CN1056193A - 薄型磁盘机电动机 - Google Patents

Abstract

薄型结构的磁盘机电动机和用于磁盘机电动机 等的气体润滑挠性垫支撑构件，电动机包括杯形转 子，转子具有从该杯底部延伸的整体圆柱形部分；圆 柱形延伸部分可以是轴或是环绕着定子绕组的空心 延伸部分。定子可以是普通的定子或是具有一封闭 端和/或杯形部分，以简化结构且无需使用密封件。 定子或转子装有支撑构件，支撑着转子使其相对于定 子转动。支撑构件可以是本文公开的挠性垫支撑构 件，例如挠性垫流体动压轴承或平面或气体润滑挠性 垫支撑构件。

Description

本发明涉及联锁磁盘机的一种结构型式，和可用于磁盘机和其它场合的一种挠性垫支撑构件。

本发明部分涉及驱动磁盘用的一种电动机，特别是涉及一种用于这样一种场合的电动机：在该场合下，该电动机用以驱动一些磁盘，各磁盘的金属盘上形成有磁性层，数据即用配置在各磁盘的上下表面附近的磁头记录在磁盘上以及从磁盘上重现。这类电动机通常叫做磁盘机电动机。

随着旋转磁盘作为电子计算机存储媒体的使用日益增加，形成了对能准确转动和放置磁盘存储器的小型高速磁盘机的迫切需求。这类磁盘机历来采用具有围绕着定子（例如多极定子）的永久磁铁转子的外转子式电动机。授予肖赫（Schok）的美国专利4，599，664即介绍了一种这样的结构。该定子一般有一个单相绕组，该单相绕组产生交变场和辅助磁阻转矩，这个磁阻转矩与电磁转矩共同产生高度稳定的总转矩。转子轴由滚珠轴承结构装设在定子中，转子则固定在电动机轴的外端，形成一悬臂式轴承座。磁盘机固定在电动机轴的另一端。

磁盘机需要有一个能形成精确起支撑作用、使用寿命长的支撑悬臂安装的转子的结构。磁盘机的永久磁铁电动机中历来都建议采用各种具有衬套和滚动元件（例如滚珠）的轴承结构。

在授予塞茨（Seitz）的美国专利4，762，250的背景技术部分中介绍的一种滚珠轴承构件中，有一对轴向间隔一段距离的高精度旋转滚珠轴承固定在定子结构经过机械加工的毂体中。各轴承的外座圈装在毂体内。第一轴承的外座圈固定在毂体中。第二轴承在装配过程中由位于毂体中一环形凹口内的特殊O形环固定在毂体中。两轴承的内座圈都装在电动机轴上，而且与电动机轴上的定位台肩和电动机轴外端上的外毂构件紧靠在一起。在毂体中两轴承之间经机械加工的凹口内设有一个开口钢环。在开口钢环与两间隔一段距离的轴承的各对置的外轴承之间设有适当的扁平弹簧垫圈，以便将各轴承以所要求的精确度和支撑形式有弹性地装配并固定就位。

塞茨的专利还公开了一种杯形转子，该杯形转子放在定子上，转子的轴由间隔一段距离配置的密封的精密轴承支撑着。

虽然市场上出售的电动机目前广泛采用象滚珠轴承之类的滚动元件轴承，然而使用这种轴承却出现一系列问题。举例说，滚珠轴承磨损较快，损坏也快，特别是当装有这些轴承的环境遭受污染时，更是如此。当然，任何依靠转动构件和静止构件之间的滚动或其它硬性接触的支撑结构都是如此。此外，滚珠轴承庞大，这大大增加了磁盘机的径向和竖向尺寸。因此滚珠轴承对磁盘机的成本和可靠性都有不利的影响。所以仍然需要改进转子支撑结构的工作性能。以将成本减至最低。

当然周知可代替滚动元件（滚珠、滚柱和滚针）轴承的轴承有很多。其中主要的有支枢元件轴承和流体动压轴承。此外，本发明人还研制出了一种挠性垫式流体动压轴承，这种轴承有多个轴承垫和一个支撑结构，由支撑结构支撑着轴承垫使其挠曲得形成最佳的流体动力楔子。尽管这些可代替滚动元件轴承的轴承技术近来已有所发展（其中最突出的是本发明人在流体动压轴承技术领域中的成就），但这些技术还没有在磁盘机中得到广泛的应用。这在某种程度上是由于人们未能认识到其它形式的轴承完全可应用到磁盘机上，或未能认识到在轴承技术中最近获得的进步的本质所致。

另一种周知的轴承是所谓气体润滑式轴承。这类轴承是在转轴和静止轴支撑构件的其中之一或两者的表面上形成（一般是通过蚀刻）具一定轮廓的表面制成的。为便于制造，该轮廓通常只在其中一个表面上形成，两对置着的表面的其中一个表面仍然保持光滑。在该支撑表面与转轴（至少其中一个具有一定轮廓的表面）之间保持一个精密的间隙，使得转轴开始转动时流过具一定轮廓的表面的气体变成湍流，而且增压到支撑转轴所需要的程度。若小心维持该容许间隙，使得轴承按设计工作，则转轴与轴承不致接触，而是为增压空气所形成的气垫所支撑。这种气体润滑的轴承结构既可用于径向轴承也可用于止推轴承。此外，还可以采用各种呈一定轮廓的形状，包括锥形、平头锥形、阶梯形、袋形、螺旋槽形和人字形轮廓。一般认为，螺旋形槽的轮廓至少对止推轴承来说可能是最好的。

一般气体润滑的轴承（特别是径向轴承）的主要缺点之一是，为了使间隙保持严格合乎要求的间隙，制造容差要求小。由于气体润滑轴承一般用在小而轻的负荷，而且轮廓的深度可在1/10，000英寸的范围内，因而转轴与支撑构件之间的那个间隙必须非常小。实际上已经主明，要经济地制造得达到如此精密的容差是有困难的。因此，气体润滑轴承尽管有其优点，但仍然未能广泛代替滚动元件和其它类型的轴承。

另一种周知的通常叫做平面轴承或含油轴承的轴承也有类似的缺点。这种轴承仅仅是一个由例如青铜之类的多孔金属制成的光滑衬套。多孔金属中装有油或石墨润滑剂。相对于平面轴承动的元件的支撑表面仅仅在平面轴承经油或石墨润滑过的表面上滑动。但为使磨损均匀并使转轴精确就位，这种轴承必须制造得达到极精密的容差。因此磁盘机中没有广泛应用这种轴承。

