CN1230818A - 电动机及装有该电动机的硬盘装置 - Google Patents

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Abstract

在流体轴承技术方案的轴固定式电动机中,将固定轴的直径d(mm)设定成α3·M1>d3>M1。而M1=J1·(N/1000)2·k2·D,J1是由实验决定的系数,N是使用转速,k是圆盘状记录媒体的枚数,D(英寸)是圆盘状记录媒体的直径,α是固定轴的最小直径与最大直径的倍率。本发明根据盘片负荷和使用转速等明确规定了最低限度的轴直径的上限与下限,可尽可能降低损失和确保最低限度的耐振动性能及可靠性。

Description

电动机及装有该电动机的硬盘装置
本发明涉及用于OA设备或AV设备的电动机。
在使硬盘高速旋转并读出磁记录或记录内容的硬盘装置中，使用轴旋转式电动机或在美国专利第4739427号公报上所看到的轴固定式电动机。
轴固定式电动机如图15所示，在通过滚珠轴承2a、2b旋转自如地支承于固定轴1a的转子3上设有磁铁4，并设有相对于磁铁4而安装在定子铁心5上的定子绕组6，绕其轴心旋转驱动搭载在转子3上的硬盘7。
一般，耐振动特性有如下的倾向。
一旦转速上升，耐振动特性就恶化，另外，即使盘片负荷增加，耐振动特性也恶化。
当然，若提高电动机的共振点，该耐振动特性就改善。因此，象上述那样，一般是做成将固定轴1a的基端部固定在下壳体8a上、用螺钉9将顶端部固定在上壳体8b上的双支承结构来提高共振点，或者用悬臂式支承结构增大轴直径。
现有的耐振动特性，在滚珠轴承技术方案中无较大的问题。其理由如下。
在滚珠轴承技术方案中是滚动摩擦，轴直径与耗电的关系较小。因此，可在增大轴直径的状态下来使用。另外，轴的直径一贯使用5mm或6mm的，虽然这种类别的滚珠轴承的成本也较低，但由于在滚珠轴承中，若尺寸变小，则耐负荷能力也变小，故有不耐冲击的这种问题。
在以小型化和耐冲击负荷为目的的场合，用流体轴承支承来代替滚珠轴承是有利的，具体结构记载在美国专利第5590003号公报上。
下面，就流体轴承技术方案进行研究。
在流体轴承技术方案中，煞费苦心研究了如何抑制作为现有的最大问题的因流体摩擦所增加的损失。为此，缩小轴的直径降低圆周速度是最有效的，且根据盘片负荷和转速等用最低限度的轴直径来对付是重要的。
本发明的目的是，提供一种在流体轴承技术方案中、根据盘片负荷和使用转速等来明确规定最低限度的轴直径的上限与下限从而尽可能降低损失和可确保最低限度的耐振动性能与可靠性的电动机及装有该电动机的硬盘装置，
本发明电动机系流体轴承技术方案的轴固定式电动机，其特点是，将固定轴的直径d(mm)设定成α3·M1＞d3＞M1。
另外，本发明的电动机系流体轴承技术方案的轴旋转式电动机，其特点是，将固定轴的直径d(mm)设定成α3M2＞d3＞M2。
然而，M1=J1·(N/1000)2·k2·D,M2=J2·(N/1000)2·k2·D,J1、J2是由实验决定的系数。N(rpm)是使用转速，k是圆盘状记录媒体的枚数，D(英寸)是圆盘状记录媒体的直径，α是固定轴或转子轴的最小直径与最大直径的倍率。
采用本发明，可尽可能降低损失和获得最低限度的耐振动性能与可靠性。
本发明技术方案1的电动机，包括设在旋转自如地支承于固定轴的转子上的磁铁和相对于所述磁铁而安装在定子铁心上的定子绕组，绕其轴心旋转驱动搭载在所述转子上的圆盘状记录媒体，其特点是，当将固定轴的直径设为d(mm)、使用转速设为N(rpm)、圆盘状记录媒体的枚数设为k、以及圆盘状记录媒体的直径设为D(英寸)时，设定成α3·M1＞d3＞M1。然而，M1=J1·(N/1000)2·k2·D,J1是由实验决定的系数，设定成0.018±20％,α是固定轴的最小直径与最大直径的倍率。
