CN100416684C - 用于流体动力轴承电动机的转子限制件 - Google Patents

用于流体动力轴承电动机的转子限制件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动机，它包括：转子、围绕转子设置的固定套筒、在转子和套筒之间的流体动力轴承以及用于限制转子相对于固定套筒的轴向位移的限制件。

Description

用于流体动力轴承电动机的转子限制件
相关申请的交叉参考
本申请要求由Parsoneault等人于2002年6月21日递交的美国临时申请60/390,382(标题为“用于FDB电动机的转子限制件”)的优先权，该专利内容已被结合在此供参考。
技术领域
本发明涉及流体动力轴承电动机，更具体地涉及具有有限轴向运动的流体动力主轴电动机。
背景技术
磁盘驱动器能够在相对较小区域内储存大量数据信息。磁盘驱动器在一个或多个记录媒质中存储信息，该媒质传统地采取具有许多同心圆记录轨道的圆形存储磁盘(例如媒质)的形式。普通的磁盘驱动器具有用于记录信息的一个或多个磁盘。利用安装在致动器臂上的读/写头将这信息写至磁盘和从磁盘读出，由致动器机构使致动器臂横越磁盘的表面从一轨道运动至另一轨道。
通常，磁盘安装在由主轴电动机转动的主轴上，主轴在读/写头之下通过磁盘的表面。主轴电动机通常包括轴和轴套，一个或多个磁盘连接于该轴和轴套，以及包括形成用于该轴的孔的套筒。连接于轴套的永久磁铁与定子绕组相互作用以转动轴套和磁盘。为了便于转动，在套筒和轴之间通常设置一个或多个轴承。
多年来，存储密度不断地增加，以及存储系统的尺寸不断地缩小。这趋势导致存储磁盘的制造和操作中的精度和公差要求更高。
从以上所讨论的内容，可以理解：支撑轴套和存储磁盘的轴承组件是极其重要的。一种普通的轴承组件包括支撑在一对滚道之间的球轴承，它允许存储磁盘的轴套相对于一固定件转动。但是，球轴承组件具有许多机械问题，例如磨损、振摆和制造困难。并且，因为较小的阻尼，所以对于工作冲击和振动的抵抗也是较差的。
一种可被替代选用的轴承设计是流体动力轴承。在流体动力轴承中，例如空气或液体的润滑流体在壳体的一固定件与磁盘轴套的一转动件之间提供一支承表面。除了空气之外，典型的润滑剂包括气体、油或其它流体。流体动力轴承将支承面扩展到较大的表面积上，这与包括一系列点界面的球轴承组件相反。因为增加支承表面减小了在转动的和固定的部分之间的摆动或振摆，这是所希望的。而且，在界面区域中使用流体给予轴承阻尼效果，这有助于减小非重复的振摆。
流体动力轴承电动机的一实施例被偏磁，也就是说，轴承设计结合有磁偏置回路或构件，以在轴承区域建立和维持流体压力，尤其在其中轴的端部处的间隙中形成推力轴承的设计中。这就不需要在一个或多个电动机构件上提供流体动力沟槽，以便实现相同的目的，这又降低了电动机的功率消耗。但是，这意味着：将电动机的转动部分保持在适当位置的唯一动力是轴向磁力；因此，如果在冲击之下轴向力超过在电动机中的磁力，转子可能偏移和磁盘驱动器将失效。
因此，需要有其中转子的轴向运动受到限制的流体动力主轴电动机。
发明内容
本发明是一电动机，它包括一转子、一设置在转子周围的固定套筒、一在转子和套筒之间的流体动力轴承和一用于限制相对于固定套筒的转子的轴向运动的限制件，其中限制件包括从一固定件突出和进入转子中的凹入部分的一零件。
根据本发明的另一个方面公开了一种磁盘驱动器，包括：一用于可转动地支撑至少一张磁盘的轴套；一固定于和被设置成通过轴套的中心的轴；一围绕轴设置的固定套筒；一在轴和套筒之间的流体动力轴承；一固定于套筒的定子；一固定于轴套的磁性组件；以及一用于限制轴套相对于套筒的轴向移动的限制件，限制件包括靠近从套筒所支撑的一配对板的轴的一端上的一台阶。
附图说明
