Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПРИВОД ШПИНДЕЛЬНОГО ДИСКА
ПРИВОД ШПИНДЕЛЬНОГО ДИСКА

ПРИВОД ШПИНДЕЛЬНОГО ДИСКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в подшипниковых патронах со смазкой на базе магнитных материалов. Сущность изобретения состоит в выполнении привода шпиндельного диска, содержащего цилиндрический вал, являющийся постоянным магнитом, торцы которого имеют противоположную магнитную полярность и пару кольцеобразных комбинированных радиально-опорных гидроподшипников со смазкой на основе магнитной жидкости. Согласно изобретению, привод имеет статор и ротор в виде концентрически установленных друг относительно друга на валу кольца и центрального сердечника с аксиальным каналом и с кольцевыми аксиальными углублениями со скошенными стенками. Ротор имеет также кольцевые заглушки, каждая из которых выполнена с центральным чашеобразным углублением для установки торцов вала и с кольцевым выступом из магнитопроницаемого материала. При этом гидроподшипники установлены на концах вала с выступающими его торцами и с коническими боковыми поверхностями, ответными упомянутым скошенным стенкам. Между торцами кольцевых выступов заглушек и сердечником ротора образованы зазоры. Изобретение направлено на снижение уровня вибрации, повышение стойкости к механическим ударам, снижение стоимости, повышение надежности и упрощение доступа. 6 з.п. ф-лы, 17 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2092957
Класс(ы) патента: H02K5/124, H02K5/167, F16C39/06
Номер заявки: 94019996/07
Дата подачи заявки: 22.01.1993
Дата публикации: 10.10.1997
Заявитель(и): Хаджек Честер С.[US]
Автор(ы): Хаджек Честер С.[US]
Патентообладатель(и): Хаджек Честер С.[US]
Описание изобретения: Изобретение относится к области электротехники и машиностроения и может использоваться в подшипниковых патронах, в которых используется смазка на базе магнитных материалов.
Известен привод шпинделя диска, включающий цилиндрический вал, используемый в качестве постоянного магнита, каждый конец которого имеет противоположную полярность, комбинированные радиально-опорные гидроподшипники со смазкой на основе магнитного материала.
Недостатком описанного технического решения является недостаточная надежность удержания магнитной жидкости, дороговизна.
Задачей изобретения является снижение уровня вибрации, повышение стойкости к механическим ударам, снижение стоимости, упрощение доступа, уменьшение размеров и веса, снижение "прихватывания", повышение надежности удержания магнитной жидкости.
Указанная задача решается тем, что привод шпиндельного диска, включающий цилиндрический вал, являющийся постоянным магнитом, торцы которого имеют противоположную магнитную полярность, и пару кольцеобразных немагнитных комбинированных радиально-опорных гидроподшипников со смазкой на основе магнитной жидкости, имеет ротор и статор, причем ротор установлен с возможностью вращения относительно вала и выполнен в виде концентрически установленных относительно друг друга центрального сердечника и внешнего кольца, соединенных между собой в единое целое по верхним торцам, при этом центральный кольцевой сердечник имеет аксиальный канал, диаметр которого меньше диаметра вала, а на поверхности, обращенной к валу, выполнены кольцевые аксиальные углубления, со скошенными стенками, при этом ротор имеет кольцевые заглушки, каждая из которых выполнена с центральным чашеобразным углублением для установки в ней одного из торцев вала и имеет радиальный кольцевой выступ из магнитопроницаемого материала, причем гидроподшипники установлены на концах вала с выступающими его торцами и выполнены с ответными скошенным стенкам кольцевых аксиальных углублений коническими боковыми поверхностями, а между торцами радиальных кольцевых выступов заглушек и сердечником ротора образованы зазоры, и тем, что он имеет состоящий из нижнего и верхнего элементов основание для поддержки статора с обмоткой, причем в элементах основания выполнены центральные выемки для размещения в них торцевых заглушек, и тем, что его статор выполнен в виде кольца и установлен на нижнем элементе основания и тем, что кольцевой сердечник ротора концентрично установлен в статоре привода и еще тем, что между боковой поверхностью гидроподшипников и скошенными стенками кольцевого углубления сердечника ротора размещена магнитная жидкость, и тем, что магнитный поток между сердечником ротора и торцами кольцевых радиальных выступов заглушек выполняет функцию гидромагнитного уплотнения и направлен по пути с малым сопротивлением, и тем, что длина вала по крайней мере в 2 раза больше его диаметра.
