CN1608178A - 流体动力轴承的热补偿 - Google Patents

Abstract

根据本发明的流体动力轴承设有一轴毂和轴，它们通过设置两个沿着轴间隔开的圆锥轴承来安装成可相对旋转，并且还设有一面向各圆锥轴承的轴承座。流体被保持在各圆锥与所面向的轴承座之间的间隙中，支承圆锥和座以使它们可相对旋转。轴承座的外表面通过一隔热件与电动机的其余部分相隔热，所述隔热件至少沿着轴承座外表面的一部分延伸。即使在电动机可能被用于的、相当低的温度环境下，该隔热件也可以有效地使轴承保持温暖。该隔热件可包括至少沿着轴承圆锥外侧轴向距离的一部分延伸的一圆筒形陶瓷或相似的低热传导率材料。在另一实施例中，可以在轴承座的外表面中形成一空气空间，该空气空间至少延伸过在轴承圆锥之间的一部分距离。

Description

流体动力轴承的热补偿

相关申请的交叉引用

本申请要求由Parsoneault等人发明的、名为“Fluid Dynamic Bearing ThermalCompensation(流体动力轴承的热补偿)”的美国临时专利申请以及提出于2001年10月26日的、被转让申请序列第60/350,314号的优先权。

技术领域

本发明涉及这样一种类型的流体动力轴承组件，即一种为高速旋转的主轴件提供支承和旋转的类型的流体动力轴承组件。更具体地说，本发明涉及一种用于减小主轴刚度和功率随着温度变化而产生的变动。

背景技术

许多年来，在计算机中都使用盘片驱动记忆系统来存储数字信息。信息被记录在磁盘介质的同心记忆轨道上，实际信息以磁转变的形式被存储在介质内。盘片自身可旋转地安装在一主轴上，借助于设置在一枢转臂上的换能器来获取信息，所述枢转臂在盘片表面之上快速地运动。为了保证正确地读取和写入信息，读/写头或换能器必须与盘片上的储藏轨道准确地对齐；因而，磁盘必须稳定地旋转。

在工作中，盘片借助于一电动机在一封闭壳体中以很高的速度旋转，该电动机大体位于轴毂内侧或盘片下方。一种常用类型的电动机为轴毂内或主轴内电动机(in-hub or in-spindle motor)。这种主轴内电动机的主轴通常借助于两轴承系统安装在一位于轴环中心的电动机轴上。两轴承之一通常位于靠近主轴的顶部处，而另一个则位于靠近底部处。这些轴承在保持主轴与轴准确对齐的同时，还允许轴与轴毂之间进行相对旋转。这些轴承自身通常由脂或油来润滑。

不过，上述的传统轴承系统易于出现一些缺点。首先是在滚道上滚动的球珠所产生的振动问题。尽管轴承油或脂提供了润滑层，在硬盘驱动器的主轴中所使用的滚珠轴承仍在大体保证滚动与球珠实质接触的条件下运行。因此，在大体光滑、但微观来说不平坦且粗糙的滚道上运行的滚珠轴承将该表面结构加上滚珠轴承的表面球度方面的缺陷以振动的形式传递到旋转盘片。这种振动导致数据轨道与读/写换能器之间不能对齐。该振动源限制了数据轨道的密度以及盘片驱动系统的整体性能。

另一问题涉及硬盘驱动器在便携式计算机设备中的应用，这种应用大大地增加了对抗震性能的要求。震动产生了盘片与驱动器壳体之间的相对加速度，该相对加速度又表现为一穿过轴承系统的力。由于滚珠轴承中的接触表面很小，故所产生的接触压力可能会超过轴承材料的屈服强度，并产生长期变形并损坏滚珠轴承的滚道和滚珠。

