CN1089147C - 具有结合一锥形轴承的一轴颈的两端敞开的流体动力轴承 - Google Patents

Abstract

一种带有轴(10)和毂(12)的流体动力轴承，其中的轴承在上端和下端敞开，流体流在该轴承内能保持平衡。

Description

具有结合一锥形轴承的一轴颈的两端敞开的流体动力轴承

对有关申请的相互对照

本申请是以申请号为60/044,100的美国专利申请为基础的，该美国专利申请于1997年4月24日提交并被转让给本申请的受让人，在此已将它结合以作参考。

本申请还涉及到申请号为＿＿＿并于＿＿＿提交(专利律师登记号为A-64698/JAS)的美国专利申请、申请号为＿＿＿并于＿＿＿提交(专利律师登记号为A-65138/JAS)的美国专利申请和申请号为＿＿＿并于＿＿＿提交(专利律师登记号为A-64699/JAS)的美国专利申请。所有这些专利申请均被转让给本申请的受让人，在此已将它们结合以作参考。

发明领域

本发明涉及磁盘驱动储存系统，更具体说，本发明涉及在一磁盘驱动储存系统中使用的流体动力流体轴承。

发明背景

磁盘驱动器被用来磁性存储信息。在一磁盘驱动器中，有一磁盘高速转动，一磁感头在该盘的一表面的上方“飞”。这个磁感头通过将一磁场施加在该盘上而将信息记录在盘表面上。使用该磁感头通过探测盘表面的磁化而读回信息。磁感头是沿径向越过该盘的表面，使能读回不同的数据磁道。

多年来，储存密度趋于提高而存储系统的尺寸趋于减小。这种趋势在磁储存盘的制造和操作中要求有高精度和较小的公差。例如，为了实现提高储存密度，磁感头必须愈加靠近于存储盘的表面。磁感头的这样的趋近要求盘基本上在一单一平面内转动。盘转动时的稍微的摆动或偏离均能使盘表面接触到磁感头。这就是所知的“撞盘”，能损伤磁感头和存储盘的表面，导致丧失信息。

从上面所述能看出：支撑存储盘的支撑组件是极端重要的。一种典型的支撑组件包括支撑在一对座圈之间的诸滚珠轴承，它们可使一存储盘的毂相对于一固定件转动。但是，滚珠轴承组件有许多机械问题，如磨损、偏离和制造困难。另外，由于缓冲性能较低，故耐受操作冲击和振动的能力较差。因此，一直在寻求另外的支撑组件用于高密度磁存储盘。

有一种被研究过的可供选用的轴承设计是一种流体动力轴承。在一流体动力轴承中，一种如空气或液体的润滑流体在壳体的一固定件与盘毂的一旋转件之间提供一支撑表面。除了空气外，典型的润滑剂包括油或铁磁流体。与包括一系列点界面的滚珠轴承组件相比，流体动力轴承将支撑表面散布在一大的表面积内。之所以需要这样，是因为增大的支撑表面减少了在旋转件与固定件之间的摆动或偏离。另外，在界面区使用流体将给轴承带来缓冲作用，这有助于减少非重复偏离。

但是，流体动力轴承本身也有许多缺点，这与它们是如何设计的有关。例如，一种单板悬臂轴承的刚度-功率比值较低，并对外部振动、不平衡和冲击很敏感。

一种能解决这一问题的所希望的方案是设有一连接于盘驱动器外壳的底座和顶盖的主轴电动机。这将提高整个驱动器性能。一两端连接的电动机明显比一端固定的电动机的刚性好。

所有已知的流体动力电动机设计均未提供顶盖连接的方法。其原因是：为了具有顶盖连接，该电动机和具体说是轴承需要在两端敞开。在两端敞开一电动机增加了使油漏出流体动力轴承外的危险。这种漏油除了其它因素外，是由于在该轴承中的不同的泵压力造成的净流速率之小的差别引起的。如果在该轴承里的所有的流体流未得以小心的平衡，朝着一端或两端的净压力升高将迫使流体经毛细密封流出去。另外，由于轴承制造得不严格，轴颈里的间隙沿其长度会不均匀，从而造成在该轴承内的压力不平衡，因此，当流体动力轴承的两端敞开时造成泄漏。由于在一轴承内的压力梯度的净流必须(由所有的轴颈一个一个地)平衡，以使该流体驻留在该轴承里。由诸轴颈的槽的泵压引起的任何不平衡将驱使流体流出该毛细密封件，直到在一端的半月板移向一新的平衡位置。半月板的这一动态平衡位置主要取决于速度(N)、轴颈半径(R)、轴颈间隙(H)和来自圆柱度的公差的锥度。

