CN1596444A - 用于硬盘驱动器的主轴电机 - Google Patents
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Abstract
披露了一种用于硬盘驱动器的主轴电机，其能够通过使用机械和电偏移产生机械和电预负载以形成预定大小的气隙，从而可防止主轴电机因在初始启动过程中产生的摩擦和热而受到损害。为此，使用机械和电偏移的主轴电机被设计成使定子的线圈缠绕的磁极的垂直宽度的中点以不与安装在轮毂的内圆周表面上的永磁体的垂直宽度的中点平齐的方式置于磁场内，同时每个磁极的上端和下端的至少一个在垂直方向延伸预定的长度，从而使每个磁极的上端和下端之间的磁通量密度分布不同。
Description
附图简要说明
通过下面结合附图的详细说明，本发明的上述和其它目的、特点及优点将变得更加清楚，其中：
图1是使用至少一个滚珠轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机的立体分解图；
图2是图1的主轴电机的剖视图；
图3是使用至少一个气动轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机的剖视图；
图4是本发明带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机的立体分解图；
图5是本发明带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机的局部剖视俯视立体图；
图6是本发明带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机的局部剖视仰视立体图；
图7的剖视图示出了在根据本发明第一实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械偏移；
图8的剖视图示出了在根据本发明第二实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械偏移；
图9的剖视图示出了在根据本发明第三实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的电偏移；
图10的剖视图示出了在根据本发明第四实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的电偏移；
图11的剖视图示出了在根据本发明第五实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械偏移和电偏移；
图12的剖视图示出了在根据本发明第六实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械偏移和电偏移；
图13的剖视图示出了在根据本发明第七实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械偏移和电偏移；以及
图14的剖视图示出了在根据本发明第八实施方案所述的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械偏移和电偏移。
背景技术
本发明涉及一种用于硬盘驱动器的主轴电机(spindle motor)。更具体地讲，本发明涉及一种带有被设计用来通过偏移而产生预负载的气动轴承组件的主轴电机，其中机械和/或电偏移形成在定子的多个磁极(pole)和永磁体之间，并且由此产生的机械和/或电预负载以及预定大小的气隙产生于定子和设置在定子上的轮毂(hub)之间，由此可防止因摩擦及在初始启动中产生的热所引起的主轴电机故障。
一般而言，硬盘驱动器用作计算机的辅助存储设备，其由盘片(platter)、磁头、主轴电机、磁头臂以及印刷电路板电路板组成。硬盘驱动器帮助通过读出和再现经磁头储存在盘片上的信息来操作计算机，或经磁头在盘片上写入信息来操作计算机。
在上述的硬盘驱动器结构中，盘片是用磁性材料涂布的金属圆盘，用于写入各种数据。盘片以叠在旋转轴上的多排方式旋转。旋转轴被称为主轴(spindle shaft)。用于旋转主轴的电机称为主轴电机。
用于读/写储存在盘片上的数据的磁头与磁头臂相连，从而用于存取所需的信息地址。磁头臂由称为音圈电机(VCM)的磁头驱动臂驱动。下面将说明常规的主轴电机。
图1是使用至少一个滚珠轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机的立体分解图，图2是图1的主轴电机的剖视图；
如图1和图2所示，使用至少一个滚珠轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机10包括形成作为主轴电机下部的基座11、以垂直方向安装在基座中心的主轴12、安装在位于基座11上侧的主轴12下部的第一滚珠轴承13、环绕第一滚珠轴承13安装并被设计成使线圈14b缠绕铁心(core)14a的定子14、安装在主轴12上部的第二滚珠轴承15、可相对于第一滚珠轴承13和第二滚珠轴承15旋转并盖住基座11上部的轮毂16、以及安装在轮毂16下部的内圆周表面上并通过与线圈14b协同工作而生成的磁场来产生使轮毂16旋转的驱动力的环形永磁体17。
在具有上述结构的使用至少一个滚珠轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机10中，当对定子14的线圈14b通电时，在线圈14b和永磁体17之间产生磁场(图中未示出)。线圈14b和永磁体17之间的磁场使得轮毂16沿一个方向旋转。
