CN1128940C - 具有多个止推板的两端开口的流体动力轴承 - Google Patents

Abstract

一种流体动力轴承座包括一中心固定轴(59)，该轴带有分隔开的第一和第二止推板(90，92)，一相对固定轴旋转的套管(72)环绕着轴。套管支承辅助板(105，107)并使其与止推板的各暴露表面相对应，还与第一和第二止推板形成间隔。各间隔形成环绕各止推板的连续的间隙(102)。间隙包括在轴和止推板与套管和辅助板之间的润滑流体，以便允许套管相对固定轴旋转，并保持套管相对轴的良好的稳定性。

Description

具有多个止推板的两端开口的流体动力轴承

供参照的相关申请

本申请是已转让给本申请受让人的、1997年4月23日提交的美国临时专利申请第60/044,171号的接续申请，该临时专利申请在这里被参考引用。

本发明的技术领域

本发明涉及磁盘驱动存储系统，具体地说，本发明涉及用于磁盘驱动存储系统的流体动力轴承。

本发明的技术背景

磁盘驱动装置利用磁性存储信息。在一种磁盘驱动装置里，磁盘高速旋转，而传感头在磁盘表面之上“飞行”。该传感头通过在磁盘上施加磁场而将信息记录在磁盘表面上。利用传感头探测磁盘表面的磁化强度可读出信息。传感头在磁盘表面上径向移动，从而可读出不同的数据磁道。

近几年来，存储密度趋向增加，而存储系统的尺寸趋向减小。这种趋势已导致在制造和操作磁性存储盘时需要更高的精度和更小的公差。例如，为了提高存储密度，传感头必须位于非常靠近存储盘表面的地方。这种接近要求磁盘基本上在一个平面上转动。磁盘转动时的略微晃动或偏斜将有可能使磁盘的表面与传感头接触。这种现象叫做“撞击”，可能损坏传感头和磁盘的表面，从而导致数据遗失。

从上面的讨论可看到，支承磁盘的轴承组件特别重要。一种传统的轴承组件包括由一对座圈支承的滚珠轴承，它使磁盘的毂盘相对固定部件转动。然而，滚珠轴承组件具有许多机械上的问题，诸如磨损、偏斜和制造困难等等。此外，由于阻尼较小，抗操作冲击和振动的能力较弱。因此，人们已经在探索用其它的轴承组件供高密度磁盘使用。

已作过研究的另一种轴承结构是流体动力轴承。在一种流体动力轴承里，诸如空气和液体之类的润滑流体在壳体的固定部分和磁盘毂盘的转动部分之间提供支承表面。除了空气，传统的润滑剂还包括油或强磁性流体。流体动力轴承与包含一系列点接触的滚珠轴承组件相比将其支承表面扩展成很大的表面积。这是十分理想的，因为增加的支承表面将减少在转动部件和固定部件之间的晃动或偏斜。而且在支承表面处使用流体会产生阻尼作用，它有助于减少非重复性偏斜。

然而，流体动力轴承本身存在着包括较低的刚度-功率比之类的缺陷。这些问题导致轴承对外部负载或冲击的高敏感性。

解决这个问题的一种理想方案是设置一固定在磁盘驱动器壳体的底座和顶盖上的主轴电动机。这样将提高整体驱动性能。两端固定的电动机比只有一端固定的电动机具有更好的稳定性。

已知的流体动力电动机结构没有提供有关顶盖固定的方法。其理由是因为它具有顶盖固定结构，电动机轴承将必须两端开口。使流体动力轴承类型的电动机轴承两端开口将大大地增加油或流体从流体动力轴承里泄漏出来的危险性。这种泄漏产生的原因包括因轴承里的不同抽吸压力造成的流速的较小差异。如果轴承里的所有流动不是非常平衡，发生在一端或两端上的净压力将迫使流体流出毛细管密封。使在传统的、已知的止推板轴承结构里的流速保持平衡是困难的，因为由抽吸槽产生的流速是随流体动力轴承中形成的间隙而变化的，流速还可能随电动机的转速或负载的变化而变化。因此，需要一种新的方法来设计使用流体动力轴承的电动机，以便优化这种电动机的性能、稳定性(包括轴向的和径向的)和阻尼。

