CN100345359C - 磁盘驱动器的主轴马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁盘驱动器的主轴马达，包括一个底座，一个固定在底座上并且具有中空部分的套筒，以及一个转动地安装在套筒的中空部分中的主轴，主轴具有这样的形状，即它的直径从主轴的中部沿着长度方向朝着其两端逐渐减小。

Description

磁盘驱动器的主轴马达

技术领域

本发明涉及磁盘驱动器的主轴马达，更具体地，本发明涉及用于磁盘驱动器的带有轴承的主轴马达，该轴承使用空气动压力以非接触的方式在轴向和径向两个方向上支承一转动体。

背景技术

主轴马达被广泛地应用于激光打印机的激光扫描器、硬盘驱动器(HDDs)、便携式光盘驱动器(CDs)或数字式多用盘(DVDs)，中作为其中的马达。硬盘驱动器是计算机中的一个辅助存储装置，它使用一个磁头复制了存储在磁盘上的信息，或者将信息记录在磁盘上。硬盘驱动器技术一直在发展，以适应更高速、更大容量和更小振动等最新的要求。为了满足这些要求，各种研究和发展目前正在进行中，特别是为了实现高速和低振动，在以非接触方式支承主轴马达转动体的流体动力轴承方面进行了广泛的研究。此外，对于移动式和超高速硬盘驱动器等应用场合，如何选用一种流体动力轴承，它能够减小摩擦力和启动力矩、以及轴承性能相对于温度的变化减至最小，在这方面也进行了广泛的研究。

轴承装置通常包括一个承受径向载荷的径向轴承和一个承受轴向载荷的推力轴承。为了减小转动体的振动，径向轴承和推力轴承之间的相对位置是很重要的。也就是说，当径向轴承和推力轴承相互分隔开时，这两个轴承之间的相对位置需设置在一个合乎要求的限度内。

图1表示了一个采用动压轴承的传统的主轴马达。参见图1，主轴马达包括底座11和套筒13。轴15固定在底座11的中央。轴15所插入的一个中心孔成形在套筒13中。在底座11上设有用来产生电磁力的线圈12。在套筒13上设有与线圈12相对应的永磁体14。在轴15的环形外周面和套筒13的环形内周面之间形成了一个轴承间隙。轴承间隙中充满了流体，例如润滑剂或者油脂。

多个槽20以人字形方式成形在套筒13的内周面上。在套筒13转动时，槽20产生出流体动压力以便在轴15的径向上支承着套筒13。槽20成形在套筒13内周面的上部和下部。

尽管在图中没有示出，多个槽成形在套筒13的环形内周面上，面对着轴15上部的凸缘25的上表面和下表面。在套筒13转动时，这些槽也通过产生出流体动压力而在轴15的轴向上支承着套筒13。

当主轴马达应用于硬盘驱动器时，由于为了防止轴承中所用的流体产生泄漏而进行的密封设计使得硬盘驱动器的结构非常复杂。而且，由于粘滞摩擦力所造成的摩擦损失也增加了动力消耗和启动力矩。此外，由于流体动力轴承中使用的流体的黏度因受热而有很大的变化，所以轴承的性能也随着热量而有很大改变，这使得硬盘驱动器的性能随着热量而变得不稳定。实际上，硬盘驱动器工作时所产生的热量可以使硬盘驱动器的内部温度从室温上升到80℃。反之，在低温时，由于流体黏度的增加，难以产生出马达所需的启动扭矩，结果马达可能不能启动。

主轴马达使用径向轴承和推力轴承以分别承受径向的和轴向的载荷。在这种情况下，为了高精度地转动，径向轴承和推力轴承之间的相对位置需要精确地加以设定。然而，这种设定需要大量的时间进行加工和装配，因而降低了生产率。

图2表示了一种能够解决上述问题的轴承结构。图3是图2轴承结构的分解图。图4A至图4C表示了图2轴承结构的装配过程。

参见图2，该轴承结构包括一个带有上下锥形轴30a，30b的旋转轴30，以及包围着旋转轴30的侧面和底面的套筒32a，32b。旋转轴30的截面直径从旋转轴30的中部沿着长度方向朝着其相反的两端而逐渐增大。上述构造的轴承结构具有能够同时承受径向载荷和轴向载荷的优点。然而，如图3所示，为了装配上述的轴承结构，需要将套筒32加工成至少两部分32a，32b；旋转轴30也必须至少分成两部分30a，30b。如图4A至4C所示，在组装过程中，由于组装过程需要至少三个步骤，所以这种轴承结构的加工和组装都存在许多问题。

