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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mehrteilige Lagerbaugruppe,
die ein hydrodynamisches Radiallager und ein magnetisches Axiallager
aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Spindelmotor,
welcher die mehrteilige Lagerbaugruppe oder den mehrteiligen Lagermechanismus
aufweist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
mehrteilige Lagerbaugruppe oder ein mehrteiliger Lagermechanismus,
bei denen ein hydrodynamisches Lager für die radiale Halterung und
ein magnetisches Lager für
die axiale Lagerung vorgesehen sind, wurden in weitem Ausmaß als ein
Bauteil eines Spindelmotors zum Einsatz bei einer magnetischen Speichervorrichtung
wie beispielsweise einem Festplattenlaufwerk und einem Laserscanner
eingesetzt, um eine Drehung des Motors mit hoher Geschwindigkeit
und hoher Genauigkeit zu erreichen.
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Bei
dieser herkömmlichen,
mehrteiligen Lagerbaugruppe wurde insbesondere Reibungsverschleiß an dem
hydrodynamischen Radiallager als ein Problem angesehen, das gelöst werden sollte.
Im Einzelnen ist unmittelbar bei Beginn der Drehung des Motors,
wenn die Drehzahl des Motors noch nicht ausreichen stark erhöht wurde,
der im dem Radiallager erzeugte hydrodynamische Druck noch gering.
Dies führt
in nachteiliger Weise zu einer kontinuierlichen und/oder diskontinuierlichen
Reibungsberührung
zwischen einem Halterungsteil und einem drehbar gehalterten, sich
drehenden Teil, beispielsweise einer festen Muffe und einer in die
Muffe eingeführten
Welle. Wenn dann die Drehzahl des Motors auf ein gewisses Ausmaß erhöht wurde,
und hierdurch eine Drehachse des sich drehenden Teils stabilisiert
wurde, endet die Reibungsberührung
zwischen dem Materialsteil und dem sich drehenden Teil.
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Wie
auf diesem Gebiet bekannt ist, führt
die Reibungsberührung
zu einem Reibungsverschleiß,
der die Lebensdauer des Spindelmotors verringert. Der Reibungsverschleiß hängt von
der Übergangsdrehzahl
ab, bei welcher die Reibungsberührung
zwischen der Welle und der Muffe endet. Der Reibungsverschleiß nimmt daher
proportional zur Übergangsdrehzahl
zu. Dies wiederum bedeutet, dass zur Erzielung einer äußerst verlässlichen
Lagerbaugruppe und eines eine derartige Lagerbaugruppe aufweisenden
Spindelmotors die Übergangsdrehzahl
minimiert werden muss.
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Hierbei
wirkt bei der mehrteiligen Lagerbaugruppe, bei welcher die Welle
vertikal verläuft,
eine Belastung oder die Schwerkraft eines Drehabschnitts oder Rotors
der Lagerbaugruppe auf das Axiallager ein, und wirkt eine Zentrifugalkraft,
hervorgerufen durch eine Unwuchtkraft des Rotors, auf das Radiallager
ein. Weiterhin wirkt keine statische Kraft in einer bestimmten Richtung
auf das Radiallager ein, was wiederum bedeutet, dass sich ein Abschnitt,
an welchem das Radiallager die Zentrifugalkraft aufnimmt, mit der
Drehung des Rotors bewegt.
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Wenn
sich der Rotor bei relativ niedriger Drehzahl dreht, ist daher die
Zentrifugalkraft infolge der Unwuchtkraft des Rotors größer als
die hydrodynamische Kraft in dem Radiallager, so dass die Muffe
in Berührung
mit der Welle gelangen kann. Der Berührungsabschnitt zwischen der
Welle und der Muffe bewegt sich kontinuierlich um die Welle herum.
Wenn die Berührung
aufrechterhalten bleibt, bis eine relativ hohe Drehzahl des Motors
erreicht ist, führt
eine erhöhte
Berührungskraft
und ein erhöhter
Energieverbrauch zwischen dem Rotor und der Welle, die sich berühren, zu
einem signifikanten Verschleiß oder
eine Beschädigung
sowohl des Rotors als auch der Welle.
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Eine äußerst wirksame
Art und Weise zur Lösung
dieser Probleme besteht darin, die hydrodynamische Kraft bei niedrigeren
Drehzahlen des Rotors zu erhöhen.
Im Allgemeinen ändert
sich die hydrodynamische Kraft entsprechend dem Durchmesser, der
Länge,
und der Exzentrizität
der Lagerteile, und entsprechend dem Spalt zwischen der Muffe und
der Welle, die sich gegenüberliegen.
Speziell nimmt die hydrodynamische Kraft mit der Erhöhung des
Durchmessers und der Länge
und der Verkleinerung des Spalts zu. Die Erhöhung des Durchmessers und der
Länge führt zu einer
Vergrößerung der
Abmessungen des Motors und eines den Motor aufweisenden Systems,
was nicht die momentanen Anforderungen nach Kompaktheit der Vorrichtung erfüllt. Weiterhin
erfordert eine Verkleinerung des Spalts eine signifikante Genauigkeit
zur Herstellung der Welle und der Muffe. Weiterhin kann die Exzentrizität, die durch
die ungewuchtete Masse bestimmt wird, in der Praxis nicht kontrolliert
werden.