本发明的简要说明

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的流体动力轴承，它不受负载和旋转速度的影响。

本发明的另一个目的是提供一种具有良好稳定性的流体动力轴承。

本发明的又一个目的是提供一种供用于磁盘驱动装置或其它类似装置的主轴电动机用的流体动力轴承，这种主轴电动机比只有一端受到支承的已知的标准主轴电动机更加稳定，由此使系统、特别是传感器相对旋转的磁盘的稳定性得到优化。

本发明的还有一个目的是设计一种供用于磁盘驱动装置或其它类似装置的主轴电动机用的流体动力轴承，其中，电动机可同时固定在供主轴电动机用的壳体的顶盖和底座上。

本发明的再一个目的是提供一种流体动力轴承，其中，轴承的上端和下端均开口。

本发明的这些和其它的目的是通过提供一种流体动力轴承实现的，这种轴承可作为一种轴承座或可安装在一主轴电动机之类的装置里的支座使用，其中，该轴承包括一轴和至少两个独立的轴承，各轴承包括一由轴支承的止推板和一安装在套管上的、可环绕着轴相对旋转的辅助板。由于制造原因而在轴承的不同部件上出现的与实际几何结构之间的偏差，使得多止推板或单止推板形式的、带有顶盖固定结构且在两端开口的轴承可能迫使流体流到轴承外面。这种结果是由于流体动力作用使轴承里的压力不平衡引起的。在这种情况下，必须将具有多个止推板的整个轴承分隔成几个部分，这些部分可互相分开或分离，以便将压力不平衡造成的后果减至最小，从而消除或减少流体泄漏的机会。

在这种类型的结构里，各轴承必须在不同的位置上以不同的方式开孔，以便进行分隔。各止推板包括一径向延伸通过该止推板的径向孔，以及一在止推板内径处并与径向孔连通的轴向孔。在多个止推板的情况下，一通过轴的孔使轴上的孔和止推板上的孔连通。在各孔与间隙会合处的两侧形成一弯月面。

具体地说，在一个示范的实施例里，轴承包括一固定的轴和一环绕着轴旋转并包围着轴的套管，轴的一部分至少将第一和第二止推板分隔开。轴包括一轴向孔，它在轴承内的适当位置处开孔。该轴向孔从轴的一端延伸并经过至少一块止推板。该轴向孔通过一径向孔与轴承间隙连通，该径向孔位于最靠近轴的一端的止推板和相对的辅助板之间的位置上。

在另一个实施例里，轴向孔可从轴的一端延伸至最远一块止推板之外，并通过第二径向横孔与轴承间隙连通。这种方式在将超出自轴的一端起最远的止推板的、在轴和套管之间的间隙被用作为一轴颈支承区域时是有用的。一弯月面形成于在各孔两侧的轴承间隙里，使流体动力轴承的相邻支承部分分离。

在这种轴承用于磁盘驱动装置(通常在主轴电动机里或作另一种支承)的情况下，轴向孔的开口端是在底部或底座处，而轴向孔的封闭端在顶部。在许多间隙区域内的轴或套管上可形成槽沟，以提高稳定性。槽沟也可形成于一块或几块辅助板或止推板的表面上。

使用多个止推板可保持、甚至提高整个装置的稳定性，且不会相应地增加功率消耗。此外，由于间隙可在令人满意的宽度内得以维持，故制造和组装工作不会变得困难。

对于本技术领域的技术人员来说，当其研究了本发明的介绍和附图后，将对本发明的其它特征和优点更加清楚。

附图的简要说明

图1是磁盘存储系统的立体图，该系统可使用按照本发明的流体动力轴承座和主轴电动机。

图2是用于一主轴电动机组件的现有技术中的流体动力轴承座的垂直剖视图。

图3是按照本发明的一流体动力轴承座的垂直剖视图。

较佳实施例的详细说明

图1是一磁盘驱动存储系统的立体分解图，其中可使用本发明的流体动力轴承座。在下面讨论的例子里，所使用的流体动力轴承和相关的支座将与主轴电动机一起出现。但很清楚，这种轴承座不只限于与这种具体的磁盘驱动装置一起使用，这种显示只是为了举例而用的。已经知道本发明有许多优点，因此它也可用来支承旋转用的驱动器。除了磁盘驱动器领域，这种轴承座还具有很多其它的用途。

