錐形流體動力樞軸軸承的製作方法
2024-02-02 19:40:15
專利名稱：錐形流體動力樞軸軸承的製作方法
對相關申請的相互引用本申請要求2002年8月29日申請的德國專利申請DE10239886.0的優先權，同時還要求2002年3月12日申請的序號為60/363784的美國專利申請的優先權。
磁碟驅動器被用在計算機和其它的電子設備中來存儲數字信息已經很多年了。信息記錄在磁碟介質中同心的存儲磁軌上，這些有效信息以磁轉換的形式存儲介質中。磁碟本身可旋轉地安裝在主軸上，利用樞軸梁上的傳感器存取信息，這個樞軸梁在磁碟表面上方沿徑向移動。讀/寫頭或傳感器必須與磁碟上的存儲磁軌精確對準以保證正確地讀和寫信息，因此磁碟必須保證旋轉穩定。
用在磁碟驅動器中的主軸電機通常依靠球軸承在固定件上來支撐旋轉件，旋轉元件如旋轉輪轂，固定件如軸。球軸承是磨損性元件，一段時間以後這種摩擦將導致電機故障。另外，球軸承會產生粉末或細粒形的碎屑，這些碎屑會進入「乾淨的」腔室中，該腔室容著納由電機驅動的旋轉磁碟。球軸承內部機械摩擦也會引起發熱和噪音，在磁碟驅動器中這些都是不希望出現的。
流體動力軸承將比主軸驅動電機中普通球軸承具有更大的進步。在這種系統中，潤滑流體-氣態或液態-在電機的旋轉主軸或旋轉輪轂的固定基座或殼體之間起著有效的軸承表面的作用。例如，由油和更複雜的鐵磁性液體或甚至空氣構成的流體潤滑流體被應用在流體動力軸承系統中。
發明簡述本發明的目的在於提供一種具有流體動力樞軸軸承的主軸電機，該軸承可節省運行電流，進而降低主軸電機的電能消耗。本發明將流體動力軸承提高了穩定性的優點和樞軸軸承降低了電能消耗的優點結合在了一起。
本發明通過在主軸電機中設置一個裝有樞軸軸承的流體動力錐形軸承來提供這些好處。該流體動力錐形軸承阻止了軸的水平移動和向上移動，同時樞軸軸承阻止了軸的向下移動。
本發明的上述及其它的目的、情況、細節和優勢將通過實施方式結合附圖的說明可以變得清楚。附圖的簡更說明通過非限制性的例子和附圖中的圖形對本發明進行說明，附圖中相同的標記表示相同或相當的部分，其中
圖1是依據本發明第一實施方式的主軸電機的側剖視圖，該電機具有轉軸、流體動力錐形軸承和樞軸軸承。
圖2是依據本發明第二實施方式的軸承的側剖視圖。
圖3是依據本發明第三實施方式的軸承的側剖視圖。
詳細說明本發明通過實施方式結合附圖進行詳細解釋。本發明將結合實施方式進行描述，顯然本發明的實施方式並不使本發明局限於這些實施例。
圖1示出的是本發明的第一實施方式。主軸電機2包括一個固定在磁碟驅動設備(未示出)上的支架4。轉子6設置成相對於支架4轉動。套筒8和定子10都固定在支架4上。
轉子6包括一個轉子輪轂18和一個與轉子輪轂18同軸固定的空心軸20。轉子磁鐵12固定在轉子輪轂18圓周壁的內側。轉子輪轂18圓周壁的外側做成可以保持住磁碟的形狀(未示出)。
定子10包括安裝在支架4上的鐵心52，同時線圈54繞在鐵心52上。定子10與轉子磁鐵12相對設置並沿徑向與磁鐵12之間留有小的間隙。
為筒形件的套筒8包括四個部分，這四部分通過它們的內部半徑而互相區分。第一套筒部81除了在鄰近頂部表面處具有稍增大的內部半徑以形成毛細密封外，具有不變的半徑A。第二套筒部82的內部半徑隨著套筒深度的增加而線性增加以形成錐臺形圓錐部。第二套筒部82的內部半徑可以通過下式表示rsl2＝A+mY其中ral2為第二套筒部82的內部半徑，A為第一套筒部81的內部半徑，m為第二套筒部82的半徑增長率(斜率)，以及Y為第一套筒部81下方垂直距離。第三套筒部83具有不變的半徑B，該半徑與第二套筒部82的最大半徑相等。第四套筒部84具有不變的半徑C，該半徑比第三套筒部83的內部半徑大。底板42配合在套筒8的第四套筒部84中。