如上面所说的那样，其它可代替滚动轴承的轴承结构在商业上还没有成功地应用到磁盘机中。因此滚动元件轴承尽管存在公认的缺陷，但仍然在磁盘机工业中占优势。

磁盘机领域中历来存在的另一种倾向是趋向薄型磁盘机的方向发展，在便携式（可放在膝上的）小型电子计算机领域中，更是如此。人们业已作了种种尝试，试图在不影响磁盘机性能的前提下减小磁盘机外形的垂直高度。授予埃尔萨塞（Elsasser）等人的美国专利4，658，312所公开的内容就是这种尝试的一个例子。这类结构一般采用滚珠轴承以及独立的转轴和转子;这些特点限制了减小垂直高度所能达到的程度，因为，举例说，转子外壳顶部必须厚得足以将其与独立的转轴连接起来。

因此仍然需要有一个可靠、廉价、重量轻的薄型磁盘机。此外还需要有滚珠轴承以外的器件用来支撑薄型磁盘机结构的转轴。最后还需要有一种能经济地加以制造（即无需制造得达到精密的容差）的气体润滑式轴承。

本发明提供一种克服了周知的一般薄型磁盘机电动机存在的缺陷的薄型磁盘机的电动机，具体措施是例如采用经改进的转子和/或定子外壳设计。本发明还提供一种转子或定子上装有挠性垫支撑构件用以支撑转子使其相对于定子转动的磁盘机电动机。挠性垫支撑构件可以是这样一种支撑构件，该支撑构件具有由支撑结构所支撑的轴承，从而形成这里将介绍的流体动力楔子或新型自调整平面或气体润滑的挠性垫支撑构件。此外，本发明还提供一种能消除与滚动元件轴承支撑构件有关的一些缺点的新型挠性垫支撑构件;这种新型的挠性垫支撑构件有许多用途，它可用于本发明的磁盘机电动机中。

本发明的磁盘机电动机包括一转子外壳、一定子和至少一支撑构件;转子外壳上到少装有一个永久磁铁，且转子外壳至少有一个轴向延伸的圆柱形表面部分;定子包括一些定子叠片和绕组，以及至少一个与转子的圆柱形表面同轴且与该表面间隔一段距离的圆柱形表面;支撑构件则用以支撑转子使其相对于定子转动。支撑构件装在转子和定子的其中之一上使其相对于定子和转子中的另一个转动，后者具有一支撑表面。若支撑构件是个挠性垫支撑构件，则它可包括多个基本上刚硬的垫和一个支撑各垫之用支撑结构。该支撑结构系设计得使垫在负荷的作用下按要求挠曲。在流体动压轴承的情况下，这是指通过挠曲使楔子的形成达到最佳。对平面或气体润滑轴承来说，这是指径向挠曲。

挠性垫支撑构件安装在静止构件或转动构件的其中之一上，以便相对于两者中的另一个转动。后者有一支撑表面。挠性垫支撑构件包括多个基本上刚硬的垫和一个支撑各垫用的支撑结构。各垫有一个适宜与相对于其转动的构件的支撑表面接触的垫表面。支撑结构包括一基本上刚硬的支撑各垫的第一支撑部分、一支撑第一支撑部分的薄膜状的第二支撑部分，和一基本刚硬的支撑第二支撑部分使其沿径向运动的第三支撑部分。第二支撑部分只能径向挠曲。支撑结构系配置得使各垫基本上只能够直接朝向或偏离它所接触的表面运动。若要对支撑构件进行气体润滑，则将支撑表面和各垫表面至少其中之一上制成一定的轮廓。该论廓应制成这样的形状，使得转动构件转动时，各垫与支撑表面之间的空气增压，从而使各垫偏离支撑表面并为增压流体膜所隔开。若支撑构件是平面，则至少各垫应由多孔材料制成，最好是诸如青铜之类的金属，同时将油或石墨之类的润滑剂加入多孔金属中。

在一个实施例中，本发明的联锁磁盘机电动机包括一转子外壳、定子和一挠性垫支撑构件;转子外壳有一个其壁呈圆柱形、一端封闭着的杯形部分和一个伸出该封闭端与圆柱形壁同轴的转轴;定子的至少一部分装在该壁与转轴之间的圆柱形空间内;挠性垫支撑构件则用以支撑转子使其相对于定子转动。

在本实施例的一个改进的方案中，定子可以呈杯形，且适宜装入转子中（各杯构件的开口端朝着相反的方向），使得其中无需一套密封件，而且可以进一步减小磁盘机的高度。

支撑转子使其相对于定子转动的挠性垫支撑构件可以是装在径向挠曲垫上因而具有弹性的挠性垫轴承或平面轴承或气体润滑轴承，或是其垫表面或垫运动所相对的支撑表面形成气体润滑式轮廓的组合式气体润滑和流体动压轴承。通常，支撑构件安置在定子与伸出转子的转轴之间。当采用挠性垫支撑构件（无论是流体动压轴承、平面轴承或气体润滑轴承）时，它可以装在定子或转子上。若装在转子上，离心力会使初始间隙变小，但其后果是缓和对制造容差的要求。

在本发明的另一个实施例中，联锁薄型磁盘机可以取这样的结构：定子和转子都构成杯形，且转子除了具有构成其外周边的圆柱形壁外，还具有一圆柱形内壁;定子圆柱形的外周壁伸入转子内外周壁之间的空间内。在本实施例中，挠性垫支撑构件或轴承安装在杯形构件彼此间隔一段距离配置的同轴圆柱形壁之间，即定子的圆柱形周壁与转子的其中一个壁之间。这种结构所采用的轴承类型可以是装在弹性或挠性垫上的滚动元件轴承、挠性垫轴承或气体润滑或平面轴承。这种结构可以使电动机定子取悬臂支撑方式，而且必要时可以无需转轴支撑。这种结构还有一个好处，即只需密封装置的一端。

本发明还涉及一种自调整平面或气体润滑轴承结构，这种轴承结构通常可用以代替滚动元件轴承或其它轴承，而且特别适宜相对于定子支撑本发明的转子。该轴承包括一个垫，该垫为一支撑结构以弹性的方式支撑着，使其径向朝里和朝外向要支撑的构件运动。

