CN1770600A - 无刷电动机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在烧结含油套筒13中央部21和轴2之间形成流体轴承机构6a、6b，与烧结含油套筒13中央部21的内圆周表面的开口面积率相比，将推力支持端一侧23内圆周表面的开口面积率和负载安装端一侧22的内圆周表面的开口面积率做得大。根据这一构成，能实现一种既能确保轴承高速旋转时所需的刚性、同时又能制止轴承损耗增大的无刷电动机。

Description

无刷电动机及其制造方法

(1)技术领域

本发明有关用于需要使转速在大范围内变化的圆盘状记录媒体驱动等用途的无刷电动机。

(2)背景技术

以往，无刷电动机的内部轴承使用以下几种轴承

·用滚珠轴承支持轴的球轴承、

·借助烧结金属的套筒支持轴的滑动轴承、

·作为流体轴承已知的油动压式轴承。

在最近的使圆盘状记录媒体高速旋转的驱动装置上，使用具有油动压式轴承的无刷电动机。

特开2003-239949号公报中记载了一种套筒利用含有润滑油的多孔材料(含油轴承)、在轴上形成动压用沟槽的硬盘驱动用主轴电动机。

另外，在特开2001-124057号公报中记载了一种套筒使用含油轴承、轴上在所述套筒输出一侧形成人字形沟槽而构成动压式流体轴承的电动机。

在实开昭59-164822号公报中记载了一种通过由烧结多孔材料组成的含油轴承构成轴承、而设法兼具动压轴承和含油轴承两者之优点的所谓混合型轴承。为此，在构成轴承的的烧结多孔材料上形成产生动压用的沟槽，为了支持动压要对产生动压用的沟槽的底面和侧面实施磨削表面使之变钝的加工。而产生动压用的沟槽的以外的部位则不作上述加工。

特开平10-196646号公报中记载了一种动压式轴承装置，它是以解决实开昭59-164822号公报存在的问题为课题，经过长时间仍能良好地兼顾含油轴承功能及动压式轴承功能的两种功能。在实开昭59-164822号公报的结构中，由于未对产生动压用的沟槽以外的部位实施磨削表面变钝加工，所以轴承内的润滑油在几个～十个大气压左右的动压力的作用下，有通过烧结孔向外渗出、使轴承的动压力会逐渐降低下去的倾向。另外，在由于温度升高及减压等原因使轴承内产生气泡或气泡膨胀的情况下，受动压力压缩的气泡容易窜入烧结孔内，促使润滑油从含油轴承漏出。所以，特开平10-196646号中，将轴承的动压发生部的毛细管力设定得比烧结含油轴承的烧结孔大。

另外，专利第3441695号公报等中还记载了一种技术，它是在含油轴承(所述套筒)的内侧形成开口面积率不同的致密的部分和稀疏的部分。

在特开2003-239949号公报、特开2001-124057号公报、实开昭59-164822号公报、特开平10-196646号公报中记载了使用由形成动压用沟槽的轴、和含油轴承组合而成的内部轴承的所谓混合轴承结构的电动机，这种结构虽然适于高速恒速运转，但不适于高速恒速运转并反复频繁起停、转速在大范围内变化的用途，动压式流体轴承的设计非常困难。

如实开昭59-164822号公报或特开平10-196646号所述，在将向心轴承的提高润滑液动压用的动压用沟槽部设置于多孔材料制的套筒的内圆周表面上时，由于从动压用沟槽的加工面等方面对套筒的尺寸或形状等设计上产生制约，所以不甚理想。尤其是具有特开平10-196646号公报的结构的混合型轴承，由于要进行将轴承动压发生部位的毛细管力设定得比烧结含油轴承的烧结孔大的加工，所以制约条件更多。又因设于套筒内圆周表面的动压用沟槽本身由多孔材料组成，故要考虑到确保经久耐用，再有，因设于套筒的内圆周表面，所以也要考虑动压用沟槽的检查或试验的操作性。

