主轴电动机轴承的抗震方法和系统.pdf

提供一种系统、方法和设备，通过使用流体动力轴承来抵抗机械震动。提供了一个可抗1000G震动事件的密封系统。在一方面，一个在止推板和罩之间使用的有凹槽的泵吸密封、一个具有螺旋形凹槽的止推板、一个流体再循环通道和一个储蓄器产生非对称压力梯度。在另一方面，利用一个扩大了的流体储蓄器、轴向通道和一个倾斜的注入口，液体被保持并且气体被清除。在又一方面，将一个轴连接到一个顶盖以提供径向刚度，并且扩大了的单边止推板改善了动力学平行性。

权利要求书
1.  一种流体动力轴承系统，包括：
一个界定于轴和轴套之间的轴颈，其中，将轴与轴套定位成做相对旋转；
一个流体再循环通道，包括界定在轴套内的轴套通道，并具有界定于轴套和止推板之间的止推板轴承通道，轴套通道与止推板轴承通道的流体互通，止推板从轴径向延伸，其中轴套通道和止推板轴承通道在不同的位置与轴颈的流体互通，轴套通道与轴颈在一个位置连接，界定为轴颈压力室，其中，偏置流体再循环通道以产生非对称压力梯度，并且环绕轴颈、轴套通道和止推板轴承通道充分循环流体，将空气从液体中泵吸出来；和
一个罩，粘贴在固定部件和旋转部件之中的一个上，用轴套界定一个储蓄器，其中，再循环压力室被与储蓄器、轴套通道和止推板轴承通道相连的接合处界定，其中储蓄器包括一个液封。

2.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括界定在止推板上的螺旋形凹槽，用于当轴与轴套做相对旋转运动时产生泵吸压力，以驱动液体再循环，并从止推板轴承通道朝向轴、向轴颈轴承内泵吸液体并且超过轴颈凹槽最高点。

3.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括界定在罩和止推板外径之间的外径间隙，外径间隙连接着再循环压力室的接合处，其中外径间隙包括一个有凹槽的泵吸密封件(GPS)，用于当轴与轴套做相对旋转运动时，建立外径间隙密封刚度并产生与位于再循环压力室的压力基本相等的压力。

4.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，液封包括一个在罩与轴套之间界定的离心毛细管密封件，该罩和轴套具有相对成锥形的表面并向再循环压力室汇聚，一个形成于锥形表面之间的弯液面，其中，当轴与轴套做相对旋转运动时，在储蓄器内的流体，在离心力的作用下被迫朝向再循环压力室流动。

5.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，将储蓄器构造成能够容纳直至2.5毫克的液体。

6.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括位于罩的内表面的至少一部分上的轴通道，它基本上从再循环压力室沿着储蓄器延伸，它可以使流体中的空气沿通道移动并从流体中被清除，并保持流体。

7.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括界定在罩内的注入口，其中将弯液面定位于注入口与储蓄器中的液体间，注入口与罩的表面成一个角度。

8.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，轴固定到一个基底和一个顶盖板上，并且轴套相对于轴旋转。

9.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，为实现动力学平行性，止推板与基底的界面的范围是从3毫米到5毫米。

10.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，将罩定位成作为一个针对轴套的运动限位器。

11.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括：包含在靠近轴的轴套的一部分上的对称凹槽图案，包括箭尾形图案和正弦形图案之一，来提供基本上集中于轴颈内的凹槽图案的顶点的径向刚度。

12.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括：位于轴的一端的非对称凹槽图案，其中，轴径压力室定位在非对称凹槽图案和止推板之间，来提供基本上集中在非对称凹槽图案的顶点的径向刚度，并产生与位于轴径压力室的压力基本相等的压力。

13.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括：一个具有基本靠近轴径压力室的较大间隙的可变轴径间隙，以提供非对称轴径压力分布，其中较低的压力位于轴径压力室并邻接轴径压力室，以减少在轴径压力室的功率消耗。

14.  如权利要求1所述的流体动力轴承系统，其特征在于，进一步包括：位于轴的至少一端上的类金刚石碳(DLC)带，其中轴径压力室定位在DLC带和止推板之间，并且轴套邻接相对旋转的罩，当轴与轴套在做相对旋转时，在任何接触时尽可能减少微粒的产生。

15.  一个抗震的主轴电动机，包括：
一个界定在内部部件和外部部件间的轴颈，其中将内部部件和外部部件定位成做相对旋转；
一个流体再循环通道，包括界定于外部部件内的第一流体通道，第一流体通道与第二流体通道的流体互通，界定在外部部件和径向构件间的第二流体通道从内部部件径向延伸，其中第一流体通道和第二流体通道在不同的位置与轴径流体互通；
产生非对称压力梯度以循环流体并清除流体中的气体的构件，其中，流体环绕轴颈、第一流体通道、第二流通道处充分地循环；
一个罩，固定在固定部件和旋转部件之中的一个上，用外部部件界定一个储蓄器，其中，再循环压力室由连接储蓄器、第一流体通道和第二流体通道的接合处来界定；和
密封储蓄器的构件。

