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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem,
wie er bevorzugt zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt
wird.
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Stand der Technik
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Ein
Spindelmotor der eingangs genannten Art umfasst im Wesentlichen
einen Stator, einen Rotor und mindestens ein zwischen diesen beiden
Teilen angeordnetes Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene
Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem Stator
drehgelagert. Als Lagersystem werden vorzugsweise fluiddynamische
Lagersysteme eingesetzt.
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Eine
bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem
Lagersystem ist in der
DE
102 39 650 B3 offenbart. Der Spindelmotor umfasst eine
Grundplatte mit einer im Wesentlichen zentral angeordneten, angeformten
Hülse, in die eine Lagerbuchse eingesetzt ist. Die Lagerbuchse
weist eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle auf. Die Welle
rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse und bildet zusammen
mit dieser ein Radiallager. Die in gegenseitiger Wirkverbindung
stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerbuchse sind
durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Lagerfluid
gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. In wenigstens
einer Lageroberfläche ist eine Oberflächenstruktur
eingearbeitet, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung
zwischen Welle und Lagerbuchse lokale Beschleunigungskräfte
auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausübt. Auf
diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die zur Ausbildung eines
homogenen und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms
innerhalb des Lagerspalts führt, der durch Zonen fluiddynamischen
Druckes stabilisiert wird.
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Die
Welle trägt eine Nabe, auf der z. B. eine oder mehrere
Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks angeordnet sind. Eine
Verschiebung der beschriebenen Anordnung entlang der Rotationsachse wird
durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager verhindert.
Die fluiddynamischen Axiallager werden vorzugsweise durch die beiden
Stirnflächen einer bevorzugt an einem Ende der Welle angeordneten
Druckplatte gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Druckplatte
eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse und der
anderen Stirnfläche die innen liegende Stirnfläche
einer Abdeckung zugeordnet ist. Die Abdeckung bildet ein Gegenlager zur
Druckplatte und verschließt die offene Seite des Lagersystems
und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten
Lagerspalt eindringt oder das Lagerfluid ausläuft. Bei
dem gezeigten Lagersystem wird ein flüssiges Lagerfluid,
beispielsweise ein Lageröl verwendet. Es ist ein elektromagnetisches
Antriebssystem vorhanden, das aus einer am feststehenden Teil des
Motors angeordneten Statoranordnung und einem an der Nabe angeordneten
Magnetanordnung besteht.
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In
bekannter Weise kann ein solcher Spindelmotor auch eine mit der
Grundplatte verbundene feststehende Welle aufweisen, die von einer
rotierenden Lagerbuchse umgeben ist. Die Nabe ist in diesem Fall
mit der Lagerbuchse verbunden. Die an der Welle angeordnete Druckplatte
steht ebenfalls fest.
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Die
DE 102 39 650 B3 zeigt
ein bei Festplattenmotoren häufig verwendetes Single-Plate-Design (d.
h. es ist nur eine Druckscheibe vorhanden), insbesondere für
den gängigen Formfaktor 3,5 Zoll. Der Motor umfasst relativ
wenige, einfach und kostengünstig produzierbare und verbindbare
Teile und Funktionskomponenten, und ist daher sehr robust, da Toleranzen
und auch die Funktionsweise von radialem und axialem Lager praktisch
unabhängig voneinander sind. Es ist eine Anordnung aller
Bauteile des Motors unter der glockenförmigen Nabe möglich, insbesondere
auch des Fluidlagersystems, das auf der Seite der Axiallager verschlossen
ist, wobei die gegenüberliegende offene Seite durch eine
konische Kapillardichtung abgedichtet ist.
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Ein
wesentliches Kriterium für die gute Funktion eines Fluidlagersystems
ist die Zylindrizität der Lagerbohrung in der Lagerbuchse.
In der Praxis ist die Lagerbohrung nie ganz zylindrisch sondern
geringfügig konisch, was auf Herstellungsungenauigkeiten
zurückzuführen ist. Konische Lagerbohrungen bergen
jedoch das Risiko, dass die gewünschte Druckverteilung
im Lagerspalt nicht sichergestellt werden kann. Ist der Durchmesser
der Lagerbohrung beispielsweise am offenen Ende geringer als am
geschlossenen Ende des Lagerspaltes, so erhöht sich der
Lagerdruck entsprechend im Lagerinneren. Dadurch kann es vorkommen,
dass die Druckplatte, die Teil des Axiallagers ist, in Berührung
mit den gegenüberliegenden Lagerflächen kommt,
da die Druckbalance im Axiallager gestört ist. Ist der
Durchmesser der Lagerbohrung am offenen Ende des Lagers größer
als am geschlossenen Ende, verringert sich der Druck im Lager. Dadurch
kann es passieren, dass sich im Lagerspalt Zonen mit Unterdruck,
also geringerem Druck als dem Umgebungsdruck, bilden. Beim Herstellungsprozess
ist es sehr schwierig, die Zylindrizität der Lagerbohrung
zu kontrollieren, was sich speziell bei Spindelmotoren, die für
hohe Drehzahlen ausgelegt sind bzw. bei denen die Lagerbohrung relativ
kurz ist, bezüglich dem Druck in den einzelnen Abschnitten
des Fluidlagers negativ auswirken kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit fluiddynamischem
Lagersystem der eingangs beschriebenen Art zu verbessern, so dass
er betriebsicher arbeitet, auch wenn die Lagerbohrung von ihrer
idealen zylindrischen Form abweicht oder andere Faktoren eine unerwünschte
Druckverteilung im Lager hervorrufen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor
mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der
Spindelmotor umfasst eine Grundplatte, in der eine erste Lagerkomponente
gehalten ist, welche mindestens ein Lagerbauteil aufweist, und eine zweite
Lagerkomponente, welche mindestens ein Lagerbauteil aufweist und
eine Nabe trägt, wobei die zweite Lagerkomponente von der
ersten Lagerkomponente durch einen Lagerspalt getrennt, mittels
des fluiddynamischen Lagersystems relativ zu dieser drehgelagert
ist und gemeinsam mit einer Nabe von einem elektromagnetischen Antriebssystem
um eine gemeinsame Rotationsachse drehend angetrieben wird.