支撑结构包括刚硬的第一支撑部分、作为第二支撑部分的挠性膜和间隔一段距离配置的第三支撑部分，使第二支撑构件可象蹦床一样挠曲使垫可以径向朝里和朝外运动但不能在任何其它方向挠曲。支撑构件的尺寸系取得使垫表面处于静止状态时与待支撑的转动构件的表面平贴接触。举例说，若要把支撑构件装在定子上以便支撑转轴，则支撑构件的内径应设计得略小于待支撑的转轴的外径，使得转轴插入支撑构件时使垫向外挠曲然后压在转轴上。由于垫系安装得使其朝转轴径向朝内和朝外地挠曲，而且由于它开始是在间隙为零的情况下装在转轴上，以使各垫预先偏向转轴，因而各垫始终具有朝转轴移的倾向。当支撑构件系固定到转子上以便相对于定子转动时，支撑构件外周边的尺寸最好取得使其与定子支撑表面形成极小的间隙。如果这样做，则可将支撑结构设计得使各垫因离心力而朝外移，使间隙减小到足以形成适当流体膜厚度所需要的程度。这样，支撑结构可以设计得使其起径向取向的弹簧的作用，使各垫朝内或朝外偏移。

在气体润滑支撑构件的情况下，垫表面和待支撑的表面的其中之一或两者形成一定轮廓的形状，使得转子开始转动时，气体（例如空气）通过该具一定轮廓的整个表面，且逐渐增压直至气体压力超过支撑结构的特性硬度为止;在此情况下，即达到气体压力变得足以使第二支撑部分的薄膜挠曲为止。这时，垫开始精确地偏离待支撑的表面径向向外挠曲，从而使垫与待支撑的表面之间形成增压气体膜。最后达到平衡状态，于是转轴就支撑在增压气体膜上，不与支撑表面接触。离心力将各垫移向支撑表面时，气体压力抵消各垫径向向外移动的倾向。实际上，流体膜几乎是瞬时形成的。

在平面轴承的情况下，垫表面和支撑表面都光滑，而且它们至少有一个是由通常是金属的多孔材料制成的，里面充有象油或石墨之类的润滑剂。

轮廓可采用各种形状，包括锥形、平头锥形、阶梯形、袋形、螺旋形和人字形轮廓。用作径向轴承时，人字形轮廓结构较易制作，而且效果良好。因此建议径向轴承采用人字形结构。另一方面，轴承是止推轴承时，最好的结构可能是螺旋槽轮廓结构。

本发明的平面和气体润滑轴承结构之所以能避免上述周知的平面和气体润滑轴承所遇到的问题，在于支撑构件无需制造得使其达到周知结构所要求的精密容差。相反，垫与待支撑的转轴之间的间距是自动调节的;在气体润滑轴承的情况下，自动调节是通过气体压力与各轴承垫的弹性支撑结构的相互作用进行的。

本发明还涉及结构和工作情况与上述气体润滑轴承类似的流体动压气体润滑轴承，但这种轴承具有促使轴承垫形成相对于支撑表面的流体动压楔子的支撑结构。要实现这种挠曲作用可采用各种不同的支撑结构，包括本文所述的那几种。

按照本发明的另一个方面，挠曲垫支撑结构可加以改进得使其可以使各垫能与定子接触的形式装到运动构件或转子上。本发明还涉及能实施这种结构的转动垫支撑结构。

当本发明的磁盘机中采用挠性垫支撑构件（无论是楔型的或是具轮廓表面型的）时，最好采用非磁性材料例如非金属材料制成的轴承，这样，作用在电动机内的磁力就不会影响轴承的性能。

本发明的流体动压，平面或气体润滑支撑构件可采用任何一般工艺进行制造。例如，各垫和支撑结构可用模制、挤压、激光切削、喷水切削或电火花加工的方法来制造。此外在转动构件或支撑构件上形成轮廓特别有利的一个方法是所谓的光切削工艺，这种工艺是把光致抗蚀薄膜放在转轴上，再用特殊射线来蚀刻转轴金属。

本发明的气体润滑轴承利用转轴或垫表面上形成的轮廓所产生的空气膜来产生因转轴高速转动而吸入沟槽的高粘度摩擦的气流。转轴就浮在如此形成的空气膜上。

这种结构使薄型磁盘机的结构既简单又可靠。在定子与转子之间设挠性支撑构件而不设滚珠轴承改善了支撑作用，而且成本只有滚珠轴承的几分之一。此外，那些使转轴支撑在流体薄膜上的挠性支撑构件，其使用寿命比滚珠轴承长得多。特别是，初步试验表明，本发明的支撑构件的使用寿命比滚珠轴承长许多倍。

此外，本发明的联锁结构使用的部件较少，其外壳结构更大程度上允许模式组件，因而装配起来比一般结构容易。

图1是本发明磁盘机略带示意性质的剖面图。

图2是本发明另一个实施例的剖面图。

图3A是本发明转轴支撑构件的剖面图。

图3B是图3A的转轴支撑构件的轴向视图。

图4A是本发明另一个转轴支撑构件的部分剖视图。

图4B是图4A转轴支撑构件另一不同部分的剖面图。

图4C是图4A和4B的转轴支撑构件的轴向视图。

图5是本发明的另一磁盘机略带示意性质的视图。

图6是本发明另一磁盘机略带示意性质的剖面图。

图7A是本发明转动转轴支撑构件的轴向视图。

图7B是图7A的转动转轴支撑构件的部分剖视图。

图8A是本发明另一转轴支撑构件的轴向视图。

图8B是图8A转轴支撑构件的部分剖视图。

图8C是图8A转轴支撑构件另一不同的部分剖视图。

图9A示出了另一磁盘机略带示意性质的部分剖视图。

图9B示出了还有一个磁盘机略带示意性质的部分剖视图。

图10A是在轴承垫上形成的人字形轮廓的部分透视图。

图10B是在轴上形成的人字形轮廓的部分透视图。

图10C是转轴上形成的锥形轮廓的部分透视图。

图1示出了本发明的第一种磁盘机电动机。该磁盘机电动机包括转子10、一个有电动机绕组的定子20、一对静止的转轴支撑构件30、一个处在转轴支撑构件30之间的油腔35和一对密封油腔35的密封装置，例如铁磁流体密封件40。转子可由金属或非金属材料制成，通常以铝为宜。