发明内容

为了解决上述的和/或其它的问题，本发明提供了一种用于磁盘驱动器的带有轴承的主轴马达，其轴承通过使用空气动压力而能够以非接触方式在轴向和径向上同时支承着一个转动体。

为了解决前述技术问题，本发明提供一种用于磁盘驱动器的主轴马达，它包括：一底座；一固定在底座上并且具有中空部分的套筒；以及一可转动地安装在套筒的中空部分中的主轴，主轴具有这样的形状，即它的直径从主轴的中部沿着长度方向朝着其两端逐渐减小，其中，多个槽以人字形的形式成形在主轴的外周面上或者套筒的内周面上，其中，每个槽的截面具有一个从平的下表面延伸的倾斜的侧面。

另外，根据本发明的一个方面，用于磁盘驱动器的主轴马达包括：一个底座，一个固定在底座上并且具有中空部分的套筒，以及一个可转动地安装在套筒的中空部分中的主轴，主轴具有这样的形状，即它的直径从主轴的中部沿着长度方向朝着其两端逐渐减小。

主轴通过连接带有锥形斜面的第一和第二锥形轴所构成；主轴也可以整体成形。

套筒由第一套筒和第二套筒所构成；第一套筒中的第一中空部分的形状与第一锥形轴的形状对应，第二套筒中的第二中空部分的形状与第二锥形轴的形状相对应。

在主轴外周面和套筒内周面之间形成的轴承间隙中充满空气。

多个槽以人字形的形式成形在主轴的外周面上或者套筒的内周面上。每个槽的截面形状是矩形。每个槽的截面形状也可以是锥-平(taper-flat)形，从而其一个侧面从下表面部分开始倾斜。

套筒由氧化铝或氧化锆等陶瓷所制成。

主轴由氧化铝或氧化锆等陶瓷所制成。

附图说明

通过下面结合附图对本发明实施例所作的详细描述，本发明的上述和其它的特征和优点将变得更加清楚，其中：

图1表示了传统的用于硬盘驱动器的主轴马达；

图2表示了传统的轴承结构；

图3是传统轴承结构的分解图；

图4A至图4C表示了图2轴承结构的组装过程；

图5是表示按照本发明一个实施例的用于硬盘驱动器的主轴马达；

图6A和图6B分别是一个视图和一个曲线图，表示了根据主轴外周面倾斜角的变化而产生的空气动力轴承径向和轴向的承载能力方面的变化；

图7是截面图，表示了成形在主轴外周面上的槽；

图8是截面图，表示了成形在套筒内周面上的槽；

图9是截面图，表示了成形在主轴外周面上的具有不同截面形状的槽；

图10是图9中的局部区域A的放大的截面图；

图11是截面图，表示了成形在套筒内周面上的具有不同形状的槽；；

图12A和图12B是曲线图，表示了空气动力轴承的槽分别具有矩形截面和锥-平形截面时在承载能力方面的比较结果；

图13是曲线图，表示了空气动力轴承的槽分别具有矩形截面和锥-平形截面时，根据转速而在刚性方面的比较结果；

图14是图5所示的用于硬盘驱动器的主轴马达的分解图；以及

图15A和图15B表示了图5中的用于硬盘驱动器的主轴马达其中的套筒和主轴的组装步骤。

具体实施方式

在说明书的下文中，相同的参考标记表示相同的结构元件。参见图5，按照本发明实施例的用于硬盘驱动器的主轴马达包括底座100，套筒102和主轴110。具有铁芯和线圈的定子104设在底座100的两侧。套筒102固定地安装在底座100上，主轴110插入其中的中心孔部分202成形在套筒102的中央部分。套筒102包括第一套筒102a和第二套筒102b，它们在垂直方向上连接到一起。套筒102最好由陶瓷制成以进行支承，例如，采用呈现出高耐磨性和耐冲击性的氧化铝、氧化锆。

主轴110转动地安装在套筒102的中心孔部分202中，并且具有这样的形状，即它的直径从主轴110的中部沿着长度方向朝着其两端逐渐减小。主轴110包括在垂直方向上连接到一起的、具有锥形斜面的第一锥形轴110a和第二锥形轴110b。主轴110也可以整体成形。主轴110也最好由陶瓷制成以进行支承，例如，采用呈现出高耐磨性和耐冲击性的氧化铝、氧化锆。其形状与第一锥形轴110a的形状相一致的第一中心孔部分202a成形在第一套筒102a的中央部分；其形状与第二锥形轴110b的形状相一致的第二中心孔202b部分成形在第二套筒102b的中央部分。