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Andererseits
kann eine Erhöhung
des Durchmessers, der Länge,
oder eine Abnahme des Spaltes zu einem erheblichen Anstieg der Drehreibung
oder des Drehwiderstands führen,
was zu einer Erhöhung
des Energieverbrauchs des Motors führt, der ein derartiges Lager
aufweist. Darüber
hinaus nimmt bei dem herkömmlichen
hydrodynamischen Lager, dessen Leistung sich im Gebrauch in Abhängigkeit
von der Temperatur ändert,
die Drehzahlschwelle infolge einer Instabilität wie beispielsweise einer
Wirbelbildung bei halber Frequenz ab.
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Die
EP-A-0794344 beschreibt eine Lagerbaugruppe, bei welcher eine Exzentrizität des Rotors
durch ein geringfügig
unterschiedliches magnetisches Gleichgewicht zwischen einem inneren
und einem äußeren Magnetteil,
die in Radialrichtung beabstandet sind, die für eine Axiallagerhalterung
sorgen, zur Verfügung
gestellt wird.
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Die
JP-A-11082508 beschreibt eine Lagerbaugruppe mit in Axialrichtung
beabstandeten Magnetteilen, die für eine Axiallagerhalterung
sorgen.
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Die
EP-A-0528274 beschreibt eine Lagerbaugruppe mit ersten und zweiten,
in Axialrichtung beabstandeten Paaren innerer und äußerer Magneten,
die für
eine Axiallagerhalterung sorgen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt eine mehrteilige Lagerbaugruppe zur Verfügung, die
ein Basisteil aufweist; ein erstes zylindrisches Teil, in welchem
ein zylindrischer Außenumfang
vorgesehen ist; ein zweites zylindrisches Teil, in welchem ein zylindrischer
Innenumfang vorgesehen ist, wobei der Innenumfang einen größeren Durchmesser
als der Außenumfang
des ersten Teils aufweist, der Außenumfang des ersten Teils
in dem Innenumfang des zweiten Teils angeordnet ist, und entweder
das erste oder das zweite zylindrische Teil an dem Basisteil befestigt
ist, so dass das andere des ersten und zweiten zylindrischen Teils
sich relativ zu dem einen von den ersten und zweiten zylindrischen
Teilen dreht; ein Radiallager, das durch die gegenüberliegenden
inneren und äußeren Umfänge gebildet
wird, zum Haltern des anderen zylindrischen Teils in Radialrichtung
relativ zu dem einen festen zylindrischen Teil durch eine hydrodynamische
Kraft, die durch eine Drehbewegung des anderen drehbaren zylindrischen
Teils relativ zu dem einen festen zylindrischen Teil zwischen den
gegenüberliegenden inneren
und äußeren Umfängen erzeugt
wird; und ein Axiallager, das ein erstes, inneres magnetisches Teil
aufweist, das auf dem anderen drehbaren zylindrischen Teil befestigt
ist, und sich um eine Drehachse der Lagerbaugruppe herum erstreckt,
und ein zweites, äußeres magnetisches
Teil, das relativ zu dem einen festen zylindrischen Teil befestigt
ist, und sich um das erste magnetische Teil herum erstreckt, mit
einem Radialspalt dazwischen, so dass das erste und das zweite äußere magnetische
Teil zusammenarbeiten, um dazwischen eine magnetische Kraft zum
Haltern des anderen drehbaren Teils in Axialrichtung relativ zu
dem einen festen zylindrischen Teil zu erzeugen, wobei das erste
innere magnetische Teil koaxial zur Drehachse der Lagerbaugruppe
angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das zweite äußere magnetische
Teil exzentrisch zur Drehachse der Lagerbaugruppe angeordnet ist,
und dass das Verhältnis
zwischen der Exzentrizität
des zweiten äußeren magnetischen
Teils relativ zum Umfang des einen festen zylindrischen Teils und
dem mittleren Radialspalt, der zwischen dem ersten inneren und dem
zweiten äußeren Magnetteil
vorhanden ist, im Bereich von 0,01 bis 0,3 liegt, wobei die Exzentrizität definiert
ist als die Radialentfernung zwischen dem Zentrum des äußeren Magneten
(5) und dem Zentrum des inneren Magneten (6), wenn das erste (2)
und das zweite (3) zylindrische Teil koaxial zueinander angeordnet
sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Spindelmotors, der eine
mehrteilige Lagerbaugruppe gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht magnetischer Ringe, wobei
eine exzentrische Anordnung des Magneten gezeigt ist;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Spindelmotors, der eine
andere mehrteilige Lagerbaugruppe gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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4 zeigt
eine geschlossene Schleife, die durch Verfolgung, um die Welle oder
Muffe herum, gezogen wird, in vergrößertem Maßstab, sowie einen minimalen
Umkreis und einen maximalen Inkreis, die koaxial angeordnet sind,
für die
geschlossene Schleife;
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5A bis 5C zeigen
das Erscheinungsbild der Muffe und/oder der Welle;
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6 ist
eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Messung der
Drehzahl des Motors, bei welcher das sich drehende Teil die Reibungsberührung mit
dem benachbarten, festen Teil zu verlieren beginnt; und
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7 ist
ein Diagramm, welches Änderungen
der Drehzahl und eine Signalform zeigt, welche in dem Motor erzeugte
Schwingungen anzeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgt eine Beschreibung mehrerer
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, dass gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile oder Abschnitte in den Zeichnungen bezeichnen.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Zunächst ist
in 1 eine mehrteilige Lagerbaugruppe oder mehrteilige
Lageranordung gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Wesentlichen weist die
mehrteilige Lagerbaugruppe ein hydrodynamisches Radiallager und
ein magnetisches Axiallager auf. Im Einzelnen weist die mehrteilige
Lagerbaugruppe ein Basisteil oder festes Gehäuse 1 auf. Das Gehäuse 1 haltert
eine vertikale Welle 2. Weiterhin ist eine hohlzylindrische
Muffe 3 um die Welle 2 so herum angeordnet, dass
sie sich um die Welle 2 drehen kann, wodurch ein hydrodynamisches
Radiallager zwischen der Welle 2 und der Muffe 3 ausgebildet
wird.
