CN1448640A - 锥形流体动力枢轴轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包括一个锥形流体动力轴承和一个枢轴轴承的轴承，该轴承可以应用在主轴电机中。本发明也提供一种安装了一个锥形流体动力轴承和一个枢轴轴承的主轴电机。

Description

锥形流体动力枢轴轴承

对相关申请的相互引用

本申请要求2002年8月29日申请的德国专利申请DE10239886.0的优先权，同时还要求2002年3月12日申请的序号为60/363784的美国专利申请的优先权。

发明背景

本发明涉及一种用于磁盘驱动器的主轴电机，尤其涉及对于这种电机中流体轴承的改进。

磁盘驱动器被用在计算机和其它的电子设备中来存储数字信息已经很多年了。信息记录在磁盘介质中同心的存储磁道上，这些有效信息以磁转换的形式存储介质中。磁盘本身可旋转地安装在主轴上，利用枢轴梁上的传感器存取信息，这个枢轴梁在磁盘表面上方沿径向移动。读/写头或传感器必须与磁盘上的存储磁道精确对准以保证正确地读和写信息，因此磁盘必须保证旋转稳定。

用在磁盘驱动器中的主轴电机通常依靠球轴承在固定件上来支撑旋转件，旋转元件如旋转轮毂，固定件如轴。球轴承是磨损性元件，一段时间以后这种摩擦将导致电机故障。另外，球轴承会产生粉末或细粒形的碎屑，这些碎屑会进入“干净的”腔室中，该腔室容着纳由电机驱动的旋转磁盘。球轴承内部机械摩擦也会引起发热和噪音，在磁盘驱动器中这些都是不希望出现的。

流体动力轴承将比主轴驱动电机中普通球轴承具有更大的进步。在这种系统中，润滑流体-气态或液态-在电机的旋转主轴或旋转轮毂的固定基座或壳体之间起着有效的轴承表面的作用。例如，由油和更复杂的铁磁性液体或甚至空气构成的流体润滑流体被应用在流体动力轴承系统中。

发明简述

本发明的目的在于提供一种具有流体动力枢轴轴承的主轴电机，该轴承可节省运行电流，进而降低主轴电机的电能消耗。本发明将流体动力轴承提高了稳定性的优点和枢轴轴承降低了电能消耗的优点结合在了一起。

本发明通过在主轴电机中设置一个装有枢轴轴承的流体动力锥形轴承来提供这些好处。该流体动力锥形轴承阻止了轴的水平移动和向上移动，同时枢轴轴承阻止了轴的向下移动。

本发明的上述及其它的目的、情况、细节和优势将通过实施方式结合附图的说明可以变得清楚。附图的简更说明

通过非限制性的例子和附图中的图形对本发明进行说明，附图中相同的标记表示相同或相当的部分，其中：

图1是依据本发明第一实施方式的主轴电机的侧剖视图，该电机具有转轴、流体动力锥形轴承和枢轴轴承。

图2是依据本发明第二实施方式的轴承的侧剖视图。

图3是依据本发明第三实施方式的轴承的侧剖视图。

详细说明

本发明通过实施方式结合附图进行详细解释。本发明将结合实施方式进行描述，显然本发明的实施方式并不使本发明局限于这些实施例。

图1示出的是本发明的第一实施方式。主轴电机2包括一个固定在磁盘驱动设备(未示出)上的支架4。转子6设置成相对于支架4转动。套筒8和定子10都固定在支架4上。

转子6包括一个转子轮毂18和一个与转子轮毂18同轴固定的空心轴20。转子磁铁12固定在转子轮毂18圆周壁的内侧。转子轮毂18圆周壁的外侧做成可以保持住磁盘的形状(未示出)。

