用於硬碟驅動器的主軸電機的製作方法
2023-10-10 16:55:59
專利名稱：用於硬碟驅動器的主軸電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於硬碟驅動器的主軸電機(spindle motor)。更具體地講，本發明涉及一種帶有被設計用來通過偏移而產生預負載的氣動軸承組件的主軸電機，其中機械和/或電偏移形成在定子的多個磁極(pole)和永磁體之間，並且由此產生的機械和/或電預負載以及預定大小的氣隙產生於定子和設置在定子上的輪轂(hub)之間，由此可防止因摩擦及在初始啟動中產生的熱所引起的主軸電機故障。
一般而言，硬碟驅動器用作計算機的輔助存儲設備，其由碟片(platter)、磁頭、主軸電機、磁頭臂以及印刷電路板電路板組成。硬碟驅動器幫助通過讀出和再現經磁頭儲存在碟片上的信息來操作計算機，或經磁頭在碟片上寫入信息來操作計算機。
在上述的硬碟驅動器結構中，碟片是用磁性材料塗布的金屬圓盤，用於寫入各種數據。碟片以疊在旋轉軸上的多排方式旋轉。旋轉軸被稱為主軸(spindle shaft)。用於旋轉主軸的電機稱為主軸電機。
用於讀/寫儲存在碟片上的數據的磁頭與磁頭臂相連，從而用於存取所需的信息地址。磁頭臂由稱為音圈電機(VCM)的磁頭驅動臂驅動。下面將說明常規的主軸電機。
圖1是使用至少一個滾珠軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機的立體分解圖，圖2是圖1的主軸電機的剖視圖；
如圖1和圖2所示，使用至少一個滾珠軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機10包括形成作為主軸電機下部的基座11、以垂直方向安裝在基座中心的主軸12、安裝在位於基座11上側的主軸12下部的第一滾珠軸承13、環繞第一滾珠軸承13安裝並被設計成使線圈14b纏繞鐵心(core)14a的定子14、安裝在主軸12上部的第二滾珠軸承15、可相對於第一滾珠軸承13和第二滾珠軸承15旋轉並蓋住基座11上部的輪轂16、以及安裝在輪轂16下部的內圓周表面上並通過與線圈14b協同工作而生成的磁場來產生使輪轂16旋轉的驅動力的環形永磁體17。
在具有上述結構的使用至少一個滾珠軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機10中，當對定子14的線圈14b通電時，在線圈14b和永磁體17之間產生磁場(圖中未示出)。線圈14b和永磁體17之間的磁場使得輪轂16沿一個方向旋轉。
然而，通過利用滾珠軸承13和滾珠軸承15使輪轂16旋轉的結構不可能實現具有嚴格旋轉精度的高速驅動，因為當滾珠軸承以高速旋轉時上述結構會產生噪音和振動。下面將針對圖3所示的氣動軸承的結構進行說明。
圖3是使用至少一個氣動軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機的剖視圖。
如圖3所示，使用至少一個氣動軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機20包括形成作為主軸電機下部的基座21、安裝在基座21上部中心的第一軸承22、環繞第一滾珠軸承22安裝並被設計成使線圈23b能夠纏繞鐵心23a的定子23、以垂直方向安裝在上部中心的主軸24、安裝在主軸24上部的第二滾珠軸承25、可繞主軸24旋轉並蓋住基座21上部的受支撐的輪轂26、安裝在輪轂26上內部並能產生用以使輪轂26繞主軸24平穩旋轉的氣動壓力的第一氣動軸承27和第二氣動軸承28、以及安裝在輪轂16下部的內圓周表面上並通過與線圈23b協同工作而生成的磁場來產生使輪轂26旋轉的驅動力的永磁體27。
在具有上述結構的使用至少一個氣動軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機20中，當對定子23的線圈23b通電時，在線圈23b和永磁體27之間產生磁場(圖中未示出)。線圈23b和永磁體27之間的磁場使得輪轂26沿一個方向旋轉。
一旦輪轂26旋轉，空氣就開始在第一氣動軸承27和第二氣動軸承28的內表面上流動。輪轂26旋轉的越快，空氣流動就越強。這樣，流動的空氣變成了在第一氣動軸承27和第二氣動軸承28、主軸24、第一軸承25、第二軸承22之間的與輪轂26的轉速成正比的具有預定剛性的空氣層。因此，帶有安裝的碟片(圖中未示出)的輪轂26繞主軸24旋轉，同時克服了來自主軸24和輪轂26之間起軸承作用的空氣層所施加的負載和擾動。
然而，具有上述結構的使用至少一個氣動軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機在低速旋轉時可提高空氣層的剛性，但是當馬達的旋轉超過固定速度時，空氣層的剛性幾乎保持恆定，而不會隨著轉速成正比例地增加。
此外，具有上述結構的使用至少一個氣動軸承的用於硬碟驅動器的常規主軸電機被設計成使基座與第一軸承組裝在一起，而主軸則與第二軸承組裝在一起，從而使組裝的兩個裝置相對於氣動軸承保持預定大小的氣隙。因此，其問題在於主軸電機的組裝能力降低，並且難於不變地保持恆定的氣隙厚度。此外，主軸電機被設計成使輪轂通過氣隙環繞主軸獲得支撐，而不是使輪轂與主軸直接接觸。因此，在初始啟動過程中，主軸電機會遭受氣動軸承及第一和第二軸承的故障、磨損量、噪聲及振動的影響，而這些都是由摩擦引起的。