16.  如权利要求15所述的主轴电动机，其特征在于，产生非对称压力梯度的构件包括：界定在径向构件上的螺旋形凹槽，当内部部件和外部部件做相对旋转运动时，产生泵吸压力以驱动流体再循环并从第二流体通道朝内部部件将液体泵吸进轴颈；和
密封储蓄器的构件，包括至少一个界定在罩与外部部件之间的毛细管密封件，和在径向构件上的螺旋形凹槽，它邻接界定于罩和径向构件的外径之间的外径间隙，外径间隙连接着再循环压力室的接合处。

17.  如权利要求15所述的主轴电动机，其特征在于，将储蓄器构造成能容纳直至2.5毫克的液体。

18.  如权利要求15所述的主轴电动机，其特征在于，进一步包括在罩的内表面的至少一部分上的轴向通道，它基本上从再循环压力室沿着储蓄器延伸，它可以使流体中的空气沿通道移动并从流体中被清除，并保持流体。

19.  如权利要求15所述的主轴电动机，其特征在于，进一步包括界定在罩内的注入口，其中将弯液面定位于注入口与储蓄器中的液体间，注入口与罩的表面成一个角度。

20.  如权利要求15所述的主轴电动机，其特征在于，将内部部件固定到基底和顶盖板，其中外部部件相对于内部部件做旋转。

21.  如权利要求15所述的主轴电动机，其特征在于，为实现动力学平行性，径向构件与基底之间的结合界面的范围从3毫米到5毫米。

22.  在一个具有界定在内部部件和外部部件间的轴颈的主轴电动机中，将内部部件和外部部件定位成做相对旋转，一方法包括：
在外部部件内界定第一流体通道，第一流体通道与第二流体通道流体互通，界定在外部部件和径向构件间的第二流体通道从内部部件径向延伸，其中第一流体通道和第二流体通道在不同的位置与轴径流体互通；
产生非对称压力梯度，以使液体环绕轴颈、第一流体通道、第二流体通道充分循环，并从流体中清除空气；
形成一个界定在罩和外部部件间的储蓄器，并密封储蓄器，其中，再循环压力室由连接储蓄器、第一流体通道和第二流体通道的接合处来界定；和
将罩固定在固定部件和旋转部件之一上。

23.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，产生非对称压力梯度的步骤包括：在径向构件上形成螺旋形的凹槽，当内部部件和外部部件做相对旋转运动时，产生泵吸压力以驱动流体再循环并从第二流体通道朝内部部件将液体泵吸进轴颈。

24.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括：在罩和径向构件的外径间界定外径间隙，外径间隙连接着再循环压力室的接合处，并通过使用与外径间隙邻接的径向构件上的螺旋形凹槽来密封外径间隙，当内部部件和外部部件做相对旋转运动时，建立外径间隙密封刚度。

25.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，密封储蓄器的步骤包括：使用界定在罩与外部部件间的离心毛细管密封件，罩和外部部件具有相对成锥形的表面，并向再循环压力室汇聚，流体通过在锥形表面间形成的弯液面被部分的保持，当内部部件和外部部件做相对旋转运动时，在离心力的作用下迫使储蓄器中的流体流向再循环压力室。

26.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括，构建一个容纳直至2.5毫克液体的储蓄器。

27.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括：在罩的内表面的至少一部分上形成轴向通道，它基本上从再循环压力室并沿着储蓄器延伸，它可以使流体中的空气沿通道移动并从流体中被清除，并保持流体。

28.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括：在罩内界定一个注入口，其中，将弯液面定位在注入口和储蓄器的液体间，注入口与罩的表面之间成一个角度。

29.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括：将内部部件固定到基底和顶盖板，其中，外部部件相对于内部部件做旋转。

30.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括：用基底结合径向部件，其中，为了实现动力学平行性，结合界面的范围从3毫米到5毫米。

