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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges fluiddynamisches Lagersystem ist insbesondere für die Drehlagerung eines Spindelmotors geeignet, wie er z. B. für den Antrieb von Lüftern, Festplattenlaufwerken oder Laserscannern eingesetzt werden kann.
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Ein fluiddynamisches Lagersystem umfasst im Wesentlichen zwei relativ zueinander bewegliche Lagerbauteile, die durch einen schmalen Lagerspalt voneinander getrennt sind. Der Lagerspalt ist mit einem flüssigen oder gasförmigen Lagerfluid gefüllt. Die Lagerbauteile weisen Lagerflächen auf, wobei zumindest eine Lagerfläche mit einer Rillenstruktur versehen ist, die bei einer Relativbewegung der Lagerbauteile im Lagerspalt einen hydrodynamischen Druck erzeugt, der die Lagerflächen auf Abstand hält und eine reibungsarme Bewegung der Lagerbauteile zueinander ermöglicht.
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Die
DE 10 2020 115 596 A1 offenbart eine bekannte Bauform eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem, wobei der Spindelmotor ein feststehendes Motorbauteil, ein um eine Drehachse drehbares Motorbauteil und ein fluiddynamisches Lagersystem umfasst, das mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager aufweist. Ein Lagerspalt ist zwischen den Lagerflächen des feststehenden und des drehbaren Motorbauteils angeordnet und mit einem Lagerfluid gefüllt. Ferner ist zwischen dem feststehenden und dem drehbaren Motorbauteil ein ringförmiger Dichtungsspalt zur Abdichtung des Lagerspalts vorgesehen, der parallel zur Drehachse verläuft und radial außerhalb und in axialer Richtung überlappend mit einem axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts angeordnet ist.
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Die Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken, Lüftern und Laserscannern macht es notwendig, sehr kleine und flach gebaute fluidgelagerte Spindelmotoren mit einer Bauhöhe von weniger als 5 mm zu entwickeln, die zuverlässig und stromsparend laufen.
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Der im fluiddynamischen Lagersystem vorhandene Dichtungsspalt dient in vielen Fällen nicht nur zur Abdichtung des Lagerspalts, sondern auch als Vorratsreservoir für das Lagerfluid, um die Verluste an Lagerfluid aufgrund von Verdampfung über die Lebensdauer des Lagersystems zu ersetzen. Der Vorrat an Lagerfluid muss ausreichend bemessen sein, darf aber auch nicht zu groß sein, da sich dadurch die Eigenschaften des fluiddynamischen Lagers bezüglich Schockbelastbarkeit und Vibrationseigenschaften verändern können bzw. die Gefahr eines Austretens von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt besteht.
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Vorzugsweise ist der Volumeninhalt des Dichtungsspalts so ausgebildet, dass beim Einfüllen des Lagerfluids in das Lager die gesamte Menge an Lagerfluid aufgenommen werden kann, welches für das Lager benötigt wird. Dadurch kann das Lagerfluid auf einmal in das Lager eingebracht werden, indem die insgesamt benötigte Menge an Lagerfluid in den Dichtungsspalt gegeben wird. Vom Dichtungsspalt wandert das Lagerfluid durch Kapillarwirkung in den Lagerspalt und füllt den gesamten Lagerspalt aus. Im Dichtungsspalt verbleibt nur noch eine Restmenge an Lagerfluid als Vorrat und Ausgleichsvolumen.
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Das Reservoir, sprich der Dichtungsspalt, muss so groß sein, dass beim Einfüllen kein Lagerfluid auf die benachbarten Bauteile des Lagers gelangen und diese verschmutzen kann.
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Ein Problem bei solchen Lagersystemen ist das durch die geringe Bauhöhe des Lagersystems begrenzte Volumen des Dichtungsspalts. Für Lagerhöhen um die 3 mm wird das erreichbare Volumen des Dichtungsspalts zu klein, um die Gesamtmenge des benötigten Lagerfluids auf einmal einzufüllen. Das Lagerfluid muss daher in mehreren Schritten eingefüllt werden, wobei immer nur eine Teilmenge eingefüllt wird. Das erfordert einen erheblichen Mehraufwand, verlängert den Füllvorgang und erhöht die Kosten.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotos anzugeben, das auch bei einer geringen Bauhöhe ein für den Einfüllvorgang ausreichendes Volumen des Dichtungsspalts zulässt.