發明目的因此，本發明就是針對上述問題而做出的，並且本發明的目的是提供一種用於硬碟驅動器的主軸電機，其能夠利用由定子鐵心與永磁體之間的機械偏移所產生的機械預負載將輪轂和氣動軸承組件之間的氣隙限定到預定的大小，從而可防止主軸電機因在初始啟動過程中的摩擦和由此產生的熱而受到損害。
本發明的另一個目的是提供一種用於硬碟驅動器的主軸電機，其能夠通過在沒有產生氣動壓力的初始驅動期間產生靜轉矩以利用在輪轂和氣動軸承組件之間產生電預負載的電偏移(electrical offset)將輪轂和氣動軸承組件之間的氣隙限定到預定大小，從而可防止主軸電機因在初始啟動過程中的摩擦和由此產生的熱而受到損害。
本發明的另一個目的是提供一種用於硬碟驅動器的主軸電機，其能夠利用由機械和電偏移產生的機械和電預負載將輪轂和氣動軸承組件之間的氣隙限定到預定大小，從而由於可防止主軸電機因摩擦和熱而受到損害，所以主軸電機具有改進的安全性。
發明內容
為實現這些目的，根據本發明所述的用於硬碟驅動器的主軸電機包括形成作為所述主軸電機下部的基座；可旋轉地安裝在所述基座上、用於固定安裝碟片的輪轂；定子，其設計成使線圈纏繞多個磁極，所述磁極沿著鐵心的外圓周徑向形成，所述鐵心形成有開口壓入配合部分；氣動軸承組件，其包括與所述輪轂協同工作以產生氣動壓力的主軸承體和牢固支撐在所述定子的所述開口壓入配合部分之中的輔助軸承體；以及永磁體，其安裝在所述輪轂的內圓周表面上，用於通過與所述線圈協同工作以產生磁場，其中由所述定子的線圈纏繞的磁極的垂直寬度的中點以不與安裝在所述輪轂的內圓周表面上的永磁體的垂直寬度的中點平齊的方式置於磁場內，以在所述磁極和所述永磁體之間形成機械偏移，由此當沒有通電時，在其間形成有機械偏移的所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力使得所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，從而保持所述輪轂與所述氣動軸承組件之間的氣隙。
在上述結構中，所述機械偏移被形成用以使所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點高於所述定子的磁極的垂直寬度的中點，或者所述機械偏移被形成用以使所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點低於所述定子的磁極的垂直寬度的中點。
本發明也可被實施成為一種用於硬碟驅動器的主軸電機，其包括形成作為所述主軸電機下部的基座；可旋轉地安裝在所述基座上、用於固定安裝碟片的輪轂；定子，其被設計成使線圈可纏繞多個磁極，所述磁極沿著鐵心的外圓周徑向形成，所述鐵心帶有開口壓入配合部分；氣動軸承組件，其包括與所述輪轂協同工作以產生氣動壓力的主軸承體和牢固支撐在所述定子的所述開口壓入配合部分之中的輔助軸承體；以及永磁體，其安裝在所述輪轂的內圓周表面上，用於通過與所述線圈協同工作以產生磁場，其中，由所述定子的線圈纏繞的磁極的垂直寬度的中點以與安裝在輪轂的內圓周表面上的永磁體的垂直寬度的中點平齊的方式放置，同時每個所述磁極至少有一個在垂直方向延伸預定長度的上端或下端，從而在所述磁極和所述永磁體之間形成電偏移以使每個所述磁極的上端與下端之間的磁通密度分布不同，由此當通電時，所述電偏移使所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最大值的位置移動，從而使輪轂和氣動軸承組件之間產生電預負載，以保持所述輪轂與所述氣動軸承組件之間的氣隙。
在上述結構中，每個所述磁極的所述上端比所述下端長，從而使所述下端比所述上端具有更高的磁通密度，或者每個所述磁極的所述下端比所述上端長，從而使所述上端比所述下端具有更高的磁通密度。
本發明也可被實施成為一種用於硬碟驅動器的主軸電機，其包括形成作為所述主軸電機下部的基座；可旋轉地安裝在所述基座上、用於固定安裝碟片的輪轂；定子，其被設計成使線圈纏繞多個磁極，所述磁極沿著鐵心的外圓周徑向形成，所述鐵心帶有開口壓入配合部分；氣動軸承組件，其包括與所述輪轂協同工作以產生氣動壓力的主軸承體和牢固支撐在所述定子的所述開口壓入配合部分之中的輔助軸承體；以及永磁體，其安裝在所述輪轂的內圓周表面上，用於通過與所述線圈協同工作以產生磁場，其中，由所述定子的線圈纏繞的磁極的垂直寬度的中點以不與安裝在所述輪轂的內圓周表面上的永磁體的垂直寬度的中點平齊的方式置於磁場內，由此在所述磁極和所述永磁體之間形成機械偏移。同時，每個所述磁極具有在垂直方向延伸預定長度的至少一個上端或下端，從而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間形成電偏移，以使每個所述磁極的上端和下端之間的磁通密度分布不同，由此當沒有通電時，在其間形成有機械偏移的所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力使得所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，從而保持輪轂與氣動軸承組件之間的氣隙，並且由此當通電時，所述電偏移使所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最大值的位置移動，從而在不產生氣動壓力的初始驅動過程中使所述輪轂與所述氣動軸承組件之間產生電預負載，以保持所述輪轂與所述氣動軸承組件之間的氣隙。