本发明技术方案2的电动机，在将转子轴插入形成于定子侧的固定套的轴孔而旋转自如地支承的转子上设有主磁铁，并设有相对于所述主磁铁而安装在定子侧上的定子铁心，绕其轴心旋转驱动搭载在所述转子上的圆盘状记录媒体，其特点是，当将所述转子轴的直径设为d(mm)、使用转速设为N(rpm)、圆盘状记录媒体的枚数设为k、以及圆盘状记录媒体的直径设为D(英寸)时，设定成α3·M2＞d3＞M2。然而，M2=J2·(N/1000)2·k2·D,J2是由实验决定的系数，设定成0.0134±20％,α是转子轴的最小直径与最大直径的倍率。
本发明技术方案3的硬盘装置，其特点是，内藏技术方案1或技术方案2中所述任何一种的电动机，用该电动机旋转驱动圆盘状记录媒体。
图1是使用轴旋转式电动机的硬盘装置的剖视图。
图2是图1主要部分的放大图。
图3是本发明(实施形态1)的轴直径与轴歪斜(轴倒れ)共振频率的关系图。
图4是本发明(实施形态1)的转速与轴歪斜共振频率的关系图。
图5是本发明(实施形态1)的盘片直径与轴歪斜共振频率的关系图。
图6是本发明(实施形态1)的盘片枚数与轴歪斜共振频率的关系图。
图7是将轴直径增粗前的耐振动特性图。
图8是将轴直径增粗处理后的耐振动特性图。
图9是表示轴旋转式电动机转速为5400rpm场合的轴直径范围的盘片枚数与轴直径的关系图。
图10是表示轴旋转式电动机转速为7200rpm场合的具体的轴直径范围的盘片枚数与轴直径的关系图。
图11是使用轴固定式电动机的硬盘装置的剖视图。
图12是图11主要部分的放大图。
图13是表示轴固定式电动机转速为5400rpm场合的轴直径范围的盘片枚数与轴直径的关系图。
图14是表示轴固定式电动机转速为7200rpm场合的具体的轴直径范围的盘片枚数与轴直径的关系图。
图15是轴承支座技术方案的轴固定式电动机的剖视图。
下面，结合图1～图14说明本发明的各实施形态。
实施形态1
图1～图10表示实施形态1。
图1与图2表示使用了流体轴承技术方案的轴旋转式电动机的硬盘装置，在托架1的中央孔2处安装有固定套3。在轮毂4上安装有插入固定套3的轴孔5的转子轴6，插入固定套3的转子轴6的前端与安装在固定套3的基端上的止推板7相抵接。
在托架1上，以所述固定套3为中央而安装有定子铁心8。将轭铁的前端做成外周侧来安装定子铁心8。
在轮毂4上，通过框架10而安装有环状的主磁铁9，并与所述定子铁心8的外周部相对。另外，在固定套3与转子轴6之间形成有径向侧动压发生部，在其间隙充填有润滑流体。
在轮毂4上，在所述图1与图2中将隔垫12夹在当中来安装2枚硬盘11。
当将转子轴6的直径设为d(mm)、使用转速N设为5400(rpm)、圆盘状记录媒体的枚数k设为3、以及圆盘状记录媒体的直径D设为3.5(英寸)时，若以转子轴6的直径d为变数测定与轴歪斜共振频率f的关系，则有如图3所示那样的f∝d3的关系。
另外，若以使用转速N为变数测定与轴歪斜共振频率f的关系，则有如图4所示那样的f∝1/N2的关系。
另外，若以圆盘状记录媒体的直径D为变数测定与轴歪斜共振频率f的关系，则有如图5所示那样的f∝1/D的关系。
另外，若以圆盘状记录媒体的枚数k为变数测定与轴歪斜共振频率f的关系，则有如图6所示那样的f∝1/k2的关系，
因此，由图3～图6的结果可将轴歪斜共振频率f表现为如下数学式：
f∝d3·1/N2·1/D·1/k2。
图7是使将3.5英寸的3枚盘片安装在流体轴承技术方案的轴旋转式电动机上的装置以5400rpm旋转、对以0.5G振动该装置时的盘面的轴向变位进行测定后的图。
耐振动性能对包含盘片的数百赫兹以下的共振以其发生能级(レベル)进行评价。在图7中，是以在振动时未发生动作错误的能级为100进行表示的。
图8中测定的轴旋转式电动机的转子轴6的直径d比图7中测定的轴旋转式电动机的粗。
将图7与图8比较得知，图7的低区域发生的160Hz附近的峰值P1与365Hz附近的峰值P2，如在将转子轴6的直径d增粗后的图8中用峰值P1′、P2′所示那样分别移动到220Hz附近与500Hz附近。
该峰值P1、P2、P1′、P2′是由代表转子轴6的直径等的刚性值所决定的共振，叫作轴歪斜共振。共振由回转仪效果分成2种，峰值P1、P1′叫作逆向旋转型式，峰值P2、P2′叫作电动机旋转方向型式。