軸20也包括四個部分。第一軸部201裝入輪轂18中並與輪轂18剛性連接。第二軸部202裝入第一套筒部81，不過第二軸部202稍微伸出到第一套筒部81的下方。第二軸部202具有不變的半徑F，該半徑稍稍小於第一套筒部81的半徑A。第三軸部203在第二軸部202的下方延伸並裝入第二套筒部82中。第三軸部203的半徑小於第二套筒部82的半徑。然而，第三軸部203的半徑增加要比第二套筒部82半徑增長率增加的快，直到在大致第二套筒部82的中點處，在這之後第三軸部203的半徑增加要慢於第二套筒部82的半徑增長率。因此，第二套筒部82與第三軸部203之間的距離在大致第二套筒部82中點處為最小值。第四軸部204在第三軸部203的下方延伸並且是在與第三套筒部83大致相同高度處開始的。第四軸部204的半徑迅速減小並且在第三套筒部83的底部半徑減到零，在該點第四軸部204與底板42接觸。
第三軸部203的半徑可以用下式表示rs3＝D+fs3(Z)，其中rs3表示第三軸部203的半徑，D表示第二軸部202的半徑，Z代表第二軸部下方垂直距離，以及fs3(Z)表示Z的恆定遞增函數。fs3(Z)對Z的導數與第三軸部203的半徑對Z的導數相等，並且總是為正的(dfs3(Z)/dZ＝drs3/dZ＞0)。另外，在第一實施方式中，fs3(Z)對Z的二次導數總是為負(d2fs3(Z)/d2Z＝d2rs3/d2Z＜0)並且它是一個連續函數。
第三軸部203的半徑增加率為第二軸部202下方垂直距離的函數(fs3(Z)對Z的導數)，當第三軸部203的半徑增加率與第二套筒部82的半徑增加率相等時，第二套筒部82與第三軸部203之間的距離到達最小值(當dfs3(Z)/dZ＝m時rsl2-rs3為最小值)。軸承剛度可以通過改變第三軸部203半徑增長率的導數來進行調整。d2fs3(Z)/d2Z越接近零該軸承則越堅硬，假設第三軸部203與第二套筒部82之間的最小距離保持不變的話。然而，這樣來提高剛度會導致更大的能量損失。
由套筒8、底板42和軸20之間的間隔形成的間隙充滿了專用的潤滑液。壓力產生槽或者設置在第二套筒部82的表面上或者設置在第三軸部203的表面上，這樣形成了一個錐形軸承。該槽設置成大致對準第二套筒部82和第三軸部203之間距離達到最小值的位置(dfs3(Z)/dZ＝m)。因此，在這個位置產生最大壓力。
第四軸部204、底板42和第三軸部203形成一個樞軸軸承。軸20和底板42的直接接觸阻止了轉子的向下移動。另外，該錐形軸承提供了水平面上的轉子穩定，並且它也阻止了轉子的向上移動。因此，本發明這個實施方式中不再需要止推軸承和軸頸軸承了。可是，如果要求附加的水平穩定，則可以在該實施方式中增加一個或兩個軸頸軸承，這是通過在第一套筒部81或第二軸部202的表面上形成壓力產生槽實現的。另外壓力產生槽可以設置在第四軸部204的底部或底板42的頂部以使軸20和底板42之間的直接接觸達到最小。
第一實施方式可以進行調整，即允許設置一個固定軸轉動輪轂。在這種設置中，軸20以適當壓力進入底板42中，套筒8固定在輪轂18上。
本發明的第二實施方式如圖2所示。圖2示出了一個主軸電機的軸承部。它包括套筒8、軸20和底板42。