在上述結構中，每個所述磁極的所述下端比所述上端長，從而所述上端比所述下端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點高的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載。在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向下移動。
可選擇地，每個所述磁極的所述下端比所述上端長，從而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點低的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，並且在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向上移動。
在另一種可選擇的形式中，每個所述磁極的所述上端比所述下端長，從而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點高的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，並且在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向下移動。
在還一種可選擇的形式中，每個所述磁極的所述上端比所述下端長，從而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點低的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，並且在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向上移動。
實施發明的最佳方式下面將結合附圖詳細說明本發明的優選實施方案。
圖4是本發明帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機的立體分解圖，圖5是本發明帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機的局部剖視俯視立體圖，圖6是本發明帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機的局部剖視仰視立體圖，圖7的剖視圖示出了在本發明第一實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體間的機械偏移，圖8的剖視圖示出了在本發明第二實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體間的機械偏移。
如圖4至圖8所示，本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100被設計成在輪轂(hub)120和氣動軸承組件140之間通過徑向和軸向(thrustdirection)中的磁力藉助多個其上纏繞有定子130的線圈134的磁極134b與安裝在輪轂120的圓柱部分122的內圓周表面上的永磁體160之間的機械偏移而產生預負載，從而維持輪轂120的下表面與氣動軸承組件140的上表面之間的氣隙。
也就是說，由於被定子130的線圈134纏繞的磁極134b與安裝在輪轂120的圓柱部分122的內圓周表面上的永磁體160之間的機械偏移，本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100被設計成使定子130的磁極132b與永磁體160之間的吸引力同時施加在徑向和軸向上，因此可在輪轂120和氣動軸承組件140之間產生預負載。當最初啟動主軸電機100時，輪轂120和氣動軸承組件140之間的預負載可以消除輪轂120和氣動軸承組件140之間的摩擦。
這裡，對於定子130的磁極132b和永磁體160間的結構而言，被定子130的線圈134所纏繞的磁極132b的垂直寬度的中點以不與安裝在輪轂120的圓柱部分122的內圓周表面上的永磁體160的垂直寬度的中點齊平的方式置於磁場內。利用這種結構，即使沒有通電，也可利用磁極132b與永磁體160之間的徑向和軸向上所形成的磁力而在輪轂120和氣動軸承組件140之間產生機械預負載，這樣就可維持輪轂120和氣動軸承組件140之間的氣隙。
同時，在如上所述的結構中，被定子130的線圈134纏繞的磁極132b與安裝在輪轂120的圓柱部分122的內圓周表面上的永磁體160之間的高度差可以按如下方式形成如圖7所示，輪轂120的永磁體160的垂直寬度的中點與定子130的磁極132b的垂直寬度的中點相比處於較高位置；或如圖8所示，輪轂120的永磁體160的垂直寬度的中點與定子130的磁極132b的垂直寬度的中點相比處於較低位置。
本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100包括基座110；可旋轉地安裝在基座110上並於其上裝有碟片(圖未示)的輪轂120；定子130，其包括沿著鐵心132的外圓周表面以相同間隔排列的多個磁極132b以及纏繞各個磁極132b的線圈134；氣動組件140，其包括形成有用於與輪轂120協同工作以產生氣動壓力的氣槽142a和氣槽142b的盤狀主軸承體142及一體成型在主軸承體142下部用於通過定子130的開口壓入配合部分132a而安裝在基座100上的輔助軸承體144；用於使輪轂120的旋轉中心可旋轉地支撐在氣動軸承組件140的旋轉中心上的滾珠軸承150；以及環形永磁體160，其安裝在與被定子130的線圈134所纏繞的磁極132b相鄰的輪轂120的內圓周表面上，用於通過與線圈134協同工作而產生的磁力來產生使輪轂120旋轉的驅動力。