说明书主轴电动机轴承的抗震方法和系统
相关申请的互参考
本申请依据于2003年3月21日申报的申请序号为60/456,896的临时申请，它的代理人记录号为STL3333.01，名称为采用反向密封顶盖连接FDB(Top CoverAttach FDB With Inverted Sealing)，它被转让给了本申请的专利受让人并在这里被合并以供参考。
发明领域
本发明一般涉及主轴电动机，特别的，涉及一种密封系统，它在磁盘驱动数据存储系统中，使用流体动力轴承来抵抗机械震动事件。
发明背景
今天，在全世界广泛使用磁盘驱动存储系统。计算机以及包括数码相机、数字视频记录器、激光打印机、照片复印机和个人唱机等设备使用这些系统。磁盘驱动存储系统存储数字信息，将这些数字信息记录在磁盘媒质的同心轨道上。将许多磁盘旋转地固定于主轴上，使用读/写磁头或变换器存取以磁转换的形式存储在磁盘内的信息。读/写磁头定位于沿磁盘表面径向移动的枢轴臂上。在工作期间，磁盘使用定位于轮毂内或磁盘下面的电动机做高速旋转。轮毂上的磁体与定子相互作用使轮毂相对于轴做旋转。我们熟知的一种类型的电动机，如内轮毂(in-hub)或内主轴(in-spindle)电动机，具有代表性地是有一个轴通过轴承系统固定到配置于轮毂中心的电动机的轴上。轴承可以在轴与轮毂之间做旋转运动，并保持主轴到轴对准。读/写磁头必须精确的对准磁盘上的存储轨道，以确保正确的读写信息。
过去，主轴电动机在轮毂和轴之间使用传统的球形轴承。然而，对存储能力增加及更小的磁盘驱动器的需求，使读/写磁头被放置在愈加接近磁盘表面。这样近的接近需要磁盘在一个单独的平面充分地旋转。磁盘旋转中的一个小小的摆动或跳动都可能导致磁盘撞击读/写磁头，可能损坏磁盘驱动器并且造成数据丢失。此外，对于球形轴承来说，因为阻尼低，对机械震动和振动的抗力也是不良的。因为在使用球形轴承时，不能获得这样的旋转精度，磁盘驱动器目前普遍利用在轴和止推板上具有流体动力轴承，以支撑轮毂和磁盘做旋转的主轴电动机。一个可选择的轴承设计就是动压轴承。
在动压轴承中，一种润滑液比如汽油或液体或空气，在磁盘驱动的固定构件和旋转构件间提供一个轴承面。形成于固定构件或旋转构件表面的动压产生槽产生一个局部的高压区，并为流体或空气提供一个传输机构，使在轴承内和旋转表面间更均匀的分布液体压力，使主轴旋转具有更高的精确性。然而，动压轴承有一些缺点，包括低的刚度功率(stiffness-to-power)比，并且轴承对外部负荷或机械震动事件的灵敏度有所增加。
为了增加刚度，主轴电动机与磁盘驱动器壳体的基底和顶盖相连接。然而，为了使用顶盖连接(top cover attachment)，电动机在两端是开口的，这增加了油渗漏的危险。其它部件间的渗漏是由在轴承中的不同泵吸槽产生的网络(net)流速不同引起的。如果没有仔细平衡轴承内的流速，朝向一端或两端的网络压力将升高，可能压迫流体从密封件流出。平衡流速是非常困难的，这是因为由泵吸槽产生的流速起一个界定动压轴承中的间隙的功能。反过来，间隙又起部件容限裕度的功能。适当的密封也很关键。轴承流体放出蒸汽似的组份，可以扩散到磁盘室中。蒸汽可以传输微粒，比如从轴承或其他部件磨损掉的材料微粒。这些微粒可能在读/写磁头和磁盘表面沉淀，当读/写磁头经过磁盘时，引起对磁盘和读/写磁头的破坏。
已致力于解决这些问题。一种设计是具有两个独立流径的顶盖连接圆锥形轴承。这种设计使用非对称密封并且包含一个离心密封件和一个有凹槽的泵吸密封件。另一个已有设计，隔绝式密封(x-seal)，是用来密封轮毂和轴两表面间的空间(如图4所示)。隔绝式密封(x-seal)包括一个具有单止推板的非对称密封设计，其一端是具有止推螺旋形凹槽的向内泵吸，另一端具有一个凹槽泵吸密封件。在止推轴承端，在静止到运动状态和非运行震动时，离心密封件保持毛细管储蓄器中的油面变化。然而，实验表明，离心密封经受不住大约500G的震动，在大约500G的震动下，油就会通过注入口漏出。
移动的应用比台式的或企业的产品对非运行震动有更高的要求。膝上型电脑因为搬运，要遭受更大级数的机械震动。因此，在工业上，需要磁盘驱动器能够承受相当的机械震动变得很必要。一个足够承受1000Gs震动地密封系统对于移动的应用是必要的。进一步，在降低轴承功率的同时，对轴的刚度和动力学平行性(磁盘表面与致动臂转动平面的排列)的要求在持续增长。
