CN1689096A - 转轴锥形流体动力轴承 - Google Patents

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Abstract

提供一种流体动力轴承设计，其特点是转轴带有在其上整体形成的至少一个锥形轴承。该轴被设置成通过固定的套筒，并且流体将该轴和套筒表面分开。

Description

转轴锥形流体动力轴承
技术领域
本发明总地涉及磁盘驱动器电动机，具体地涉及磁盘驱动器电动机内使用的流体动力轴承。
背景技术
磁盘驱动器能够在相对较小的区域内存储大量的数据资料。磁盘驱动器在一个或多个媒质上存储信息，该媒质方便地呈具有多条同心圆形记录轨道的圆形存储盘(例如媒质)的形式。普通的磁盘驱动器具有用于存储信息的一个或多个磁盘。利用安装在执行机构臂上的读/写头和从磁盘写和读这些信息，通过执行机构机构使读/写头横越磁盘的表面从一轨道运动到另一轨道。
通常，磁盘安装由主轴电动机转动的一主轴上，以使盘片表面在读/写头之下经过。主轴电动机通常包括安装在底板上的轴和轴毂，轴毂具有一套筒，该轴插入套筒内，主轴连接于轴毂。连接于轴毂的永久磁铁与底板上的定子绕组相互作用，使轴毂相对于该轴旋转。为了便于旋转，在轴毂和该轴之间通常设置有一个或多个轴承。
多年来，存储密度逐渐增加，并且存储系统的尺寸逐渐缩小。这趋势导致了磁性存储盘片的制造和工作中的更高精度和更小的公差。支承存储磁盘的轴承组件是特别重要的。一种轴承设计是流体动力轴承。在流体动力轴承中，例如空气或液体的润滑流体提供了在壳体的固定部分和磁盘轴毂的旋转部分之间的支承表面。除了空气，通常的润滑剂包括气体、油或其它流体。与滚珠轴承组件相比较，流体动力轴承将支承表面扩展到较大的表面积，该面积包括一系列的点界面。因为支承表面的增加减少了在转动的和固定的部分之间的摆动或跳动，所以这是所希望有的。而且，在界面区域使用流体对轴承施加阻尼作用，这有助于减少不重复的跳动。因此，流体动力轴承是有有利的轴承系统。
但是，随着流体动力轴承电动机的尺寸、高度和功率消耗的减小，若干问题变得更突出。其中的一个问题是，缩小电动机结构特征尺寸是一个降低功率消耗的较佳方法，但这样会趋向于改变该结构特征的几何形状而影响它们的结构整体性。缩小轴直径迫使迫使使磁盘夹紧螺钉尺寸的缩小，或者围绕该螺钉的轴的壁厚的变薄。这可能会导致损害结构整体性。另一问题是，随着电动机自身高度缩短，在轴承构件之间的间隙减小，使轴承的角度方向的或摇摆的刚度最小。并且，尤其在低温状态下，轴承消耗的功率限制了对其它电动机构件可用的功率。随着转速提高，这问题更恶化。
所以，需要有适应目前尺寸、高度和功率消耗的要求、而又不损害轴承和其它电动机构件的结构整体性或功能性的流体动力轴承设计。
发明内容
本发明提供一种流体动力轴承设计，它的特点在于转轴带有整体形成在其上的至少一个锥形轴承。通过固定套筒设置该轴，并且一流体将轴和套筒表面分开。
附图简述
通过参照附图中所示出的本发明的实施例可以获得对以上所概述的本发明的更具体地叙述，以致能够理解本发明的上述实施例。但是，应该注意附图仅仅示出了本发明的典型实施例，而本发明可以作出其它的等效实施例，因此不能认为是对它的范围的限制。
图1示出了包括按照本发明的一实施例的电动机的磁盘驱动器的一实施例的平面图；
图2示出了按照本发明的转轴锥形流体动力轴承电动机的一实施例；
图3示出了按照本发明的转轴锥形流体动力轴承电动机的第二实施例；
图4示出了按照本发明的转轴锥形流体动力轴承电动机的第三实施例；以及
图5示出了按照本发明的转轴锥形流体动力轴承电动机的第四实施例。
具体实施方式
图1示出了用于本发明的实施例的磁盘驱动器10的一实施例的平面图。参照图1，磁盘驱动器10包括壳体基底12和顶盖14。壳体基底12和顶盖14相结合形成密封环境，以保护内部构件不受该密封环境外部的零件的污染。图1所示的基底和顶盖结构在该工业中是众所周知的；但是，经常使用壳体构件的其它结构，以及本发明的诸方面不受磁盘驱动器壳体的具体结构的限制。