转子10和定子20的电磁部件是一般的电磁部件。特别是，外壳配备有多个永磁扇形体或单体磁性扇形体11，这是本技术领域所周知的。定子20包括定子叠片22和定子绕组21，这也是本技术领域所周知的。当往定子绕组加电流时，绕组的电磁场与永久磁铁的磁场相互配合产生驱动转子的电磁转矩。

本发明特别着重于定子和转子以及支撑着转子使其相对于定子转动的支撑构件的结构布局。

图1示出了本发明的第一实施例，其中转子10有一个杯形的外壳和一个中心轴部分。静止的转轴支撑构件30（这下面即将详细谈到）支撑着转子10的中心轴部分使转子10转动。

中心轴部分与转子10构成一个整体，由于无需将分立的转轴连接到转子上或就许多磁盘机而言无需使转子与静止轴之间配置轴承，因而减小了部件的数目，而且简化了磁盘机的结构。

此外，由于转子10的顶部部分无需象现有技术的各结构那么厚，因而可以减小磁盘机外形的垂直高度，而在现有技术的结构中，转轴是借压配合或丝扣固定到转子顶部的。另外还可以以减小装置的重量，由于转轴是整体连接到转子上的，因而必要时可将转轴内部制成空心（如图1中的剖视部分所示），以减轻重量。

若要在转轴部分形成特定的面层或轮廓，最好采用整轴部分作为具有所要求的面层或轮廓的分立轴套的装配柱。举例说，若想在转轴上形成与气体润滑轴承配用的一定轮廓（这下面即将谈到），可以在转子10的转轴部分上装设一个其表面蚀刻成所要求轮廓线的分立衬套12（如剖视部分所示）。当然，该转轴部分的径向尺寸就必须缩小以适应衬套的径向厚度。这种结构比起那种需要形成某一轮廓线或其它面层时直接在转子的转轴部分形成轮廓线的作法更为理想。虽然这种结构需要增设衬套这个部件但它比起普通的结构具有一系列优点，因为装衬套的那个转轴部分与转子的其它部分连成一个整体。具体地说，仍然可以获得较薄的外形，而且还可以将转轴部分制成空心。

图2示出了本发明的另一个磁盘机电动机。该磁盘机电动机的联锁式结构总的说来与图1所示的类似，只是定子20呈杯形而不是呈环形。换句话说，定子包括一整体的底座或帽盖部分。这种结构由于部件的数目减少了而且与大部件连成一个整体的较小部件可制成模件式的结构，所以进一步简化了电动机的装配工作。由于定子做成杯形整体，因而在装置的一端无需加铁磁流体或其它密封件40。这是因为由于采用了整体的或帽盖形的结构，定子的封闭端不会漏出流体。另外还可利用定子的封闭端作为支撑止推轴承50的表面。可以采用任何周知的止推轴承，然而要取得良好的效果，最好采用流体动压止推轴承，特别是本发明人所研制出来的挠性垫止推轴承。

如上面就图1和图2所进行的说明那样，到此为止所述的磁盘机电动机结构个个都包含挠性垫静止轴支撑构件30。按照本发明的一个重要方面，这些转轴支撑构件无需使用滚珠轴承来支撑中心轴部分。挠性垫支撑还有许多其它优点：寿命长，噪音小，摩擦力小，转轴的定位和对中情况更好，廉价，稳定性和缓冲性能更好，径向壳层小。转轴支撑构件可以是流体动压轴承，例如本发明人研制的挠性垫轴承。这些轴承具有多个轴承垫，各轴承垫由支撑结构支撑着，以便在负荷作用下挠曲，从而在转轴与轴承垫表面之间形成楔子。该轴承可装在转子上也可装在定子上，这视乎各轴承垫相对于支撑结构的取向而定。例如，若轴承装在图1转子10的转轴部分，则各轴承垫必须径向安置在支撑结构外;相反，若轴承装在定子上，则各轴承垫应径向安置在支撑结构内。

按照本发明的一个方面，本发明人所研制的那种流体动压轴承可按下面所述加以改进使其具有气体润滑的作用。这基本上是在流体动压轴承垫表面或相对于垫运动的支撑表面上形成一定的轮廓线（下面即将谈到）。

本发明还涉及可用以代替流体动压挠性垫轴承的不同类型挠性垫转轴支撑构件。这种转轴支撑构件是个自调整平面或气体润滑转轴支撑构件，下面将参照图3A、3B、4A、4B、4C、10A、10B和10C就这种转轴支撑构件进行说明。和液体动压轴承不一样，这些转轴支撑构件系设计得使其直接径向朝向或偏离转轴挠曲，以便适应转轴的运动而不致在支撑垫与毗邻支撑垫的表面之间形成楔子。这样，支撑结构起一系列弹簧的作用，各弹簧支撑着支撑垫，使其径向运动。

图3A和3B示出了本发明的第一种自调整平面或气体润滑静止轴支撑构件。为清楚起见，在画有转轴支撑构件的这些和其它图中，支撑结构中的开口和打上阴影。此外在图3A和3B中，应该理解的是，转轴支撑构件的内径绕着待支撑的转轴。转轴构件支撑的外径则远及定子处。下面将谈到的图4A-C的转轴支撑构件也是如此。

该平面或气体润滑转轴支撑构件包括转轴支撑垫31和支撑结构32、33和34。垫31有一个系平面或气体润滑轴承结构的一部分的表面，下面即将谈到。该支撑结构使平面或气体润滑轴承具有现行平面或气体润滑轴承所没有的自调整弹性特性，且包括作为第一支撑部分32相对于转轴支撑垫31安置在中央的短截杆、一薄膜状的第二支撑部分33和由一对连续的支撑杆或臂34所界定的第三支撑部分。支撑结构32、33、34相对于支撑垫31中性配置，从而阻止支撑垫31进行纯径向以外的挠曲。特别是，支撑垫31在径向方向的厚度较大，且圆周尺寸极大，因而可以阻止径向、轴向或圆周方向的挠曲。同样，第一支撑部分32和臂34（由于其径向和圆周尺寸而）刚硬，因而不易挠曲。但如从图3A中可以特别清楚看到的那样，延伸在各臂34之间并支撑轴承垫31和第一支撑部分32的短截杆的圆形膜33，沿径向的厚度很小，因而易于挠曲。

