CN1232881A - 导热的主轴支撑轴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导热的主轴电动机支撑轴,它是由铝(Al)和碳化硅(SiC)的金属基质复合材料构成的,碳化硅大约占体积的53%到63%。可以用这种主轴支撑轴代替钢轴,通过转动轴承来支撑磁盘存储器的主轴。这种主轴支撑轴可以提高其热传导性能,降低转动轴承的温度,并且其热膨胀系数与普通的钢轴相同,这样就能在整个温度范围内维持轴承的预载。
Description
本发明涉及到用于主轴电动机的主轴支撑轴，特别是涉及到一种高导热性能的主轴支撑轴。
磁盘存储器为计算机系统提供了主要的数据存储系统。数据以磁性转变的形式被记录在磁盘的同心轨迹中。磁盘被安装在一个主轴上，一个驱动器在磁盘面的上方径向地移动一个磁性传感器，将传感器对准同心的轨迹，用来存取信息。磁盘和主轴被装在一个转动的支撑轴上，用一个电动机使磁盘高速转动。
对磁盘存储器的主要要求是数据的快速存取和高数据速率。二者的关键都在于高的转速。一般来说，当驱动器将传感器定位在指定的轨迹上之后，传感器需要在磁盘转过半圈时才能收到指定的数据。因此，磁盘的转速越高，对指定数据的存取就越快。同样，加快磁盘的转速可以让更多的数据通过传感器，这样就能提高传感器的数据速率。
增加容量也是一个重要问题，这在目前是通过增加每张盘上的数据密度和装在给定空间中的磁盘数量来实现的。目前是通过将磁盘叠装得更密来增加磁盘的数量。
越来越高的主轴转速和磁盘数量的增加共同造成了高容量，高性能磁盘驱动器的工作温度上升。升高的温度来自增加的转矩需求，这主要是由于磁盘的粘滞扩散增大了，以及增加了磁盘的转速和数量。上升的温度对电动机温度的增加具有复合作用，它会使电动机的效率降低并且增大其电阻，而线圈电阻损耗的增加会使温度进一步升高。
温度的增加会造成主轴轴承可靠性的劣化，并且会降低电动机的性能。轴承可靠性的降低是由于粘度的降低而增加了润滑油的损耗。电动机性能的降低不仅是由于在增加设计速度时降低了扭矩系数(因为是固定电压供电)，还有升高的温度造成了系统中的电阻元件例如线圈和晶体管等等的电压降增大的原因。具体地说，温度上升会增大线圈的电阻，线圈上的电压降就会随之增大。因此，可用的电压余额或是净空就降低了。为了提供转速控制所需的电压余额(净空)，可能需要进一步降低电动机的扭矩系数。
有一种解决方案是通过增加电动机向基板和外盖的热传导，通过对流性的热传导而散发热量，从而降低电动机和轴承的温度。将定子放在两个轴承下面或是外侧的主轴电动机结构可以大大改善电动机热损耗向基板方向散热的性能，但是这种结构要兼顾轴承间距和轴承尺寸的限制。另外，有些此类结构在对盘式压板进行热收缩安装时无法支撑轴套。此外，与定子被放在轴承之间的传统结构相比，在设计中还要兼顾电动机的体积。
将定子放在轴承之间的传统结构对于效率和最高的主轴强度稳定性来说是最佳的。然而，这种结构在热传导方面遇到的困难在于轴必须要采用具有一定热膨胀系数(CTE)(与主轴上其他部分的CTE相比)的马氏体钢，这样才能在整个温度范围内适当地维持轴承预载。尽管定子被直接连接到轴上，可以通过轴向基板导热，但是普通钢轴的传导性很差(大约是25(W/m)K)-(瓦特/米)/开尔文)。
为了提高电动机的热传导效率，有人提出了采用纤维强化金属。在1988年1月18日公开的日本专利申请61-151762号中，电动机的轴是由用一种SiC晶须强化的铝合金制成的。晶须强化工艺可以保持(或是提高)强度，同时又增大了热传导。然而，尽管这种轴改善了热传导效率并且能保持强度，但是没有考虑到热膨胀系数的匹配问题。使用晶须的材料在截面上是不均匀的，因而无法与均匀材料的热膨胀系数相匹配。