此外，机械轴承不易缩成较小的尺寸。由于盘片驱动器工业的趋向已经在不断地缩小盘片驱动器的实际尺寸，所以这是一个明显的缺点。

作为传统滚珠轴承主轴系统的一种可替代方式，研究者们已将他们的许多精力集中到研制一种流体动力轴承上。在这些类型的系统中，润滑流体(无论是气体或是液体)用作在旋转主轴与电动机的旋转轴毂中的一静止底座或壳体之间的实际的轴承表面。例如，在流体动力轴承系统中已经采用了包括油、更复杂的铁磁流体或者甚至是空气的液体润滑剂。希望使用空气的理由是由于可免去对进入读写头/盘片壳体的密封区域的污染物进行除气之意义重大。不过，空气不具有油的润滑性质。相对较高的油粘性允许有较大的轴承间隙，从而允许对于实现相似动力性能有较为宽松的容差标准。

一种常用类型的流体动力轴承包括一延伸穿过套筒或轴毂的轴，并有一块或多块进行延伸的板支承在该轴上。流体动力轴承设置在轴和穿过轴毂的孔之间，且占据孔内表面于轴外表面之间的间隙的流体为轴提供刚度。结果，由该轴支承以进行旋转的任何轴毂和盘片易于发生摇晃和倾斜。轴毂或盘片中的任何这样的倾斜或不稳定都将使在盘片表面上读取和写入数据变得十分困难，并缩短电动机和使用该电动机的盘片驱动器的使用寿命。

不过，正是由于传统的流体动力轴承设计依靠在轴与环绕孔之间十分狭窄的间隙中使用流体来形成和保持径向刚度，因而会产生由于电动机必须要在其一相当宽的工作温度范围而导致的问题。在已知的、用于轴的轴颈轴承设计中，当系统静止时的流体问题可能约为5℃-25℃，取决于周围环境的温度；在工作中，流体温度可以为70℃或更高。很明显，流体的粘性将会随着流体变得稀薄而变化，且为轴提供的刚度明显地减小。因此，除非在设计中结合了精心设计的系统，否则就很难在盘片驱动器工作温度的整个范围内均保持轴的所需水平的径向刚度。

人们已经尝试过修改在流体动力轴承减小中所使用的流体，以使粘性随着温度变化的变化最小；但是，这样的流体可能会增加轴承和电动机的成本，并且也不能完全实现在一较宽的温度范围内进行温度补偿的目标。

由于在性能方面明显的好处，盘片驱动器的速度仍在不断地加快。更高的速度通常意味着要求更高的功率，由于提供功率的限制以及会产生的过多热量，人们已经尝试了各种方法来避免功率的增加。由于这些限制条件，高速主轴需要在所有的温度下都格外有效。由于油粘性的变化，流动动力电动机在较低环境温度下易于具有较大的功率需求。所产生的低温功率需求通常是过多的，人们已经对减小该低温功率需求给予了许多的关注。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种流体动力轴承设计方案，这种方案的轴承在设计上简单可靠，同时含有可用来在保持系统径向刚度的同时对温度变动进行补偿的装置。

本发明的另一目的是提供一种流体动力轴承设计方案，它可使长期工作过程中的功率消耗的变化最小。

本发明的另一目的是提供一种设计方案，其中高速旋转的主轴在所有的工作温度下都十分高效。

本发明还想要实现在不同工作温度之间稳态运行电流的变动最小化。

本发明的这些和其它目的是通过在围绕流体动力轴承的套筒或轴承座的至少一个部分、与轴觳和轴承(通常是一主轴电动机)工作的周围环境之间设置-隔热件来实现的。

更具体地说，根据本发明的一个较佳的设计方案，设有一轴毂和轴，它们通过设置两个沿着轴间隔开的圆锥轴承来安装成可相对旋转，并且还设有一面向各圆锥轴承的轴承座。流体被保持在各圆锥与所面向的轴承座之间的间隙中，支承圆锥和座以使它们可相对旋转。轴承座的外表面通过一隔热件与电动机的其余部分相隔热，所述隔热件至少沿着轴承座外表面的一部分延伸。即使在电动机可能被用于的、相当低的温度环境下，该隔热件也可以使轴承有效地保持温暖。该隔热件可包括至少沿着轴承圆锥外侧轴向距离的一部分延伸的一圆筒形陶瓷或相似的低热传导率材料。在另一实施例中，可以在轴承座的外表面中形成一空气空间，该空气空间至少延伸过在轴承圆锥之间的一部分距离。