通过参照附图中所示的实施例可以写出本发明的更具体的说明、以上的概述，以便获得和能够详细理解本发明的以上提到的实施例。但是，应该注意到附图仅仅示出了本发明的典型的实施例，因此并不认为是限制本发明，而是可以提出许多其它等效的实施例。
图1示出了按照本发明的、具有一电动机的磁盘驱动器的一实施例的平面图；
图2是示出了按照本发明的一实施例的磁性偏压的流体动力主轴电动机的垂直剖视图；
图3是示出了按照本发明的一第二实施例的磁性偏压的流体动力主轴电动机的垂直剖视图；
图4是示出了按照本发明的一第三实施例的磁性偏压的流体动力主轴电动机的垂直剖视图；
图5是示出了按照本发明的一第四实施例的磁性偏压的流体动力主轴电动机的垂直剖视图；
图6是体现本发明的又一实施例的电动机的垂直剖视图；
图7是体现本发明的又一实施例的转轴电动机的垂直剖视图；
图8A和8B是用于固定轴电动机内的限制件的另一实施例的局部垂直剖视图和放大图；
图9是用于图8A的实施例中的限制件的放大图；
图10A和10B是结合了本发明的一可被替代选用的实施例的固定轴电动机的局部垂直剖视图和放大图；
图11A是用于例如图6中所示的转轴电动机内的限制件的垂直剖视图；图11B和11D是在图11A中所示的限制件的平面图；和图11C是图11B和11D的限制件的剖视图；以及
图12A和12B是尤其与转轴电动机一起使用的限制件的又一实施例的局部垂直剖视图。
为了便于理解，在可能的地方用相同的标号表示在诸附图中是共同的相同部分。
具体实施方式
图1示出了带有本发明的实施例的磁盘驱动器10的一实施例的平面图。参照图1，磁盘驱动器10包括一壳体基底12和一顶盖14。壳体基底12与顶盖14相结合形成密封环境，以保护内部构件不受处于该密封环境外部所引起的污染。图1所示的基底和顶盖在该工业中是众所周知的；但是，经常使用壳体构件的其它结构，本发明的诸方面不受磁盘驱动器的壳体的具体结构的限制。磁盘驱动器10还包括用磁盘夹18安装在用于在主轴电动机(未示出)上转动的轴套202(见图2)上的一叠磁盘16。一叠磁盘16包括被安装成围绕中心轴线共同转动的一张或多张磁盘。各磁盘表面具有安装于磁盘驱动器10的相关联的读/写头20，用于与磁盘表面传递信息。在图1所示的例子中，读/写头20由挠性件22支撑，该挠性件又连接于致动器26的头安装臂24。图1所示的致动器属于被称为转动线圈致动器的型式，它包括由标号28总体表示的音圈电动机(VCM)。该音圈电动机28围绕枢轴30转动带有它所连接的读/写头20的一致动器26，它用于沿着一路径32将读/写头20定位在所需数据轨道的上方。
图2是按照本发明的偏磁流体动力轴承主轴电动机200的一实施体的垂直剖视图。
该电动机200包括一基底12和一转动组件201，该转动组件包括安装于轴204的一轴套202，用于可转动地支撑一张或多张磁盘205。转动组件201还包括固定于背铁(back iron)207的磁铁206。如果需要，轴套202包括支撑一张或多张磁盘205和磁盘垫圈211的磁盘安装凸缘230。
固定组件203包括带有通过其形成的凹部210的一套筒208。安装在该套筒208上的是一定子212，当激励时定子与轴套202中的磁铁206相互作用，当定子212通电时引起轴204和轴套202围绕固定的套筒208转动。定子212包括磁性材料形成的许多“齿”，其中每个齿被绕组或导线卷绕。
轴承组件232还被设置用来相对于固定套筒208稳定地转动支撑轴204和轴套202。在旋转组件上的一流体动力支承--在此被表示为与轴204一体形成的一锥形支承214--与固定轴颈套筒208的孔上的一支承一起形成一支承表面。或者，通过对这些面对的表面开槽，轴颈支承可以形成在轴204的外表面上和轴颈套筒208的孔上。例如油、空气或气体的流体216引入在轴204的外表面和轴颈套筒208之间。此外，在推力或配对板(counterplate)(在该图中未示出)上的有槽表面可以提供附加的支承表面。
