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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, insbesondere zur
Drehlagerung eines Spindelmotors. Fluiddynamisch gelagerte Spindelmotoren
werden vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken oder
Lüftern verwendet.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische
Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare
Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen
einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten
Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen
zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen
vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen
in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise
auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese
auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten
Oberflächenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen,
die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts
einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise
sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige
Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse
der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil
verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise
spiralförmige Oberflächenstrukturen verwendet,
die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei
einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von
Festplattenlaufwerken ist meist eine Welle drehbar in einer Lagerbohrung
einer Lagerbuchse gelagert. Die Welle hat einen Durchmesser von
beispielsweise wenigen Millimetern.
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Die
DE 10 2007 008860
A1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen
Lagersystem nach dem Stand der Technik. Das Lagersystem umfasst
eine feststehende Lagerbuchse, die eine zentrale Bohrung aufweist.
In die Bohrung der Lagerbuchse ist eine Welle eingesetzt, deren
Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser
der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und
der Welle verbleibt ein Lagerspalt, der zwei fluiddynamische Radiallager
umfasst, mittels denen die Welle um eine Rotationsachse drehbar
in der Bohrung der Lagerbuchse gelagert ist. Die Radiallager sind
durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet. Der Lagerspalt
ist mit einem Lagerfluid gefüllt. Ein freies Ende der Welle
ist mit einer topfförmigen Nabe verbunden, deren untere
Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse
ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet, sogenanntes Top-Thrust
Design. Hierzu ist eine der Oberflächen des Axiallagers mit
Oberflächenstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle
eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe und Stirnseite der Lagerbuchse
befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager tragfähig
wird. Zwischen dem äußeren Rand des Axiallagers
und dem Bereich des unteren Radiallagers kann ein Rezirkulationskanal
vorgesehen sein, der bestimmte Bereiche des Lagerspalts miteinander
verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
Es ist ein elektromagnetisches Antriebssystem vorhanden, das aus
einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung
und einem an der Nabe angeordneten Permanentmagneten besteht
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Für
den Einsatz in einem Festplattenlaufwerk ist die Nabe des Spindelmotors
zur Befestigung einer Speicherplatte vorbereitet. Bei den meisten herkömmlichen
Festplattenlaufwerken trägt die Nabe eine oder zwei Speicherplatten.
Für Festplattenlaufwerke mit höherer Speicherkapazität,
z. B. für den Einsatz in Servern, ist es notwendig die
Anzahl der Speicherplatten zu erhöhen, z. B. auf vier oder
mehr Speicherplatten. Derartige Serverlaufwerke haben also insgesamt
eine höhere Rotormasse. Für die letztgenannten
Arten von Festplattenlaufwerken, sowie allgemein aufgrund der höheren
Datendichten steigen die Anforderungen an Präzision und
Laufruhe des Speichersystems. Daher ist es notwendig, die Steifigkeit
des gesamten Motorsystems zu vergrößern.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, die Steifigkeit eines eingangs beschriebenen
Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem zu verbessern, ohne
die Grundkonstruktion des Top-Thrust Designs zu ändern.
Die Erfindung findet vor allem Anwendung in Festplattenlaufwerk
mit einem kleinen Formfaktor, von beispielsweise 2,5 Zoll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem
gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das
fluiddynamische Lager umfasst ein erstes Lagerbauteil mit einer
im Wesentlichen zylindrischen Lagerbohrung und ein zweites Lagerbauteil mit
einer zylindrischen Welle mit einer Länge SL und einem
Außendurchmesser SOD, die in der Lagerbohrung des ersten
Lagerbauteils angeordnet und relativ zu diesem um eine Drehachse
drehbar gelagert ist. Es ist ferner ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt
vorhanden, der einander zugewandte Oberflächen der beiden
Lagerbauteile voneinander trennt. Die Lagerbauteile umfassen entlang
des Lagerspalts angeordnete und einander zugeordnete Lagerflächen,
die mindestens zwei fluiddynamische Radiallager und ein fluiddynamisches
Axiallager ausbilden, wobei die Radiallager in einem Lagerabstand BS
voneinander angeordnet sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Lagerabstand BS mindestens 70% der (innerhalb der Lagerbuchse
angeordneten) Länge der Welle SL beträgt.
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Es
wird demnach ein im Vergleich zum Stand der Technik stark vergrößerter
Lagerabstand BS zwischen den Radiallagern vorgeschlagen. Dadurch
erhöht sich die Steifigkeit des Lagersystems deutlich. Bei
den bisher bekannten Lagern war der Lagerabstand wesentlich kleiner
als 70% der Länge der Welle.