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Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil sowie ein drehbares Lagerbauteil, das relativ zum feststehenden Lagerbauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Es ist ein Lagerspalt vorhanden, der aneinander angrenzende Oberflächen des feststehenden Lagerbauteils und eines drehbaren Lagerbauteils voneinander trennt und mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Entlang des Lagerspalts sind mindestens ein fluiddynamisches Radiallager und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager angeordnet, die bei Drehung des Lagersystems einen hydrodynamischen Druck im Lagerspalt erzeugen. Zur Abdichtung eines offenen Endes des Lagerspalts ist ein ringförmiger Dichtungsspalt vorgesehen. Der Lagerspalt ist zumindest anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
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Erfindungsgemäß umfasst der Dichtungspalt einen zur Umgebungsatmosphäre offenen und axial verlaufenden Abschnitt und einen radial verlaufenden Abschnitt, der zwischen dem axial verlaufenden Abschnitt des Dichtungsspalts und einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts angeordnet ist, wobei der Dichtungsspalt derart ausgebildet ist, dass sich der Querschnitt des Dichtungsspalts ausgehend von dem an den Lagerspalt angrenzenden radial verlaufenden Abschnitt bis zur seiner Öffnung am Ende des axial verlaufenden Abschnitts in kontinuierlicher Weise monoton oder streng monoton vergrößert.
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Vorzugsweise umfasst der radial verlaufende Abschnitt des Dichtungsspalts mindestens 15 % des Gesamtvolumens des Dichtungsspalts.
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Insbesondere ist der Dichtungsspalt derart ausgebildet, dass sich der Querschnitt des Dichtungsspalts ausgehend von dem an den Lagerspalt angrenzenden radial verlaufenden Abschnitt bis zur seiner Öffnung am Ende des axial verlaufenden Abschnitts in kontinuierlicher Weise monoton oder streng monoton vergrößert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse und das drehbare Lagerbauteil eine in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse aufgenommene Welle und eine mit der Welle verbundene Nabe.
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Anstelle einer drehbaren Welle und einer damit verbundenen Nabe können der Spindelmotor und das Lagersystem mit einer feststehenden Welle aufgebaut sein, die im Motorflansch befestigt ist. Das drehbare Motorbauteil umfasst hierbei eine drehbare Lagerbuchse und eine mit der Lagerbuchse verbundene Nabe. In einer solchen Ausgestaltung des fluiddynamischen Lagers befindet sich der Dichtungsspalt direkt oberhalb des Motorflansches. Der radial verlaufende Abschnitt des Dichtungsspalts ist durch eine Stirnfläche der Lagerbuchse und eine gegenüberliegende Stirnfläche eines mit dem Motorflansch verbundenen, feststehenden Lagerbauteils begrenzt. Der axial verlaufende Abschnitt des Dichtungsspalts ist durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche des feststehenden Lagerbauteils begrenzt.
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In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist der radial verlaufende Abschnitt des Dichtungsspalts durch eine Stirnfläche der Lagerbuchse und eine gegenüberliegende Stirnfläche der Nabe begrenzt. Der sich daran anschließende axial verlaufende Abschnitt des Dichtungsspalts ist durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse und eine innere Umfangsfläche eines umlaufenden Randes der Nabe begrenzt.
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Hierbei sind die Begrenzungsflächen des Dichtungsspalts derart ausgebildet, dass sich der jeweilige Querschnitt des radial verlaufenden Abschnitts des Dichtungsspalts und des axial verlaufenden Abschnitts des Dichtungsspalts konisch aufweitet, wobei der Gesamtquerschnitt des Dichtungsspalts ausgehend von dem an den Lagerspalt angrenzenden radial verlaufenden Abschnitt bis zu seiner Öffnung am Ende des axial verlaufenden Abschnitts sich monoton oder streng monoton vergrößert.
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Eine oder beide Begrenzungsflächen des radialen und/oder des axialen Abschnitts des Dichtungsspalts bilden einen spitzen Winkel mit der Normalen der Drehachse bzw. mit der Drehachse. Die den radial verlaufenden Abschnitt des Dichtungsspalts begrenzenden Begrenzungsflächen schließen zwischen sich vorzugsweise einen Winkel von 2° bis 30°, besonders bevorzugt 2° bis 20°, ein. Die den axial verlaufenden Abschnitt des Dichtungsspalts begrenzenden Begrenzungsflächen schließen zwischen sich einen Winkel von 2° bis 15°, besonders bevorzugt 8° bis 10°, ein.
