauteil 18 anliegt, wird die Nut durch die Oberflächen der Welle 20 bzw. des Rotorbauteils 18 abgedeckt und ein geschlossener Rezirkulationskanal 30 gebildet.
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Alternativ kann der Rezirkulationskanal 30 als axial verlaufende Nut in der Welle 20 ausgebildet sein, welche übergeht in eine radial nach außen verlaufende Nut im Rotorbauteil 18. In diesem Falle wird die offene Nut in der Welle 20 bzw. im Rotorbauteil 18 durch den anliegenden Lagerkonus 16 abgedeckt.
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Es können auch sowohl im Lagerkonus 16 als auch in der Welle 20 und/oder im Rotorbauteil 18 entsprechende Nuten vorgesehen sein, welche die axialen und radialen Abschnitte 30a, 30b des Rezirkulationskanals 30 bilden.
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Entlang des schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitts 24a des Lagerspalts 24 ist ein fluiddynamisches konisches Lager 28 gebildet, welches Lagerrillenstrukturen umfasst, die auf der Oberfläche des Lagerkonus 16 und/oder auf der Oberfläche der Lagerbuchse 14 angeordnet sind.
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Die Lagerrillenstrukturen sind derart ausgebildet, dass sie bei Drehung des Lagerkonus 16 in der Lagerbuchse 14 eine Pumpwirkung auf das im Abschnitt 24a des Lagerspalts 24 befindliche Lagerfluid erzeugen, so dass sich ein hydrodynamischer Druck im schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitt 24a des Lagerspalts 24 einstellt, der eine radiale wie auch axiale Lagerkraft erzeugt und das konische fluiddynamische Lager tragfähig macht. Die axiale Lagerkraft drückt den Lagerkonus 16 nach unten in Richtung der Abdeckung 22.
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Vorzugsweise erzeugen die Lagerrillenstrukturen des konischen fluiddynamischen Lagers 28 eine leicht nach unten gerichtete Pumpwirkung auf das im schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitt 24a des Lagerspalts 24 enthaltene Lagerfluid, so dass das Lagerfluid im Abschnitt 24a des Lagerspalts nach unten in Richtung des zweiten radialen Abschnitts 24c des Lagerspalts gefördert wird.
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Dort gelangt das Lagerfluid über den Rezirkulationskanal 30 in Strömungsrichtung nach oben und radial nach außen wieder an das obere Ende des schräg zur Rotationsachse 42 verlaufenden Abschnitts 24a des Lagerspalts im Übergangsbereich zum ersten radialen Abschnitt 24b des Lagerspalts 24.
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Entlang des ersten radialen Abschnitts 24b und/oder entlang des zweiten radialen Abschnitts 24c des Lagerspalts 24 können jeweils fluiddynamische Axiallager 34, 36 angeordnet werden.
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Ein erstes fluiddynamisches Axiallager 34 kann zwischen der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 14 und der unteren Fläche des Rotorbauteils 18 angeordnet werden. Durch entsprechende Lagerrillenstrukturen auf der Oberfläche der Lagerbuchse 14 bzw. der unteren Seite des Rotorbauteils 18 wird bei Drehung des Lagersystems im ersten radial verlaufenden Abschnitt 24b des Lagerspalts 24 ein hydrodynamischer Druck erzeugt, der eine axial gerichtete Lagerkraft erzeugt und das Rotorbauteil 18 von der Stirnseite der Lagerbuchse 14 nach oben abhebt.
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Diese axiale Kraft des fluiddynamischen Axiallagers 34 wirkt entgegengesetzt zur axialen Kraft, welche vom konischen fluiddynamischen Lager 28 erzeugt wird, so dass sich im Lager ein Kräftegleichgewicht einstellt.
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Zusätzlich kann auch entlang des radial verlaufenden Abschnitts 24c des Lagerspalts zwischen der unteren Stirnseite des Lagerkonus 16 und der oberen Stirnfläche der Abdeckung 22 ein zweites fluiddynamisches Axiallager 36 angeordnet sein. Das zweite fluiddynamische Axiallager 36 erzeugt eine axiale Kraft, die nach oben gerichtet ist und den Lagerkonus 16 von der Abdeckung abhebt. Die axiale Kraft des zweiten Axiallagers 36 wirkt ebenfalls entgegengesetzt zur axialen Kraft, die vom konischen fluiddynamischen Lager 28 erzeugt wird.
