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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors kleiner Baugröße, wie er vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet wird.
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Stand der Technik
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Durch die fortschreitende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken entstehen neue konstruktive Probleme, insbesondere bei der Herstellung kleiner Antriebsmotoren und geeigneten Lagersystemen. Als Lagersysteme werden zunehmend fluiddynamische Lagersysteme aufgrund ihrer kleineren Bauart und höheren Präzision verwendet.
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Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung der Spindelmotoren und somit auch der verwendeten Lagersysteme sind herkömmliche konstruktive Lösungen bei der Konstruktion von Miniatur-Spindelmotoren nicht oder nur mit Einschränkungen anwendbar. Je kleiner die Lagersysteme werden, desto höhere Anforderungen werden an die Bauteiletoleranzen und Montagegenauigkeit gestellt.
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Es wird beispielsweise der Rotor des Spindelmotors in der Regel mittels Pressverbindung fest mit der Welle des Lagersystems verbunden. Hierzu ist der Rotor mit einer zu seiner Rotationsachse konzentrischen Bohrung versehen, die einen bestimmten Durchmesser und eine bestimmte Länge aufweist, in welche ein Ende der Welle eingepresst wird. Eine Verkleinerung der Baugröße von Spindelmotor und Lagersystem geht unter anderem auf Kosten der möglichen Fügelänge zwischen Rotor und Welle, wobei gegebenenfalls die für die Verbindung benötigte Haltekraft nicht mehr erreicht werden kann. Vergrößert man als Gegenmaßnahme das Übermaß, so kann dies beim Einpressvorgang zu einer Beschädigung der Bauteile führen. Außerdem kann es bei der Montage des Rotors auf der Welle aufgrund von Bauteile- und Montagetoleranzen und einer zu geringen Fügelänge zu mehr oder weniger großen Abweichungen zwischen der tatsächlichen und der theoretischen, zeitlich unveränderlichen Drehachse kommen. Diese Abweichungen rühren daher, dass die Mittelachse des Rotors nicht genau mit der Mittelachse der den Rotor tragenden Welle übereinstimmt. Die Folge davon ist ein unerwünscht großer Schlag des Rotors, sowohl axial (Stirnschlag) als auch radial (Radialschlag), eine Kippung des Rotors gegenüber der Drehachse der Welle und eine geringere Schockfestigkeit.
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Die resultierende Unwucht bzw. Taumelbewegung des Rotors führt zu einem Schlag, der als sogenannter „Total Indicated Runout” (TiR) messbar ist. Wird der Spindelmotor beispielsweise zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks eingesetzt, kann ein zu großer TiR u. U. zur Unlesbarkeit der Magnetspeicherplatten führen. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den Rotor und die Welle einteilig auszubilden. Diese Lösung ist jedoch technisch aufwändig und daher relativ teuer.
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Die
US 5 533 811 A offenbart einen fluidgelagerten Spindelmotor mit zwei Radiallagern und einem Doppelaxiallager. Das Lagersystem ist beidseitig offen ausgebildet und umfasst eine feststehende Welle, die eine drehbar angetriebene Lagerbuchse trägt. Eine Nabe ist mit der Lagerbuchse verbunden. Lager dieser Bauart sind relativ schockempfindlich und benötigen zwei relativ lange Dichtungszonen bzw. Ausgleichsvolumina für das Lagerfluid. Dies steht einer kompakten Bauweise eines solchen Lagers entgegen. Beidseitig offene Lagersysteme setzen jedoch eine Austarierung der gepumpten Ölströme voraus, damit diese nicht an einem Lagerende austreten.
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Die
US 2005/0069232 A1 zeigt in
2 ein Lager bekannter Bauart mit feststehender Welle und drehbar gelagerter Lagerbuchse. Die Lagerstabilität wird durch zwei möglichst weit voneinander beabstandete Radiallager erreicht. Zwar zeigt
3 eine integrierte Abdeckkappe, die jedoch eine andere Konstruktion betrifft.
