CN1229508A - 具有多个止推板流体动力轴承的主轴电动机 - Google Patents

Abstract

一种对负载和转速的改变不那么敏感的流体动力轴承,它用在磁盘驱动器或类似装置的一主轴电动机内,这种主轴电动机的刚性较已知的一般主轴电动机的要强,所以系统的稳定性,特别是执行机构臂和相对于旋转盘的传感头的稳定性达到最佳化。流体动力轴承也可用作一轴承座,或该轴承座可与一主轴电动机之类装在一起,其中,该轴承包括一轴和至少两个独立轴承,每一个包括一支承在轴上的止推板和一装在能够绕轴相对旋转的轴套上的对面板。

Description

具有多个止推板流体动力轴承的主轴电动机

供参照的相关申请

本申请是申请号为60/044,171的美国专利申请的继续，该美国专利申请于1997年4月23日提交并已转让给本申请的受让人，在此援引以作参考。

本申请还涉及参阅申请号为＿＿并于＿＿提交(专利律师登记号为A-65138/JAS)的美国专利申请、申请号为＿＿并于＿＿提交(专利律师登记号为A-65139/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已转让给本申请的受让人，在此援引以供参考。

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

磁盘驱动器被用来通过磁性存储信息。在一磁盘驱动器中，有一磁盘高速转动，一传感头在该盘的一表面的上方“飞越”。这个传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。使用该传感头通过探测盘表面的磁化而读出信息。传感头沿径向穿越过该盘的表面，以便读出不同的数据磁道。

多年来，储存密度趋于不断提高而存储系统的尺寸趋于不断减小。这种趋势在磁性储存盘的制造和操作中要求有高的精度和较低的公差。例如，为了实现提高储存密度，传感头必须日益靠近存储盘的表面。传感头的这样的趋近要求盘基本上在一个平面内转动。盘转动时稍微的摆动或偏离均能使盘表面接触到传感头。这就是所谓的“撞盘”，它能损伤传感头和存储盘的表面，从而导致信息的丧失。

从以上所述可以看出：支承存储盘的支承组件是极端重要的。一种典型的支承组件包括支承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，由于阻尼性能较低，故耐操作冲击和振动的能力较差。因此，人们希望寻求别的支承组件来用于高密度的磁存储盘。

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承表面。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，流体动力轴承将支承界面分散在一大的表面积上。人们之所以需要这样做，是因为增大的支承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阻尼作用，这有助于减少非重复的偏离。然而流体动力轴承本身有缺点，其中包括较低的刚性-动力比，这些问题导致这种轴承对外负荷或震动变得非常敏感。

发明概要

因此，本发明的一个目的是提供一改进的流体动力轴承，该轴承对于负荷和转速的改变不怎么敏感。

本发明的另一目的是提供一种刚度增加的流体动力轴承。

本发明的再一目的是提供一种用在磁盘驱动器或类似装置的一主轴电动机中的流体动力轴承，这种主轴电动机的刚性较已知的一般主轴电动机的要强，所以系统的稳定性，特别是相对于旋转盘的执行机构臂和传感头的稳定性达到最佳化。

本发明的这些和其他的目的由可装在一主轴电动机或类似装置里的一流体动力轴承座来实现。其中，该轴承包括一轴和至少两个独立的支承部分，每一个包括一支承在轴上的止推板和一能够绕轴相对旋转的对面板(counterplate)和/或一轴套。使用多个止推板来保持和甚至提高整个结构的刚度，而不需要任何功率消耗的附加支出。此外，制造和组装过程都变得不再困难，因为可以将间隙保持在一合理的宽度。

更具体地说，在一举例的实施例中，轴承包括一固定轴、一在该轴周围并绕其旋转的轴套和至少被该轴的一部分分离开的第一止推板和第二止推板，在一个实例中，轴包括一中心储存腔或孔和一个或多个在储存腔和一限定在轴与轴套之间的间隙之间的口，以允许流体流过流体动力轴承。在轴或轴套上形成诸槽，该槽能够提高流体通过轴和支承在轴上的止推板以及周围的轴套与对面板限定的间隙的循环，还能增加刚度。诸槽也可以出现在一个多个对面板中，或在一止推板的表面上，或止推板和对面板上都有。

为了改进流体压力平衡和流体的运动，孔可以包括至少一个在每对止推板之间的径向孔和一个在最下面的止推板下面的径向孔。

在轴套中设置轴向间隔开的阶梯来改进组件，以便轴和止推板可插入轴套，然后对面板对着轴套中的阶梯放置。

本技术领域的人员在研究了结合以下诸附图的本发明公开内容之后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，其中可以使用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是按照本发明的一流体动力轴承座的垂直剖面图；