如上所述的本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100適於提供由於輪轂120的永磁體160被放置成高於或低於定子130的磁極132b而引起的機械偏移，從而即使沒有通電，在定子130的磁極132b和輪轂120的永磁體160之間在徑向和軸向上也會同時產生磁力，從而在輪轂120和氣動軸承組件140的輔助軸承體144之間形成預負載。
在上述狀態中，當通電時，在被定子130的線圈134所纏繞的磁極132b和永磁體160之間產生磁場。然後輪轂120繞滾珠軸承150旋轉。這裡，由於預負載在輪轂120和氣動軸承組件140之間相互作用，所以在主軸電機100的初始啟動過程中不會在輪轂120和氣動軸承組件140之間產生摩擦。
如上所述，一旦輪轂120旋轉，空氣就開始在輪轂120和氣動軸承組件140之間流動，從而形成空氣層。空氣層承受的大部分負載是非接觸態的軸向負載。
如上所述，本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100被設計成使輪轂120在徑向和軸向上繞與輪轂120的下側中心直接接觸的滾珠軸承150做樞軸轉動，從而使輪轂120做中心旋轉，並且在輪轂120和氣動軸承組件140之間沒有機械接觸。而在現有技術的主軸電機100的初始啟動過程中(慢速旋轉期間)，伴隨輪轂120的旋轉，這種機械接觸則會引起噪聲和啟動失敗。
也就是說，根據陀螺的旋轉原理(陀螺旋轉越快，旋轉慣性增加的越大。因此，陀螺以高速旋轉比以低速旋轉更容易。這種現象是從角動量守恆定律推導出的)，本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100被設計成使輪轂120像陀螺一樣以點接觸的方式獲得支撐。這樣提高了軸承在高速旋轉而不是低速旋轉下的抗擾動旋轉剛度並且提高了無傾斜旋轉的性能。由此使主軸電機100能獲得高的旋轉精度。
此外，本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100被設計成當輪轂120高速旋轉時，通過利用其主軸承體142設有單向氣槽142a和氣槽142b的氣動軸承組件140在氣動軸承組件140和輪轂120間產生氣動壓力，這樣可在輪轂120高速旋轉時妥善處理輪轂120的軸向負載並不使輪轂120與主軸承體142接觸。
如上所述，本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100的特徵是將氣動軸承組件140和滾珠軸承150組合的結構及使輪轂120按照與旋轉陀螺相同的點接觸方式獲得支撐的結構。
下面將對本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100進行更詳細的說明。首先，如圖4至圖8所示，基座110形成作為主軸電機100的下部。基座100設有座凹(seating recess)112，其形成為預定深度的同心凹入形狀。即，同心的座凹112以預定深度形成在基座110的上部。
按照上述內容構成的基座100在座凹112和可旋轉地安裝在基座110上方的輪轂120之間的空間內設有定子130和氣動軸承組件140。下面說明定子130和氣動軸承組件140。
輪轂120利用在定子130的線圈134與永磁體160之間產生的磁場而旋轉。如圖4和圖8所示，輪轂120包括帶有開發的下部並安裝於基座110的座凹112內的圓柱部分122以及與圓柱部分122結成一體並裝有被稱為「磁碟」的碟片(圖未示)的碟片安裝部分124。在這裡，圓柱部分122的外直徑小於基座110的座凹112的外直徑，而圓柱部分122的外直徑大於氣動軸承組件140的主軸承體142的外直徑。
按照上述內容構成的輪轂120以如下方式安裝圓柱部分122可旋轉地安裝在基座110的座凹112內，而且在圓柱部分122的外圓周表面和座凹112的內圓周表面之間、圓柱部分122的下表面和座凹112的底面之間、以及圓柱部分122的內圓周表面和氣動軸承組件140的主軸承體142的外圓周表面之間不產生機械接觸。
同時，輪轂120設有從輪轂120的下表面(即在碟片安裝部分和圓柱部分122之間以圓錐形式過渡的下表面)向下延伸的主軸126。主軸126插進滾珠軸承150。屬於輪轂120上部的碟片安裝部分124設有向上開口的腔124a，從而儘可能降低輪轂120的總重。
定子130的作用是通過磁場產生使輪轂120旋轉的驅動力，該磁場是利用電源與永磁體160的協同工作而產生的。如圖4至圖8所示，定子130固定安裝在氣動軸承組件140的輔助軸承體144上，並與氣動軸承組件140一同被置在基座110的座凹112與輪轂120的圓柱部分120之間的空間內。
如上構成的定子130包括在鐵心的中心帶有開口壓入配合部分132a並由普通鋼質疊片組成的磁感應鐵心132、沿鐵心的外圓周邊緣以相同間隔結成一體的多個磁極132b以及纏繞每個磁極132b並通過使用電源將每個磁極132b轉變成電磁鐵而與永磁體160協同工作以產生磁場的線圈134。