然而，通过利用滚珠轴承13和滚珠轴承15使轮毂16旋转的结构不可能实现具有严格旋转精度的高速驱动，因为当滚珠轴承以高速旋转时上述结构会产生噪音和振动。下面将针对图3所示的气动轴承的结构进行说明。
图3是使用至少一个气动轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机的剖视图。
如图3所示，使用至少一个气动轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机20包括形成作为主轴电机下部的基座21、安装在基座21上部中心的第一轴承22、环绕第一滚珠轴承22安装并被设计成使线圈23b能够缠绕铁心23a的定子23、以垂直方向安装在上部中心的主轴24、安装在主轴24上部的第二滚珠轴承25、可绕主轴24旋转并盖住基座21上部的受支撑的轮毂26、安装在轮毂26上内部并能产生用以使轮毂26绕主轴24平稳旋转的气动压力的第一气动轴承27和第二气动轴承28、以及安装在轮毂16下部的内圆周表面上并通过与线圈23b协同工作而生成的磁场来产生使轮毂26旋转的驱动力的永磁体27。
在具有上述结构的使用至少一个气动轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机20中，当对定子23的线圈23b通电时，在线圈23b和永磁体27之间产生磁场(图中未示出)。线圈23b和永磁体27之间的磁场使得轮毂26沿一个方向旋转。
一旦轮毂26旋转，空气就开始在第一气动轴承27和第二气动轴承28的内表面上流动。轮毂26旋转的越快，空气流动就越强。这样，流动的空气变成了在第一气动轴承27和第二气动轴承28、主轴24、第一轴承25、第二轴承22之间的与轮毂26的转速成正比的具有预定刚性的空气层。因此，带有安装的盘片(图中未示出)的轮毂26绕主轴24旋转，同时克服了来自主轴24和轮毂26之间起轴承作用的空气层所施加的负载和扰动。
然而，具有上述结构的使用至少一个气动轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机在低速旋转时可提高空气层的刚性，但是当马达的旋转超过固定速度时，空气层的刚性几乎保持恒定，而不会随着转速成正比例地增加。
此外，具有上述结构的使用至少一个气动轴承的用于硬盘驱动器的常规主轴电机被设计成使基座与第一轴承组装在一起，而主轴则与第二轴承组装在一起，从而使组装的两个装置相对于气动轴承保持预定大小的气隙。因此，其问题在于主轴电机的组装能力降低，并且难于不变地保持恒定的气隙厚度。此外，主轴电机被设计成使轮毂通过气隙环绕主轴获得支撑，而不是使轮毂与主轴直接接触。因此，在初始启动过程中，主轴电机会遭受气动轴承及第一和第二轴承的故障、磨损量、噪声及振动的影响，而这些都是由摩擦引起的。
发明目的
因此，本发明就是针对上述问题而做出的，并且本发明的目的是提供一种用于硬盘驱动器的主轴电机，其能够利用由定子铁心与永磁体之间的机械偏移所产生的机械预负载将轮毂和气动轴承组件之间的气隙限定到预定的大小，从而可防止主轴电机因在初始启动过程中的摩擦和由此产生的热而受到损害。
本发明的另一个目的是提供一种用于硬盘驱动器的主轴电机，其能够通过在没有产生气动压力的初始驱动期间产生静转矩以利用在轮毂和气动轴承组件之间产生电预负载的电偏移(electrical offset)将轮毂和气动轴承组件之间的气隙限定到预定大小，从而可防止主轴电机因在初始启动过程中的摩擦和由此产生的热而受到损害。
本发明的另一个目的是提供一种用于硬盘驱动器的主轴电机，其能够利用由机械和电偏移产生的机械和电预负载将轮毂和气动轴承组件之间的气隙限定到预定大小，从而由于可防止主轴电机因摩擦和热而受到损害，所以主轴电机具有改进的安全性。
发明内容
为实现这些目的，根据本发明所述的用于硬盘驱动器的主轴电机包括：形成作为所述主轴电机下部的基座；可旋转地安装在所述基座上、用于固定安装盘片的轮毂；定子，其设计成使线圈缠绕多个磁极，所述磁极沿着铁心的外圆周径向形成，所述铁心形成有开口压入配合部分；气动轴承组件，其包括与所述轮毂协同工作以产生气动压力的主轴承体和牢固支撑在所述定子的所述开口压入配合部分之中的辅助轴承体；以及永磁体，其安装在所述轮毂的内圆周表面上，用于通过与所述线圈协同工作以产生磁场，其中由所述定子的线圈缠绕的磁极的垂直宽度的中点以不与安装在所述轮毂的内圆周表面上的永磁体的垂直宽度的中点平齐的方式置于磁场内，以在所述磁极和所述永磁体之间形成机械偏移，由此当没有通电时，在其间形成有机械偏移的所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力使得所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，从而保持所述轮毂与所述气动轴承组件之间的气隙。
在上述结构中，所述机械偏移被形成用以使所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点高于所述定子的磁极的垂直宽度的中点，或者所述机械偏移被形成用以使所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点低于所述定子的磁极的垂直宽度的中点。