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Das fluiddynamische Lagersystem weist aufgrund seiner geringen Bauhöhe von höchstens 5 mm bevorzugt lediglich ein fluiddynamisches Radiallager auf, das durch Lagerflächen der Welle und der Lagerbuchse gebildet ist.
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Ein erstes fluiddynamisches Axiallager ist vorzugsweise durch eine stirnseitige Lagerfläche der Lagerbuchse und eine gegenüberliegende stirnseitige Lagerfläche der Nabe gebildet.
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An einem Ende der Welle ist eine Druckplatte angeordnet, deren Durchmesser deutlich größer ist als der Durchmesser der Welle. Die Druckplatte ist in einer Aussparung der Lagerbuchse aufgenommen, wobei ein zweites fluiddynamisches Axiallager durch eine stirnseitige Lagerfläche der Druckplatte und eine gegenüberliegende stirnseitige Lagerfläche der Lagerbuchse gebildet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Axiallager in ihren Lagereigenschaften identisch ausgebildet, sodass die von den beiden Axiallagern erzeugte Lagerkraft gleich groß ist. Somit wird das Lagersystem ohne weitere Maßnahmen axial stabilisiert.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Lüfter mit einem Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem mit den oben genannten Merkmalen. Das erfindungsgemäße Lagersystem kann ferner in einem Spindelmotor zum Antrieb eines Laserscanners oder eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt werden.
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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 einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
- 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt der Lagerbuchse des Lagersystems von 1.
- 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt der Lagerbuchse im Bereich der radial verlaufenden Begrenzungsfläche des Dichtungsspalts.
- 4 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
- 5 zeigt einen vergrößerten Schnitt des fluiddynamischen Lagersystems von 4.
- 6 zeigt einen vergrößerten Schnitt der der Lagersystems im Bereich des Dichtungsspalts.
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In 1 ist eine erste Ausgestaltung eines fluiddynamisch gelagerten Spindelmotors dargestellt.
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Der Spindelmotor weist beispielsweise einen Flansch 10 auf, der zur Befestigung des Motors dient. In einer bodenseitigen Öffnung des Flansches10 ist eine Haltebuchse 12 zur Aufnahme der feststehenden Motor- und Lagerbauteile vorgesehen.
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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 einen deutlich größeren Durchmesser als die Welle 16 aufweist, die in einer zur Lagerbohrung konzentrischen Aussparung der Lagerbuchse 14 ebenfalls drehbar und frei beweglich angeordnet ist. Die Druckplatte 16a ist vorzugsweise einteilig mit der Welle 16 ausgebildet und dreht sich zusammen mit der Welle 16 in den entsprechenden Bohrungen bzw. Ausnehmungen der Lagerbuchse 14.
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Unterhalb der Druckplatte 16a ist die Lagerbuchse 14 durch eine Abdeckkappe 18 hermetisch dicht verschlossen.
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An einem aus der Lagerbuchse 14 herausstehenden Ende der Welle 16 ist eine Nabe 32 befestigt, die in bekannter Weise etwa einen topfförmigen Querschnitt aufweist.
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Die feststehenden Lagerbauteile, insbesondere die Lagerbuchse 14 und die Abdeckkappe 18, sind durch einen einige Mikrometer breiten Lagerspalt 20 von den drehenden Lagerbauteilen, 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 Abschnitt 20a auf, der parallel zur Drehachse 44 verläuft und entlang welchem ein fluiddynamisches Radiallager 22 angeordnet ist.
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An den axial verlaufenden Abschnitt 20a schließt sich ein erster radial verlaufender Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 an, der sich zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und einer Unterseite der Nabe 32 radial nach außen erstreckt. Entlang des ersten radial verlaufenden Abschnitts 20b des Lagerspalts 20 ist ein erstes fluiddynamisches Axiallager 26 angeordnet.
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Die Welle 16 weist an ihrer äußeren zylindrischen Umfangsfläche Lagerflächen auf, welche entsprechende zylindrische Lagerflächen der Lagerbuchse 14 gegenüberliegen und das fluiddynamische Radiallager 22 bilden.