磁盘驱动器10还包括安装在轴毂204(见图2)上的一叠磁盘16，用于通过磁盘夹18在主轴电动机(未示出)上旋转。磁盘叠16包括被安装成围绕中心轴线转动的一个或共同转动的多个磁盘。每个磁盘表面具有一关联的读/写头20，该读/写头被安装至磁盘驱动器10，用于与磁盘表面通讯。在图1所示的例子中，由挠性件22支撑读/写头20，该挠性件又连接至驱动器26的头安装臂24。图1所示类型的执行机构是被称为旋转动圈执行机构的类型，并包括音圈电动机(VCM)，如总地由28所示。音圈电动机28围绕枢轴30转动执行机构26和它连接的读/写头20，以沿着路径32将读/写头20定位在一所需的数据轨道上。
图2是按照本发明的一实施例的转轴锥形流体动力轴承电动机200的一部分的侧剖视图。电动机200包括旋转组件205、固定组件203和轴承组件207。
旋转组件205包括固定于轴毂204的轴202，该轴毂支撑至少一个磁盘206以旋转。轴202还可以包括一孔203，通过该孔的螺钉或类似零件被驱动，用于将磁盘206夹紧在适当位置中(为了简化，没有示出磁盘夹)。在轴202和基底12之间的间隙240允许轴转动。该轴端或面对的基底或相对板的表面上可以具有凹槽图形，用于促进相对转并防止轴端和基底的接触。轴毂204容纳护铁211，一磁铁20固定于该护铁211。
固定组件203包括安装在基底12上的套筒208。安装在套筒208上的定子210与轴毂204中的磁铁209协作，引起轴毂204和轴202相对于套筒208转动。
轴承组件207包括与轴为一体的一第一锥形区域210和通常固定于轴202的一第二锥体212。第一锥体210与轴202的一第一端201整体形成，而第二锥体212例如可以是压配在轴202的一第二端205上，以便易于组装。尽管总特征尺寸减小，但与轴202为一体地形成第一锥体210在轴202的第一端201处产生较大的直径。因此，按照减小功率要求可以缩小轴202的总体尺寸，但是若在端部201中包括螺纹或其它孔203，也不会损害轴202的结构整体性。换句话说，在端部201处用于螺纹203和用于轴毂204的安装界面的轴202的有效直径比用于确定功率损失的有效直径大。并且，相比先前结构中的情况，这设计中的轴202的弯曲刚度和轴对轴毂界面的角度方向的刚度是较大的。
例如空气、油或气体的流体214放置在轴202和锥体210、212、以及套筒208的面对表面之间。可以通过护罩211中的注入孔209引入流体；护罩211的下表面215与套筒208的面对表面217协作，以形成径向毛细密封结构216。这密封结构通过贮池223保持在轴承210内的流体高度，该贮池在密封表面215、217之间形成的送流体腔室内储存流体。一类似的径向毛细密封结构218设置在第二锥体212的端部处。有排出口的送流体腔室220将第一和第二锥形轴承250、252隔离和通过套筒208引出；它包括从轴的中心区域通过套筒208延伸到套筒的外表面209的径向孔220。第一和第二锥形轴承250、252还包括在锥体210、212的表面之一或套筒208的面对表面上的泵送凹槽302的不对称区域。该流体动力凹槽有助于支撑相对于套筒208的轴202和轴毂204的稳定转动，同时泵送槽302(较佳地是不对称的)朝第一和第二毛细密封结构216、218泵送流体214。流体动力凹槽302可以形成在面对锥体210、212的套筒208的表面上或锥体的表面上。毛细密封结构216、218起到用于锥形轴承250、252的流体贮槽的作用；也就是当电动机200转速下降时，流体214从毛细密封结构216、218返回到由泵送密封结构302占据的容积内。在图2中毛细密封216、218被示为径向毛细密封结构，但是也可以使用传统的毛细密封结构，尽管这样可能会引起高度方面的不利情况。如上所述的泵送的流体214就不再需要在锥体210、212中的内部再循环结构(即钻出的通道)，以致可以减小锥体210、212的尺寸，而不会有损于效率。
利用如上所述的锥形轴承250、252将使轴颈支承间隙和摇摆动刚度最大，尤其是如果流体动凹槽302的顶端靠近锥形210、212的中点。此外，在锥形轴承210、212中的反作用力将产生对轴202的恢复转矩。在锥体310、212中带有的冠状表面，也在定位该顶端以使功率最小方面是有效的。