上述实施例包括用于将轴承与周围电动机的其余部分隔绝的装置，以即使在地位环境下也能使轴承保持温暖，并通过减小热质量、亦即轴承周围可被加热的区域来使轴承能被更快地加热。

因为热质量的减小在这里被认可为具有有益的效果，所以还可能将陶瓷用于安装在轴上的阳锥、围绕轴上的圆锥的阴锥或轴承座、以及可能是轴本身上，以进一步减小热质量。

对于研习了下面参照附图给出的对较佳实施例的描述的本技术领域人员来说，本发明的其它特征和优点会变得更加清楚。

附图简述

为了给出实现上述的本发明诸特征的情况，以及更详细地理解它们，可以参照在附图中示出的本发明实施例，对上文简要概述的本发明加以更加具体的描述。

不过，应予注意的是，附图仅仅示出了本发明的典型实施例，因而不应被认为是限制了其保护范围，因为本发明可以作出其它等效的有效实施例。

图1是本发明的电动机尤为有用的一盘片驱动器的立体图。

图2是一电动机的垂直剖视图，它具有用来支承适于具有本发明特征的轴和轴毂以使它们相对旋转的双圆锥轴承。

图3是采用本发明的新颖特征的一较佳实施例的垂直剖视图。

图4是本发明的另一可选择实施例的垂直剖视图。

具体实施方式

本发明一较佳实施例的以下描述是参照它们在盘片驱动器中的应用给出的，这是因为盘片驱动器对于驱动电流的变动的增大或者在使用中驱动电流的增大尤为敏感。不过，本发明也可以用于改善其它环境中的流体动力轴承、特别是圆锥流体动力轴承的工作性能。

因此，图1示出一盘驱动存储系统的分解立体图，在该系统中可使用本发明的轴承和/或电动机。提供图1主要是给出采用具备本发明特征的轴承的一电动机的使用环境的示范例；显然，除了在运行电流受工作环境温度影响的变动最小、和/或启动和可靠保持电动机速度的所需功率最小、和/或轴在一较宽的工作温度范围中维持抵抗径向稳定性的轴刚度是重要的盘片驱动器技术之外，在其它盘片驱动器的设计或其它工作环境中也能同样很好地使用该电动机。

在图1的具体例子中，存储系统10包括具有一主轴电动机14的一壳体12，所述主轴电动机14可旋转地载带存储盘片或盘片16。一电枢组件18横过盘片16的表面移动换能器20。盘片16的周围环境被密封件22和盖子25密封。在工作中，当换能器20定位在盘片16表面上的一组径向区分的轨道的任意一个处的同时，盘片16高速旋转。这使换能器能在所选择的位置处、在盘片表面上读取和写入编码信息。盘片以每分钟若干千转的很高的速度旋转，以保持各换能器在相关盘片的表面上方飞行。在现代的技术中，换能器和旋转的盘片表面之间的间隔距离是以微英寸来计量的；因此，盘片不振动或不倾斜偏离其所设计的旋转的平面是重要的。这样的倾斜、位移或振动可能易于干扰保持换能器在表面上方的飞行的气流，或者直接导致换能器与盘片表面之间的接触。这样的接触很可能会损坏盘片表面，导致盘片存储空间的丢失。它甚至可能损坏换能器，导致盘片驱动器丧失其用途。在最小的功率消耗下保持盘片恒定的转速也是很重要的。