本发明也可被实施成为一种用于硬盘驱动器的主轴电机，其包括：形成作为所述主轴电机下部的基座；可旋转地安装在所述基座上、用于固定安装盘片的轮毂；定子，其被设计成使线圈可缠绕多个磁极，所述磁极沿着铁心的外圆周径向形成，所述铁心带有开口压入配合部分；气动轴承组件，其包括与所述轮毂协同工作以产生气动压力的主轴承体和牢固支撑在所述定子的所述开口压入配合部分之中的辅助轴承体；以及永磁体，其安装在所述轮毂的内圆周表面上，用于通过与所述线圈协同工作以产生磁场，其中，由所述定子的线圈缠绕的磁极的垂直宽度的中点以与安装在轮毂的内圆周表面上的永磁体的垂直宽度的中点平齐的方式放置，同时每个所述磁极至少有一个在垂直方向延伸预定长度的上端或下端，从而在所述磁极和所述永磁体之间形成电偏移以使每个所述磁极的上端与下端之间的磁通密度分布不同，由此当通电时，所述电偏移使所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最大值的位置移动，从而使轮毂和气动轴承组件之间产生电预负载，以保持所述轮毂与所述气动轴承组件之间的气隙。
在上述结构中，每个所述磁极的所述上端比所述下端长，从而使所述下端比所述上端具有更高的磁通密度，或者每个所述磁极的所述下端比所述上端长，从而使所述上端比所述下端具有更高的磁通密度。
本发明也可被实施成为一种用于硬盘驱动器的主轴电机，其包括：形成作为所述主轴电机下部的基座；可旋转地安装在所述基座上、用于固定安装盘片的轮毂；定子，其被设计成使线圈缠绕多个磁极，所述磁极沿着铁心的外圆周径向形成，所述铁心带有开口压入配合部分；气动轴承组件，其包括与所述轮毂协同工作以产生气动压力的主轴承体和牢固支撑在所述定子的所述开口压入配合部分之中的辅助轴承体；以及永磁体，其安装在所述轮毂的内圆周表面上，用于通过与所述线圈协同工作以产生磁场，其中，由所述定子的线圈缠绕的磁极的垂直宽度的中点以不与安装在所述轮毂的内圆周表面上的永磁体的垂直宽度的中点平齐的方式置于磁场内，由此在所述磁极和所述永磁体之间形成机械偏移。同时，每个所述磁极具有在垂直方向延伸预定长度的至少一个上端或下端，从而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间形成电偏移，以使每个所述磁极的上端和下端之间的磁通密度分布不同，由此当没有通电时，在其间形成有机械偏移的所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力使得所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，从而保持轮毂与气动轴承组件之间的气隙，并且由此当通电时，所述电偏移使所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最大值的位置移动，从而在不产生气动压力的初始驱动过程中使所述轮毂与所述气动轴承组件之间产生电预负载，以保持所述轮毂与所述气动轴承组件之间的气隙。
在上述结构中，每个所述磁极的所述下端比所述上端长，从而所述上端比所述下端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点高的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载。在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向下移动。
可选择地，每个所述磁极的所述下端比所述上端长，从而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点低的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，并且在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向上移动。
在另一种可选择的形式中，每个所述磁极的所述上端比所述下端长，从而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点高的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，并且在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向下移动。
在还一种可选择的形式中，每个所述磁极的所述上端比所述下端长，从而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点低的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，并且在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向上移动。
实施发明的最佳方式
下面将结合附图详细说明本发明的优选实施方案。
图4是本发明带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机的立体分解图，图5是本发明带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机的局部剖视俯视立体图，图6是本发明带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机的局部剖视仰视立体图，图7的剖视图示出了在本发明第一实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体间的机械偏移，图8的剖视图示出了在本发明第二实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体间的机械偏移。
如图4至图8所示，本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100被设计成在轮毂(hub)120和气动轴承组件140之间通过径向和轴向(thrustdirection)中的磁力借助多个其上缠绕有定子130的线圈134的磁极134b与安装在轮毂120的圆柱部分122的内圆周表面上的永磁体160之间的机械偏移而产生预负载，从而维持轮毂120的下表面与气动轴承组件140的上表面之间的气隙。