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Erfindungsgemäß sind
Mittel zum Druckausgleich im Lagerspalt vorgesehen, die unabhängig vom
Lagersystem wirken.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung weist der Spindelmotor
eine rotierende Welle auf, das heißt die erste Lagerkomponente
umfasst eine in der Öffnung der Grundplatte angeordnete
feststehende Hülse und eine in der Hülse aufgenommene
Lagerbuchse. Die Lagerbuchse weist eine axiale Bohrung auf, die
an einer Seite durch eine Abdeckplatte verschlossenen ist. Die zweite
Lagerkomponente umfasst eine in der axialen Bohrung der Lagerbuchse mittels
eines fluiddynamischen Radiallagers drehgelagerte Welle und eine
mit der Welle verbundene Druckplatte als Teil eines fluiddynamischen
Axiallagers.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Spindelmotor
eine feststehende Welle auf. In dieser Ausgestaltung umfasst die
erste Lagerkomponente eine in einer Öffnung der Grundplatte angeordnete
feststehende Welle und eine mit der Welle verbundene Druckplatte
als Teil eines fluiddynamischen Axiallagers. Die zweite Lagerkomponente umfasst
eine Lagerbuchse mit einer axialen Bohrung, die mittels eines fluiddynamischen
Radiallagers drehbar um die feststehende Welle gelagert ist. Angrenzend
an die Druckplatte ist eine Abdeckplatte vorgesehen, die Teil des
fluiddynamischen Axiallagers ist. An der Lagerbuchse oder einer
die Lagerbuchse umgehenden Hülse ist die Nabe des Spindelmotors
befestigt.
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Das
Lagersystem weist mindestens ein offenes Ende auf, das durch eine
konische Kapillardichtung abgedichtet ist.
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Der
Rezirkulationskanal, der sich zwischen dem Außendurchmesser
der Lagerbuchse und dem Innendurchmesser der Hülse axial
erstreckt verbindet einen an den Außendurchmesser der Druckplatte angrenzenden
Abschnitts des Lagerspalts mit einem zwischen der konischen Kapillardichtung
und einem Radiallagerbereich befindlichen Abschnitt des Lagerspalts.
Das Radiallager umfasst vorzugsweise zwei in einem axialen Abstand
zueinander angeordnete Radiallagerbereiche. Der Druckausgleich kann
zusätzlich über eine zweite Querbohrung in der
Lagerbuchse erfolgen, die einen zwischen den Radiallagerbereichen
liegenden Abschnitt des Lagerspalts mit dem Rezirkulationskanal
verbindet.
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In
einer anderen Ausgestaltung des Lagersystems kann der Druckausgleich über
einen in der Welle verlaufenden Rezirkulationskanal erfolgen, der sich
in Richtung der Rotationsachse oder schräg zur Richtung
der Rotationsachse in der Welle erstreckt. Der Rezirkulationskanal
verbindet einen an eine Stirnseite der Druckplatte angrenzenden
Abschnitts des Lagerspalts mit einem an das offene Ende des Lagerspalts
jenseits des äußeren Radiallagerbereichs angrenzenden
Abschnitt des Lagerspalts. Das Radiallager umfasst vorzugsweise
einen inneren zur Druckplatte benachbarten Radiallagerbereich und
einen axial von diesem beabstandeten äußeren Radiallagerbereich.
Der Rezirkulationskanal bzw. eine mit diesem verbundene Querbohrung
mündet zwischen dem äußeren Radiallager
und der konischen Kapillardichtung in den Lagerspalt.
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Durch
den Rezirkulationskanal, der vom Lagerspalt im Bereich der Druckplatte
bis zum oder in die Nähe des Reservoirs, gebildet durch
die konische Kapillardichtung, verläuft, wird das Risiko
der Bildung eines Unterdrucks im Lagerspalt reduziert, da normalerweise
der niedrigste Druck im Lagerspalt, der das höchste Risiko
für eine Bildung von Unterdruck darstellt, bei einem Spindelmotor
der beschriebenen Art insbesondere am Außendurchmesser
der Druckplatte auftreten kann. Durch den Rezirkulationskanal wird
der Lagerspalt im Bereich der der Druckplatte mit der konischen
Kapillardichtung verbunden, bei der entsprechend Umgebungsdruck
herrscht.