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Das erste fluiddynamische Axiallager 34 kann vorzugsweise eine in Richtung radial nach innen gerichtete Pumpwirkung auf das im ersten radial verlaufenden Abschnitt 24a des Lagerspalts befindliche Lagerfluid erzeugen, so dass das Lagerfluid bzw. der Fluss des Lagerfluids unterstützt wird.
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Das fluiddynamische Axiallager 36 kann entweder eine neutrale, gleichmäßige Pumpwirkung oder eine radial nach innen gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid im Abschnitt 24c des Lagerspalts 24 erzeugen, um die Zirkulation durch den Rezirkulationskanal 30 zu unterstützen.
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Jedes fluiddynamische Axiallager 34 und/oder 36 kann wahlweise lediglich in Form von dynamischen Pumpstrukturen ausgebildet sein, die nur eine geringfügige axiale Kraft erzeugen, aber eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben, um die Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 24 zu unterstützen.
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Das Rotorbauteil 18 wird über ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend gegenüber den feststehenden Motorbauteilen angetrieben. Der Spindelmotor ist vorzugsweise ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, dessen Antriebssystem eine ringförmige Statoranordnung 38 mit mehreren Phasenwicklungen umfasst, die an dem Haltebauteil 12 befestigt ist. Die Statoranordnung 38 ist innerhalb einer Aussparung des Rotorbauteils 18 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 40 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 40 ist an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 18 angeordnet und durch einen schmalen Luftspalt von der Statoranordnung 38 getrennt. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 38 wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 40 wirkt und das Rotorbauteil 18 in Drehung versetzt. Das Rotorbauteil 18 besteht vorzugsweise aus Stahl oder Aluminium. Sofern das Rotorbauteil 18 aus Aluminium gefertigt ist, kann an der äußeren Umfangsfläche des Rotormagneten 40 ein magnetischer Rückschlussring (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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2 zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagers, bei dem die Abdeckung 22 (1) durch eine deutlich dünnere Abdeckung 23 ersetzt wurde.
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Dadurch kann axiale Bauhöhe für das konische fluiddynamische Lager gewonnen werden, d. h. die Welle 20 und der Lagerkonus 16 sowie die Lagerbuchse 14 können in ihrer axialen Bauhöhe verlängert werden, so dass sich die Lagerlänge insgesamt erhöht.
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Der schräg zur Rotationsachse 42 verlaufende Abschnitt 24a des Lagerspalts 24 kann demnach deutlich länger ausgebildet werden als vergleichsweise in 1, so dass auch das dort vorhandene konische fluiddynamische Lager eine größere Lagerkraft erzeugen kann.
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Durch die größere Lagerlänge des konischen fluiddynamischen Lagers kann eine bessere Steifigkeit des Lagers erzielt werden. Die Gesamtbauhöhe des fluiddynamischen Lagersystems ändert sich dabei nicht.
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Auf Grund der dünnen Abdeckung 23 ist ein zusätzliches fluiddynamisches Axiallager vorzugsweise entlang des ersten radial verlaufenden Lagerspalts 24b angeordnet, während entlang des zweiten radial verlaufenden Abschnitts 24c des Lagerspalts vorzugsweise kein fluiddynamisches Axiallager vorhanden ist, sondern lediglich fluiddynamische Pumpstrukturen 37 vorgesehen sein können.
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3 zeigt einen Spindelmotor mit einer abgewandelten Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagersystems, bei dem eine feststehende Welle 120 verwendet wird, die mit einem feststehenden Lagerbauteil in Form eines Wellenflansches 121 verbunden ist, welcher die Welle 120 hält. Der Wellenflansch 121 weist einen äußeren Rand 121a auf, der in eine Öffnung eines Haltebauteils 112 eingepresst bzw. eingeklebt oder mittels Laserschweißen befestigt ist. Das Haltebauteil 112 ist in einer Motorbasis 110 bevorzugt mittels Laserschweißen oder Umbördeln befestigt.
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An der Welle 120 ist ein Lagerkonus 116 befestigt, welcher konische Lagerflächen aufweist, die dessen Außenumfang bilden.
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Der Lagerkonus 116 ist von einer Lagebuchse 114 umgeben, welche eine konische Lagerbohrung mit konischen Lagerflächen aufweist, die den konischen Lagerflächen des Lagerkonus 116 unter Bildung eines schräg zur Rotationsachse 142 verlaufenden Abschnitts 124a des Lagerspalts 124 gegenüberliegen.