较佳实施例的详细描述

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轴承座。在下面讨论的实例中，将结合一主轴电动机来叙述该流体动力轴承和关联的轴承座的使用。很清楚，这种轴承座并不限于和一盘驱动器的这种特定设计结合使用，而仅仅是用它来作为举例说明而已。依靠本发明所具有的许多优点，它也可能被用于支承执行机构的转动。在盘驱动器领域之外，该轴承座还可以有许多其他用途。

另外，在此讨论的流体轴承有一固定轴和在四周转动的轴套。

在这具体实例中，存储系统10包括一外壳基座12，该基座有携带存储盘16的主轴电动机14。一电枢组件18使传感头20在盘16的表面上移动。盘16的四周由密封件22和盖24封住。在操作时，盘16高速转动而传感头20位于盘16的表面上的任一沿径向不同的磁道上。这使传感头20可以读出并将磁编码的信息记录在盘16的表面的某选定位置上。为了保持传感头在盘表面上高速转动，该盘以几千转/分的高速旋转。在现今的技术中，传感头与旋转盘表面之间的间隙距离是以微英寸计的。因此，盘绝对不能倾斜或摆动。

图2是一种已在这种技术中形成的那类单止推板流体动力轴承电动机设计的垂直剖面图。在该图中所示的电动机的基本结构包括一静止轴10和一支承于一轴套13以绕该轴转动的毂12。轴10包括在其一端的止推板14，而另一端为一台肩16。轴套13的一端支撑一对面板19，以在该止推板14之上转动。对面板19和止推板14被一足够的间隙22所分隔，以使润滑流体流经中心孔或储存腔20，经过该间隙22，经过在止推板14的端部与轴套13的一内表面27之间和在止推板14的下表面24与轴套13的上表面25之间以及在轴套的一内表面28与固定轴的外表面29之间形成的储存腔26，来润滑该流体动力轴承。流体路径主要经过一中心孔21返回到储存腔20。为了促进流体在止推板14与对面板19之间、在止推板14与轴套13之间和轴10与轴套13之间形成的诸支承表面上流动，每个组件的通常两个相对的表面之一具有诸段在本技术领域中人们所熟知的槽。

在诸支承表面之间流动的流体形成了液体动压力，从而形成了刚度。通过对支承表面进行适当的几何形状和槽形状的设计，流体经轴的中心孔20流到其它支承表面而保持循环。用于完成该电动机设计的重要结构的其余部分还包括其端部拧入基座44的一部分内的螺纹区31的轴延伸部30。一与轴套13支承的磁铁40配合的定子42，定子绕组42的通电使轴套13和毂12绕该静止轴转动。

在一盘驱动电动机中使用时，这一系统支承一或多个盘44转动。因为传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盘和毂不能摆动或振动。另外，还有重要的是：一旦发生这样的摆动，在止推板14的表面与对面板19和轴套13的相对表面之间不能有接触。但是，如上所述，在一如图2所示的悬臂型轴承中，负载携带表面止推板14的位置远离中心点(在振动或摆动情况下将可出现绕该中心点的枢轴转动)，这就有较大的可能性在相对的诸表面之间发生接触，这将导致在较长时间的使用后发生诸表面的磨损，并在短时间的使用后就降低了盘的转速。

为此采用了下面的附图设计。通过采用这种设计，无论是止推型或锥形轴承类，负载携带表面的位置都靠近于整个流体动力轴承系统的中间。可能绕着它发生的任何轴承摇动的枢轴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很少有机会在该轴承的端部接触。此外，由于加上了两个或更多的止推板表面，整个刚性有了很大的增加。从理论上讲，使用小的间隙，也能达到同样的结果，但轴承将变得难以制造。

请参阅图3，从图中可以看出这是一个改进的结构，它很容易用到图2中去，以形成一具有许多用途的轴承座，但特别适用于安装一诸如毂71的毂以及装入一盘驱动器中。轴75的上端101支承一在由轴套72支承的对面板91的下面旋转的止推板90；轴75的底部77被延伸以与一如图2所示的基座(图3未示出)紧密配合而支承电动机或轴承。

为了增强并保持电动机的刚度、它的耐冲击的能力以及它与系统其余部分的对齐，本发明的结构包括至少两个各安装在轴75上并被轴94的一个区域分开的止推板90、92。各止推板90、92被一对面板93分开，虽然这个例子只示出了两个止推板，但轴上可以安装多个止推板。最靠近基座的止推板92面对轴套72的用作对面板的部分103。上止推板90的顶表面214面对支承于轴套72的对面板91。