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Wichtig
ist, dass vorzugsweise nur der Lagerabstand gegenüber einem
Motor des bisherigen Standes der Technik erhöht wird. Die
Länge bzw. die Gesamtfläche der Radiallager wird
vorzugsweise nicht verändert. Die Länge bzw. Fläche
der Radiallager kann jedoch ebenfalls vergrößert
werden, je nach Anwendung und geforderten Spezifikationen. Aufgrund
des größeren Lagerabstandes erhöht sich
die Kippsteifigkeit des Lagers, ohne dass sich die Reibung und damit
auch der Stromverbrauch des damit drehgelagerten Motors (wesentlich)
erhöhen. Durch die Verlängerung des Lagerabstandes
vergrößern sich insgesamt auch die Länge
der Welle und die Länge des ersten, vorzugsweise feststehenden
Lagerbauteils. Da das erste Lagerbauteil mit der Basisplatte des
Spindelmotors verbunden ist, lässt sich eine größere
Verbindungslänge und damit eine höhere Auspresskraft
realisieren, wodurch die strukturelle Steifigkeit des Motor-Lagersystems
ebenfalls erhöht wird. Die größere Verbindungslänge
zwischen dem Lagerbauteil und der Basisplatte wirkt sich auch auf die
Schockfestigkeit des Lagers aus, die dadurch ebenfalls steigt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Radiallager durch
axial verlaufende und einander zugewandte Lagerflächen
des ersten Lagerbauteils und des zweiten Lagerbauteils gebildet,
wobei die Lagerflächen durch einen axial verlaufenden Abschnitt
des Lagerspaltes voneinander getrennt sind. In entsprechender Weise
wird das Axiallager durch radial verlaufende und einander zugewandte
Lagerflächen des ersten Lagerbauteils und des zweiten Lagerbauteils
gebildet, wobei diese Lagerflächen durch einen radial verlaufenden
Abschnitt des Lagerspaltes voneinander getrennt sind.
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Um
eine bestmögliche Lagersteifigkeit zu erzielen, wird es
bevorzugt, dass der Lagerabstand BS mindestens 2,5-mal so groß ist
wie der Außendurchmesser SOD der Welle.
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Ferner
wird es bevorzugt, dass ein Abschnitt mit vergrößerter
Spaltbreite, der sogenannte Separatorspalt, der die Radiallager
voneinander trennt, eine Länge SEP aufweist, die mindestens
doppelt so groß ist, wie der Außendurchmesser
SOD der Welle.
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Um
einen guten Kompromiss zwischen Lagerreibung und Lagereffektivität
zu finden, wird es bevorzugt, dass die gesamte Lagerfläche
der Radiallager kleiner ist, als die Hälfte der gesamten
Oberfläche der Welle, die sich innerhalb der Lagerbuchse befindet.
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An
einem Ende der Welle ist ein Stopperring befestigt, der in einer
Aussparung des ersten Lagerbauteils angeordnet ist. Vorzugsweise
weist der Stopperring einen Durchmesser STOD auf, der kleiner ist
als die halbe Länge SL der Welle.
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Das
zweite Lagerbauteil umfasst eine ringförmige Nabe, die
einen Innenumfang aufweist, der gemeinsam mit einem Außenumfang
des ersten Lagerbauteils einen Dichtungsspalt ausbildet. Vorzugsweise
verläuft der Dichtungsspalt im Wesentlichen parallel zur
Drehachse des Lagers und ist direkt oder indirekt mit dem Lagerspalt
verbunden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann im ersten Lagerbauteil ein
Rezirkulationskanal angeordnet sein, der ein geschlossenes Ende
des Lagerspalts direkt oder indirekt mit einem offenen Ende des
Lagerspalts verbindet. Dadurch wird eine ausreichende Zirkulation
des Lagerfluids im Lagerspalt sichergestellt. Das fluiddynamische
Lager kann erfindungsgemäß zur Drehlagerung eines
Spindelmotors verwendet werden. Ein derartiger Spindelmotor kann beispielsweise
zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes dienen.
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Die
Erfindung ist besonders vorteilhaft für Spindelmotoren
relativ kleiner Baugröße geeignet, bei denen der
Wellendurchmesser ca. 2,5 mm beträgt und die in Festplattenlaufwerken
mit einem Formfaktor von 2,5 Zoll eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen
fluiddynamischen Lager.