为了减少压力不平衡的影响，需将诸轴承尽可能多地彼此拆开。这样做的其中一个方法是在它们的两端使轴承与大气相互连通。在该轴承里进行这种通风的其中一个理由是：能将任何类的压力不平衡或流动不平衡的影响限制在局部。如果用此方法未能使该轴承足够地通风，就有机会从轴承漏出。如此，需要有一种对一以流体动力轴承为基础的电动机的设计的新的方法，以使刚度(径向的和轴向的)和缓冲，以及它的动力性能最佳化。也需要设计一种流体动力轴承，该轴承在两端部敞开，并不会泄漏，其功能也正常。

发明概要

因此，本发明的一个目的是建立一改善的流体动力轴承，该轴承对于冲击、振动以及负荷和转速的改变相对地不敏感。

本发明的另一目的是提供一流体动力轴承电动机中的流体动力轴承，该轴承在上、下两端是敞开的。其中，在该轴承里的流体流动是保持平衡的。

本发明的这些和其他的目的可由一在一轴承座里使用的一流体动力流体轴承实现，该轴承座内装在一主轴电动机之类中，其中，该轴承包括一轴、一支撑在该轴上的锥形轴承和位于至少一侧并通常在该锥形轴承之上方和下方的诸轴颈轴承。一套管安装得可相对于该轴转动，并与该轴合作限定了锥形流体动力轴承和轴向轴颈轴承所必需的诸间隙。在该轴的末端，在套管与轴之间限定了诸毛细密封，使流体不能从流体动力轴承泄漏出去。该轴本身包括一中心通气孔，并伴有既与锥形轴承又与诸轴颈轴承连通的诸孔，这样分隔开诸轴承并使任何压力不平衡限制于局部。

在又一所需的特点中，该轴的一端的直径能比该轴的另一端的直径大些。这样可允许在固定轴的直径较大处将该轴和四周的套管或轴颈之间的间隙做得较大些，以在该流体动力轴承的至少部分内减少对紧密的公差的要求。最好是该轴的顶部(即当使用在一盘驱动器主轴电动机时，该轴远离基座的那一端)具有较大直径的轴颈轴承。

另外，内装的锥形轴承能支撑轴向和径向负荷。这在用于盘驱动器的主轴电动机之类的设计中尤其有用，在其中，数个盘需被支撑以作转动，改变了要加在一给定电动机上的轴向和径向负载。