此外，这里公开的流体轴承具有一根固定的轴和旋转的外周套管。但这种结构对套管固定而轴转动的场合也是有用的。由于轴承的两端是开口的，因此轴可延伸到套管之外，并可轴向连接在一外部装置或系统上。

在这个具体例子里，存储系统10包括壳体底座12，底座12上有支承存储磁盘16的主轴电动机14。电枢组件18使传感器20移动经过磁盘16的表面。磁盘16处于由密封件22和盖子24形成的密封环境里。工作时，磁盘16高速旋转，而传感器20位于磁盘16表面上的许多径向隔开的磁道上的任何一处。这将允许传感器20读出在磁盘16表面的选定位置上的磁性记录的信息或写入信息。磁盘以非常高的速度旋转，通常是每分钟几千转，以便使传感器在磁盘表面飞行。按目前的技术，传感器和旋转的磁盘表面之间的间隔距离是以百万分之几英寸测量的，因此使磁盘不倾斜或晃动是非常重要的。

图2是单止推板流体动力轴承电动机结构的垂直剖视图，该结构是按照该技术已经制造的一种。该图所示的电动机的基本结构包括一固定轴10和由一环绕该轴旋转的套管13支承的毂盘12。轴10的一端有一止推板14，而另一端是一台肩16。套管13的一端支承着在止推板14上面转动的辅助板19。辅助板19和止推板14之间有足够的间隙22，以便允许润滑液循环，并通过间隙22、由止推板14的一端和套管13的内表面27限定的储存池26、止推板14的下表面24和套管13的上表面25之间、以及套管的内表面28和固定轴的外表面之间去润滑在储存池20之外的流体动力轴承。通向储存池20的流道主要是由中心孔21担当的。为了让流体在由止推板14和辅助板19之间、止推板14和套管13之间、以及轴10和套管13之间限定的轴承表面上流动，这种组件的两个相对表面的一个表面上通常具有凹槽，这在该技术中是众所周知的。

在轴承表面之间的流动将产生液体动压力，从而导致稳定性。流体的循环是通过轴承表面上的适当的几何结构和凹槽设计再通过轴上的中心孔20流向其它轴承表面而得以维持的。用来完成电动机结构的其它重要部件包括轴的延伸部分30，它终止于与底座44的一部分螺接的螺纹区31。定子42上安装着磁铁40，它们均由底座支承并与套管13分离，当定子绕组通电时，套管13和毂盘12将环绕着固定轴旋转。

当用于一磁盘驱动电动机时，这种系统支承一个或几个磁盘45，以便使其旋转。由于传感器和磁盘驱动装置在磁盘表面上极低的高度处飞行，因此在旋转时使毂盘和磁盘不要晃动或振动是很重要的。此外，当晃动发生时使止推板14的表面和在辅助板19和套管13上的相对表面之间没有接触也是很重要的。然而，如上面所述的，在图2所示的悬臂式轴承中，止推板14上的承载表面远离中心点，在万一发生振动和晃动的情况下，将引起环绕该中心点的枢转，从而极可能在相对的表面之间发生接触，这将造成表面长期磨损和磁盘在短期内转速降低。

为此，已采用后面附图中的结构。通过采用这种结构，无论是止推轴承或圆锥轴承之类的承载表面将位于非常靠近整个流体动力轴承系统的中间的地方。轴承可能环绕其发生晃动的枢转点也位于非常靠近轴承中心的地方。由此，通过使承载表面尽可能地靠近磁盘中心，磁盘的任何晃动或振动将几乎没有可能与轴承的端部接触。通过增加止推板，在不减少间隙宽度的情况下可增加稳定性，从而使这种系统容易制造。

通过图3可以看到，这是一种改进，它可容易地用于图2中的结构以形成一盒体，该盒体将具有许多用途，但将特别有助于安装一诸如毂盘71的毂盘，并组合成一磁盘驱动器。轴59的上端101可固定在磁盘驱动器的顶盖24上，而轴59下面的延伸部分可与图3所示的底座部分82相配合。