在主轴110的外周面与套筒102的内周面之间形成一个轴承间隙，以防止主轴110在转动时与套筒102产生摩擦。轴承间隙中充满了润滑流体。轴承间隙的尺寸为1-2μm。润滑流体使主轴110与套筒102隔开，这样主轴110就可以与套筒102不接触地进行转动。因此，就不会产生对硬盘的记录和复制有着不良作用的“不可重复偏离(NRRO)”。在这个实施例中，使用空气作为润滑流体，它可以减小摩擦损失和启动扭矩，并且可以使相对于温度的轴承性能变化降至最小。

这样，由于主轴110具有这样的形状，即它的直径从主轴110的中部沿着长度方向朝着其两端逐渐减小，于是由主轴110和套筒102所构成的空气动压轴承就可以同时承受径向的和轴向的载荷。图6A和图6B表示了按照本发明实施例的、用于硬盘驱动器的主轴马达中的主轴110，因其外周表面倾斜角θ的变化所引起的空气动力轴承承载能力在轴向和径向的变化。

一个安置磁盘的毂盘120连接至主轴110的上端。带有永磁体和轭架的转子122设置在毂盘120下端的两侧，以便对应着定子104。定子104和转子102通过两者间的相互作用而产生出电磁力，以转动主轴110。

用于产生空气动压力的多个槽130以人字形方式成形在主轴110的外周面上。图7表示了成形在主轴110外周面上的槽130的截面形式。参见图7，每个槽130的截面是矩形。当成形在主轴110的外周面上的槽130是人字形时，由于润滑流体的泵吸作用，在高速的工作范围内就可以获得高刚性和大承载能力，还可以获得转动的稳定性。如图8所示，人字形的槽130也可以成形在套筒102的内周面上。

图9表示的槽具有与图7中的槽130不同的截面形状，这些槽也成形在主轴的外周面上。图10是图9中的局部区域A的放大的截面图。参见图9和图10，多个槽230成形为锥-平的截面形状，其中，每个槽230的截面具有一个倾斜部分230b，它从将要倾斜的底部230a处开始延伸。当槽230成形为锥-平截面形状时，流体的泵吸作用不仅仅可以通过人字形槽230而获得，也可以通过槽230的倾斜部分230b的楔形作用而获得。因此，从低速到高速的整个工作范围内都可以获得高刚性和大承载能力，还可以获得很高的转动稳定性。如图11所示，锥-平截面形状的槽230也可以成形在套筒102的内周面上。

图12A和图12B是曲线图，分别表示了矩形截面和锥-平截面的空气动力轴承的承载能力与偏心度之间的关系。这些结果是通过计算雷诺方程而获得的，所说的雷诺方程是针对每个轴承的以有限差分法(FDM)进行的润滑方程。在图12A中，转速是10,000转/分，轴承间隙是2μm；而在图12B中，转速是15,000转/分，轴承间隙是1μm。参见图12A和图12B，在不超过15,000转/分的整个区域内，带有锥-平截面形状的空气动力轴承具有较大的承载能力，而15,000转/分则是典型的硬盘驱动器的工作范围。

图13是曲线图，表示了分别具有矩形截面和锥-平截面的空气动力轴承其刚性随转速而变化的比较结果。这些结果是通过计算雷诺方程而获得的，所说的雷诺方程是针对每个轴承的以有限差分法(FDM)进行的润滑方程。这里的轴承间隙是1μm。参见图13，具有锥-平截面的空气动力轴承呈现出更高的刚性。

表1表示了传统的流体动力轴承和本发明的带有锥-平截面的空气动力轴承其径向刚性随工作温度而变化的情形。表2表示了传统的流体动力轴承和本发明的带有锥-平截面的空气动力轴承其摩擦损失随工作温度而变化的情形。表1和表2都是雷诺方程的计算结果，所说的雷诺方程是针对每个轴承的以有限差分法(FDM)进行的润滑方程。

                                表1

温度(℃)	20	60	变化率(％)
				流体动力轴承的刚性(牛顿/米)	1054.2	339.07	-67.8
空气动力轴承的刚性(牛顿/米)	31.95	35.66	+11.6