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Vorteilhaft
kann ein zwischen den Radiallagerbereichen liegender Abschnitt des
Lagerspaltes über die zweite Querbohrung in der Lagerbuchse bzw.
der Weile mit dem Rezirkulationskanal verbunden werden. Dies hat
den Hintergrund, dass es neben dem Außendurchmesser der
Druckplatte einen zweiten Bereich im Lagersystem gibt, an dem möglicherweise
Unterdruck entstehen kann. Dies ist der Abschnitt des Lagerspaltes
zwischen den beiden Radiallagerbereichen. Mit der zusätzlichen
Verbindung des zwischen den Radiallagerbereichen liegenden Abschnitts
des Lagerspaltes mit dem Rezirkulationskanal kann auch in diesem
Abschnitt des Lagerspaltes kein Unterdruck mehr auftreten, da er über
den Rezirkulationskanal mit dem Umgebungsdruck verbunden ist.
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Des
Weiteren können gemäß dem Stand der Technik
am Innendurchmesser der Druckplatte im Verbindungsbereich mit der
Welle Rezirkulationskanäle in axialer Richtung vorhanden
sein, die einen Druckausgleich der beiden Axiallager ermöglichen.
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Bei
zweiseitig offenen Lagersystemen kann eine Seite des Lagers mit
einer Pumpdichtung ausgestaltet sein und am anderen offenen Ende
des Lagerspalts kann eine konische Kapillardichtung angeordnet sein.
Je nach Ausgestaltung des Spindelmotors kann die Pumpdichtung angrenzend
an die Druckplatte angeordnet sein, wobei die konische Kapillardichtung
entfernt von der Druckplatte angeordnet ist, oder die Pumpdichtung
kann entfernt von der Druckplatte angeordnet sein, wobei die konische
Kapillardichtung angrenzend an die Druckplatte angeordnet ist.
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Durch
die Erfindung wird erreicht, dass auch bei ungünstigen
Bauteilepaarungen und insbesondere einer nicht-zylindrischen Lagerbohrung
im Lager kein gefährlicher Unterdruck auftreten kann, der schlimmstenfalls
zum Ausfall des Lagersystems führen kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Aus
den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale
und Vorteile der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor
mit rotierender Welle gemäß einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung.
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2 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor
mit rotierender Welle gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung.
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3 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor
mit feststehender Welle gemäß einer dritten Ausgestaltung
der Erfindung.
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4 zeigt
einen Spindelmotor gemäß 3 mit zusätzlicher
Hülse und Rezirkulationskanal.
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5 zeigt
einen Spindelmotor gemäß 4 mit zusätzlicher
Querbohrung zwischen den Radiallagerbereichen.
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6 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor
mit feststehender Welle gemäß einer vierten Ausgestaltung
der Erfindung.
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7 zeigt
den Spindelmotor gemäß 6 mit zusätzlicher
Hülse und Rezirkulationskanal.
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8 zeigt
den Spindelmotor gemäß 7 zusätzlich
mit einer Querbohrung zwischen den Radiallagerbereichen.
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9 zeigt
ein schematisches Diagramm der Druckverteilung in einem Lagersystem
(Stand der Technik).
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10 zeigt
ein schematisches Diagramm der Druckverteilung in einem Lagersystem
gemäß den 1 und 2.
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11 zeigt
eine erste schematische Darstellung eines fluiddynamischen Lagers
zur Drehlagerung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors
mit einem Rezirkulationskanal in der Welle.
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12 zeigt
eine zweite schematische Darstellung eines fluiddynamischen Lagers
zur Drehlagerung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors
mit einem Rezirkulationskanal in der Welle.
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13 zeigt
eine dritte schematische Darstellung eines fluiddynamischen Lagers
zur Drehlagerung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors
mit einem Rezirkulationskanal in der Welle.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die
in den 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen
Spindelmotoren 10 umfassen eine Grundplatte 12 mit
einer im Wesentlichen zentralen Öffnung, in welcher eine
Hülse 16 angeordnet ist, die beispielsweise durch
Verpressen, Verkleben oder Verschweißen mit der Grundplatte 12 verbunden
ist. In der Hülse 16 ist eine Lagerbuchse 14 beispielsweise
im Presssitz gehalten. Die Lagerbuchse 14 weist eine axiale
Bohrung zur Aufnahme einer Welle 18 auf, wobei zwischen
dem Innendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser
der Welle 18 ein ringförmiger konzentrischer Lagerspalt 20 verbleibt,
der mit einem Lagerfluid, beispielweise Öl, gefüllt
ist. Die Welle 18 kann daher frei in der feststehenden
Lagerbuchse 14 um eine Rotationsachse 24 rotieren
und bildet zusammen mit dieser in bekannter Weise ein fluiddynamisches
Radiallager aus, das zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordnete
Radiallagerbereiche 34, 36 umfasst. Die Radiallagerbereiche 34, 36 sind
durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche
der Welle 18 und/oder der Lagerbuchse 14 angeordnet
sind.
