DE69017248T2

DE69017248T2 - Spindelmotor.

Info

Publication number: DE69017248T2
Application number: DE69017248T
Authority: DE
Inventors: Shunichi Aiyoshizawa; Kazuto Hirokawa; Yasushi Hisabe; Toshiya Kanamori; Kazuyuki Kasahara; Masahiko Kishi; Daisuke Konno; Sachihiko Miwa; Yumiko Noda; Toshihiro Ohtani; Noriyuki Osada; Yoshio Sato
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1989-04-12
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: ATE119306T1; DE69017248D1; US4998033A; EP0392500B1; EP0392500A2; ES2071696T3; EP0392500A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spindelmotor, der in der Lage ist, sich mit hoher Geschwindigkeit zu drehen und der hydrodynamische Lager als Radial und Axial bzw. Schublager verwendet. Noch genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Spindelmotor, der aufgebaut ist, sich mit minimalen Vibrationen zu drehen, und zwar unabhängig von der Position oder Lage des Motors, wenn er verwendet wird, und somit geeignet ist für einen Festplattenantrieb (nachfolgend einfach als "HDD" = hard disk driver bezeichnet).
Durch die Entwicklung von HHD's mit hoher Speicherkapazität und niedrigem Leistungsverbrauch entstand eine Nachfrage für Verbesserungen in der Leistung von Spindelmotoren, die verwendet werden, um diese anzutreiben, um somit noch geeigneter dafür zu sein.
Fig. 16 zeigt schematisch einen herkömmlichen Spindelmotor, der tatsächlich in einem HDD verwendet wird und Fig. 15 ist eine teilweise geschnittene Aufrißansicht des herkömmlichen Spindelmotors. Der Spindelmotor 20 besitzt einen Wellentragzylinder 22 in der Mitte einer Anbringung bzw. eines Anbringungselementes 21. Eine Statorspule 23, die eine Vielzahl von elektromagnetischen Spulen aufweist, ist um den Außenumfang des Wellentragzylinders 22 herum befestigt. Eine Drehwelle 25 wird drehbar getragen durch den Innenumfang des Wellentragzylinders 22, und zwar durch Kugellager 24. Die Drehwelle 25 besitzt ein Tragglied 27, das an dem oberen Ende davon befestigt ist, wobei das Tragglied 27 so angeordnet ist, daß Festplatten 30 fest an der Außenumfangsoberfläche davon angebracht werden. Das Tragglied 27 besitzt eine Vielzahl von Rotormagnetgliedern 28, die an der Innenumfangsoberfläche befestigt sind, und zwar in gegenüberliegender Beziehung zu der Statorspule 23.
Bei dem oben beschriebenen Spindelmotor, der Kugellager verwendet, hängt die Größe der Vibrationen des Spindelmotors von den Innenfreiräumen der Kugellager ab. Die Größe der Vibrationen in Radialrichtung ist im wesentlichen gleich zu dem radial inneren Freiraum der Kugellager. In gleicher Weise ist die Größe der Vibrationen in Axial- oder Schubrichtung im wesentlichen gleich zu dem axial inneren Freiraum bzw. Spiel der Kugellager. Es wurden Messungen genommen, um diese Innenfreiräume zu reduzieren zum Beispiel durch Vorbelastung bzw. Vorspannung der Kugellager. Es wurde bisher jedoch kein befriedigender Innenfreiraumwert erreicht, d. h. es war nur möglich, 0,5 Mikrometer oder so hinsichtlich des nicht wiederholten Bauteils des Auslaufens in Radialrichtung zu erreichen. Zusätzlich hat eine Vorbelastung bzw. Vorspannung der Kugellager einen Anstieg des benötigten Drehmoments des Motors zur Folge und wirkt somit dem gewünschten Absinken des Leistungsverbrauchs des HHD entgegen. Demgemäß ist es, so lange Kugellager, wie die oben beschriebenen, verwendet werden, praktisch unmöglich, die Vibrationen des Spindelmotors weiter zu reduzieren.
Zusätzlich ist es notwendig, Kugellager mit geringer Größe für den oben beschriebenen Spindelmotor zu verwenden, was das Problem beinhaltet, daß das HHD nicht stoßfest ist und somit hinsichtlich der Haltbarkeit schlecht ist. Hinsichtlich des Erreichens von hohen Geschwindigkeiten bzw. einer hohen Drehzahl, d. h. 3600 U/min T 5400 U/min T 6400 U/min leidet der Stand der Technik darunter, das Problem der Abnutzung der Lager zu minimieren. Da der Stand der Technik ferner Schmieröl (Schmiere) verwendet, ist der Reinheitsgrad gering. Hinsichtlich des Standes der Technik wird auf GB-A-1 524 662 verwiesen, das folgendes zeigt: Antriebs- und Tragmittel für Magnetdiskspeicher und Mittel, die ein Paar von selbstwirkenden Luftlagern aufweist zum Tragen der Spindel, wobei ihre Achse vertikal gehalten wird.
In dem Fall eines Spindelmotors, dessen Lager nur durch hydrodynamische Lager ersetzt werden, leidet dieser noch immer unter dem Nachteil, daß sich die Drehvibration erhöht, wenn sie in einer horizontalen Position verwendet werden. Da zusätzlich der Freiraum zwischen einem bewegbaren Teil und einem festen Teil eines Radiallagers im Mikrometerbereich ist, wenn zwei getrennte Radiallager verwendet werden, ist es schwierig, sie konzentrisch auszurichten. Wenn zwei getrennte Axial- bzw. Schublager verwendet werden, ist es schwierig, die relative Position zwischen den Axiallagern einzustellen. Da zusätzlich der Schubkragen, d. h. das bewegbare Teil eines Axiallagers so hergestellt wird, daß es mit einigen Mikrometer Abweichungen parallel ist, ist es notwendig, die Parallelität auf ungefähr 1 Mikrometer zu halten, wenn es zusammengebaut wird, was sehr schwierig ist. Bei einem Spindelmotor des Radialspalttyps, bei dem ein Rotormagnetglied um den Außenumfang der Statorspule herum angeordnet ist, und zwar mit einem Radialspalt dazwischen vorgesehen, wird ein Moment erzeugt infolge der Unausgeglichenheit der Radialmagnetkraft, die zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied wirkt, was bewirkt, daß die Achse des Rotors bezüglich der Tragwelle geneigt ist, was einen Anstieg des Startdrehmoments zur Folge hat infolge des örtlichen Kontaktes der dynamischen Druckoberflächen. Beim Drehen bewirken unstabile Radialmagnetkräfte ein Wirbeln der Welle und machen es daher unmöglich, einen befriedigenden Betriebszustand zu erreichen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Spindelmotor vorzusehen, der hydrodynamische Lager verwendet zum Verbessern der Hochgeschwindigkeitsdrehleistung und zum Minimieren der Vibrationen unabhängig von der Position bzw. Lage des Motors im Gebrauch und der daher geeignet ist für einen HDD mit hoher Aufzeichnungskapazität.
Die vorliegende Erfindung sieht einen Spindelmotor vor, der hydrodynamische Lager verwendet zum Verbessern der Haltbarkeit, des sauberen Betriebs und der Hochgeschwindigkeitsdrehleistung und zum Minimieren von Vibrationen, wenn er sich dreht, und zwar unabhängig von der Position bzw. Lage des Motors im Betrieb und der daher geeignet ist, für einen HDD mit hoher Aufzeichnungskapazität.
Der Spindelmotor der vorliegenden Erfindung weist folgendes auf: einen Stator mit einer Tragwelle, die auf einer Basis positioniert ist, einen kappenförmigen Rotor, der drehbar und konzentrisch um die Tragwelle herum angeordnet ist, Schub- oder Axial- und Radiallager, die zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet sind, eine Statorspule, die an dem Stator befestigt ist, und ein Rotormagnetglied, das an dem Rotor befestigt ist, und zwar in gegenüberliegender Beziehung zu der Statorspule. Die Axial- und Radiallager sind hydrodynamische Lager.
Der Spindelmotor der vorliegenden Erfindung kann so angeordnet sein, daß ein bewegbares Teil, das einen Teil des Axiallagers bildet, an dem unteren Ende eines zylindrischen Teils des Rotors befestigt ist und sich von dem zylindrischen Teil nach außen erstreckt, daß ein festes Teil, das einen anderen Teil des Axiallagers bildet, an der Basis befestigt ist, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem beweglichen Teil, daß die Statorspule an dem Außenumfangsteil der Tragwelle oberhalb des Radiallagers befestigt ist und daß das Rotormagnetglied an der Innenumfangsoberfläche des Rotors befestigt ist, so daß ein Radialspalt zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied vorgesehen ist.
