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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer Wellendichtung zur
Abdichtung einer Motorwelle des Elektromotors..
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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Elektromotoren und insbesondere
Gleichstrommotoren, die als Innenläufermotoren oder Außenläufermotoren
konfiguriert sein können.
Noch spezieller kann es sich bei dem Motor um einen elektronisch kommutierten,
bürstenlosen
Gleichstrommotor oder einen anderen Permanentmagnet-Motor handeln, wobei
die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Solche Motoren umfassen
eine Rotorbaugruppe, die mit einer Welle verbunden ist und einen
oder mehrere Permanentmagnete aufweist, sowie eine Statorbaugruppe,
die einen z.B. aus Blechen aufgebauten Statorkörper und Phasenwicklungen umfaßt. Zwei
Lager sind mit axialem Abstand an der Welle angeordnet, um die Rotorbaugruppe
relativ zu der Statorbaugruppe zu lagern. Der Motor ist in der Regel
in einem Gehäuse
aufgenommen, das einen Gehäuseflansch aufweist,
wobei die Lager in dem Motorgehäuse und/oder
dem Gehäuseflansch
gehalten sind. An einem Abtriebsende ist die Welle aus dem Motorgehäuse herausgeführt, um
sie z.B. mit einem Getriebe oder einer anderen anzutreibenden Einheit
zu verbinden. Hierzu kann die Welle an ihrem Abtriebsende ein Ritzel
aufweisen.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
ist insbesondere für
Anwendungen im Automobilbereich bestimmt, beispielsweise zur Unterstützung der
Lenkung eines Kraftfahrzeuges oder als Getriebeschaltmotor. In solchen
Anwendungen ist der erfindungsgemäße Elektromotor in der Regel
mit einem Getriebe verbunden. Bei dem Einsatz im Automobilbereich besteht
die Gefahr, daß Fluide,
insbesondere Flüssigkeiten,
und andere Verunreinigungen in den Elektromotor eindringen. In Verbindung
mit einem Getriebe muß zusätzlich darauf
geachtet werden, daß kein Getriebeöl von dem
Getriebegehäuse
in das Innere des Elektromotors gelangt.
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Aus
dem US Patent 6 376 949 B1 ist eine Dichtung für einen vertikal ausgerichteten
Elektromotor bekannt, der mit einem Getriebe oder einer anderen,
ein Fluid enthaltenen Vorrichtung verbunden ist. Die Dichtung umfaßt eine
Grundplatte und eine Schleuderplatte, die einander gegenüberliegen,
wobei die Schleuderplatte austretendes Öl von der Welle weg befördert, das
dann durch Drainageöffnungen in
der Grundplatte abgeführt
wird.
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Die
EP 1 239 173 A2 beschreibt
eine andere Anordnung einer Wellendichtung, bei der die Welle über ein
Kugellager gelagert ist. Auf einer Seite des Kugellagers sind eine
Vielzahl von zungenartigen Vorsprüngen radial an einer Außenfläche des
Kugellagers ausgebildet. Benachbart zu den Vorsprüngen wird
eine ringförmige
Platte auf die Welle aufgebracht, die mehrere Durchgangslöcher auf
Ihrem Umfang aufweist, um die Fluidströmung zu beeinflussen und das
Kugellager abzudichten.
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Die
Druckschrift
US 3 421
768 A (nächstkommender
Stand der Technik) offenbart ein Motorgehäuse mit einer Dichtung, die
eine Platte und eine flexible Scheibe umfaßt. Die Platte und die flexible Scheibe
sind mit einem geringen Abstand koaxial zueinander angeordnet, so
daß sich
zwischen diesen ein Gleitfilm bilden kann, wobei die Platte auf
der zur flexiblen Scheibe hin gewandte Seite radial nach außen führende Rillen
aufweist. Die Platte ist mit dem Motorgehäuse verbunden, und die flexible
Scheibe ist auf der dazu drehbaren Motorwelle angebracht. Dreht
sich die flexible Scheibe relativ zur Platte, wird durch die Zentrifugalkraft
der Gleitfilm kontinuierlich nach außen geführt, so daß der radial nach außen tretende
Gleitfilm zur Achsenmitte zurückgeführt werden
muß.
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In
der Patentschrift
DE
446 503 C wird eine Abdichtung für einen Wälzlager vorgeschlagen, die mehrere
Leder- oder Filzmanschetten vorsieht, die an einem Gehäuse befestigt
sind. Diese Manschetten ragen in Ringräume hinein, die durch Scheiben gebildet
werden, welche auf einer Welle angeordnet sind. Die Manschetten
weisen umfänglich
radial zurückgebogene
Enden auf, die auf diesen Scheiben schleifen.