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Das
Gehäuse 1 weist
einen hohlzylindrischen Abschnitt 4 auf, der um die Muffe 3 herum
und im Abstand zu dieser angeordnet ist. Ein Permanentmagnet 5 oder
magnetischer Ring ist auf einer Innenoberfläche des zylindrischen Abschnitts 4 und
entlang dieser befestigt. Ein anderer Permanentmagnet 6 oder
magnetischer Ring ist auf einem unteren Abschnitt und entlang diesem
der Muffe 3 so befestigt, dass er in Radialrichtung dem
Permanentmagneten 5 gegenüberliegt.
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In 2 sind
die Magneten 5 und 6 in ihrer Axialrichtung so
magnetisiert, dass sie sich gegenseitig anziehen, wodurch ein Axiallager
ausgebildet wird. Im einzelnen ist bei dieser Ausführungsform
der äußere Magnet 5 an
seiner oberen und unteren Oberfläche
mit Südpolen
bzw. Nordpolen versehen, und ist der innere Magnet 6 an
seiner oberen und unteren Oberfläche
mit Nordpolen bzw. Südpolen
versehen.
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Speziell
sind der äußere und
der innere Magnet 5 bzw. 6 so angeordnet, dass
dann, wenn die Welle 2 und die Muffe 3 koaxial
zueinander angeordnet sind, der innere Magnet 6 koaxial
zur Welle 2 und zur Muffe 3 bleibt, jedoch der äußere Magnet 5 exzentrisch
zur Welle 2 und zur Muffe bleibt. Vorzugsweise ist die
Exzentrizität
(mit dem Buchstaben "e" in 2 bezeichnet)
so festgelegt, dass ein Verhältnis
der Exzentrizität
(also e) zu einem mittleren Spalt (also dmean),
definiert durch die folgende Gleichung (1) im Bereich von etwa 0,01
bis etwa 0,3 liegt, bevorzugter von 0,02 bis 0,1.
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- d
- max:
Maximaler Spalt zwischen dem inneren und dem äußeren Magneten
- d
- min:
Minimaler Spalt zwischen dem inneren und dem äußeren Magneten
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird die Exzentrizität
einfach dadurch erreicht, dass der äußere Magnet 5 exzentrisch
angeordnet wird, unter Verwendung beispielsweise eines nicht dargestellten
Abstandsteils, das sich um den äußeren Magneten 5 und
zwischen dem äußeren Magneten 5 und
dem zylindrischen Abschnitt 4 erstreckt. Alternativ kann
die Exzentrizität
einfach dadurch erreicht werden, dass der äußere Magnet 5 exzentrisch
zum zylindrischen Abschnitt 4 durch Verwendung eines geeigneten
Klebers befestigt wird.
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Weiterhin
trägt der
Rotor 3 einen Rotor 7, der einen horizontalen
Abschnitt aufweist, der sich von der Muffe 3 aus nach außen erstreckt,
und einen vertikalen Abschnitt (hohlzylindrischen Abschnitt), der
sich von dem horizontalen Abschnitt aus nach unten erstreckt. Weiterhin
ist der Rotor 7 so ausgebildet, dass der vertikale Abschnitt
einen zylindrischen Spalt um den zylindrischen Abschnitt 4 des
Gehäuses 1 festlegt.
Der vertikale Abschnitt des Rotors 7 trägt einen Rotormagneten 8 oder
einen magnetischen Ring, der entlang seiner Innenumfangsoberfläche des
vertikalen Abschnitts angeordnet ist. Andererseits trägt der zylindrische
Abschnitt 4 eine Statorwicklung 9 um seine Außenumfangsoberfläche. Die
Statorwicklung 9 ist elektrisch mit einer Wechselstromversorgung
(nicht gezeigt) verbunden, so dass ihr Wechselstromenergie zugeführt werden kann,
damit sich der Rotor 7 und die Muffe 3 um die
Welle 2 drehen.
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Im
Betrieb der mehrteiligen Lagerbaugruppe mit der geschilderten Konstruktion
wird die Wechselstromenergie der Statorwicklung 9 zugeführt. Dies
führt zu
einer Änderung
des Magnetfeldes zwischen der Statorwicklung 9 und dem
Rotormagneten 8, so dass sich der Rotor 7 und
die Muffe 3 um die Welle 2 in einer vorbestimmten
Richtung drehen können.
Die Drehung führt
zu einer hydrodynamischen Kraft in einer hydrodynamischen Lagerkammer
zwischen der Welle 2 und der Muffe 3, die zu einem
bestimmten und konstanten Spalt zwischen diesen Teilen führt. In
Vertikalrichtung wird die sich drehende Muffe 3 in ihrer
Position relativ zum Gehäuse 1 und
beabstandet vom Gehäuse 1 gehalten,
infolge der magnetischen Anziehungskraft, die zwischen den gegenüberliegenden
Permanentmagneten 5 und 6 hervorgerufen wird,
die auf dem Gehäuse 1 bzw.
der Muffe 3 angebracht sind. Daher werden die sich drehende
Muffe 3 und der Rotor 7 um die Welle 2 herum
gehaltert, ohne irgendeine Reibungsberührung mit festen Abschnitten.