定子10包括安装在支架4上的铁心52，同时线圈54绕在铁心52上。定子10与转子磁铁12相对设置并沿径向与磁铁12之间留有小的间隙。

为筒形件的套筒8包括四个部分，这四部分通过它们的内部半径而互相区分。第一套筒部81除了在邻近顶部表面处具有稍增大的内部半径以形成毛细密封外，具有不变的半径A。第二套筒部82的内部半径随着套筒深度的增加而线性增加以形成锥台形圆锥部。第二套筒部82的内部半径可以通过下式表示：r_sl2＝A+mY其中r_al2为第二套筒部82的内部半径，A为第一套筒部81的内部半径，m为第二套筒部82的半径增长率(斜率)，以及Y为第一套筒部81下方垂直距离。第三套筒部83具有不变的半径B，该半径与第二套筒部82的最大半径相等。第四套筒部84具有不变的半径C，该半径比第三套筒部83的内部半径大。底板42配合在套筒8的第四套筒部84中。

轴20也包括四个部分。第一轴部201装入轮毂18中并与轮毂18刚性连接。第二轴部202装入第一套筒部81，不过第二轴部202稍微伸出到第一套筒部81的下方。第二轴部202具有不变的半径F，该半径稍稍小于第一套筒部81的半径A。第三轴部203在第二轴部202的下方延伸并装入第二套筒部82中。第三轴部203的半径小于第二套筒部82的半径。然而，第三轴部203的半径增加要比第二套筒部82半径增长率增加的快，直到在大致第二套筒部82的中点处，在这之后第三轴部203的半径增加要慢于第二套筒部82的半径增长率。因此，第二套筒部82与第三轴部203之间的距离在大致第二套筒部82中点处为最小值。第四轴部204在第三轴部203的下方延伸并且是在与第三套筒部83大致相同高度处开始的。第四轴部204的半径迅速减小并且在第三套筒部83的底部半径减到零，在该点第四轴部204与底板42接触。

第三轴部203的半径可以用下式表示：r_s3＝D+f_s3(Z)，其中r_s3表示第三轴部203的半径，D表示第二轴部202的半径，Z代表第二轴部下方垂直距离，以及f_s3(Z)表示Z的恒定递增函数。f_s3(Z)对Z的导数与第三轴部203的半径对Z的导数相等，并且总是为正的(df_s3(Z)/dZ＝dr_s3/dZ＞0)。另外，在第一实施方式中，f_s3(Z)对Z的二次导数总是为负(d²f_s3(Z)/d²Z＝d²r_s3/d²Z＜0)并且它是一个连续函数。

第三轴部203的半径增加率为第二轴部202下方垂直距离的函数(f_s3(Z)对Z的导数)，当第三轴部203的半径增加率与第二套筒部82的半径增加率相等时，第二套筒部82与第三轴部203之间的距离到达最小值(当df_s3(Z)/dZ＝m时r_sl2-r_s3为最小值)。轴承刚度可以通过改变第三轴部203半径增长率的导数来进行调整。d²f_s3(Z)/d²Z越接近零该轴承则越坚硬，假设第三轴部203与第二套筒部82之间的最小距离保持不变的话。然而，这样来提高刚度会导致更大的能量损失。

由套筒8、底板42和轴20之间的间隔形成的间隙充满了专用的润滑液。压力产生槽或者设置在第二套筒部82的表面上或者设置在第三轴部203的表面上，这样形成了一个锥形轴承。该槽设置成大致对准第二套筒部82和第三轴部203之间距离达到最小值的位置(df_s3(Z)/dZ＝m)。因此，在这个位置产生最大压力。

第四轴部204、底板42和第三轴部203形成一个枢轴轴承。轴20和底板42的直接接触阻止了转子的向下移动。另外，该锥形轴承提供了水平面上的转子稳定，并且它也阻止了转子的向上移动。因此，本发明这个实施方式中不再需要止推轴承和轴颈轴承了。可是，如果要求附加的水平稳定，则可以在该实施方式中增加一个或两个轴颈轴承，这是通过在第一套筒部81或第二轴部202的表面上形成压力产生槽实现的。另外压力产生槽可以设置在第四轴部204的底部或底板42的顶部以使轴20和底板42之间的直接接触达到最小。