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Die
Druckschrift
DE 93
08 082 U1 betrifft eine Abdichtung für einen Außenläufermotor eines Lüfters. Der
Außenläufermotor
weist einen Stator auf, der innerhalb einer napfförmigen Aufnahme
einer Haube angeordnet ist. Der Motor weist ferner einen Rotor auf,
an dem eine Dichtungshülse
angeordnet ist. Die napfförmige
Aufnahme innerhalb des Stators weist in Richtung des Rotors eine
ringförmige Dichtfläche auf,
die einen Dichtspalt mit einer Dichtungshülse bildet, welche am Rotor
befestigt ist. Der Rotor ist somit über den Dichtspalt mit dem
Stator abgedichtet.
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Die
Druckschrift
DE 100
04 263 A1 offenbart eine dynamische Dichtung zwischen einem
rotierenden und einem feststehenden Bauteil, die einen Dichtspalt
bilden, wobei mindestens eines der Bauteile Vorsprünge hat,
die in den Dichtspalt hineinragen. Die beiden Bauteile können ineinandergreifende Vorsprünge aufweisen,
die konzentrisch sind und sich axial erstrecken.
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Es
sind weitere Elektromotoren mit Wellendichtungen bekannt, die Schleuderringe,
Labyrinthringe mit Fettdepot, Magnetdichtungen und viskose Dichtungen
(Viskoseals) verwenden. Bei den bekannten, heute üblichen
Wellendichtungen für
Elektromotoren, welche Radialwellendichtringe verwenden, besteht
das Problem, daß selbst
dann, wenn Dichtlippen z.B. mit PTFE beschichtet sind, erhebliche
Reibungsverluste entstehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit einer
Wellendichtung zur Abdichtung einer Motorweile eines Elektromotors
anzugeben, die geringe Reibungsverluste erzeugt. Der Elektromotor
soll einfach und günstig
herzustellen und zu montieren sein.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
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Die
Erfindung sieht einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse, einer
Motorwelle und eine Wellendichtung zur Abdichtung der Motorwelle
vor, die eine erste und eine zweite Dichtscheibe umfaßt. Die
beiden Scheiben sind im wesentlichen parallel zueinander, mit definiertem
Abstand koaxial an einem Abtriebsende der Motorwelle angeordnet.
An diesem Abtriebsende ist die Weile aus dem Motorgehäuse herausgeführt. Die
erste Dichtscheibe ist drehfest mit der Motorwelle verbunden, und
die zweite Dichtscheibe ist feststehend an der Stirnseite des Motorgehäuses angebracht.
Die Motorwelle weist an ihrem Abtriebsende wenigstens eine Längsnut an
ihrem Außenumfang
auf. Die Längsnuten
erstrecken sich auf dem Außenumfang
der Motorwelle in den Zwischenraum zwischen, der ersten und zweiten Dichtscheibe.
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Die
durch die beiden Dichtscheiben gebildete Wellendichtung ist relativ
zur Motorwelle so positioniert, daß sich die Längsnuten
auf dem Außenumfang
der Motorwelle in den Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben
erstrecken. Dadurch kann gezielt Getriebeöl oder eine andere Flüssigkeit
oder Fluid über
die Längsnuten
in den Zwischenraum zwisehen die beiden Dichtscheiben geführt werden,
wo sich das Fluid nach außen
ausbreitet und dadurch den Zwischenraum abdichtet.
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Diese
Längsnuten
können
z.B. durch die Zahnlücken
eines Ritzels am Abtriebsende der Motorwelle das zur Verbindung
mit einem Getriebe bestimmt ist, gebildet sein.
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Angrenzend
an den Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben ist vorzugsweise
zwischen dem Motorgehäuse
und der zweiten Dichtscheibe ein Ringspalt gebildet, der ein Auffangvolumrn
für das sich
ausbreitende Fluid bildet.
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Vorzugsweise
sind Durchbrüche
am Außenumfang
der zweiten Dichtscheibe so angeordnet, daß sie mit dem Ringspalt zusammenwirken,
um nach außen
gefördertes
Fluid über
den Ringspalt und die Durchbrüche
in axialer Richtung aus dem Motorgehäuse abzuführen.
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Der
Ringspalt ist beispielsweise keilförmig, um das nach außen geförderte Fluid
zuverlässig
aufzufangen.