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2 zeigt
eine Darstellung von zwei radialen Übertragungsfunktionen,
zum Einen für ein Lagersystem nach dem Stand der Technik
und zum Anderen für ein erfindungsgemäßes
Lagersystem.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung
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In 1 ist
ein Schnitt durch einen Spindelmotor 10 mit einem erfindungsgemäßen
fluiddynamischen Lager dargestellt. Der Spindelmotor 10 umfasst
eine Basisplatte 12 mit einem hülsenförmigen Ansatz
mit zentraler Bohrung, in welcher eine Lagerbuchse 14 beispielsweise
im eingeklebt ist. Die Lagerbuchse 14 weist eine axiale
Bohrung zur Aufnahme einer Welle 16 auf, wobei zwischen
dem Innendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser
der Welle 16 ein ringförmiger konzentrischer Lagerspalt 18 verbleibt,
der mit einem Lagerfluid, beispielweise einem Lageröl,
gefüllt ist. Die Welle 16 kann frei in der feststehenden
Lagerbuchse 14 um eine Drehachse 20 rotieren und
bildet zusammen mit dieser in bekannter Weise ein hydrodynamisches
Radiallagersystem aus, das zwei in einem axialen Lagerabstand BS
zueinander angeordnete Radiallager 22, 24 umfasst.
Die hydrodynamischen Radiallager 22, 24 sind durch
Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche
der Welle 16 und/oder der Lagerbuchse 14 angeordnet
sind. Am freien Ende der Welle 16 ist eine Nabe 26 befestigt,
auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines
Festplattenlaufwerks angeordnet werden können. Eine axiale
Verschiebung der Lageranordnung entlang der Drehachse 20 wird
durch ein entsprechend ausgestaltetes hydrodynamisches Axiallager 30 verhindert.
Das Axiallager 30 wird gebildet durch eine untere ebene
Fläche der Nabe 26 und eine gegenüberliegende
Stirnfläche der Lagerbuchse 14. Eine der Lagerflächen
des Axiallagers 30 ist mit Lagerrillenstrukturen versehen,
die bei Rotation der Nabe 26 relativ zur Lagerbuchse 14 eine
Pumpwirkung auf das zwischen Nabe 26 und Stirnseite der Lagerbuchse 14 befindliche
Lagerfluid ausüben, so dass das Axiallager 30 tragfähig
wird.
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An
einem Ende der Welle 16 ist ein Stopperring 28 vorgesehen,
der einen vergrößerten Außendurchmesser
im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring 28 ist
in einer Aussparung der Lagerbuchse 14 angeordnet. Der
Stopperring verhindert eine übermäßige
axiale Bewegung der Welle 16 innerhalb der Lagerbuchse 14 und
ein „Herausfallen” der Welle aus der Lagerbuchse.
Eine Abdeckplatte 34 verschließt die dem Stopperring 28 zugewandte
Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid
gefüllten Lagerspalt 18 eindringt oder Lagerfluid
austritt.
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Am
Außendurchmesser eines hülsenförmigen
Ansatzes der Basisplatte 12 ist eine Statoranordnung 36 angeordnet,
welche aus einem ferromagnetischen Stator-Blechpaket sowie aus entsprechenden
Phasenwicklungen besteht. Radial außerhalb der Statoranordnung 36 ist
ein Rotormagnet 38 vorgesehen, welcher an der Nabe 26 befestigt
ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ
kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden.
Die Mitte des Rotormagneten 38, in Richtung der Drehachse 20 gesehen,
ist leicht oberhalb der Mitte des Stator-Blechpakets angeordnet,
wodurch sich eine nach unten in Richtung der Basisplatte 12 gerichtete
Kraft ergibt. Außerdem ist ein ferromagnetischer Ring 40 unterhalb
des Rotormagneten 38 an der Basisplatte 12 angeordnet,
welcher eine Kraft in dieselbe Richtung bewirkt. Diese in Richtung
der Basisplatte 12 gerichteten axialen Kräfte
bilden eine Vorspannung für das Axiallager 30.
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Das
offene Ende des Lagerspalts 18, nahe der Nabe 26,
ist durch einen konischen Dichtungsspalt 42 abgedichtet.
Der Dichtungsspalt 42 bildet eine Kapillardichtung und
wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche
der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche
eines Teils der Nabe 26. Der Dichtungsspalt 42 verläuft
im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse und ist radial außerhalb
des Axiallagers 30 mit dem Lagerspalt 18 verbunden
und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 42 wirkt
außerdem als Ausgleichsvolumen und Reservoir für
das Lagerfluid.
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Zur
Verbesserung der Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 18 ist
vorzugsweise ein Rezirkulationskanal 44 vorgesehen. Der
Rezirkulationskanal 44 erstreckt sich in der Lagerbuchse 14 in
wesentlichen in axialer Richtung und verbindet einen an den Außendurchmesser
des Stopperrings 28 angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts 18 mit
dem Lagerspalt im Bereich des Außendurchmessers des Axiallagers 30 unterhalb
der Nabe 26.