发明概述
提供一种改进的密封系统，它通过使用依次在主轴电动机或类似的部件内包含的流体动力轴承，克服在运行模式和非运行模式下的机械震动。在一个实施例中，密封系统至少能克服1000G的震动。本发明提供了一种非对称密封方法和系统及在一个动压轴承内保持液体和清除气体的能动再循环。
另外，提供一种系统，用液体注满轴颈，可以抗震。本发明进一步提供一种在主轴电动机内减少功率消耗量的方法，该主轴电动机利用更小尺寸的部件，却仍然保持必需的稳固性。也提供一种使主轴电动机获得更长的工作寿命的方法。进一步提供一种在轴颈内施加径向刚度的方法和系统。本发明还提供一种方法和系统，增加动力学平行性和轴到止推板的结合强度。
通过一个利用非对称的密封系统的实施例部分可获得本发明的特征。使用了一个界定在罩和轴套间的，比其他液体容纳区具有更低压力区的放大了的流体储蓄器。由于连接到止推板的轴颈轴承的非对称性，本发明利用与扩大的储蓄器液体相通的流体再循环通道来确保压力，并且，将从止推板向内泵吸的压力减小到大约大气的压力。在储蓄器的一端将应用离心毛细管密封。当电动机旋转时，离心力作用于储蓄器流体强迫它流入轴承，并使空气排出。在一个实施例中，包括一个位于罩上的与储蓄器相连接的通道，在一个震动事件发生期间，它使液体被保持而不漏出。由于在储蓄器内，无空隙的间隙(无通道部分)与大间隙(有通道部分)之间的压力不同，在震动事件发生期间，液体会保持在储蓄器内。通道会进一步允许液体内的空气沿着通道流动，并从轴承的液体中被排除。在储蓄器的一端，提供一个倾斜的注入口，用来向轴承内注入液体并且也作为一个排出空气的部位。
一个锥形的轴颈间隙进一步提供非对称压力，并且减少轴颈压力室的功率消耗。在一个实施例中，提供界定在罩和止推板外径间的有凹槽的泵吸密封件(GPS)。罩是自动对准的(与轮毂OD(外径)同心)并作为针对轮毂的运动限位器。非对称密封方法和系统进一步包含螺旋形的凹槽。螺旋形的凹槽界定在止推板上，当轴和轴套做相对旋转运动时，能动的产生泵吸压力，驱动液体再循环，并从止推板朝轴泵吸液体使之进入轴颈轴承，并超过轴颈凹槽的最高点。利用一个单边的止推板轴承。在另一个的实施例中，在轴颈内利用有凹槽的泵吸来提供基本上集中于凹槽图案(pattern)的顶点的径向刚度。进一步，在一个实施例中，在轴承一端的不平衡非对称凹槽图案提供了一个压力梯度并建立密封。
由于在止推板外径和基底两表面间更大的表面接触，改善了动力学平行性。一个扩大的止推板改进了止推板和轴两表面间的结合强度。
通过利用更小尺寸的部件，包括更小直径的轴，可部分地获得功率消耗的降低。然而，电动机的稳固性是由轴和顶盖之间的连接保持的。通过在止推板外径上使用有凹槽的泵吸，并利用更稀一些的流体，可部分地获得功率消耗的降低。提供更大的储蓄器，并且可以利用这种更稀一些的流体，稀释的流体通常比较浓的流体具有更高的蒸发率。较稀的流体可导致更少的摩擦并减少电动机消耗的功率。进一步，在一个实施例中，使用预载有磁性的单边止推板，以进一步减少在止推区的功率损耗，轴承损耗仅发生在止推板的一边。
本发明的其他特征和优点对于研究过本发明公开内容的本领域的技术人员来说是很明显的。因此，可以参照实施例和给出的下列附图的细节很好的理解本发明的范围。
附图说明
通过参考下面细节的描述，联系相应的附图，本发明的前述细节和许多相关的优点将会变得更容易理解，其中：
图1是本发明中使用的盘驱动数据存储系统的顶部的平面图：
图2是参照本发明的一个实施例，流体动力轴承主轴电动机的侧剖视图，说明了包括流体再循环通道、罩、储蓄器和注入口这些特征；
图3是参照本发明的一个实施例，流体动力轴承主轴电动机的另一个侧剖视图，说明了一个闭塞器和包括流体再循环通道、罩、储蓄器、注入口、止推板泵吸槽、典型压力、液体流方向和泵吸方向这些特征的更详细的图；
图4是一个已知的主轴电动机设计的侧剖视图；
图5是参照本发明的一个实施例的罩的剖视图，说明了通道和倾斜的注入口；
图6是参照本发明的一个实施例的罩的另一个透视图，说明了通道和倾斜的注入口；
图7是参照本发明的一个实施例的动压轴承主轴电动机的部分侧剖视图，说明了包括流体再循环通道、与止推板相连接的罩、储蓄器和注入口这些特征。
发明的详细描述
参照详细的结构，描述了示范性的实施例。本领域的普通技术人员能清楚地知道，可作出保持在随后的权利要求范围内的各种变化和修改。另外，为了避免混淆本发明，已知的元件、设备、部件、方法、过程步骤和类似的等等可能不再详细列出。