本发明的结构包括至少两块止推板90和92，它们分别安装在轴59上并由轴上的区域94间隔开。此外，各止推板还与轴的端部101和103隔开一段距离。当用于一磁盘驱动器时，上端101较佳的是固定在顶盖24上，而下端103固定或安装在底座82上。

本发明的流体轴承形成于套管72及由其支承的辅助板105和107的内表面和由轴59及止推板90和92组成的外表面之间。流体保持在流体动力轴承的固定部分和转动部分之间。此外，如下面将要详细介绍的，在轴承间隙里的流体被分成几部分，而各轴承部分的端部由流体形成的弯月面限定。

在图3中的例子工作时，套管72相对轴59旋转，使流体在流体轴承里循环，由此产生液体动压力。该动压流体产生的压力使流体动力轴承的转动部分和固定部分分离，并在它们之间提供一个支承面。无论在相对设置部分个表面的哪一个上适当地开槽，都将发生这种流体流动抽吸作用和压力生成。通常，为了提高和维持流体压力，利用现有技术中已知的螺旋形或人字形或类似的开槽方法在间隙部分内的上端101和下端103处、或是在直接面向轴的套管表面上或是在轴的表面上开槽，用以提供必需的抽吸作用。此外，在至少一块止推板或辅助板相对表面的至少一个表面上开槽。通常，在止推板90和92端部处的、形成间隙区200和202的轴向表面上不开槽。

继续参看图3，各止推板90和92在分别由套管72的轴向壁和套管72或辅助板105和107的径向壁形成的间隙区200和202里旋转。这样，对于在间隙区200里旋转的止推板90来说，支承间隙是由套管72的径向壁210、止推板90的径向壁214、止推板90的端壁216、套管72的轴向壁218形成的，最后，该间隙在止推板90的径向壁220和辅助板105的径向壁222之间延伸。环绕着止推板92、以及可能安装在轴59上的任何其它止推板的间隙也是这样形成的，由此形成了在安装好的轴和套管的整个长度上延伸的连续不断的间隙。

这些间隙提供了在固定的轴和旋转的套管之间的流体的抽吸作用，并提供了套管的自由旋转，而存在于各支承部分里的流体提供了必要的稳定性和阻尼作用，并给轴承的旋转提供了润滑。

由于制造缺陷而存在于轴承不同零件上的实际结构偏差，将使带有顶盖固定结构的、两端开口的多止推板轴承有可能迫使流体溢出轴承。这种结果的产生是由于轴承内的压力不平衡，而这种不平衡是由流体动力作用引起的。在这种情况下，由多个止推板形成的各支承部分必须与相邻的支承部分分开，以便将压力不平衡的后果减至最小，从而限制或减少流体泄漏的机会。这可通过本发明来实现，而本发明在各流体支承部分的各端提供了可形成横跨间隙的弯月面的装置。

在这类结构中，各支承部分以不同的方式在不同的地方开孔。在各止推板之上和之下或两侧的支承部分可通过在各止推板上提供组合的轴向和垂直的孔来开孔。在使用多个止推板的情况下，可通过提供通过带有径向出口的轴的轴向孔、以便在相邻的支承部分之间建立必要的界面来分离这些止推板。简单地说，在各出口的两侧形成一弯月面，该弯月面在轴59和套管72相对旋转时限制通过间隙的流体循环。这样，减少了流体离开间隙102两端的可能性。按照这种构思，将没有通过轴向的或垂直的孔的循环，也没有流体在轴孔94里。该轴具有只是为了通向间隙102适当位置的通孔94。一径向横孔110通向在止推板90和92之间的间隙102，以便在两侧形成一弯月面，使环绕各止推板形成的支承部分隔离。如果将在顶部止推板92上方的轴的上端101(部分B)作为支承表面的话，使一径向横孔111通向在顶部止推板92和辅助板107之间的间隙102。

在各止推板的两侧也有分开的支承部分。通过提供一径向或轴向出口或孔可在支承部分的各端形成一弯月面。

这样，如图3所示，在止推板90上设置一径向孔400，它从轴向连接槽孔404通向止推板90的端壁216。轴向连接槽孔404在径向孔400的径向内端与连续的支承间隙102之间提供一连通。

