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Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit verbessertem Schwingungsverhalten, insbesondere zum Antrieb eines Lüfters, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil und ein drehbares Motorbauteil, das mittels eines Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist. Als Lagersystem können Wälzlager verwendet werden, wobei für Spindelmotoren kleiner Baugröße vorzugsweise zunehmend fluiddynamische Gleitlager verwendet werden.
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Das feststehende Motorbauteil wird auf einer Grundplatte aufgebaut und umfasst in der Regel eine an der Grundplatte befestigte Haltebuchse, an welcher ein elektrischer Stator angeordnet ist, und eine in der Haltebuchse gehaltene Lagerbuchse als Teil des fluiddynamischen Lagersystems. Das drehbare Motorbauteil umfasst eine in der Lagerbuchse drehbar gelagerte Welle, an welcher ein Rotorbauteil befestigt ist, das beispielsweise als ein Lüfterrad eines Lüfters ausgebildet sein kann. Derartige Spindelmotoren sind vorzugsweise als elektronisch kommutierte, 3-phasige Gleichstrommaschinen ausgebildet.
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Aus Gründen der Effizienz werden die Phasenwicklungen von Gleichstrommaschinen mittels Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert. Je nach Leistung des Motortreibers liegt die PWM-Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 200 kHz. Abhängig vom Phasenwiderstand und von der Phaseninduktivität verursacht die Stromschwankung bei der gewählten PWM-Frequenz oft unerwünschte mechanische Schwingungen bei oder in der Nähe der PWM-Frequenz. Bei Lüftern beträgt die PWM-Frequenz beispielsweise 25 kHz.
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Die Verbindung zwischen der Haltebuchse und der Grundplatte des Spindelmotors ist oftmals als Stemmverbindung ausgeführt. Bei einer Stemmverbindung handelt es sich um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen zwei einzelnen Bauteilen durch plastisches Verformen von zumindest einem der Bauteile. Die Verformung erfolgt in der Regel im Randbereich von zumindest einem der Bauteile in einer Weise, dass sich die beiden Bauteile unlösbar ineinander verkeilen.
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Durch die Stemmverbindung zwischen Haltebuchse und Grundplatte und die damit erzielte kraft- und formschlüssige Verbindung werden die durch den elektromagnetischen Kreis verursachten mechanischen Schwingungen ungedämpft von der Haltebuchse nach außen auf die Grundplatte übertragen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor hinsichtlich seines Schwingungsverhaltens und seiner Schwingungsübertragung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Der Spindelmotor gemäß Anspruch 1 umfasst einen Spindelmotor mit einem feststehenden Motorbauteil und einem drehbaren Motorbauteil, das mittels eines fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil drehbar gelagert ist, wobei das feststehende Motorbauteil eine Grundplatte mit einer Öffnung umfasst, in welcher eine Lagerbuchse angeordnet ist, und das drehbare Motorbauteil eine in der Lagerbuchse drehbar gelagerte Welle umfasst, an welcher ein Rotorbauteil befestigt ist, und ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Antrieb des drehbaren Motorbauteils vorhanden ist.
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Vorzugsweise ist eine Haltebuchse innerhalb der Öffnung der Grundplatte angeordnet bzw. befestigt, innerhalb derer wiederum die Lagerbuchse befestigt ist.
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Erfindungsgemäß ist ein axialer Abschnitt der Haltebuchse in die Öffnung der Grundplatte eingefügt, und an der Öffnung der Grundplatte ist ein Abschnitt mit einer horizontalen Auflagefläche angeordnet, auf der die Haltebuchse mit einer zugeordneten Auflageflache aufliegt. Zwischen einer inneren Umfangsfläche der Öffnung der Grundplatte und einer äußeren Umfangsfläche des axialen Abschnitts der Haltebuchse ist ein axial verlaufender Spalt vorgesehen, in welchen ein elastischer Klebstoff oder ein elastisches Band eingebracht ist, wogegen der Spalt zwischen den beiden Auflageflächen der Grundplatte und der Haltebuchse frei von Klebstoff oder dem Band ist.
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Es wurde festgestellt, dass die vom elektromagnetischen Antriebssystem induzierten mechanischen Schwingungen bei oder in der Nähe der PWM-Frequenz insbesondere axial wirkende Vibrationen sind. Durch die bisher verwendete feste Stemmverbindung wurden die axialen Vibrationen ungedämpft von der Haltebuchse auf die Grundplatte übertragen.