如圖2所示，為筒形件的套筒8包括四個部分，這四部分通過它們的內部半徑而互相區分。第一套筒部81除了在鄰近套筒頂部表面處具有稍增大的內部半徑以形成毛細密封外，具有不變的內部半徑A。第二套筒部82的內部半徑隨著套筒8深度的增加而線性增加，以形成圓錐部。第二套筒部82的內部半徑可以通過下式表示rsl2＝A+mY其中rsl2為第二套筒部82的內部半徑，A為第一套筒部81的內部半徑，m為第二套筒部82的半徑增長率(斜率)，以及Y為第一套筒部81下方垂直距離。第三套筒部83具有不變的內部半徑B，該半徑與第二套筒部82的最大半徑相等。第四套筒部84具有不變的內部半徑C，該半徑比第三套筒部83的內部半徑大。底板42配合在套筒8的第四套筒部84中。
如圖2所示，軸20也包括四個部分。第一軸部201裝入輪轂18中並與輪轂18剛性連接。第二軸部202裝入第一套筒部81，不過第二軸部202稍微伸出到第一套筒部81的下方。第二軸部202具有不變的半徑F，該半徑稍稍小於第一套筒部81的半徑A。第三軸部203在第二軸部202的下方延伸並裝入第二套筒部82中。第三軸部203的半徑比第二套筒部82的半徑小一個固定的值。因此，第二套筒部82與第三軸部203之間的距離在第三軸部203的整個長度上是不變的。第四軸部204在第三軸部203的下方延伸，並且是在與第三套筒部83大致相同高度處開始的。第四軸部204的半徑迅速減小，並且在第三套筒部83的底部半徑減到零，在該點第四軸部204與底板42接觸。
第三軸部203的半徑可以用下式表示rs3＝D+fs3(Z)，其中rs3表示第三軸部203的半徑，D表示第二軸部202的半徑，Z代表第二軸部下方垂直距離，以及fs3(Z)表示Z的恆定遞增函數。fs3(Z)對Z的導數與第三軸部203的半徑對Z的導數相等，並且為不變的正值(dfs3(Z)/dZ＝drs3/dZ＞0)。另外，在第二實施方式中，fs3(Z)對Z的二次導數總是為零(d2fs3(Z)/d2Z＝d2rs3/d2Z＝0)。
由套筒8、底板42和軸20之間的間隔形成的間隙充滿了適當的潤滑液。壓力產生槽或者設置在第二套筒部82的表面上或者設置在第三軸部203的表面上，這樣形成了一個錐形軸承。第四軸部204、底板42和第三軸部203形成一個樞軸軸承。在第二實施方式中，該錐形軸承提供了水平面上的轉子穩定，它也阻止了轉子向上移動。通過樞軸軸承也阻止了轉子的向下移動。因此本實施方式中一般不需要止推軸承和軸徑軸承。然而，如圖2所示，壓力產生槽設置在第二軸部202上以形成一個軸頸軸承，並提供了附加的水平穩定。另外壓力產生槽可以設置在第四軸部204的底部或底板42的頂部以使軸20和底板42之間的材料接觸達到最小。
第二實施方式與第一實施方式中的軸承相比主要區別在於，第三軸部203的半徑增加率對第二軸部202下方垂直距離的導數等於零(d2fs3(Z)/d2Z＝d2rs3/d2Z＝0)，這在實施方式1中為極限情況。
本發明的第三實施方式如圖3所示。圖3示出了一個主軸電機的軸承部。它包括套筒8、軸20和底板42。
如圖3所示，為筒形件的套筒8包括四個部分，這四部分通過它們的內部半徑而互相區分。第一套筒部81除了在鄰近套筒8頂部表面處具有稍增大的內部半徑以形成毛細密封外，具有不變的半徑A。第二套筒部82的內部半徑隨著套筒8深度的增加而增加。然而，第二套筒部82的內部半徑增加率隨著套筒8深度的增加而減小。第三套筒部83具有不變的內部半徑B，該半徑與第二套筒部82的最大半徑相等。第四套筒部84具有不變的內部半徑C，該半徑比第三套筒部83的內部半徑大。底板42配合在套筒8的第四套筒部84中。
第二套筒部82的內部半徑可以用下式表示rs12＝D+fs12(Y)，其中rsl2表示第二套筒部82的半徑，D表示第一套筒部81的半徑，Y表示第一套筒部81下方垂直距離，以及fs12(Y)表示Y的恆定遞增函數。fs3(Y)對Y的導數與第二套筒部82的半徑對Y的導數相等，並且總是為正的(dfsl2(Y)/dY＝drsl2/dY＞0)。另外，在第三實施方式中，fsl2(Y)對Y的二次導數總是為負(d2fs3(Z)/d2Z＝d2rs3/d2Z＜0)並且它是一個連續函數。