也就是说，由于被定子130的线圈134缠绕的磁极134b与安装在轮毂120的圆柱部分122的内圆周表面上的永磁体160之间的机械偏移，本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100被设计成使定子130的磁极132b与永磁体160之间的吸引力同时施加在径向和轴向上，因此可在轮毂120和气动轴承组件140之间产生预负载。当最初启动主轴电机100时，轮毂120和气动轴承组件140之间的预负载可以消除轮毂120和气动轴承组件140之间的摩擦。
这里，对于定子130的磁极132b和永磁体160间的结构而言，被定子130的线圈134所缠绕的磁极132b的垂直宽度的中点以不与安装在轮毂120的圆柱部分122的内圆周表面上的永磁体160的垂直宽度的中点齐平的方式置于磁场内。利用这种结构，即使没有通电，也可利用磁极132b与永磁体160之间的径向和轴向上所形成的磁力而在轮毂120和气动轴承组件140之间产生机械预负载，这样就可维持轮毂120和气动轴承组件140之间的气隙。
同时，在如上所述的结构中，被定子130的线圈134缠绕的磁极132b与安装在轮毂120的圆柱部分122的内圆周表面上的永磁体160之间的高度差可以按如下方式形成：如图7所示，轮毂120的永磁体160的垂直宽度的中点与定子130的磁极132b的垂直宽度的中点相比处于较高位置；或如图8所示，轮毂120的永磁体160的垂直宽度的中点与定子130的磁极132b的垂直宽度的中点相比处于较低位置。
本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100包括基座110；可旋转地安装在基座110上并于其上装有盘片(图未示)的轮毂120；定子130，其包括沿着铁心132的外圆周表面以相同间隔排列的多个磁极132b以及缠绕各个磁极132b的线圈134；气动组件140，其包括形成有用于与轮毂120协同工作以产生气动压力的气槽142a和气槽142b的盘状主轴承体142及一体成型在主轴承体142下部用于通过定子130的开口压入配合部分132a而安装在基座100上的辅助轴承体144；用于使轮毂120的旋转中心可旋转地支撑在气动轴承组件140的旋转中心上的滚珠轴承150；以及环形永磁体160，其安装在与被定子130的线圈134所缠绕的磁极132b相邻的轮毂120的内圆周表面上，用于通过与线圈134协同工作而产生的磁力来产生使轮毂120旋转的驱动力。
如上所述的本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100适于提供由于轮毂120的永磁体160被放置成高于或低于定子130的磁极132b而引起的机械偏移，从而即使没有通电，在定子130的磁极132b和轮毂120的永磁体160之间在径向和轴向上也会同时产生磁力，从而在轮毂120和气动轴承组件140的辅助轴承体144之间形成预负载。
在上述状态中，当通电时，在被定子130的线圈134所缠绕的磁极132b和永磁体160之间产生磁场。然后轮毂120绕滚珠轴承150旋转。这里，由于预负载在轮毂120和气动轴承组件140之间相互作用，所以在主轴电机100的初始启动过程中不会在轮毂120和气动轴承组件140之间产生摩擦。
如上所述，一旦轮毂120旋转，空气就开始在轮毂120和气动轴承组件140之间流动，从而形成空气层。空气层承受的大部分负载是非接触态的轴向负载。
如上所述，本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100被设计成使轮毂120在径向和轴向上绕与轮毂120的下侧中心直接接触的滚珠轴承150做枢轴转动，从而使轮毂120做中心旋转，并且在轮毂120和气动轴承组件140之间没有机械接触。而在现有技术的主轴电机100的初始启动过程中(慢速旋转期间)，伴随轮毂120的旋转，这种机械接触则会引起噪声和启动失败。
也就是说，根据陀螺的旋转原理(陀螺旋转越快，旋转惯性增加的越大。因此，陀螺以高速旋转比以低速旋转更容易。这种现象是从角动量守恒定律推导出的)，本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100被设计成使轮毂120像陀螺一样以点接触的方式获得支撑。这样提高了轴承在高速旋转而不是低速旋转下的抗扰动旋转刚度并且提高了无倾斜旋转的性能。由此使主轴电机100能获得高的旋转精度。
此外，本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100被设计成当轮毂120高速旋转时，通过利用其主轴承体142设有单向气槽142a和气槽142b的气动轴承组件140在气动轴承组件140和轮毂120间产生气动压力，这样可在轮毂120高速旋转时妥善处理轮毂120的轴向负载并不使轮毂120与主轴承体142接触。
如上所述，本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100的特征是将气动轴承组件140和滚珠轴承150组合的结构及使轮毂120按照与旋转陀螺相同的点接触方式获得支撑的结构。
下面将对本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100进行更详细的说明。首先，如图4至图8所示，基座110形成作为主轴电机100的下部。基座100设有座凹(seating recess)112，其形成为预定深度的同心凹入形状。即，同心的座凹112以预定深度形成在基座110的上部。