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Vorzugsweise
ist die Motorwelle über
ein Wälzlager
gelagert, und die Wellendichttung ist zwischen dem Wälzlager
und dem nach außen
geführten
Abtriebsende der Motorwelle angeordnet.
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Wenigstens
der der einander zugewandten Oberflächen der beiden Dichtscheiben
kann eine Rillenstruktur aufweisen. Vorzugsweise ist die Rillenstruktur
in der Oberfläche
der ersten, mit der Motorwelle rotierenden Dichtscheibe ausgebildet.
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Durch
die Erfindung wird ein Elektromotor mit einer berührungslose
Labyrinthdichtung geschaffen, die Flüssigkeit und insbesondere Öl, an dem Umfang
der Welle aufnimmt und entlang der Rillenstruktur allmählich nach
außen
fördert,
wobei auf die Flüssigkeit
sowohl die Fliehkraft bei Rotation der Welle als auch Adhäsionskräfte wirken,
die eine gesteuerte Ausbreitung der Flüssigkeit erlauben. Zwischen
den beiden Dichtscheiben bildet sich ein Flüssigkeitsfilm, der die Dichtwirkung
der Wellendichtung unterstützt.
Die Wellendichtung des erfindungsgemäßen Motors funktioniert auch
in Verbindung mit anderen Fluiden, wie Gas oder Luft.
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Die
erste Dichtscheibe ist auf die Welle aufgepreßt, und die zweite Dichtscheibe
ist an dem Stirnende des Motorgehäuses eingepreßt und/oder
verstemmt oder schwimmend auf einer Gehäuseschulter positioniert. Dadurch
entsteht eine berührungslose
Wellendichtung, wobei keinerlei Einpreßkräfte auf das Lager der Motorwelle
wirken. Die erfindungsgemäße Wellendichtung
ist preiswert herstellbar und leicht zu montieren. Sie arbeitet
praktisch reibungslos.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Rillenstruktur durch mehrere ineinander verschachtelte
Polygone oder polygonähnliche Strukturen
gebildet, welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Rillenstruktur
kann z.B. durch mehrere ineinander verschachtelte Sechsecke gebildet
werden. In einer alternativen Ausführungsform ist die Rillenstruktur
durch mehrere polgonartige Wellenlinien oder auch durch eine spiralförmige Struktur gebildet.
Solche Rillenstrukturen sind grundsätzlich aus hydrodynamischen
Axial-Drucklagern bekannt, wie z.B. in dem Patent US 6 493 181 B1
beschrieben. In solchen hydrodynamischen Lagern dienen die Rillenstrukturen
jedoch nicht zur Abdichtung des Lagers sondern zur Erzeugung eines
hydrodynamischen Lagerdrucks.
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Die
zweite, mit dem Motorgehäuse
verbundene Dichtscheibe kann in ihrem Außenumfang Durchbrüche oder
Bohrungen aufweisen, um das durch die Rillenstruktur in radialer
Richtung nach außen
geförderte
Fluid in axialer Richtung nach außen aus dem Motorgehäuse abzuführen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Dichtscheibe, insbesondere die zweite, mit dem
Motorgehäuse
verbundene Dichtscheibe in axialer Richtung flexibel, um axiale Schwingungen
und/oder Wärmedehnungen
des Rotorsystems im Inneren des Motorgehäuses aufzunehmen und auszugleichen.
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Um
die erwünschte
Förderung
des Fluids zwischen den beiden Dichtscheiben zu erzielen, muß der axiale
Abstand zwischen den beiden Dichtscheiben definiert und im Verhältnis zur Scheibendicke klein
sein. Ein bevorzugter Wert für
den axialen Abstand liegt in der Größenordnung von ≤ 0,1 mm. Diese
Größe wird
jedoch von der genauen Ausführung der
Wellendichtung sowie von den Dimensionen des Motors und der Welle
abhängig
sein.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
ist, wie erwähnt,
vorzugsweise über
ein Ritzel am Abtriebsende der Motorwelle mit einem Getriebe verbunden, wobei
die Wellendichtung den Elektromotor zuverlässig gegenüber dem Getriebe abdichtet.
Aus dem Getriebe austretendes Spritz- oder Sprühöl wird über die Längsnuten des Wellenritzels
in den Zwischenraum zwischen die beiden Dichtscheiben gefördert, breitet sich
zwischen den Dichtscheiben in radialer Richtung nach außen aus
und wird über
den genannten Ringspalt und die Durchbrüche am Außenumfang der stationären Dichtscheibe
nach außen
abgeführt.