第一实施方式可以进行调整，即允许设置一个固定轴转动轮毂。在这种设置中，轴20以适当压力进入底板42中，套筒8固定在轮毂18上。

本发明的第二实施方式如图2所示。图2示出了一个主轴电机的轴承部。它包括套筒8、轴20和底板42。

如图2所示，为筒形件的套筒8包括四个部分，这四部分通过它们的内部半径而互相区分。第一套筒部81除了在邻近套筒顶部表面处具有稍增大的内部半径以形成毛细密封外，具有不变的内部半径A。第二套筒部82的内部半径随着套筒8深度的增加而线性增加，以形成圆锥部。第二套筒部82的内部半径可以通过下式表示：r_sl2＝A+mY其中r_sl2为第二套筒部82的内部半径，A为第一套筒部81的内部半径，m为第二套筒部82的半径增长率(斜率)，以及Y为第一套筒部81下方垂直距离。第三套筒部83具有不变的内部半径B，该半径与第二套筒部82的最大半径相等。第四套筒部84具有不变的内部半径C，该半径比第三套筒部83的内部半径大。底板42配合在套筒8的第四套筒部84中。

如图2所示，轴20也包括四个部分。第一轴部201装入轮毂18中并与轮毂18刚性连接。第二轴部202装入第一套筒部81，不过第二轴部202稍微伸出到第一套筒部81的下方。第二轴部202具有不变的半径F，该半径稍稍小于第一套筒部81的半径A。第三轴部203在第二轴部202的下方延伸并装入第二套筒部82中。第三轴部203的半径比第二套筒部82的半径小一个固定的值。因此，第二套筒部82与第三轴部203之间的距离在第三轴部203的整个长度上是不变的。第四轴部204在第三轴部203的下方延伸，并且是在与第三套筒部83大致相同高度处开始的。第四轴部204的半径迅速减小，并且在第三套筒部83的底部半径减到零，在该点第四轴部204与底板42接触。

第三轴部203的半径可以用下式表示：r_s3＝D+f_s3(Z)，其中r_s3表示第三轴部203的半径，D表示第二轴部202的半径，Z代表第二轴部下方垂直距离，以及f_s3(Z)表示Z的恒定递增函数。f_s3(Z)对Z的导数与第三轴部203的半径对Z的导数相等，并且为不变的正值(df_s3(Z)/dZ＝dr_s3/dZ＞0)。另外，在第二实施方式中，f_s3(Z)对Z的二次导数总是为零(d² f_s3(Z)/d²Z＝d² r_s3/d²Z＝0)。

由套筒8、底板42和轴20之间的间隔形成的间隙充满了适当的润滑液。压力产生槽或者设置在第二套筒部82的表面上或者设置在第三轴部203的表面上，这样形成了一个锥形轴承。第四轴部204、底板42和第三轴部203形成一个枢轴轴承。在第二实施方式中，该锥形轴承提供了水平面上的转子稳定，它也阻止了转子向上移动。通过枢轴轴承也阻止了转子的向下移动。因此本实施方式中一般不需要止推轴承和轴径轴承。然而，如图2所示，压力产生槽设置在第二轴部202上以形成一个轴颈轴承，并提供了附加的水平稳定。另外压力产生槽可以设置在第四轴部204的底部或底板42的顶部以使轴20和底板42之间的材料接触达到最小。

第二实施方式与第一实施方式中的轴承相比主要区别在于，第三轴部203的半径增加率对第二轴部202下方垂直距离的导数等于零(d²f_s3(Z)/d²Z＝d²r_s3/d²Z＝0)，这在实施方式1中为极限情况。

本发明的第三实施方式如图3所示。图3示出了一个主轴电机的轴承部。它包括套筒8、轴20和底板42。

如图3所示，为筒形件的套筒8包括四个部分，这四部分通过它们的内部半径而互相区分。第一套筒部81除了在邻近套筒8顶部表面处具有稍增大的内部半径以形成毛细密封外，具有不变的半径A。第二套筒部82的内部半径随着套筒8深度的增加而增加。然而，第二套筒部82的内部半径增加率随着套筒8深度的增加而减小。第三套筒部83具有不变的内部半径B，该半径与第二套筒部82的最大半径相等。第四套筒部84具有不变的内部半径C，该半径比第三套筒部83的内部半径大。底板42配合在套筒8的第四套筒部84中。