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Die Erfindung schlägt vor, einen Klebstoff, z. B. Three Bond 1354, auf die Verbindung zwischen der Grundplatte und der Haltbuchse aufzutragen, so dass der Klebstoff aufgrund von Kapillarkräften in den axial verlaufenden Spalt zwischen der Haltebuchse und der Grundplatte eindringt und dort aushärtet. Als Klebstoff ist insbesondere ein elastisch aushärtender Klebstoff geeignet.
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Die axial wirkenden Vibrationen führen zu einer axialen Scherverformung der Klebstoffschicht im axial verlaufenden Spalt und bewirken eine sehr effiziente intrinsische Materialdämpfung. Wichtig ist, dass der Klebstoff nicht in den radial verlaufenden Spalt zwischen den Auflageflächen der Grundplatte und Haltebuchse gelangt, da dies eine axiale Bewegung zwischen der Haltebuchse und der Grundplatte und damit eine axiale Scherverformung des Klebstoffs im axial verlaufenden Spalt verhindern oder zumindest stark verringern würde.
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Anstelle des Klebstoffs kann ein elastisches Band aus einem viskos dämpfenden Material in den axial verlaufenden Spalt zwischen der Haltebuchse und der Grundplatte eingebracht und mit den beiden Bauteilen verklebt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Grundplatte im Bereich der Öffnung eine Abkröpfung aufweisen, wobei die Auflagefläche der Grundplatte an einem inneren radialen Abschnitt der Abkröpfung angeordnet ist. Durch die Abkröpfung liegt die Auflagefläche der Grundplatte etwas oberhalb der Hauptebene der Grundplatte.
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Um ein Eindringen von Klebstoff in den radial verlaufenden Spalt zwischen den beiden Auflageflächen der Haltebuchse und der Grundplatte sicher zu verhindern kann es vorgesehen sein, dass im Bereich des radial inneren Randes der Auflagefläche der Haltebuchse ein Freistich oder eine Rille angeordnet ist. Durch diesen Freistich oder die Rille wird der Klebstoff daran gehindert vom axial verlaufenden Spalt zwischen der Haltebuchse und der Grundplatte in den radial verlaufenden Spalt zwischen den beiden Auflageflächen zu gelangen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in der Lagerbuchse vorzugsweise mindestens ein Rezirkulationskanal vorgesehen, der einen Übergangsbereich zwischen einem zweiten und einem dritten radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts direkt mit einem ersten radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts verbindet. Der Rezirkulationskanal ermöglicht eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können in der Welle Rezirkulationsbohrungen und in der Nabe und/oder deren Anbauteilen Rezirkulationskanäle vorgesehen sein, die einen dritten radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts direkt mit einem ersten radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts verbinden.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Lüfter mit einem Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem mit den oben genannten Merkmalen. Der Lüfter ist in einem Gehäuse aufgenommen.
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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. 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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Das Lüfterrad kann mittels Klebstoff an der Nabe des Spindelmotors befestigt sein. Es kann aber auch mittels eines Spritzgussverfahrens an die Nabe des Spindelmotors angespritzt sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Lüfterrad mittels Heißverstemmen oder Ultraschall-Schweißen mit der Nabe des Spindelmotors zu verbinden. Durch entsprechende Wahl der Verbindung zwischen Nabe und Lüfterrad kann das Schwingungsverhalten und die Schwingungsübertragung des Lüfters verbessert werden.
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Das Gehäuse des Lüfters umfasst die Grundplatte des Spindelmotors, die mittels einer Schaubverbindung und/oder Klebeverbindung mit einem Gehäusedeckel verbunden ist. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Grundplatte mittels Heißverstemmen oder Ultraschall-Schweißen mit einem Gehäusedeckel verbunden sein. Durch entsprechende Wahl der Verbindung zwischen Grundplatte und Gehäusedeckel kann das Schwingungsverhalten und die Schwingungsübertragung des Lüfters verbessert werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Lüfters mit einem Spindelmotor gemäß der Erfindung.
- 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt des Verbindungsbereichs zwischen der Grundplatte und der Haltebuchse.
- 3 zeigt schematisch den Lüfter mit Grundplatte und Gehäusedeckel.
- 4A-4D zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von Verbindungen zwischen Nabe und Lüfterrad.