径向孔400的存在有助于在径向孔400和流体动力支承间隙之间的会合处412两侧的流体动力支承间隙内形成弯月面。弯月面也可形成于在轴向槽孔404和流体动力支承间隙102之间的各会合处416和418的两侧。由此在支承止推板90转动的相邻的支承部分C和D之间提供了所需的隔离。同样地，径向孔402和轴向孔406有助于在支承止推板92的支承部分E和F的各端形成弯月面。径向横孔110和111有助于在轴颈支承部分A、G和B的端部形成弯月面。在轴颈支承部分上的这种隔离对防止润滑液体泄漏到周围环境中去是非常重要的。

在一个较佳的实施例里，在支承间隙102的上端还提供一凹口形集油槽150。它是通过在辅助板上端切割出一凹口形成的。相对倾斜的壁横跨间隙而互相面对，从而形成所需的集油槽，如果由于任何原因而出现来自毛细管密封区的自然移动时，它就显得特别重要。间隙102的下端具有另一种形式的毛细管密封160，其中，轴的壁部分162是倾斜的，而套管的壁部分164是笔直的。由于轴是固定不动的，轴的壁部分上的这种倾斜是可能建立毛细管密封的。当然，套管72上的壁部分164也可倾斜。同样结构的毛细管密封也可出现在轴的上端。这种特别设计的密封150和160不是必需的，只要在轴的各端设置可有效防止泄漏的密封就可以了。

从图上可看到，组件是这样形成的：提供具有台肩300和302的套管72，台肩300和302轴向隔开，以便允许辅助板105和107压配在一个位置上，而该位置相对于必需与其配合的止推板90和92。为了组装流体动力轴承，将带有止推板90和92的轴59插入套管，而止推板被压配在台肩300和302上。

通过将轴孔和其它开孔端堵住、然后再进行真空充填(传统工艺)可立即进行充填工作。然后取掉塞头(密封)并吊走从轴承溢出的多余的油。

在组装过程中也可使用其它的充填方法，即将适当数量的流体分配给各轴颈区域和止推板区域，在这种情况下，通过旋转离心进行的清洁工作就不需要了。这种方法的另一个优点是，可在轴承的不同区域里提供不同的流体(液体或气体)。

上面所述的本发明具有许多优点，其中包括轴的两端可以固定，这样，当用于磁盘驱动器时因为有了多止推板结构而将可获得顶盖固定结构，而多止推板结构的出现是因为与轴的各端部隔开的各止推板被隔开。这种多止推板结构将轴向稳定性增加到一个令人满意的程度。此外，套管可做成一单一部分。

还有，通过调整止推板的固定位置以方便地调整多个止推板之间的间隙、以及通过移动辅助板来改进套管的结构可以在动力消耗量和稳定性方面获得令人满意的灵活性。

如上所述，这种轴承当然可作为液体轴承使用。然而，它也可以作为气体轴承使用，它是通过多级抽吸、即分别抽吸环绕着各止推板和轴颈/套管区域A、B和G的间隙部分而实现的。这样，本申请中使用的术语“流体”将包括气体和液体。

对于本技术领域的技术人员来说，在研究了本发明公开的内容后可非常清楚地了解本发明的其它特征和优点。例如，可改进开槽结构的位置和式样，以提高或优化通过间隙的流体循环。

通过采用这些设计原则，可获得具有多止推板的坚固系统。上下轴颈支承部分B和A具有在一端的毛细管密封163和160以及在另一端的弯月面B1和A1，以使对两密封的压力都受到限制。支承部分C、D、E和F主要位于各止推板的上面和下面，各支承部分终止于弯月面C1、C2……F1和F2。

由于使用一个以上的止推板，因此一般利用诸如G的支承部分将相邻的止推板分开，而支承部分G具有至少一个弯月面G1，该弯月面G1是通过通向中心轴孔94的出口110建立的。