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Die Lagerbuchse 114 ist am freien Ende der Welle 120 durch eine Abdeckung 122 verschlossen und mit einem Rotorbauteil 118 verbunden, welches am Außenumfang der Lagerbuchse 114 befestigt ist.
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Entlang eines schräg zur Rotationsachse 142 verlaufenden Abschnitts 124a des Lagerspalts 124 ist ein konisches fluiddynamisches Lager 128 angeordnet. Das konische fluiddynamische Lager 128 weist Lagerrillenstrukturen auf, die auf der Oberfläche des Lagerkonus 116 und/oder auf der Oberfläche der Lagerbuchse 114 angeordnet sind.
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Die Lagerrillenstrukturen sind derart ausgebildet, dass sie bei Drehung der Lagerbuchse 114 um den Lagerkonus 116 eine Pumpwirkung auf das im schrägen Abschnitt 124a des Lagerspalts 124 befindliche Lagerfluid erzeugen, so dass sich ein hydrodynamischer Druck im schräg zur Rotationsachse 142 verlaufenden Abschnitt 124a des Lagerspalts 124 einstellt, der eine radiale wie auch axiale Lagerkraft erzeugt und das konische fluiddynamische Lager tragfähig macht. Die axiale Lagerkraft drückt die Lagerbuchse 114 nach unten in Richtung des Wellenflansches 121.
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Entlang eines ersten radial verlaufenden Abschnitts 124b des Lagerspalts 124 kann ein erstes fluiddynamisches Axiallager 134 angeordnet sein. Durch entsprechende Lagerrillenstrukturen auf der Oberfläche der Lagerbuchse 114 und/oder der oberen Stirnfläche des Wellenflansches 121 wird bei Drehung des Lagersystems im ersten radial verlaufenden Abschnitt 124b des Lagerspalts 124 ein hydrodynamischer Druck erzeugt, der eine axial gerichtete Lagerkraft erzeugt und die Lagerbuchse 114 von der Stirnseite des Wellenflansches 121 nach oben abhebt.
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Anstelle eines ersten fluiddynamischen Axiallagers 134 können entlang des ersten radial verlaufenden Abschnitts 124b des Lagerspalts 124 lediglich Pumprillenstrukturen angeordnet sein, die das Lagerfluid im Spaltabschnitt 124b radial nach innen in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts 124a des Lagerspalts 124 fördern.
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Alternativ oder zusätzlich zum ersten fluiddynamischen Radiallager 134 kann entlang des zweiten radial verlaufenden Abschnitts 124c des Lagerspalts 124 vorzugsweise ein zweites fluiddynamisches Axiallager 136 angeordnet sein, dessen Axialkraft entgegengesetzt zur axialen Kraft des konischen fluiddynamischen Lagers 128 wirkt, d. h. die Abdeckung 122 und somit das Rotorbauteiil 18 wird durch das zweite fluiddynamische Axiallager 136 von der oberen Stirnfläche des Lagerkonus 116 abgehoben.
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Es ist ein Rezirkulationskanal 130 vorgesehen, der einen axial verlaufenden Abschnitt 130a aufweist, der zwischen der Welle 120 und dem Lagerkonus 114 verläuft, sowie einen sich darin anschließenden radial nach außen verlaufenden Abschnitt 130b, der zwischen den Oberflächen des Lagerkonus 116 und dem Wellenflansch 121 verläuft.
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Die Abschnitte 130a und 130b des Rezirkulationskanals 130 können als Nuten in den Oberflächen des Lagerkonus 116 und/oder der Welle 120 und/oder des Wellenflansches 121 ausgebildet sein.
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4 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Lagers von 3, bei dem die Abdeckung 123 im Vergleich zur Abdeckung 122 von 3 deutlich dünner ausgebildet ist.
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Dadurch kann die axiale Länge der Lagerbauteile, insbesondere der Welle 120 des Lagerkonus 116 und der Lagerbuchse 114, vergrößert werden, so dass sich ein konisches fluiddynamisches Lager mit größerer Lagerlänge und höherer Lagersteifigkeit ergibt.
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Allerdings kann im Bereich dieser dünnen Abdeckung 123 entlang des zweiten radial verlaufenden Abschnitts 124c des Lagerspalts 124 kein fluiddynamisches Axiallager angeordnet werden, da die Abdeckung 123 die hohen Lagerkräfte nicht aufnehmen könnte.