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Eine der beiden Lagerflächen oder beide Lagerflächen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14 sind mit Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Drehung der Welle 16 in der Lagerbuchse 14 einen hydrodynamischen Druck im axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 erzeugen und das Radiallager 22 tragfähig machen.
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Die Lagerrillenstrukturen des fluiddynamischen Radiallagers 22 sind vorzugsweise sinusförmig oder parabelförmig ausgebildet, wobei diese vorzugsweise leicht 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 axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts 20, die überwiegend nach unten in Richtung der Druckplatte 16a gerichtet ist.
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Das erste fluiddynamische Axiallager 26 ist zwischen einer oberen Stirnseite der Lagerbuchse 14 und einer unteren Stirnfläche der Nabe 32 angeordnet und weist auf einer der Lagerflächen oder beiden Lagerflächen der Lagerbuchse 14 bzw. der Nabe 32 vorzugsweise fischgrätenförmige oder spiralrillenförmige Lagerrillen auf, die das im ersten radial verlaufenden Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 befindliche Lagerfluid radial nach innen in Richtung des axial verlaufenden Abschnitts 20a des Lagerspalts 120 fördern.
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Entlang eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts 20c des Lagerspalts 20 ist ein zweites fluiddynamisches Axiallager 28 angeordnet, das durch Lagerflächen einer oberen Stirnfläche der Druckplatte 16a und einer dieser gegenüberliegenden unteren Stirnseite der Lagerbuchse 14 gebildet wird. Das zweite Axiallager 28 wirkt entgegengesetzt zum ersten fluiddynamischen Axiallager 26. Vorzugsweise sind die beiden fluiddynamischen Axiallager 26, 28 gleichartig ausgebildet und erzeugen eine gleich große, aber entgegengesetzt wirkende Lagerkraft in axialer Richtung.
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Das zweite fluiddynamische Axiallager 28 hat vorzugsweise fischgrätenförmige oder spiralförmige Axiallagerrillen, die das Lagerfluid im zweiten radial verlaufenden Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 zwischen der Druckplatte 16a und der Lagerbuchse 14 vorzugsweise radial nach innen fördern und wirkt dem Fluß, der durch das Radiallager 22 erzeugt wird, entgegen. Das Radiallager 22 ist so ausgelegt, dass der Druck bzw. der sich einstellende Fluß des Lagerfluids immer (d. h. unabhängig von beispielsweise spezifiziertem Temperaturbereich, Drehzahl oder Lage) in Richtung der Druckplatte 16a gerichtet ist und somit immer eine größere Pumpwirkung generiert als das zweite fluiddynamische Axiallager 28. Dies kann durch eine entsprechende Auslegung des asymmetrischen Anteils des fluiddynamischen Radiallagers 22 erreicht werden. Somit wird gewährleistet, dass das Lagerfluid ausgehend vom ersten fluiddynamischen Axiallager 26 über das fluiddynamische Radiallager 22 und über das zweite fluiddynamische Axiallager 28 schließlich über einen durch die Lagerbuchse 14 axial hindurchführenden Rezirkulationskanal 24 zurück in den Bereich des oberen, ersten Axiallagers 26 gelangt, von wo es wiederum radial nach innen in das Innere des Lagersystems gefördert wird. Somit kann das Lagerfluid frei im Lagerspalt 20 zirkulieren. Der Rezirkulationskanal 24 verläuft vorzugsweise parallel zur Drehachse 44. Der Rezirkulationskanal kann alternativ auch als eine oder mehrere Bohrungen durch die Druckplatte 16a ausgeführt sein.
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Das Lagerfluid kann um die Druckplatte 16a herum zirkulieren, und es kann sich ein gleichmäßiger Druck um den Lagerspalt und die Druckplatte 16a aufbauen, welcher die Druckplatte 16a in der Aussparung vorzugsweise axial zentriert und das Lagersystem axial stabilisiert.
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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 Statorwicklungen.
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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 äußeren 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 vorzugsweise 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 32c 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 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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Am Ende seines ersten radial verlaufenden Abschnitts 20b ist der Lagerspalt 20 mit einem Dichtungsspalt 30 verbunden. Der Dichtungsspalt 30 hat insgesamt einen konischen Querschnitt und ist anteilig mit Lagerfluid 46 gefüllt und wirkt als Kapillardichtung. Ferner dient der Dichtungsspalt 30 als Fluidreservoir und Ausdehnungsvolumen für das Lagerfluid.