如上所述和各附图中所示，图3A、3B、4A、4B和4C中所示的支撑结构在结构上是中性的，即它们都没有向任何方向挠曲的倾向。因此力作用到支撑垫31上时，它通过第一支撑部分32直接作用到连续膜33中部，从而使膜33以蹦床的形式直接径向挠曲。当然，薄膜的实际挠曲量很小，但这就足以可滑动地支撑转轴。这样，轴承垫31就能象弹簧一样径向向里和向外挠曲，以达到以最佳方式支撑转子10的转轴部分的目的。支撑结构由于是中性结构，因而支撑垫31在任何方向都没有挠曲的倾向。因此和本发明者以前的挠性垫轴承不一样，各垫没有挠曲形成流体动压楔子的倾向。

各垫的表面以及它们运动所相对的支撑表面可以是个平面。在这种情况下，其中一个表面应由多孔材料制成，多孔材料中充以象油或石墨之类的润滑剂。

但按照本发明的一个重要方面，无论是其垫挠曲以形成楔子的流体动压轴承或是上述径向弹性挠曲垫结构都十分理想地适宜支撑气体润滑轴承从而使气体润滑轴承自行调整。为实现气体润滑轴承的功能，对垫表面或垫所支撑的表面或者上述二者进行蚀刻，以形成具有一定轮廓线的表面。图10以略带示意的性质示出一轴承垫31上形成的人字形轮廓。同样，图10B示出了在转轴上形成的人字形轮廓，图10C示出了在转轴上形成的锥形轮廓。所有这些图都是示意性质的，各轮廓的尺寸都是以大大夸大了的形式表示出来。实际上，各轮廓的深度可能只有百万分之100-300英寸。具一定轮廓的表面可取各种形状，包括锥形、截头锥形、阶梯形、螺旋槽和人字形轮廓形。将表面制成一定的轮廓，其目的是使转轴高速转动时被吸入槽中的空气或其它气体增压。气体增压时，转动构件与定子之间就有空气膜形成，此空气膜起支撑定子上的转动构件的作用。

本发明的轴承与其它平面或气体润滑轴承不一样，无需加工到精密的容差以便在该具一定轮廓的表面与它所支撑或被支撑的表面之间形成特定间隙。这是因为，各支撑垫是由这样的一种支撑结构支撑着的，该支撑结构系设计得使其挠曲，从而在气体润滑流体动压轴承的情况下根据气体润滑轴承具一定轮廓的表面内所产生的压力形成楔子，或在上述中性结构的情况下径向向外或向里挠曲，或者在平面轴承的情况下使各垫偏移使其与支撑表面始终接触。因此，按照本发明，各支撑垫的尺寸可取得使转轴静止不动时处于与要支撑的构件接触的零间隙状态。一般说来，这是通过将各支撑垫的尺寸取得使各支撑垫和它们所支撑的表面形成压配合。举例说，若要将支撑构件装在定子上以支撑转轴，则支撑构件的内径就要设计得使其略小于待支撑的转轴的外径，从而当转轴插入支撑构件时，使各垫向外挠曲，然后压在转轴上。由于该垫系安装得使其径向向内和向外朝转轴挠曲，而且由于垫开始时系装配得使其在转轴上的间隙等于零从而使各垫预先朝转轴偏移，因而各垫始终具有朝转轴偏移的倾向。这对平面轴承来说是极为理想的。在气体或空气轴承中，当转轴开始转动时，具一定轮廓的表面中就有压力产生，这种压力促使各垫径向向外挠曲到正好对转轴起支撑作用所需要的挠曲量。将支撑结构设计得使其径向特性硬度在转轴最初开始转动时小于增压气体的特性硬度，而在转轴支撑处于最佳情况时与增压气体的特性硬度相等，就可以确保轴承具有所要求的性能。当支撑构件是装在转动构件上使其相对于静止支撑表面运动时，则最好是将支撑构件的尺寸取得使支撑构件与支撑表面具有一定的间隙。在这种情况下，支撑结构就可以设计得使各垫根据离心力的作用径向向外移动，以占据过量的间隙。

当转子开始转动时，气体（例如空气）通过整个具一定轮廓的表面，而且逐渐增压，直到气体压力超过支撑结构的特性硬度为止，在此情况下，即气体压力大得足以使第二支撑部分的薄膜挠曲为止。这时，该垫开始精确径向向外偏离待支撑的表面挠曲，从而使该垫与待支撑的表面间间形成增压气体膜。最终达到了一种平衡状态，转轴就支撑在增压气体膜上，而与支撑表面不相接触。实际上，该流体膜几乎是瞬时形成的。

在气体润滑支撑构件或轴承用来支撑本发明的磁盘机的转子的情况下，采用人字形轮廓表面效果最佳。这是因为，人字形无论在转轴上或在垫表面上都较易形成，而且能因此产生高粘度的空气，从而使工作效果良好。图10A和10B分别示出了在轴承垫31和转轴10上形成人字形轮廓的例子。图10C示出了在转轴10上形成的锥形轮廓。该轮廓由许多深度约为百万分之100-300英寸、宽度在0.05与0.10英寸之间的槽组成。这些槽可用任何周知的方法形成，但最常用的方法是蚀刻法。另一种周知的方法是光切削法;这种方法是将光致抗蚀薄膜或模板安置在转轴或支撑构件上，然后用激光之类的特殊射线蚀刻不为模板或光致抗蚀薄膜所保护的金属。

预计沿这些轮廓制造用于本发明的磁盘机的轴承，其载荷能力应在10与15磅/平方英寸之间。这应付磁盘机轴承所受到的载荷是绰绰有余的了。因此本发明的目调整气体润滑轴承用于本发明的薄型磁盘机结构特别理想。

图4A、4B和4C中示出了另一种静止轴支撑构件。这种静止轴支撑结构与图3A和3B中所示的类似，只是第三支撑部分34是由彼此间隔一段距离的杆或臂而不是由连续的圆柱形杆或臂形成的。尽管有这个不同点，但第二支撑部分或膜33仍然在间隔一段距离的臂34之间延伸，而且结构仍然是中性的，因而垫31能够进移出但不会挠曲。因此垫支撑构件的性质实质上与图3A和3B实施例的相同。同样，垫表面与待支撑的表面之间平面或气体润滑轴承结构与上述的相同。图4A-4C结构的一个优点是，必要时易于模制。这是因为，如图4C所示的那样，该支撑没有隐蔽的空腔。因此这种结构用一个由两个半模组成的简单模具即可制成。