这里描述一种密封方法、系统和设备，通过使用流体动力轴承，克服运行模式和非运行模式的机械震动。在一个实施例中，密封系统通过使用非对称密封和压力梯度，来承受1000G的震动。正如下面所讨论的，在一个实施例中，一个流体再循环通道、一个界定在罩和轴套之间的扩大的流体储蓄器、储蓄器通道、有凹槽的泵吸、锥形轴颈间隙和非对称的轴颈槽，部分地提供一种使用非对称压力梯度的系统和方法。也正如下面讨论的，在一个实施例中，本发明进一步利用在方法和系统设计中的有凹槽的泵吸密封(低容积，高刚度)和离心毛细管密封(高容积，低刚度)的性能去抗震。进一步，在一个实施例中，一个倾斜的液体注入口避免了在震动时液体渗漏，该注入口定位在储蓄器的一端。
参照附图，其中同样的参考数字在不同的附图中表示相同的元件，图1说明了一个在本发明中使用的、典型的磁盘驱动器数据存储设备110。明显地，此论述和权利要求的特征不局限于个别具体的设计，它们仅仅是作为例子而示出。很明显，本发明可以被应用到盘驱动器，主轴电动机和其它具有固定和旋转部件的电动机上。事实上，下面讨论的设计可以应用到部件间存在旋转的系统，即使这些部件向相同的方向旋转。
磁盘驱动器110包括外壳基底112，它与盖114连接形成一个密封的环境。磁盘驱动器110进一步包括用磁盘夹118安装在主轴电动机(未示出)上用于旋转的磁盘组件116。磁盘组件116包括一系列固定地绕中心轴共同旋转的单独的磁盘。每一个磁盘表面有一个相关联的磁头120(读磁头和写磁头)，它固定在磁盘驱动器110上用来与磁盘表面进行通信。在图1所示的例子中，磁头120通过柔性部件122被支撑，柔性部件反过来与致动器本体126的磁头安装臂124相连接。如图1所示的致动器是一个旋转运动线圈致动器，并包括一个音圈电机，通常如128所示的。音圈电机128驱动在其上附有磁头120的致动器本体126绕枢转轴130旋转，以将磁头120沿着圆弧形路径132定位在期望的数据轨道上。这允许磁头120在磁盘116的表面已选择的地点去读和写磁性编码信息。
图2是一个在本发明中很有用的磁盘驱动器110中使用的动压轴承主轴电动机255的侧剖视图。典型地，主轴电动机255包括一个固定部件和一个旋转部件。固定部件包括轴275，它被固定并与基底210相连。可以估计出，主轴电动机255可以使用如图2所示的固定轴，或旋转轴。进一步，在本发明的一个实施例中，将轴275连接到顶盖256，以提供轴275的稳定性并改进动力学性能。这样，在固定轴电动机内，轴275的较高和较低的两端都可以扣紧到壳体的基底210和顶盖256上，以致于电动机的刚度和它的抗震能力以及它与系统其余部分保持同轴都得到加强。
旋转部件包括轮毂260，它具有一个或更多与其外部相连接的磁铁265。磁铁265与和基底210相连接的定子绕组线圈270交互作用使轮毂260旋转。磁铁265可以是单一的环形的形式，或可以是一系列与轮毂260的外部彼此隔开的单独的磁铁形式。将磁铁265磁化以形成一个或更多磁极。
轮毂260支撑在轴275上，在其一端有一个止推板283。止推板283可以是轴275的一个整体部分，或者，它可以是一个连接到轴的单独的部分，比如，通过压配合。进一步说，止推板283与基底210在接触面290上结合。本发明提供一个在止推板283与基底210间扩大了的接触表面，称为接触面290。在一个实施例中，接触面290(与基底210接触的止推板283的直径)是4.5mm。能够估计到接触面290的长度可以变化，在一些情况下，接触面290从3毫米变化到5毫米。这可以通过扩大了的止推板OD(直径)接触表面实现。动力学平行性的改进导致动力学平行性定义为旋转磁盘和基底210中的参考特征所确定一个平面间的平行。在基底210上的三点基准点可与旋转轴线的垂直相比。本发明提供一个扩大的接触面，改善部件的动力学平行性。
进一步，由于止推板283与轴275之间更长的结合，改善了在止推板283与轴275两表面间的结合强度。在一个实施例中，在止推板283与轴275之间的结合能力与传统的电动机的结合能力相比是其两倍(比如，与隔绝式密封相比)。