图3示出了转轴锥形流体动力轴承电动机的另一实施例400。像在前一实施例中那样，电动机400包括一轴，它在轴400的第一端401上带有整体形成的一第一锥形轴承，并且带有固定于第二端405的一第二锥形轴承412。
第一锥形轴承410类似于参照图2所述的第一锥形轴承，它包括朝径向毛细密封结构416泵送流体414的不对称泵送凹槽302。也通过通向送流体腔室419的注入孔417将固定量的流体414注入毛细密封结构416，以用流体414充注第一锥形轴承410。
第二锥形轴承412包括在锥形表面中的一个表面或面对的套筒表面上的不对称凹槽图形302，以围绕轴承412循环流体414。流体414在轴承412的周围跟随箭头422所示的循环路径(在锥形的外表面上向下和向上通过返回循环孔417)，以在最初的流体注入以及电动机的工作期间清除空气。由固定于静止套筒408的薄的密封盘424密封第二锥形轴承412。盘424具有与轴402的底表面427形成一狭窄间隙425的表面426。面对表面426、427之一较佳地具有在其上的凹槽图形，该图形朝轴的中心进行泵送。这凹槽图形(通常较佳地为螺旋形式)趋向于驱动任何空气泡离开间隙425中心，以使它们流出该系统。通常通过将固定量的流体414注入分隔开第一和第二锥形轴承410、412的有排出口的送流体腔室420，并注入在轴和套筒之间形成的毛细密封结构，来用流体414充注轴承412；在轴承412旋转起来时该流体充注该轴承。当该轴承静止时，毛细管吸引力再次产生作用，以将流体保持在该轴承内。最靠近该送流体腔室区域的尖锐的角部460克服重力保持在上轴承410内的流体；借助由轴和套筒的相对扩散壁形成的毛细密封结构415来避免下轴承失去流体。
图4中示出了转轴锥形流体动力轴承电动机的一第三实施例500。如前面的实施例中的那样，轴502包括在第一端501由与该轴成一体的锥体504所形成的整体的一第一锥形轴承510，以及在固定于轴502的第二端505的锥体511和围绕的套筒508之间形成的一第二锥形轴承512。
第一锥形轴承510包括在形成该流体轴承的、锥体和套筒各自的面对表面531、533之一上的不对称凹槽300。通过毛细密封结构516(在图4上示为径向毛细密封结构)密封和向该轴承供应流体。凹槽300沿箭头515的方向朝一第一再循环路径526泵送流体514，该第一再循环路径将第一和第二锥形轴承510、512分开。第一再循环路径526通过箭头550、551指示的路径将流体514返回至毛细密封结构516，该路径较佳地部分地包括横穿套筒508延伸的径向段527并较佳地被一可拆卸或永久的塞子529封闭；以及还包括从径向部分527延伸至径向毛细密封结构516的轴向部分529。在流体514中的压力梯度迫使气泡离开再循环路径526并进入毛细密封结构516、尤其是进入它的贮池区域561。
由固定于静止套筒508的密封盘524密封第二锥形轴承512。第二锥形轴承512包括不对称凹槽300，以致使液体514通过由箭头522指示的一第二再循环路径围绕轴承表面再循环，该第二再循环路径包括在该锥体内部的流动通道563。因此，该设计实现了围绕轴承510、512的完全的流体再循环。并且，轴502的底表面570或密封盘(相对板)524的面对表面572上可以形成图形。这些凹槽图形(通常为螺旋形)被形成为朝轴的中心进行泵送；在流体中的空气泡将趋向于朝外侧运动且然后通过外部路径527、526被消除。在这设计中，顶部轴承510和底部轴承512在液体循环方面都没有被隔离，以致可以通过再循环路径526、527带走夹带在流体中的空气泡。
图5示出了转轴锥形流体动力轴承电动机的一第四实施例600。如前面实施例中的那样，轴602包括在一第一端601处的整体的一第一锥形轴承610，以及固定于轴602的第二端605的一第二锥形轴承612。