На фиг. 1 представлена боковая вертикальная проекция подшипникового патрона, часть сердечника показана в разрезе; на фиг. 2 боковая вертикальная проекция патрона, изображенного на фиг. 1, сердечник и внутренняя беговая дорожка показаны в разрезе; на фиг. 3 боковая вертикальная проекция еще одного варианта подшипникового патрона, часть сердечника показана в разрезе; на фиг. 4 -боковая вертикальная проекция патрона, изображенного на фиг. 3, сердечник и внутренняя беговая дорожка показаны в разрезе; на фиг. 5 вид сверху на дисковую запоминающую систему, в которой используется подшипниковый патрон; на фиг. 6 вид сбоку в плане на рычаг исполнительного механизма, поддерживаемый патроном, изображенным на фиг. 3 и 4; на фиг. 7 боковая вертикальная проекция привода шпинделя диска, в двигателе используется подшипниковый патрон, изображенный на фиг. 1 и 2; на фиг. 8 боковая вертикальная проекция в частичном разрезе двигателя, представленного на фиг. 5; на фиг. 9 боковая вертикальная проекция представлена в частичном разрезе того варианта привода шпиндельного диска, который представлен на фиг. 5; на фиг. 10 боковая вертикальная проекция предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, а именно усовершенствованного привода шпиндельного диска, представлена только центральная часть диска; на фиг. 11 и 12 соответственно боковая вертикальная проекция и вид с торца являющегося постоянным магнитом цилиндрического вала, используемого в двигателе на фиг. 10; на фиг. 13 и 14 соответственно кольцеобразный немагнитный комбинированный радиально-упорный подшипник, внешняя часть которого имеет усеченно-коническую форму, которая удобна для двигателя, изображенного на фиг. 10; на фиг. 15 боковая вертикальная проекция магнитопроницаемой торцевой заглушки, которая может быть использована в приводе, изображенном на фиг. 10; на фиг. 16 вид с торца указанной заглушки; на фиг. 17 боковая вертикальная проекция альтернативного варианта воплощения привода, изображенного на фиг. 10.
Техническая суть изобретения состоит в следующем.
Привод шпинделя диска состоит из подшипникового патрона ротора и статора, закрепленных на едином основании.
В свою очередь подшипниковый патрон 1 состоит из вала 2 и сердечника 3. Магнитогидродинамический подшипник сформирован валом 2, внешняя поверхность которого образует внутреннюю беговую дорожку, и сердечником 3, внутренняя поверхность которого образует внешнюю беговую дорожку. Внутренняя беговая дорожка коаксиально совмещена с внешней беговой дорожкой. Сердечник 3 установлен с возможностью вращения относительно вала 2, причем ось вращения 4 является общей для сердечника 3 и вала 2.
Вал 2 состоит из трех частей верхней части 5 вала 2, нижней части 6 вала 2 и центральной части 7 вала 2. Верхняя часть 5 вала 2 и нижняя часть 6 вала 2 выполнены в виде цилиндрических муфт с конусным концом 8, которым они напрессовываются на центральную часть 7 вала 2. Сердечник 3 имеет верхнюю муфту 9 и нижнюю муфту 10. Верхняя муфта 9 и нижняя муфта 10 выполнены с конусообразной внутренней поверхностью, взаимодействующей с наружной поверхностью конусных концов 8 верхней части 5 и нижней части 6 вала 2. Верхняя муфта 9 и нижняя муфта 10 посредством прессовой посадки, клея или каким-либо иным способом насаживаются на верхнюю часть сердечника 3, образуя с последним постоянное прочное соединение. Углы конусности конусообразных поверхностей 8 определяются как углы между осью вращения 4 и линией, параллельной указанным поверхностям 8 соответственно. Эти углы конусности зависят от рабочих характеристик подшипника.