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Die
DE 10 2004 045 629 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit einem fluiddynamischen Radiallager und fluiddynamischen Axiallagern, das im Aufbau viel Ähnlichkeit mit dem Lagersystem der vorliegenden Erfindung aufweist. Es sind eine erste Lagerscheibe, eine mit der ersten Lagerscheibe verbundene zylindrische Welle mit einer an ihrem einen Ende angeordneten zweiten Lagerscheibe und eine innerhalb eines ringscheibenförmigen Freiraums zwischen der ersten und der zweiten Lagerscheibe angeordnete dritte ringförmige Lagerscheibe vorhanden. Einander gegenüberliegende Oberflächen der ersten, der zweiten und der dritten Lagerscheibe und der Welle sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt. Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, die jeweils durch eine Kapillardichtung abgedichtet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes Lagersystem insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors anzugeben, bei dem der TiR auch bei einer geringen Bauhöhe des Lagersystems sehr gering ist und das eine gute Schockfestigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Lagersystem umfasst eine hülsenförmige erste Lagerscheibe mit einer zu einer Rotationsachse konzentrischen Bohrung, eine in der Bohrung angeordnete und mit der Lagerscheibe verbundene zylindrische Welle mit einer an ihrem einen Ende angeordneten zweiten Lagerscheibe, die in einem Abstand zur ersten Lagerscheibe angeordnet ist, derart, dass sich ein ringscheibenförmiger Freiraum zwischen der ersten und der zweiten Lagerscheibe ausbildet. Es ist eine dritte ringförmige Lagerscheibe vorgesehen, die in dem ringscheibenförmigen Freiraum um die Rotationsachse drehbar angeordnet ist, wobei jeweils einander gegenüberliegende Oberflächen der ersten, der zweiten und der dritten Lagerscheibe durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Mindestens ein Radiallager ist zwischen dem Außenumfang der Welle und dem Innenumfang der dritten Lagerscheibe vorgesehen und durch den Umfangsflächen zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen gekennzeichnet. Es ist ein erstes Axiallager vorhanden, welches gebildet wird durch die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der ersten und der dritten Lagerscheibe und diesen Stirnflächen zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen, und ein zweites Axiallager, gebildet durch die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der zweiten und der dritten Lagerscheibe und diesen Stirnflächen zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen.
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Das beschriebene Lagersystem ist einfach aufgebaut und besteht aus nur wenigen Bauteilen. Aufgrund der „langen” Verbindung zwischen der Welle und der ersten Lagerscheibe und der „zentralen” Befestigung der Nabe an der dritten Lagerscheibe ist das Lagersystem weniger anfällig gegen ein „Verkippen”.
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Vorzugsweise sind die Lagerstrukturen auf der Oberfläche der dritten Lagerscheibe angeordnet, da so nur ein Bauteil mit Lagerstrukturen versehen werden muss. Natürlich können die Lagerstrukturen alternativ oder zusätzlich auf den zugeordneten Oberflächen der Welle und der ersten und zweiten Lagerscheibe angeordnet sein.
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Das erfindungsgemäße Lagersystem ist insbesondere Bestandteil eines Spindelmotors, wie er z. B. zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt wird. In diesem Fall ist die dritte Lagerscheibe an ihrem Außenumfang mit der Nabe eines solchen Spindelmotors verbunden.
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Alternativ können die Nabe und die dritte Lagerscheibe einteilig ausgebildet sein, wobei die Lagerstrukturen beispielsweise mittels Verfahren des Electro-Chemical Machining (ECM) in dieses Bauteil eingebracht werden können.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist die Nabe im wesentlichen als hohlzylindrischer Körper ausgebildet, wobei die dritte Lagerscheibe am Innenumfang der Nabe befestigt ist. Ein offenes Ende der Nabe wird durch eine Abdeckkappe verschlossen, wobei die Abdeckkappe die zweite Lagerscheibe größtenteils umgibt und gegenüber der Umgebung verschließt.
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Zwischen der Außenfläche der zweiten Lagerscheibe und der Innenfläche der Abdeckkappe verbleibt ein Spalt, der mit dem Lagerspalt verbunden und mit Lagerfluid gefüllt ist.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Nabe im wesentlichen als topfförmiger Körper ausgebildet, wobei die dritte Lagerscheibe am Innenumfang der Nabe befestigt ist. Die Nabe umgibt die zweite Lagerscheibe größtenteils und verschließt sie gegenüber der Umgebung. Zwischen der Außenfläche der zweiten Lagerscheibe und der Innenfläche der Nabe ist ein Spalt vorgesehen, der mit dem Lagerspalt verbunden und mit Lagerfluid gefüllt ist.