为了建立和保持流体216中的压力以及偏置转动组件，提供包括被支撑在转动组件(其中被装在轴套202上)上的一磁铁206的恒力磁回路(constant forcemagnetic circuit)，该磁铁在离开支撑于固定组件(其中被装在基底12上)上的一导磁钢环218的一间隙的对面。另一磁回路或布置当然是可以的。这一结构具有许多优点；但是，现有技术的偏磁流体动力轴承电动机的一重大缺点是轴向磁力仅仅保持转动组件在电动机内的适当位置。如果例如冲击的其它轴向力超过该磁力，那么转动组件将偏离电动机，导致磁盘驱动器失效。
因此，本发明的目标是通过除了轴向磁力单独作用之外的措施限制转动组件的轴向移动。本发明的一实施例是限制销220，它例如通过压配合或环氧树脂装配在固定套筒208中的孔209内。限制销220以大体垂直于轴套202的角度从套筒208的中点附近突出和进入在轴204的外表面上的环形凹槽222。环形凹槽222通过在轴表面上的缩小的直径形成和具有例如轴直径的四分之一的深度。轴表面上的凹槽222的宽度确定了为当被限制销220啮合时轴204可以轴向移动的程度。
在另一实施例(图3中示出)中，将限制螺钉320拧入基底12内的螺孔321中。或者，螺钉320可以由环氧树脂或压配合至孔321内。在一实施例中，限制螺钉320从基底12、以约45°的角度突出和延伸进入在轴套的外表面的下部上的环形的、倾斜切削形成的凹槽322内。凹槽322从轴套202的底表面325以约45°角度被切削和包括大体平行于螺钉320的端部的表面323。或者，螺钉320能够大体垂直于轴套202的外表面延伸，进入大体垂直于轴204的凹槽322。如图2所示，凹槽322的深度形成了其中轴套可自由运动的轴向范围。
在再一实施例(图4A和B中示出)中，一限制阻挡件(limit block)420例如通过压配或环氧树脂安装入在基底12中的孔419内和以大体垂直于轴套202的角度延伸。该限制阻挡件420从位于离开轴套202的下部423的一间隙421的对过的基底12的一部分突出。阻制阻挡件420延伸进入通过在外轴套表面上缩小直径后在轴套202的下部中形成的一环形凹槽422内。限制阻挡件420例如是如图4B所示的梯形，但可以提供其它等效的几何形状。如在图2和3中所示，凹槽422的宽度形成了其中轴套202可以自由移动的轴向范围。
图5示出了包括在固定套筒508的上部507上的凸缘522的限制件。凸缘522和套筒508之间形成一毛细密封(在此为一离心毛细密封(centrifugal capillary seal))532，用于防止流体从电动机500逸出。凸缘522大体垂直于轴504和从套筒508的外表面向内延伸。凸缘522的端部521延伸在围绕轴504的周边延伸的一凸起532上。由轴504的上部的外径缩小后形成该凸起532。在轴504上的凸起532和凸缘522的下边缘534之间的距离限定了其中轴504可以自由移动的轴向范围。
图6中示出了又一实施例，它是带有支撑轴套612的转轴610的电动机。通过在磁铁614和定子616之间的相互作用引起电动机的转动，从轴套612支撑该磁铁和从基底620支撑定子。磁铁614离开定子616的轴向偏置建立了轴向电磁偏移。在这实施例中的限制件包括最靠近基底620或配对板622的轴的端部处形成的一台阶630。该台阶630可以是与轴610为一整体或被压配在其上。该台阶在套筒640之下沿轴向延伸有限的距离，该套筒从基底620被支撑和又支撑配对板622。如该图所示，它可以至少部分地延伸进入轴向通过轴610形成的再循环通道(recirculation path)642；通常，在轴610的端部或配对板622的面对表面中之一上的凹槽驱动流体朝向轴的中心线650，这引起任何空气泡朝向轴的外边缘和台阶630运动，然后进入该再循环通道；因此台阶突入该再循环通道不妨碍在这实施例上成功地工作。