通过如特开2003-239949号公报或特开2001-124057号公报所述在轴的外圆周上设置动压用沟槽，从而虽解决了在多孔材料制的套筒上设置动压用沟槽的上述特开2003-239949号公报或特开2001-124057号公报的结构的问题，但是，对于要使转速在大范围内变化的无刷电动机还残留有无法回避的新问题。具体为：在图6A示出的动压式流体轴承中，在套筒1和轴2间形成间隙3，并在轴2上形成人字形沟槽4a、4b，润滑油5充入所述间隙3中，利用轴2的高速旋转，流动的润滑油5靠人字形沟槽4a、4b汇集于人字形沟槽4a、4b和套筒1的内圆周表面之间，构成流体轴承机构6a、6b，轴2不与套筒1的内圆周表面接触，并受到支持而旋转，高速旋转时轴承性能良好。但在起动、停止的低速旋转时，如图6B所示，轴2相对套筒1发生摇动，由于这一摇动，轴2与套筒1的端部7a、7b接触，不仅低速性能恶化，而且套筒1还会磨损而产生烧熔。

特别是在特开2001-124057号公报的情况下，因在轴输出侧端部形成人字形沟槽，所以与该人字形沟槽对向的套筒内圆周表面要将烧结孔钝化，不让润滑油压回套筒内部，因此丧失作为含油轴承的功能。从而存在的问题是：若反复起停，则套筒与人字形沟槽对向的部分容易产生磨损，经不起长时间的运转。

本发明之目的在于提供一种高可靠性的无刷电动机及其制造方法，该无刷电动机在反复频繁起动停止、并且转速在大范围内变化的用途上，能确保轴承高速旋转时所需的刚性，制止轴承磨损增大，同时又能经受长时间运转。

(3)发明内容

本申请的无刷电动机是从轴的推力支持端的附近至所述轴的安装驱动对象的负载安装端附近通过烧结含油套筒沿径向支持，并靠定子和连接所述轴的转子的磁铁间的电磁吸引排斥而旋转驱动，同时在所述轴和所述烧结含油套筒之间形成流体轴承机构，该无刷电动机的特点是：在所述烧结含油套筒和所述轴间的轴向中央部形成流体轴承机构，与烧结含油套筒中央部内圆周表面的开口面积率相比，所述推力支持端一侧和负载安装端一侧的内圆周表面的开口面积率做得比烧结含油套筒的所述中央部的大。

这种无刷电动机具体包括：承载保持盘片的转台；固定于该转盘中心的轴；固定于该轴中央部的框架；固定于该框架的内周并沿圆周方向进行多极磁化的圆筒状转子磁铁；具有保持圆筒状轴承外壳的保持部和安装电动机用的安装底座部的托架；固定于所述轴承外壳内部并沿径向支承所述轴的烧结含油套筒；以及与所述转子磁铁对向配置并通过绝缘体卷绕着导线的定子，在该无刷电动机中，其特点是：将所述烧结含油套筒的安装所述转盘的负载安装端一侧端面附近及相反一侧端面附近的与所述轴对向的内圆周表面形成开口面积率大的稀疏的部分，将这两个稀疏的部分间的内圆周表面形成表面开口面积率小的致密的部分，在所述轴的与所述烧结含油套筒的致密的部分对向的表面上形成产生动压用沟槽。

利用这一结构，由于在低速旋转时作为含油轴承工作，在高速旋转时作为动压轴承工作，所以，适合于光盘驱动用电动机，这种电动机能确保轴承高速旋转时所需的刚性，并制止轴承磨损的增大，能反复起停，旋转速度在大范围内变化。

(4)附图说明

图1为本发明的无刷电动机内部轴承主要部分的断面图。

图2为同上实施方式的无刷电动机的断面图。

图3A和图3B为将同上实施方式的烧结含油套筒压入轴承外壳的制造工序图。

图4A至图4F为同上实施方式的全部制造工序图。

图5A和图5B为流体轴承的原理说明图。

图6A和图6B为现有混合轴承在高速旋转时和低速旋转时的工作状态的说明图。

(5)具体实施方式

以下，参照图1～图5所示的实施方式说明本发明的无刷电动机。

图2表示本发明的无刷电动机，轴2的负载安装端8a上安装着保持圆盘状记录媒体9的转台10。还有，图中未示出夹紧件，它被安装在转台10上的磁铁11吸住和转台10一起将圆盘状记录媒体9夹紧，形成一体。