本发明的流体轴承被形成在对面板91、93和轴套72的内表面与轴75和止推板90、92的组合外表面之间。流体保持在流体动力轴承的固定部分与旋转部分之间。在图3实例的操作中，轴套72旋转过轴75，在流体轴承中形成上述的压力。流体动力流体将流体动力轴承的旋转部分与固定部分分离开来，在它们之间提供一支承表面。

流体通过延伸至轴75中心的并由一个或多个径向孔110、112连接于轴承间隙102的储存腔105循环到该间隙102。第一径向孔110使储存腔105与下间隙部分120连通，第二径向孔112使储存腔105与间隙的中心部分124连通。这样就为轴承流体提供一连续的路径。流体流动方向或压力梯度受形成在间隙中的动力轴承中的诸槽和止推板与对面板的尺寸和几何形状的影响，在该实例中用诸孔和储存腔中所画的箭头表示。其它流动方向或压力梯度也在本发明的范围之内。此处的储存腔意指在该区域中的流体是不活动的，除了通过它循环之外，它不提供流体动力轴承的作用。最后，储存腔与上间隙部分114连通；在对面板91的面对表面或止推板90的相对的表面上的诸槽使流体适当地朝其它止动板和流体返回孔112流动。

循环间隙的下端104通过毛细管密封160的形式而与外界大气隔离，其中，轴壁段162是渐尖的，而轴套壁段164是直线延伸的。由于轴是要被固定的，轴壁的这种渐尖是可能的，所以形成了毛细管密封件160。当然，轴套72的壁164也可以是渐尖的。密封件160的结构细节不是关键性的，只要在轴的端部能够对泄漏形成有效密封就可以了。

为了保持和提高系统的稳定性，液体动力轴承流体在一部分被两止推板90、92所限定的窄间隙中。各止推板90、92在其端部分别被轴套72的一轴向壁所限定、其两侧被轴套或对面板的径向壁所限定的凹部200、202中旋转。例如，在凹部200中旋转的止推板90，间隙部分由对面板91的径向壁210和止推板90的径向壁214所限定，然后由止推板的端壁216和轴套72的轴向壁218所限定，最后间隙在止推板的径向壁220与对面板93的径向壁222之间延伸。围绕止推板92和任何可安装在轴82上的附加止推板的诸间隙段都被类似地限定，从而构成了一沿重叠的轴和轴套的长度延伸的连续间隙102。

诸间隙为在固定轴与旋转轴套之间的流体提供了流动，同时间隙为轴套提供了自由旋转，而流体的存在又为轴承的旋转提供了必要的刚度和阻尼以及润滑。例如，流体从储存腔105流出、经过下面的孔110、进入上面的间隙114(如果有间隙114的话)，绕在各止推板周围的间隙朝中心孔112循环，中心孔112是流体通过两个循环路径流动的返回孔。一般而言，为了提高和保持系统的流体流动和刚度，采用本技术领域中已经熟知的螺旋或人字形或类似的槽的图案，在间隙最上端101和最下端104部分的直接面对轴的轴套表面或轴的表面设置诸槽以提供必要的循环。或者，或此外，各止推板的至少一个表面或者其对面板的面对表面将设置诸槽。这种槽的图案已经是熟知的，不需要对其作进一步的详细说明。一般来讲，在止推板90、92的端部构成间隙区域200、202的轴向表面不设置槽。

从图中可以看到，提供具有阶形特征300、302的轴套72来形成组件，这些阶形特征轴向分离，并允许对面板91、93压配(或任何其它合适的方法)到相对于它们必须与之配合的止推板的位置。可用任何适当的方法将止推板安装在轴上。在组装流体动力轴承时，具有止推板90、92的轴75插入轴套中，通过轴套阶形特征300将对面板93引导在位，然后将顶部的对面板91固定在轴套72的阶形302上面。

上述的发明具有许多优点。这种多个止推板的布局将轴向刚度以及整个轴承的摆动刚度提高到一相当高的程度。此外，轴套可被形成为一段的轴套。

还有，由于通过调整止推板的安装点就能容易地调整多个止推板之间的间隙，以及通过移动诸对面板就能改变轴套的结构，所以对于功率消耗和刚度具有相当程度的灵活性。

如上所述，这种轴承当然可用作液体轴承。但是，它也可通过多级泵送(即，通过分别地泵送在各止推板周围的间隙段和轴颈/轴套区域)产生刚度而用作气体轴承。因此，在本申请中所用的术语“流体”应该具有气体或流体的双重含义。