这一设计的另一优点是：通过在顶部和底部设置轴的连接件，使该轴较牢固，比起一单板流体动力轴承来它更具韧性。这样提高了对该轴承的操作冲击和振动的阻力。

本发明的另一特点是：由于在锥形轴承的上方和下方只设置一个带有诸轴向轴颈轴承的单个锥体轴承，就能较容易地实现精加工的轴承与其四周的套管的组装。

另一特点是：当该轴承被竖直放置时，一锥形轴承的较宽侧能被用作一携带负载的止推板。由于有止推板和锥形轴承，通过对诸间隙的调整就能方便地对该轴承预加载。

研究过结合下述诸附图的本发明公开内容的本领域的人员将会清楚理解本发明的其他特点和优点。

附图简要说明

图1是一磁盘存储系统的立体图，该系统可装有按照本发明的流体动力轴承座和主轴电动机；

图2是一装在一主轴电动机组件内的已有技术的流体动力轴承座的垂直剖面图；

图3是装在一主轴电动机内的按照本发明的一流体动力轴承座的垂直剖面图；

图4A和4B是一主轴电动机的垂直剖面图，该电动机内装了本发明，包括了在电动机组装时有用的专门特点；

图5是相对于图3的另一可供选用的实施例的部分示意图；以及

图6是一表示本发明设计的一些优点的示意图。

最佳实施例的详细描述

图1是一磁盘驱动存储系统，其中，能使用本发明的流体轴承组件。在下面讨论的实例中，将结合一主轴电动机表述该流体动力轴承和关联的座。很清楚，这一轴承组件并不限于和一盘驱动器的这种特定设计结合使用，而是仅仅用作实例来表示罢了。依靠本发明所实现的许多优点，它也可能被用于支撑该驱动器转动。在盘驱动器领域之外，该轴承组件还有许多其他用途。

另外，在此讨论的流体轴承有一固定轴和在四周转动的套管。当套管是固定的而轴转动时，也能使用该设计。由于流体轴承在两端是敞开的，该轴不能延伸超过该套管并沿轴向连接于一外部装置或系统。

在这具体实例中，该存储系统10包括一外壳基座12，该外壳基座有可转动地携带存储盘16的主轴电动机14。一电枢组件18使磁感头20越过盘16的表面。盘16的四周由密封件22和24封住。在操作时，盘16高速转动而磁感头20位于盘16的表面上的任一沿径向的分开的磁道上。这样使磁感头20读出和写入在盘16的表面上的某选择的位置上的磁编码的信息。为了保持磁感头在盘表面上高速飞转，该盘以几千转/分的高速转动。在现今的技术中，磁感头与旋转盘之间的间隙距离是以微米来衡量的。如此，绝对必要的是盘不能倾斜或摆动。

图2是一种已在这种技术中建立的类型的单止推板流体动力轴承电动机设计的垂直剖面图。在该图中所示的该电动机的基本结构包括一固定轴10和一从一套管13支撑以绕该轴转动的毂12。轴10包括在一端的止推板14，而在另一端终止在一突肩16。套管13在一端支撑一平衡板19，以在该止推板14之上转动。平衡板19和止推板14被一足够的间隙22分隔，以使润滑流体循环而经过该间隙22，经过在止推板14的端部与套管13的一内表面27之间、在止推板14的下表面24与套管13的上表面25之间以及在套管的一内表面28与固定轴的外表面29之间限定的槽26，从储液槽20之外面润滑该流体动力轴承。流体主要经过一中心孔21返回到该槽26。为了促进流体在止推板14与对面板19之间、在止推板14与套管13之间和轴10与套管13之间限定的诸支撑表面上流动，每个组件的通常两个相对的表面之一携带了诸段如在这种技术中为人熟知的槽段。

流体从储液槽20送给所有的润滑表面并在这些表面上流动，再经过孔21返回到该槽。那些用于完成该电动机设计的重要结构的其余部分包括其端部为拧入基座44的一部分内的螺纹区31的轴延伸部30。一定子42与从套管13支撑的磁铁40合作，靠定子绕组的通电使套管13和毂12绕该固定轴转动。

如在一盘驱动电动机中使用的，这一系统支撑一或多个盘44转动。因为磁感头和盘驱动器在离盘表面上一极低的高度飞转，故最基本的是当盘转动时不能摆动或振动。另外，还有重要的是：一旦发生这样的摆动，在止推板14的表面与平衡板19和套管13的相对表面之间不会接触。但是，如上所述，在一如图2所示的悬臂型轴承中，当为止推板14的负载携带表面的位置离中心点(在振动或摆动情况下将绕该中心点枢轴转动)较远时，就有较大可能在相对的诸表面之间发生接触，这将导致在较长时间的可能的渣屑形成后发生诸表面的磨损，并增大了功率损耗，减少了支撑寿命，并在短时间内降低了盘的转速。

为此采用了下面的附图设计。通过采用这种设计，无论止推型或锥形轴承类的负载携带表面的位置靠近于整个流体动力轴承系统的中间。绕其将发生任何轴承的摇动的枢轴转动点也靠近于该轴承的中间。由于这一点，通过将负载携带表面移动得尽可能靠近于该盘的中心，盘的任何摆动或振动造成在该轴承的端部接触的机会较少。