                          表2

温度(℃)	20	60
			流体动力轴承的摩擦损失(毫瓦)	17.5	6.01
空气动力轴承的摩擦损失(毫瓦)	0.0441	0.04876

首先，参见表1，随着工作温度从20℃上升到60℃，传统流体动力轴承的刚性降低了67.8％；而本发明的空气动力轴承的刚性则增加了11.6％。因此，由于本发明的空气动力轴承的刚性表现出随温度的较小变化，所以马达的固有频率随温度的变化也很小。因此，与采用传统流体动力轴承的主轴马达相比，采用本发明空气动力轴承的主轴马达于工作温度变化时在转动精度方面表现出极高的可靠性。

然后，参见表2，在20℃时本发明空气动力轴承的摩擦损失是传统流体动力轴承摩擦损失的0.252％；在60℃时本发明空气动力轴承的摩擦损失是传统流体动力轴承摩擦损失的0.810％。因此，由于本发明空气动力轴承的摩擦损失大大低于传统流体动力轴承的摩擦损失，因而也就极大地减小了功率损耗和启动扭矩。

图14是分解图，表示了图5的用于硬盘驱动器的主轴马达中的套筒和主轴。参见图14，主轴110包括带有锥形斜面的第一和第二锥形轴110a，110b，它们上下连接到一起。主轴110也可以整体地成形和加工。第一和第二套筒102a和102b相对主轴110上下组装。在第一套筒102a中成形有其形状与第一锥形轴110a相同的第一中空部202a；在第二套筒102b中成形有其形状与第二锥形轴110b相同的第二中空部202b；于是，在本发明实施例的用于硬盘驱动器的主轴马达中，套筒102可以包括至少两个部件，而主轴可以包括至少一个部件。

图15A和图15B表示了图5的用于硬盘驱动器的主轴马达中的套筒和主轴的组装步骤。为了组装主轴110和套筒102，首先，如图15A所示，沿着图中箭头所示的方向，将主轴110的第一锥形轴110a插入到设有第一中空部分202a的第一套筒102a中；然后，如图15B所示，沿着箭头所示的方向将第二套筒102b组装到第一套筒102a上，从而使主轴110的第二锥形轴110b插入到第二中空部分202b中。这样，在本发明实施例的用于硬盘驱动器的主轴马达中，最多用两个组装步骤就可以安装好主轴110和套筒102。

如上所述，本发明实施例的用于硬盘驱动器的主轴马达有以下优点；

首先，由于主轴具有这样的形状，即它的直径从主轴110的中部沿着长度方向朝着其两端逐渐减小，因此，由主轴和套筒所构成的轴承可以同时承受径向的和轴向的载荷；

第二，由于使用了空气动力轴承，就可以减小摩擦损失和启动扭矩。而且也可以使随着温度而发生的轴承性能的变化减至最小；

第三，由于多个人字形的槽成形在主轴的外周面上，因此在从低速到高速的整个工作范围内都可以获得高刚性和大承载能力，而且还可以获得很高的转动稳定性；

第四，由于主轴可以整体成形，这就改善了加工和装配性能。

尽管前面结合较佳实施例对本发明作了特定的表示和描述，然而本领域的技术人员都将能够理解，在由权利要求书所确定的本发明的精神和范围内可以作出形式和细节上的各种改变。

Claims (9)

1.一种用于磁盘驱动器的主轴马达，它包括：

一底座；

一固定在底座上并且具有中空部分的套筒；以及

一可转动地安装在套筒的中空部分中的主轴，主轴具有这样的形状，即它的直径从主轴的中部沿着长度方向朝着其两端逐渐减小，

其中，多个槽以人字形的形式成形在主轴的外周面上或者套筒的内周面上，

其中，每个槽的截面具有一个从平的下表面延伸的倾斜的侧面。

2.如权利要求1所述的主轴马达，其中主轴通过连接带有锥形斜面的第一和第二锥形轴所构成。

3.如权利要求2所述的主轴马达，其中主轴整体成形。

4.如权利要求2所述的主轴马达，其中套筒包括第一套筒和第二套筒；第一套筒中的第一中空部分的形状与第一锥形轴的形状相对应，第二套筒中的第二中空部分的形状与第二锥形轴的形状相对应。

5.如权利要求1所述的主轴马达，其中在主轴外周面和套筒内周面之间形成的支承间隙中充填空气。

6.如权利要求1所述的主轴马达，其中套筒由陶瓷所制成。

7.如权利要求6所述的主轴马达，其中陶瓷是氧化铝或氧化锆。

8.如权利要求1所述的主轴马达，其中主轴由陶瓷所制成。

9.如权利要求8所述的主轴马达，其中陶瓷是氧化铝或氧化锆。

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