本发明的其它特征和优点在研究了本发明公开内容之后的本技术领域的熟练技术人员来讲可以是很清楚的。例如，在不脱离本发明基本精神的情况下，轴可延伸超过两个(或所有的)止推板，而不是终止在相邻的一个板处。又例如，在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下，可改变开槽图形的位置和设计，以改进流体通过间隙的循环或使这种循环最佳化。因此，本发明精神实质和范围应如以下权利要求所述。

Claims (16)

1.一种流体动力流体轴承座，它包括一固定轴，该轴至少装有被一圆形轴部分而不是顶部分隔开的第一止推板和第二止推板，所述轴的外端部分使所述第一和第二止推板中的至少一个与所述轴的末端隔开，各所述止推板包括被一轴向表面相连的第一和第二径向表面，一绕由所述轴的中心轴线限定的旋转中心轴线相对于固定轴旋转的轴套，所述轴套为所述第一和第二止推板中的每一个构成一凹部，各所述凹部包括由一径向表面连接的和面对所述止推板的各所述径向和轴向表面的诸径向表面，以构成一围绕各所述止推板的连续间隙，所述间隙还在平行于各所述止推板之间的所述固定轴的一轴向面延伸的所述对面板的轴向内表面之间延伸，以在所述轴与所述轴套之间形成连续间隙，以及

润滑流体在所述轴、所述轴套、所述止推板、和所述轴套和/或对面板之间的间隙内流动，使所述轴套相对于所述固定轴自由旋转，同时保持所述轴套相对于所述轴的刚度。

2.如权利要求1所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述固定轴包括一沿所述轴的中心轴线延伸的储存腔，该储存腔具有至少一个从所述储存腔延伸到被所述止推板中的至少一个而与所述轴的一端分离的所述间隙的一段的径向孔，以便通过所述轴套的旋转，使所述流体保持在所述储存腔、所述间隙和所述孔中。

3.如权利要求2所述的流体动力轴承座，其特征在于，在所述轴套内旋转的所述轴的一端部包括一形成在所述轴套的壁与所述轴的一个所述端部之间的毛细管密封部，其中所述轴或所述轴套的所述壁之一偏离另一个所述壁，以使所述流体保持在所述轴与所述轴套之间的所述间隙中。

4.如权利要求2所述的流体动力轴承座，其特征在于，至少一个所述径向孔从所述储存腔延伸到在所述第一和第二止推板之间延伸的所述间隙的一中心部分，从而在所述轴套旋转时，所述润滑流体能保持在由所述止推板限定的所述间隙中。

5.如权利要求4所述的流体动力轴承座，其特征在于，还包括形成在被所述间隙分离开的各止推板和对面板的至少一个径向表面上的诸槽。

6.如权利要求5所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述槽图形形成在所述对面板或所述轴套的所述两个径向延伸的表面上。

7.如权利要求5所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述诸槽形成在所述轴的所述外表面上或面对所述轴的所述端部的所述轴套的所述内表面的所述端部。

8.如权利要求4所述的流体动力轴承座，其特征在于，所述槽图形形成在所述第一和第二止推板的径向延伸的表面上。

9.一种组装权利要求2的流体动力轴承座的方法，它包括提供一轴套，该轴套上至少有第一和第二轴向分离开的阶梯，所述阶梯具有不同的半径，插入一第一和第二对面板座落在所述第一和第二阶梯上，使所述止推板与所述轴套的所述对面板部分之间的间隙被精确限定。

10.如权利要求2所述的流体动力流体轴承座，其特征在于，所述轴承流体包括气体和液体。

11.如权利要求1或2所述的流体动力轴承，其特征在于，所述流体包括气体。

12.如权利要求4所述的流体动力轴承，其特征在于，诸所述止推板之一支承在所述轴的一第一端上，其中所述轴套支承一面对一止推板的顶部对面板，以形成所述流体动力轴承的一部分间隙，所述板和所述对面板的相对旋转使所述流体保持在所述间隙中。

13.如权利要求12所述的流体动力轴承，其特征在于，所述储存腔终止在止推板与对面板之间的所述间隙部分中，相对旋转使所述流体通过所述储存腔和所述间隙流动。

14.如权利要求13所述的流体动力轴承，其特征在于，所述储存腔沿所述轴的一中心线从面对所述顶部对面板的所述轴的所述端部延伸。

15.一种磁盘存储系统，它包括一所述盘驱动器的外壳，

支承一个或多个恒速旋转的盘的装置，和接近储存在各所述盘上的数据的装置，

所述支承装置包括注有流体的流体动力轴承装置，它能够使一支承所述一个或多个盘的毂相对于支承在所述外壳中的一轴旋转。

16.一盘驱动器，包括一盘、一电动机，一连接于所述盘和所述电动机的装置能够流体地耦合所述盘和所述电动机，以获得一不变的转速。

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