第二套筒部82的内部半径可以用下式表示：r_s12＝D+f_s12(Y)，其中r_sl2表示第二套筒部82的半径，D表示第一套筒部81的半径，Y表示第一套筒部81下方垂直距离，以及f_s12(Y)表示Y的恒定递增函数。f_s3(Y)对Y的导数与第二套筒部82的半径对Y的导数相等，并且总是为正的(df_sl2(Y)/dY＝dr_sl2/dY＞0)。另外，在第三实施方式中，f_sl2(Y)对Y的二次导数总是为负(d²f_s3(Z)/d²Z＝d²r_s3/d²Z＜0)并且它是一个连续函数。

如图3所示，轴20也包括四个部分。第一轴部201装入轮毂18中并与轮毂18刚性连接。第二轴部202装入第一套筒部81，不过第二轴部202稍微伸出到第一套筒部81的下方。第二轴部202具有不变的半径F，该半径稍稍小于第一套筒部81的半径A。第三轴部203在第二轴部202的下方延伸并装入第二套筒部82中。第三轴部203的半径随着第三轴部203的深度增加而增加。而第三轴部203的半径增加率随着第三轴部203的深度的增加而减小。第三轴部203的半径在其整个长度上以一个固定值小于第二套筒部82的半径。第四轴部204在第三轴部203的下方延伸，并且是在与第三套筒部83大致相同高度处开始的。第四轴部204的半径迅速减小，并且在第三套筒部83的底部半径减到零，在该点第四轴部204与底板42接触。

第三轴部203的半径可以用下式表示：r_s3＝D+f_s3(Z)，其中r_s3表示第三轴部203的半径，D表示第二轴部202的半径，Z代表第二轴部202下方垂直距离，以及f_s3(Z)表示Z的连续递增函数。f_s3(Z)对Z的导数与第三轴部203的半径对Z的导数相等，并且总是为正的(df_s3(Z)/dZ＝dr_s3/dZ＞0)。另外，在第一实施方式中，f_s3(Z)对Z的二次导数总是为负的(d²f_s3(Z)/d²Z＝d²r_s3/d²Z＜0)并它为一个连续的函数。

在第三实施方式中，由套筒8、底板42和轴20之间的间隔形成的间隙充满了专用的润滑液。压力产生槽或者设置在第二套筒部82的表面上或者设置在第三轴部203的表面上，这样形成了一个锥形轴承。该锥形轴承提供了水平面上的转子稳定，它也阻止了转子向上移动。槽的设置决定了水平稳定和向上稳定(锥形轴承的止推和轴颈部分)的相对强度。槽设置的越高则可以为轴的向上移动提供相对越大的阻力，然而槽设置的越低，则可提供相对越大的水平稳定性。另外，第四轴部204、底板42和第三套筒部83形成了一个枢轴轴承，它通过轴20和底板42的直接接触阻止了轴的向下移动。因此，在本发明的这个实施方式中不再需要止推轴承和轴颈轴承。然而，如图3所示，压力产生槽21设置在第二轴部202上以形成一个轴颈轴承，并提供了附加的水平稳定。另外，压力产生槽可以设置在第四轴部204的底部或底板42的顶部以使轴20和底板42之间的直接接触达到最小。

Claims (13)

1.一种轴承包括：

一个流体动力锥形轴承；和

一个枢轴轴承。

2.如权利要求1中的轴承进一步包括：

一个流体动力轴颈轴承。

3.一种轴承包括：

一个套筒，该套筒具有多个部分以在所述套筒中形成一个腔体，

一个轴，该轴具有多个部分；和

一种流体；

其中，所述轴伸到所述套筒内的腔体中，以及在所述轴和所述套筒之间有间隙；

所述流体保持在所述间隙中；

所述套筒的所述多个部分中的第一部分的长度可从所述套筒的所述多个部分中的第二部分延伸出，并且它的与所述长度垂直的内部半径按照某一距离的函数增加，该距离是沿从所述套筒的所述多个部分中的第二部分开始的所述长度上量出的；

所述轴的所述多个部分中的第一部分的长度可从所述轴的所述多个部分中的第二部分延伸出，并且它的与所述长度垂直的半径按照某一距离的函数增加，该距离是沿从所述轴的所述多个部分中的第二部分开始的所述长度上量出的；