图7示出了可被替代选用的实施例，其中如以上那样，转轴700支撑轴套702以支撑一张或多张磁盘的转动。轴套在它的内表面上支撑一磁铁704，该磁铁通常与定子706对齐，但在这实施例中是轴向偏移的。在这实施例中，示出电动机被支撑在磁盘的基底710上，并在用于磁盘驱动器的壳体的顶盖之内和之下。按照这方式，将螺钉730拧入通过盖子720，并刚好不与轴的顶表面接触。在螺钉730的底表面和轴700的上表面之间的距离设定了在轴的剧烈状态和类似情况下的移动范围。由此，在很直接了当的方式中保证了该系统防止轴与套筒的不必要偏离或不对齐。
图8A是结合有从环绕套筒支撑的限制件的固定轴电动机的局部剖视图，图6B是相同设计的一部分的放大图。固定轴800具有沿着其轴向分开的两套凹槽802、804，它们形成了用于支撑套筒810围绕该轴转动的流体动力轴承。通过流体812提供这支撑，该流体位于轴800的表面和套筒810的表面之间和被这些凹槽加压，以形成用于转动套筒的支承。
一张或多张磁盘(未示出)从轴套810的外表面被支撑和用夹子820被保持在适当位置中，该夹子被拧入或用螺钉824固定于轴套810。也没有示出的是：通过轴向偏置磁铁和定子建立磁性偏压，类似于图6和7磁铁和定子引起轴套的转动，这是较佳的。
为了防止轴套从固定轴沿轴向偏离，在图6B的放大图中特别清楚地示出的限制件850由粘合剂或通过焊接或任何其它可用的紧固系统被固定于套筒810。限制件850轴向延伸在轴800上形成的肩部860之下。在转子810和轴800之间的间隙842在限制件850的上表面862与肩部860的相对表面864之间连续。表面862、864沿轴向分离，从而在固定的轴和转动的轴套之间形成一径向毛细密封，以在间隙842中保持支撑相对运动的流体。这样，图8A和8B的限制件设计就获得双倍好处。
图9示出了又一实施例。图9示出了图8的实施例的变化型式，其中转动套筒902内的固定轴900支撑了限制件910。在这实施例中，轴900的肩部930支撑了限制件910，该限制件在肩部930和套筒902的肩部940之下沿径向延伸。正如另一实施例的情况一样，为了支撑轴和套筒的相对转动，在轴和套筒之间设置一注满了流体的间隙945，并在形成间隙945的其中一个表面上带有加压流体的凹槽，以支撑平稳转动，以便在间隙945内保持流动。由限制件910和轴900的面对的和沿轴向分开的诸表面形成一贮槽950。通过在限制件910上提供一平的轴向表面952和在该贮槽对面而面对限制件的一轴向分开的表面954最容易实现这一点。还提供一空气孔956，它包括在轴向通过限制件切削的一个或多个孔，用于支持弯液面的形成，该弯液面是注满流体的间隙的端部，和在该间隙中保持流体。在又一修改型式中，在这实施例中提供从转动套筒902支撑的和大体径向朝轴延伸的以及横越小空气隙962而终止的限制件挡板960。提供这限制件挡板以便流体间隙能够围绕限制件910的表面延伸，其中它处于套筒902之下，以致在间隙965中的流体将支撑限制件和套筒的相对转动。间隙965必须围绕限制件、通过套筒的径向的和轴向的面对表面和然后在限制件和限制件挡板960之间延伸，以便对该间隙中的流体提供适当的终端。限制件和挡板的表面966、968分别如图所示扩张，提供终止在弯液面972中的另一贮油槽970。还通过限制件挡板提供空气孔980以进入在限制件和限制件挡板之间的间隙，以支撑弯液面972的建立和保持。
在图10A和10B中示出了又一实施例和图9的实施例的变化型式。图10A示出了由转动套筒1012包围的一固定轴。如同图8和9的情况那样，从轴1010支撑一限制件，它的细节示出在图10B的放大图中。图10B的实施例示出了从基部1020支撑和沿径向延伸的一限制件1020，并处于轴1010的肩部1025之下和相互分开并延伸在套筒1012的肩部1030之下。如图前一实施例的情况那样，在轴和套筒之间的注满流体的间隙1040沿径向延伸在两个方向内、围绕限制件1020的径向端部和向内朝中心轴线延伸，并终止在贮槽1040内。通过限制件1020形成一个或多个孔1050，以有助于在贮槽1040的端部处形成弯液面1055。