Die Anordnung kann auch so sein, daß die Statorspule an dem Außenumfangsteil der Tragwelle oberhalb des Radiallagers befestigt ist und daß das Rotormagnetglied an der Decke des Rotors befestigt ist, so daß ein Axialspalt zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung kann so angeordnet sein, daß das bewegbare Teil des Axiallagers an dem unteren Ende des zylindrischen Teils des Rotors befestigt ist und sich von dem zylindrischen Teil nach innen erstreckt, daß das feste Teil des Radiallagers an der Basis befestigt ist, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem bewegbaren Teil. In diesem Fall können sowohl die Statorspule als auch das Rotormagnetglied oberhalb des Radiallagers angeordnet sein, wobei das Rotormagnetglied an der Decke des Rotors befestigt ist, so daß ein Axialspalt zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung kann so angeordnet sein, daß das bewegbare Teil des Axiallagers an dem unteren Ende des zylindrischen Teils des Rotors befestigt ist und sich von dem zylindrischen Teil nach außen erstreckt, da das feste Teil des Axiallagers an der Basis befestigt ist, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem bewegbaren Teil, und daß das Rotormagnetglied an einer Position angeordnet ist, die bezüglich des bewegbaren Teils des Schublagers nach innen liegt. Bei diesem Fall kann die Statorspule an der Basis befestigt sein, so daß ein Axialspalt zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied vorgesehen ist. Die Statorspule kann an dem unteren Teil der Tragwelle befestigt sein, so daß ein Radialspalt zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung kann so angeordnet sein, daß das Axiallager oberhalb des Radiallagers angeordnet ist und daß sowohl die Statorspule als auch das Rotormagnetglied unterhalb des Radiallagers angeordnet sind. Bei diesem Fall kann die Statorspule an der Basis befestigt sein, so daß ein Axialspalt zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied vorgesehen ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Axiallager durch eine Magnetkraft vorbelastet sein, die gegen den dynamischen Axialdruck wirkt. Demgemäß ist bei einem Spindelmotor, bei dem ein Radialspalt zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied vorgesehen ist, das Axiallager in entgegengesetzter Richtung zu dem dynamischen Axialdruck vorgespannt durch Versetzen der Axialmagnetkraftmitte des Rotormagnetglieds von der Axialmagnetkraftmitte der Statorspule, und zwar um eine vorbestimmte Größe in einer Gegenrichtung zu dem dynamischen Axial- bzw. Schubdruck. Die Axialmagnetkraftmitten des Rotormagnetgliedes und der Statorspule sind so definiert, daß, wenn ein axialer Abstand zwischen ihnen besteht, eine Axialmagnetkraft zwischen ihnen erzeugt wird, um den Abstand zu verringern.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das Radiallager so angeordnet, daß es den Rotor über einen vorbestimmten Bereich trägt, und zwar einschließlich des Schwerpunktes des Rotors.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das feste Teil des Axiallagers an der Basis befestigt, und zwar durch ein elastisches Kissen bzw. eine Auflage, zum Beispiel aus Silikongummi. Das bewegbare Teil des Axiallagers ist an dem Rotor befestigt, und zwar durch ein elastisches Kissen bzw. eine Auflage zum Beispiel Silikongummi.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die gegenüberliegenden ringförmigen Gleitoberflächen der festen und bewegbaren Teile des Axiallagers aus einem Keramikmaterial, wie zum Beipsiel Siliciumcarbid, Aluminiumoxid usw., hergestellt und jede der ringförmigen Gleitoberflächen besitzt Spiralnuten zum Erzeugen von dynamischem Druck.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die gegenüberliegenden zylindrischen Gleitoberflächen der festen und beweglo baren Teile des Radiallagers aus einem Keramikmaterial hergestellt, wie zum Beipsiel Siliciumcarbid, Aluminiumoxid usw. und jede der zylindrischen Gleitoberflächen besitzt fischgratförmige Nuten zum Erzeugen von dynamischem Druck.
Bei der vorliegenden Erfindung können das bewegbare Teil des Radiallagers, der Rotor und das bewegbare Teil des Axiallagers in einer integralen Struktur angeordnet sein. Bei diesem Fall ist das bewegbare Teil des Radiallagers und/oder das bewegbare Teil des Axiallagers in der integralen Struktur mit einer Art Material überzogen, die von dem Grundmaterial davon verschieden ist oder das Grundmaterial davon ist oberflächenbehandelt.
Bei der vorliegenden Erfindung können das feste Teil des Radiallagers, die Tragwelle, das feste Teil des Axiallagers und die Basis in einer integralen Struktur angeordnet sein. Bei diesem Fall ist das feste Teil des Radiallagers und/oder das feste Teil des Axiallagers in der integralen Struktur mit einer Art Material überzogen, die von dem Grundmaterial davon unterschiedlich ist oder das Grundmaterial davon ist oberflächenbehandelt.
Bei der vorliegenden Erfindung besitzt der Rotor ein Tragglied, das geeignet ist, Festplatten bzw. Harddisks an der Außenumfangsoberfläche davon zu halten.
Bei dem Spindelmotor der vorliegenden Erfindung kann sich die Tragwelle durch ein hindurchgehendes Loch hindurcherstrecken, das in dem oberen Endteil des Rotors vorgesehen ist und das distale bzw. körperferne Ende der Tragwelle kann an einem stationären Teil befestigt sein, so daß die Tragwelle lose in dem hindurchgehenden Loch eingepaßt ist.
Bei dem Spindelmotor der vorliegenden Erfindung kann das obere Ende des Rotors geschlossen und nicht von der Tragwelle durchstoßen sein.
Die Fig. 1 bis 12 sind Schnittansichten, die jeweils die Strukturen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig.13 zeigt schematisch die den dynamischen Druck erzeugenden Nuten, die in einem Radiallagerglied ausgebildet sind;
Fig.14 zeigt schematisch die den dynamischen Druck erzeugenden Nuten, die in einem Axiallagerglied ausgebildet sind;
Fig.15 ist eine teilweise geschnittene Aufrißansicht eines herkömmlichen Spindelmotors für einen HDD: und
Fig.16 ist eine perspektivische Ansicht des herkömmlichen Spindelmotors, wenn er tatsächlich in einem HDD verwendet wird.
Die Fig. 1 bis 12 sind Schnittansichten, die jeweils die Strukturen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei dieselben Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile bezeichnen.
Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1, die ein erstes Ausführungsbeispiel des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Basis, die eine Tragwelle 2 besitzt, die auf dem Mittelteil davon steht. Ein festes Teil 4b, das einen Teil eines Radiallagers 4 bildet, ist konzentrisch um den Außenumfang der Tragwelle 2 herum befestigt. Eine Statorspule 5 ist an der Tragwelle 2 befestigt, und zwar oberhalb des Radiallagers 4. Die Statorspule 5 umfaßt eine Vielzahl von elektromagnetischen Spulen bzw. Wicklungen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet sind. Ein Rotor 6, der als ein Hartdisk- bzw. Festplattentragglied dient, besitzt eine kappenförmige Konfiguration. Der Rotor 6 besitzt ein hindurchgehendes Loch 16, das in dem oberen Endteil davon vorgesehen ist. Der obere Endteil der Tragwelle 2 erstreckt sich durch das hindurchgehende Loch 16. Das distale Ende der Tragwelle 2 kann an einem stationären Teil (nicht gezeigt) befestigt sein. Der obere Endteil der Tragwelle 2 ist lose in dem hindurchgehenden Loch 16 eingepaßt.
Der Rotor 6 besitzt ein ringförmiges Lagerglied 7, das an dem unteren Endteil davon befestigt ist, wobei das Lagerglied 7 eine L-förmige Querschnittskonfiguration besitzt. Ein Rotormagnetglied 8 ist an dem Rotor 6 befestigt, und zwar oberhalb des Lagergliedes 7. Das Rotormagnetglied 8 umfaßt eine Vielzahl von Magneten oder Eisenkernen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet sind. Das Rotormagnetglied 8 und die Statorspule 5 weisen zueinander, und zwar über einen Radialspalt, um dadurch einen Antriebsteil des Spindelmotors zu bilden.
Der untere Endteil des Lagergliedes 7 definiert ein bewegbares Teil 3A, das einen Teil eines Axiallagers 3 bildet. Das bewegbare Teil 3a weist zu einem festen Teil 3b, das an der Basis 1 befestigt ist, zum Bilden eines weiteren Teils des Axiallagers 3. Die Innenumfangsoberfläche des Lagergliedes 7 definiert ein bewegbares Teil 4a des Radiallagers 4. Das bewegbare Teil 4a weist zu dem festen Teil 4b des Radiallagers 4, das an der Tragwelle 2 befestigt ist.
Die gegenüberliegenden zylindrischen Gleitoberflächen der bewegbaren und festen Teile 4a und 4b des Radiallagers 4 sind aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, usw., hergestellt und eine der Gleitoberflächen besitzt fischgratförmige Nuten C&sub1; zum Erzeugen von dynamischem Druck, wie zum Beispiel in Fig 13 gezeigt ist, wobei die andere Gleitoberfläche geglättet ist.