轴275和止推板283配合轮毂260内的轴套280。轮毂260包括一个磁盘承载构件214，它支持磁盘组件116(如图1所示)绕轴275旋转。磁盘组件116通过磁盘夹118(也在图1示出)支撑在磁盘承载构件214上。轮毂260通过动压轴承217与轴275相连以实现绕轴275旋转。
一种流体，例如润滑油或铁磁流体充满了轴275和轴套280、止推板283和轴套280、止推板283和罩282、罩282和轴套280两表面之间的区域。在一个实施例中，将倾斜的注入口285设置成与罩282表面之间成30度角(或一个可变的角度，如下面讨论的)。尽管在这里，当前的图描述的是使用润滑液体，本领域的技术人员能够知晓也可以使用润滑的气体。
典型地，轴275和轴套280之一包括压力产生槽部分，该部分包括非对称凹槽240和对称凹槽244。该凹槽图案包括一个箭尾形图案和一个正弦图案。正如所示的，非对称凹槽240置于轴颈的一端，对称式凹槽244置于轴颈的相对的一端。非对称凹槽240和对称式凹槽244引导在两表面间的区域内的液体流，并产生一个动力学高压和径向刚度的定位区。压力集中在对称凹槽顶点246和非对称槽顶点242。当轴套280旋转时，在它的每一个凹槽区域建立压力。这样，轴275很容易支撑轮毂260做恒定的高速旋转。在一个例子中，凹槽被凸出的台或肋分开，并有一个小的深度。在一个实施例中，在轴275上非对称凹槽240区域内使用一种类金刚石(diamond-like)碳(DLC)涂料，以阻止或尽可能减少轴275和轴套280任何接触时所产生的微粒。
此外，或者正如在前面的段落所讨论过的，作为一个可选择的压力产生凹槽，本发明的一个实施例通过其它方法(正如下面详细讨论的那样)提供流体流动。其它方法包括一个锥形的或加宽的轴颈262、一个非对称的压力梯度、一个在罩282和轴套280之间界定的储蓄器284内的低压力区、一个轴套通道286、一个在罩282和止推板283间有凹槽的泵吸密封和在止推板283上的螺旋形凹槽。
在本发明的一个实施例中，轴套通道286位于非对称凹槽240和对称凹槽244间的一个点上。轴套通道286一般定位在沿轴275的中点处，以提供一个低压力区。在电动机中心的低压力区是可以接受的，因为在电动机中心的轴承极少提供径向刚度。进一步，以倾斜的方式定位轴套通道286可以使一片轮毂被加工。
本发明进一步提供一个罩282，可径向自校正(self-aligns)地进入轴套280。在罩282和轴套280之间应用一个轻的过盈配合(轻的压配合)以实现自对准(selfalignment)。在一端(连接到止推板283)，轴套280径向地定位罩282，在另一端，将罩282连接到轮毂260(比如，激光焊接)。因此，在一个实施例中，本发明提供一个在止推板283和罩282之间的大约20-30微米的不变间隙。
因为止推板283是装在一侧，轮毂260在轴线的方向可自由运动。因此，在本发明中罩282作为一个针对轮毂260的运动限位器而被提供，界定一个针对轮毂260的径向位移限制器。罩282也作为一个针对轮毂260的阻尼器，消除由机械震动产生的能量。
图3介绍了在本发明的一个实施例中的流体动力轴承系统，说明了其泵吸方向、流体方向和示范性的压力。在实施例中，利用了一个反向罩。反向描述罩282，这是因为毛细管密封316与隔绝式罩的设计相比是反向的(隔绝式罩在图4中示出)。本发明产生非对称压力梯度。非对称的压力梯度是由包括流体再循环路径、在罩与轴套之间界定的扩大的流体储蓄器、储蓄器通道、有凹槽的泵吸、锥形轴颈间隙和非对称的轴颈槽这些特征产生的。
压力梯度
在一个实施例中，储蓄器284的流体容纳能力是2.5毫克。能够估计出，这个容积是不固定的。带有通道510的扩大了的流体储蓄器284有助于形成非对称压力梯度(通道510在图5中示出)。由于与其它流体容纳区域相比，扩大了的储蓄器284有更低的流动阻力和更低的压力，当非运行或运行震动时，流体被接收并保持在储蓄器284内。举例来说，在图3中说明了示范性的压力数值。如图所示，当轴颈显示压力为0.06磅/平方英寸到135磅/平方英寸时，储蓄器284显示压力为0.0磅/平方英寸。当电动机旋转并且由储蓄器284产生的离心力压迫流体时，泵吸凹槽324产生泵吸压力并驱动液体在电动机内再循环。然而，当电动机没有旋转并且离心力减退时，或在震动事件发生期间，储蓄器284可以接收来自包括止推板283的外径间隙346的区域及轴275和轴套280之间的轴颈部分的流体。
流向