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Speziell
wird infolge der Tatsache, dass in dem Axiallager der Magnet 5 exzentrisch
in Radialrichtung relativ zu den Achsen der Welle 2 und
der Muffe 3 angeordnet ist, die sich drehende Muffe 3 magnetisch
in eine bestimmte Richtung gezwungen, beispielsweise von links nach
rechts in 2. Weiterhin nimmt, wie voranstehend
geschildert, die hydrodynamische Kraft entsprechend der Verkleinerung
des Spaltes zwischen der Welle 2 und der Muffe 3 zu.
Daher erzeugt die Exzentrizität
des Magneten 5 eine stärkere
hydrodynamische Kraft an dem minimalen Spaltabschnitt zwischen der
Welle 2 und der Muffe 3. Da der exzentrische Magnet 5 ortsfest
ist, wird darüber
hinaus die sich drehende Muffe 3 immer in Richtung der
Exzentrizität
gezwungen. Dies führt
dazu, dass selbst dann, wenn sich die Muffe 3 mit relativ
niedriger Drehzahl bewegt, sie in jene Richtung gezwungen wird,
in welcher eine höhere
hydrodynamische Kraft zwischen der Muffe 3 und der Welle 2 erzeugt
wird. Dies wiederum stellt sicher, dass die Muffe 3 außer Reibungsberührung mit
der Welle 2 bei niedrigerer Drehzahl der Muffe 3 gelangt,
wodurch der Verschleiß sowohl
der Welle 2 als auch der Muffe 3 infolge einer
Reibungsberührung
zwischen ihnen verringert wird.
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Wie
voranstehend geschildert, stellt gemäß der ersten Ausführungsform
der mehrteiligen Lagerbaugruppe der exzentrisch angeordnet Magnet
in dem Axiallager eine exzentrische Kraft für den Rotor in einer Radialrichtung
zur Verfügung,
und erzeugt hierdurch die erhöhte
hydrodynamische Kraft zwischen der Muffe und der Welle, so dass
der Rotor in einem stabilen Zustand gehalten werden kann, selbst
bei einer verringerten Drehzahl des Rotors. Dies wiederum verringert
die Drehzahl des Rotors, bei welcher der Rotor außer Reibungsberührung mit
der Welle gelangt, wodurch auch der Verschleiß der Muffe und der Welle verringert
wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Exzentrizität des Magneten sorgfältig festgelegt
werden sollte, nämlich
auf den voranstehend geschilderten Bereich. Dies liegt daran, dass
eine kleinere Exzentrizität
eine kleinere exzentrische Kraft erzeugt, und andererseits eine
größere Exzentrizität eine zu
hohe exzentrische Kraft erzeugt, was beides die Drehzahl oder Drehfrequenz
erhöht,
bei welcher die sich drehende Muffe außer Reibungsberührung mit
der Welle gelangt.
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ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
der mehrteiligen Lagerbaugruppe zum Einsatz beispielsweise bei einem
Spindelmotor dargestellt. Die mehrteilige Lagerbaugruppe weist einen
sicher gehalterten Stator oder ein sicher gehaltertes Gehäuse 11 in
Form eines hohlen Zylinders auf. Eine Muffe 12 in Form
eines Hohlzylinders ist sicher koaxial in dem zylindrischen Gehäuse 11 gehaltert.
Eine Welle 12 ist in die Muffe 2 eingeführt und
dort angeordnet, damit sie sich um ihre Längsachse drehen kann. Die Welle 12 trägt einen
Rotor 17, der einen horizontalen Abschnitt oder eine horizontale
Scheibe aufweist, der bzw. die sich von einem Ende der Welle 12 aus
und über
die Muffe 18 hinaus erstreckt. Der horizontale Abschnitt
wiederum haltert einen vertikalen Abschnitt, der sich von einem
Umfangsrand des horizontalen Abschnitts aus nach unten erstreckt,
so dass der vertikale Abschnitt im Abstand um das zylindrische Gehäuse 11 herum
angeordnet ist, wobei dazwischen ein bestimmter Spalt vorhanden
ist. Der vertikale Abschnitt des Rotors 17 trägt einen
Rotormagneten 8 oder einen magnetischen Ring, der sich
um die Innenumfangsoberfläche
und entlang dieser des vertikalen Abschnitts erstreckt. Entsprechend
dem Rotormagneten 8 ist eine zugehörige Statorwicklung 9 sicher
auf einer Aunenumfangsoberfläche
und um diese herum des zylindrischen Gehäuses 11 so vorgesehen,
dass sie dem Rotormagneten 8 im Abstand gegenüberliegt.
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Weiterhin
ist ein Magnet 15 oder magnetischer Ring sicher um die
Innenumfangsoberfläche
des Gehäuses 11 und
am untere Ende der zylindrischen Muffe 13 so vorgesehen,
dass er einem Abschnitt zugewandt ist, beispielsweise der unteren
Endoberfläche
der Welle 12. Andererseits haltert die Welle 12 einen
zugehörigen
Magneten 16 oder magnetischen Ring so, dass die Magneten 15 und 16 einander
gegenüberliegen,
mit einem bestimmten Spalt dazwischen. Insbesondere ist, ebenso
wie bei der ersten Ausführungsform,
der innere Magnet 16 koaxial zur Welle 12 angeordnet.
