具有最小净余径向力和低 齿槽效应转矩的高速十极 /十二槽直流无刷电动机 本发明一般涉及旋转电机。更具体地说，本发明涉及一种微型十极/十二槽结构的高速无刷直流电动机，其具有最小的净余径向力和低的齿槽效应转矩。
采用电子控制整流式直流无刷电动机作为在磁盘驱动器内的直接驱动的主轴电动机是公知的。这种主轴电动机的一种非常普遍的结构形式是所谓的八极/九槽式主轴电动机。这种结构优于其它结构是因为其能使锁止(detent)转矩式“齿槽效应”转矩趋于最小，这种转矩是根据永磁转子和定子组件之间的稳定旋转的相对位置呈现的，在某些应用场合例如在磁盘驱动器中的磁头位置控制用驱动机构中，由增量位置控制式步进电动机所形成的锁止作用已被用于保证精确的磁头位置控制。然而，对于磁盘驱动器，主轴稳定的多个位置产生静态力，是除了通常的起动摩擦力以外必须克服的作用力。电动机的锁止还表现为在电动机旋转过程中存在不希望产生的振动。
在磁盘制造业内广泛采用的八极/九槽主轴电动机结构中，永磁环形件经磁化具有8对交替地北极-南极内侧端面。这些端面直接面对同心的定子组件，该定子组件包含一形成9个槽或极靴气隙的叠层铁芯。9个极靴中的每个绕有导线线圈，而这些线圈通常形成按三相驱动的串联回路。在一种例举性的方案中，那Konecny的4774428号美国专利“具有低振动和高性能的微型三相永磁式旋转电机”中公开的内容引入这里可供参考，它的绕组相互连接方式能达到高的电动机效率，但在运行过程中存在高的净余径向力。这种净余径向力与转子同步旋转，并作为一种不平衡力施加到轴承系统，导致轴承的摩损，这种常规的电动机结构的另一实例如Crapo的4847712号美国专利“具有低齿槽效应转矩的磁盘驱动器主轴电动机”，其公开内容引入这里可供参考。在图1A中表示了常规的八极/九槽式磁盘驱动器主轴电动机的性能曲线。该图描述的是无周期性的齿槽效应作用力的情况。图1B表示形成的净余径向力，为在从转轴观看的视图上该力向下时的情况，是根据在常规的8极/9槽电动机结构中在8个定子磁极端面(在定子槽之间)分布的力的矢量和形成的。在该图上的弧线代表由定子向转子施加的扭力。因此，图1B表示了在常规的8极/9槽主轴电动机内存在的净余径向力的问题。
另一方面，对于旋转主轴驱动硬盘驱动器的应用场合，也已经提出12极/9槽的主轴电动机结构。这种结构的一个实例，可以在Morehouse等人的5218253号美国专利“用于硬盘组件的主轴电动机”发现。这种12极/9槽电动机希望具有低的净余径向力，不过也产生不希望产生的可检测到的高锁止力，这种作用力如在图2中所示的在电动机的一个旋转周期范围内呈现36个周期性的峰值，叠加在1赫变化的固有偏差量上。当由图2回推出这一1赫的周期性的固有偏差波形分量时，很明显，对于12极/9槽电动机的性能存在的主要问题是存在36赫的齿槽效应转矩。
虽然，低齿槽效应转矩是所希望具有的磁盘主轴电动机特性，降低运行过程中净余的径向力同样是所希望具有的特性。当磁盘主轴按照经常增加的转速，接近甚至超过每分10000转(10000RPM)旋转时，这一点是特点重要的。随着转速增加到很高，提出了各种新颖的主轴轴承系统，特别是流体动力轴承。这些轴承对于不平衡或净余径向力是很敏感的，并且对于常规的如上面讨论的8极9槽主轴电动机不能很好地工作，因为净余径向力导致产生静态阻力或使启动困难，以及在轴承系统的旋转运行过程中在轴颈轴承处的轴和轴套产生不均匀的脉动冲击以及因偏心旋转加剧摩损。
因此，迄今为止，并没有解决对改进电子方式整流的多相主轴电动机在运行过程中具有低的齿槽效应转矩以及低的净余径向力的需求。
本发明的总目的是提供一种电子方式整流的直流无刷主轴电动机，其能克服在其它对称式电动机中出现的具有高锁止转矩的缺点，同时能克服与不对称电动机结构相关的具有大的净余径向力的缺点。
本发明的另一目的是提供一种对于各种磁化状态具有很低齿槽效应转矩的电动机结构。
本发明的再一目的是提供这样一种电动机结构，使所生产的电动机能在各种制造方式下实现平稳运行，因此，提高了批量生产的生产率并降低产品返工率。