按照这实施例，一第二限制件1060从套筒1012沿径向朝内延伸和沿轴向在轴支撑的限制件1020之下。这两限制件处于基底1075 之上，以致限制件1020插入在套筒限制件1060和套筒的肩部1030之间。以这方式，限制件1020被牢固地保持在转动套筒1012之下和套筒支撑的限制件1060之上，以致在冲击之下套筒很难在相对于轴的任一方向上沿轴向移动。
图11A、B和C示出了保持例如图6所示的电动机的轴相对于套筒的轴向位置的另一方法。尤其是，参阅图11A，我们看到套筒1110和在由套筒1110形成的孔1125中转动的轴1120。如以上在图6中所述的再循环路径便于在该系统内流体再循环。为了在冲击状态下将轴在轴向保持于适当位置中，提供了例如在图11B或11C中所示的一保持环。图11C是沿着表示环1130的图11B中的线“AA”的剖视图。因为如图11B和11C中清楚示出，所以该环尤其用于这功能，它是易于安装和制造便宜的零件，并包括不必连接于轴和轴套的浮动设计。这环的横剖面是简单的L形状，如图11C所示，该环被设计成倚靠在配对板1140上和充分沿径向延伸至进入在轴中的狭槽或凹槽1150内的程度。由此，借助于将轴1120放入套筒1110的孔1125内、同时环1130的两部分从两侧插入轴凹槽1150内、然后楔固、焊接或其它紧固方法将配对件1140固定在适当位置，该保持环有助于使自己成为一简单组件，从而利用该环部分1130在轴向保持该轴。
在可被替代选用的实施例中，可以使用环1135(图11D)。虽然组装步骤基本相同，但是这提供了在可以是指向于返回孔的一侧上设置狭槽1170的优点。通过采用这措施，减少了如在该领域中已知的、与来自套筒和轴之间的孔1125的润滑流体自由流动到返回孔1128的任何干扰的可能性。
在图12A和12B示出了又一实施例。在这两图中，示出了轴1200被插入由套筒1220所形成的孔1210内。在图12A和12B中，提供可弯曲环1250或1260。在这两实施例中的差异是在图12A中的环1250的横剖面是圆形的；图12B的环1260的横剖面大体是矩形的。尤其参阅图12A，可以看到在轴1200的外表面中有一凹槽1270，该凹槽的横剖面大体类似于环1250的外表面，以致可以将该环压入该凹槽内，同时轴滑动通过套筒1220。当它到达锁定槽1272时该环被揿扣在适当位置中，部分地位于锁定槽1272内和部分地位于轴的凹槽1270内，从而沿轴向将轴保持在适当位置中。图12B的实施例的设计是类似的，同时环1260被压入大体矩形凹槽1280内，然后被掀扣在套筒1220的狭槽1282内的适当位置中。
因此，本发明完成了限制转动组件在偏磁的流体动力轴承电动机中的轴向移动的任务。尽管在电动机中存在可能超过磁力的轴向力，但是可以发挥这一电动机的优点。
虽然以上针对本发明的实施例进行了叙述，但是不偏离本发明的基本范围还可以设计本发明的其它的和进一步的许多实施例，本发明的范围由以下权利要求书确定。

Claims (27)

1. 一种液体动力轴承电动机，包括：
一转子；
一围绕转子的一部分设置且安装在基底上的固定套筒；
一安装于固定套筒的定子；
一在转子和固定套筒之间的流体动力轴承；以及
一用于限制转子相对于固定套筒的轴向移动的限制件，
所述限制件包括从一固定件突出和进入转子中的凹入部分的一零件。
2. 按照权利要求1的流体动力轴承电动机，其特征在于：结合有限制件的转子的一部分包括在固定套筒内转动的一轴。
3. 按照权利要求2的流体动力轴承电动机，其特征在于：转子还包括：
一由轴可转动地支撑的轴套；以及
一固定于轴套的转子磁性组件。
4. 按照权利要求3的流体动力轴承电动机，其特征在于：转子适合于支撑至少一张磁盘。