图5示出了本发明的另一种磁盘机。图5的磁盘机结构与图1的类似，只是这种磁盘机包括能与转子的转轴一起转动的转轴支撑构件130，而不包括静止轴支撑构件。下面结合图7A、7B、8A、8B和8C说明适当的转轴支撑构件的一些例子。不然也可以采用流体动压挠性垫轴承。无论挠性垫支撑构件或轴承取那种形式，各垫必须在支撑结构的径向外部。

图6示出了本发明的另一种联锁磁盘机结构。这种磁盘机结构与图2的相似，只是它包括与转子一起转动的转轴支撑100而不包括图2结构中所用的那种静止轴支撑30。这里也可采用图7A、7B、8A、8B和8C中所示的转轴支撑构件或流体动压挠性垫轴承。

图7A和7B示出了用于图5和6所示的那种和别处的磁盘机的第一种自调整平面或气体润滑转动轴支撑构件。图7A和7B的转轴支撑构件是准备装在图5和6中所示磁盘机的转子10的中心轴部分的。该磁盘机定子20的内径上还设有一光滑的圆柱形衬套23。衬套23有一个光滑或具一定轮廓的支撑表面，供装设转动支撑垫（下面即将谈到）之用。必要时可在定子上直接形成该支撑表面。

转轴支撑构件130有一个基本上呈圆柱形的外部横断面。外部横断面由三个周向转动垫部分31组成。转动垫部分131较厚，有二个原因。第一，由于厚，因而转动垫部分131不致挠曲。此外，由于厚，因而增加了转动垫部分131的质量，从而使转轴转动时，具有将转动垫部分131往外拉的倾向的离心力增加。如上所述，由于各垫131具有向外挠曲的倾向，因而这些轴承的尺寸可以取得使轴承与支撑转轴之间具有间隙。在这种情况下，离心力与气体压力平衡时会使膜具有适当的厚度而无需使容差达到精密的程度。

支撑转动支撑垫131的支撑结构132-134与用以支撑图3和4的转轴支撑构件的支撑垫31的静止支撑结构相似。当然，由于各支撑构件的取向相反，因而它们有不同的地方。转动垫部分131支撑在起第一支撑部分的作用的短截支撑杆或支座132上。支撑杆132（由于其径向和圆尺寸的缘故）非常刚硬，因而它不会挠曲。第一支撑杆132和转动垫131支撑在起第二支撑部分的作用的连续膜133上。膜133在径向上非常薄（因而在该方向上可以挠曲），且在起第三支撑部分的作用的各支撑杆或臂134之间延伸。支撑臂134刚硬，因而薄膜133以蹦床的形式受到支撑。在图7A和7B所示的实施例中，支撑杆或臂134是一些连续的圆柱形构件。

图7A和7B转轴支撑构件的结构是中性的（即平衡的），因而所产生的挠曲仅仅是膜133的径向向里和向外的挠曲。由于这种挠曲，因而转动垫部分131能按要求径向向里和向外移动，以便支撑光滑或具一定轮廓的定子表面23。因此，当转子10转动时，附装在转子上的转轴支撑构件130也转动。由于支撑构件130转动的结果，作用到转动垫131的离心力必然迫使转动垫向外趋向定子的光滑表面。若支撑构件或轴承系设计得与定子压配合，则所产生的气体压力必然足以克服支撑结构的离心力和弹力。若支撑构件或轴承与支撑表面之间有间隙，则只须克服离心力。在两者的情况下，所产生的气体压力必然促使垫表面和支撑表面分开，即促使垫表面偏离支撑表面。

在转动垫131与其转动所在的表面之间可以形成气体润滑轴承结构。具体地说，转动垫及其转动所在的表面两者或其中之一可形成一定的轮廓。轮廓的形状和作用与上面谈到的以及例如图10A、10B和10C所示的一样。垫131可设计得，即其尺寸可取得，使其与它们转动所在的表面在转轴静止时接触，或具有间隙。举例说，各垫可设计得使其与定子表面压配合。当转轴（因而各垫）开始转动时流过各槽的空气的压力就增高到使各垫向内挠曲和按上述就图3A、3B、4A、4B和4C的静止轴支撑构件所述同样的方式将各垫（和转轴）支撑在空气膜上所需要的程度。

不然的话各垫和/或支撑表面也可以具有上述那种装有润滑剂的平面表面。同样，如果预先使各垫偏移使其与支撑表面接触，则会给这种结构带来好处。

图8A、8B和8C所示的转轴支撑结构与结合图7A和7B所示和上述的转轴支撑结构类似。两结构之间的区别主要在于支撑杆或臂134的结构。具有地说，在图8A和8B的结构中，采用了轴向延伸的杆或臂134，而不采用图7A和7B的连续周向臂。尽管有这种差别，转轴支撑构件的工作情况实质上相同。具体地说，转动垫131、第一转动支撑部分132和轴向杆或臂134都是刚硬的，延伸在臂部分134之间的薄膜133势必径向向里和向外挠曲。于是转动垫131因转动所产生的离心力使转动垫131本身必然朝外挠曲。通常，转动垫131系设计得使其在转子静止时与定子20的平滑或具有一定轮廓的转动表面23接触，即与该表面压配合。

对于气体润滑支撑构件来说，转动垫表面或其转动所在的表面（支撑表面）或两者之上形成一定的轮廓，使得在该两表面之间产生如上所述的气体轴承的作用。此外，由于转动垫的挠性支撑作用，因而无需将各气体轴承元件加工到原先所要求的精密容差。转动时，转动垫131的朝外运动会自动将自身调整，以便在转动表面与转动垫131之间以上述方式形成流体膜。

图9A和9B示出本发明另一种联锁磁盘机电动机的配置方式。和前面所述的磁盘机一样，这种磁盘机包括一转子10、一具有电动机绕组的定子20和象铁磁流体密封件之类的密封结构40，用以在转子与定子之间进行密封。但在本实施例中，具有联锁外壳和支撑元件（滚动元件轴承、挠性垫轴承、气体润滑轴承等）的定子和转子系装在电动机结构的外周边上。

转子10有一杯形的外壳，但不包括中心轴部分。相反，转子包括一内杯部分10A，永久磁铁的扇形部分或单磁元件11即装在该内杯部分10A上。内杯部分10A围绕着各定子绕组和定子叠片，且与转子10的外周边间隔一段距离，形成环形间隙。