通过毛细密封结构616(在图5中被示为径向毛细密封结构)密封和向第一锥形轴承610供应流体。由固定于静止套筒608的密封盘624密封第二锥形轴承612。第一锥形轴承610和第二锥形轴承612包括不对称凹槽300，该凹槽开槽成朝第二锥形轴承612的底部泵送流体614，流体在该底部处进入薄的送流体腔室区630。从该送流体腔室630，迫使流体614进入轴向流体再循环路径620，该路径将流体614返回到径向毛细密封结构616的贮池区域615。由套筒608的遮罩633的下表面631和套筒608的相对倾斜表面635形成径向毛细密封结构。遮罩633与轴602形成很小的环形间隙641(较佳地约0.02毫米)；这间隙用作一密封结构，防止从轴承610失去流体。排出口和流入孔661使流体能插入毛细密封结构的贮池区域615，从该区域能够利用流体在轴承610和612内注入和保持流体。在轴承610、612中的不对称凹槽图形都从贮池615通过轴承610、612的轴承间隙朝送流体腔室630泵送并通过再循环路径620返回至贮池615。由箭头622示出流体614的循环。在流体614中的压力梯度迫使气泡流出再循环路径620并进入毛细密封结构616，从而从电动机600清除空气。
所以，本发明表现出在锥形流体动力轴承电动机领域中的重大优越性。较先前设计提高了结构整体性，同时结构特征尺寸保持较小，以致电动机消耗基本相同的功率。
总之，通过使顶部锥体与轴成为一体实现了结构特征尺寸的缩小。这允许用于磁盘夹紧的螺纹放置在顶部锥体的较大直径内。因此轴的有效直径对于磁盘夹紧螺钉和对于轴毂的安装界面比确定功率损失的有效直径大。随着在锥形轴承中经常作用人字形凹槽图形，以及凹槽的顶端靠近锥体的中点，用于确定功率消耗的有效直径是锥体的中点。在锥形轴承中带有冠状部分也有助于保证顶端直径是用于确定功率的有效直径。
使用带有靠近锥体的中点的凹槽图形的顶端的锥体结构，使轴颈支承间距最大和使摆动刚度最大。在单板电动机中的止推板利用对于凹槽是不可用的在轴的一端上的空间。在锥形电动机中，将轴向和径向轴承相结合并共有相同的中心。此外，可以注意到代表在两锥形轴承中的反作用力的矢量对轴产生恢复转矩。这些矢量垂直于锥形表面。通过将这些矢量的量值乘在轴承中心(在轴中心线上轴承之间的中点)与力矢量的法之间所画的直线的长度来确定了恢复转矩。这直线平行于圆锥角，且比在轴承中点和与凹槽顶点相交的水平线之间的轴向距离更长。
锥体和轴的狭的中间细部小于必须具有相同的磁盘夹紧螺钉的直轴的直径。除了所讨论的有效的锥体直径之外，这还使得功率下降，优越于带有相同刚度性能的单板设计。应注意到由于轴的顶部的锥形设计，轴的弯曲刚度和轴对轴毂界面的角度方向的刚度在转轴设计中是更大了。在对于刚度和强度的最为有利位置——大多在悬轴的连接端处添加材料。
虽然以上叙述是针对本发明的实施例进行的，但是不偏离本发明的基本范围可以设想本发明的其它的和进一步的实施例，本发明的范围由以下权利要求书确定。

Claims (27)

1.一种用于磁盘驱动器电动机的流体动力轴承系统，它包括：
转轴；
包括与该轴的一第一端整体形成的一锥形区域的一第一锥形轴承；
包括固定于该轴的一第二端的一锥体的一第二锥形轴承；
设置在该轴周围的固定套筒；以及
在第一锥形轴承和第二锥形轴承以及固定套筒之间的流体。
2.如权利要求1所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括形成在第一和第二锥形轴承中每一个的表面上的凹槽，各凹槽不对称，以离开轴的中心区域朝该轴的外端的方向泵送在轴承中的流体。
3.如权利要求2中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括靠近第一和第二锥形轴承中每一个的外端的径向毛细密封结构。
4.如权利要求3中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括形成在第一和第二锥形轴承之间的一排出口和注入孔。
5.如权利要求4中所要求的流体动力轴承，其特征在于：排出口包括从轴的中心区域穿过套筒延伸至套筒的外径的径向孔。
6.如权利要求5中所要求的流体动力轴承，其特征在于：第一和第二锥形轴承中的每一个包括面对套筒的内表面的冠状表面。
7.如权利要求2中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括在轴的端部和支撑套筒的基底的面对表面之间的间隙。
8.如权利要求6所要求的流体动力轴承，其特征在于：毛细密封结构限定了用于它密封的锥形轴承的流体贮池。