本发明的再一个目的是提供这样一种电动机结构，其适用于很高的转速，特别适合于在流体动力主轴式轴承系统中使用。
根据本发明的原理，一种直流无刷电动机包括：一个底座，一个相对于底座围绕转轴旋转的圆柱形的转子结构，以及一通常为圆柱形的固定在该基座上的定子结构。该转子结构包括：利用轴承系统经过轴颈安装到底座上的旋转体，以及由旋转体承载的永久磁铁环形结构，形成10个永久磁化的交替的北-南磁极弧形块。定子结构包括例如叠层的铁磁材料片构成的铁芯，其围绕转轴固定到底座上，并由磁隙沿向内的方向与永久磁铁环形结构隔开一个磁隙，该铁芯形成有在12个定子磁极之间的12个定子槽。围绕每个定子磁极沿预定的绕制方向绕有绝缘导线线圈，各线圈按电驱动相别以预定连接方式串联。该旋转体响应于向电驱动各相的串联回路顺序施加的按相的驱动电流围绕转轴旋转。在优选实例中，电动机是三相电动机，各线圈连成三个驱动相组。按照一种更为优选的绕组结构，各线圈按照A′ABB′C′CAA′B′BCC′的顺序围绕铁芯绕制，其中A代表一个驱动相组的线圈，B代表第二驱动相组的线圈，C代表第三驱动相组的线圈；以及其中跟在大写字母后的撇号“′”表示用该字母标注的沿反方向绕制的线圈。
通过分析结合附图表示的一优选实施例的如下详细介绍，本技术领域的技术人员将会对本发明的这些和其它目的、优点、观点和特点更完整地理解，更适当的评价。
图1A是常规的8极9槽式磁盘驱动主轴电动机的一周旋转过程中所绘转矩曲线图，表明具有低的齿槽效应转矩和高的净余径向力。
图1B是表示在8极9槽磁盘驱动器主轴电动机中形成的总的作用力的示意图，表明具有高的净余径各力。
图2是常规的12极9槽式磁盘驱动器主轴电动机的一周旋转过程中所绘的转矩曲线图，表明具有高的齿槽效应转矩和低的净余径向力。
图3是表示有利用常规的主轴滚珠轴承系统结合本发明原理的主轴电动机的硬盘驱动器的示意侧视断面图。
图4是表示有在带液体动力轴承的主轴系统中结合本发明原理的主轴电动机的另一种硬盘驱动器的示意侧视断面图。
图5是根据本发明原理的第一优选的具有10极转子和12槽定子结构的放大示意图。
图6是图5中的定子结构中按照第一优选绕制方式对于B相的线圈绕制示意图。
图7是根据本发明原理的第二优选的具有10极转子和12槽定子结构的放大示意图。
图8是图7中的定子结构中按照第二优选绕制方式的B相线圈绕制示意图。
图9是根据本发明原理的第三优选的具有10极转子和12槽定子结构的放大示意图。
图10是图9中的定子结构按照第三优选绕制方式的B相线圈绕制示意图。
图11是根据本发明原理的第三优选的具有10极转子和12极定子结构的放大示意图。
图12是图11中的定子结构按照第四优选绕制方式的B相线圈绕制示意图。
图13是图4中所示的10极12槽式磁盘驱动器主轴电动机的一周旋转过程中所绘的转矩曲线图，这一电动机是根据本发明的原理提供的，表明基本上没有齿槽效应转矩并具有基本上平化的且降低的净余径向力。
图14是结合本发明原理的对称的10极/12槽电动机按比例绘制的右半部主视及断面图，并适于在很高转速下如10,000RPM量级时的持续不断长周期地运行。
开始转向参照图3，硬盘驱动器10包括底盘12，安装在该底盘上的主轴组件14以及多个旋转式数据存储盘16。盖板18利用螺钉(未表示)固定到底盘12的周边侧壁上。因此形成密封的内部空间20，其中包括采用为了适当地实现浮空磁头所需常规的气密封结构式“温切斯特”磁盘驱动器技术的主轴组件14。该主轴组件包括压配合安装或利用粘接剂固定到底盘12上的轴22。两个隔开的滚珠轴承装置24和26具有固定到固定轴22上的内轴承套和固定到旋转盘毂28的外轴承套。位于在盘毂28处的各磁盘16之间的间隔件30保证各磁盘的适当的平行度和轴向对齐。环形磁盘夹具32例如利用螺钉34固定到盘毂28上，用于将各磁盘作为统一的叠装件夹紧在盘毂上。为了增加主轴装置的刚性，固定的轴22可以利用螺钉36固定顶盖上。