因此，结合图3、4A和4B描述的本发明提供了使流体动力轴承的顶端和底端敞开于大气的改进。如此，在一装有本发明的固定轴电动机中，能将该轴的上端和下端固定于外壳的基座和顶盖，使提高并保持了该电动机的刚度和对冲击和振动的耐受力以及其与该系统的其余部分的对准性。当然，需注意的是：带有在两端敞开的轴100的该设计是任何一种同样可能发生套管102与轴100间的相对转动的设计。

现在看图3、4A和4B，显示了在本发明中使用的轴的设计和它与其外围的旋转套管间的关系。对于研究过这一揭示并参看诸附图的熟悉该领域的人员将会立即清楚地了解：在这一图中所示的这一轴是如何能装入前面已描述过的图2所示的轴承组件里的，以替换在此所示的轴。

图3是一流体动力流体轴承的一设计的横剖面图，该轴承包括一轴100，在该轴100的四周有一套管102，该轴和套管彼此相对转动。在套管102的内壁与轴100的外壁之间的一间隙104中发现有流体动力流体。该流体分隔开该轴承的转动部分与固定部分，并在它们之间提供一支撑表面。为了防止任何流体离开该间隙104，就在该间隙的顶部和底部形成毛细状密封件106和108。采用扩张壁就能做到这一点。尽管能采用相反的情况，如图所示，该套管的壁107从面对壁109扩张。能在间隙104的相反端使用一类似的设计以形成密封件106。事实上，可使用任何数量毛细密封件的设计而不会离开本发明的精神。

可考虑在用“1-8”编号的八个不同的区段设置在该间隙里的诸槽，这些槽可形成在该轴的外表面或旋转套管的内表面上。总的说来，顶部和底部间隙段7、8和1、2包括分别由轴100的平行的轴向壁150、152和154、156以及套管102限定的诸轴颈轴承。

有轴的径向壁204、205和套管102的对面板壁206、207限定的一止推轴承(区段4、6)202装在邻接于一轴颈轴承区段7、8。一锥形轴承(区段3)200是由邻接于其他轴颈轴承区段1、2的锐角壁208、210限定的。

沿着诸轴承区段1-8的诸槽可为人字形、正弦波、半正弦波或其他形状，以满足产生流体压力并将流体保持在间隙的表面上的要求。在诸区段1，2，3，4，6，7，8上的诸槽通常是平衡的，也就是说，它们被限定得使它们在任一方向不会建立一净流流动。如上所述，已发现：在多数情况下，在孔104的短的轴向区段5上，根本不必使用诸槽，尤其是当它主要用作一储液槽时。

图3所示的流体动力流体轴承系统的定向是重要的，因为它决定哪些元件携带负荷。例如，在所示的图3中，止推板6是重要的负荷承载表面。其余区段特别有助于保持系统的平衡和整个刚度和缓冲。

概要说来，锥形轴承总的以编号“200”表示，止推轴承总的以编号“202”表示，止推轴承202由槽型6、由轴的径向表面204限定的间隙和套管的面对的互补的径向表面206建立，该止推轴承与由轴表面208和互补的套管表面210一起提供了必需的刚度和韧性，以支撑数个转动的盘而在系统里无倾斜或摆动。

如将轴和套管倒置，该系统工作得同样好，这样，锥形轴承200就位于止推轴承202之上。在此情况下，重要的负荷承载表面变为总的用编号“3”表示的锥形轴承200。但是，对该整个系统的设计的考虑是相同的。

对该系统的轴颈轴承的有些相对尺寸需加以注意。也就是说，限定上轴颈轴承的固定轴的上区段220的宽度D0能比组成下轴颈轴承的轴的区段222的宽度D1大。这样允许相对于组成下轴颈轴承的间隙226的宽度，在限定上轴颈的上间隙224中的公差较大些。还需注意的是：上轴颈轴承7、8的从止推轴承202到轴的端部的长度L0小于下轴颈轴承1、2的长度L1，该长度从锥形轴承200的端部到轴的端部。