Die gegenüberliegenden ringförmigen Gleitoberflächen der bewegbaren und festen Teile 3a und 3b des Axiallagers 3 sind aus einem Keramikmaterial, wie zum Beispiel Siliciumcarbid, Aluminiumoxid usw., hergestellt und eine der ringförmigen Gleitoberflächen besitzt Spiralnuten C&sub2; zum Erzeugen von dynamischem Druck, wie zum Beispiel in Fig. 14 gezeigt ist, wobei die andere Gleitoberfläche geglättet ist. Die Gleitoberflächen können aus einem Glied hergestellt sein, das mit einer Art Material überzogen ist, das von dem Grundmaterial davon unterschiedlich ist oder sie können aus einem Glied mit einer behandelten Oberfläche oder einem degenerierten Grundmaterial davon hergestellt sein anstelle des Keramikmaterials.
Der Rotor 6 ist so angeordnet, daß eine Vielzahl von Harddisks bzw. Festplatten (nicht gezeigt) an der Aussenumfangsoberfläche des oberen Teils des Rotots 6 angebracht werden kann, und zwar durch einen Abstandshalter bzw. ein Abstandselement.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Spindelmotor beginnt, wenn die Elektromagnetspulen, die die Statorspule 5 bilden, sequentiell mit elektrischem Strom versorgt werden, der Rotor 6 mit dem daran befestigten Rotormagnetglied 8 sich zu drehen und konsequenterweise wird hydrodynamischer Druck zwischen den gegenüberliegenden ringförmigen Gleitoberflächen der bewegbaren und festen Teile 3a und 3b des Axiallagers 3 erzeugt, wodurch ein hydrodynamisches Axiallager gebildet wird. In gleicher Weise wird ein hydrodynamischer Druck zwischen den gegenüberliegenden zylindrischen Gleitoberflächen der bewegbaren und festen Teile 4a und 4b des Radiallagers 4 erzeugt, um dadurch ein hydrodynamisches Lager zu bilden.
Da der Rotor 6 in einer solchen Art und Weise getragen ist, daß das untere Ende und die Innenumfgangsoberflächen des Lagergliedes 7 nicht in festem Kontakt mit dem festen Teil 3b des Axiallagers 3 und dem festen Teil 4b des Radiallagers 4 stehen, ist der Spindelmotor in der Lage, sich gleichförmig bzw. glatt mit einer hohen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zu drehen.
Demgemäß ist der Spindelmotor der vorliegenden Erfindung frei von dem Problem der Reibung und Vibrationen im Gegensatz zu dem Stand der Technik, der Kugellager zum Tragen des Rotors verwendet.
Einige oder alle der folgenden Elemente, d. h. die Basis, die Tragwelle 2, das feste Teil 4b des Radiallagers 4 und das feste Teil 3b des Axiallagers 3 können in einer integralen Struktur aus demselben Grund- bzw. Aufbaumaterial ausgebildet sein. Das bewegbare Teil 4a des Radiallagers 4 und das bewegbare Teil 3a des Axiallagers 3 sind in einer integralen Struktur des Lagergliedes 7 mit einem L- förmigen Querschnitt ausgebildet. Der Rotor 6 und das Lagerglied 7 können in einer integralen Struktur aus demselben Grund- bzw. Aufbaumaterial ausgebildet sein. Da das Axiallager 3 außerhalb des Motorantriebsteils angeordnet ist, der das Rotormagnetglied 8 und die Statorspule 5 aufweist, wird, wenn die den dynamischen Druck erzeugenden Nuten C&sub2; so ausgebildet sind, daß der erzeugte dynamische Druck nach innen wirkt, Luft von der Außenumfangsseite des Axiallagers 3 angesaugt und es strömt keine Luft von dem unteren Endteil des Rotors 6 nach außen. Somit wird kein Staub nach außen aus dem Rotormagnetglied 8 und der Statorspule 5 abgegeben. Demgemäß ist der Spindelmotor der vorliegenden Erfindung geeignet zur Verwendung in einer Umgebung, in der Staub herausgehalten werden muß. Bei einer Umgebung, bei der es nicht besonders notwendig ist, daß Staub herausgehalten wird, können die den dynamischen Druck erzeugenden Nuten so ausgebildet sein, daß der erzeugte dynamische Druck nach außen bezüglich des Axiallagers 3 wirkt.
Bei dem Spindelmotor des ersten Ausführungsbeispiels, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Radialspalt zwischen dem Rotormagnetglied 8 und der Statorspule 5 vorgesehen und die Magnetkraftmitte der Axiallänge des Rotormagnetglieds 8 ist um einen Abstand d von der Magnetkraftmitte der Axiallänge der Statorspule 5 versetzt, so daß eine Magnetkraft wirkt, um die Mitte des Rotormagnetglieds 8 mit der Mitte der Statorspule 5 zusammenzubringen, wodurch ermöglicht wird, daß das Axiallager 3 vorbelastet bzw. vorgespannt wird. Die Größe der Vorbelastung kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden durch Variieren des Abstandes d.
Der in Fig.1 gezeigte Spindelmotor kann in der Form eines Synchronmotors angeordnet sein, indem das Rotormagnetglied 8 eine Gruppe von Rotormagneten aufweist und kann auch in der Form eines Induktionsmotors angeordnet sein, indem das Rotormagnetglied 8 eine Gruppe von Rotorkernen aufweist.
Da das Lagerglied 7, das die bewegbaren Teile 4a und 3a der Radial- und Axiallager 4 und 3 bildet, sich relativ zu den festen Teilen 3b und 4b dreht, ohne diese zu kontaktieren, und zwar durch ein Strömungsmittel, das, wenn sich das Lagerglied 7 dreht, zusammengedrückt wird, können diese Glieder, die das Radial- und Axiallager 4 und 3 bilden, aus irgendeiner Art Material hergestellt sein, so lange dieses mit einem hohen Grad an Genauigkeit bearbeitet werden kann. Irgendeines der generell verwendeten Metallmaterialien und organischen Materialien kann verwendet werden. Der Punkt ist, daß es notwendig ist, den Reibungswiderstand und die Abnutzung der Lagerglieder zu der Zeit, wenn der Motor gestartet wird und sich mit geringer Drehzahl dreht, minimiert wird. Der Bereich der verwendbare Materialien hängt somit von der verwendeten bzw. angenommenen Lagerstruktur ab.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Größe jedes der Radial- und Axiallager 4 und 3 erhöht, um den Oberflächendruck, der an den Kontaktoberflächen wirkt, zu reduzieren und die Statorspule 5 ist ordnungsgemäß angeordnet, um eine Struktur zu erhalten, die von irgendeinem örtlichen Kontakt frei ist. Wenn demgemäß die Glieder, die die Lager bilden, zum Beispiel aus einem rostfreien Stahl hergestellt sind und ein dünner Überzug eines Schmiermittel s an den Kontaktoberflächen angelegt wird, ist es möglich, eine stabile Leistung für eine lange Zeitperiode beizubehalten. Jedoch kann entweder kein Schmiermittel oder nur eine minimale Menge an Schmiermittel in bestimmten Umgebungen verwendet werden, wo der Spindelmotor verwendet wird. Bei einem solchen Fall ist es vorzuziehen, ein Material zu verwenden, das einen besseren Abnutzungswiderstand und Gleiteigenschaften besitzt, insbesondere ein Keramikmaterial. Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid ist besonders geeignet für eine solche Anwendung.
Da der Freiraum zwischen den bewegbaren und festen Teilen jedes der Axial-und Radiallager 3 und 4 ein kleiner Wert im Mikrometerbereich ist, ist das Axiallager 3 vorzugsweise genau mit einem rechten Winkel bezüglich des Radiallagers 4 angeordnet. Es ist jedoch schwierig, dieses genau mit einem rechten Winkel anzuordnen infolge der Beschränkung des Grades an Genauigkeit, mit dem die Lager hergestellt werden. Aus diesem Grund ist ein elastisches Kissen bzw. eine elastische Auflage 12, die aus einem elastischen Material hergestellt ist, zwischen dem festen Teil 3b des Axiallagers 3 und der Basis 1 angeordnet, um einen Fehler hinsichtlich der senkrechten Anordnung zu absorbieren. Es kann jedes flexibles bzw. elastische und haltbare Material verwendet werden, um das elastische Kissen 12 zu bilden. Jedoch ist Silikongummi hinsichtlich sowohl der Elastizität als auch der Haltbarkeit geeignet.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Tragwelle 2 durch das hindurchgehende Loch 16, das in dem oberen Endteil des Rotors 6 vorgesehen ist, und das distale oder körperferne Ende der Tragwelle 2 kann an einem stationären Teil (nicht gezeigt) befestigt sein. In einem solchen Fall wird die Tragwelle 2 an beiden Enden durch die Basis 1 und den stationären Teil getragen und es ist somit möglich, eine Ablenkung der Tragwelle 2 zu verhindern, die ansonsten durch das Gewicht der Last, die an dem Rotor 6 befestigt ist, bewirkt werden würde, wenn der Spindelmotor in einer horizontalen Position bzw. Lage verwendet würde. Die Struktur, bei der die Tragwelle 2 an beiden Enden getragen wird, ist vorteilhaft bei der Verwendung mit einem großen Spindelmotor.