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Der Dichtungsspalt 30 weist einen radial verlaufenden Abschnitt 30a auf, der mit dem ersten radial verlaufenden Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 verbunden ist und sich ausgehend vom diesem Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 radial nach außen erstreckt. Dann knickt der radial verlaufende Abschnitt 30a des Dichtungsspalts 30 um ca. 90° ab und geht über in einen axial verlaufenden Abschnitt 30b, der etwa parallel zur Drehachse 44 angeordnet ist und mit dem axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts in axialer Richtung überlappt.
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Der radiale Abschnitt 30a des Dichtungsspaltes 30, der zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 14 und der Unterseite der Nabe 32 verläuft, bildet demnach einen Verbindungsspalt zwischen dem radialen Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 und dem axialen Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 30.
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Erfindungsgemäß ist dieser radiale Abschnitt 30a des Dichtungsspalts 30 derart ausgestaltet, dass er ein großes Volumen an Lagerfluid 46 aufnehmen kann. Der radial verlaufende Abschnitt 30a des Dichtungsspalts 30 umfasst vorzugsweise mindestens 15 % des Gesamtvolumens des Dichtungsspalts 30.
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Der axiale Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 30 ist im Wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannt, kann aber erfindungsgemäß derart ausgebildet werden, dass er ein möglichst großes Volumen an Lagerfluid 46 aufnehmen kann.
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Wie insbesondere aus den 2 und 3 ersichtlich ist, umfasst die Lagerbuchse 14 im Bereich des radialen Abschnitts des Dichtungsspalts 30a eine abgeschrägte Begrenzungsfläche 14a, welche den radialen Abschnitt 30a des Dichtungsspalts 30 nach unten begrenzt.
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Die abgeschrägte Begrenzungsfläche 14a beginnt, vorzugsweise, radial außerhalb des Rezirkulationskanals 24 und erstreckt sich ferner in einem Winkel von vorzugsweise, 5° bis 20° zur Normalen der Drehachse 44. Um eine möglichst große Länge der abgeschrägten Begrenzungsfläche 14a zu erzielen, verläuft der Rezirkulationskanal 24 parallel zur Drehachse 44.
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Durch die relativ große radiale Erstreckung der abgeschrägten Begrenzungsfläche 14a des radialen Abschnitts 30a des Dichtungsspalts 30 von beispielsweise 0,3 mm und einem Winkel von vorzugsweise 15°, kann ein großes Fluidvolumen im radialen Abschnitt 30a des Dichtungsspaltes 30 erreicht werden.
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Zudem ist vorzugsweise auch die Begrenzungsfläche der Nabe 32 gegenüberliegend der abgeschrägten Fläche 14a in Bezug auf die Normale der Drehachse 44 abgeschrägt und zwar in entgegengesetzter Richtung der Schräge 14a und vorzugsweise in einem Winkel von 2° bis 5°, so dass sich auch hier durch die Abschrägung 14a eine konische Querschnittsvergrößerung des radialen Abschnitts 30a des Dichtungsspalts 30 ergibt.
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Der radiale Abschnitt 30a des Dichtungsspalts 30 knickt am radialen äußeren Ende um etwa 90° ab und geht über in den axial verlaufenden Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 30.
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Der axial verlaufende Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 30 weist ebenfalls zwei Begrenzungsflächen auf, nämlich eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines inneren Randes 32a der Nabe 32. Der Durchmesser der Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 verringert sich in Richtung der Öffnung des Dichtungsspalts 30, so dass die Begrenzungsfläche an der Lagerbuchse 14 in einem Winkel von vorzugsweise 5° bis 10° Grad zur Drehachse 44 verläuft. Die Begrenzungsfläche am inneren Rand 32a der Nabe 32 verläuft entweder parallel zur Drehachse 44 oder neigt sich in einem Winkel von 1 ° bis 2° in Richtung der Drehachse 44 radial nach innen. Somit weitet sich der axiale Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 30 in Richtung seiner Öffnung kontinuierlich auf.
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Insgesamt ergibt sich ein konischer Querschnitt des gesamten Dichtungsspalts 30, der sich ausgehend vom ersten radial verlaufenden Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 bis zu seiner Öffnung kontinuierlich aufweitet.