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Am
freien Ende der Welle 18 ist eine Nabe 22 befestigt,
auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt)
eines Festplattenlaufwerks angeordnet werden können. Eine
Verschiebung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse 24 wird durch
fluiddynamische Axiallager verhindert. Entsprechend ausgestaltete,
fluiddynamische Axiallagerbereiche 46 werden vorzugsweise
durch die beiden Stirnflächen einer bevorzugt an einem
Ende der Welle 18 angeordneten ringförmigen Druckplatte 26 gebildet.
Einer Stirnfläche der Druckplatte 26 ist eine entsprechende
Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und der anderen
Stirnfläche die innen liegende Stirnfläche einer
Abdeckplatte 28 zugeordnet. Die einander zugeordneten Lagerflächen
der Axiallager sind durch den Lagerspalt 20 voneinander
getrennt. Die Abdeckplatte 28 bildet ein Gegenlager zur
Druckplatte 26 und verschließt die offene Seite
des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten
Lagerspalt 20 eindringt oder Lagerfluid austritt.
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Das
offene Ende des Lagerspalts 20, nahe der Nabe 22,
kann in bekannter Weise durch eine konische Kapillardichtung 38 abgedichtet
werden. Die konische Kapillardichtung 38 ist anteilig mit
Lagerfluid gefüllt und wirkt gleichzeitig als Ausgleichsvolumen
und Reservoir für das Lagerfluid.
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Der
Spindelmotor wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches
Antriebssystem angetrieben, das im Wesentlichen aus einer am feststehenden
Teil des Motors angeordneten Statoranordnung 30 und einer
an der Nabe 22 angeordnete Magnetanordnung 32 besteht.
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1 zeigt
eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Um zu verhindern,
dass insbesondere bei hohen Drehzahlen während des Betriebs des
Spindelmotors im Lagerspalt, insbesondere im Bereich des Außendurchmessers
der Druckplatte 26 ein Unterdruck auftritt, ist erfindungsgemäß ein
Rezirkulationskanal 40 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 40 erstreckt
sich zwischen dem Außendurchmesser der Lagerbuchse 14 und
dem Innendurchmesser der Hülse 16 in axialer Richtung
und verbindet einen an den Außendurchmesser der Druckplatte 26 angrenzenden
Abschnitt des Lagerspalts 20 über eine Querbohrung 42 mit
einem an die konische Kapillardichtung 38 angrenzenden
Abschnitt des Lagerspaltes 20. Dadurch ergibt sich ein
Druckausgleich zwischen dem Umgebungsdruck, der an der konischen
Kapillardichtung 38 vorherrscht, und dem Druck in dem Abschnitt
des Lagerspaltes 20, der an den Außendurchmesser
der Druckplatte 26 angrenzt. Eine gefährliche
Unterdruckbildung insbesondere am Außendurchmesser der
Druckplatte 26 kann somit verhindert werden.
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In 2 ist
eine gegenüber 1 zusätzlich verbesserte
Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Es ist wiederum ein Rezirkulationskanal 40 vorgesehen,
der den Lagerspalt 20 am Außendurchmesser der
Druckplatte 26 mit der konischen Kapillardichtung 38 verbindet.
Zusätzlich wird über eine zweite Querbohrung 44 ein
Abschnitt des Lagerspaltes 20 mit dem Rezirkulationskanal 40 verbunden,
welcher sich zwischen den beiden Radiallagerbereichen 34 und 36 erstreckt.
Dadurch wird auch in diesem Abschnitt des Lagerspaltes 20 aufgrund
der Verbindung zum Rezirkulationskanal 40 Umgebungsdruck
hergestellt und einer Bildung eines Unterdrucks entgegengewirkt.
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Die 3 bis 5 zeigen
eine dritte Ausgestaltung eines Spindelmotors 110 gemäß der
Erfindung mit feststehender Welle und oben liegender Druckplatte,
wobei zwischen den einzelnen Ausführungsformen der 3 bis 5 nur
geringe Unterschiede bestehen.
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Der
Spindelmotor gemäß den 3 bis 5 umfasst
eine Grundplatte 112 mit einer wesentlichen zentralen Öffnung,
in welcher eine Welle 118 fest aufgenommen ist, beispielsweise
durch Verpressen, Verkleben oder Verschweißen. Eine Lagerbuchse 114 mit
axialer Bohrung ist auf die Welle 118 aufgeschoben, wobei
zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung der Lagerbuchse 114 und
dem Außendurchmesser der Welle 118 ein ringförmiger konzentrischer
Lagerspalt 120 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise Öl,
gefüllt ist. Die Lagerbuchse 114 kann frei um
die Welle 118 rotieren und bildet zusammen mit dieser in
bekannter Weise ein fluiddynamisches Radiallager aus, das zwei in
einem axialen Abstand zueinander angeordnete Radiallagerbereiche 134, 136 umfasst.