按照本实施例，定子20也有一个杯形外壳部分，该杯形外壳有圆柱形壁27。圆柱形壁27的尺寸系取得使其可以装进转子10处周边与内杯形构件10A之间的环形间隙中，如图9A和9B中所示。借助于这种结构，转子10就可以借助于图9A所示的组合式的具一定角度的径向止推滚动元件轴承装置31（最好是具有弹性）或借助于图9B在30处所示意示出的挠性垫支撑构件（例如流体动压轴承、平面轴承或气体润滑构件）装在定子20上转动。图9B的结构中还设有上述那种止推轴承50。止推轴承50最好如图所示与密封的外壳一起配置。

这种结构可形成极薄的外壳，且可将转子支撑得更靠近电动机结构的外周边，从而使支撑更稳定。此外还可以采用较大的滚动元件轴承（在其它配置方式中，所能使用的滚动元件的大小受到轴直径的限制），因而消除了小滚动元件轴承所引起的一些缺点。另外，由于采用了双杯联锁结构，因而只需用一个密封件。再有，虽然图中没有示出，由于采用了图9A和9B的结构，因而有可能完全不用转轴构件。如果这样做的话，则定子绕组必须配以某些类型的悬臂或其它支撑。

虽然图9A和9B的结构可以采用具有一定角度的径向止推滚动元件轴承装置31（最好带有弹性）或挠性垫轴承30，但采用挠性垫轴承或支撑构件会得出更好的效果，这包括延长使用寿命，减小噪音，改善转轴的对中和定位情况，改善稳定性和阻尼效果，降低成本以及能在较小的径向范围内工作。上述那些轴承，无论是流体动压挠性垫轴承、平面轴承或是气体润滑挠性垫支撑（无论是静止垫，还是转动垫型）都可以采用。但这种结构具有这样一个优点：由于各轴承系在径向朝外的位置上安置的，因而可采用更大、性能更好的滚动珠轴承，例如上面所述的取一定角度的滚珠轴承配置方式。

Claims (30)

1、一种驱动磁盘用的电动机，其特征在于，它包括：

一转子外壳，该转子外壳上至少装有一个永久磁铁，且该转子外壳包括一杯形部分，该杯形部分具有一圆柱形外壁、一封闭端和一从该封闭端伸出的圆柱形外周边的内部分，该内部分基本上与该圆柱形外壁共轴线，以在圆柱形外壁与内部分之间形成圆柱形空间。

一定子，该定子包括定子叠片和定子绕组，且其至少一部分装配在转子所形成的圆柱形空间中，

至少一个支撑构件，延伸在定子和转子之间，用以支撑转子，使转子相对于定子转动。

2、如权利要求1所述的电动机，其特征在于，该内部分是个整体的转轴部分，且支撑构件在整体转轴部分与定子之间延伸，以便支撑转子，使转子相对于定子转动。

3、如权利要求2所述的电动机，其特征在于，支撑构件固定到转轴部分上，使其相对于定子转动，且定子有一个支撑表面，定子即支撑在该支撑表面上。

4、如权利要求3所述的电动机，其特征在于，支撑构件是个自调整气体润滑挠性垫支撑构件，该支撑构件包括多个支撑垫和一支撑各支撑垫的支撑结构，各垫的垫表面适宜与定子支撑表面接触，该支撑结构包括：

一基本上刚硬的第一支撑部分，该部分包括多个刚硬的短截杆，每条杆支撑着其中一个垫;

一第二支撑结构，包括至少一挠性薄膜，第二支撑结构支撑着各短截杆;和

第三支撑结构，包括多个支撑第二支撑结构的刚硬杆，以便使第二支撑结构径向挠曲;

支撑结构的尺寸和配置方式系取得基本上阻止垫除了直接趋向和偏离其所接触的定子的表面以外的运动;和

定子支撑表面和垫表面的至少其中一个上形成有一轮廓，使得转轴转动时，轮廓内的空气因各垫相对于定子的运动而增压，从而迫使该垫离开定子，于是转轴就支撑在垫表面与定子支撑表面之间的增压空气膜上。

5、如权利要求1所述的电动机，其特征在于，支撑构件是个流体动压挠性垫轴承，该轴承包括：

多个在圆周方向上间隔一段距离配置的垫和一支撑各垫的支撑结构，该支撑结构包括多个杆状构件，该杆状构件配置得使其支撑各垫，使各垫根据转轴的转动而挠曲，从而在轴转动时，在垫与相对于垫运动的表面之间形成流体动压楔子。

6、如权利要求5所述的电动机，其特征在于，它还包括在各轴承垫上形成的轮廓，从而使轴承起组合式气体润滑流体动压轴承的作用。

7、如权利要求1所述的电动机，其特征在于，内部部分是个空心的圆柱形延伸部分，该圆柱形延伸部分具有一内壁，永久磁铁即装在该内壁上，该内部部分环绕着各定子绕组;且定子包括一杯形壳体部分，该壳体部分具有一个由轴向延伸的圆柱形壁所界定的圆柱形外周边，该圆柱形壁的径向尺寸使其可套在转子内部分的外周边与转子圆柱形外壁内部之间。

8、如权利要求7所述的电动机，其特征在于，支撑构件在圆柱形外壁内表面与杯形定子壳体部分圆柱形壁外表面之间延伸。

9、如权利要求7所述的电动机，其特征在于，支撑构件在定子杯形外壳部分周边壁内表面与转子内部分外表面之间延伸。

10、如权利要求1所述的电动机，其特征在于，支撑构件全由非金属材料所制成。

11、一种驱动磁盘用的电动机，其特征在于，该电动机包括：

一转子外壳，其上装有至少一个永久磁铁，且包括至少一个轴向延伸的圆柱形表面部分;

一定子，包括定子叠片、定子绕组和至少一个圆柱形表面，该圆柱形表面与转子的圆柱形表面共轴线，且与该表面间隔预定距离;

至少一个挠性垫支撑构件，用以支撑转子，使转子相对于定子转动，挠性垫支撑构件装在转子和定子的其中之一上，以便相对于定子和转子中的另一个转动，后者具有一支撑表面，该挠性垫支撑构件包括：

