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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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Die
DE 10 2006 005 602 A1 offenbart einen Spindelmotor mit feststehender Welle und einseitig offenem Lagerspalt, der durch eine konische Kapillardichtung abgedichtet ist. Es sind zwei fluiddynamische Radiallager vorhanden, von denen zumindest eines asymmetrische Lagerrillenstrukturen aufweist.
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Die
DE 10 2005 005 414 B3 offenbart einen Spindelmotor mit feststehender Welle und mehreren fluiddynamischen Radiallagern und fluiddynamischen Axiallagern. Die feststehende Welle ist von einer Hülse und zwei Lagerbuchsen umgeben, wobei zwischen der Welle und der Hülse mit Lagerfluid gefüllte innere Lagerspalte und zwischen Hülse und Lagerbuchsen entsprechende äußere Lagerspalte angeordnet sind, die über Querbohrungen in der Hülse miteinander verbunden sind.
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Die
DE 10 2004 045 629 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit einem fluiddynamischen Radiallager und zwei fluiddynamischen Axiallagern und einem beidseitig offenen Lagerspalt. Der Lagerspalt ist an beiden Enden durch axial verlaufende, kapillare Dichtungsspalte abgedichtet, entlang denen dynamische Pumpdichtungen angeordnet sein können. Ein axial verlaufender Rezirkulationskanal verbindet die Dichtungsspalte direkt miteinander.
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Die
US 6 144 523 A offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit feststehender Welle und zwei konischen Lagern, wobei die Welle Längs- und Querbohrungen aufweist, über welche das Lager mit Lagerfluid befüllt wird und die als Fluidreservoir und Rezirkulationskanäle dienen.
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Die
JP H08-277 835 A offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit feststehender Welle und einem beidseitig offenen Lagerspalt. Der Lagerspalt ist an beiden Enden durch axial verlaufende, kapillare Dichtungsspalte abgedichtet. Es sind axial verlaufende Rezirkulationskanäle vorhanden, über welche die Dichtungsspalte direkt miteinander verbunden sind.
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Die
US 5 667 309 A offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit feststehender Welle und einem beidseitig offenen Lagerspalt. Der Lagerspalt ist an beiden Enden durch axial verlaufende, kapillare Dichtungsspalte abgedichtet. Es können axial verlaufende Rezirkulationskanäle vorhanden sein, über welche die Dichtungsspalte direkt miteinander verbunden sind.
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Die
US 6 181 039 B1 offenbart ein fluiddynamisches konisches Lager mit feststehender Welle und einem Lagerspalt mit drei offenen Enden, wobei zwei offene Enden durch Kapillardichtungen abgedichtet sind und ein Ende lediglich durch eine dynamische Pumpdichtung abgedichtet ist. Diese Pumpdichtung ist nicht durch eine zusätzliche Kapillardichtung abgedichtet, so dass in diesem Bereich Luft in den Lagerspalt eingebracht werden kann und die Gefahr besteht, dass bei Schock Lagerfluid über die Pumpdichtung aus dem Lager austritt.
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Die
US 2006/0 291 757 A1 bildet den nächstliegenden Stand der Technik und offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem für einen Spindelmotor gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche. Der axial verlaufende Rezirkulationskanal bildet eine großvolumige Flüssigkeitssäule in deren axialer Fortsetzung die Kapillardichtungen zur Abdichtung des Lagerspalts angeordnet sind. Bei Schock besteht daher das Risiko, dass Lagerfluid aus den Kapillardichtungen austritt.
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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 hinsichtlich seiner Schockfestigkeit und Druckverteilung im Lagerspalt zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spindelmotor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß 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 zwei offene Enden auf, die vorzugsweise beide durch konische Kapillardichtungen abgedichtet sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung verbindet der Rezirkulationskanal, der sich zwischen dem Außendurchmesser der Lagerbuchse und dem Innendurchmesser der Hülse axial erstreckt, 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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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 Welle 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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Erfindungsgemäß ist eine Seite des Lagers mit einer Pumpdichtung ausgestaltet, wobei am anderen offenen Ende des Lagerspalts eine konische Kapillardichtung angeordnet ist. 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. Ferner wird durch die Kombination einer Kapillardichtung mit einer Pumpdichtung die Schockfestigkeit des Lagersystems verbessert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie allgemeine Ausgestaltungen von Spindelmotoren 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 Spindelmotor mit rotierender Welle zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen weiteren Spindelmotor mit rotierender Welle zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit feststehender Welle zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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4 zeigt einen Spindelmotor gemäß 3 mit zusätzlicher Hülse und Rezirkulationskanal als eine Ausgestaltung der Erfindung.
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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 Spindelmotor mit feststehender Welle zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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7 zeigt einen Spindelmotor gemäß 6 mit zusätzlicher Hülse und Rezirkulationskanal gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
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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) zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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10 zeigt ein schematisches Diagramm der Druckverteilung in einem Lagersystem gemäß den 1 und 2 zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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11 zeigt eine erste schematische Darstellung eines fluiddynamischen Lagers zur Drehlagerung eines Spindelmotors mit einem Rezirkulationskanal in der Welle zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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12 zeigt eine zweite schematische Darstellung eines fluiddynamischen Lagers zur Drehlagerung eines Spindelmotors mit einem Rezirkulationskanal in der Welle zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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13 zeigt eine dritte schematische Darstellung eines fluiddynamischen Lagers zur Drehlagerung eines Spindelmotors mit einem Rezirkulationskanal in der Welle zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung.
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Beschreibung von Beispielen zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung und von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Die in den 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Spindelmotoren 10 dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung und grundlegenden Beschreibung eines Spindelmotors. Die dargestellten 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 Ausgestaltung eines Spindelmotors zur allgemeinen Erläuterung 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 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 abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors 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 zeigt ein weiteres Beispiel zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung mit einem Spindelmotor 110 mit feststehender Welle und oben liegender Druckplatte.
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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 148 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 einen Spindelmotor 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 als eine Ausgestaltung der Erfindung 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 zeigt ein weiteres Beispiel zur Erläuterung der Erfindung mit einem Spindelmotor 110 mit feststehender Welle und unten liegender Druckplatte.
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6 zeigt einen Spindelmotor 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 als weitere Ausgestaltung der Erfindung 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 eine 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 beispielhaft die Druckverteilung in den Lagersystem gemäß den 1 und 2. Diese dient lediglich zur Erläuterung der Erfindung. 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 zur weiteren, allgemeinen Erläuterung der Erfindung ein fluiddynamisches Lagersystem, ähnlich dem Lagersystem aus 1, als Teil eines 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 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 zur weiteren Erläuterung der Erfindung. 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. 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.
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Bezugszeichenliste
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- 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