Im Gegensatz hierzu ist der äußere Magnet 15 nicht
koaxial zur Muffe 13 angeordnet, einfach beispielsweise
dadurch, dass ein exzentrisches Abstandsstück oder ein exzentrischer Ring
zwischen dem Magneten 15 und dem zylindrischen Gehäuse 11 vorhanden
ist.
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Im
Betrieb der mehrteiligen Lagerbaugruppe gemäß der zweiten Ausführungsform
wird Wechselstromenergie der Statorwicklung 9 zugeführt, so
dass sich der Rotor 17 und die Welle 12 um eine
Längsachse
der Welle 12 in einer vorbestimmten Richtung drehen. Weiterhin
führt die
Drehung zu einer hydrodynamischen Kraft in einer hydrodynamischen
Lagerkammer zwischen der Welle 2 und der Muffe 3,
die dazwischen einen bestimmten und konstanten Spalt ausbildet.
In Vertikalrichtung wird die sich drehende Muffe 13 in
ihrer Position relativ zum Gehäuse 11 und
beabstandet von dem Gehäuse 11 gehalten,
infolge der magnetischen Anziehungskraft, die zwischen den gegenüberliegenden
Permanentmagneten 5 und 6 erzeugt wird, die auf
dem Gehäuse 11 bzw,
der Muffe 13 angebracht sind. Insbesondere stellen die
exzentrisch angeordneten Magneten 5 und 6 eine
exzentrische Kraft in einer Radialrichtung für den Rotor zur Verfügung, und
erzeugen hierdurch die erhöhte
hydrodynamische Kraft zwischen der Muffe und der Welle. Dadurch
kann der Rotor in einem stabilen Zustand gehaltert werden, selbst
bei verringerter Drehzahl des Rotors. Dies wiederum verringert die
Drehzahl des Rotors, bei welcher der Rotor außer Reibungsberührung mit
der Welle gelangt, wodurch auch der Verschleiß der Welle und der Muffe verringert
werden.
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Wie
in 3 gezeigt, kann ein anderes Paar von Magneten 18 und 19 oder
magnetischer Ringe an der entgegengesetzten Seite, also am oberen
Ende, der Muffe 13 und der Welle 12 vorgesehen
sein. In diesem Fall sollten die oberen Magneten 18 und 19 wie
die unteren Magneten 15 und 16 angeordnet sein,
so dass die exzentrische Kraft, die zwischen den oberen Magneten 18 und 19 erzeugt
wird, in dieselbe Richtung weist wie jene zwischen den unteren Magneten 15 und 16.
Weiterhin können
die oberen Magneten 18 und 19 wie die unteren
Magneten 15 und 16 magnetisiert sein, wie in 2 gezeigt,
oder können
entgegengesetzt magnetisiert sein, wie in den Klammern in 4 angegeben.
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Bei
dieser Anordnung wird die sich drehende Welle 12 an ihren
entgegengesetzten Enden gehaltert, und exzentrisch in dieselbe Richtung
gezwungen, was eine stabile Drehung der Welle 12 sicherstellt,
und einen schnellen Verlust der Reibungsberührung mit der Muffe 13.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass jeder der paarweise vorgesehenen Permanentmagneten
oder magnetischen Ringe durch ein magnetisches Teil ersetzt werden
kann, das beispielsweise aus siliziumhaltigem Material besteht.
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DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Vor
einer speziellen Beschreibung der dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung erfolgt eine Beschreibung des Einflusses von Übergängen in
den Umfangsoberflächen,
welche das Radiallager festlegen, auf die Drehstabilität des Drehteils.
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In 4 ist
eine geschlossene Schleife 20 gezeigt, die durch Verfolgung
eines Außenumfangs
der Welle oder eines Innenumfangs der Muffe gebildet wird, in übertriebener
Darstellung. Weiterhin sind Kreise 21 und 22,
die koaxial zueinander angeordnet sind, Umkreise bzw. Inkreise 21 bzw. 22,
welche die geschlossene Schleife außen und innen mit einem minimalen
bzw. maximalen Durchmesser berühren.
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Weiterhin
ist in 2 eine Differenz der Radien der Umkreise und der
Inkreise 21 bzw. 22 mit "δ" bezeichnet, und
ist ein mittlerer Durchmesser der Umkreise bzw. Inkreise 21 bzw. 22 mit "C" bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen,
dass Nuten oder Ausnehmungen, die in der Umfangsoberfläche der
Muffe und/oder Welle vorgesehen sind, zur Erhöhung der hydrodynamischen Kraft,
oder unerwünschte
Kratzer, die bei der Bearbeitung der Welle und/oder Muffe entstehen,
in Bezug auf die geschlossene Schleife nicht berücksichtigt werden.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung führten eine Anzahl von Versuchen
mit Proben durch, die unterschiedliche Werte der Parameter aufwiesen,
also von "δ", "C", und eine Rundheitsabweichung, definiert
als "δ/C". Es ergab sich,
dass die Rundheitsabweichung kleiner sein sollte als 1 × 10–4,
vorzugsweise kleiner als 7 × 10–5,
um die Wirbelbildung zu verhindern, die anderenfalls bei Drehung
mit hoher Drehzahl hervorgerufen würde, ohne dass es erforderlich
ist, Nuten oder Ausnehmungen im Umfang der Muffe und/oder der Welle
herzustellen. Dies liegt daran, dass die mehrteilige Lagerbaugruppe,
bei welcher der Drehabschnitt in einer Radialrichtung verstellt
ist, eine höhere
hydrodynamische Kraft erzeugt, die eine schnelle Einstellung oder
Rückgewinnung
des Drehzentrums selbst dann sicherstellt, wenn auf das Drehteil
zufällig
ein Schock oder eine externe Kraft einwirkt.