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Zur Verbesserung der Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt kann es vorgesehen sein, dass die sich gegenüberliegenden radialen Abschnitte des Lagerspalts durch mindestens einen axial verlaufenden Kanal miteinander verbunden sind, wobei der Kanal bevorzugt an der Außenfläche der dritten Lagerscheibe oder der Innenfläche der Nabe verläuft.
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Am offenen Ende des Lagerspaltes ist vorzugsweise zwischen einer Oberfläche des Innenumfangs der Nabe und einer gegenüberliegenden Oberfläche des Außenumfangs der ersten Lagerscheibe ein mit dem Lagerspalt verbundener und sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngender, ringförmiger Freiraum angeordnet, der zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. Dieser Freiraum begrenzt den Lagerspalt nach außen und bildet eine Kapillardichtung zur Abdichtung des Lagerspaltes. Gleichzeitig ist der Freiraum ein Reservoir für das Lagerfluid.
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Ferner können sich in der Oberfläche der Oberseite der Welle und/oder der Unterseite der Abdeckkappe bzw. der geschlossenen Nabe an den Spalt angrenzend zusätzliche fluiddynamische Strukturen befinden, die zur Luftverwirbelung oder als zusätzliches Axiallager dienen.
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Durch Integration von Bauteilefunktionen besteht das erfindungsgemäße Lagersystem aus wenigen Bauteilen. Diese sind mit herkömmlichen Fertigungsverfahren herstellbar. Da die benötigte Kippsteifigkeit nicht durch Radiallager mit großem axialem Abstand, sondern vorrangig durch die Axiallager erreicht wird, kann die nötige Bauhöhe klein ausgeführt werden. Die axiale Steifigkeit ist dennoch groß. Die noch notwendige radiale Steifigkeit wird durch das Radiallager erzielt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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Es zeigen:
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1: einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems;
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2: einen Schnitt durch eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems;
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3: einen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung einer einteilig ausgebildete Anordnung von offener Nabe und dritter Lagerscheibe.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lagersystems. Das Lagersystem zeichnet sich durch seine einfache Bauweise aus und umfasst eine erste, hülsenförmige Lagerscheibe 1 mit einer zur Rotationsachse 22 konzentrischen Bohrung, wobei die Lagerscheibe 1 ein feststehendes Teil des Lagersystems bildet. Eine Welle 2 ist in der Bohrung der Lagerscheibe 1 aufgenommen und fest mit der Lagerscheibe verbunden. Am freien Ende der Welle 2 ist eine zweite Lagerscheibe 3 vorgesehen. Diese Lagerscheibe 3 ist bevorzugt einteilig mit der Welle 2 ausgebildet Die Lagerscheibe 3 ist in einem Abstand zur ersten Lagerscheibe 1 angeordnet derart, dass sich ein ringscheibenförmiger Freiraum zwischen den beiden Lagerscheiben 1, 3 ausbildet. Der rotierende Teil des Lagersystems wird durch eine dritte, ringförmige Lagerscheibe 4 gebildet, die in dem ringscheibenförmigen Freiraum um die Rotationsachse 22 drehbar angeordnet ist. Einander gegenüberliegende, d. h. aneinander angrenzende Oberflächen der ersten, der zweiten und der dritten Lagerscheibe 1, 3, 4 sowie der Welle 2 sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 5 voneinander getrennt.
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Das Lagersystem umfasst ein Radiallager 6, das gebildet wird durch die Umfangsfläche der Welle 2 und der dieser gegenüberliegenden Innenumfangsfläche der dritten Lagerscheibe 4 sowie Lagerstrukturen 7, die auf der Oberfläche der Welle 2 und/oder der Oberfläche der dritten Lagerscheibe 4 angeordnet sind. Die Oberflächenstrukturen 7 sind derart beschaffen, dass sie bei Rotation der Lagerscheibe 4 eine in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben. Beispielsweise sind die Lagerstrukturen 7 in bekannter Weise als parabelförmige oder fischgrätenförmige Strukturen ausgebildet.