本发明的目的是提供一种主轴支撑轴，所采用的材料可以增加接轴架的热传导，并且其CTE与普通钢支撑轴的CTE相符。
本发明公开了一种导热的主轴支撑轴，还涉及到一种用导热的主轴支撑轴制成的磁盘存储器。用导热的主轴支撑轴通过一个转动轴承来安装磁盘存储器的主轴。主轴可以从轴向上插入一个用来支撑轴承的轴套。这种主轴支撑轴是由铝(Al)和碳化硅(SiC)的金属基质复合材料构成的。在一个实施例中，金属基质复合材料中大体上包括占体积53％到63％的碳化硅(取决于过程变量)，并且其热膨胀系数(CTE)基本上与普通的钢轴相同。这种碳化硅成分最好是粉末状的。
制成的主轴支撑轴可以增大电动机定子的热传输，降低转动轴承和电动机的温度，并且符合普通钢轴的CTE，从而在整个温度范围内维持轴承预载。这样就能在高速磁盘驱动器中使用将定子装在轴承之间的最佳结构。
从以下的附图和详细说明中可以了解到本发明的其他目的，特征及其优点。
在附图中用举例和非限制性的方式表示了本发明，附图中相同的符号表示相同的部件，在附图中：
图1是本发明一个实施例的主轴电动机及其支撑轴的截面图；
图2表示一种AlSiC金属基质复合材料的CTE值曲线图；
图3是采用了本发明的主轴支撑轴的一个磁盘驱动器的顶视图。
以下要参照图1来说明本发明的一个实施例。用一个典型为铝制的主轴轴套10来安装至少一个磁记录盘。将一个包括定子线圈12，转子磁体14和转子护铁16的普通的“定子放在轴承之间”的无刷DC主轴电动机安装在转动的主轴轴套10上，并且定位在轴承20和22之间。用轴承20和22将主轴轴套10安装在主轴支撑轴25上，让它绕着主轴支撑轴的中心轴线转动。
将DC电动机的钢制转子护铁16插入主轴轴套10，它提供一个分别用来支撑轴承20和22的外座圈30和32的背衬。用内座圈34和36将轴承安装在主轴支撑轴25上。这种“将定子放在轴承之间”的传统结构对于效率和最高的主轴强度稳定性来说是最佳的。这种结构的难点在于传统的轴是用马氏不锈钢制成的，以便获得良好的硬度，良好的耐腐蚀性，以及紧密的径向公差，并且其热膨胀系数(CTE)可以在整个工作温度范围内保证轴承预载的稳定性。
随着磁盘驱动器速度的增加，如上文所述，钢制的主轴支撑轴的不良的热传导特性以及增加的热负荷会造成电动机和轴承的温度明显上升。
升高的温度会降低轴承的可靠性，并且降低电动机的效率，其复合效果是增加电动机的温度，从而使电动机的效率进一步降低。
在本发明的一个实施例中，主轴支撑轴25可以增加主轴支撑轴的热传导特性，优于普通的钢轴。主轴支撑轴25是用铝(Al)和粉末形式碳化硅(SiC)的金属基质复合材料制成的，其中的碳化硅大约占体积的53％到63％，并且其热膨胀系数(CTE)基本上与普通的钢轴相同。典型的钢轴是采用诸如AISI型号416的马氏不锈钢，它的CTE是9.5*10-6m/m/℃。
普通的电动机一般都是采用马氏钢轴(例如AISI型号416的不锈钢)和低碳钢的护铁。对于使用这些材料的电动机来说，其CTE可以在整个温度范围内维持相当稳定的轴承预载。为了在一定温度范围内维持轴承预载，在选择中需要考虑材料的CTE以及主轴电动机轴承的直径和轴承间的距离。径向和轴向的热膨胀都是必须考虑的问题。在现有技术的系统中，既要维持现有的轴的CTE，还应该提高其导热率。
尽管采用铝轴可以提高导热率，但是它的CTE过大，并且由于它过于柔软而不能象钢那样获得紧密的尺寸公差。表1中所示的55％SiC具有与普通马氏钢轴类似的CTE，但是其导热率增加了7倍。这种SiC成分最好是粉末的形式。
另外，SiC占体积53％到63％的复合物可以采用被称为加压渗透铸造(PIC)的制造工艺。这种PIC工艺首先是在模具中对一种SiC多孔预制件进行加热，同时浇铸熔化的金属(在本实施例中是铝)。