多个基本上刚硬的垫和一支撑各垫的支撑结构，各垫有一适宜与该垫相对转动的构件的支撑表面接触的垫表面，该支撑结构包括一支撑各垫的刚硬杆、一径向挠曲薄膜支撑着该刚硬杆和垫，以及一对支撑着薄膜两端的刚硬杆，使得该薄膜可以径向朝里和朝外挠曲，一在该垫表面和该支撑表面至少其中一个上所形成的轮廓，该轮廓的形状系取得使其在该轮廓转动和以后各垫偏离各支撑表面挠曲时使空气增压，从而在各垫与支撑表面之间形成增压空气膜。

12、如权利要求11所述的电动机，其特征在于，挠性垫支撑构件固定到转子上，并相对于定子转动。

13、如权利要求11所述的电动机，其特征在于，挠性垫支撑构件固定到定子上，且转子上形成有支撑表面，以便使支撑表面转动。

14、一种挠性垫支撑构件，用以相对于一静止构件支撑一转动构件，该挠性垫支撑构件装在静止构件和转动构件的其中之一上，以便相对于转动构件和静止构件的其中另一个转动，后者有一支撑表面，该挠性垫支撑构件包括：

多个基本上刚硬的垫和一支撑各垫的支撑结构，各垫的垫表面适宜与相对于它转动的构件的支撑表面接触，该支撑结构包括：

一支撑各垫的基本上刚硬的第一支撑部分，一支撑第一支撑部分的第二支撑部分，第二支撑部分只能径向挠曲，和一支撑第二支撑部分使其在径向运动的基本上刚硬的第三支撑部分，该支撑结构系配置得使各垫基本上阻止除了直接趋向或偏离它所接触的表面之外的运动，且在支撑表面和垫表面的至少其中一个上形成有一轮廓，该轮廓的形状系取得使转动构件转动时，各垫与该表面之间的空气增压，从而使各垫偏离支撑表面且为增压流体膜所隔开。

15、如权利要求14所述的挠性垫支撑构件，其特征在于，第一支撑部分包括一基本上刚硬的杆，第二支撑部分包括一径向挠曲的膜，第三支撑部分则包括至少两个基本上刚硬的杆。

16、如权利要求14所述的挠性垫支撑构件，其特征在于，所述轮廓呈人字形。

17、如权利要求14所述的挠性垫支撑构件，其特征在于，所述轮廓呈螺旋槽形。

18、如权利要求14所述的挠性垫支撑构件，其特征在于，所述轮廓呈阶梯形。

19、如权利要求14所述的挠性垫支撑构件，其特征在于，挠性垫支撑构件具有易于模制的形状。

20、一种驱动磁盘用的联锁磁盘机电动机结构，其特征在于，该电动机包括：

一杯形转子，具有一封闭端、一从该封闭端延伸且与该封闭端构成一个整体的圆柱形外壁和一从该封闭端延伸并与该封闭端构成一个整体的圆柱形内壁，圆柱形内壁与圆柱形外壁共轴线，且与外壁径向朝里间隔一段距离，从而在圆柱形内外壁之间形成一环形空间，转子上至少装有一个永久磁铁;

一定子，包括一杯形外壳，该杯形外壳包括一封闭端和一从该封闭端伸入环形空间且与该封闭端构成一个整体的圆柱形外壁，定子外壁与转子圆柱形外壁共轴线且其径向尺寸使其可以装入转子内外壁所形成的环形空间中;和

至少一轴承，在定子圆柱形外壁与转子的其中一个圆柱形壁之间延伸。

21、如权利要求20所述的电动机，其特征在于，所述轴承是个滚动元件轴承。

22、如权利要求20所述的电动机，特征在于，所述轴承是一个挠性垫轴承，装在转子和定子的其中之一上，以便相对于定子和转子中的另一个运动，该挠性垫轴承具有多个轴承垫和一支撑各垫使其挠曲的支撑结构，从而对相对于各垫运动的构件形成流体动压楔子。

23、如权利要求22所述的电动机，其特征在于，该电动机还包括在定子或转子上形成的、相对于各轴承垫运动的一支撑表面，该支撑表面安置得使其面对各轴承垫，以及在支撑表面和轴承垫表面至少其中一个上形成一个轮廓，该轮廓的形状使转子转动时支撑表面与轴承垫之间的流体增压。

24、如权利要求20所述的电动机，其特征在于，所述轴承是个平面轴承，该平面轴承包括多个光滑的轴承垫和一个弹性支撑结构，供支撑各垫使其径向运动。

25、如权利要求24所述的电动机，其特征在于，所述平面轴承由多孔金属制成，多孔金属中充有润滑剂。

26、如权利要求20所述的电动机，其特征在于，所述轴承是个弹性装配的气体润滑轴承，装在转子和定子的其中之一上，使其相对于定子和转子中的另一个运动，该弹性装配的气体润滑轴承包括：

多个轴承垫，各垫由弹性支撑结构支撑着，使其径向运动;

该电动机还包括一在转子和定子其中之一上形成相对于各轴承垫运动的支撑表面，该支撑表面安置得使其面对各轴承垫;和

一轮廓，在支撑表面和轴承垫的其中一个上形成，该轮廓取这样的形状，使得各垫与支撑表面作相对运动时，两者之间流体的压力增加。

27、如权利要求20所述的电动机，其特征在于，该电动机还包括一装在定子和转子其中之一上的衬套，且轴承延伸在该衬套与转子和定子中的另一个之间。

28、一种轴承，其特征在于具有多个弹性的轴承垫，各轴承垫具有一个垫表面和支撑各轴承垫的弹性支撑结构，该支撑结构包括：

多个刚硬的短截杆，各短截杆支撑着一轴承垫;

至少一薄膜，支撑着各刚硬的短截杆，且与各轴承垫之间间隔有各短截杆并朝向和偏离各轴承垫挠曲;和

多个刚硬的膜支撑杆，支撑着该膜片，使其朝向或偏离各轴承垫挠曲;

支撑结构系配置得使支撑在挠性膜延伸在两间隔一段距离的膜支撑杆之间的部分的短截杆支撑着各轴承垫。

29、如权利要求28所述的轴承，其特征在于，所述轴承是个平面轴承，轴承的轴承垫光滑且适宜在一支撑表面上滑动，垫表面和支撑表面的至少其中一个由充有润滑剂的多孔金属制成。

30、如权利要求28所述的轴承，其特征在于，该轴承是个气体润滑轴承，该轴承的垫表面相对于支撑表面运动，且在垫表面和支撑表面两者的至少其中一个上形成有一轮廓，该轮廓的形状促使支撑表面与垫表面作相对运动时位于该两表面之间的流体的压力增加。

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