使用内部轴承的无刷电动机按照图3和图4A～图4F的工序装配，该内部轴承由形成了作为产生动压用沟槽的人字形沟槽4a及4b的轴2、和含油轴承组合而成。

首先，如图3A、3B所示，向圆筒状的轴承外壳12内侧压入烧结含油套筒13。

然后，如图4A、4B所示，将图3装配好的轴承外壳12压入托架14的保持部15。16为安装电动机的安装底座部

图4C、4D中，将通过绝缘体卷绕着导线的定子17压入轴承外壳12的外侧。

图4E、4F中，将安装着帽状的转子框架18的轴2插入所述烧结含油套筒13。与所述定子17对向的环形磁铁19安装在转子框架18的内圆周。该磁铁19的内圆周表面隔着规定的间隙进行磁化。

通过这样，所述轴2靠固定于轴承外壳12内部的烧结含油套筒13沿径向支承。

这里，在说明烧结含油套筒13内圆周的开口面积率之前，先说明动压式轴承不适合用于转速在大范围内变化的用途的原因。

原本，要根据转速和负载相应设计动压式轴承，但要设计转速在大范围内变化的光盘驱动用主轴电动机的动压式流体轴承是非常困难的。

试表示与轴承刚性有关的轴承负载容量P、及与轴承磨损有关的轴承摩擦转矩M和轴承的构成要素尺寸、转速间的关系式。轴承负载容量P和轴承摩擦转矩M可用包括以下要素的下式表示。图5A、图5B为流体轴承的原理图。

轴承负载容量：P＝fr·υ·ω·R2·B2·e/ΔR3

轴承摩擦转矩：M＝2·π·υ·ω·R3·B/Cr

Cr＝ΔR·(1-α)+(ΔR+ho)·α

沟槽宽度比：α＝(bg/bg+br)

式中，fr：取决于沟槽形状等的函数、υ：润滑油粘度、ω：角速度、R：轴半径、B：轴承长度、e：偏心量、ΔR：轴和轴承套筒间的半径间隙、ho：沟槽深度、bg；沟槽宽度、br：隆起宽度。

另外，设旋转体的平衡质量为m、平衡半径为r、角速度为ω，则能用P1＝m·r·ω2表示旋转体的轴承负载P1。

轴承负载容量P因为要大于等于不平衡引起的轴承负载P1的最大值，因此要决定设计尺寸，使下式成立。

P＝fr·υ·ω·R2·B2·e/ΔR3≥P1＝m·r·ω2

另外，根据上式，轴承刚性(P/e)受轴和轴承套筒和半径间隙的三次方的影响，并受轴承长度两次方的影响。

这里，由于影响电动机电流消耗和寿命的轴承负载容量P及轴承摩擦转矩M造成的轴承损耗由半径间隙ΔR、轴承长度B、润滑油粘度υ等决定，它与旋转体的惯量、不平衡量等电动机负载一起，当转速上升时，就急剧增加，特别是不平衡量由于如和上述轴承负载P1间的关系式所示，按照转速的两次方起作用，所以其之影响极大。因而，如何提高轴承负载容量P、减少轴承损耗将成为关键。另一方面，轴承负载容量P和轴承摩擦转矩M间存在M∝P·n的关系(n为由沟槽形状、润滑油等决定的常数)。这样，由于轴承摩擦转矩和轴承负载容量的提高成比例，所以要在最大等级的不平衡以内边考虑兼顾到满足性能的轴承刚性和轴承磨损，边设计与转速对应的沟槽的形状以及选定润滑油或者进行开发，所以动压式轴承不适合转速在大范围内变化的用途。

在光盘驱动用主轴电动机的动压式流体轴承上，根据上述关系式，在高速旋转时因光盘的不平衡产生的负载变大，所以要加大轴承刚性，而在低速旋转时因光盘的不平衡产生的负载虽变小，但产生的动压也变小，所以轴承刚性降低。

为了增大低速旋转时的轴承刚性，虽然可以通过加大轴径、加长轴承长度、减小套筒13和轴2间的间隙3、加大润滑油5的粘度等来实现，但同时轴承的损耗也增大。尤其是在高速旋转时轴承的损耗非常大。虽轴承刚性与转速成比例增大，但由于盘片的不平衡造成的负载与转速的两次方成比例增大。

因而，低速旋转时因盘片的不平衡造成的负载减小超过轴承刚性的降低，那末轴承刚性就不需要那么考虑。

所以，通过利用本发明的低速旋转时作为含油轴承工作、高速旋转时作为动压式轴承工作的结构，能实现具有确保轴承高速旋转时必需的刚性、同时又能制止轴承损耗增大的、性能优良的轴承的光盘驱动用无刷电动机。