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Stattdessen sind beispielsweise im Bereich des zweiten radial verlaufenden Abschnitts 124c des Lagerspalts 124 Pumprillenstrukturen 137 auf der Stirnfläche des Lagerkonus 116 und/oder der sich drehenden Abdeckung 123 angeordnet, die das Lagerfluid radial nach innen in Richtung des Rezirkulationskanals 130 pumpen.
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Auf der anderen Lagerseite kann ein fluiddynamisches Axiallager 134 vorgesehen sein, das sich zwischen der unteren Stirnseite der drehbaren Lagerbuchse 124b und der oberen Stirnseite des Wellenflansches 121 befindet.
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5 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Lagerkonus 16, wie er beispielsweise beim Lager gemäß 1 verwendet wird.
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Zur Bildung eines Rezirkulationskanals 30 können auf der inneren Umfangsfläche des Lagerkonus 16 eine oder mehrere Nuten 31a vorgesehen sein sowie ebenfalls auf einer Stirnfläche des Lagerkonus 16 eine oder mehrere Nuten 31b, wobei die Nuten 31a und 31b miteinander verbunden sind.
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6 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausgestaltung eines Lagerkonus 216, bei dem ein oder mehrere Rezirkulationskanäle 230 als Bohrung zwischen den Stirnflächen des Lagerkonus 216 vorgesehen sind.
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Die Rezirkulationskanäle 230 sind als schräge Bohrungen ausgeführt, die in etwa parallel zu den konischen Lagerflächen des Lagerkonus 216 verlaufen.
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Um einen besseren Übergang des oberen Mündungsbereichs der Rezirkulationskanäle 230 zum Lagerspalt zu schaffen, kann im Mündungsbereich ein Absatz 216a am Lagerkonus 216 vorgesehen sein.
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7 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines Lagerkonus 316, der ebenfalls einen oder mehrere Rezirkulationskanäle in Form von Bohrungen 330 aufweist.
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Die Bohrungen 330 erstrecken sich vom Randbereich am Innendurchmesser der breiteren Stirnseite des Lagerkonus 316 bis in den Randbereich am Außendurchmesser der schmaleren Stirnseite des Lagerkonus 316.
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Zur besseren Anbindung der oberen Mündung der Rezirkulationskanäle 330 an den Lagerspalt kann eine Stufe oder ein Absatz 316a im Bereich der oberen Mündung der Rezirkulationsbohrung 330 vorgesehen sein.
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In der Regel reicht ein einzelner Rezirkulationskanal 30, 130, 230, 330 in Form der Nuten 31a, 31b oder der Bohrungen 230 bzw. 330 im Lagerkonus 16, 116, 216, 316 aus.
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Es können aber vorzugsweise zwei oder mehr Rezirkulationskanäle vorgesehen sein, die vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Lagerkonus verteilt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- Motorbasis
- 12, 112
- Haltebauteil
- 14, 114
- Lagerbuchse
- 16,116
- Lagerkonus
- 18, 118
- Rotorbauteil
- 18a, 118a
- Rand
- 20, 120
- Welle
- 121, 121a
- Wellenflansch / Rand
- 22, 122
- Abdeckung
- 23, 123
- Abdeckung
- 24, 124
- Lagerspalt
- 24a, 124a
- schräg verlaufender Abschnitt
- 24b, 124b
- erster radialer Abschnitt
- 24c, 124c
- zweiter radialer Abschnitt
- 26, 126
- Dichtungsspalt
- 28, 128
- konisches fluiddynamisches Lager
- 30, 130
- Rezirkulationskanal
- 30a, 130a
- axialer Abschnitt
- 30b, 130b
- radialer Abschnitt
- 31a, 31b
- Nut
- 32, 132
- Luftspalt
- 34, 134
- fluiddynamisches Axiallager / Pumprillenstruktur
- 36, 136
- fluiddynamisches Axiallager / Pumprillenstruktur
- 37, 137
- Pumprillenstrukturen
- 38, 138
- Statoranordnung
- 40, 140
- Permanentmagnet
- 42, 142
- Rotationsachse
- 216, 316
- Lagerkonus
- 216a, 316a
- Abstufung
- 230, 330
- Rezirkulationskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018124286 A1 [0003]
- DE 102008008439 A1 [0004]
- DE 102016009370 A1 [0004]