峰值P3是安装后的盘片的共振，峰值P4、P5是因其以外的共振所产生。
产生的振动并非都成为问题，由于存在因随动(サ-ボ)而导致的压缩，故成为通常问题的一般是300Hz以下的成分。
在该区域叫作轴歪斜共振的峰值P1、P1′、P2、P2′，给装置的随动方面的问题和误差的发生有较大的影响。
将电动机转速N与盘片枚数k及轴直径d作为参变数，用实验求得装置未产生误差的振动加速度。下面(表1)表示其结果。
(表1)
 转速rpm  盘片枚数                   轴直径(mm)
    3     3.5     4.0     5.0
 5400    345   1.09G     1.74G     2.60G     5.08G
  0.61     1.13     1.46     3.3
  0.31     0.65     0.76     1.90
在该(表1)中，当条件为转速N=5400rpm、盘片枚数k=3、轴直径d=3.5mm的场合未产生误差的振动加速度是1.74G、并设成作为产品所要求的目标振动加速度Go时，可表示为：
(3/k)2(d/3.5)3/(N/5400)2/(D/3.5)=(Go/1.74)，
(3/k)2(d/3.5)3/(N/5400)2/(D/3.5)·1.74=Go。然后若按比例计算求得目标振动加速度Go=0.5G时的最低限度的轴直径d，则获得：
(3/k)2(d/3.5)3/(N/5400)2/(D/3.5)·1.74=0.5，
d3=0.0134·(N/1000)2·k2·D。轴直径d的上限，从如何获得其余量这一点和因轴承损失大致与轴直径的2次方成正比而将允许程度做成最低轴直径的损失的约2倍以下这2个观点来看，若将最大轴直径设定成最低轴直径的1.5倍，则最大轴直径被规定成d3=0.0134·(N/1000)2·k2·D·1.53，轴直径d的设定范围可表现为：
0.0134·(N/1000)2·k2·D＜d3＜0.0134·(N/1000)2·k2·D·1.53。
根据该关系式，对设定轴直径d的电动机的转速、盘片枚数、盘片直径予以变更确认是否满足目标振动加速度Go=0.5G，任一种电动机都是适当的。系数0.0134在0.0134±20％范围内，满足目标振动加速度Go。
具体地说，图9表示在使安装了2.5英寸盘片的电动机以5400rpm旋转的场合使盘片枚数变化而满足目标振动加速度Go=0.5G的轴直径的最小值与最大值。图10表示在使安装了2.5英寸盘片的电动机以7200rpm旋转的场合使盘片枚数变化而满足目标振动加速度Go=0.5G的轴直径的最小值与最大值。
实施形态2
图11～图14表示实施形态2。
图11与图12表示使用了流体轴承技术方案的轴固定式电动机的硬盘装置，固定轴13的基端用螺钉14固定在下壳体1 5上。在固定轴13的顶端用螺钉17安装有固定止推板16。
相对固定轴13旋转自如的旋转套18，包括设有贯通插入所述固定轴13的轴孔19的筒部20和从该筒部20的前端向外侧伸出的轮毂部21。
在下壳体15上安装有定子铁心22，将轭铁的前端做成外侧来安装该定子铁心22。
在旋转套18的与筒部20的前端一体安装的所述轮毂部21，通过转子框架23安装环状磁铁24。在轮毂部21上，在所述图11与图12中将隔垫26夹在当中来安装3枚硬盘25。
在固定轴13与筒部20的内周面之间形成有径向侧动压发生部，在固定止推板16与旋转套18的凹部27及旋转止推板28之间形成有轴向侧动压发生部。
径向侧动压发生部，在固定轴13的外周面上形成动压发生槽，并在间隙充填有润滑流体。轴向侧动压发生部在固定止推板16的上面与下面分别形成动压发生槽并在间隙充填有润滑流体。
该实施形态2的轴固定式的场合也与实施形态1中的(表1)相同，将电动机转速N与盘片枚数k及轴直径d作为参变数，用实验求得装置未产生误差的振动加速度。下面(表2)表示其结果。
(表2)
    转速rpm    盘片枚数                       轴直径(mm)