另外，所述烧结含油套筒13的内圆周的开口面积率如下述那样进行加工，如图1所示，在所述烧结含油套筒13的中央部处利用形成于所述轴2上的人字形沟槽4a、4b形成流体轴承机构6a、6b。

这里，与烧结含油套筒13的轴向中心相比向负载安装端一侧22长长地形成人字形沟槽4a、4b。具体为：人字形沟槽4a相对烧结含油套筒13轴向的长度Lu做得比人字形沟槽4b相对烧结含油套筒13轴向的长度Ld长。

再有，烧结含油套筒13的所述中央部21的内圆周表面、和除了烧结含油套筒13的所述中央部21以外的推力支持端一侧23和负载安装端一侧22的内圆周表面相比，为了使流体轴承机构6a、6b很好地工作，将烧结含油套筒13的所述中央部21的内圆周表面磨削变钝，尽量消除空孔，加工成开口面积率小的致密的部分，而除了烧结含油套筒13的所述中央部21以外的推力支持端一侧23和负载安装端一侧22的内圆周表面加工成开口面积率大的稀疏的部分。

还有，所谓开口面积率是指烧结含油套筒13的单位面积中空孔(有孔的部分)占有的比例。

更具体为：在推力支持端一侧23和负载安装端一侧22上，将负载安装端一侧22的开口面积率加工成比推力支持端一侧23的开口面积率小。

这种烧结含油套筒13的内圆周表面的加工可以利用例如专利第3441695号公报所记载的现有技术等人们熟悉的加工方法等。再有，在将烧结含油套筒13压入轴承外壳12之前对所述致密的部分和稀疏的部分进行加工，再将其压入轴承外壳12时，由于有可能会使烧结含油套筒13的内圆周表面调整好的状态变化，而性能降低，所以，最好不是以单体状态加工烧结含油套筒13，而是如图3B所示，以烧结含油套筒13巳压入轴承外壳12内侧的状态，加工所述致密的部分和稀疏的部分。在烧结含油套筒13及轴承外壳12的单件精度良好，并在将烧结含油套筒13压入轴承外壳12内侧时能高精度地对内圆周表面的开口面积率的调整进行管理的情况下，也能预先对烧结含油套筒13以单件形式进行内圆周表面加工。

再有，该实施方式中，在将烧结含油套筒13的内圆周表面加工结束后的图3B的轴承外壳12如图4B所示压入托架14的保持部15的工序中，为了不改变烧结含油套筒13的内圆周表面调整好的状态，在烧结含油套筒13的前端上如图2和图3A所示，预先形成小直径部24，使得在轴承外壳12压入所述托架14的保持部15的状态下不与变形的部分接触，不会受到压缩力。

在这样构成的无刷电动机中，通过烧结含油套筒13中央部21的致密的部分和形成于轴2的人字形沟槽4a、4b，能构成良好的流体轴承机构6a、6b，实现良好的高速旋转。另外，如上所述，因烧结含油套筒13的内圆周表面不是均匀的，稀疏的部分形成于烧结含油套筒13的所述中央部21的致密部分的两端，故起动、停止等低速旋转时，轴2即使与烧结含油套筒13在所述端部7a、7b处接触，此时，内含的润滑油也从烧结含油套筒13渗出进行润滑，低速旋转时能制止轴承损耗增大，实现高速旋转性能和低速旋转性能两者俱佳的无刷电动机。

另外，由于与推力支持端一侧23相比，将作用力大的负载安装端一侧22的稀疏部分的开口面积率做得比推力支持端一侧23的开口面积率小，所以能适当地限制因与轴2接触而从烧结含油套筒13的所述端部7a渗出的内含的润滑油再次挤入烧结含油套筒13开口部的内部，使得和轴2间接触面的油膜不断开。能制止低速旋转时轴承损耗增大、或在长时间里因金属接触而烧熔。

尤其是在CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-R等各种光盘驱动用电动机上，由于盘片负载的不平衡大，频繁起停，所以，相当适合应用本发明。