主轴组件14包括结合采用本发明原理的12极/10槽直接驱动式直流无刷主轴电动机50。主轴电动机50包括转子结构52和定子结构54。转子结构包括固定到铁磁材料形成的磁通返回环58上的圆柱形永久磁铁56。磁通返回环58在盘毂28为铁磁材料的情况下可以取消，不过更一般的是，它是由铝合金制成的。定子结构54包括例如由具有适当软铁磁材料的叠片形成铁芯60。线圈62围绕限定12个定子槽和12个磁极端面64的12个定子磁极绕制。磁极端面64由一狭窄的磁隙66与相邻面向的永久磁铁56的永磁磁极弧形块隔开。设有一系列连接销钉68，以便能将线圈62直接连接到设在一印刷电路板(未表示)上的适当的驱动电路上，该电路板位置低于底盘12的底壁，采用常规的配置方式，与本发明不直接相关。由常规的电动机驱动电路向各组线圈62提供的整流电流在定子中产生电磁场。这种磁场与由面向的永久磁铁56的磁极产生的磁场相互作用，产生导致转子结构14旋转的反应扭力。
在图4中，在液体动力式轴承的主轴系统中设有类似的电动机结构，值得注意的差别是设有在固定到底盘12上的中心轴23上形成的液体动力加压槽27以及形成带有套管25的液体动力式轴颈轴承。此外，一止推轴承板31与套管25和顶部止推轴承板33形成液体动力式止推轴承表面。磁通返回环58可以包括一下部的向外折边的部分59，以防止磁通路径朝最下部的磁盘16的下数据存储表面移动。另外，在图4中所示的主轴组件基本上等效于在图3中表示且结合图3上面讨论的主轴组件14，以及在图3和4中使用相同的标号来标注在在两个主轴组件中可找到的共同的结构元件。
下面参阅图5，所示轴22以对称方式围绕主轴组件14的旋转轴线配置。永久磁铁环56形成有10个磁极弧形块56a，56b，56c，56d，56e，56f，56g，56h，56i和56j(沿顺时针方向)。磁极弧形块56a，56c，56e，56g和56i具有面向定子铁芯60的北极，而另外的磁极弧形块56b，56d，56f，56h和56j具有面向定子铁芯的南极。定子铁芯具有形成12个定子磁极以及磁极端面64a，64b，64c，64d，64e，64f，64g，64h，64i，64j，64k和64l(也沿顺时针旋转方向)的12个槽65，这些槽由狭窄磁隙66与相邻面向的10个永磁极弧形块56a-j相隔开。线圈62围绕每个定子磁极64绕制，并占用在线圈62每一侧的两个相邻气隙65的内部加宽的部分的高达大约1/2。
在本实例中，配置12个线圈62，并由连接形成3组串联的4个线圈，分别为A相、B相和C相。图6表示例举性的绕制方式，围绕定子磁极64按照A，A′，B，B′，C′，C，A，A′，B′，B，C和C′绕制各线圈62。撇号“′”符号例如表示逆时针方向绕制线圈的方式，而没有撇号“′”的相邻的字母例如代表对于利用大写字母代表的特定线圈的顺时针方向的绕制线圈方式。这种特定的绕制方式产生最高的效率或电动机恒定水平(单位值)，该恒定水平是按照功率损耗除以合成转矩确定的。此外，它产生最低的声能输出值，因此，本实施例是最优选的。本领域的技术人员会认识到绕制方式顺序相反可以得到同样满意的结果。图6以直线排列的方式表示对于B相线圈(定子磁极64c，64d，64i和64j)的绕制方式，可以理解，所表示的绕制方式以相似的表示方式适用于A相和C相。
图7和8表示按A，B，B′，C，A，A′，A，B，C，C′，C的第二优选绕制方式，其结果是效率轻微降低(0.97)，发出的声能(电动机噪声)稍微增加。同样，在图9和10中所示的绕制方式以及在图11和12中所示的绕制方式也增加了发出的声能以及下降了电动机的效率。按照图9和10所示的A，B，C，A，C，A，B，C，B，C，A，B的绕制方式的电动机效率为0.87。按照图11和12所示的A，C′，C，A，C，B′，B，C，B，A′，A，B的绕制方式的电动机效率为0.84。
图13表示按照每分钟0.8转速测量的作为角位移函数的转矩曲线，是与在上面讨论的如图4中表示的结构相似的具有10个永磁转子磁极和12个定子槽的磁盘驱动器主轴电动机中形成的。在这一实例中存在所示的净余径向力(在图13上用虚线轨迹表示)，很显然，对于该数据，当倒转1赫的固定偏差时，净余径向力沿被测电动机的旋转轨迹分布更均匀。