      3     3.5       4     5
    5400     345     0.80G0.450.23     1.28G0.830.48     1.90G1.070.56     3.73G2.431.40
    7200     345     0.450.250.13     0.720.470.27     1.070.600.31     2.101.370.79
    10000     345     0.130.070.04     0.210.140.08     0.310.170.09     0.610.400.23
在该(表2)中，当条件为转速N=5400rpm、盘片枚数k=3、轴直径d=3.5mm的场合未产生误差的振动加速度是1.28G、并设成作为产品所要求的目标振动加速度Go时，可表示为：
(3/k)2(d/3.5)3/(N/5400)2/(D/3.5)=(Go/1.28)，
(3/k)2(d/3.5)3/(N/5400)2/(D/3.5)·1.28=Go。然后若按比例计算求得目标振动加速度Go=0.5G时的最低限度的轴直径d，则获得：
(3/k)2(d/3.5)3/(N/5400)2/(D/3.5)·1.28=0.5，
d3=0.018·(N/1000)2·k2·D。轴直径d的上限，从如何获得其余量这一点和因轴承损失大致与轴直径的2次方成正比而将允许程度做成最低轴直径的损失的约2倍以下这2个观点来看，若将最大轴直径设定成最低轴直径的1.5倍，则最大轴直径被规定成d3=0.018·(N/1000)2·k2·D·1.53，轴直径d的设定范围可表现为：
0.018·(N/1000)2·k2·D＜d3＜0.018·(N/1000)2·k2·D·1.53。
根据该关系式，对设定轴直径d的电动机的转速、盘片枚数、盘片直径予以变更确认是否满足目标振动加速度Go=0.5G，任一种电动机都是适当的。系数0.018在0.018±20％范围内，满足目标振动加速度Go。
具体地说，图13表示在使安装了3.5英寸盘片的电动机以5400rpm旋转的场合使盘片枚数变化而满足目标振动加速度Go=0.5G的轴直径的最小值与最大值。图14表示在使安装了3.5英寸盘片的电动机以7200rpm旋转的场合使盘片枚数变化而满足目标振动加速度Go=0.5G的轴直径的最小值与最大值。
如上所述，本发明的电动机，由于根据使用条件设定成适当的轴直径，故在流体轴承技术方案中可尽可能降低损失和确保最低限度的耐振动性能及可靠性。
另外，在装有该电动机的硬盘装置中，不会牺牲可靠性而可实现低耗电化。

Claims (3)

1．一种电动机，包括设在旋转自如地支承于固定轴的转子上的磁铁和相对于所述磁铁而安装在定子铁心上的定子绕组，绕其轴心旋转驱动搭载在所述转子上的圆盘状记录媒体，其特征在于，
当将固定轴的直径设为d(mm)、使用转速设为N(rpm)、圆盘状记录媒体的枚数设为k、以及圆盘状记录媒体的直径设为D(英寸)时，α3·M1＞d3＞M1。而M1=J1·(N/1000)2k2·D,J1是由实验决定的系数，设定成0.018±20％,α是固定轴的最小直径与最大直径的倍率。
2．一种电动机，在将转子轴插入形成于定子侧的固定套的轴孔而旋转自如地支承的转子上设有主磁铁，并设有相对于所述主磁铁而安装在定子侧上的定子铁心，绕其轴心旋转驱动搭载在所述转子上的圆盘状记录媒体，其特在于，
当将所述转子轴的直径设为d(mm)、使用转速设为N(rpm)、圆盘状记录媒体的枚数设为k、以及圆盘状记录媒体的直径设为D(英寸)时，α3M2＞d3＞M2。而M2=J2·(N/1000)2·k2·D,J2是由实验决定的系数，设定成0.0134±20％,α是转子轴的最小直径与最大直径的倍率。
3．一种硬盘装置，其特征在于，内藏权利要求1或权利要求2中所述任一种的电动机，用该电动机旋转驱动圆盘状记录媒体。
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