按照上述内容构成的基座100在座凹112和可旋转地安装在基座110上方的轮毂120之间的空间内设有定子130和气动轴承组件140。下面说明定子130和气动轴承组件140。
轮毂120利用在定子130的线圈134与永磁体160之间产生的磁场而旋转。如图4和图8所示，轮毂120包括带有开发的下部并安装于基座110的座凹112内的圆柱部分122以及与圆柱部分122结成一体并装有被称为“磁盘”的盘片(图未示)的盘片安装部分124。在这里，圆柱部分122的外直径小于基座110的座凹112的外直径，而圆柱部分122的外直径大于气动轴承组件140的主轴承体142的外直径。
按照上述内容构成的轮毂120以如下方式安装：圆柱部分122可旋转地安装在基座110的座凹112内，而且在圆柱部分122的外圆周表面和座凹112的内圆周表面之间、圆柱部分122的下表面和座凹112的底面之间、以及圆柱部分122的内圆周表面和气动轴承组件140的主轴承体142的外圆周表面之间不产生机械接触。
同时，轮毂120设有从轮毂120的下表面(即在盘片安装部分和圆柱部分122之间以圆锥形式过渡的下表面)向下延伸的主轴126。主轴126插进滚珠轴承150。属于轮毂120上部的盘片安装部分124设有向上开口的腔124a，从而尽可能降低轮毂120的总重。
定子130的作用是通过磁场产生使轮毂120旋转的驱动力，该磁场是利用电源与永磁体160的协同工作而产生的。如图4至图8所示，定子130固定安装在气动轴承组件140的辅助轴承体144上，并与气动轴承组件140一同被置在基座110的座凹112与轮毂120的圆柱部分120之间的空间内。
如上构成的定子130包括在铁心的中心带有开口压入配合部分132a并由普通钢质叠片组成的磁感应铁心132、沿铁心的外圆周边缘以相同间隔结成一体的多个磁极132b以及缠绕每个磁极132b并通过使用电源将每个磁极132b转变成电磁铁而与永磁体160协同工作以产生磁场的线圈134。
如上构成的定子130自身不是安装在基座110的座凹112中，而是牢固地安装在气动轴承组件140的辅助轴承体144的外圆周表面上，并置于基座110的座凹112与轮毂120的圆柱部分122之间的空间内。
气动轴承组件140安装在基座110和轮毂120之间的空间内，当轮毂120旋转时其可与轮毂120的下表面协同工作以产生气动压力。如图4至图8所示，气动轴承组件140包括在主轴承体的上表面和外圆周表面的至少一个上形成有气槽142a和气槽142b的盘状主轴承体142、一体成型在主轴承体142下部并通过定子130的开口压入配合部分132a而安装在基座110的座凹112中并置于基座110和轮毂120之间的空间内的辅助轴承体144。
气动轴承组件140按如下方式安装在基座110的座凹112内：首先，将气动轴承组件140的辅助轴承体144压入配合进定子130的开口压入配合部分132a中，从而将定子130固定在辅助轴承体144的外圆周表面上，随后将辅助轴承体144的底表面以彼此同心排列的方式安装固定在基座110的座凹112的底表面上。
如上所述的气动轴承组件140的主轴承体142，其外直径比轮毂120的圆柱部分122的内直径小，从而主轴承体142的安装可以不与轮毂120的圆柱部分122的内圆周表面接触。此外，气动轴承组件140的主轴承体142的安装不允许主轴承体142的上表面与轮毂120的下表面接触。
同时，形成在气动轴承组件140的主轴承体142上的气槽142a和气槽142b可以形成在主轴承体142的上表面和/或主轴承体142的外圆周表面上。此外，优选地使气槽142a同心地形成在主轴承体142的上表面，而气槽142b单向地形成在主轴承体142的外圆周表面上。
滚珠轴承150用于使轮毂120的主轴126可旋转地支撑在气动轴承组件140的中心上。如图4至图8所示，滚珠轴承150固定地安装在中心通孔中，其穿过气动轴承组件140的旋转中心，尤其是穿过气动轴承组件140的辅助轴承体144。
从轮毂120的下表面凸出的主轴126插进滚珠轴承150的内圈。换句话说，轮毂120的主轴126在径向和轴向上与同轮毂120的下中心直接接触的滚珠轴承150枢接，从而在主轴电机100的初始启动过程中(在低速旋转过程中)，在轮毂120和气动轴承组件140之间将不再产生会引起启动失败或在轮毂120旋转时的噪声的机械接触。
如上所述，在主轴电机10的初始启动过程中(在低速旋转过程中)，轮毂120的主轴126在径向和轴向上受到滚珠轴承150补偿性地支撑，从而在轮毂120和气动轴承组件140之间将不再产生会引起启动失败或在轮毂120旋转时的噪声的机械接触。因此，轮毂120能够在不偏离其旋转中心的情况下旋转。
相比而言，在主轴电机100的高速旋转过程中，通过气动轴承组件140的气槽142a和气槽142b而在轮毂120和气动轴承组件140之间产生的气动压力使得轮毂120的大部分轴向负载支撑在气动轴承组件140上，从而提高了滚珠轴承150抗外部扰动的旋转刚度以及使轮毂120不倾斜旋转的能力。因此，主轴电机100能保持高旋转精度。
作为结果，即使在主轴电机上装有滚珠轴承150，本发明的主轴电机100也可以高速旋转。即，当轮毂120低速旋转时，滚珠轴承150补偿性地在径向和轴向之上支撑了轮毂120的主轴126，从而滚珠轴承150受到来自轮毂120的径向负载和轴向负载。相比而言，当轮毂120高速旋转时，气动轴承组件140支撑了来自轮毂120的大部分径向负载和轴向负载，从而使滚珠轴承150受到来自轮毂120的轻微级别的轴向负载，以使主轴电机100能够高速旋转。
永磁体160利用磁场产生用于使轮毂120旋转的驱动力，该磁场是通过通电而在定子130的线圈134和永磁体160之间产生的。如图4至图8所示，永磁体160安装在与被定子130的线圈134缠绕的磁极132b相邻的轮毂120的内圆周表面上。因此，永磁体160可与线圈134协同工作以产生磁场。