表1．CTE和导热率的比较
轴 新轴
AISI 416 AlSiC 55％
导热率(W/m)K 25 185
CTE(ppm/C) 9.5 9.5
这样的主轴支撑轴25可以增加转动轴承20和22以及电动机的热传导，还可以降低它们的温度，并且其CTE非常接近被它所替代的钢轴的CTE，这样就能在整个温度范围内维持轴承20和22的预载。因此，在高速磁盘驱动器中也可以使用将定子放在轴承之间的最佳结构。
主轴支撑轴25所用材料的导热率大约是180(W/m)/K((瓦特/米)/开尔文)，大约是典型的轴用钢(大约25(W/m)/K)的7倍。主轴支撑轴25通常被连接在一个基板的底部和一个盖的顶部，并且向基板和顶盖传送热量。
AlSiC金属基质复合材料(MMC)的CTE是通过选择SiC和Al的特定体积比来确定的。通过计算CTE的上、下限值就可以在一定范围内预测出一种MMC的CTE。根据过程参量可以在预测的上下限之间改变CTE的实际值。通过良好地控制过程变量就可以良好地控制MMC的具体CTE值。在已知SiC(V)的体积百分率，SiC(ES)和Al(EA)的弹性模数，以及SiC(αS)和Al(αA)的CTE的条件下就可以计算出CTE的上、下限值(分别是αupper和αlower)。其计算公式如下：
参见B.Sonuparlik,C.Meyer,“Silicon Carbide Reinforceed Aluminum for Performance Electronic Packages”,Proceedings ofthe 1996 International Electronics Packages Conference,1996,pp614-623。
在图2中是SiC的各种体积百分率下的CTE的上、下限值曲线。图中曲线表示了AlSiC的CTE随着SiC加量的变化。
下表为各种导热性主轴支撑轴的温度上升与轴的热传导性之间关系的一个表。
表2 温度与轴导热率的关系
| 轴导热率 | 19.56 | 24.90 | 43.75 | 62.50 | 100.00 | (W/m)/K |
| 外壳顶 | 21.1 | 21.1 | 21.2 | 21.1 | 21.2 | ℃ |
| 顶部轴承 | 34.9. | 32.2 | 27.7 | 26.0 | 24.5 | ℃ |
| 电动机定子 | 47.7 | 42.3 | 33.6 | 30.2 | 27.3 | ℃ |
| 外壳底 | 22.6 | 22.6 | 22.6 | 22.6 | 22.5 | ℃ |
表2表示了如何通过增加实心轴的导热率进而通过增加主轴支撑轴的热传导率来降低轴承的温度。在测试中采用了典型的3.5英寸规格的1.6英寸高度磁盘驱动器，磁盘轨迹的粘滞扩散是5.8瓦特，电动机的铜耗和铁耗总共是2.3瓦特，每个轴承是0.25瓦特，而电子电路卡的功率是6.1瓦特。在图中应该注意到，顶部轴承的温度随着热传导的增大而下降。轴承温度是极为重要的，轴承温度每降低10℃，其寿命就大约可以达到双倍。电动机温度是在定子的中心测量的。图中的“DE”表示设备的外壳，它是在顶盖和底部基板上测量的。当热量被传递到设备外壳的外侧时，设备外壳的温度基本上不变，而顶部轴承的温度随着主轴支撑轴导热率的增加会下降10℃以上，这样就增加了从轴承到设备外壳然后是设备外壳外侧的热传导。
图3表示采用了本发明的一种磁盘驱动器。在主轴10上装有至少一个磁盘60，上面具有许多用来记录信息的同心轨迹。主轴10被安装在主轴支撑轴25上绕着一条中心轴线旋转。在电动机转动磁盘的同时，利用一个绕着枢轴67转动的音圈电机66来选择安装在驱动臂65端部的一个传感器64的位置，让传感器64在移动中跨过磁盘表面上的一个又一个轨迹。磁盘驱动器的元件被安装在外壳70内的基板40上，为了防止污染，外壳70通常是密封的。磁盘60通过轴承20和22安装在图1的主轴10上，并且在电动机的驱动下绕着主轴支撑轴25高速转动。