图2是穿过可用于图1的盘片驱动器中的类型的一主轴电动机的垂直剖视图，图中示出了电动机的基本结构或至少是与本发明相关的那些结构。如图所示的电动机包括一由间隔开的圆锥轴承环42、44支承的固定轴40，所述圆锥轴承环从该轴开始支承。设置了一个或多个轴承座44。轴承座44设有与圆锥轴承环42和44的协配表面，以利用座面之间的间隙52和54中的流体50来支承轴毂和轴的相对旋转。

紧挨轴承座44外侧是一低热传导率材料的套筒54。在本发明的一较佳实施例中，该材料是陶瓷。该套筒包括一陶瓷的隔热体54，即使在可能至5C或以下的较低温度的环境中，该隔热体也可使轴承有效地保持温暖。紧挨低热传导率材料的套筒54外侧的是一轴毂60，该轴毂60通常是用铝制成的，轴毂的外表面支承一个或多个盘片64，以恒定高速地旋转。该外轴毂支承一护铁66和磁体68，磁体将与定子70对齐，以相应电流信号产生旋转，正如人们所熟知的那样。

因为电动机的拖曳力随着环境温度的升高而急剧减小，所以随着环境温度的上升，隔热套筒54就将几乎不再对相对旋转的零件的工作有作用。这是人们想要的，因为在较高的环境温度下，轴承温度的升高会将刚度减小到所需的刚度之下。不过，认为使用这种套筒将对轴和套筒组合的刚度影响最小。任何可减小热质量(轴承周围可能被加热的区域)或将其与周围环境隔绝的方法都将改善自热效应。这是通过采用低热传导率材料制成的该套筒所带来的益处。

图3示出了图2所示类型的电动机的运行电流随着时间的变化情况，对设有和不设有陶瓷套筒54都进行了测量。该图包括四条直线：线300A示出了在5℃的环境中工作的电动机设计和该电动机维持工作所汲取的电流；线300B示出相同的不锈钢电动机，但其运行电流明显低得多，亦即，对于25℃下的工作，运行电流减小18.9％。

与使用如图2所示的带有陶瓷套筒时进行对比，并在陶瓷套筒安装在位时对5℃下工作(线310A)和25℃下工作(线310B)之间的电流差值对比，该差值仅为10.9％，这意味着稳态运行电流随着环境温度的变化而产生的差值十分有利地减小了。如在上文的问题陈述部分中所提出的，相对现有技术的方法，这被认为是先前所实现的运行电流差值的一很大的材料方面的改进。

在图4中示出了另一方式；与图2相比，圆锥轴承的阳锥和轴在该图中是未显示出；仅有轴承座。在图4所示的实施例中，不是采用如图2中所示的陶瓷套筒，而是在套筒410的外表面中形成一空气间隙400。该空气间隙占据径向方向上的、可被使用而不会削弱套筒结构的最大限度的空间，并且，在这个示例性实施例中，该空气间隙大致从套筒的中心线延伸至套筒附接轴毂的外侧边缘。空气间隙的轴向范围也是尽可能地延伸，只要能满足结构整体性即可；在本实施例中，它延伸过形成在套筒410中的两阴锥430和432之间的轴向距离的一相当大的部分。已知空气具有十分低的热传导特性，因此包括适当地形成的空气间隙400的本实施例也具有如陶瓷隔热件可实现的那些隔热方面的优点。

上述方法的一些优点也可以由用陶瓷替代图2中所示的阳锥、形成阴锥的轴承座、和/或轴来实现。此外，还可以使用其它具有较低热传导率的材料，如工程塑料，特别是陶瓷环。本发明的其它特征和优点对研习了本发明说明书的本技术领域人员将是显而易见的。因此，本发明的保护范围将由下面的权利要求书来限定。

Claims (20)