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VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Als
nächstes
erfolgt eine Beschreibung der speziellen Konstruktion der mehrteiligen
Lagerbaugruppe gemäß der vierten
Ausführungsform.
Auch diese Ausführungsform
dient dazu, eine Verbesserung bei der Welle und/oder der Muffe vorzunehmen,
welche das hydrodynamische Lager bilden, wobei Nuten in der Umfangsfläche oder
den Umfangsflächen
dieser Teile vorgesehen sind, um die in dem Lager erzeugte hydrodynamische
Kraft zu erhöhen.
Wie auf diesem Gebiet bekannt ist, kann die hydrodynamische Kraft
durch in den gegenüberliegenden
Oberflächen
vorgesehenen Nuten erhöht
werden. Dies liegt daran, dass die Nuten Luft in die Lagerkammer
ansaugen, und hierdurch dort die hydrodynamische Kraft erhöhen. Dann
lässt sich
erwarten, dass die Welle außer
Reibungsberührung
mit der Muffe bei einer verringerten Drehzahl gelangt. Weiterhin
erhöhen
die Nuten die Drehzahl, bei welcher eine Wirbelbildung bei halber
Frequenz auftreten würde,
was wiederum bedeutet, dass die Drehbewegung des Drehteils bei einer
höheren
Drehzahl stabilisiert wird.
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Die 5A bis 5C zeigen
schematisch Nuten, also Pfeilnuten (5A und 5B)
und Spiralnuten (5C), die in der Umfangsoberfläche der
Welle und/oder der Muffe vorgesehen sind. Die Anordnung der Nuten
ist hierauf nicht beschränkt,
und kann abgeändert
werden, unter der Voraussetzung, dass sie die hydrodynamische Kraft
in dem hydrodynamischen Lager vergrößern kann.
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Vorzugsweise
legen, selbst wenn die Muffe und die Welle koaxial zueinander angeordnet
sind, sie zumindest einen vergrößerten Spaltabschnitt
fest, der einen größeren Spalt
aufweist als die übrigen
Abschnitte zwischen den gegenüberliegenden
Innen- und Außenumfängen dieser
Teile, und erstreckt sich darüber
hinaus der vergrößerte Spaltabschnitt über etwa
40 % oder mehr der Länge
in Längsrichtung
des Lagers. In diesem Fall kann die Wirbelbildung bei halber Frequenz
wirksam selbst bei einer höheren
Drehzahl, im Vergleich zu jener mit den Pfeilnuten, verhindert werden.
In dieser Hinsicht hat sich aufgrund zahlreicher Versuche herausgestellt,
die nachstehend als Beispiel 3 beschrieben werden, dass vorzugsweise
der vergrößerte Spaltabschnitt
eine Abmessung von weniger als dem Zehnfachen der Abmessungen des
mittleren Spaltes aufweist, und dass der Winkel der Umfangslänge des
vergrößerten Spaltabschnitts
im Bereich von etwa 3 bis etwa 90 Grad liegt.
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FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
erfolgt eine Beschreibung der fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche eine Verbesserung des Materials
der Welle und der Muffe betrifft. Speziell ist es vorzuziehen, dass
eine Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen den Materialien der Muffe und der Welle (Δα) kleiner
oder gleich 8 × 10–6/°C ist, und
die Differenz des Elastizitätskoeffizienten
des Drehteils größer oder
gleich 2,5 × 104 kgf/mm2 ist. Aus
Versuchen wurde ermittelt, dass durch Verwendung derartiger Materialien
die Stabilität
der mehrteiligen Lagerbaugruppe bei höherer Drehzahl erhöht wird.
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Hierbei
kann die Wirbelbildung bei halber Frequenz bei einer Temperatur
von etwa –30
bis 60 °C
auftreten, infolge einer Aufweitung des Spaltes, der bei Zimmertemperatur
eingestellt ist, wodurch eine Verringerung der Stabilität in Bezug
auf die Wirbelbildung bei halber Frequenz auftritt. Andererseits
hält bei
der mehrteiligen Lagerbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung
die exzentrische Anordnung in dem Axiallager einen wirksamen Spalt
zwischen der Muffe und der Welle selbst bei hoher Temperatur aufrecht,
durch die voranstehend angegebene Auswahl der Materialien für die Muffe und
die Welle. Hierdurch wird die vorbestimmte Leistung für das mehrteilige
Lager zur Verfügung
gestellt.
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Weiterhin
kann einfach durch Auswahl des Materials wie voranstehend geschildert
für das
Drehteil, also die Muffe oder die Welle, der exzentrische Effekt
in dem Axiallager wirksam erreicht werden. Dies wiederum minimiert
die Verschiebung der Welle, wodurch selbst bei hoher Drehzahl, beispielsweise
10000 Umdrehungen pro Minute oder mehr, eine stabile Drehung mit
hoher Genauigkeit erreicht werden kann.