表1表示已经采用的或适用于磁盘驱动器主轴电动机的各种无刷直流电动机的极-槽结构的定量比较结果。
表1极数 4 8 8 12 8 10槽数 6 6 9 9 12 12锁止力 高 高 低 中/高 高 低径向力 低 低 高 低 低 低
已经发现永磁电动机的锁止转矩直接与电动机的极数和槽数的最小公倍数(LCM)相关。通常，LCM越高，则锁止转矩越低。LCM表示在电动机一周旋转的范围内将会出现多个锁止峰值。再来参阅图2，由该12极9槽式永磁电动机的曲线图通过检查发现对于这种结构LCM为36，因为明显出现36个锁止峰值。
如果极数与槽数的乘积用LCM去除大于1，则电动机对称性是相同的。这一乘积标志在电动机几何结构内部的特定磁通反应本身重复的位置数。通常的反应则总是沿电动机的圆周均匀分布的。当电动机被驱动时，上述情况也是成立的，除去对于不对称结构该净余径向力的幅值甚至会更大以外。
下表2表示对于特定的电动机结构通过计算极数和槽数的乘积(P·S)用LCM去除得到的商，确定对于对称或非对称结构的电动机极数/槽数的组合方式：
表2 极数 4 8 8 12 8 10 槽数 6 6 9 9 12 12 LCM 12 24 72 36 24 60 P·S/LCM 2 2 1 3 4 2
表2给出不同于9极/9槽式电动机结构的所有对称的极数/槽数的组合方式。
在电动机的定子和转子之间的净余径向力是轴承系统必须承受的负载。如果净余径向力也是随时间旋转的，则可能导致电动机/主轴系统恶性振动并发出不希望产生的过大的声音。如果存在净余径向力，通常也随时间移动。例如，8极/9槽式电动机的净余径向力与转子旋转方向相反按照8倍主轴转速旋转。在定子和转子上的净余径向力有两种来源，定子与转子磁极的吸力，以及线圈电流与磁极的相互作用。这些作用力总是存在的，不过如果电动机结构是几何对称的，它们可以彼此补偿掉。
在这种类型的电动机中的最大作用力已经介绍是由于磁极与铁芯的引力造成的。必须通过首先选择适当的极数/槽数组合方案来将其消除。当利用新的电动机结构使磁极变强，几何间隙变小时，这些作用力增加。一种具有大于1的最大公因数的对称的极/槽比应保证定子对磁极的径向引力之和为零。
以对称方式对线圈激磁将保证受来自电整流的影响的径向力为零，并可通过适当的绕制方式来实现。具有一种按ACABABCBC的交错的线圈连接方式的现有的8极/9槽式电动机的分布式绕制方式以影响电动机效率为代价体现试图比一般常遇到的AAABBBCCC的线圈连接方式更接近对称。
现有的按照ABC等绕制方式的12极/9槽直流电动机满足所有上述要求，但难于设计得具有低齿槽效应转矩。根据本发明原理的10极/12槽电动机满足上述要求，此外还易于设计得具有低的齿槽效应转矩。
图14表示用于磁盘驱动器主轴组件的主轴电动机51的体形尺寸(按毫米)。根据本发明原理的电动机51的结构具有10极/12槽。在介绍图3中的相同的功能元件所使用的标号也适用于图14中的对应元件。这一主轴电动机51实现按10,000RPM的转速持续不断地旋转，用于旋转例如6个存储用磁盘16，按通常全高的3.5英寸硬盘驱动器的形状因数的每个磁盘具有接近3.5英寸(95mm)直径。主轴组件利用NSK Ball Bearing Units型B5-39，5×13×3，轴承预加载荷1.2千克，轴承间距(中心到中心)8.31mm。此外，在这一电动机实例51中，盘毂28a是由铁磁材料制成的并且没有磁通返回环58。
对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的构思，特别是由如下权利要求更具体指出本发明的范围的前提下，通过研究对优选实施例的上述介绍很明显可以易于进行很多变化和改进。这里所作的介绍或公开仅用于说明，不应当认为是对本发明范围的限定，该范围是由如下权利要求更具体指出的。