所述轴的所述多个部分的第一部分设置在所述套筒的所述多个部分的第一部分中；

压力产生槽设置在所述套筒的所述多个部分的第一部分和所述轴的所述多个部分的第一部分其中之一上；

所述轴的所述多个部分的第三部分的长度可从所述轴的所述多个部分的第一部分延伸出，并且它的与所述长度垂直的半径按照某一距离的函数减小，该距离是从所述轴的所述多个部分的第一部分开始的长度上量出的，所述半径的减小直到在所述长度的终点所述轴的所述多个部分的第三部分的所述半径变到零为止；

所述轴的所述多个部分的第三部分设置在所述套筒的所述多个部分的第三部分中。

4.如权利要求3中的轴承，其中：

所述轴是旋转的。

5.如权利要求3中的轴承，其中：

所述套筒是旋转的。

6.如权利要求3中的轴承进一步包括：

一个底板，该底板插入所述套筒的所述多个部分的第四部分中；

其中，所述套筒的所述多个部分的所述第四部分与所述套筒的所述多个部分的所述第三部分邻接，并在所述套筒中的所述腔体的底部形成一个开口；

所述底板封闭所述开口；和

所述轴在所述底板上旋转。

7.如权利要求3中的轴承，其中：

所述套筒的所述多个部分的所述第一部分的内部半径具有最小值，并且其可以由下式表示：

r_sl1＝A+mY其中

r_sl1为在所述套筒的所述多个部分的所述第一部分沿其长度上在一个特殊点的内部半径；

A为所述套筒的所述多个部分的所述第一部分的内部半径的最小值；

m为不变的正值，和

Y为从所述套筒的所述多个部分的所述第二部分到所述特殊点之间的距离。

8.如权利要求7中的轴承，其中：

所述轴的所述多个部分的所述第一部分的半径具有最小值，并且它可以由下式表示：

r_sh1＝D+f(Z)；其中

r_sh1为所述轴的所述多个部分的所述第一部分沿其长度上在一个特殊点的半径；

D为所述轴的所述多个部分的所述第一部分的半径的最小值；

Z为从所述轴的所述多个部分的所述第二部分到所述特殊点之间的距离；

f(Z)为Z的函数，其最小值为零；

f(Z)对Z的导数总是为正的；和

f(Z)对Z的二次导数总是为负的。

9.如权利要求3中的轴承，其中：

所述轴的所述多个部分的所述第一部分的半径与所述套筒的所述多个部分的所述第一部分的内部半径之间的距离在所述轴的整个长度上是不变的。

10.如权利要求9中的轴承，其中：

所述套筒的所述多个部分的所述第一部分的内部半径具有最小值，并且其可以由下式表示：

r_sl1＝A+mY；其中

r_sl1为在所述套筒的所述多个部分的所述第一部分沿其长度上在一个特殊点的内部半径；

A为所述套筒的所述多个部分的所述第一部分的内部半径的最小值；

m为不变的正值，和

Y为从所述套筒的所述多个部分的所述第二部分到所述特殊点之间的距离。

11.如权利要求9中的轴承，其中：

所述轴的所述多个部分的所述第一部分的半径具有最小值，并且它可以由下式表示：

r_sh1＝D+f(Z)；其中

r_sh1为所述轴的所述多个部分的所述第一部分沿其长度上在一个特殊点的半径；

D为所述轴的所述多个部分的所述第一部分的半径的最小值；

Z为从所述轴的所述多个部分的所述第二部分到所述特殊点之间的距离；

f(Z)为Z的函数，其最小值为零；

f(Z)对Z的导数总是为正的；和

f(Z)对Z的二次导数总是为负的。

12.一种主轴电机包括：

一个定子；

一个转子；

一个流体动力锥形轴承；和

一个枢轴轴承。

13.一种用于主轴电机的轴承包括：

一个具有端部的轴；

一个具有腔体轴承套筒，腔体以很小的径向距离包围该轴；和

一个插入到所述腔体上的开口中的底板，并且该底板固定在所述轴承套筒上；

其中，在该底板和该轴端部之间具有一个枢轴轴承；

所述腔体的某一部分为圆锥形；和

所述轴的某一部分的形状与所述腔体的所述圆锥形状相匹配。