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Weiterhin
kann vorzugsweise entweder die Welle oder die Muffe, oder sowohl
die Welle als auch die Muffe, aus Keramik bestehen. Eine Keramik,
die eine hohe Steifigkeit und Verschleißfestigkeit mit der voranstehend
angegebenen Elastizität
aufweist, kann einfach ausgewählt
werden. Weiterhin tritt bei der Keramik weniger Verschleiß mit anderen
Materialien auf, die mit ihr in Berührung stehen. Daher widersteht
die Keramik wirksam der Reibungsberührung mit dem zugehörigen Teil
in dem Radiallager, die bei niedrigerer Drehzahl auftreten würde, insbesondere
bei Start- und Stoppvorgängen, teilweise
infolge der exzentrischen Anordnung in dem Axiallager. Vorzugsweise
werden mehrere Keramiken eingesetzt, welche Aluminiumkeramik, Siliziumnitridkeramik,
und Siliziumkarbidkeramik umfassen.
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MESSUNG DER
MCRN
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Als
nächstes
wird eine Verbesserung der Herstellungsvorgangs für den Spindelmotor
beschrieben, welcher einen Schritt der Messung der Drehzahl umfasst,
bei welcher das Drehteil außer
Berührung
mit dem zugehörigen,
festen Teil gelangt (bezeichnet als "maximale Berührungsdrehzahl" oder "MCRN").
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Wie
voranstehend geschildert, beeinträchtigt die erhöhte MCRN
beträchtlich
die Standfestigkeit der Lagerbaugruppe infolge der Reibungsberührung zwischen
der Muffe und der Welle. Daher sollte die MCRN beim Vorgang der
Herstellung des Spindelmotors gemessen werden, bevor er ausgeliefert
wird.
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In 6 ist
ein System zur Messung der MCRN in dem Spindelmotor gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Zeichnung ist der
Spindelmotor 30, der die mehrteilige Lagerbaugruppe aufweist, über sein
Gehäuse 31 auf
einer festen Halterung 32 befestigt. Die Halterung 32 trägt eine Aufnehmervorrichtung 33 zum
Aufnehmen von Schwingungen der Halterung 32. Die Aufnehmervorrichtung 33 ist
wiederum über
einen Verstärker 34 mit
einem Oszilloskop 35 verbunden. Ein Sensor 38 zur
Erfassung der Drehung des Drehteils oder Rotors in dem Spindelmotor 30 ist
elektrisch über
einen anderen Verstärker 36 mit dem
Oszilloskop 35 verbunden.
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Bei
dem Vorgang zur Erfassung der MCRN wird zuerst der Spindelmotor 30 mit
Energie versorgt, um den Rotor 37 zu drehen, durch Einsatz
elektrischer Energie oder eines Fluidflusses (also eines Luftdrucks). Dann
wird, sobald die Drehzahl des Rotors 37 5000 Umdrehungen
pro Minute erreicht hat, der Spindelmotor 30 abgeschaltet,
worauf die Drehzahl des Rotors 37 abzusinken beginnt. Während des
Vorgangs nimmt die Aufnehmervorrichtung 33 die Schwingungen
der Halterung 32 auf, und erfasst der Sensor 38 die
Drehzahl des Rotors 37. Die Ausgangssignale der Aufnehmervorrichtung 33 und
des Sensors 38 werden durch den jeweiligen Verstärker 34 bzw. 36 verstärkt, und
dann dem Oszilloskop 35 zugeführt. Das Oszilloskop 35 überwacht die
Schwingungen und die Drehzahl und erfasst eine drastische Erhöhung der
Drehzahl als MCRN.
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7 zeigt
die Änderungen
der Drehzahl und des Schwingungsniveaus, die festgestellt wurden.
In dieser Zeichnung ist MCRN mit "R" bezeichnet.
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Unter
Verwendung eines derartigen Systems kann die MCRN für jeden
Spindelmotor festgestellt werden, und kann, falls das Erzeugnis
keine vorbestimmte MCRN aufweist, verhindert werden, dass es versandt wird,
wodurch sichergestellt wird, dass Erzeugnisse mit einer bestimmten
MCRN Benutzer zur Verfügung
gestellt werden.
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VERSUCH 1
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Es
wurden Versuche bei der mehrteiligen Lagerbaugruppe in Bezug auf
Standfestigkeit und Wirbelbildung bei halber Frequenz durchgeführt. Bei
den Versuchen wurden eine Welle und eine Muffe eingesetzt, die aus
jeweiligen gesinterten Aluminiumoxidteilen bestanden. Speziell wurde
jede Welle an ihren Außenumfangsabschnitt
gegenüberliegend
der Muffe so geschliffen, dass sie eine Oberflächenrauhigkeit Ry von 5 μm oder weniger
und Sm von 100 μm
oder weniger aufwies. Weiterhin wurde jede Muffe an ihrem Innenoberflächenabschnitt
gegenüberliegend
der Welle so geschliffen, dass sie eine Oberflächenrauhigkeit Ry von 5 μm oder weniger
und Sm von 10 μm
oder weniger aufwies. Die Rundheitsabweichungen der Wellen wurden
gemessen.
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Bei
der untersuchten mehrteiligen Lagerbaugruppe mit dem in 1 gezeigten
Aufbau ist der Magnet 6 mit der Muffe 3 unter
Verwendung eines Klebers verbunden. Weiterhin war der Magnet 5 auf
dem vertikalen, hohlen Abschnitt 4 des Gehäuses 1 exzentrisch
in Bezug auf die Welle 2 befestigt.
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Der
Rotor ist ausgewuchtet mit einem Unwuchtpegel der Klasse G1 gemäß dem japanischen
Industriestandard (JIS) B-0905.