Верхняя муфта 9 сердечника 3 установлена на конусный конец 8 верхней части 5 вала 2 с зазором 11, в котором размещена смазка на основе магнитной жидкости. Эта смазка удерживается магнитным потоком, создаваемым верхним постоянным магнитом 12. Магнитный поток, создаваемый верхним постоянным магнитом 12, проходит через приспособление каналирования потока 13, установленное с зазором 14 между ним и валом 2 и направляющее магнитный поток через зазор 14, а затем обратно, поперек зазора 15, образованного внутренней поверхностью сердечника 3 и внешней поверхностью центральной части 7 вала 2, через внутреннее устройство каналирования потока 16, через сердечник 3 и обратно к верхнему постоянному магниту 12.
Приспособление каналирования потока 13, верхняя часть 5 вала 2, центральная часть 7 вала 2 и сердечник 3 выполнены из магнитопроницаемого материала (например, из магнитной нержавеющей стали) для обеспечения беспрепятственного пропускания потока.
Аналогично смазка на основе магнитной жидкости удерживается на другом конце подшипникового патрона магнитным потоком, создаваемым нижним постоянным магнитом 17.
Постоянные магниты 12 и 17 имеют тороидальную форму и устанавливаются коаксиально на верхней 5 и нижней 6 частях вала 2 соответственно. Постоянные магниты 12 и 17 крепятся к сердечнику 3 с помощью клея. Приспособление каналирования потока 13 представляет собой магнитную прокладку, которая коаксиально надевается на верхнюю 5 и нижнюю 6 части вала 2 и приклеивается или крепится каким-либо иным способом на внешнюю часть постоянных магнитов 12. На верхнюю и нижнюю части сердечника 3 постоянные магниты 12 и приспособления каналирования потока 13 устанавливаются цилиндрические муфты 18, которые приклеиваются или крепятся каким-либо иным способом к сердечнику 3, постоянным магнитам 12 и приспособлениям каналирования потока 13. Внутреннее приспособление каналирования потока 16 образовано кольцевым приливом 19, выполненным на внутренней поверхности сердечника 3.
В нижней части патрона 1 может быть установлен внутренний полюсный наконечник 20, выполненный в виде магнитной шайбы, которая приклеивается или крепится каким-либо иным способом к нижнему концу сердечника 3. Постоянный магнит 17, устанавливаемый внизу, приклеивается или крепится каким-либо иным способом к внутреннему полюсному наконечнику 20. Цилиндрическая муфта 18, устанавливаемая внизу, коаксиально размещается и на внутреннем полюсном наконечнике 20. Муфты сердечника 9 и 10 необходимо изготавливать из немагнитного материала (например, из латуни или немагнитной стали), затрудняющего прохождение магнитного потока между верхней частью 5 вала 2 и верхней муфтой 9. Приспособления каналирования потока 13 и 16 предоставляют магнитному потоку более легкий путь между сердечником 3 и валом 2. В силу этого магнитный поток проходит по большей части через приспособления каналирования потока, что создает определенную концентрацию магнитного потока. Именно эта концентрация потока в пространстве между валом 2 и сердечником 3 способствует удержанию смазки на основе магнитной жидкости и, таким образом, создает для последней гидромагнитное уплотнение.
Вращение сердечника 3 относительно вала 2 приводит к тому, что гидромагнитная смазка, прилежащая к внутренней поверхности сердечника 3 обнаруживает тенденцию к движению вместе с ним, в то время как гидромагнитная смазка, прилежащая к внешней поверхности вала 2, остается неподвижной по отношению к указанной поверхности. Такая ситуация порождает градиент скоростей в смазке. Угловое ускорение гидромагнитной смазки вблизи внутренней поверхности сердечника приводит к тому, что на смазку начинает действовать центробежная сила. Под действием этой силы гидромагнитная смазка, находящаяся в зазорах, начинает перемещаться вверх, вниз и наружу вдоль конусообразных поверхностей муфт 9 и 10. Полости 21, образованные постоянными магнитами 12 и 17, внешними поверхностями верхней 5 и нижней 6 частей вала 2, собирают гидромагнитную смазку, "выжимаемую" из зазоров 14. Гидромагнитное уплотнение удерживает смазку, находящуюся в полостях 21, предотвращая ее вытекание через зазоры.