上述实施方式中，是在轴2上形成人字形沟槽4a、4b作为产生动压用沟槽，但产生动压用沟槽不限于此，也可以采用螺旋形沟槽等结构。

工业上的实用性

本发明的无刷电动机适于驱动光盘等圆盘状记录媒体的电动机，可有助于各种驱动装置稳定工作。

Claims (11)

1.一种无刷电动机，所述无刷电动机是一种从轴的推力支持端的附近至所述轴的安装驱动对象的负载安装端附近通过烧结含油套筒沿径向支持，并靠定子和连接所述轴的转子的磁铁间的电磁吸引排斥而旋转驱动，同时在所述轴和所述烧结含油套筒之间形成流体轴承机构，其特征在于，

在所述烧结含油套筒和所述轴间的轴向中央部形成流体轴承机构，

与烧结含油套筒中央部的内圆周表面的开口面积率相比，所述推力支持端一侧和负载安装端一侧的内圆周表面的开口面积率做得比烧结含油套筒的所述中央部的大。

2.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，

流体轴承机构在轴的与烧结含油套筒中央部对向的表面上形成产生动压用沟槽。

3.一种无刷电动机，它包括：

承载保持盘片的转台；

固定于该转盘中心的轴；

固定于该轴中央部的框架；

固定于该框架的内周并沿圆周方向进行多极磁化的圆筒状转子磁铁；

具有保持圆筒状轴承外壳的保持部和安装电动机用的安装底座部的托架；

固定于所述轴承外壳内部并沿径向支承所述轴的烧结含油套筒；

以及与所述转子磁铁对向配置并通过绝缘体卷绕着导线的定子，在这种无刷电动机中，其特征在于，

将所述烧结含油套筒的安装所述转盘的负载安装端一侧端面附近及相反一侧端面附近的与所述轴对向的内圆周表面形成开口面积率大的稀疏的部分，将这两个稀疏的部分间的内圆周表面形成表面开口面积率小的致密的部分，在所述轴的与所述烧结含油套筒的致密的部分对向的表面上形成产生动压用沟槽。

4.如权利要求2或3所述的无刷电动机，其特征在于，

与烧结含油套筒的轴向中心相比向负载安装端一侧长长地形成产生动压用沟槽。

5.如权利要求2或3所述的无刷电动机，其特征在于，

将烧结含油套筒的负载安装端一侧端面附近的与轴对向的内圆周表面的开口面积率做得比相反一侧端面附近的与轴对向的内圆周表面的开口面积率小。

6.如权利要求3所述的无刷电动机，其特征在于，

在轴承外壳的与保持在托架的保持部的位置对应的烧结含油套筒的外圆周和轴承外壳内圆周间设置间隙。

7.如权利要求2所述的无刷电动机，其特征在于，

与烧结含油套筒轴向中心相比向负载安装端一侧长长地形成产生动压用沟槽，在轴承外壳的与保持在托架的保持部的位置对应的烧结含油套筒外圆周和轴承外壳内圆周间设置间隙。

8.如权利要求2所述的无刷电动机，其特征在于，

将烧结含油套筒的负载安装端一侧端面附近的与轴对向的内圆周表面开口面积率做得比相反一侧端面附近的与轴对向的内圆周表面开口面积率小，在轴承外壳的与保持在托架的保持部的位置对应的烧结含油套筒外圆周和轴承外壳内圆周表面之间设置间隙。

9.一种无刷电动机的制造方法，其特征在于，

在制造权利要求2或权利要求3中任一项所述的无刷电动机时，在将烧结含油套筒压入轴承外壳并固定后，在烧结含油套筒上形成稀疏的部分和致密的部分。

10.一种油动压式轴承，所述油动压式轴承从轴的推力支持端的附近至所述轴的安装驱动对象的负载安装端附近通过烧结含油套筒沿径向支持，并靠定子和连接所述轴的转子的磁铁间的电磁吸引排斥而旋转驱动，同时在所述轴和所述烧结含油套筒之间形成流体轴承机构，其特征在于，

在所述烧结含油套筒和所述轴间的轴向中央部形成流体轴承机构，与烧结含油套筒中央部内圆周表面的开口面积率相比，所述推力支持端一侧和负载安装端一侧的内圆周表面的开口面积率做得比烧结含油套筒的所述中央部的大。

11.如权利要求10所述的油动压式轴承，其特征在于，

流体轴承机构在轴的与烧结含油套筒中央部对向的表面上形成产生动压用沟槽。

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