本发明的另一重要特点是：该设计有效地使诸元件彼此分离，这样就使压力不平衡的影响变为最小，并削弱了流体流出该轴承的任一端的可能性。如此，可从一中心通气孔110设置诸横向孔114、115、116、117和118通向每个主要轴承区段1-8之间的结合处。该中心孔110最好是自始至终走向轴的一端或另一端。另外，套管102和轴100的壁在每个轴承的任一侧稍有扩张。如图3所示的作用是在诸横向孔之一与间隙104之间的每个结合处的任一侧，通常在诸邻接的轴承区段之间的一连接处，形成一半月形毛细密封，以防轴承流体从一轴承区段流到隔壁一区段，有效地将邻接的轴承区段隔离开。这样的办法减少了从该轴承的任一端丧失流体的可能性。

图4A和4B是表示另外可选取的组装本发明的轴承的方法的两部分剖面图。每种这样的组装方法尤其是用在内装由轴段220限定的较短而有较大的半径的轴颈轴承7和8的设计中，其中的轴段220有一比起由轴段222限定的较长而窄的轴颈轴承1和2的更小的临界间隙宽度。在这一实例中假设顶部分有一较短而宽的轴颈轴承；套管102被保持在位，该较长的轴颈轴承就插在该套管内。在这一办法中，套管102除了具有一锥形壁210以限定该锥形轴承的间隙的一侧外，收尾在一轴向延伸的壁400，该壁400的末端在一台阶410处。在一块区414中设有一互补的切口412，其中的区块414充填在套管102的侧壁416与上轴颈轴承220的外壁418之间的间隙内。互补台阶410和412将限定该区块414的位置，使以合理的精度设定间隙422和210。

或者，套管210的锥形侧壁可在一较短的垂直壁440处收尾，然后它的一头变细到一角形壁段442。填充在止推轴承202上方的空间内并提供轴颈轴承的互补壁的衬块444被压到位，该衬块具有牢固顶靠于套管的内角形壁的一外角形壁。通过提供这些角形互补壁，能使该衬块精确地座落到位，建立为止推轴承202所需的间隙422的宽度和用于上轴颈轴承和锥形轴承的间隙424和210。

研究过本发明的该公开内容的熟悉本领域的人员将会清楚地理解本发明的其他特点和优点。已经被确认的是：本发明有效地组合了一锥形轴承和一止推轴承的许多优点。该流体动力轴承与四周的套管的介面在一比已有技术的设计更大的范围上延伸，提供了总的的轴承刚度和稳定性。另外，当套管所在的质量中心愈靠近于重量支撑表面则该转动系统愈稳定。对于一单板悬臂轴承，质量中心远离于通常为支撑表面的止推板6的顶表面。在这一特定设计中，重量支撑表面或是锥形轴承的顶部，或是圆锥表面本身，这要视轴承的方位而定，它靠近于套管的质量中心。这使该系统较稳定。锥形轴承的锐角表面还方便于平滑的操作，并减小了差分热变形。作用在流体动力轴承上的力一般使该锥体在合作部分内转动，尤其因为该设计提供了轴的延伸部220和222，这两延伸部在止推轴承和锥体轴承组合的任一侧限定轴颈轴承。很明显，比起已有技术/止推板设计，这种设计被损害的可能性小些，在前者的设计中驱动轴或四周的套管的一小小的倾斜能在止推板与四周的套管之间发生尖端接触，或能使止推板移动一较长的距离。

参阅图6后能更好地理解本发明的许多这样的优点。在该图中，电阻器R1-R9表示了对移动的阻力或由不同的轴承区段形成的刚度。径向刚度和缓冲由上方轴颈7、8、锥形轴承3和下方轴颈提供。因此，该设计提高了稳定性。由于轴颈区段1、2和7、8彼此远离开，故提高了摇动刚度。这样提高了支撑性能。根据重心或旋转中心的位置的不同，能调节上方和下方轴颈的直径D0、D1，以获得对于增强的支撑性能的最大的摇动刚度。在止推板4、6和锥形轴承3上的预加载可提高稳定性。能方便地调节/控制在止推板6和锥形轴承3中的间隙，以补偿以轴颈为基础的公差和它们的减低的性能。