- 5A-5C zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von Verbindungen zwischen Grundplatte und Gehäusedeckel.
- 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Spindelmotors.
- 7A-7C zeigen Ansichten des Einlegeteils der Nabe.
- 8-8C zeigen Ansichten einer weiteren Ausführung des Einlegeteils der Nabe.
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In 1 ist ein Lüfter mit einer bevorzugten Ausgestaltung eines fluiddynamisch gelagerten Spindelmotors dargestellt.
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Der Lüfter weist beispielsweise eine Grundplatte 10 als Teil eines Gehäuses auf, wobei in einer bodenseitigen Öffnung der Grundplatte eine Haltebuchse 12 zur Aufnahme der feststehenden Motor- und Lagerbauteile befestigt ist. Die Haltebuchse 12 kann aus Aluminium oder Stahl gefertigt sein.
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Wie man insbesondere in 2 erkennen kann, weist die Grundplatte 10 im Bereich der Öffnung eine axial nach oben abknickende Abkröpfung 10a auf. Ein radial innerer Abschnitt 10b der Abkröpfung 10a bildet eine obere Auflagefläche 10c, die aufgrund der Abkröpfung 10a oberhalb der Ebene der Oberfläche der Grundplatte 10 liegt.
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Die Haltebuchse 12 weist im Bereich ihrer unteren Stirnseite am Außenumfang eine Stufe auf. Die Stufe bildet einen axialen Abschnitt 12a der Haltebuchse 12 mit verringertem Außendurchmesser und eine sich radial nach außen ersteckende, untere Auflagefläche 12b.
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Der Außendurchmesser des axialen Abschnitts 12a der Haltebuchse 12 ist kleiner als der Innendurchmesser des Randes des Abschnitts 10b der Öffnung der Grundplatte 10.
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Der axiale Abschnitt 12a der Haltebuchse 12 ist in der Öffnung der Grundplatte derart aufgenommen, dass die Auflagefläche 12b der Haltebuchse 12 auf der Auflagefläche 10c des Abschnitts 10b der Grundplatte 10 aufliegt.
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Zwischen dem axialen Abschnitt 12a der Haltebuchse 12 und dem inneren Rand des Abschnitts 10b der Abkröpfung verbleibt ein axial verlaufender Spalt 48. Zwischen den beiden Auflageflächen 10c und 12b der Grundplatte 10 und der Haltebuchse 12 verbleibt ein radial verlaufender Spalt 50.
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Erfindungsgemäß ist die Haltebuchse 12 mittels Klebstoff 52 in der Grundplatte 10 befestigt. Hierzu wird bei der Montage der Klebstoff 52 am Übergangsbereich zwischen dem Abschnitt 12a der Haltebuchse 12 und der Unterseite des Abschnitts 10b der Grundplatte 10 aufgebracht. Aufgrund der Kapillarwirkung migriert der Klebstoff 52 in den axialen Spalt 48 zwischen dem Abschnitt 12a der Haltebuchse 12 und dem inneren Rand des Anschnitts 10b der Grundplatte 10 und wird dort zur Aushärtung gebracht. Vorzugsweise wird ein Klebstoff 52 verwendet, der nicht starr aushärtet, sondern nach dem Aushärten eine gewisse Elastizität behält. Der Klebstoff kann über den Umfang der zu verbindenden Bauteile 10, 12 flächig in den axial verlaufenden Spalt 48 eingebracht werden oder nur abschnittsweise oder punktuell.
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Der Klebstoff 52 wird ausschließlich in den axialen Spalt 48 eingebracht. Der radial verlaufende Spalt 50 zwischen den beiden Auflageflächen 10c und 12b bleibt erfindungsgemäß frei von Klebstoff.
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Um ein unerwünschtes Eindringen von Klebstoff vom axial verlaufenden Spalt 48 in den radial verlaufenden Spalt 50 zu verhindern kann im Übergangsbereich zwischen den beiden Spalten 48, 50 ein Freistich 12c in der Haltbuchse 12 vorhanden sein. Anstelle eines Freistichs 12c kann im radialen innen liegende Bereich der Auflagefläche 10c der Grundplatte oder der Auflagefläche 12b der Haltbuchse 12 eine Rille vorgesehen sein.
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Alternativ zur Verwendung eines Klebstoffs 52 kann zur Verbindung der Haltebuchse 12 mit der Grundplatte 10 ein elastisches Band verwendet werden, das beidseitig Klebeflächen aufweist.