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Die
MCRN wurde wie voranstehend geschildert erfasst. Wirbelbildung bei
halber Frequenz wurde dadurch erfasst, dass der Motor in einem festen
Rahmen aufgehängt
wurde, Schwingungen von dem Motor durch die Schwingungsaufnehmervorrichtung
erfasst wurden, das Ausgangssignal von der Aufnehmervorrichtung unter
Einsatz einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) bearbeitet
wurde, und das Vorhandensein eines Spitzenwerts bei der Frequenz
entsprechend der Hälfte
der Drehzahl bestimmt wurde.
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Die
Standfestigkeit des Motors wurde dadurch bestimmt, dass ein Zyklus
mit Energieversorgung und ohne Energieversorgung wiederholt wurde,
in welchem der Motor mit Energie versorgt wurde, und dann die Energie
abgeschaltet wurde, nachdem die Drehzahl eine vorbestimmte Drehzahl
(5000 Umdrehungen pro Minute) erreicht hatte, um den Motor anzuhalten.
Bei diesem Versuch gelangt das Drehteil in Reibungsberührung mit
dem festen Teil, wenn die Drehzahl auf die MCRN absinkt, wodurch
die Standfestigkeit des Motors bewertet werden kann.
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Die
Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben. In
dieser Tabelle bezeichnet ein oberer Index "*" ein
Vergleichsbeispiel. Weiterhin bedeutet in der Spalte für Wirbelbildung
bei halber Frequenz "N" (also Nicht Gut),
dass eine Wirbelbildung bei halber Frequenz festgestellt wurde,
und bedeutet "–" (also Gut), dass
eine Wirbelbildung bei halber Frequenz nicht festgestellt wurde.
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Wie
aus Tabelle 1 hervorgeht, kann gemäß der vorliegenden Erfindung
die MCRN verringert werden, ohne dass es erforderlich ist, die Abmessungen
der Teile in der Lagerbaugruppe oder des Spalts zwischen der Muffe
und der Welle zu ändern,
so dass die Verschleißfestigkeit
der Lagerbaugruppe erhöht
wird.
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- X1: Rundheitsabweichung (×106)
- X2: Exzentrizität
- X3: MCRN (Umdrehungen pro Minute)
- X4: Standfestigkeit (Zyklusanzahl)
- X5: Wirbelbildung bei halber Frequenz
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VERSUCH 2
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Bei
Lagerbaugruppen, bei welchen jeweils Pfeilnuten auf der Außenumfangsoberfläche der
Welle vorhanden waren, wurden Versuche in Bezug auf die MCRN, die
Standfestigkeit, und die Erzeugung einer Wirbelbildung bei halber
Frequenz durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt, aus welcher hervorgeht,
dass infolge der exzentrischen Kraft, die durch den exzentrisch
angeordneten Magneten hervorgerufen wird, die Lagerbaugruppe mit
Pfeilnuten dazu führt,
dass das Drehteil außer
Reibungsberührung
mit dem festen Teil bei einer verringerten Drehzahl gelangt, im
Vergleich zu einer Welle mit einem vollständigen Kreis. Dies erhöht sowohl
die Standfestigkeit des Lagers als auch die Drehzahl, bei welcher
die Wirbelbildung bei halber Frequenz auftaucht, wodurch die Leistung
des Lagers bei Drehung mit hoher Drehzahl verbessert wird.
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- X1: Rundheitsabweichung (×106)
- X2: Exzentrizität
- X3: MCRN (Umdrehungen pro Minute)
- X4: Standfestigkeit (Zyklusanzahl)
- X5: Wirbelbildung bei halber Frequenz
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VERSUCH 3
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Es
wurden Versuche durchgeführt,
um die Auswirkung der Ausbildung des vergrößerten Spaltabschnitts oder
der vergrößerten Spaltabschnitte
in dem Radiallager zu bewerten.
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Der
vergrößerte Spaltabschnitt
jedes Lagers erstreckte sich in Längsrichtung. Die mehreren vergrößerten Spaltabschnitte
waren in regelmäßigen Abständen angeordnet.
Die Versuchsergebnisse sind in den Tabellen 3-1 und 3-2 dargestellt.
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- X1: Anzahl der Abschnitte, an denen der Spalt vergrößert ist
- X2: Vergrößerter Spalt/Mittlerer
Spalt
- X3: Zentriwinkel des vergrößerten Abschnitts
(Grad)
- X4: Exzentrizität
- X5: Wirbelbildung bei halber Frequenz
- X6: MCRN (Umdrehungen pro Minute)
- X7: Standfestigkeit (Zyklusanzahl)
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VERSUCH 4
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Für drei Arten
von Lagern mit unterschiedlichem Material, unterschiedlichen Exzentrizitäten, und
unterschiedlichen Lageroberflächen
(also ohne Nut (vollständiger
Kreis), mit Pfeilnuten, und mit vertikalen Nuten) wurden Versuche
in Bezug auf die Ausbildung einer Wirbelbildung bei halber Frequenz
durchgeführt.
Es wurden jene Lager eingesetzt, die jeweils einen Rotor mit einer
bestimmten Masse aufwiesen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen
4-1 bis 4-3 angegeben.
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VERSUCH 5
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Es
wurde die Standfestigkeit von Lagern untersucht, die aus verschiedenen
Materialien bestanden, mit bestimmten Exzentrizitäten. Die
Ergebnisse sind in den Tabellen 5-1 und 5-2 angegeben.
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TABELLE 5-2