Die Radiallagerbereiche 134, 136 sind durch Lagerstrukturen
gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle 118 und/oder
der Oberfläche der Lagerbuchse 116 angeordnet
sind.
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An
der Lagerbuchse 114 ist eine Nabe 122 angeordnet,
auf der zum Beispiel eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt)
eines Festplattenlaufwerkes angeordnet werden können.
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Eine
Verschiebung der Welle 118 entlang der Rotationsachse 124 wird
durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager verhindert.
Die fluiddynamischen Axiallagerbereiche 146 werden vorzugsweise
durch die beiden Stirnflächen einer am freien Ende der
Welle 118 angeordneten, ringförmigen Druckplatte 126 gebildet.
Einer Stirnfläche der Druckplatte 126 ist eine
entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse 114 und
der anderen Stirnfläche die innen liegende Stirnfläche
einer Abdeckplatte 128 zugeordnet. Die jeweils einander
zugeordneten Lagerflächen der Axiallager sind durch den
Lagerspalt 120 voneinander getrennt. Die Abdeckplatte 128 bildet
ein Gegenlager zu Druckplatte 126 und umgibt die Welle 118 unter
Freilassung eines ringförmigen Dichtspaltes der an seinem
Ende ein entsprechendes ringförmiges Reservoir 150,
das Lagerfluid aufweist.
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Im
Bereich des Dichtspaltes bildet die Oberfläche der Welle 118 zusammen
mit der Oberfläche der Bohrung in der Abdeckplatte 128 eine
Pumpdichtung 148 aus. Die Pumpdichtung ist durch Oberflächenstrukturen
definiert, die sich auf der Oberfläche der Welle 118 und/oder
der Oberfläche der Bohrung der Abdeckplatte 128 befinden.
Bei einer Rotation der Lagerbuchse 114 um die Welle erzeugen
die Pumpstrukturen der Pumpdichtung 148 eine in das innere
des Lagers gerichtete Pumpströmung im Lagerfluid und verhindert
somit ein Austreten von Lagerfluid.
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Der
Spindelmotor wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches
Antriebssystem angetrieben, das im Wesentlichen aus einer am feststehenden
Teil des Motors angeordneten Statoranordnung 130 und einer
an der Nabe 122 angeordneten Magnetanordnung 132 besteht.
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3 zeigt
eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors
mit feststehender Welle. Die Pumpdichtung 148 ist an einem
Ende des Lagerspalts 120 angeordnet und verhindert ein
Austreten von Lagerfluid.
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4 zeigt
eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors von 3,
wobei die Lagerbuchse 114, Druckplatte 126 und
Abdeckplatte 128 von einer zylindrischen Hülse 116 umgeben
ist. Die Lagerbuchse 114 ist also quasi zweiteilig ausgebildet.
Die Hülse 116 umgibt die gesamte Lageranordnung
und trägt die Nabe 122 an ihrem Außenumfang. Zur
Vermeidung eines Unterdrucks im Lagerspalt 120 ist in 4 ein
Rezirkulationskanal 140 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 140 erstreckt
sich zwischen dem Außendurchmesser der Lagerbuchse 114 und
dem Innendurchmesser der Hülse 116 in axialer Richtung
und verbindet einen an den Außendurchmesser der Druckplatte 126 angrenzenden
Abschnitt des Lagerspalts 120 über eine Querbohrung 142 mit einem
an die konische Kapillardichtung 138 angrenzenden Abschnitt
des Lagerspaltes 120. Dadurch ergibt sich ein Druckausgleich
zwischen dem Umgebungsdruck, der an der konischen Kapillardichtung 138 vorherrscht
und dem Druck in dem Abschnitt des Lagerspaltes 120, der
an den Außendurchmesser der Druckplatte 126 angrenzt.
Eine gefährliche Unterdruckbildung, insbesondere am Außendurchmesser
der Druckplatte 126 kann somit verhindert werden.
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In 5 ist
eine gegenüber 4 nochmals abgewandelte und
verbesserte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Zwischen der
Lagerbuchse 114 und der Hülse 116 ist
wiederum ein Rezirkulationskanal 140 vorgesehen, der den
Lagerspalt 120 am Außendurchmesser der Druckplatte 126 mit
dem Bereich der konischen Kapillardichtung 138 verbindet.
Dadurch wird einer gefährlichen Unterdruckbildung an der
Druckplatte 126 entgegengewirkt. Zusätzlich wird über
eine zweite Querbohrung 144 ein Abschnitt des Lagespaltes 120 mit
dem Rezirkulationskanal 140 verbunden, welcher sich zwischen
den beiden Radiallagerbereichen 134 und 136 erstreckt. Durch
diese Maßnahme wird auch in diesem Abschnitt des Lagerspaltes 120 aufgrund
der Verbindung zum Rezirkulationskanal 140 Umgebungsdruck hergestellt
und einer Bildung eines Unterdrucks entgegengewirkt.
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Die 6 bis 8 zeigen
eine vierte Ausgestaltung eines Spindelmotors 110 gemäß der
Erfindung mit feststehender Welle und unten liegender Druckplatte,
wobei zwischen den einzelnen Ausführungsformen der 6 bis 8 nur
geringe Unterschiede bestehen.