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In der Haltebuchse 12 ist eine zylindrische Lagerbuchse 14 des fluiddynamischen Lagersystems aufgenommen. In einer Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 ist eine zylindrische Welle 16 mittels eines fluiddynamischen Gleitlagers drehbar gelagert, wobei die Welle 16 an einem Ende eine Druckplatte 16a aufweist, die einen deutlich größeren Durchmesser als die Welle 16 aufweist und 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. Die Lagerbuchse 14, die Welle 16 und die Druckplatte 16a sind beispielsweise aus Stahl gefertigt.
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Die Öffnung der Lagerbuchse 14 im Bereich der Druckplatte 16a ist durch eine Abdeckplatte 18 hermetisch dicht verschlossen. Die Abdeckplatte 18 besteht aus Stahl und ist beispielsweise mit der Lagerbuchse 14 verschweißt.
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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. Die Nabe 32 besteht vorzugsweise aus Stahl oder Aluminium, kann aber alternativ aus Kunststoff gefertigt sein.
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Die feststehenden Lagerbauteile, insbesondere die Lagerbuchse 14 und die Abdeckplatte 18, sind durch einen wenige 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 Spaltabschnitt 20a auf, der parallel zur Drehachse 46 verläuft und entlang welchem in einem axialen Abstand zueinander zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24 angeordnet sind.
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An den axial verlaufenden Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 schließt sich ein erster radial verlaufender Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 an, der sich zwischen der oberen 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 kapillaren 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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Der Dichtungsspalt 30 wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines umlaufenden Randes 32a der Nabe 32. Dieser innere Rand 32a der Nabe 32 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 reduziert 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. 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, verbindet den axialen Abschnitt 20a des Lagerspalts 20 mit dem Dichtungsspalt 30.
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Die Welle 16 weist an ihrer äußeren zylindrischen Umfangsfläche erste Lagerflächen auf, welche entsprechenden zylindrischen Lagerflächen der Lagerbuchse 14 gegenüberliegen und das erste 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 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 des ersten fluiddynamischen Radiallagers 22 weisen in Bezug auf die Umfangsrichtung längere obere Rillenäste und kürzere untere Rillenäste auf.
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Die Welle dreht sich in 1 im Uhrzeigersinn, sodass die oberen längeren Rillenäste der Rillenstrukturen eine stärkere Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben als die unteren Äste der Rillenstrukturen. Dadurch erzeugt das erste 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 axialen Abschnitts 20a des Lagerspalts 20.
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Die beiden fluiddynamischen Radiallagern 22, 24 sind durch einen kurzen Spaltabschnitt mit einer gegenüber dem Lagerspaltabschnitt 20a vergrößerten Spaltbreite axial voneinander getrennt.
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Das fluiddynamische Lagersystem weist ferner zwei fluiddynamische Axiallager 26, 28 auf, die entlang des ersten radial verlaufenden Abschnitts 20b des Lagerspalts 20 und entlang eines zweiten radial verlaufenden Abschnitts 20c des Lagerspalts 20 angeordnet sind.
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Das erste fluiddynamische Axiallager 26 ist zwischen Lagerflächen der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 14 und der Unterseite der Nabe 32 angeordnet und weist vorzugsweise fischgrätenförmige oder spiralförmige Lagerrillenstrukturen auf, welche entweder auf der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 14 oder der unteren Stirnseite der gegenüberliegenden Nabe 32 oder auf beiden Lagerflächen angeordnet sind.
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Die Lagerrillenstrukturen des ersten fluiddynamischen Axiallagers 26 erzeugen eine Pumpwirkung auf das im ersten radialen Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 befindliche Lagerfluid, die vorzugsweise radial nach innen in Richtung der Drehachse 46 gerichtet ist.
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Das zweite fluiddynamische Axiallager 28 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 der Druckplatte bzw. der Lagerbuchse 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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Entlang des dritten radial verlaufenden Abschnitts 20d des Lagerspalts 20 ist vorzugsweise kein fluiddynamisches Axiallager angeordnet.
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Es ist ein axial durch die Lagerbuchse 14 hindurch geführter Rezirkulationskanal 54 vorgesehen, welcher eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 20 ermöglicht, indem das vom zweiten Axiallager 28 radial nach außen geförderte Lagerfluid vom Spaltabschnitt 20c durch den Rezirkulationskanal 54 in den Spaltabschnitt 20b und den Bereich des ersten Axiallagers 26 gelangt, wo es wiederum radial nach innen in das Innere des Lagersystems gefördert wird.