На наружной поверхности конусообразной части верхней 5 и нижней 6 частей вала 2 выполнены канавки. Они проходят по всей длине конуса и обеспечивают связь между полостями 21 с одной стороны и парой внутренних полостей 23 соответственно. При вращении сердечника 3 относительно вала 2 смазка на основе магнитной жидкости, находящаяся в зазорах 11, расположенных вверху и внизу, выталкивается в полости 21, расположенные соответственно, в результате чего создается давление жидкости. Под действием этого давления смазка, находящаяся в обеих гидромагнитных полостях 21, начинает перетекать из них в направлении к внутренним полостям 23 соответственно по канавкам 22. В силу того, что гидромагнитная смазка, находящаяся в канавках 22 вблизи вала 2, остается в целом неподвижной относительно вала 2, угловое ускорение этой жидкости либо невелико, либо отсутствует вовсе, и потому никакая центробежная сила не препятствует этому перетеканию смазочной жидкости в направлении к внутренним полостям 23.
Таким образом, вращающиеся конусообразные поверхности внешних муфт 9 и 10 играют роль центробежных насосов, вызывающих перемещение гидромагнитной смазки в направлении от внутренних полостей 23 к полостям 21 и возврат через возвратные линии или канавки 22.
Использование немагнитных верхней 9 и нижней 10 муфт позволяет создать конструкцию, в которой магнитный поток, проходя по поверхности муфт, не пронизывает последние. Такая конструкция обеспечивает удержание гидромагнитной смазки в достаточно малом пространстве по бокам верхнего и нижнего зазоров 14. Ограничение смазки размерами опорной поверхности позволяет обходиться меньшим количеством смазывающей жидкости, поскольку последняя присутствует либо только на опорной поверхности, либо чуть-чуть выходит за ее пределы. Уменьшение количества смазки снижает, в свою очередь, вес подшипникового патрона.
Кроме того, гидромагнитное уплотнение предотвращает уход магнитной жидкости в один конец патрона. Такое перетекание чревато тем, что часть несущей поверхности может высыхать, если не используется в течение достаточно продолжительного времени. К тому же изолированность смазки снижает тенденцию к накоплению осадка в магнитных элементах, если последние не используются в течение продолжительных промежутков времени.
Наконец, наличие немагнитных верхней 9 и нижней 10 муфт способствует предотвращению прохождения магнитного потока между муфтами 9 и 10 и валом 2. Поскольку оба зазора 21 очень малы, магнитное сопротивление было бы очень мало, а концентрация магнитного потока очень велика, если бы не немагнитные муфты 9 и 10. Высокая концентрация потока между валом 12 и сердечником 3 приводит к определенному магнитному торможению на патроне. Использование немагнитных муфт 9 и 10 препятствует прохождению потока между валом 2 и сердечником 3. Вместо этого поток проходит через зазоры 14 и 15, которые достаточно велики, чтобы концентрация потока не была слишком высокой, и потому не приводят к излишнему магнитному торможению.
Как уже описывалось выше, верхняя часть 5 вала 2, центральная часть 7 вала 2 и нижняя часть 6 вала 2 соединяются вместе или фиксируются по отношению одна к другой. Верхняя 5 и нижняя 6 части вала 2 могут быть подвижными одна относительно другой, а механизм, создающий смещение (не показан), используется для удержания вместе верхней части 5 вала 2, центральной части 7 вала 2 и нижней части 6 вала 2. Этот механизм предназначен для предотвращения осевого перемещения верхней части 5 и нижней части 6 вала 2.
Он создает предварительное усилие при осевом центрировании частей вала 2 по отношению к сердечнику 3 для регулирования зазоров 11, что позволяет регулировать такие характеристики подшипника, как торможение и биение.