如圖3所示，軸20也包括四個部分。第一軸部201裝入輪轂18中並與輪轂18剛性連接。第二軸部202裝入第一套筒部81，不過第二軸部202稍微伸出到第一套筒部81的下方。第二軸部202具有不變的半徑F，該半徑稍稍小於第一套筒部81的半徑A。第三軸部203在第二軸部202的下方延伸並裝入第二套筒部82中。第三軸部203的半徑隨著第三軸部203的深度增加而增加。而第三軸部203的半徑增加率隨著第三軸部203的深度的增加而減小。第三軸部203的半徑在其整個長度上以一個固定值小於第二套筒部82的半徑。第四軸部204在第三軸部203的下方延伸，並且是在與第三套筒部83大致相同高度處開始的。第四軸部204的半徑迅速減小，並且在第三套筒部83的底部半徑減到零，在該點第四軸部204與底板42接觸。
第三軸部203的半徑可以用下式表示rs3＝D+fs3(Z)，其中rs3表示第三軸部203的半徑，D表示第二軸部202的半徑，Z代表第二軸部202下方垂直距離，以及fs3(Z)表示Z的連續遞增函數。fs3(Z)對Z的導數與第三軸部203的半徑對Z的導數相等，並且總是為正的(dfs3(Z)/dZ＝drs3/dZ＞0)。另外，在第一實施方式中，fs3(Z)對Z的二次導數總是為負的(d2fs3(Z)/d2Z＝d2rs3/d2Z＜0)並它為一個連續的函數。
在第三實施方式中，由套筒8、底板42和軸20之間的間隔形成的間隙充滿了專用的潤滑液。壓力產生槽或者設置在第二套筒部82的表面上或者設置在第三軸部203的表面上，這樣形成了一個錐形軸承。該錐形軸承提供了水平面上的轉子穩定，它也阻止了轉子向上移動。槽的設置決定了水平穩定和向上穩定(錐形軸承的止推和軸頸部分)的相對強度。槽設置的越高則可以為軸的向上移動提供相對越大的阻力，然而槽設置的越低，則可提供相對越大的水平穩定性。另外，第四軸部204、底板42和第三套筒部83形成了一個樞軸軸承，它通過軸20和底板42的直接接觸阻止了軸的向下移動。因此，在本發明的這個實施方式中不再需要止推軸承和軸頸軸承。然而，如圖3所示，壓力產生槽21設置在第二軸部202上以形成一個軸頸軸承，並提供了附加的水平穩定。另外，壓力產生槽可以設置在第四軸部204的底部或底板42的頂部以使軸20和底板42之間的直接接觸達到最小。
權利要求
1.一種軸承包括一個流體動力錐形軸承；和一個樞軸軸承。
2.如權利要求1中的軸承進一步包括一個流體動力軸頸軸承。
3.一種軸承包括一個套筒，該套筒具有多個部分以在所述套筒中形成一個腔體，一個軸，該軸具有多個部分；和一種流體；其中，所述軸伸到所述套筒內的腔體中，以及在所述軸和所述套筒之間有間隙；所述流體保持在所述間隙中；所述套筒的所述多個部分中的第一部分的長度可從所述套筒的所述多個部分中的第二部分延伸出，並且它的與所述長度垂直的內部半徑按照某一距離的函數增加，該距離是沿從所述套筒的所述多個部分中的第二部分開始的所述長度上量出的；所述軸的所述多個部分中的第一部分的長度可從所述軸的所述多個部分中的第二部分延伸出，並且它的與所述長度垂直的半徑按照某一距離的函數增加，該距離是沿從所述軸的所述多個部分中的第二部分開始的所述長度上量出的；所述軸的所述多個部分的第一部分設置在所述套筒的所述多個部分的第一部分中；壓力產生槽設置在所述套筒的所述多個部分的第一部分和所述軸的所述多個部分的第一部分其中之一上；所述軸的所述多個部分的第三部分的長度可從所述軸的所述多個部分的第一部分延伸出，並且它的與所述長度垂直的半徑按照某一距離的函數減小，該距離是從所述軸的所述多個部分的第一部分開始的長度上量出的，所述半徑的減小直到在所述長度的終點所述軸的所述多個部分的第三部分的所述半徑變到零為止；所述軸的所述多個部分的第三部分設置在所述套筒的所述多個部分的第三部分中。