Das geförderte Öl oder Fluid übernimmt
sowohl die Funktion der Abdichtung als auch der Schmierung der beiden
Dichtscheiben. Zur Anfangsschmierung kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, zwischen dem Außendurchmesser
der ersten, rotierenden Dichtscheibe und dem Motorgehäuse ein
Fettreservoir vorzusehen.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Elektromotors
gemäß der Erfindung;
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2 eine
teilweise geschnittene Explosion-Darstellung des Elektromotors der 1;
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3 eine
perspektivische Darstellung der ersten Dichtscheibe mit einer Rillenstruktur
gemäß einer
ersten Ausführung;
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4 eine
perspektivische Darstellung der ersten Dichtscheibe mit einer Rillenstruktur
gemäß einer
zweiten Ausführung.
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Die
Erfindung ist zunächst
grundsätzlich
mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
Der in 1 gezeigte Elektromotor weist ein Motorgehäuse 10 mit
einem angeformten Motorflansch zur Befestigung des Elektromotors
beispielsweise in einem Kraftfahrzeug auf. Das Gehäuse hat
eine grundsätzlich
zylindrische Form und ist drehfest mit einem Stator 14 verbunden,
der einen z.B. aus Blechen aufgebauten Statorkörper 14 und Phasenwicklungen 16 umfaßt, die
schematisch angedeutet sind. Ein Rotor 18 ist drehfest
mit einer Welle 20 verbunden und dreht relativ zu dem Motorgehäuse 10 und
dem Stator 14. Der Rotor umfaßt in der Regel Permanentmagnete
und einen Eisenrückschluß. Der Rotor 18 und die
Motorwelle 20 sind über
zwei Kugellager in dem Motorgehäuse 10 gelagert.
In den Figuren ist nur eines der Kugellager 22 gezeigt,
welches in dem Motorgehäuse 10 integriert
ist. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Elektromotoren mit
Kugellager, sondern kann auch in Verbindung mit anderen Wälzlagern
sowie in Verbindung mit anderen Lagertypen, wie Fluidlagern, oder
sogenannten Thrustlagern, angewendet werden.
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In
den 1 und 2 ist ferner ein Rotortopf 26 dargestellt,
welcher jedoch für
die Erfindung nicht entscheidend ist. Das Kugellager 22 ist über eine
Kugellagerlagerbuchse 28 in dem Motorgehäuse 10 im
Preßsitz
gehalten. An die Kugellagerbuchse 28 grenzt eine Scheibe 29 an,
die als eine Stützscheibe
für einen
Federring (nicht gezeigt) dient, der den Außenring des Kugellagers 22 verspannt
und dadurch die axiale Lagerluft aus dem Kugellager drückt.
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Die
Motorwelle weist an ihrem Abtriebsende 30 Längsnuten 32 auf,
welche durch die Zahnlücken eines
Ritzels zur Verbindung mit einem Getriebe gebildet sind. Auf das
Abtriebsende 30 der Motorwelle 20 ist eine erste
Dichtscheibe 34, die im folgenden auch als rotierende Dichtscheibe
bezeichnet ist, aufgebracht. Die rotierende Dichtscheibe 34 kann
auf die Motorwelle 20 aufgepreßt werden und kommt gegen eine
Schulter 36 zu liegen. Eine zweite Dichtscheibe 38,
die im folgenden auch als stationäre Dichtscheibe bezeichnet
wird, wird in das Motorgehäuse 10 eingepaßt und kommt
im wesentlichen parallel, mit definiertem Abstand, koaxial zu der
ersten Dichtscheibe 34 zu liegen. Durch die Schulter 36 in der
Motorwelle 20 und eine Gehäuseschulter 40 in dem
Motorgehäuse 12 wird
sichergestellt, daß die
rotierende Dichtscheibe 34 und die stationäre Dichtscheibe 38 einen
vorgegebenen Abstand zu einander einhalten, der beispielsweise in
der Größenordnung
von 0,1 mm oder kleiner liegen kann. Der Abstand wird durch geringfügige Verformung
der Schulter (Fase) 36 beim Aufpressen auf Maß relativ
zur Gehäuseschulter 40 mit
einem Stufendorn oder einer geregelten messenden Presse eingestellt.
Die stationäre
Dichtscheibe 38 wird in das Motorgehäuse 10 eingepreßt und/oder
in diesem verstemmt oder schwimmend auf der keilförmig angefasten
Gehäuseschulter 40 positioniert.