如上構成的定子130自身不是安裝在基座110的座凹112中，而是牢固地安裝在氣動軸承組件140的輔助軸承體144的外圓周表面上，並置於基座110的座凹112與輪轂120的圓柱部分122之間的空間內。
氣動軸承組件140安裝在基座110和輪轂120之間的空間內，當輪轂120旋轉時其可與輪轂120的下表面協同工作以產生氣動壓力。如圖4至圖8所示，氣動軸承組件140包括在主軸承體的上表面和外圓周表面的至少一個上形成有氣槽142a和氣槽142b的盤狀主軸承體142、一體成型在主軸承體142下部並通過定子130的開口壓入配合部分132a而安裝在基座110的座凹112中並置於基座110和輪轂120之間的空間內的輔助軸承體144。
氣動軸承組件140按如下方式安裝在基座110的座凹112內首先，將氣動軸承組件140的輔助軸承體144壓入配合進定子130的開口壓入配合部分132a中，從而將定子130固定在輔助軸承體144的外圓周表面上，隨後將輔助軸承體144的底表面以彼此同心排列的方式安裝固定在基座110的座凹112的底表面上。
如上所述的氣動軸承組件140的主軸承體142，其外直徑比輪轂120的圓柱部分122的內直徑小，從而主軸承體142的安裝可以不與輪轂120的圓柱部分122的內圓周表面接觸。此外，氣動軸承組件140的主軸承體142的安裝不允許主軸承體142的上表面與輪轂120的下表面接觸。
同時，形成在氣動軸承組件140的主軸承體142上的氣槽142a和氣槽142b可以形成在主軸承體142的上表面和/或主軸承體142的外圓周表面上。此外，優選地使氣槽142a同心地形成在主軸承體142的上表面，而氣槽142b單向地形成在主軸承體142的外圓周表面上。
滾珠軸承150用於使輪轂120的主軸126可旋轉地支撐在氣動軸承組件140的中心上。如圖4至圖8所示，滾珠軸承150固定地安裝在中心通孔中，其穿過氣動軸承組件140的旋轉中心，尤其是穿過氣動軸承組件140的輔助軸承體144。
從輪轂120的下表面凸出的主軸126插進滾珠軸承150的內圈。換句話說，輪轂120的主軸126在徑向和軸向上與同輪轂120的下中心直接接觸的滾珠軸承150樞接，從而在主軸電機100的初始啟動過程中(在低速旋轉過程中)，在輪轂120和氣動軸承組件140之間將不再產生會引起啟動失敗或在輪轂120旋轉時的噪聲的機械接觸。
如上所述，在主軸電機10的初始啟動過程中(在低速旋轉過程中)，輪轂120的主軸126在徑向和軸向上受到滾珠軸承150補償性地支撐，從而在輪轂120和氣動軸承組件140之間將不再產生會引起啟動失敗或在輪轂120旋轉時的噪聲的機械接觸。因此，輪轂120能夠在不偏離其旋轉中心的情況下旋轉。
相比而言，在主軸電機100的高速旋轉過程中，通過氣動軸承組件140的氣槽142a和氣槽142b而在輪轂120和氣動軸承組件140之間產生的氣動壓力使得輪轂120的大部分軸向負載支撐在氣動軸承組件140上，從而提高了滾珠軸承150抗外部擾動的旋轉剛度以及使輪轂120不傾斜旋轉的能力。因此，主軸電機100能保持高旋轉精度。
作為結果，即使在主軸電機上裝有滾珠軸承150，本發明的主軸電機100也可以高速旋轉。即，當輪轂120低速旋轉時，滾珠軸承150補償性地在徑向和軸向之上支撐了輪轂120的主軸126，從而滾珠軸承150受到來自輪轂120的徑向負載和軸向負載。相比而言，當輪轂120高速旋轉時，氣動軸承組件140支撐了來自輪轂120的大部分徑向負載和軸向負載，從而使滾珠軸承150受到來自輪轂120的輕微級別的軸向負載，以使主軸電機100能夠高速旋轉。
永磁體160利用磁場產生用於使輪轂120旋轉的驅動力，該磁場是通過通電而在定子130的線圈134和永磁體160之間產生的。如圖4至圖8所示，永磁體160安裝在與被定子130的線圈134纏繞的磁極132b相鄰的輪轂120的內圓周表面上。因此，永磁體160可與線圈134協同工作以產生磁場。
永磁體160是圓環形的，其大小與輪轂120的圓柱部分122的內徑相匹配。這樣，永磁體160固定在輪轂120的圓柱部分122的內圓周表面上並面向定子130的磁極132b。
如上所述，由於永磁體160固定地安裝在輪轂120的圓柱部分122的內圓周表面上，所以通過供電可在永磁體160和定子130的線圈134間產生磁場，從而使輪轂120沿一個方向旋轉。
簡言之，本發明的用於硬碟驅動器的主軸電機100被設計成這樣，當輪轂120低速旋轉時，通過藉助滾珠軸承150在徑向和軸向之上補償性地支撐輪轂120，在輪轂120和氣動軸承組件140之間將不再產生會引起啟動失敗和在輪轂120旋轉時的噪聲的機械接觸；當輪轂120高速旋轉時，通過藉助氣動軸承組件140的氣槽142a和氣槽142b而在輪轂120和氣動軸承組件140之間產生的氣動壓力，使氣動軸承組件140承受的輪轂120的大部分軸向負載。因此，主軸電機100能提高滾珠軸承150抗外部擾動的旋轉剛度以及使輪轂120不傾斜地旋轉的能力，由此使主軸電機能夠保持高旋轉精度。
因此，即使在主軸電機上裝有滾珠軸承150，主軸電機100也可以高速旋轉。最後，通過提高滾珠軸承150抗外部擾動的旋轉剛度以及使輪轂120不傾斜地旋轉的能力，主軸電機100能夠獲得很好的旋轉精度。