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6 zeigt
eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spindelmotors
mit feststehender Welle 218. Die Pumpdichtung 248 ist
an einem Ende des Lagerspalts 220 angeordnet und verhindert
ein Austreten von Lagerfluid.
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7 zeigt
eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors von 6,
wobei die Lagerbuchse 214, Druckplatte 226 und
Abdeckplatte 228 von einer zylindrischen Hülse 216 umgeben
ist. Die Lagerbuchse 214 ist quasi zweiteilig ausgebildet.
Die Hülse 216 umgibt die gesamte Lageranordnung
und trägt die Nabe 222 an ihrem Außenumfang.
Zur Vermeidung eines Unterdrucks im Lagerspalt 220 ist
ein Rezirkulationskanal 240 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 240 erstreckt
sich zwischen dem Außendurchmesser der Lagerbuchse 214 und
dem Innendurchmesser der Hülse 216 in axialer
Richtung und verbindet einen an den Außendurchmesser der Druckplatte 226 angrenzenden
Abschnitt des Lagerspalts 220 mit dem Bereich zwischen
Pumpdichtung und Radiallager. Dadurch ergibt sich ein Druckausgleich
zwischen dem Druck, der im Bereich zwischen Pumpdichtung und Radiallager
vorherrscht und dem Druck in dem Abschnitt des Lagerspaltes 220,
der an den Außendurchmesser der Druckplatte angrenzt
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In 8 ist
eine gegenüber 7 nochmals abgewandelte und
verbesserte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Zwischen der
Lagerbuchse 214 und der Hülse 216 ist
wiederum ein Rezirkulationskanal 240 vorgesehen, der den
Lagerspalt 220 am Außendurchmesser der Druckplatte 226 mit
dem Bereich zwischen Pumpdichtung und Radiallager verbindet. Zusätzlich
wird über eine zweite Querbohrung 244 ein Abschnitt
des Lagespaltes 220 mit dem Rezirkulationskanal 240 verbunden,
welcher sich zwischen den beiden Radiallagerbereichen 234 und 236 erstreckt.
Durch diese Maßnahme wird auch in diesem Abschnitt des
Lagerspaltes 220 ein Druckniveau wie im Rezirkulationskanal 240 erreicht.
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9 zeigt
schematisch die Druckverteilung in einem Lagersystem gemäß dem
Stand der Technik, das heißt beispielsweise einem Lagersystem
gemäß 1 ohne Rezirkulationskanal und
Querbohrungen. Auf der Abszisse sind nach rechts die einzelnen Lagerabschnitte
aufgetragen, in der folgenden Reihenfolge: oberes Radiallager, unteres
Radiallager, oberes Axiallager und unteres Axiallager. Die Ordinate
zeigt die Höhe des Druckes im Lagerspalt an. Es sind willkürliche
Einheiten gewählt, wobei positive Zahlen einen positiven
Druck größer gleich dem Umgebungsdruck und negative
Zahlen einen negativen Druck kleiner gleich dem Umgebungsdruck entsprechen.
Die Druckkurve 300 gibt schematisch den gewünschten
nominalen Druck im Lager an. Man erkennt, dass der gewünschte
Druck stets größer als der Umgebungsdruck sein
soll, wobei in den einzelnen Lagerbereichen Druckspitzen aufgrund
der Pumpwirkung der Lagerstrukturen erzeugt werden. Die Kurve 310 gibt
einen Druckverlauf nach dem Stand der Technik an, der den schlechtesten
möglichen Fall beschreibt. Man erkennt, dass der Druck
in der Mitte der einzelnen Lagerbereiche zwar positiv ist und weit über
dem Umgebungsdruck liegt, jedoch zwischen den einzelnen Lagerbereichen
ein negativer Druck entstehen kann, der kleiner als der Umgebungsdruck
ist. Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, einen solchen negativen
Druck zu vermeiden, insbesondere im Bereich der Axiallager und gegebenenfalls
auch im Bereich der Radiallager.
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10 zeigt
die Druckverteilung in den Lagersystem gemäß den 1 und 2.
Die Kurve 320 zeigt die Druckverteilung im Lagersystem
gemäß 1. Bei diesem Lagersystem sind
die Axiallagerbereiche über den Rezirkulationskanal und
eine Querbohrung mit dem Umgebungsdruck verbunden. Man erkennt,
dass zwischen dem oberen und dem unteren Axiallagerbereich der Druck
dem Umgebungsdruck entspricht und kein Unterdruck mehr auftritt,
wie beispielsweise bei Kurve 310 in 9. Um eine
weitere Verbesserung des Druckverlaufs im Lager zu erzielen, kann
gemäß 2 eine zweite Querbohrung zwischen
den beiden Radiallagerbereichen vorgesehen werden. Dieser Fall ist
in der Druckkurve 330 dargestellt. Man erkennt, dass in
dem Lager gemäß 2 der Druck
nie unter dem Umgebungsdruck fällt und gefürchtete
Unterdruckbereiche vermieden werden.