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Erfindungsgemäß besitzen
nun die beiden Radiallager 22, 24 einen besonders
großen Lagerabstand BS und sind durch einen besonders langen
Separatorspalt 32 mit der Länge SEP voneinander
getrennt. Die Lagerflächen der Radiallager 22 und 24 müssen
hierbei im Vergleich zum Stand der Technik nicht vergrößert
werden, d. h. die axiale Länge URB der oberen Lagerfläche
sowie die axiale Länge der LRB der unteren Lagerfläche
bleibt unverändert, während sich vorzugsweise
nur der Lagerabstand BS ändert. Aufgrund des größeren
Lagerabstandes BS erhöht sich die Kippsteifigkeit des Lagers,
ohne dass sich die Lagerreibung wesentlich erhöht, da die Flächen
der Radiallager 22, 24 an sich unverändert bleiben.
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2 zeigt
ein Diagramm der radialen Übertragungsfunktionen eines
Lagers gemäß dem Stand der Technik und im Vergleich
dazu eines erfindungsgemäßen Lagers. Die Kurve 50 zeigt
die radiale Übertragungsfunktion eines Lagers gemäß dem Stand
der Technik, wobei insbesondere in den Frequenzbereichen 0 bis 800
Hz und größer 2000 Hz die Werte der Übertragungsfunktion
der Kurve 50 deutlich größer sind, als
die Werte der Übertragungsfunktion der Kurve 52,
die dem erfindungsgemäßen Lager entspricht. Das
bedeutet, dass die Schwingungsneigung beim erfindungsgemäßen
Lager gemäß Kurve 52 insbesondere bei
einer Frequenz bis 800 Hz geringer ist, als die Schwingungsneigung
eines herkömmlichen Lagers gemäß Kurve 50.
Daraus ergibt sich eine Erhöhung der Steifigkeit des Lagers
und eine damit verbundene Reduktion der Schwingungen des gesamten
Festplattenlaufwerks.
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Aufgrund
des größeren Lagerabstandes BS ergibt sich insgesamt
auch eine größere Lagerlänge. Dadurch
ist auch die Länge der Lagerbuchse 14 vergrößert
und der Verbindungsbereich zwischen Lagerbuchse und Basisplatte 12 wird
ebenfalls größer. Dadurch erhöht sich
die strukturelle Steifigkeit des Systems insbesondere des ganzen
Motors sowie die Auspresskraft der Verbindung zwischen Lagerbuchse 14 und
Basisplatte 12. Die höhere strukturelle Steifigkeit
des Systems ist wiederum aus den Kurven 50 und 52 ersichtlich
und insbesondere in einem Frequenzbereich um 2,4 kHz deutlich sichtbar.
Der Wert der Übertragungsfunktion der Kurve 52 ist
im Frequenzbereich um 2,4 kHz deutlich kleiner als der Wert der
Kurve 50. Die höhere Auspresskraft zwischen Lagerbuchse 14 und
Basisplatte 12 ist erforderlich, da das Lager mit einer
vergleichsweise hohen Last betrieben werden soll, beispielsweise
in einem Festplattenlaufwerk mit drei oder vier Speicherplatten.
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Ein
typisches Lagersystem gemäß der Erfindung für
einen Spindelmotor zum Antrieb eines 2,5 Zoll-Festplattenlaufwerkes
besitzt beispielsweise folgende Abmessungen:
Länge
der Welle SL = 9,43 mm
Länge des Separatorspalts SEP
= 5,96 mm
Länge des oberen Radiallagers URB = 2,2
mm
Länge des unteren Radiallagers LRB = 1,27 mm
Lagerabstand
BS = 7,64 mm
Durchmesser der Welle SOD = 2,5 mm
Durchmesser
des Stopperrings STOD = 3,38 mm
Dicke des Stopperrings STW
= 0,4 mm
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Diese
Werte sind nicht beschränkend für die Erfindung
aufzufassen, sondern stellen nur die Abmessungen einer möglichen
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems
dar.
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- 10
- Spindelmotor
- 12
- Basisplatte
- 14
- Lagerbuchse
- 16
- Welle
- 18
- Lagerspalt
- 20
- Drehachse
- 22
- hydrodynamisches
Radiallager
- 24
- hydrodynamisches
Radiallager
- 26
- Nabe
- 28
- Stopperring
- 30
- hydrodynamisches
Axiallager
- 32
- Separatorspalt
- 34
- Abdeckplatte
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rotormagnet
- 40
- ferromagnetischer
Ring
- 42
- Dichtungsspalt
- 44
- Rezirkulationskanal
- 50
- Kurve
(Stand d. Technik)
- 52
- Kurve
(Erfindung)
- SL
- Länge
der Welle (innerhalb der Lagerbuchse)
- SOD
- Durchmesser
der Welle (innerhalb der Lagerbuchse) BS Lagerabstand der Radiallager
- SEP
- Länge
des Separatorspalts
- BA
- Lagerfläche
- SA
- Oberfläche
der Welle
- STOD
- Durchmesser
des Stopperrings
- STW
- Dicke
des Stopperrings
- URB
- Länge
des oberen Radiallagers
- LRB
- Länge
des unteren Radiallagers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007008860
A1 [0003]