可以沿着止推板330的内径(ID)和外径(OD)应用有凹槽的泵吸。泵吸凹槽形成于止推板283上以实现能动的再循环。在内径的情况下，当轴275与轴套280做相对旋转运动时，螺旋形的泵吸槽324产生足够的泵吸压力以驱动流体再循环并从止推板轴承通道(与止推板内径相连)中朝向轴275泵吸出流体到轴颈轴承内，并超过较低的轴颈对称凹槽顶点246。非对称凹槽240和对称凹槽244也在轴颈间产生压力并强迫流体运动到一个凹槽的顶点(正如上面图2中所示)。在一个实施例中，当电动机旋转时，流体流动的方向是向内从止推板内径330沿着轴颈轴承到轴颈压力室312，经轴套通道286到再循环压力室332，接着返回到止推板内径330的轴承。在一个实施例中，流体流动的方向通过图3中的实线来说明。能够估计到，在其它实施例中，流体流动的方向可能是其它方向。在一个实施例中，有凹槽的泵吸方向，由图3所示的虚线说明。在本发明的其它实施例中，止推板283在结构上没有泵吸凹槽324。
再循环
流体再循环通道包括轴套通道286和在止推板内径330和轴套280之间的轴承。这样定位轴套通道286，通常其一端放置于沿着轴275的中点，另一端连接到再循环压力室332，这样，在一种情况下，液体和气体可以沿着通道510流动(图5)。再循环压力室332由与储蓄器284连接的轴颈、轴套通道286、止推板内径330和止推板外径间隙346界定。轴套通道286提供一个与轴颈轴承相比较低的压力区。在电动机中心的低压区是可行的，因为在电动机中心的轴承几乎不提供径向刚度。较低的压力区，通过轴颈压力室312，也有利于减小功率消耗。在如图3所示的一个例子中，当一个较高的压力发生在轴颈压力室312的任意一侧时，在轴颈压力室312的压力是0.06磅/平方英寸。也提供一个邻接轴颈压力室312的宽的或可变的轴颈间隙，用来产生一个较低的压力区。邻接轴颈压力室312的宽的或可变的轴颈间隙偏向轴颈压力室312。
通过连接到止推板的较低轴颈轴承326内的非对称性，再循环通道来确保压力，并且向内从止推板283的泵吸凹槽324泵吸压力，这个压力减小到大概大气压力的大小。轴套通道286的流动阻力比上面的轴颈310和下面的轴颈326的流动阻力低很多，因此在跨越轴颈轴承处产生压力降低。
流体再循环通道是偏置的，用于产生非对称压力梯度，并在从轴颈到轴套通道286，接着到止推板内径330的轴承，再接着返回到轴颈，充分循环流体。毛细管吸引填充轴颈区域，并且流体的再循环清除轴颈中的任何空气。
密封
在一个实施例中，本发明利用并使用有凹槽的泵吸密封(低容积，高刚度)和离心的毛细管密封(高容积，低刚度)的性能来克服机械震动。
在图3中，有凹槽的泵吸密封件(GPS)318应用在界定于罩282和止推板283的外径间的外径间隙346中。当轴275与轴套280做相对旋转运动时，通过泵吸凹槽324，有凹槽的泵吸密封件(GPS)318建立外径间隙密封刚度，并产生与位于再循环压力室332处的压力基本相等的压力。在一个实施例中，有凹槽的泵吸密封件(GPS)318是高刚度密封件，本发明通过在具有外径间隙346的一端利用GPS318来使用这些特性。GPS318从外径间隙346泵吸流体，用来阻止从流体边界322渗漏流体。GPS318是一个低容积密封件，并且本发明利用这个特性。从外径间隙346泵吸流体，通过在外径间隙346内建立空气来减少功率消耗，由于在止推板283外径和罩282之间存在空气，从而减小摩擦。
在罩282和轴套280之间界定了离心的毛细管密封件(CCS)316。在一个实施例中，罩282和轴套280相邻的表面相对成锥形，它朝再循环压力室332收敛汇合。当轴275和轴套280之间做相对旋转运动时，在离心力的作用下，在锥形表面之间形成弯液面并且强迫储蓄器284内的液体流向再循环压力室332。在一个实施例中，CCS316是一个低刚度密封件，利用这个特性，本发明通过将罩282固定到轮毂260，通过焊接或其它方式，在流体的弯液面上做一个流体障栅。CCS316是一个高容积密封件，通过使用CCS316与扩大的储蓄器284，本发明使用这个特性。
非对称密封也在上面的轴颈310上应用。非对称凹槽240在上面的轴颈310内产生与位于轴颈压力室312的压力基本相等的压力。液体一般从上面的轴颈310被推动到凹槽的顶点242(如上面在图2中描述的)。