永磁体160是圆环形的，其大小与轮毂120的圆柱部分122的内径相匹配。这样，永磁体160固定在轮毂120的圆柱部分122的内圆周表面上并面向定子130的磁极132b。
如上所述，由于永磁体160固定地安装在轮毂120的圆柱部分122的内圆周表面上，所以通过供电可在永磁体160和定子130的线圈134间产生磁场，从而使轮毂120沿一个方向旋转。
简言之，本发明的用于硬盘驱动器的主轴电机100被设计成这样，当轮毂120低速旋转时，通过借助滚珠轴承150在径向和轴向之上补偿性地支撑轮毂120，在轮毂120和气动轴承组件140之间将不再产生会引起启动失败和在轮毂120旋转时的噪声的机械接触；当轮毂120高速旋转时，通过借助气动轴承组件140的气槽142a和气槽142b而在轮毂120和气动轴承组件140之间产生的气动压力，使气动轴承组件140承受的轮毂120的大部分轴向负载。因此，主轴电机100能提高滚珠轴承150抗外部扰动的旋转刚度以及使轮毂120不倾斜地旋转的能力，由此使主轴电机能够保持高旋转精度。
因此，即使在主轴电机上装有滚珠轴承150，主轴电机100也可以高速旋转。最后，通过提高滚珠轴承150抗外部扰动的旋转刚度以及使轮毂120不倾斜地旋转的能力，主轴电机100能够获得很好的旋转精度。
图9的剖视图示出了在本发明第三实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的电偏移，图10的剖视图示出了在本发明第四实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的电偏移。
在如图9和图10所示的本发明用于硬盘驱动器的主轴电机200中，在轮毂220的下表面和气动轴承组件240的圆柱部分242的上表面之间通过被定子230的线圈234缠绕的多个磁极232b与安装在轮毂220的内圆周表面上的永磁体260之间的电偏移形成电预负载，从而维持轮毂220的下表面与气动轴承组件240的圆柱部分242的上表面之间的气隙。
根据图9和10所示的主轴电机200的结构，磁极232b的垂直宽度的中点被放置成与永磁体260的垂直宽度的中点齐平，但是定子230的磁极232b在向上或向下方向上伸出，从而提供凸出的上端或下端。由于磁极232b的凸出的上端或下端，当通电时，作用在带有凸出的上端的磁极232b上的磁通量分布不同于作用在带有凸出的下端的磁极230b上的磁通量。因此，永磁体260的垂直宽度的中点向磁极232b上磁通量可起最大作用的位置移动。由于这种磁通量分布的不同，在轮毂220和气动轴承组件240之间形成电预负载，从而在轮毂220和气动轴承组件240间保持气隙。
这里，在通电情况下由于定子230的磁极232b中的磁通量变化(它基于定子230的磁极232b的截面变化(profile change))所引致的定子230的磁极232b中的电偏移会通过使磁极232b上端额外伸出而导致比施加于磁极232b下端更大的施加于磁极232b上端的磁通量，或者通过使磁极232b的下端额外伸出而导致比施加于磁极232b上端更大的施加于磁极232b下端的磁通量。
由于如上所述的电偏移，在没有产生气动压力的初始驱动过程中产生了静转矩，从而在轮毂220和气动轴承组件240之间产生电预负载。结果，在轮毂220和气动轴承组件240之间产生了预定大小的气隙。此气隙可防止***或主轴电机因在初始启动过程中产生的摩擦或由此生成的热而受到损害，从而使***具有改进的安全性。
根据本发明，如图7和图8所示，在定子130和永磁体160间提供有机械偏移，这样即使没有从外部通电，在定子130和永磁体160之间相互作用的径向和轴向中的磁力使得在轮毂120和气动轴承组件140之间产生了预定大小的预负载。因此除非有外部撞击，在轮毂120和气动轴承组件140之间不会产生摩擦。
如图9和图10所示，在定子230和永磁体260间提供有电偏移，这样当通电时，在定子230和永磁体260间产生磁通量差。这个磁通量差使得磁力作用于径向和轴向之上。磁力使得在轮毂220和气动轴承组件240之间产生预定大小的预负载。该预负载使得轮毂220和气动轴承组件240之间限定出预定大小的气隙，这样气隙可防止***因在初始启动过程中产生的摩擦或由此生成的热而受到损害。从而使***具有改进的安全性。总之，由于电偏移在没有产生气动压力的初始驱动过程中产生静转矩，从而在轮毂220和气动轴承组件240之间产生电预负载，从而可防止***或主轴电机因初始摩擦或由此生成的热而受到损害。
从上面自然可想到将能产生负载的机械偏移和电偏移同时应用到主轴电机上。下面对将机械偏移和电偏移同时应用到主轴电机上进行说明。
图11的剖视图示出了在本发明第五实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械和电偏移，图12的剖视图示出了在本发明第六实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械和电偏移，图13的剖视图示出了在本发明第七实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械和电偏移，图14的剖视图示出了在本发明第八实施方案的带有枢轴结构的用于硬盘驱动器的主轴电机中的定子和永磁体之间的机械和电偏移。
如图11和图14所示，根据本发明的带有采用机械偏移和电偏移的结构的主轴电机300被设计成这样，即，通过使由定子330的线圈304缠绕的磁极332b的垂直宽度的中点与安装在轮毂320的内圆周表面上的永磁体360的垂直宽度的中点不齐平以产生机械偏移，并在磁力范围内通过使通电过程中作用在可沿向上和向下任一方向延伸的定子330的磁极332b上的磁通量强度产生变化以产生电偏移。