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Ein erstes Axiallager 8 wird gebildet durch die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der ersten Lagerscheibe 1 und der dritten Lagerscheibe 4 sowie diesen Stirnflächen zugeordnete hydrodynamische Lagerstrukturen 9. Vorzugsweise sind die Lagerstrukturen 9 auf der Oberfläche der dritten Lagerscheibe 4 angeordnet. Sie können aber auch auf der Oberfläche der ersten Lagerscheibe angeordnet sein. Es ist ein zweites Axiallager 10 vorgesehen, das durch die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der zweiten Lagerscheibe 3 und der dritten Lagerscheibe 4 sowie diesen Stirnflächen zugeordnete Lagerstrukturen 11 gebildet wird. Die Lagerstrukturen 9, 11 sind vorzugsweise auf der Stirnfläche der dritten Lagerscheibe 4 angeordnet und beispielsweise spiralartig ausgebildet. Diese spiralartigen Strukturen 9, 11 üben bei Drehung der dritten Lagerscheibe 4 eine überwiegend radial nach innen in Richtung des Radiallagers 7 gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid aus. Die im Durchmesser relativ großen, in das Lagerinnere wirkenden Axiallager 8, 10 sorgen zusammen mit dem Radiallager 7 für eine hohe axiale und radiale Steifigkeit des Lagers.
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Es ist auch möglich, das Lagersystem mit nur einem einzigen Axiallager, beispielsweise dem Axiallager 10 zu betreiben. Es muss dann für eine entsprechende axiale Vorspannung der dritten Lagerscheibe 4 in Richtung der zweiten Lagerscheibe 3 gesorgt werden, Hierbei kann in bekannter Weise eine magnetische Vorspannung eingesetzt werden. Das andere „Axiallager” 8 kann dann bei Bedarf lediglich als Hilfslager zur Verwirbelung bzw. zum Pumpen des Lagerfluids verwendet werden.
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Erfindungsgemäß ist das gezeigte Lagersystem Bestandteil eines Spindelmotors, wobei das rotierende Lagerbauteil, also die dritte Lagerscheibe 4, an ihrem Außenumfang mit einer Nabe 12 des Spindelmotors verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Nabe 12 und der Lagerscheibe 4 ist beispielsweise eine Press- oder eine Schweißverbindung, insbesondere eine Laserschweißverbindung, wobei zur genauen Positionierung der Lagerscheibe 4 innerhalb der Nabe 12 an der Nabe ein Absatz 13 vorgesehen ist. Die Nabe selbst ist im wesentlichen als hohlzylindrischer Körper ausgebildet, wobei die obere Öffnung der Nabe 12 durch eine Abdeckkappe 14 verschlossen ist, die die zweite Lagerscheibe größtenteils umgibt und diese gegenüber der Umgebung verschließt. Gleichzeitig wird auch der Lagerspalt in diesem Bereich nach außen verschlossen. Die Abdeckkappe 14 ist derart auf der Nabe 12 befestigt, dass zwischen der Außenfläche der zweiten Lagerscheibe 3 und der Innenfläche der Abdeckkappe 14 ein Spalt 15 verbleibt, der mit dem Lagerspalt 5 verbunden ist und mit Lagerfluid gefüllt ist. Über diesen Spalt 15 kann das Lagerfluid frei zwischen den angrenzenden Bereichen des Lagerspaltes 5 strömen.
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Zur Verbesserung der Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 5 ist ferner ein Kanal 19 vorgesehen, der die zwei radial verlaufenden Abschnitte des Lagerspaltes 5 miteinander verbindet. Es sind mindestens ein solcher Kanal, vorzugsweise aber mehrere über den Umfang des Lagersystems verteilte Kanäle 19 vorgesehen. Diese Kanäle 19 sind vorzugsweise an der Außenfläche der dritten Lagerscheibe 4 vorgesehen.