圖9的剖視圖示出了在本發明第三實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體之間的電偏移，圖10的剖視圖示出了在本發明第四實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體之間的電偏移。
在如圖9和圖10所示的本發明用於硬碟驅動器的主軸電機200中，在輪轂220的下表面和氣動軸承組件240的圓柱部分242的上表面之間通過被定子230的線圈234纏繞的多個磁極232b與安裝在輪轂220的內圓周表面上的永磁體260之間的電偏移形成電預負載，從而維持輪轂220的下表面與氣動軸承組件240的圓柱部分242的上表面之間的氣隙。
根據圖9和10所示的主軸電機200的結構，磁極232b的垂直寬度的中點被放置成與永磁體260的垂直寬度的中點齊平，但是定子230的磁極232b在向上或向下方向上伸出，從而提供凸出的上端或下端。由於磁極232b的凸出的上端或下端，當通電時，作用在帶有凸出的上端的磁極232b上的磁通量分布不同於作用在帶有凸出的下端的磁極230b上的磁通量。因此，永磁體260的垂直寬度的中點向磁極232b上磁通量可起最大作用的位置移動。由於這種磁通量分布的不同，在輪轂220和氣動軸承組件240之間形成電預負載，從而在輪轂220和氣動軸承組件240間保持氣隙。
這裡，在通電情況下由於定子230的磁極232b中的磁通量變化(它基於定子230的磁極232b的截面變化(profile change))所引致的定子230的磁極232b中的電偏移會通過使磁極232b上端額外伸出而導致比施加於磁極232b下端更大的施加於磁極232b上端的磁通量，或者通過使磁極232b的下端額外伸出而導致比施加於磁極232b上端更大的施加於磁極232b下端的磁通量。
由於如上所述的電偏移，在沒有產生氣動壓力的初始驅動過程中產生了靜轉矩，從而在輪轂220和氣動軸承組件240之間產生電預負載。結果，在輪轂220和氣動軸承組件240之間產生了預定大小的氣隙。此氣隙可防止系統或主軸電機因在初始啟動過程中產生的摩擦或由此生成的熱而受到損害，從而使系統具有改進的安全性。
根據本發明，如圖7和圖8所示，在定子130和永磁體160間提供有機械偏移，這樣即使沒有從外部通電，在定子130和永磁體160之間相互作用的徑向和軸向中的磁力使得在輪轂120和氣動軸承組件140之間產生了預定大小的預負載。因此除非有外部撞擊，在輪轂120和氣動軸承組件140之間不會產生摩擦。
如圖9和圖10所示，在定子230和永磁體260間提供有電偏移，這樣當通電時，在定子230和永磁體260間產生磁通量差。這個磁通量差使得磁力作用於徑向和軸向之上。磁力使得在輪轂220和氣動軸承組件240之間產生預定大小的預負載。該預負載使得輪轂220和氣動軸承組件240之間限定出預定大小的氣隙，這樣氣隙可防止系統因在初始啟動過程中產生的摩擦或由此生成的熱而受到損害。從而使系統具有改進的安全性。總之，由於電偏移在沒有產生氣動壓力的初始驅動過程中產生靜轉矩，從而在輪轂220和氣動軸承組件240之間產生電預負載，從而可防止系統或主軸電機因初始摩擦或由此生成的熱而受到損害。
從上面自然可想到將能產生負載的機械偏移和電偏移同時應用到主軸電機上。下面對將機械偏移和電偏移同時應用到主軸電機上進行說明。
圖11的剖視圖示出了在本發明第五實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體之間的機械和電偏移，圖12的剖視圖示出了在本發明第六實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體之間的機械和電偏移，圖13的剖視圖示出了在本發明第七實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體之間的機械和電偏移，圖14的剖視圖示出了在本發明第八實施方案的帶有樞軸結構的用於硬碟驅動器的主軸電機中的定子和永磁體之間的機械和電偏移。
如圖11和圖14所示，根據本發明的帶有採用機械偏移和電偏移的結構的主軸電機300被設計成這樣，即，通過使由定子330的線圈304纏繞的磁極332b的垂直寬度的中點與安裝在輪轂320的內圓周表面上的永磁體360的垂直寬度的中點不齊平以產生機械偏移，並在磁力範圍內通過使通電過程中作用在可沿向上和向下任一方向延伸的定子330的磁極332b上的磁通量強度產生變化以產生電偏移。
在如上構成的採用機械偏移和電偏移的主軸電機300中，當沒有通電時，其間形成有磁偏移的磁極332b和永磁體360之間的徑向和軸向磁力使得在輪轂320和氣動軸承組件340之間產生機械預負載，從而機械預負載能夠在輪轂320和氣動軸承組件340間保持氣隙。相比而言，當通電時，電偏移引起永磁體360的垂直寬度的中點向使磁極332b的磁通量強度有最大值的方向移動，並使得在沒有產生氣動壓力的初始驅動過程中在輪轂320和氣動軸承組件340間產生電預負載，從而電預負載能夠在輪轂320和氣動軸承組件340之間保持氣隙。
下文將說明採用機械偏移和電偏移的主軸電機300的結構。首先，在如圖11所示的結構中，定子330的磁極332b具有向下方向凸出的下端。因此，磁極332b的上端比下端有更高的磁通密度。此外，永磁體360的垂直寬度的中點被置於比磁極332b的垂直寬度的中點高的位置。
在如上所述的採用機械偏移和電偏移的主軸電機300中，當沒有通電時，通過磁極332b和永磁體360之間產生的徑向和軸向磁力使得輪轂320和氣動軸承組件340之間產生機械預負載。在這種狀態下，通電引起永磁體360的垂直寬度的中點朝向磁極332b的磁通密度有最大值的位置向下移動。