在如上构成的采用机械偏移和电偏移的主轴电机300中，当没有通电时，其间形成有磁偏移的磁极332b和永磁体360之间的径向和轴向磁力使得在轮毂320和气动轴承组件340之间产生机械预负载，从而机械预负载能够在轮毂320和气动轴承组件340间保持气隙。相比而言，当通电时，电偏移引起永磁体360的垂直宽度的中点向使磁极332b的磁通量强度有最大值的方向移动，并使得在没有产生气动压力的初始驱动过程中在轮毂320和气动轴承组件340间产生电预负载，从而电预负载能够在轮毂320和气动轴承组件340之间保持气隙。
下文将说明采用机械偏移和电偏移的主轴电机300的结构。首先，在如图11所示的结构中，定子330的磁极332b具有向下方向凸出的下端。因此，磁极332b的上端比下端有更高的磁通密度。此外，永磁体360的垂直宽度的中点被置于比磁极332b的垂直宽度的中点高的位置。
在如上所述的采用机械偏移和电偏移的主轴电机300中，当没有通电时，通过磁极332b和永磁体360之间产生的径向和轴向磁力使得轮毂320和气动轴承组件340之间产生机械预负载。在这种状态下，通电引起永磁体360的垂直宽度的中点朝向磁极332b的磁通密度有最大值的位置向下移动。
在如图12所示的结构中，定子330的磁极332b具有向下方向凸出的下端。因此，磁极332b的上端比下端有更高的磁通密度。此外，永磁体360的垂直宽度的中点被置于比磁极332b的垂直宽度的中点低的位置。
在如上所述的采用机械偏移和电偏移的主轴电机300中，当没有通电时，通过磁极332b与永磁体360之间产生的径向和轴向磁力使得轮毂320和气动轴承组件340之间产生机械预负载。在这种状态下，通电引起永磁体360的垂直宽度的中点朝向磁极332b的磁通强度有最大值的位置向上移动。
在如图13所示的采用机械偏移和电偏移的结构中，定子330的磁极332b具有向上方向凸出的上端。因此，磁极332b的下端比上端有更高的磁通密度。此外，永磁体360的垂直宽度的中点被置于比磁极332b的垂直宽度的中点高的位置。
在如上所述的采用机械偏移和电偏移的主轴电机300中，当没有通电时，通过磁极332b和永磁体360之间产生的径向和轴向磁力使得轮毂320与气动轴承组件340之间产生机械预负载。在这种状态下，通电引起永磁体360的垂直宽度的中点朝向磁极332b的磁通强度有最大值的位置向下移动。
在如图14所示的采用机械偏移和电偏移结构中，定子330的磁极332b具有向上方向凸出的上端。因此，磁极332b的下端比上端有更高的磁通密度。此外，永磁体360的垂直宽度的中点被置于比磁极332b的垂直宽度的中点低的位置。
在如上所述的采用机械偏移和电偏移的主轴电机300中，当没有通电时，通过磁极332b与永磁体360之间产生的径向和轴向磁力使得轮毂320和气动轴承组件340之间产生机械预负载。在这种状态下，通电引起永磁体360的垂直宽度的中点朝向磁极332b的磁通量强度有最大值的位置向上移动。
总之，利用应用机械偏移和电偏移的结构，当没有通电时，机械偏移使得在轮毂320和气动轴承组件340之间产生预负载成为可能，从而预负载在轮毂320和气动轴承组件340之间限定出预定大小的气隙。在这种状态下，当通电时就可在没有产生气动压力的初始驱动过程中产生电预负载，从而电预负载使得在轮毂320和气动轴承组件340间保持气隙成为可能。因此，气隙可防止***或主轴电机因初始启动过程中产生的摩擦或由此生成的热而受到损害。
尽管结合当前被认为最实际和最优选的实施方案说明了本发明，但是应该理解本发明不限于公开的实施方案和附图，相反本发明的意图涵盖了在所附的权利要求的精神和范围内的各种修改和变化。
工业实用性
从上述说明可以看出，在本发明的主轴电机中，因定子的铁心和永磁体之间的机械偏移引起的预负载使得轮毂可机械地漂浮，从而可在轮毂和气动轴承组件间限定出预定大小的气隙。因此，改气隙可防止***或主轴电机因初始启动过程中产生的摩擦或由此生成的热而受到损害。
此外，由在没有产生气动压力的初始驱动过程中产生的静转矩引起的预负载使得轮毂可以电力地漂浮，从而可在轮毂和气动轴承组件之间限定出预定大小的气隙。因此，该气隙可防止***或主轴电机因在初始启动过程中产生的摩擦或由此生成的热而受到损害，从而使***具有改进的安全性。
此外，由轮毂和气动轴承组件之间的机械偏移和电偏移可引起预负载，从而可在轮毂和气动轴承组件之间限定出预定大小的气隙。因此，气隙不仅可防止***或主轴电机因摩擦和由此生成的热而受到损害，而且可提高***的安全性。即使***仅利用一个滚珠轴承支撑轮毂，滚珠轴承也能承担预负载，从而使***具有改进的旋转精度、降低的噪声和振动以及延长的寿命。
Claims (11)
1.一种用于硬盘驱动器的主轴电机，包括：
形成作为所述主轴电机下部的基座；
可旋转地安装在所述基座上、用于固定安装盘片的轮毂；
定子，其被构成为使线圈缠绕多个磁极，所述磁极沿着定子铁心的外圆周径向形成，所述铁心形成有开口压入配合部分；
气动轴承组件，包括与所述轮毂协同工作以产生气动压力的主轴承体和牢固支撑在所述定子的所述开口压入配合部分之中的辅助轴承体；及
永磁体，其安装在所述轮毂的内圆周表面上，用于通过与所述线圈协同工作以产生磁场，
其中由所述定子的线圈缠绕的磁极的垂直宽度的中点以不与安装在所述轮毂的内圆周表面上的永磁体的垂直宽度的中点平齐的方式置于磁场内，以在所述磁极和所述永磁体之间形成机械偏移，
由此当没有通电时，在其间形成有机械偏移的所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力使得所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，从而保持轮毂与气动轴承组件之间的气隙。