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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, die auf die Statorpole des Eisenkerns gewickelt sind. Die elektrische Kontaktierung der Statorwicklungen erfolgt über eine Anschlussplatine 42.
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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 zum Antrieb eines Lüfters vorgesehen, wobei ein Lüfterrad 34 an der Nabe 32 angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Nabe 32 eine radiale Auflagefläche auf, auf der ein innerer Rand des Lüfterrads 34 aufliegt. Das Lüfterrad 34 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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3 zeigt schematisch den Lüfter mit Grundplatte 10 und dem darauf aufgebauten Spindelmotor. Vom Spindelmotor erkennt man nur das Ende der Welle 16, die mit der Welle 16 verbundene Nabe 32 und das mit der Nabe 32 verbundene Lüfterrad 34.
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Die Grundplatte 10 des Lüfters wird durch einen Gehäusedeckel 44 verschlossen.
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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 der Gehäusedeckel 44 des Lüfters mindestens eine obere Öffnung für den Lufteinlass und seitliche Öffnungen für den Luftauslass auf.
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Die 4A bis 4D zeigen bevorzugte Möglichkeiten der Verbindung zwischen der Nabe 32 und dem Lüfterrad 34. Die Nabe 32 kann in allen Ausführungsbeispielen vorzugsweise eine horizontale Auflagefläche 32c aufweisen, auf der das Lüfterrad 34 aufliegt.
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In 4A ist das ringförmige Lüfterrad 34 mittels einer Presspassung und/oder eine Klebeverbindung am Außenumfang der Nabe 32 befestigt.
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In 4B ist eine Nabe 32 dargestellt, die oberhalb der Auflagefläche 32c einen Hinterschnitt 32d aufweist. Das Lüfterrad 34 ist vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt und wird mittels eines Spritzgussprozesses an die Nabe 32 angespritzt, wobei der Kunststoff des Lüfterrads 34 den Hinterschnitt 32d ausfüllt und für eine sichere Verbindung zwischen Nabe 32 und Lüfterrad 34 sorgt.
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4C zeigt eine Nabe 32, die an der äußeren Umfangsfläche einen Freistich 32e aufweist. Das Lüfterrad 34 ist vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt und wird mittels eines Spritzgussprozesses an die Nabe 32 angespritzt, wobei der Kunststoff des Lüfterrads 34 den Freistich ausfüllt und für eine sichere Verbindung zwischen Nabe 32 und Lüfterrad 34 sorgt.
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4D zeigt eine Verbindung zwischen der Nabe 32 und dem Lüfterrad 34 durch Heißverstemmen oder Ultraschall-Schweißen. Die Auflagefläche 32c der Nabe 32 hat eine oder mehrere über den Umfang verteilte Bohrungen 32d, in welche axiale Fortsätze 34a des Lüfterrads 34 hindurchgreifen. Die Enden der axialen Fortsätze 34a werden durch Wärmebehandlung aufgeschmolzen und umgeformt, so dass sich eine formschlüssige Verbindung zwischen Nabe 32 und Lüfterrad 34 ergibt.
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Die 5A bis 5D zeigen bevorzugte Möglichkeiten der Verbindung zwischen der Grundplatte 10 und dem Gehäusedeckel 44.
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5A zeigt einen Gehäusedeckel 44, der eine Gewindebohrung aufweist, in welche eine Schraube 56 eingreift. Die Schraube 56 greift dabei durch eine Bohrung der Grundplatte 10 und verbindet diese mit dem Gehäusedeckel 44.
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In 5B ist eine Klebeverbindung zwischen Grundplatte 10 und Gehäusedeckel 44 dargestellt. Dabei wird eine Nut in der Grundplatte 10 und ein in die Nut eintauchender Wall des Gehäusedeckels 44 zur Stabilisierung genutzt.
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Die 5C zeigt eine Verbindung zwischen Grundplatte 10 und Gehäusedeckel 44 durch Heißverstemmen oder Ultraschall-Schweißen. Der Gehäusedeckel 44 weist mehrere axiale Fortsätze 44a auf, welche zugeordnete Bohrungen in der Grundplatte 10 durchgreifen und an ihren Enden durch Wärmebehandlung aufgeschmolzen und umgeformt werden, so dass sich eine formschlüssige Verbindung zwischen der Grundplatte 10 und dem Gehäusedeckel 44 ergibt.