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Hierbei ist die maximale Spaltbreite an der Öffnung des Dichtungsspalts 30 vorzugsweise 0,16 bis 0,22 mm.
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Der Dichtungsspalt 30 weist vorzugsweise ein derart großes Volumen auf, das es ermöglicht, beim Einfüllvorgang die Gesamtmenge des im Lager benötigten Lagerfluids 46 in den Dichtungsspalt 30 einzufüllen, wobei dann ein Teil des Lagerfluids 46 in den Lagerspalt wandert und die Füllhöhe an Lagerfluid 46 im Dichtungspalt 30, insbesondere im axial verlaufenden Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 30, abnimmt.
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Im Normalfall bleibt der radiale Abschnitt 30a des Dichtungsspalts 30 vollständig mit Lagerfluid 46 gefüllt, und der axiale Abschnitt 30b des Dichtungsspalts ist zumindest anteilig mit Lagerfluid 46 gefüllt, wobei sich der Fluidpegel, je nach Betriebszustand des Spindelmotors, ändert, d. h. im Stillstand, im Drehbetrieb und je nach Umgebungstemperatur und geleisteten Betriebsstunden des Lagersystems.
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Das Volumen des radial verlaufenden Abschnitts 30a des Dichtungsspalts 30 ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass es mindestens 15 % des Gesamtvolumens des Dichtungsspalts 30 umfasst.
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Der innere Rand 32a der Nabe bildet mit seiner äußeren Umfangsfläche und einer gegenüberliegenden inneren Umfangsfläche der Haltebuchse 12 einen abgewinkelten schmalen Luftspalt 36, der sich im Anschluss an den axialen Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 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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Die 4 bis 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spindelmotors mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem, wobei gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen benannt sind. Für diese Bauteile und ihr Zusammenwirken gilt die Beschreibung in Verbindung mit den 1 bis 3.
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4 zeigt einen Schnitt durch den gesamten Spindelmotor, der sich vom Spindelmotor gemäß den 1 bis 3 insbesondere durch die Ausgestaltung des Dichtungsspalts 130 sowie den Verlauf des Rezirkulationskanals 124 unterscheidet.
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Wie sich aus den vergrößerten Darstellungen gemäß den 4 und 6 ergibt, ist der Dichtungsspalt 130 in seinem radial verlaufenden Abschnitt 130a im Vergleich zum Dichtungsspalt 30 in 1 sehr deutlich länger ausgebildet.
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Das radial innen liegende Ende des radial verlaufenden Abschnitts 130a des Dichtungsspalts 130 beginnt unmittelbar am radial äußeren Ende des ersten Axiallagers 26 und erstreckt sich über die Öffnung des Rezirkulationskanals 124 bis zur 90-Grad-Biegung und geht dann in den axial verlaufenden Abschnitt 130b des Dichtungsspalts 130 über.
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In der Praxis ist jedoch nicht die gesamte Länge des Dichtungsspalts 130 nutzbar, denn sobald der Öl-Meniskus, d. h. der ÖI-Luft-Übergang sich im Bereich axial oberhalb des oberen Endes des Rezirkulationskanals 124 befindet, wird der Rezirkulationskanal 124 ungewollt Luft einsaugen, wodurch es zum Ausfall des Lagers kommt.
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Ausgehend von dem radial innenliegenden Ende des Dichtungsspalts 130 sind sowohl die den Abschnitt 130a begrenzenden Begrenzungsflächen der Nabe 132 als auch die gegenüberliegende Fläche der Lagerbuchse 114 abgeschrägt ausgebildet, so dass sich der radiale Abschnitt 130a des Dichtungsspalts 130 radial nach außen aufweitet.
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Die Schrägfläche 114a der Lagerbuchse 114 ist hierbei in einem Winkel von vorzugsweise 5 bis 20 Grad in Bezug auf die Normale der Drehachse 44 abgeschrägt, während die Begrenzungsfläche 132d an der Nabe 132 vorzugsweise in einem Winkel von 2 bis 10 Grad abgeschrägt ist, sodass sich ein großer Querschnitt und damit ein großes Volumen des radial verlaufenden Abschnitts 130b des Dichtungsspalts 130 ergibt.