Das hydrodynamische Radiallager 4, das die bewegbaren und festen Teile 4a und 4b aufweist, ist ausreichend lang, um den Bereich von dem unteren Ende der Tragwelle 2 zu dem Schwerpunkt G einer Drehanordnung abzudecken, die den Rotor 6 und die daran befestigten Harddisks bzw. Festplatten aufweist. Wenn sich die Länge des hydrodynamischen Radillagers 4 erhöht, erhöht sich der effektive Arbeitsdruckbereich, bei dem eine ausreichende Lasttragkapazität vorgesehen ist und die radiale Vibration verringert sich. Da das hydrodynamische Radiallager 4 ferner nicht in einer Auslegerstruktur ausgebildet ist, wird das Start- oder Anfangsdrehmoment minimiert. Da das hydrodynamische Radiallager 4 lang ist und somit ein großer dynamischer Druck erzeugt wird, ist es nicht notwendig, daß die bewegbaren und festen Teile 4a und 4b des Radiallagers 4 mit einem besonders hohem Grad an Genauigkeit bearbeitet werden.
Wenn der Spindelmotor in einer Vertikalposition bzw. Vertikallage verwendet wird, hängt der Bereich der angelegten Vorbelastung in der Axial- oder Schubrichtung durch die Magnetkraft von dem Rotormagnetglied 8 ab von dem dynamischen Druck, der zwischen den bewegbaren und festen Teilen 3a und 3b des Axiallagers 3 erzeugt wird, dem Gewicht des Rotors 6, das an das Axiallager 3 angelegt wird und der Bearbeitungsgenauigkeit der bewegbaren und festen Teile 3a und 3b des Axiallagers 3. Es ist jedoch im Grunde nur notwendig, daß die folgende Beziehung erfüllt wird:
P < 100 x S² - W (1)
wobei P: die Vorbelastung [g] ist, die durch das Rotormagnetglied 8 angelegt wird; S: die Fläche [cm²] des Axiallagers 3 ist; und W: das Gewicht [g] des Rotors 6 ist. Bei der obigen Beziehung ist 100 x S der dynamische Druck [g/cm²], der notwendig ist, um den Rotor ohne festen Kontakt zu drehen, und zwar durch ein hydrodynamisches Lager, das durch ein bestehendes, wirtschaftliches Endbearbeitungsverfahren endbearbeitet ist.
Da bei dem ersten Ausführungsbeispiel das Axiallager 3 außerhalb des unteren Endes eines zylindrischen Teils des Rotors 6 angeordnet ist, d. h. des Antriebsteils, der das Rotormagnetglied 8 und die Statorspule 5 aufweist, erhöht sich der Durchmesser des Axiallagers 3 und der Rotor 6 wird durch die oben beschriebene Vorbelastung zu dem Axiallager 3 mit einem relativ großen Durchmesser gez ogen. Demgemäß verringert sich die Radialablenkung des Rotors 6 und es wird eine stabile Drehung des Rotors 6 erreicht.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die die Struktur eines zweiten Ausführungsbeispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, das zu dem ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ähnlich ist, aber sich in dem folgenden Punkt davon unterscheidet. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das obere Ende des Rotors 6 geschlossen und nicht durch die Tragwelle 2 durchstoßen. Zusätzlich ist ein Glied, das dem ringförmigen Lagerglied 7 mit einer in Fig. 1 gezeigten L-förmigen Querschnittskonfiguration in eine Radiallagerhülse gespalten, d. h. ein bewegliches Teil 4a eines Radiallagers und einen schubtragenden Kragen, d. h. ein bewegbares Teil 3a eines Schub- bzw. Axiallagers. Das bewegbare Teil 4a des Radiallagers ist an der Innenumfangsoberfläche des Rotors 6 befestigt, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem festen Teil 4b des Radiallagers. Das bewegbare Teil 3a des Axiallagers ist an der unteren Oberfläche bzw. der Unterseite eines Kragenteils 17 befestigt, der an dem unteren Ende eines Rotors 6 ausgebildet ist, wobei das bewegbare Teil 3a zu dem festen Teil 3b des Axiallagers weist.
Wenn der Spindelmotor des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels in einer Horizontalposition bzw. -lage verwendet wird, wird, wenn keine Vorbelastung in Axialrichtung durch die Magnetkraft angelegt wird, das Gewicht des Rotors 6 nicht auf das Axiallager 3 angelegt. Demgemäß bewirkt eine Neigung der Tragwelle 2 bezüglich des Radiallagers einen örtlichen Kontakt der Lagerglieder. Wenn das Axiallager 3 anfängt, einen dynamischen Druck in einem solchen Zustand zu erzeugen, wird der Rotor 6 in der Schub- bzw. Axialrichtung nach außen gefedert und ist daher nicht in der Lage sich stabil zu drehen. Es wird daher bevorzugt, vorher eine Kraft an das Axiallager 3 in eine Gegenrichtung zu dem dynamischen Druck, der von dem Axiallager 3 erzeugt wird, anzulegen, d. h. das Axiallager 3 vorzuspannen durch vorhergehendes Versetzen der Magnetkraftmitte des Rotormagnetgliedes 8, das den Antriebsteil des Spindelmotors bildet von der Axialmagnetkraftmitte der Statorspule 5,und zwar um einen Abstand d in der Richtung, in der das Rotormagnetglied 8 von dem ringförmigen Axiallager 3 wegkommt.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die die Struktur eines dritten Ausführungsbeispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegendem Erfindung zeigt, das ähnlich ist zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, aber sich davon in dem folgenden Punkt unterscheidet. Bei diesem Spindelmotor ist das Rotormagnetglied 8 an der Decke des Rotors 6 angeordnet. Die Statorspule 5 weist eine Vielzahl von Elektromagnetspulen auf, die mit gleichen Abständen um den Außenumfang der Tragwelle 2 angeordnet ist, und zwar oberhalb des festen Teils 4b des Radiallagers 4. Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Spindelmotoren sind des Radialspalttyps, wohingegen der in Fig. 3 gezeigte Spindelmotor des Axialspalttyps ist.
Im Gegensatz zu den Spindelmotoren des Radialspalttyps ist der Spindelmotor des Axialspalttyps frei von dem Moment, das ansonsten erzeugt würde, infolge der Unausgeglichenheit der Radialmagnetkraft, die zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied wirkt und die Vibration des Motors wird daher reduziert, wenn sich dieser dreht. Fig. 4 zeigt die Struktur eines vierten Ausführungsbeispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, das ähnlich ist zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels, aber sich davon in dem folgenden Punkt unterscheidet. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Spindelmotor sind die Basis 1, die Tragwelle 2, das feste Teil 4b des Radiallagers und das feste Teil 3b des Axiallagers in einer integralen Struktur aus demselben Grund- bzw. Aufbaumaterial ausgebildet. In gleicher Weise ist der Rotor 6, das bewegbare Teil 4a des Radiallagers und das bewegbare Teil 3a des Axiallagers in einer integralen Struktur aus demselben Grundmaterial ausgebildet. Die Tragwelle 2 erstreckt sich durch ein hindurchgehendes Loch 16, das in dem oberen Endteil des Rotors 6 ausgebildet ist und das distale Ende der Tragwelle 2 ist an einem staionären Teil 42 befestigt. Eines oder beide der sich bewegenden und festen Teile der Radial-und Axiallager in dem vierten Ausführungsbeispiel kann mit einem dünnen Film aus einer Art Material überzogen sein, das sich von dem Grundmaterial davon unterscheidet oder kann mit einer behandelten Oberflächenschicht aus einem degenerierten bzw. veränderten Grundmaterial davon versehen sein. Der dünne Film kann zum Beispiel durch physikalische Dampfabscheidung oder chemische Dampfabscheidung oder durch Plattieren mit einem unterschiedlichen Material als dem Grundmaterial davon hergestellt werden. Die behandelte Oberflächenlage oder -schicht kann zum Beispiel hergestellt werden durch Oxidation, Nitridbehandlung oder Ionenimplantation des Grundmaterials der Teile.
Fig. 5 zeigt die Struktur eines fünften Ausführungsbeispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, das ähnlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, sich aber davon in dem folgenden Punkt unterscheidet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Axiallager 3, das einen relativ kleinen Durchmesser besitzt unterhalb eines Radiallagers 4 angeordnet. Ein Glied, das dem Lagerglied 7 mit einer in Fig. 1 gezeigten L-förmigen Querschnittskonfiguration entspricht, ist in ein bewegbares Teil 4a des Radiallagers 4 und ein bewegbares Teil 3a des Axiallagers 3 gespalten bzw. aufgeteilt. Das bewegbare Teil 4a des Radiallagers 4 ist an der Innenumfangsoberfläche des Rotors 6 befestigt, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu einem festen Teil 4b des Radiallagers 4, das an der Tragwelle 2 befestigt ist. Das bewegbare Teil 3a des Axiallagers 3 ist an der Innenumfangsoberfläche des unteren Endteils des Rotors 6 befestigt, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu einem festen Teil 3b des Axiallagers 3, das an der Basis 1 befestigt ist, und zwar durch ein elastisches Kissen 12.
Bei dem fünften Ausführungsbeispiel ist ein Motorantriebsteil, der eine Statorspule 5 und ein Rotormagnetglied 8 aufweist, oberhalb des Radiallagers 4 angeordnet. Die Statorspule 5 ist an dem Außenumfang der Tragwelle 2 befestigt, und zwar oberhalb des Radiallagers 4 und das Rotormagnetglied 8 ist an der Innenumfangsoberfläche des Rotors 6 befestigt, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu der Statorspule 5.