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5D zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Verbindung von Grundplatte 10 und Gehäusedeckel 44 mittels Heißverstemmen oder Ultraschall-Schweißen.
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6 zeigt eine Ansicht einer anderen bevorzugten Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems des Spindelmotors, jedoch ohne Grundplatte und andere Motorkomponenten.
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Diese Ausgestaltung der Erfindung erlaubt nicht nur eine geringe Bauhöhe des Spindelmotors, sondern außerdem eine Verringerung des Außendurchmessers des Lagersystems, was noch kleinere Spindelmotoren möglich macht. Außerdem ermöglicht diese Bauweise eine bessere Kühlung des Lagersystems und Spindelmotors.
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Die Ausgestaltung von 6 unterscheidet sich von 1 im Wesentlichen durch die Art der Rezirkulation des Lagerfluids. Im Folgenden wird daher vornehmlich die Rezirkulation des Lagerfluids beschrieben. Im Übrigen gilt für die Bauteile und ihre Funktionen die Beschreibung von 1, wobei in 6 für konstruktiv abgewandelte Bauteile den Bezugszeichen eine „1“ vorangestellt wurde.
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Die Lagerbuchse 114 weist im Gegensatz zur Lagerbuchse 14 von 1 keinen Rezirkulationskanal auf.
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Stattdessen erfolgt eine Umwälzung des Lagerfluids vom dritten radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 durch die Welle 116 bis in die Nabe 132 und wieder zurück in den Bereich des ersten radial verlaufenen Abschnitts 20b des Lagerspalts 20.
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Das Lagerfluid im zweiten radial verlaufenden Abschnitt 20c des Lagerspalts 20 wird durch die Wirkung des zweiten fluiddynamischen Axiallagers 28 radial nach außen befördert, fließt um den äußeren Rand der Druckplatte 116a herum in den dritten axial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20.
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In der Welle 116 ist eine zentrale axial verlaufende Rezirkulationsbohrung 116b angeordnet, deren unteres Ende in den dritten radial verlaufenden Abschnitt 20d des Lagerspalts 20 mündet. Die axiale Rezirkulationsbohrung 116b verläuft nach oben bis in den Bereich der Verbindung zwischen Welle 116 und Nabe 132. Dort mündet die axiale Rezirkulationsbohrung in eine radiale Rezirkulationsbohrung 116c, die sich radial vollständig durch die Welle 116 erstreckt. Andere Formen sind möglich. So können zwei sich kreuzende radiale Rezirkulationsbohrungen 116c vorgesehen sein, die eine Verbindung von der axialen Rezirkulationsbohrung 116b zu nachfolgenden Rezirkulationskanälen in der Nabe 132 herstellen. Es können auch drei Rezirkulationsbohrungen 116c vorgesehen sein, die in die axiale Rezirkulationsbohrung 116b münden. Der Durchmesser der radialen Rezirkulationsbohrung(en) 116c ist vorzugsweise gleich oder größer als der Durchmesser der axialen Rezirkulationsbohrung 116b.
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Ein scheibenförmiges Einlegeteil 158 ist in eine Aussparung auf der Oberseite der Nabe 132 eingelegt und bildet zusammen mit der Nabe 132 Rezirkulationskanäle 158b, die von der radialen Rezirkulationsbohrung 116c der Welle 116 radial nach außen zu Rezirkulationskanälen 132g in der Nabe 132 führen, welche wiederum in den radial äußeren Rand des ersten radialen Abschnitts 20b des Lagerspalts 20 münden.
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Verschiedene Ausgestaltungen und Ansichten des Einlegeteils 158 sind in den 7A bis 7C und 8A bis 8C dargestellt.
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Der Durchmesser der Aussparung in der Nabe 132 und des darin angeordneten Einlegeteils 158 ist mindestens so groß wie der Durchmesser der Lagerbuchse 114 auf Höhe des Dichtungsspalts 30. Die Dicke des Einlegeteils 158 ist beispielsweise etwa halb so groß wie die Gesamtdicke der Nabe 132 im Bereich der Aussparung für das Einlegeteil 158.
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Für das Einlegeteil 158 wird ein metallischer Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit bevorzugt, beispielsweise Aluminium. Es wird bevorzugt, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Einlegeteils 158 mindestens so groß ist, wie die Wärmeleitfähigkeit des Nabenmaterials.