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Die
rotierende Dichtscheibe 34 weist auf ihrer der feststehenden
Dichtscheibe 38 zugewandten Oberfläche eine Rillenstruktur 42 auf,
die dazu dient, in den Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 eintretendes
Fluid, insbesondere Öl, radial
nach außen
zu führen
und einen Ölfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 zu bilden.
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Ist
der erfindungsgemäße Elektromotor
im Betrieb über
das Ritzel 32 mit einem Getriebe verbunden, kann Spritz-
und/oder Sprühöl von dem
Getriebe über
die Längsnuten 32 des
Ritzels entlang der Welle kriechen. Die Längsnuten 32 sind so
angeordnet, daß sie
in dem Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 münden, so
daß das
Getriebeöl,
oder gegebenenfalls ein anderes Fluid, vom Außenumfang der Motorwelle 20 radial
zwischen die beiden Dichtscheiben 34, 38 in die
am weitesten innen liegende Rille der Rillenstruktur 42 gelangt.
Von dort wird es bei Drehung der Motorwelle 20 durch Fliehkräfte drehrichtungsabhängig nach
rechts oder links in der Rillenstruktur nach außen verdrängt. Abhängig vom Abstand der beiden
Dichtscheiben 34, 38 entsteht ein Überdruck,
sobald sich eine überschüssige Menge
des Öles
oder anderen Fluids aufbaut. Dadurch entsteht ein teilweise stehender,
teilweise rotierender Ölfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38, der
die Funktion der Abdichtung gewährleistet,
ohne daß dadurch
nennenswerte mechanische Reibung entsteht. Der Ölfilm hat auch die Funktion,
die erfindungsgemäße Wellendichtung
zu schmieren.
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Wenn
das Öl
oder andere Fluid am Umfang der rotierenden Dichtscheibe 34 ankommt,
wird das überschüssige Öl nach außen abgespritzt,
wo es von einem keilförmigen
Ringspalt 44, der zwischen der stationären Dichtscheibe 38 und
der Gehäusespalte 40 ausgebildet
ist, aufgefangen wird.
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Am
Umfang der stationären
Dichtscheibe 38 sind Durchbrüche 46 ausgebildet,
die bei der gezeigten Ausführungsform
durch halblochförmige
Kerben gebildet werden. Über
diese Durchbrüche 46 gelangt das Öl oder andere
Fluid aus dem Ringspalt 44 wieder nach außen. Ist
der Elektromotor mit einem Getriebe verbunden, so kann auf diese
Weise das Getriebeöl
zurück
ins Getriebegehäuse
geführt
werden.
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Die
stationäre
Dichtscheibe 38 kann in axialer Richtung flexibel sein,
so daß sie
zusammen mit dem Ölfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben Bewegungen des Rotorsystems 18 aufnehmen
und ausgleichen kann, sie dient auch dem Ausgleich von Wärmedehnungen
und Schwingungen.
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Für die Abdichtung
der Motorwelle 20 ist der Ölfilm oder andere Fluidfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 ein wichtiges
Element. Um beim Anlaufen des Motors eine Anfangsschmierung gewährleisten
zu können,
sind bei der gezeigten Ausführungsform
zwischen dem Außendurchmesser
der rotierenden Dichtscheibe 34 und dem Motorgehäuse 10 sowie
zwischen der rotierenden Dichtscheibe 34 und der Scheibe 29 Reservoire 48 vorgesehen,
die z.B. als Fettdepot verwendet werden können, um eine Anfangsschmierung
der erfindungsgemäßen Wellendichtung
zu gewährleisten.
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Beispiele
für verschiedene
rotierende Dichtscheiben 34 mit unterschiedlichen Rillenstrukturen sind
in 3 und 4 gezeigt, wobei der Fachmann
verstehen wird, daß die
Erfindung nicht auf die gezeigten Rillenstrukturen beschränkt ist.
So können diese
Strukturen auch gänzlich
anders gestaltet sein, z.B. in der Form von Spiralen bei unidirektionaler Drehrichtung.
Ferner können
die Rillenstrukturen zusätzlich
oder alternativ auch auf der Oberfläche der stationären Dichtscheibe 38 ausgebildet
sein, welche der rotierenden Dichtscheibe 34 zugewandt
ist.
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Mit
der Erfindung wird ein Elektromotor mit einer Wellendichtung für die Motorwelle
des Elektromotors angegeben, die extrem reibungsarm und aufgrund
der Pumpenwirkung der Rillenstruktur zuverlässig arbeitet. Die Wellendichtung
und der erfindungsgemäße Elektromotor
ist dabei kostengünstig herstellbar
und einfach zu montieren.