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Die Nabe 12 erstreckt sich in axialer Richtung größtenteils bis über die erste Lagerscheibe 1, wobei zwischen dem Außenumfang der ersten Lagerscheibe 1 und dem Innenumfang der Nabe 12 ein mehr oder minder großer Spalt verbleibt. Ein Freiraum 20 zwischen dem Innenumfang der Nabe 12 und dem Außenumfang der ersten Lagerscheibe 1 ist Teil dieses Spaltes. Dieser ringförmige Freiraum 20 grenzt unmittelbar an den Lagerspalt 5 an und ist mit diesem verbunden. Der Freiraum 20 ist zumindest teilweise mit Lagerfluid gefüllt und verjüngt sich in Richtung des Lagerspaltes 5, begrenzt diesen nach außen und bildet in bekannter Weise eine Kapillardichtung zur Abdichtung des Lagerspaltes. Weiterhin bildet der Freiraum ein Reservoir für das Lagerfluid aus. Das vorgestellte Lagersystem hat also nur eine Öffnung des Lagerspaltes 5 in die Umgebung. Diese Öffnung ist mittels der Kapillardichtung abgedichtet und führt in das „innere” des Lagersystems, d. h. von der Oberfläche der Nabe 12 weg. Dies ist insbesondere wichtig, wenn der das Lagersystem umfassende Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt wird, um die auf der Nabe 12 befestigten empfindlichen Speicherplatten vor Verunreinigungen durch Lagerfluid zu schützen.
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Die Nabe 12 des Spindelmotors trägt in bekannter Weise eine Magnetanordnung 21, die Teil eines elektromagnetischen Antriebssystems des Spindelmotors ist.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lagersystems, wobei unter Verweis auf 1 und die zugehörige Beschreibung in 2 gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Im Unterschied zur 1 ist die dritte Lagerscheibe 4 mit einer topfförmigen bzw. glockenförmigen Nabe 16 verbunden, die einseitig geschlossen ist. Auch diese Nabe 16 weist einen Anschlag 17 zur Positionierung der dritten Lagerscheibe 4 auf. Das geschlossene Ende der Nabe 16 umgibt die zweite Lagerscheibe 3 nahezu vollständig, wobei zwischen der Außenfläche der zweiten Lagerscheibe 3 und der Innenfläche der Nabe 16 ebenfalls ein Spalt 18 vorgesehen ist, der mit dem Spalt 5 verbunden und mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Spalt 18 dient als Verteilerkanal für das Lagerfluid zwischen den angrenzenden Abschnitten des Lagerspaltes 5.
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In 3 ist eine dritte Ausgestaltung einer einteilig ausgebildeten Anordnung 23 aus dritter Lagerscheibe 24 und offener Nabe 25 gezeigt, die eine Alternative zur offenen Nabe 12 und dritten Lagerscheibe 4 gemäß 1 darstellt. Man erkennt hier sehr gut die am Innenumfang der Lagerscheibe 24 vorgesehenen radiale Lagerstrukturen 26. Die an den Oberflächen der beiden Stirnseiten der Lagerscheibe 24 angeordneten axiale Lagerstrukturen sind durch entsprechende Symbole 27 dargestellt. Die Lagerstrukturen 26, 27 können beispielsweise mittels Verfahren des Electro-Chemical Machining (ECM) in die Oberflächen der Lagerscheibe 24 eingebracht werden. Die Formgebung der Nabe 25 entspricht im wesentlichen der Formgebung der Nabe 12 in 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerscheibe (erste)
- 2
- Welle
- 3
- Lagerscheibe (zweite)
- 4
- Lagerscheibe (dritte)
- 5
- Lagerspalt
- 6
- Radiallager
- 7
- Lagerstrukturen
- 8
- Axiallager
- 9
- Lagerstrukturen
- 10
- Axiallager
- 11
- Lagerstrukturen
- 12
- Nabe (offen)
- 13
- Absatz (Nabe)
- 14
- Abdeckkappe
- 15
- Spalt
- 16
- Nabe (geschlossen)
- 17
- Absatz (Nabe)
- 18
- Spalt
- 19
- Kanal
- 20
- Freiraum
- 21
- Magnet
- 22
- Rotationsachse
- 23
- Anordnung
- 24
- Lagerscheibe (dritte)
- 25
- Nabe
- 26
- Lagerstrukturen
- 27
- Lagerstrukturen (symbolhaft)