在如圖12所示的結構中，定子330的磁極332b具有向下方向凸出的下端。因此，磁極332b的上端比下端有更高的磁通密度。此外，永磁體360的垂直寬度的中點被置於比磁極332b的垂直寬度的中點低的位置。
在如上所述的採用機械偏移和電偏移的主軸電機300中，當沒有通電時，通過磁極332b與永磁體360之間產生的徑向和軸向磁力使得輪轂320和氣動軸承組件340之間產生機械預負載。在這種狀態下，通電引起永磁體360的垂直寬度的中點朝向磁極332b的磁通強度有最大值的位置向上移動。
在如圖13所示的採用機械偏移和電偏移的結構中，定子330的磁極332b具有向上方向凸出的上端。因此，磁極332b的下端比上端有更高的磁通密度。此外，永磁體360的垂直寬度的中點被置於比磁極332b的垂直寬度的中點高的位置。
在如上所述的採用機械偏移和電偏移的主軸電機300中，當沒有通電時，通過磁極332b和永磁體360之間產生的徑向和軸向磁力使得輪轂320與氣動軸承組件340之間產生機械預負載。在這種狀態下，通電引起永磁體360的垂直寬度的中點朝向磁極332b的磁通強度有最大值的位置向下移動。
在如圖14所示的採用機械偏移和電偏移結構中，定子330的磁極332b具有向上方向凸出的上端。因此，磁極332b的下端比上端有更高的磁通密度。此外，永磁體360的垂直寬度的中點被置於比磁極332b的垂直寬度的中點低的位置。
在如上所述的採用機械偏移和電偏移的主軸電機300中，當沒有通電時，通過磁極332b與永磁體360之間產生的徑向和軸向磁力使得輪轂320和氣動軸承組件340之間產生機械預負載。在這種狀態下，通電引起永磁體360的垂直寬度的中點朝向磁極332b的磁通量強度有最大值的位置向上移動。
總之，利用應用機械偏移和電偏移的結構，當沒有通電時，機械偏移使得在輪轂320和氣動軸承組件340之間產生預負載成為可能，從而預負載在輪轂320和氣動軸承組件340之間限定出預定大小的氣隙。在這種狀態下，當通電時就可在沒有產生氣動壓力的初始驅動過程中產生電預負載，從而電預負載使得在輪轂320和氣動軸承組件340間保持氣隙成為可能。因此，氣隙可防止系統或主軸電機因初始啟動過程中產生的摩擦或由此生成的熱而受到損害。
儘管結合當前被認為最實際和最優選的實施方案說明了本發明，但是應該理解本發明不限於公開的實施方案和附圖，相反本發明的意圖涵蓋了在所附的權利要求的精神和範圍內的各種修改和變化。
工業實用性從上述說明可以看出，在本發明的主軸電機中，因定子的鐵心和永磁體之間的機械偏移引起的預負載使得輪轂可機械地漂浮，從而可在輪轂和氣動軸承組件間限定出預定大小的氣隙。因此，改氣隙可防止系統或主軸電機因初始啟動過程中產生的摩擦或由此生成的熱而受到損害。
此外，由在沒有產生氣動壓力的初始驅動過程中產生的靜轉矩引起的預負載使得輪轂可以電力地漂浮，從而可在輪轂和氣動軸承組件之間限定出預定大小的氣隙。因此，該氣隙可防止系統或主軸電機因在初始啟動過程中產生的摩擦或由此生成的熱而受到損害，從而使系統具有改進的安全性。
此外，由輪轂和氣動軸承組件之間的機械偏移和電偏移可引起預負載，從而可在輪轂和氣動軸承組件之間限定出預定大小的氣隙。因此，氣隙不僅可防止系統或主軸電機因摩擦和由此生成的熱而受到損害，而且可提高系統的安全性。即使系統僅利用一個滾珠軸承支撐輪轂，滾珠軸承也能承擔預負載，從而使系統具有改進的旋轉精度、降低的噪聲和振動以及延長的壽命。
權利要求
1.一種用於硬碟驅動器的主軸電機，包括形成作為所述主軸電機下部的基座；可旋轉地安裝在所述基座上、用於固定安裝碟片的輪轂；定子，其被構成為使線圈纏繞多個磁極，所述磁極沿著定子鐵心的外圓周徑向形成，所述鐵心形成有開口壓入配合部分；氣動軸承組件，包括與所述輪轂協同工作以產生氣動壓力的主軸承體和牢固支撐在所述定子的所述開口壓入配合部分之中的輔助軸承體；及永磁體，其安裝在所述輪轂的內圓周表面上，用於通過與所述線圈協同工作以產生磁場，其中由所述定子的線圈纏繞的磁極的垂直寬度的中點以不與安裝在所述輪轂的內圓周表面上的永磁體的垂直寬度的中點平齊的方式置於磁場內，以在所述磁極和所述永磁體之間形成機械偏移，由此當沒有通電時，在其間形成有機械偏移的所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力使得所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，從而保持輪轂與氣動軸承組件之間的氣隙。
2.如權利要求1所述的主軸電機，其特徵在於，所述機械偏移被形成用以使所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點高於所述定子的磁極的垂直寬度的中點。
3.如權利要求1所述的主軸電機，其特徵在於，所述機械偏移被形成用以使所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點低於所述定子的磁極的垂直寬度的中點。