4.如權利要求3中的軸承，其中所述軸是旋轉的。
5.如權利要求3中的軸承，其中所述套筒是旋轉的。
6.如權利要求3中的軸承進一步包括一個底板，該底板插入所述套筒的所述多個部分的第四部分中；其中，所述套筒的所述多個部分的所述第四部分與所述套筒的所述多個部分的所述第三部分鄰接，並在所述套筒中的所述腔體的底部形成一個開口；所述底板封閉所述開口；和所述軸在所述底板上旋轉。
7.如權利要求3中的軸承，其中所述套筒的所述多個部分的所述第一部分的內部半徑具有最小值，並且其可以由下式表示rsl1＝A+mY其中rsl1為在所述套筒的所述多個部分的所述第一部分沿其長度上在一個特殊點的內部半徑；A為所述套筒的所述多個部分的所述第一部分的內部半徑的最小值；m為不變的正值，和Y為從所述套筒的所述多個部分的所述第二部分到所述特殊點之間的距離。
8.如權利要求7中的軸承，其中所述軸的所述多個部分的所述第一部分的半徑具有最小值，並且它可以由下式表示rsh1＝D+f(Z)；其中rsh1為所述軸的所述多個部分的所述第一部分沿其長度上在一個特殊點的半徑；D為所述軸的所述多個部分的所述第一部分的半徑的最小值；Z為從所述軸的所述多個部分的所述第二部分到所述特殊點之間的距離；f(Z)為Z的函數，其最小值為零；f(Z)對Z的導數總是為正的；和f(Z)對Z的二次導數總是為負的。
9.如權利要求3中的軸承，其中所述軸的所述多個部分的所述第一部分的半徑與所述套筒的所述多個部分的所述第一部分的內部半徑之間的距離在所述軸的整個長度上是不變的。
10.如權利要求9中的軸承，其中所述套筒的所述多個部分的所述第一部分的內部半徑具有最小值，並且其可以由下式表示rsl1＝A+mY；其中rsl1為在所述套筒的所述多個部分的所述第一部分沿其長度上在一個特殊點的內部半徑；A為所述套筒的所述多個部分的所述第一部分的內部半徑的最小值；m為不變的正值，和Y為從所述套筒的所述多個部分的所述第二部分到所述特殊點之間的距離。
11.如權利要求9中的軸承，其中所述軸的所述多個部分的所述第一部分的半徑具有最小值，並且它可以由下式表示rsh1＝D+f(Z)；其中rsh1為所述軸的所述多個部分的所述第一部分沿其長度上在一個特殊點的半徑；D為所述軸的所述多個部分的所述第一部分的半徑的最小值；Z為從所述軸的所述多個部分的所述第二部分到所述特殊點之間的距離；f(Z)為Z的函數，其最小值為零；f(Z)對Z的導數總是為正的；和f(Z)對Z的二次導數總是為負的。
12.一種主軸電機包括一個定子；一個轉子；一個流體動力錐形軸承；和一個樞軸軸承。
13.一種用於主軸電機的軸承包括一個具有端部的軸；一個具有腔體軸承套筒，腔體以很小的徑向距離包圍該軸；和一個插入到所述腔體上的開口中的底板，並且該底板固定在所述軸承套筒上；其中，在該底板和該軸端部之間具有一個樞軸軸承；所述腔體的某一部分為圓錐形；和所述軸的某一部分的形狀與所述腔體的所述圓錐形狀相匹配。
全文摘要
本發明提供一種包括一個錐形流體動力軸承和一個樞軸軸承的軸承，該軸承可以應用在主軸電機中。本發明也提供一種安裝了一個錐形流體動力軸承和一個樞軸軸承的主軸電機。
文檔編號F16C32/06GK1448640SQ0312853
公開日2003年10月15日 申請日期2003年3月12日 優先權日2002年3月12日
發明者安德烈亞斯·克爾 申請人:美蓓亞株式會社