5. 按照权利要求4的流体动力轴承电动机，其特征在于：限制件包括突出进入轴套的表面或来自轴套的表面的一零件。
6. 按照权利要求5的流体动力轴承电动机，其特征在于：该零件从螺钉、销钉、挡块和凸缘组成的一组中选择。
7. 按照权利要求5的流体动力轴承电动机，其特征在于：该零件包括从固定套筒突出和进入轴中的一凹部内的一销钉。
8. 按照权利要求5的流体动力轴承电动机，其特征在于：该零件包括从基底突出和进入轴套的外径内的一凹部的一螺钉。
9. 按照权利要求5的流体动力轴承电动机，其特征在于：该零件包括从基底突出和进入轴套的外径内的一凹部的一挡块。
10. 按照权利要求9的流体动力轴承电动机，其特征在于：挡块的形状为梯形。
11. 按照权利要求5的流体动力轴承电动机，其特征在于：该零件包括从固定套筒延伸和进入轴中的一凹部的一凸缘。
12. 按照权利要求11的流体动力轴承电动机，其特征在于：轴内的凹部由具有缩小直径的该轴的一部分形成，它允许该凸缘延伸在该轴上的一凸起之上。
13. 按照权利要求12的流体动力轴承电动机，其特征在于：在凸缘和固定套筒之间形成一毛细密封。
14. 按照权利要求13的流体动力轴承电动机，其特征在于：毛细密封是离心毛细密封。
15. 按照权利要求1所要求的流体动力轴承电动机，其特征在于：转子包括延伸通过由套筒形成的一孔的一轴，以及，限制件包括延伸进入轴内的一凹槽的和被套筒沿轴向限制的一U形件。
16. 按照权利要求15所要求的流体动力轴承电动机，其特征在于：由从套筒所支撑的具有面对轴的一端表面的一表面的一配对板进一步沿轴向限制该限制件。
17. 一种磁盘驱动器，包括：
一用于可转动地支撑至少一张磁盘的轴套；
一固定于和被设置成通过轴套的中心的轴；
一围绕轴设置的固定套筒；
一在轴和套筒之间的流体动力轴承；
一固定于套筒的定子；
一固定于轴套的磁性组件；以及
一用于限制轴套相对于套筒的轴向移动的限制件，限制件包括靠近从套筒所支撑的一配对板的轴的一端上的一台阶。
18. 按照权利要求17所要求的磁盘驱动器，其特征在于：该台阶与轴为一整体。
19. 按照权利要求17所要求的磁盘驱动器，其特征在于：该台阶包括固定于该轴的一端的一圆盘。
20. 按照权利要求19所要求的磁盘驱动器，其特征在于：磁铁从定子偏置，用于对轴提供轴向偏向，以帮助支撑轴的轴向位置。
21. 按照权利要求17所要求的磁盘驱动器，其特征在于：从基底支撑套筒，该套筒还包括一顶盖，以及，将螺钉拧过顶盖、与轴的上表面接触，将螺钉的拧入确定为形成轴和轴套相对于基底和套筒的轴向移动的范围。
22. 按照权利要求21所要求的磁盘驱动器，其特征在于：磁铁从定子偏置，用于对轴提供轴向偏移，以帮助支撑轴的轴向位置。
23. 按照权利要求22所要求的流体动力轴承电动机，其特征在于：限制件是包括第一和第二部分的开口环，这两部分径向插入套筒内的凹槽中和被套筒沿轴向限制在适当位置中。
24. 按照权利要求22所要求的流体动力轴承电动机，其特征在于：限制件包括被支撑的和部分地延伸进入轴内的凹槽中的一环，该环还部分地沿径向延伸进入套筒内的凹槽中，用于保持该轴，以防止相对于套筒的轴向移动。
25. 按照权利要求24所要求的流体动力轴承电动机，其特征在于：套筒内的凹槽的横剖面类似于该环的外表面，该环可被压入该凹槽内，以致可以将轴插入套筒内。
26. 按照权利要求22所要求的流体动力轴承电动机，其特征在于：限制件包括部分地延伸进入轴内的一凹槽中的一U形环，该U形环还部分地延伸进入套筒中的一凹槽或孔内，用于保持轴，防止相对于套筒的轴向移动，U形环中的一开口与套筒内的一再循环通道对齐。
27. 按照权利要求25所要求的流体动力轴承电动机，其特征在于：环的横剖面是圆形或矩形。
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