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Die Nabe 132 und das Einlegeteil 158 weisen zentrale Bohrungen auf, in welche das Ende der Welle 116 in Form einer Presspassung eingefügt ist.
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Wie man in den 8A und 8C erkennt, kann das Einlegeteil 158 auf seiner freiliegenden oberen Stirnfläche Rillen 158c aufweisen, um die Oberfläche für den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu vergrößern. Dadurch wird der Wärmeabtransport aus dem Lager erhöht und das zirkulierende Lagerfluid gekühlt. Das Einlegeteil 158 dient als Wärmetauscher zwischen dem Lagerfluid und der umgebenden Atmosphäre.
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Am innenliegenden Rand der zentralen Bohrung des Einlegeteils 158 ist eine umlaufende Fase 158a vorgesehen, deren an die Welle 116 angrenzender Durchmesser mindestens so groß ist wie der Durchmesser der radialen Rezirkulationsbohrung 116c in der Welle. Das Lagerfluid aus der radialen Rezirkulationsbohrung 116c der Welle 116 tritt an der Fase 158a des Einlegeteils 158 in die Rezirkulationskanäle 158b zwischen der Nabe 132 und dem Einlegeteil 158 ein.
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An der Unterseite des Einlegeteils 158 sind zwei oder mehr radial erlaufende Rezirkulationskanäle 158b angeordnet welche die an die Bohrung 116c der Welle angrenzende Fase 158a des Einlegeteils 158 mit einer ringförmigen Vertiefung 132f auf dem Grund der Aussparung der Nabe 132 verbinden.
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Im Bereich der Vertiefung 132f in der Nabe 132 sind über den Umfang verteilt zwei oder mehr axiale Bohrungen 132g angeordnet, welche die Vertiefung 132f mit dem ersten radial verlaufenden Abschnitt 20b des Lagerspalts 20 radial außerhalb des ersten fluiddynamischen Axiallagers 26 verbinden.
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Durch die Verlegung des Rezirkulationskanals 54 von der Lagerbuchse 14 (1) in die Welle 116 und die Nabe 132 mit Einlegeteil 158 (6) ist es möglich, den Durchmesser der Lagerbuchse 114 und damit den Durchmesser des Lagersystems und des mittels des Lagersystems drehgelagerten Spindelmotors zu verringern. Derartige Spindelmotoren können bevorzugt zum Antrieb von Miniaturlüftern in tragebaren Geräten eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grundplatte
- 10a
- Abkröpfung
- 10b
- Abschnitt
- 10c
- Auflagefläche
- 12
- Haltebuchse
- 12a
- axialer Abschnitt
- 12b
- Auflagefläche
- 12c
- Freistich
- 14,114
- Lagerbuchse
- 16, 116
- Welle
- 16a, 116a
- Druckplatte
- 116b
- axialer Rezirkulationskanal
- 116c
- radialer Rezirkulationskanal
- 18
- Abdeckplatte
- 20
- Lagerspalt
- 20a
- axialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20b
- erster radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20c
- zweiter radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 20d
- dritter radialer Abschnitt des Lagerspalts
- 22
- erstes fluiddynamisches Radiallager
- 24
- zweites fluiddynamisches Radiallager
- 26
- erstes fluiddynamisches Axiallager
- 28
- zweites fluiddynamisches Axiallager
- 30
- Dichtungsspalt
- 32, 132
- Nabe
- 32a
- innerer Rand der Nabe
- 32b
- äußerer Rand der Nabe
- 32c
- Auflagefläche
- 32d
- Hinterschnitt
- 32e
- Freistich
- 34
- Lüfterrad
- 34a
- Fortsatz
- 36
- Luftspalt
- 38
- Statoranordnung
- 40
- Permanentmagnet
- 42
- Anschlussplatine
- 44
- Gehäusedeckel
- 44a
- Fortsatz
- 46
- Drehachse
- 48
- axialer Spalt
- 50
- radialer Spalt
- 52
- Klebstoff
- 54
- Rezirkulationskanal
- 56
- Schraube
- 132f
- Vertiefung
- 132g
- Bohrung/Rezirkulationskanal
- 158
- Einlegeteil
- 158a
- Fase
- 158b
- Rezirkulationskanal
- 158c
- Rillen