1.一种支承套筒和轴以使它们能相对旋转的流体动力轴承，所述套筒具有一对沿着轴间隔开的圆锥，并包括：一对轴承座，一轴承座与各圆锥协配以在圆锥与轴承座之间形成一间隙；间隙中的流体，所述流体支承套筒和轴以使它们能相对旋转；以及，在套筒外表面上的一低热传导率的区域，用于为轴和套筒提供隔热，以致即使在一低温环境下也能使流体动力轴承保持温暖。

2.如权利要求1所述的流体动力轴承，其特征在于，低热传导率的区域包括一周向的陶瓷层。

3.如权利要求1所述的流体动力轴承，其特征在于，套筒由不锈钢构成，轴由不锈钢构成。

4.如权利要求1所述的流体动力轴承，其特征在于，隔热区域包括沿着套筒的外表面的径向和轴向延伸的一空气间隙。

5.如权利要求4所述的流体动力轴承，其特征在于，空气间隙沿着轴承座与圆锥之间的一个区域轴向延伸，但不与轴承座和圆锥的区域径向交叠。

6.如权利要求1所述的流体动力轴承，其特征在于，低热传导率的区域包括一包含工程塑料的圆筒形遮挡件。

7.如权利要求4所述的流体动力轴承，其特征在于，轴承座由不锈钢构成，轴觳由铝构成。

8.如权利要求4所述的流体动力轴承，其特征在于，套筒由不锈钢构成，轴由不锈钢构成。

9.一种用于盘片驱动器中的主轴电动机，它包括一轴和一套筒以及支承一个或多个盘片的一轴毂，轴和套筒由一流体动力轴承支承以可相对旋转，流体动力轴承支承套筒和轴以使它们能相对旋转，所述套筒具有一对沿着轴间隔开的圆锥，并包括：一对轴承座，一轴承座与圆锥协配以在圆锥与轴承座之间形成一间隙；间隙中的流体，所述流体支承套筒和轴以使它们能相对旋转；以及，在套筒外表面上的一低热传导率的区域，用于为轴和套筒提供隔热，以致即使在一低温环境下也能使流体动力轴承保持温暖。

10.如权利要求9所述的流体动力轴承，其特征在于，低热传导率的区域包括一周向的陶瓷层。

11.如权利要求9所述的流体动力轴承，其特征在于，套筒由不锈钢构成，轴由不锈钢构成。

12.如权利要求9所述的流体动力轴承，其特征在于，隔热区域包括沿着套筒的外表面的径向和轴向延伸的一空气间隙。

13.如权利要求12所述的流体动力轴承，其特征在于，空气间隙沿着轴承座与圆锥之间的一个区域轴向地延伸，但不与轴承座和圆锥的区域径向交叠。

14.如权利要求9所述的流体动力轴承，其特征在于，低热传导率的区域包括一包含工程塑料的圆筒形遮挡件。

15.如权利要求12所述的流体动力轴承，其特征在于，轴承座由不锈钢构成，轴觳由铝构成。

16.一种盘片驱动器，它包括：一壳体和一基底，以及一支承至少一个盘片以使其可旋转的主轴电动机，该电动机包括：含有流体的流体动力轴承装置，以用于支承盘片以使其可旋转；以及用于将流体轴承与周围环境隔热开的装置。

17.如权利要求16所述的盘片驱动器，其特征在于，用于隔热的装置包括一径向地介于流体与轴毂之间的周向隔热层。

18.如权利要求17所述的盘片驱动器，其特征在于，用于隔热的装置包括一周向陶瓷层。

19.如权利要求16所述的盘片驱动器，其特征在于，用于隔热的装置包括一空气间隙，该空气间隙位于支承一电动机轴以使其可旋转的一套筒与支承盘片以使其可旋转的一轴毂之间。

20.如权利要求19所述的盘片驱动器，其特征在于，空气间隙沿着轴承座与圆锥之间的一个区域延伸，但不与轴承座和圆锥的区域径向交叠。

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