图4说明了一个利用传统的隔绝式密封的流体动力轴承的例子。电动机450包括轴475、轴套455、通道484、止推板480、罩482、注入口485和毛细管密封件420。可以观察到，间隙425通过毛细管密封件420部分地保持流体(大约0.5毫克的流体)。进一步，将注入口定位于毛细管密封件420的下面。在一个实施例中，本发明利用一个扩大的储蓄器284、通道510、有凹槽的泵吸密封318和一个倾斜的注入口285，因此，比隔绝式密封设计能抗更大的震动，使用更小的功率和为电动机提供更长的寿命。进一步，本发明在实施例中提供接触面290，它比隔绝式密封设计的接触面440具有更大的表面区域，实现很好的动力学平行性和轴到止推板的结合强度。
参照图5，在一个实施例中，储蓄器284包括通道510。通道510一般沿着罩282的壁在轴的方向延伸。通道5 10从再循环压力室332沿着储蓄器284伸展。在一些情况下，通道510与轴套通道286同轴。在一个实施例中，应用了6个通道，在另一个实施例中，应用了两个更宽的通道。可以估计到，通道510的数量、长度、宽度及定位都是可变的并且由轴承的需要决定。
通道510允许液体内的气体沿通道510移动并被从液体中清除。通道510进一步提供一种方法，使液体保持在储蓄器284中。由于在有通道的储蓄器284的部分和没有通道的储蓄器284的部分之间的压力不同，当震动事件发生时，液体可以保持在储蓄器284内。在本发明的另一个实施例中，没有通道510的储蓄器284作为一个低压区。
图6说明了本发明的一个实施例，它包括倾斜的注入口285。倾斜的注入口285(或气孔)提供一种方法，用流体注满流体动力轴承。将预定量的流体注入毛细管轴承316上面的倾斜的注入口285。将倾斜的注入口285设置成使它与罩282的表面成30度角或一个可选择的角度(比如45度)。可以估计到，除30度之外的角度也可以应用。进一步，在一个实施例中，应用了两个倾斜的注入口。也可以估计到，也可以利用其它数目的倾斜注入口。在图6中也示出了本发明的一个实施例的连接处520，罩282在此处连接到轴套280。将注入口285设置为在连接处520与密封壁相连接。在一个实施例中，将注入口285设置在通道510之间。在本发明的另一个实施例中，将注入口设置成使它与罩282的表面无夹角，并且定位在罩282的另一截面。
当一个震动事件发生时，流体可以沿着通道510流动并且与轴套280碰撞，减速流动的流体。由于流体的粘度，摩擦的阻力可以使在储蓄器284内的以及沿着通道510的流体减速。也因此阻碍了流体的运动，这样，流体可以从注入口285不渗漏地到达容池530并在容池530被收集。在一些情况下，容池530注满液体比震动事件的持续时间长的多。进一步，在震动发生期间，由于流体沿一个阻力最小的路径行进，并且倾斜的注入口与毛细管阻力梯度相比存在更大的阻力，倾斜的注入口285会阻碍流体漏出。
参照图7，说明了本发明的另一个的实施例。与前面描述的实施例类似，在主轴电动机700中应用了一个反向罩。与前面描述的实施例相类似的，扩大了的储蓄器724和轴套通道726有助于形成非对称压力梯度(前面描述的)以克服震动事件。止推板752与基底750之间建立一个扩大了的接触面762。
然而，在本发明的这个实施例中，在罩连接722处将罩720连接到止推板752，并且轮毂754相对于罩720做旋转。在一个相对旋转的连接表面采用DLC涂层，也就是，当任何接触时，轴套756和罩720阻止或尽可能减少微粒的产生。进一步，在本实施例中，将注入口760设置成与罩282的表面间无夹角。
试验性的测试
提供下面特殊的例子来说明效果，并且并不想局限于该例子中。从实验得出的结果表明，在一个实施例中，在主轴电动机内利用本发明可以令人满意的克服1000G的震动。将震动定向在具有2毫秒的脉冲持续时间、半正弦波的六个轴上。在进一步的测试中，将具有相同测试条件的多重震动定向到一个本发明实施例所代表的主轴电动机和克服震动事件的主轴电动机。
已公开了示范性的实施例，当保持在如附加的权利要求所界定的本发明的精神和范围内，可对已公开的实施例做修改和变化。举例来说，尽管是参照盘驱动器存储系统使用的密封系统和主轴电动机组件描述了本发明，本领域的技术人员将认识到，论述和权利要求的特征可以在其它具有固定和旋转部件的系统中实施。这些部件甚至可以向相同的方向旋转。进一步说，本发明在很多其它的需要震动容限裕度的系统中都很有用。