最后，上支承部分B可以不需充填流体而实现支承，但是如果这样的话，提供横孔111以建立弯月面B1则是非常重要的。当然，作为一种替代方案，横孔110可通向在止推板90下面的弯月面A1和C1之间的支承间隙102，而横孔111可通向在止推板92下面的弯月面E1和G2之间的支承间隙。本技术领域的技术人员可清楚地了解本发明的其它特征和优点，并可对上述例子进行改进。因此，本发明的范围只能由附后的权利要求书来限定。

Claims (14)

1.一种流体动力轴承座，包括一中心固定轴，该轴至少带有由圆形的轴部分分隔开的第一和第二止推板，所述轴的外端部分使所述第一和第二止推板与所述轴的末端隔开，所述各止推板包括由一轴向表面连接的第一和第二径向表面，一相对固定轴旋转的套管环绕着由所述轴的中心轴线限定的旋转中心轴线，所述套管支承或限定与所述止推板的各暴露表面相对应的辅助板，由此相对所述第一和第二止推板形成间隔，所述各间隔包括与轴向表面连接的径向表面并面向所述止推板的所述各径向和轴向表面，由此形成环绕所述各止推板的连续的间隙，所述间隙还在所述套管内侧的、与所述固定轴的轴向表面平行的轴向表面和所述各止推板之间延伸，这样，所述连续的间隙自所述轴的一端延伸至另一端，以及

在所述轴和所述套管、以及所述止推板和所述套管和所述辅助板之间的润滑流体，这样，所述套管自由地相对所述固定轴旋转，并保持所述套管相对所述轴的良好的稳定性。

2.如权利要求1所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述固定轴包括一中心孔，它通过一个以上的径向横孔与轴承间隙连通，以维持周围的情况或通向所述的轴承间隙。

3.如权利要求2所述的流体动力轴承座，其特征在于，在所述套管里旋转的所述轴的所述端头部分使所述第一和第二止推板与所述轴的端部隔开，并包括一形成于所述套管的壁和所述轴的端头部分之间的毛细管密封，由此使所述流体保持在所述轴和所述套管之间的所述间隙里。

4.如权利要求3所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述径向横孔之一使所述中心孔与所述间隙在所述止推板和所述轴连接处连通，一弯月面形成于在所述间隙两侧的流体中，以使所述轴承的相邻部分分开。

5.如权利要求4所述的流体动力轴承座，其特征在于，还包括形成于由所述间隙分开的止推板和辅助板的至少一个径向表面上的槽沟。

6.如权利要求5所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述槽沟形成于所述辅助板的所述两个径向延伸表面上或所述第一和第二止推板的两个径向延伸表面上。

7.如权利要求5所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述槽沟形成于所述轴的外表面或所述套管的内表面，该内表面面向所述轴的端头部分、并沿着在所述止推板之间的、由所述轴和所述套管的中心表面限定的所述间隙的中心部分延伸。

8.如权利要求1所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述轴具有第一和第二端，而由形成轴颈支承部分的所述轴的端头部分将所述止推板与所述端部分开，所述各轴颈支承部分的一端终止于由一径向横孔形成的弯月面。

9.如权利要求4所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述横孔中的第一横孔与在所述第一和第二止推板之间的间隙连通。

10.如权利要求9所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述横孔中的第二横孔与在顶部止推板和所述轴承顶部之间的间隙连通。

11.如权利要求2所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述支承流体包括气体和/或液体。

12.如权利要求2所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述各止推板(90)还包括在所述各止推板的各径向表面(214，220)附近用以形成分开的支承部分(C，D)的形成结构。

13.如权利要求12所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述形成结构包括通向各止推板(90)的径向端(216)、以便与第一会合处(412)的所述间隙连接的径向孔(400)，以及位于所述轴(59)附近、轴向延伸通过所述止推板(90)、以便与在第二和第三会合处(416，418)的所述止推板上面和下面的间隙连接的轴向孔(404)，所述支承部分(C，D)形成于所述第一和第二(400，416)、以及第一和第三会合处(400，418)之间。

14.一种组装如权利要求2所述的流体动力轴承座的方法，包括提供一其上至少带有轴向间隔的、具有不同的半径的第一和第二台肩的套管，并将第一和第二辅助板插入并固定在所述第一和第二台肩上，由此在所述止推板和所述套管的所述辅助板之间精确地形成所述间隙。

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