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11 zeigt
ein fluiddynamisches Lagersystem, ähnlich dem Lagersystem
aus 1, als Teil eines erfindungsgemäßen
Spindelmotors. Das Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 414,
die eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle 418 aufweist, wobei
zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser
der Welle 418 ein ringförmiger konzentrischer
Lagerspalt 420 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielweise Öl,
gefüllt ist. Die Welle 418 kann frei in der feststehenden
Lagerbuchse 414 um eine Rotationsachse 424 rotieren
und bildet zusammen mit dieser in bekannter Weise ein fluiddynamisches
Radiallager aus, das zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordnete
Radiallagerbereiche 434, 436 umfasst. Die Radiallagerbereiche 434, 436 sind
durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche
der Welle 418 und/oder der Lagerbuchse 414 angeordnet
sind.
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Eine
Verschiebung der Lageranordnung entlang der Rotationsachse 424 wird
durch fluiddynamische Axiallager verhindert. Entsprechend ausgestaltete,
fluiddynamische Axiallagerbereiche 446 werden durch zwei
Stirnflächen einer bevorzugt an einem Ende der Welle 418 angeordneten
ringförmigen Druckplatte 426 gebildet. Einer Stirnfläche
der Druckplatte 426 ist eine entsprechende Stirnfläche
der Lagerbuchse 414 und der anderen Stirnfläche
die innen liegende Stirnfläche einer Abdeckplatte 428 zugeordnet.
Die einander zugeordneten Lagerflächen der Axiallager sind
ebenfalls durch den Lagerspalt 420 voneinander getrennt.
Die Abdeckplatte 428 bildet ein Gegenlager zur Druckplatte 426 und
verschließt die offene Seite des Lagersystems und verhindert, dass
Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 420 eindringt
oder Lagerfluid austritt. Das offene Ende des Lagerspalts 420,
an welchem die Welle 418 die Lagerbuchse 414 verlässt,
kann in bekannter Weise durch eine konische Kapillardichtung 438 abgedichtet
werden. Die konische Kapillardichtung 438 ist anteilig
mit Lagerfluid gefüllt und wirkt gleichzeitig als Ausgleichsvolumen
und Reservoir für das Lagerfluid.
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Um
zu verhindern, dass insbesondere bei hohen Drehzahlen während
des Betriebs des Lagersystems im Lagerspalt 420, insbesondere
unter der Welle 418 eine Kraft entsteht (F = P × A),
die den Rotor nach oben und damit die Welle 418 gegen die
Lagerbuchse 414 drückt, ist erfindungsgemäß innerhalb
der Welle 418 ein Rezirkulationskanal 440 vorgesehen.
Der Rezirkulationskanal 440 verläuft im Wesentlichen
axial in Richtung der Rotationsachse 424 innerhalb der
Welle 418 und verbindet den zwischen der Welle 418 und
Abdeckplatte 428 verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 420 über
eine Querbohrung 442 mit einem an die konische Kapillardichtung 438 angrenzenden
Abschnitt des Lagerspaltes 420. Vorzugsweise mündet
der Rezirkulationskanal bzw. die mit diesem verbundene Querbohrung 442 zwischen
dem äußeren Radiallager 434 und der konischen
Kapillardichtung 438 in den Lagerspalt 420. Auf
diese Weise ist ein Druckausgleich zwischen dem Umgebungsdruck,
der an der konischen Kapillardichtung 438 vorherrscht,
und dem Druck in dem Abschnitt des Lagerspaltes 420, der zwischen
der Welle 418 und der Abdeckplatte verläuft, möglich.
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Zusätzlich
kann über eine zweite Querbohrung 444 ein Abschnitt
des Lagerspaltes 420 mit dem Rezirkulationskanal 440 verbunden
werden, welcher sich zwischen den beiden Radiallagerbereichen 434 und 436 erstreckt.
Dadurch wird auch in diesem Abschnitt des Lagerspaltes 420 aufgrund
einer Verbindung zum Rezirkulationskanal 440 Umgebungsdruck hergestellt
und einer Bildung eines Unterdrucks entgegengewirkt.
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12 zeigt
ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß 11,
wobei der einzige Unterschied zu 11 in
der Formgebung des Rezirkulationskanals 540 besteht. Der
Rezirkulationskanal 540 verläuft ausgehend von
der Stirnseite der Druckplatte 426 axial in der Welle 518 und
verzweigt in zwei schräg zur Rotationsachse 424 verlaufende
Kanalabschnitte 542a und 542b, die in einen an
die konische Kapillardichtung 438 angrenzenden Abschnitt
des Lagerspaltes 420 münden. Optional kann eine
Querbohrung 444 vorgesehen sein, wie sie in 11 dargestellt
ist.
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Die
in den 11 und 12 dargestellten Lageranordnungen
können die im Spindelmotor von 1 dargestellte
Lageranordnung ersetzten.
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13 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem
Lager und einem Rezirkulationskanal in der Welle. Der Spindelmotor
in 13 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten
Spindelmotor. Gleiche Teile sind mit den denselben Bezugszeichen
versehen. Es gilt die Beschreibung von 1.