4.一種用於硬碟驅動器的主軸電機，包括形成作為所述主軸電機下部的基座；可旋轉地安裝在所述基座上、用於固定安裝碟片的輪轂；定子，其被構成為使線圈纏繞多個磁極，所述磁極沿著定子鐵心的外圓周徑向形成，所述鐵心帶有開口壓入配合部分；氣動軸承組件，包括與所述輪轂協同工作以產生氣動壓力的主軸承體和牢固支撐在所述定子的所述開口壓入配合部分之中的輔助軸承體；及永磁體，其安裝在所述輪轂的內圓周表面上，用於通過與所述線圈協同工作以產生磁場，其中，由定子的線圈纏繞的磁極的垂直寬度的中點以與安裝在輪轂的內圓周表面上的永磁體的垂直寬度的中點平齊的方式放置，同時每個所述磁極至少具有在垂直方向延伸預定長度的上端和下端之一，從而在所述磁極和所述永磁體之間形成電偏移以使每個所述磁極的上端與下端之間的磁通密度分布不同，由此當通電時，所述電偏移使所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最大值的位置移動，從而使輪轂和氣動軸承組件之間產生電預負載，以保持所述輪轂與所述氣動軸承組件之間的氣隙。
5.如權利要求4所述的主軸電機，其特徵在於，每個所述磁極的所述上端比所述下端長，從而使所述下端比所述上端具有更高的磁通密度。
6.如權利要求4所述的主軸電機，其特徵在於，每個所述磁極的所述下端比所述上端長，從而使所述上端比所述下端具有更高的磁通密度。
7.一種用於硬碟驅動器的主軸電機，包括形成作為所述主軸電機下部的基座；可旋轉地安裝在所述基座上、用於固定安裝碟片的輪轂；定子，其被構成為使線圈纏繞多個磁極，所述磁極沿著定子鐵心的外圓周徑向形成，所述鐵心帶有開口壓入配合部分；氣動軸承組件，包括與所述輪轂協同工作以產生氣動壓力的主軸承體和牢固支撐在所述定子的所述開口壓入配合部分之中的輔助軸承體；及永磁體，其安裝在所述輪轂的內圓周表面上，用於通過與所述線圈協同工作以產生磁場，其中，由所述定子的線圈纏繞的磁極的垂直寬度的中點以不與安裝在所述輪轂的內圓周表面上的永磁體的垂直寬度的中點平齊的方式置於磁場內，以在所述磁極和所述永磁體之間形成機械偏移，並且其中，每個所述磁極至少具有在垂直方向延伸預定長度的上端和下端之一，從而在所述磁極和所述永磁體之間形成電偏移，以使每個所述磁極的上端和下端之間的磁通密度分布不同，由此當沒有通電時，在其間形成有機械偏移的所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力使得所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，從而保持輪轂與氣動軸承組件之間的氣隙，並且由此當通電時，所述電偏移使所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最大值的位置移動，從而使所述輪轂與所述氣動軸承組件之間產生電預負載，以保持所述輪轂與所述氣動軸承組件之間的氣隙。
8.如權利要求7所述的主軸電機，其特徵在於，每個所述磁極的所述下端比所述上端長，從而所述上端比所述下端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點高的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，並且在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向下移動。
9.如權利要求7所述的主軸電機，其特徵在於，每個所述磁極的所述下端比所述上端長，從而所述上端比所述下端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點低的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，並且在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向上移動。
10.如權利要求7所述的主軸電機，其特徵在於，每個所述磁極的所述下端比所述下端長，從而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點高的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，並且在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向下移動。
11.如權利要求7所述的主軸電機，其特徵在於，每個所述磁極的所述下端比所述下端長，從而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，並且同時所述輪轂的永磁體的垂直寬度的中點被置於比所述定子的磁極的垂直寬度的中點低的位置，由此當沒有通電時，通過所述磁極和所述永磁體之間產生的徑向和軸向磁力而在所述輪轂和所述氣動軸承組件之間產生機械預負載，並且在這種狀態下，當通電時，所述永磁體的垂直寬度的中點朝向磁通密度具有最高強度的位置向上移動。
全文摘要
披露了一種用於硬碟驅動器的主軸電機，其能夠通過使用機械和電偏移產生機械和電預負載以形成預定大小的氣隙，從而可防止主軸電機因在初始啟動過程中產生的摩擦和熱而受到損害。為此，使用機械和電偏移的主軸電機被設計成使定子的線圈纏繞的磁極的垂直寬度的中點以不與安裝在輪轂的內圓周表面上的永磁體的垂直寬度的中點平齊的方式置於磁場內，同時每個磁極的上端和下端的至少一個在垂直方向延伸預定的長度，從而使每個磁極的上端和下端之間的磁通量密度分布不同。
文檔編號G11B5/55GK1596444SQ02823789
公開日2005年3月16日 申請日期2002年11月28日 優先權日2001年11月29日
發明者金尚鬱 申請人:G&W技術株式會社