Fig. 6 zeigt die Struktur eines sechsten Ausführungsbeispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, das ähnlich zu dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeipsiel ist, sich davon aber in dem folgenden Punkt unterscheidet. Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel sind die bewegbaren Teile 3a und 4a der Axial- und Radiallager 3 und 4 miteinander verbunden, und zwar in der Form eines integralen Lagergliedes 7. Diese Struktur erleichtert den Zusammenbau der Lager.
Fig. 7 zeigt die Struktur eines siebten Ausführungsbeispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, das ähnlich zu dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, sich aber davon in dem folgenden Punkt unterscheidet. Bei dem siebten Ausführungsbeispiel weist der Motorantriebsteil ein Rotormagnetglied 8 auf, das an der Decke des Rotor 6 befestigt ist, sowie eine Statorspule 5, die an dem oberen Ende des festen Teils 4b des Radiallagers befestigt ist, wodurch ein sogenannter Schub- bzw. Axialspaltmotor gebildet wird, bei dem ein Axialspalt zwischen dem Rotormagnetglied 8 und der Statorspule 5 vorgesehen ist. Es sei bemerkt, daß auch bei diesem Ausführungsbeipsiel die bewegbaren Teile 3a und 4a der Axial- und Radiallager 3 und 4 miteinander in der Form eines integralen Lagergliedes verbunden sein können, und zwar in derselben Art und Weise wie bei dem in Fig. 6 gezeigten Spindelmotor.
Bei jeden der in den Fig, 5 bis 7 gezeigten Spindelmotoren ist das Axiallager 3 nach innen bezüglich des Außenumfangs des Rotors 6 ausgebildet und es ist somit möglich, die Größe der Basis 1 zu minimieren, einen kompakten Spindelmotor zu erhalten und somit den Installationsbzw. Einbaubereich zu reduzieren. Bei dem Fall eines großen Spindelmotors mit 5 bis 8 Zoll Durchmesser kann der Durchmesser und die Fläche des Axiallagers erhöht werden, selbst wenn sie nach innen bezüglich des Außenumfangs des Rotors 6 angeordnet ist und es ist möglich, eine stabile Drehung des Rotors 6 zu erhalten durch Vorbelasten des Axiallagers 3 durch eine Magnetkraft in eine Gegenrichtung zu dem von dem Axiallager 3 erzeugten dynamischen Druck. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Spindelmotoren auch nicht notwendigerweise auf Synchronmotoren beschränkt, bei denen das Rotormagnetglied Magneten aufweist, sondern sie können in der Form von Induktionsmotoren angeordnet sein, bei denen das Rotormagnetglied Eisenkerne aufweist, wie bei den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen.
Fig. 8 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein festes Teil 4b eines Radiallagers 4 ist an dem Außenumfang des oberen Teils der Tragwelle 2 befestigt und ein bewegbares Teil 35 4a des Radiallagers 4 ist an dem Innenumfang eines kappenförmigen Rotors 6 befestigt. Der Rotor 6 besitzt einen sich horizontal erstreckenden Kragenteil 17, der an dem unteren Ende davon ausgebildet ist. Ein bewegbares Teil 3a eines Axiallagers 3 ist an der Unterseite des Kragenteils 17 befestigt und ein festes Teil 3a des Axiallagers 3 ist an einer Basis 1 befestigt, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem bewegbaren Teil
Ein Rotormagnetglied 8 ist an dem Rotor 6 befestigt an einer Position, die sich nach innen bezüglich des bewegbaren Teils 3b des Axiallagers 3 befindet. Eine Statorspule 5 ist an der Basis 1 befestigt, und zwar in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dem Rotormagnetglied 8. Das Rotormagnetglied 8 und die Statorpsule 5 besitzen einen Axialspalt dazwischen, um dadurch einen Axialspaltmotor zu bilden.
Der Rotor 6 ist so angeordnt, daß Harddisks bzw. Festplatten an dem Außenumfangsteil des Rotors 6 angebracht werden können und die Axial- und Radiallager 3 und 4 sind hydrodynamische Lager, und zwar in derselben Art und Weise wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Bei diesem Ausführungsbeispiel können das feste Teil 4b des Radiallagers und die Tragwelle 2 in einer integralen Struktur ausgebildet sein und das bewegbare Teil 4a des Radiallagers 4 und der Rotor 6 können auch in einer integralen Struktur ausgebildet sein. Ferner können das bewegbare Teil 3a des Axiallagers 3 und der Kragenteil 17 des Rotors 6 in einer integralen Struktur ausgebildet sein, und das feste Teil 3b des Axiallagers 3 und die Basis 1 können auch in einer integralen Struktur ausgebildet sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Länge des Radiallagers 4 im wesentlichen gleich der Höhe des Rotors 6 gemacht werden und somit kann das Radiallager 4 vergrößert werden. Eine solche Anordnung ermöglicht die Vergrößerung des effektiven dynamischen Druckbereichs, in dem eine ausreichende lasttragende Kapazität vorgesehen ist und ermöglicht somit eine Minimierung der Radialvibration. Da das Radiallager 4 nicht in einer Auslegerstruktur ausgebildet ist, wird das Start- oder Anfangsdrehmoment minimiert. Zusätzlich ist es nicht notwendig, daß das Radiallager 4 auf einen besonders hohen Grad an Genauigkeit bearbeitet wird. Die Länge des Radiallagers 4 kann jedoch kürzer gemacht werden als die Höhe des Rotors 6.
Wenn der Spindelmotor dieses Ausführungsbeispiels in einer Vertikalposition bzw. -lage verwendet wird, ist der Bereich der Vorbelastung derselbe wie der oben beschriebene Bereich, der durch die Beziehung (1) ausgedrückt wurde. Wenn der Spindelmotor in einer Horizontalposition bzw. -lage verwendet wird, wird eine stabile Drehung erhalten, wenn das Rotormagnetglied 8 verwendet wird zum Erzeugen einer Kraft, die entgegen des dynamischen Drucks wirkt, um dadurch auf das Axiallager 3 eine Kraft entgegen des dynamischen Drucks auszusetzen, d. h. das Axiallager 3 vorzuspannen bzw. vorzubelasten.
25 Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Axiallager 3 außerhalb des Antriebsteils angeordnet und besitzt somit einen relativ großen Durchmesser, so daß eine stabile Drehung erhalten wird. Durch Ein- bzw. Ansaugen von Luft von der Außenumfangsseite des Axiallagers 3 ist es möglich, zu verhindern, daß Staub nach außen aus dem Rotormagnetglied 8 und der Statorspule 5 abgegeben wird. Bei einem Fall, wo Staub kein Problem darstellt, ist es natürlich möglich, die einen dynamischen Druck erzeugenden Nuten so auszubilden, daß sie dynamischen Druck an der Außenseite des Axiallagers erzeugen.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Größe jedes der Radial- und Axiallager 4 und 3 erhöht, um den Oberflächendruck zu reduzieren, der auf die Kontaktoberflächen wirkt und die Statorspule 5 ist ordnungsgemäß angeorndet, um eine Struktur zu erhalten, die frei von örtlichem bzw. lokalem Kontakt ist. Wenn demgemäß die Glieder, die die Lager bilden, zum Beispiel aus einem rostfreien Stahl hergestellt sind und ein dünner Schmiermittelüberzug auf die Kontaktoberflächen angelegt wird, ist es möglich, eine stabile Leistung für eine lange Zeitperiode beizubehalten. Wenn es nicht möglich ist, ein Schmiermittel zu verwenden oder die Dicke des Schmiermittels minimiert werden sollte, falls überhaupt welches vorhanden ist, wird es bevorzugt, ein Keramikmaterial zu verwenden, das einen beseren Abnutzungswiderstand und geringere Reibungseigenschaften besitzt, und zwar insbesondere siliciumcarbid oder Aluminiumoxid. Bei diesem Spindelmotor ist ein elastisches Kissen 12 zwischen dem festen Teil 3b des Axiallagers 3 und der Basis 1 angeordnet, um irgendeinen Fehler hinsichtlich der senkrechten Anordnung zwischen den Axial- und Radiallagern 3 und 4 zu absorbieren und die Vorbelastungskraft des Axiallagers 3 kann von dem Antriebsteil erhalten werden, da der Antriebsteil von dem Axialspalttyp ist.
Fig. 9 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, der ähnlich zu dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, sich aber davon in dem folgenden Punkt unterscheidet. Bei dem in Fig. 9 gezeigten Spindenmotor ist das Rotormagnetglied 8 an dem Innenumfang des unteren Teils des Rotors 6 befestigt und die Statorspule 5 ist an dem unteren Teil der Tragwelle 2 befestigt, um dadurch einen Motor des Radialspalttyps zu bilden. Bei dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Mitte der Axiallänge der Statorspule 5 und die des Rotormagnets 8 voneinader versetzt, und zwar um einen Abstand d, um dadurch zu ermöglichen, daß das Axiallager 3 vorbelastet wird. Die Größe der Vorbelastung kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden durch Variieren des Abstandes d.