如上所述，上述实施例是一固定轴设计，然而，该设计也能容易地包括一转动轴/固定套管组合。

研究过本发明公开内容的熟悉本领域的人员将会清楚理解本发明的其他特点和优点。所以，本发明的范围仅被限于下述的诸权利要求。

Claims (10)

1.一种磁盘存储系统，它包括：一基座、一具有一旋转轴线的可转动的磁性存储盘；一用于阅读该存储盘上信息并将信息写在该存储盘上的磁感头；以及，一固定于所述基座的盖子，

其特征在于，该磁盘存储系统还包括一流体动力流体轴承系统，该轴承系统包括：一具有第一和第二端并与一连接于该盘的旋转套管合作的固定轴，该盘相对于所述固定轴围绕一与所述轴的一中心轴线吻合的旋转轴线转动，该旋转套管与所述固定轴合作，以便从所述第一端到第二端限定一第一轴颈轴承、一邻接于所述第一轴颈轴承的第一锥形轴承、一第一止推轴承和一邻接于所述第一止推轴承的第二轴颈轴承，所述套管和所述固定轴合作建立一保持流体的间隙，以润滑以上所命名的每个轴承，所述间隙在两端敞开于包围所述轴承和在分隔所述轴和所述套管的间隙里的润滑流体的大气。

2.如权利要求1所述的磁盘存储系统，其特征在于，所述锥形轴承由与所述套管的一内凹表面合作的所述轴的一外凸表面限定。

3.如权利要求2所述的磁盘存储系统，其特征在于，所述第一和第二轴颈轴承每一个均包括一位于所述固定轴与所述相对的旋转套管之间的间隙，所述诸间隙的每个远离于所述锥形轴承和所述止推轴承的所述诸端部收尾于第一和第二毛细密封件，以防所述润滑流体从所述间隙流失。

4.如权利要求1所述的磁盘存储系统，其特征在于，被包括在所述第二轴颈轴承的所述轴的直径大于被包括在所述第一轴颈轴承的所述轴的直径，所述第一轴颈轴承直接邻接于所述锥形轴承的一窄端，从而提高了所述流体动力流体轴承的稳定性。

5.如权利要求1所述的磁盘存储系统，其特征在于，它包括一在所述轴上的中心轴向孔和延伸到诸多个位于每个所述第一轴颈轴承、所述第一锥形轴承和所述第一止推轴承和所述第二轴颈轴承之间的结合处的诸多个径向通气孔，使在每个所述结合处的任一侧形成一半月形密封部，以有效地分离每个所述轴承。

6.如权利要求5所述的磁盘存储系统，其特征在于，在所述间隙里的所述流体包括液体或气体，或者，在所有的所述轴承中沿着所述间隙只包括液体或气体。

7.如权利要求1所述的磁盘存储系统，其特征在于，所述锥形轴承的一较宽端较靠近于所述盖子，所述锥形轴承的所述窄端较靠近于所述基座，所述窄端沿径向从所述轴向孔延伸到位于每个所述邻接的轴承之间的、沿着所述流体动力轴承间隙限定的一结合处。

8.如权利要求7所述的磁盘存储系统，其特征在于，在每个所述结合处所述轴和所述套管的所述诸壁扩张，使在每个所述结合处的任一侧上形成诸毛细密封，以隔离邻接的诸轴承并使润滑剂保留在每个轴承内。

9.如权利要求8所述的磁盘存储系统，其特征在于，所述轴壁沿着所述流体动力轴承间隙沿轴向延伸，诸所述套管壁沿径向在每个所述结合处扩张，以促使形成所述毛细密封。

10.如权利要求1所述的磁盘存储系统，其特征在于，所述锥形轴承的一窄端较靠近于所述盖子，所述锥形轴承的一较宽端较靠近于所述基座。

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