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Der axial verlaufende Abschnitt 130b des Dichtungsspalts 130 kann in gleicher Weise ausgebildet sein wie der axial verlaufende Abschnitt 30b des Dichtungsspalts 30 in 1. Insbesondere die verwendeten Winkel der Begrenzungsflächen des axial verlaufenden Abschnitts 130b in Bezug auf die Drehachse 44 können ähnlich gewählt sein wie im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben.
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Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ist bei den 4 bis 6 der Rezirkulationskanal 124 schräg zur Drehachse 44 ausgebildet und beginnt radial außerhalb der Druckplatte 16a und erstreckt sich schräg und radial nach außen bis in den Bereich des radial verlaufenden Abschnitts 130a des Dichtungsspalts 130.
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Anstelle einer kontinuierlichen Abschrägung 132d an der Nabe 132 kann am Beginn dieser Abschrägung eine Stufe vorgesehen sein wie es in 6 dargestellt ist, wobei dann diese Abschrägung am Grund der Stufe beginnt, oder es kann lediglich eine Stufe vorgesehen sein, die deutlich tiefer ausgebildet ist, sodass die Dichtfläche 132d der Nabe 132 dann vorzugsweise senkrecht zur Drehachse verlaufen kann, um ein großes Volumen des radial verlaufenden Abschnitts 130a des Dichtungsspalts 130 zu erreichen.
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In 6 erkennt man eine kleine Stufe an der Begrenzungsfläche 132d, welche den Beginn des radial verlaufenden Abschnitts 130a des Dichtungsspalts 130 definiert und diesen Abschnitt des Dichtungsspalts vom radialen Abschnitt des Lagerspalts 20b trennt.
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Die beiden fluiddynamischen Axiallager 26, 28 sind im Wesentlichen identisch aufgebaut, und pumpen das Lagerfluid 46 radial nach innen in Richtung des Radiallagers.
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Beide Axiallager 26, 28 haben ringförmige Lagerflächen mit vorzugsweise demselben Durchmesser und erzeugen daher dieselbe axiale Lagerkraft, nur in entgegengesetzte Richtungen. Die Spaltbreite des jeweiligen Lagerspalts 20b und 20c im Bereich der Axiallager 26, 28 ist ebenfalls etwa gleich groß.
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Die Stufe am radial äußeren Ende des radialen Abschnitts 20b des Lagerspalts 20, die den Übergang zum Dichtungsspalt 130 bildet, befindet sich auf demselben Durchmesser wie das radial äußere Ende der Druckplatte 16a.
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Der Verlauf des Dichtungsspalts in beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung 30, 130 ist derart ausgebildet, dass sich dessen Querschnitt monoton oder streng monoton vergrößert. Es können somit auch Abschnitte mit gleichbleibendem Querschnitt vorgesehen sein. Es gibt jedoch keine Engstelle oder Verengung im Verlauf des Dichtungsspalts 30, 130.
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Insgesamt weist der radiale Abschnitt 30a, 130a des Dichtungsspalts 30, 130 einen Öffnungswinkel von 5° bis 30° auf und der axiale Abschnitt 30b, 130b des Dichtungsspalts 30, 130 einen Öffnungswinkel von 8° bis 15°.
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Liste der Bezugszeichen
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- 10
- Flansch
- 12
- Haltebuchse
- 14, 114
- Lagerbuchse
- 14a, 114a
- Abschrägung
- 16
- Welle
- 16a
- Druckplatte
- 18
- Abdeckkappe
- 20
- Lagerpalt
- 20a
- axialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20b
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20c
- radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 22
- fluiddynamisches Radiallager
- 24, 124
- Rezirkulationskanal
- 26
- fluiddynamisches Axiallager
- 28
- fluiddynamisches Axiallager
- 30, 130
- Dichtungsspalt
- 30a, 130a
- radialer Abschnitt des Dichtungsspalts
- 30b, 130b
- axialer Abschnitt des Dichtungsspalts
- 32, 132
- Nabe
- 32a, 132a
- Rand
- 32b, 132b
- Rand
- 32c, 132c
- Auflagefläche
- 132d
- Abschrägung
- 34
- Lüfterrad
- 36
- Luftspalt
- 38
- Statoranordnung
- 40
- Permanentmagnet
- 42
- Anschlussplatine
- 44
- Drehachse
- 46
- Lagerfluid
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020115596 A1 [0003]