Fig. 10 zeigt die Struktur eines zehnten Ausführungs-beispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, das ähnlich zu dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, sich aber davon in dem folgenden Punkt unterscheidet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Basis 1 und das feste Teil 3b des Axiallagers 3 in einer integralen Struktur aus demselben Grund bzw. Aufbaumaterial ausgebildet und das bewegbare Teil 3a des Axiallagers 3, der Rotor 6 und das bewegbare Teil 4a des Radiallagers 4 sind in einer integralen Struktur aus demselben Grundmaterial ausgebildet. Die Tragwelle 2 erstreckt sich durch ein hindurchgehendes Loch 16, das in dem oberen Endteil des Rotors 6 vorgesehen ist und das distale Ende der Tragwelle 2 ist an einem stationären Teil (nicht gezeigt) befestigt. Da die Tragwelle 2 an beiden Enden getragen wird, und zwar durch die Basis 1 und den stationären Teil ist es möglich, wenn der Spindelmotor in einer horizontalen Position bzw. Lage verwendet wird, eine Ablenkung bzw. ein Durchbiegen der Trag- welle 2 zu verhindern, die ansonsten durch das Gewicht der an dem Rotor 6 befestigten Platten bzw. Disks bewirkt werden würde. Die Anordnung, daß die Tragwelle 2 an beiden Enden getragen wird, ist für die Verwendung bei großen Spindelmotoren vorteilhaft.
Fig. 11 zeigt die Struktur eines elften Ausführungs-beispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Axiallager 3, das einen relativ kleinen Durchmesser besitzt, zwischen dem oberen Ende einer Tragwelle 2 und einem kappenförmigen Rotor 6 angeordnet. Ein bewegbares Teil 3a des Axiallagers 3 ist an der Innenoberfläche des oberen Teils des Rotors 6 befestigt, und zwar durch ein elastisches Kissen 11. Ein bewegbares Teil 4a eines Radiallagers 4 ist an der Innenumfangsfläche des Rotors 6 befestigt, und zwar unterhalb des bewegbgaren Teils 3a des Axiallagers 3. Ein festes Teil 4b des Radiallagers 4 ist konzentrisch an der Außenumfangsoberfläche des oberen Teils der Tragwelle 2 befestigt. Die Außenumfangsoberfläche des festen Teils 4b des Radiallagers 4 weist zu der Innenumfangsoberfläche des bewegbaren Teils 4a des Radiallagers 4. Die obere Endfläche des festen Teils 4b definiert ein festes Teil 3b des Axiallagers 3. Die gegenüberliegenden zylindrischen Gleitoberflächen der bewegbaren und festen Teile 4a und 4b des Radiallagers 4 sind aus einem Keramikmaterial hergestellt und eine der zylindrischen Gleitoberflächen besitzt fischgratförmige Nuten C&sub1; zum Erzeugen eines dymischen Drucks, wie zum Beispiel in Fig. 13 gezeigt ist. Eine der gegenüberliegenden ringförmigen Gleitoberlächen der bewegbaren und festen Teile 3a und 3b des Axiallagers 3 besitzt Spiralnuten C&sub2; zum Erzeugen eines dynamischen Drucks, wie zum Beispiel in Fig. 14 gezeigt ist.
Bei dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungbeispiel ist eine Statorspule 5 an der Tragwelle 2 befestigt, und zwar unterhalb des festen Teils 4b des Radiallagers 4. Ein Rotormagnetglied 8 ist an der Innenumfangsoberfläche des unteren Teils des Rotors 6 befestigt. Die Statorspule 5 und das Rotormagnetglied 8 besitzen einen Radialspalt dazwischen, um einen Radialspaltmotor zu bilden. Durch Versetzen der Axialmitte des Rotormagnetgliedes 8, von der der Statorspule 5 um einen Abstand d ist das Axiallager 3 vorbelastet.
Bei der Spindelmotorstruktur des in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiels kann die Länge des Radiallagers 4 erhöht werden und der dynamische Druck kann dadurch erhöht werden, was ermöglicht, daß der Spindelmotor mit einer ausreichenden Lasttragkapazität arbeitet und somit eine Minimierung der Radialvibration erlaubt. Da zusätzlich das Radiallager 4 nicht in einer Auslegerstruktur ausgebildet ist, wird das Start- oder Anfangsdrehmoment minimiert und da ein relativ hoher dynamischer Druck erzeugt wird, ist es nicht notwendig, daß das Radiallager 4 mit einem besonders hohen Grad an Genauigkeit bearbeitet wird. Wenn der Spindelmotor in einer honrizontalen Position oder Lage verwendet wird, ist er in der Lage, sich stabil zu drehen, und zwar durch die Vorbelastung, die an das Axiallager 3 angelegt wird.
Fig. 12 zeigt die Struktur eines zwölften Ausführungsbeispiels des Spindelmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, das ähnlich zu dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, aber sich in dem folgenden Punkt davon unterscheidet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Statorspule 5 an der Oberseite der Basis 1 befestigt. Das Rotormagnetglied 8 ist an einem Bügel 13 befestigt, der an der Innenumfangsoberfläche des unteren Teils des Rotors 6 befestigt ist. Die Statorspule 5 und das Rotormagetglied 8 besitzen einen Axialspalt dazwischen zum Bilden eines Axialspaltmotors. Bei dem in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Magnetkraft, die zwischen der Statorspule 5 und dem Rotormagnetglied 8 wirkt, zum Vorbelasten des Axiallagers 3 in Gegenrichtung zu dem davon erzeugten dynamischen Druck verwendet werden.
Der Spindelmotor der vorliegenden Erfindung sieht die folgenden vorteilhaften Eigenschaften vor:
(1) Da die Grund- bzw. Aufbauglieder des Radiallagers integral mit den assoziierten Grund- bzw. Aufbaugliedern des Spindelmotors ausgebildet sind, wird eine Ausrichtung, die während des Zusammenbaus erreicht wird, erleichtert. Zusätzlich ist es leicht, eine präzise Bearbeitung des Radiallagers selbst durchzuführen.
(2) Da das Radiallager relativ lang ausgebildet ist zum Tragen des Rotors über einen vorbestimmten Bereich, der zumindest den Schwerpunkt des Rotors umfaßt, ist der Spindelmotor in der Lage mit einer ausreichenden Lasttragkapazität zu arbeiten. Demgemäß erhöht sich der dynamische Druck und die Radialvibration bzw. die Vibrationen werden minimiert. Da die Grundglieder des Radiallagers nicht notwendigerweise mit einem besonders hohen Grad an Genauigkeit bearbeitet werden müssen, verringern sich die Produktionskosten.
(3) Durch Anordnen des Axiallagers an dem Außenumfang des Rotors ist es möglich, sowohl den Durchmesser als auch die Fläche des Axiallagers zu erhöhen und somit einen hohen dynamischen Druck zu erhalten. Durch magnetisches Vorbelasten des Axiallagers in Axial- oder Schubrichtung wird zusätzlich die Neigung der Tragwelle bezüglich des Radiallagers korrigiert und der Rotor ist in der Lage sich stabil zu drehen, ohne durch den dynamischen Druck nach außen gefedert zu werden, der daran in Axial- oder Schubrichtung angelegt wird. Insbesondere selbst wenn der Motor in einer horizontalen Position oder Lage verwendet wird, dreht sich der Rotor stabil infolge des Zusammenwirkens des langgestreckten Radiallagers und der Vorbelastung, die an das Axiallager angelegt wird.
(4) Durch Ausbilden des Axiallagers an einer Position, die nach innen bezüglich des Außenumfangs des Rotors liegt, kann der Motor einfach und kompakt ausgebildet werden, so daß sich der für die Installation benötigte Raum verringert und sich dessen Anwendungsgebiet erweitert.
(5)Durch Ausbilden der Axial- und Radiallager aus einem Keramikmaterial wird ein Spindelmotor des ölfreien Typs oder eines Typs mit minimalem Schmiermittel erhalten.
(6) Durch Anordnen eines elastischen Kissens zwischen dem Axiallager und der Basis können Bearbeitungsfehler der Basis und des Lagers kompensiert werden und es ist somit möglicht, einen hervorragenden Gleitzustand beizubehalten.
(7) Durch Ausbilden eines Spindelmotors des Axialspalttyps ist es möglich, ein Moment zu eliminieren, das ansonsten infolge der Unwucht oder Unausgeglichenheit einer Radialmagnetkraft erzeugt würde, die zwischen der Statorspule und dem Rotormagnetglied wirkt und somit ist der Motor in der Lage, sich mit minimalen Vibrationen zu drehen.
(8) In dem Fall eines großbemessenen oder großen Spindelmotors mit einem Durchmesser von zum Beispiel 5 bis 8 Zoll kann, selbst wenn das Axiallager nach innen bezüglich des Außenumfangs des Rotors angeordnet ist, der Durchmesser und die Fläche des Axiallagers erhöht werden und durch magnetisches Vorbelasten des Axiallagers in Axial- bzw. Schubrichtung wird die Neigung des Axiallagers korrigiert und der Motor ist in der Lage, sich stabil zu drehen, ohne durch den dynamischen Druck, der daran in Axial- bzw. Schubrichtung angelegt wird, herausgefedert zu werden.