可以用任何适当的手段将主轴支撑轴25安装在磁盘驱动器中。一种优选的方法是将其压配合在基板40中，这样就能获得较好的从金属基质复合材料的主轴支撑轴25到基板40的热传导特性。
图中的主轴支撑轴25是实心的。然而，也可以采用空心或是部分空心的轴。
尽管本发明对磁盘驱动器的主轴特别有效，它也可以有效地用于广泛使用的各种主轴电动机。
尽管在上文中详细说明了本发明的最佳实施例，本领域中的技术人员在不脱离权利要求书所限定的本发明范围的条件下显然还可以对这些实施例进行修改和变更。
Claims (15)
1．一种导热的主轴电动机支撑轴，其特征是包括：
铝(Al)和碳化硅(SiC)构成的金属基质复合材料，碳化硅大约占体积的53％到63％。
2．按照权利要求1的导热的主轴电动机支撑轴，其特征是碳化硅和铝的上述比例使其热膨胀系数基本上等于9.5*10-6m/m/℃。
3．按照权利要求1的导热的主轴电动机支撑轴，其特征是上述碳化硅成分是粉末形式的，并且碳化硅和铝的上述比例使其热膨胀系数基本上与马氏不锈钢的热膨胀系数相同。
4．按照权利要求1的导热的主轴电动机支撑轴，其特征是上述主轴支撑轴是实心的。
5．按照权利要求1的导热的主轴电动机支撑轴，其特征是上述主轴支撑轴至少有一个轴向部分是空心的。
6．磁盘存储器的一种主轴电机组件，其特征是包括：
用来支撑至少一张磁盘的主轴，在上述主轴上设有一个转子轴套，安装有至少一个转动轴承的外座圈；
用来转动上述主轴的电动机；以及
一个导热的主轴支撑轴，用来安装上述至少一个转动轴承的内座圈，上述主轴支撑轴是由铝(Al)和碳化硅(SiC)的金属基质复合材料构成的，碳化硅大约占体积的53％到63％。
7．按照权利要求6的主轴电动机组件，其特征是碳化硅和铝在上述主轴支撑轴中的比例使其热膨胀系数基本上等于9.5*10-6m/m/℃。
8．按照权利要求6的主轴电动机组件，其特征是上述主轴支撑轴的碳化硅成分是粉末形式的，并且碳化硅和铝的上述比例使其热膨胀系数基本上与马氏不锈钢的热膨胀系数相同。
9．按照权利要求6的主轴电动机组件，其特征是上述主轴支撑轴是实心的。
10．按照权利要求6的主轴电动机组件，其特征是上述主轴支撑轴至少有一个轴向部分是空心的。
11．一种磁盘存储器包括：
一个基板；
至少一张磁盘；
至少一个传感器；
用来支撑上述至少一张磁盘的主轴，在上述主轴上设有一个转子轴套，安装有至少一个转动轴承的外座圈；
用来转动上述主轴的电动机；
支撑在上述基板上的一个驱动器，用上述驱动器支撑着上述至少一个传感器，用传感器来读出和或写入上述至少一张磁盘，并且在上述至少一张磁盘上面有选择地定位上述至少一个传感器；以及
一个导热的主轴支撑轴，用来安装上述至少一个转动轴承的内座圈，上述主轴支撑轴是由铝(Al)和碳化硅(SiC)的金属基质复合材料制成的，碳化硅大约占体积的53％到63％。
12．按照权利要求11的磁盘存储器，其特征是碳化硅和铝在上述主轴支撑轴中的比例使其热膨胀系数基本上等于9.5*10-6m/m/℃。
13．按照权利要求11的磁盘存储器其特征是上述主轴支撑轴的碳化硅成分是粉末形式的，并且碳化硅和铝的上述比例使其热膨胀系数基本上与马氏不锈钢的热膨胀系数相同。
14．按照权利要求11的磁盘存储器，其特征是上述主轴支撑轴是实心的。
15．按照权利要求11的磁盘存储器，其特征是上述主轴支撑轴至少有一个轴向部分是空心的。
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