2.如权利要求1所述的主轴电机，其特征在于，所述机械偏移被形成用以使所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点高于所述定子的磁极的垂直宽度的中点。
3.如权利要求1所述的主轴电机，其特征在于，所述机械偏移被形成用以使所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点低于所述定子的磁极的垂直宽度的中点。
4.一种用于硬盘驱动器的主轴电机，包括：
形成作为所述主轴电机下部的基座；
可旋转地安装在所述基座上、用于固定安装盘片的轮毂；
定子，其被构成为使线圈缠绕多个磁极，所述磁极沿着定子铁心的外圆周径向形成，所述铁心带有开口压入配合部分；
气动轴承组件，包括与所述轮毂协同工作以产生气动压力的主轴承体和牢固支撑在所述定子的所述开口压入配合部分之中的辅助轴承体；及
永磁体，其安装在所述轮毂的内圆周表面上，用于通过与所述线圈协同工作以产生磁场，
其中，由定子的线圈缠绕的磁极的垂直宽度的中点以与安装在轮毂的内圆周表面上的永磁体的垂直宽度的中点平齐的方式放置，同时每个所述磁极至少具有在垂直方向延伸预定长度的上端和下端之一，从而在所述磁极和所述永磁体之间形成电偏移以使每个所述磁极的上端与下端之间的磁通密度分布不同，
由此当通电时，所述电偏移使所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最大值的位置移动，从而使轮毂和气动轴承组件之间产生电预负载，以保持所述轮毂与所述气动轴承组件之间的气隙。
5.如权利要求4所述的主轴电机，其特征在于，每个所述磁极的所述上端比所述下端长，从而使所述下端比所述上端具有更高的磁通密度。
6.如权利要求4所述的主轴电机，其特征在于，每个所述磁极的所述下端比所述上端长，从而使所述上端比所述下端具有更高的磁通密度。
7.一种用于硬盘驱动器的主轴电机，包括：
形成作为所述主轴电机下部的基座；
可旋转地安装在所述基座上、用于固定安装盘片的轮毂；
定子，其被构成为使线圈缠绕多个磁极，所述磁极沿着定子铁心的外圆周径向形成，所述铁心带有开口压入配合部分；
气动轴承组件，包括与所述轮毂协同工作以产生气动压力的主轴承体和牢固支撑在所述定子的所述开口压入配合部分之中的辅助轴承体；及
永磁体，其安装在所述轮毂的内圆周表面上，用于通过与所述线圈协同工作以产生磁场，
其中，由所述定子的线圈缠绕的磁极的垂直宽度的中点以不与安装在所述轮毂的内圆周表面上的永磁体的垂直宽度的中点平齐的方式置于磁场内，以在所述磁极和所述永磁体之间形成机械偏移，并且
其中，每个所述磁极至少具有在垂直方向延伸预定长度的上端和下端之一，从而在所述磁极和所述永磁体之间形成电偏移，以使每个所述磁极的上端和下端之间的磁通密度分布不同，
由此当没有通电时，在其间形成有机械偏移的所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力使得所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，从而保持轮毂与气动轴承组件之间的气隙，并且
由此当通电时，所述电偏移使所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最大值的位置移动，从而使所述轮毂与所述气动轴承组件之间产生电预负载，以保持所述轮毂与所述气动轴承组件之间的气隙。
8.如权利要求7所述的主轴电机，其特征在于，每个所述磁极的所述下端比所述上端长，从而所述上端比所述下端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点高的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，并且在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向下移动。
9.如权利要求7所述的主轴电机，其特征在于，每个所述磁极的所述下端比所述上端长，从而所述上端比所述下端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点低的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，并且在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向上移动。
10.如权利要求7所述的主轴电机，其特征在于，每个所述磁极的所述下端比所述下端长，从而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点高的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，并且在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向下移动。
11.如权利要求7所述的主轴电机，其特征在于，每个所述磁极的所述下端比所述下端长，从而所述下端比所述上端有更高的磁通密度，并且同时所述轮毂的永磁体的垂直宽度的中点被置于比所述定子的磁极的垂直宽度的中点低的位置，由此当没有通电时，通过所述磁极和所述永磁体之间产生的径向和轴向磁力而在所述轮毂和所述气动轴承组件之间产生机械预负载，并且在这种状态下，当通电时，所述永磁体的垂直宽度的中点朝向磁通密度具有最高强度的位置向上移动。
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