Claims

1. Spindelmotor, der einen Stator aufweist, der folgendes aufweist:

eine Tragwelle (2), die auf einer Basis (1) positioniert ist, einen kappenförmigen Rotor (6), der drehbar und konzentrisch um die Tragwelle (2) angeordnet ist, Schub- oder Axial- und Radiallager (3, 4), die zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet sind, eine Statorspule (5), die an dem Stator befestigt ist und ein Rotormagnetglied (8), das an dem Rotor (6) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zur der Statorspule (5), wobei die Axial- und Radiallager (3, 4) hydrodynamische Lager sind, wobei das Axiallager (3) bewegbare und feste Teile (3a, 3b) aufweist, wobei das bewegbare Teil (3a) an dem unteren Ende eines zylindrischen Teils des Rotors befestigt ist und sich von dem zylindrischen Teil nach außen erstreckt, wobei das feste Teil (3b) an der Basis (1) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zu dem bewegbaren Teil (3a), wobei die Statorspule (5) an dem äußeren Umfangsteil der Tragwelle (2) befestigt ist oberhalb des Radiallagers (4) und wobei das Rotormagnetglied (8) an der Innenumfangsoberfläche des Rotors (6) befestigt ist, so daß ein radialer Spalt zwischen der Statorspule (5) und dem Rotormagnetglied (8) vorgesehen ist.

2. Spindelmotor, der einen Stator aufweist, der folgendes aufweist:

eine Tragwelle (2), die auf einer Basis (1) steht, einen kappenförmigen Rotor (6), der drehbar und konzentrisch um die Tragwelle (2) angeordnet ist, Schub- oder Axial- und Radiallager, die zwischen dem Stator und dem Rotor (6) angeordnet sind, eine Statorspule (5), die an dem Stator befestigt ist und ein Rotormagnetglied (8), das an dem Rotor (6) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zur der Statorspule,

wobei die Axial- und Radiallager hydrodynamische Lager sind, wobei das Axiallager bewegbare und feste Teile (3a, 53b) aufweist, wobei das bewegbare Teil (3a) an dem unteren Ende eines zylindrischen Teils des Rotors (6) befestigt ist und sich von dem zylindrischen Teil nach außen erstreckt, wobei das feste Teil (3b) an der Basis (1) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zu 10 dem bewegbaren Teil (3a), wobei die Statorspule (5) an dem äußeren Umfangsteil der Tragwelle (2) befestigt ist oberhalb des Radiallagers und wobei das Rotormagnetglied (8) an der Decke des Rotors (6) befestigt ist, so daß ein axialer Spalt zwischen der Statorspule (5) und dem Rotormagnetglied (8) vorgesehen ist.