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Der
Spindelmotor besitzt, im Unterschied zum Spindelmotor von 1,
keine Hülse, die die Lagerbuchse umgibt, sondern die Hülse
ist einteilig mit der Lagerbuchse 614 ausgebildet. Ein
weiterer Unterschied zu 1 liegt darin, dass der Rezirkulationskanal 640 nicht
in der Lagerbuchse 614 sondern in der Welle 618 verläuft.
Der Rezirkulationskanal 640 ist als Sackbohrung ausgebildet,
die vorzugsweise konzentrisch zur Rotationsachse 24 auf
der der Abdeckplatte 28 gegenüberliegenden Stirnseite
der Welle 618 vorgesehen ist. Die Länge des Rezirkulationskanals 640 entspricht
etwa der Höhe der Druckplatte 626. Das Ende des
Rezirkulationskanals 640 ist über eine Querbohrung 642 mit
dem Lagerspalt 20 verbunden, wobei die Querbohrung 642 in
den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20 mündet,
der zwischen der Lagerbuchse 614 und der Druckplatte 626 verläuft.
Der Rezirkulationskanal 640 und die Querbohrung 642 ermöglichen
eine Zirkulation des Lagerfluids um die Druckplatte 626 herum.
Die Pumprichtungen der Radiallager 34, 36 und
Axiallager 46 müssen entsprechend abgestimmt werden,
so dass sich ein definierter Fluss von Lagerfluid durch den Rezirkulationskanal 640 und
die Querbohrung 642 ergibt.
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Der
Rezirkulationskanal 640 mit Querbohrung 642 kann
die beispielsweise in 1 gezeigten Kanäle
am Innendurchmesser der Druckplatte ersetzen. Ohne diese Kanäle
am Innendurchmesser der Druckplatte 626 erhöht
sich die Auspresskraft der Pressverbindung von Welle 618 und
Druckplatte 626. Das bringt die Möglichkeit mit
sich, die Druckplatte 626 in ihrer Bauhöhe flacher
zu gestalten bei gleicher Auspresskraft von Welle 618 und
Druckplatte 626 und damit den axialen Abstand der bei den
Radiallager 34, 36 zu vergrößern.
-
- 10
- Spindelmotor
- 12
- Grundplatte
- 14
- Lagerbuchse
- 16
- Hülse
- 18
- Welle
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Nabe
- 24
- Rotationsachse
- 26
- Druckplatte
- 28
- Abdeckplatte
- 30
- Statoranordnung
- 32
- Magnetanordnung
- 34
- Radiallagerbereich
- 36
- Radiallagerbereich
- 38
- Konische
Kapillardichtung (Reservoir)
- 40
- Rezirkulationskanal
- 42
- Querbohrung
- 44
- Querbohrung
- 46
- Axiallagerbereiche
- 110
- Spindelmotor
- 112
- Grundplatte
- 114
- Lagerbuchse
- 116
- Hülse
- 118
- Welle
- 120
- Lagerspalt
- 122
- Nabe
- 124
- Rotationsachse
- 126
- Druckplatte
- 128
- Abdeckplatte
- 130
- Statoranordnung
- 132
- Magnetanordnung
- 134
- Radiallagerbereich
- 136
- Radiallagerbereich
- 138
- Konische
Kapillardichtung (Reservoir)
- 140
- Rezirkulationskanal
- 142
- Querbohrung
- 144
- Querbohrung
- 146
- Axiallagerbereiche
- 148
- Pumpdichtung
- 150
- Reservoir
- 210
- Spindelmotor
- 212
- Grundplatte
- 214
- Lagerbuchse
- 216
- Hülse
- 218
- Welle
- 220
- Lagerspalt
- 222
- Nabe
- 224
- Rotationsachse
- 226
- Druckplatte
- 228
- Abdeckplatte
- 230
- Statoranordnung
- 232
- Magnetanordnung
- 234
- Radiallagerbereich
- 236
- Radiallagerbereich
- 238
- Konische
Kapillardichtung (Reservoir)
- 240
- Rezirkulationskanal
- 244
- Querbohrung
- 246
- Axiallagerbereiche
- 248
- Pumpdichtung
- 250
- Reservoir
- 300
- Druckkurve „Nominal"
- 310
- Druckkurve „Stand
der Technik"
- 320
- Druckkurve 1
- 330
- Druckkurve 2
- 414
- Lagerbuchse
- 418
- Welle
- 420
- Lagerspalt
- 424
- Rotationsachse
- 426
- Druckplatte
- 428
- Abdeckplatte
- 434
- Radiallagerbereich
- 436
- Radiallagerbereich
- 438
- Konische
Kapillardichtung (Reservoir)
- 440
- Rezirkulationskanal
- 442
- Querbohrung
- 444
- Querbohrung
- 446
- Axiallagerbereiche
- 518
- Welle
- 540
- Rezirkulationskanal
- 542a
- Kanalabschnitt
- 542b
- Kanalabschnitt
- 610
- Spindelmotor
- 614
- Lagerbuchse
- 618
- Welle
- 626
- Druckplatte
- 640
- Rezirkulationskanal
- 642
- Querbohrung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10239650
B3 [0003, 0006]