9.如权利要求2中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括从锥体的宽端朝锥体的窄端和轴的中心区域的、在第二锥形轴承的锥体内部的一个或多条流体返回路径。
10.如权利要求8中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括形成在第一和第二锥形轴承之间的一排出口和注入孔。
11.如权利要求9中所要求的流体动力轴承，其特征在于：排出口包括从轴的中心区域穿过套筒延伸至套筒的外径的径向孔。
12.如权利要求9中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括形成在轴的表面和套筒的表面之间的、靠近第二锥形轴承的窄端的毛细密封结构。
13.如权利要求11中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括形成在靠近第二锥形轴承的轴的端表面和由套筒支撑的相对板的面对表面之间的间隙。
14.如权利要求12中所要求的流体动力轴承，其特征在于：形成在轴的端表面和相对板的面对表面中的一个表面上的凹槽图形，该凹槽图形被形成为朝轴的中心线泵送流体。
15.如权利要求13中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括靠近第一锥形轴承的端部的径向毛细密封结构。
16.如权利要求13中所要求的流体动力轴承，其特征在于：凹槽图形是螺旋形凹槽图形。
17.如权利要求11中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括从径向排出口至靠近第一流体动力锥形轴承的宽端的径向毛细密封结构的轴向定向的流体再循环路径。
18.如权利要求16中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括在套筒的外表面处插在径向排出孔内的塞子。
19.如权利要求1中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括形成在第一和第二锥形轴承中的每一个的表面上的凹槽，各凹槽是不对称的，用于将流体朝靠近第二锥形轴承的轴的端部泵送。
20.如权利要求17中所要求的流体动力轴承，其特征在于，还包括在轴的端表面和靠近第二流体锥形轴承、由套筒支撑的相对板的表面之间的间隙。
21.如权利要求18中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括远离相对板的、支撑在靠近第一锥形轴承的宽端处的径向毛细密封结构。
22.如权利要求18中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括从靠近第二锥形轴承的宽端的送流体腔室延伸至在径向毛细密封结构内的流体贮池区域的轴向孔，以允许流体在第一和第二锥形轴承之上再循环。
23.如权利要求19中所要求的流体动力轴承，其特征在于：还包括形成在轴的端表面或相对板的面对表面中的一个表面上的凹槽图形，该凹槽图形被形成为将流体朝轴的中心轴线泵送。
24.如权利要求20中所要求的流体动力轴承，其特征在于：第一和第二轴承中的每一个的外表面包括面对围绕第一和第二轴承的套筒的内表面的冠状表面。
25.一种磁盘驱动器电动机，它包括：
用于可转动地支撑至少一个磁盘的装置，其中所述装置包括带有至少一个整体形成在其上的锥形轴承的转轴；
围绕转轴设置并与其分开的固定组件；以及
用于支撑该支撑装置和固定组件的稳定地相对运动的装置。
26.如权利要求25的磁盘驱动器电动机，其特征在于：用于支撑稳定的相对运动的装置包括：
至少部分地与用于支撑至少一个磁盘的装置整体形成的轴承组件；以及
设置在用于支撑至少一个磁盘的装置和固定组件之间的流体。
27.如权利要求26的磁盘驱动器电动机，其特征在于：轴承组件还包括在轴承组件的零件上外接地形成的流体动力凹槽。
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