3. Spindelmotor, der einen Stator aufweist, der folgendes aufweist:

eine Tragwelle (2), die auf einer Basis (1) steht, einen kappenförmigen Rotor (6), der drehbar und konzentrisch um die Tragwelle (2) angeordnet ist, Schub- oder Axial- und Radiallager die zwischen dem Stator und dem Rotor (6) angeordnet sind, eine Statorspule (5), die an dem Stator befestigt ist und ein Rotormagnetglied (8), das an dem Rotor (6) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zur der Statorspule (5),

wobei die Axial- und Radiallager hydrodynamische Lager sind, und wobei das Axiallager (3) bewegbare und feste Teile (3a, 3b) aufweist, wobei das bewegbare Teil (3a) an dem unteren Ende eines zylindrischen Teils des Rotors (6) befestigt ist und sich von dem zylindrischen Teil nach innen erstreckt, wobei das feste Teil (3b) an der Basis (1) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zu dem bewegbaren Teil (3a), und wobei sowohl die Statorspule (5) als auch das Rotormagnetglied (8) oberhalb des Radiallagers angeordnet sind.

4. Spindelmotor nach Anspruch 3, wobei das Rotormagnetglied (8) an der Decke des Rotors (6) befestigt ist, so daß ein axialer Spalt zwischen der Statorspule (5) und dem Rotormagnetglied (8) vorgesehen ist.

5. Spindelmotor, der einen Stator aufweist, der folgendes aufweist:

eine Tragwelle (2), die auf einer Basis (1) positioniert ist, einen kappenförmigen Rotor (6), der drehbar und konzentrisch um die Tragwelle (2) angeordnet ist, Schuboder Axial- und Radiallager, die zwischen dem Stator und dem Rotor (6) angeordnet sind, eine Statorspule (5), die an dem Stator befestigt ist und ein Rotormagnetglied (8), das an dem Rotor (6) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zur der Statorspule (5), wobei die Axial- und Radiallager hydrodynamische Lager sind, wobei das Axiallager bewegbare und feste Teile (3a, 3b) aufweist, wobei das bewegbare Teil (3a) an dem unteren Ende eines zylindrischen Teils des Rotors (6) befestigt ist und sich von dem zylindrischen Teil nach außen erstreckt, wobei das feste Teil (3b) an der Basis (1) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zu dem bewegbaren Teil (3a), und wobei das Rotormagnetglied (8) an dem Rotor (6) an einer Position befestigt ist, die sich nach innen bezüglich des bewegbaren Teils (3a) des Axiallagers befindet.

6. Spindelmotor nach Anspruch 5, wobei die Statorspule (5) an der Basis (1) befestigt ist, so daß ein axialer Spalt zwischen der Statorspule (5) und dem Rotormagnetglied (8) vorgesehen ist.

7. Spindelmotor nach Anspruch 5, wobei die Statorspule (5) an dem unteren Teil der Tragwelle (2) befestigt ist, so daß ein radialer Spalt zwischen der Statorspule (5) und dem Rotormagnetglied (8) vorgesehen ist.

8. Spindelmotor, der einen Stator aufweist, der folgendes aufweist:

eine Tragwelle (2), die an einer Basis (1) positioniert ist, einen kappenförmigen Rotor (6), der drehbar und konzentrisch um die Tragwelle (2) angeordnet ist, Axialoder Schub- und Radiallager, die zwischen dem Stator und dem Rotor (6) angeordnet sind, eine Statorspule (5), die an dem Stator befestigt ist und ein Rotormagnetglied (8), das an dem Rotor (6) befestigt ist und zwar in gegenüberliegender Beziehung zur der Statorspule (5),

wobei die Axial- und Radiallager hydrodynamische Lager sind, wobei das Axiallager oberhalb des Radiallagers angeordnet ist und wobei sowohl die Statorspule (5) als auch das Rotormagnetglied (8) unterhalb des Radiallagers angeordnet sind.

9. Spindelmotor nach Anspruch 8, wobei die Statorspule (5) an der Basis (1) befestigt ist, so daß ein axialer Spalt zwischen der Statorspule (5) und dem Rotormagnetglied (8) vorgesehen ist.

10. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Axiallager (3) durch eine Magnetkraft vorbelastet ist, die entgegen eines dynamischen Druckes wirkt, der in der Schubrichtung wirkt.

11. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1, 3, 5, 7 und 8, wobei die Axialmitte des Rotormagnetglieds (8) von der Axialmitte der Statorspule (5) um eine vorbestimmte Größe d in der Gegenrichtung des dynamischen Drucks versetzt ist, der von dem Radiallager erzeugt wird, wodurch das Axiallager in einer Gegenrichtung zu dem dynamischen Druck, der in Richtung des Schubs wirkt, vorbelastet ist.

35 12. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Radiallager (4) so angeordnet ist, daß es den Rotor über einem vorbestimmten Bereich trägt, und zwar einschließlich des Schwerpunktes des Rotors.

13. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das feste Teil (3b) des Axiallagers an dem Stator durch ein elastisches Kissen oder eine elastische Auflage (12) befestigt ist.

14. Spindelmotor nach Anspruch 13, wobei das elastische Kissen (12) Silikongummi ist.

15. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das bewegbare Teil (3a) des Axiallagers über ein elastisches Kissen bzw. eine elastische Auflage (11) an dem Rotor befestigt ist.

16. Spindelmotor nach Anspruch 15, wobei das elastische Kissen (11) Silikongummi ist.

17. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die gegenüberliegenden, ringförmigen Gleitoberflächen der festen und bewegbaren Teile (3a, 3b) des Axiallagers aus Keramikmaterial hergestellt sind oder aus einem Glied hergestellt sind, das mit einer Materialart beschichtet ist, daß von dessen Grundwerk unterschiedlich ist oder einem Glied mit einer behandelten Oberfläche degenerierten Grundwerks davon und wobei eine oder beide der Gleitoberflächen Spiralnuten zur Erzeugung dynamischen Drucks aufweisen.

18. Spindelmotor nach Anspruch 17, wobei das Keramikmaterial entweder Siliziumkarbid oder Aluminium ist.

19. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die gegenüberliegenden, zylindrischen Gleitoberflächen der festen und bewegbaren Teile (4a, 4b) des Radiallagers aus einem Keramikmaterial hergestellt sind oder aus einem Glied hergestellt sind, das mit einer Materialart beschichtet ist, das von dem Grundwerk davon unterschiedlich ist oder mit einem Glied mit einer behandelten Oberfläche eines degenerierten Grundwerks davon und wobei eine oder beide der zylindrischen Gleitoberflächen heringsknochenförmige Nuten aufweist zum Erzeugen eines dynamischen Drucks.

20. Spindelmotor nach Anspruch 19, wobei das Keramikmaterial entweder Siliziumkarbid oder Aluminium ist.

21. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 8 und 9, wobei eines oder alle der beweglichen Teile (4a) des Radiallagers, des Rotors (6) und des bewegbaren Teils (3a) des Axiallagers in einer integralen Struktur angeordnet sind.

22. Spindelmotor nach Anspruch 21, wobei eines oder beide der sich bewegenden Teile (3a, 4a) der Radial- bzw. Axiallager in der integralen Struktur mit einer Art Material beschichtet ist oder sind, das von dessen Grundwerk unterschiedlich ist oder dessen Grundwerk ist oberflächenbehandelt.

23. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1, 2, 8 und 9, wobei eines oder alle des festen Teils (4b) des Radiallagers, der Tragwelle (2) des festen Teils (3b) des Axiallagers und der Basis (1) in einer integralen Struktur angeordnet sind.

24. Spindelmotor nach Anspruch 23, wobei eines oder beide der festen Teile (3b, 4b) der Radial- und Axiallager in der integralen Struktur mit einer Materialart beschichtet ist bzw. sind, das von dem Grundwerk bzw. Grundmaterial unterschiedlich ist oder dessen Grundwerk ist oberflächenbehandelt.

25. Spindelmotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Rotor (6) ein Tragglied besitzt, das in der Lage ist Harddisks an deren äußeren Umfangsoberfläche zu halten.

26. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich die Tragwelle (2) durch ein hindurchgehendes Loch (16) erstreckt, das in dem oberen Endteil des Rotors (6) vorgesehen ist und wobei die Tragwelle (2) in dem hindurchgehenden Loch (16) lose eingepaßt ist.

27. Spindelmotor nach Anspruch 26, wobei das distale Ende der Tragwelle (2) an einem stationären Teil (42) befestigt ist.

28. Spindelmotor nach einem der Anspruche 1 bis 9, wobei das obere Ende des Rotors (6) geschlossen ist und durch die Tragwelle (2) nicht durchstoßen wird.