Сердечник 3 может быть изготовлен из высокоуглеродистой стали (например, Core 10) и намагничен таким образом, чтобы магнитная ориентация "север-юг" была совмещена с осью вращения 4. Намагниченный сердечник 3 создает магнитный поток для удержания гидромагнитной смазки в патроне 1. Приспособления каналирования потока 13 могут быть выполнены в виде магнитопроницаемых шайб, которые насаживаются коаксиально на вал 2 и сердечник 3 в верхней и нижней частях патрона. Приспособления каналирования потока 13 в этом случае формируют путь магнитному потоку с низким магнитным сопротивлением для прохождения к валу 2, в результате чего создается зона высокой концентрации магнитных линий. Приспособления каналирования потока 13 приклеиваются или крепятся каким-либо иным способом к внешней части сердечника 3. Приспособления каналирования потока 13 могут быть выполнены за одно целое с сердечником 3. В этом случае зазоры 14 образованы внешней поверхностью вала 2 и внутренней поверхностью приспособлений каналирования потока 13.
Концентрация магнитного потока в зазорах 11 и 14 удерживает смазку на основе магнитной жидкости в указанных зазорах, обеспечивая тем самым своего рода "гидромагнитное уплотнение", что предотвращает утечку любых загрязняющих веществ за пределы подшипникового патрона 1.
В данном случае магнитный поток, создаваемый намагниченной частью сердечника 3, проходит от намагниченной части сердечника 3 через приспособление каналирования потока 13, установленное в нижней части патрона 1 и нижний зазор 14, а затем к нижней части 6 вала 2, вдоль вала 2, после чего через верхний зазор 11, и приспособление каналирования потока 13, установленное в верхней части патрона 1, и обратно к намагниченной части сердечника 3. Верхняя муфта 9 и нижняя муфта 10 выполнены из немагнитного материала (например, из бронзы), характеризующегося высоким магнитным сопротивлением. Это предотвращает "короткое замыкание" линий магнитного потока. Использование немагнитных муфт приводит к тому, что прохождение линий магнитного потока через указанные элементы оказывается более затрудненным, нежели через приспособления каналирования потока 13, что и обеспечивает прохождение потока в основном через верхний 11 и нижний 14 зазоры, создавая тем самым гидромагнитное уплотнение.
Подшипниковый патрон 1 в данном случае работает по принципу, описанному выше. Вращение сердечника 3 вала 2 приводит к выталкиванию гидромагнитной смазки из верхнего и нижнего зазоров соответственно в верхнюю и нижнюю полости 21. Поскольку верхнее и нижнее гидромагнитные уплотнения не позволяют смазке уходить из зазоров, гидромагнитная смазка начинает перемещаться по канавкам 22. Это предотвращает рост давления жидкости в полостях 21. Подобие "центробежного насоса", образуемого за счет вращения сердечника 3 относительно вала 2, вынуждает гидромагнитную смазку втекать в верхнюю и нижнюю полости 21. Это втекание, в свою очередь, вытесняет смазку в центральную полость 24 по канавкам 21. Гидромагнитная смазка в центральной полости 24 может свободно перемещаться между верхней и нижней частями подшипника.
В сочетании с верхней 5 и нижней 6 частями вала 2 должно использоваться средство предварительного натяга или смещения ( не показаны), работа и назначение которого описаны выше.
В приводе шпиндельного диска имеется система хранения информации на дисках (см. например, фиг. 5), которая включает шасси 25, обеспечивающее чистоту среды для магнитного носителя информации 26 и узла "головка/привод" 27. Система хранения информации на дисках позволяет хранить и отыскивать информацию на вращающемся магнитном носителе 26. Магнитный носитель 26 вращается вокруг шпиндельной оси 28; этот носитель приводится в движение электродвигателем шпиндельного диска (не показан).
Узел "головка/привод" 26 включает магнитную головку 29, которая удерживается на магнитном носителе 26 рычажком привода 30, и исполнительный двигатель 31, который обеспечивает ориентирование магнитной головки в конкретных точках или на конкретных дорожках магнитного носителя информации 26. Исполнительный двигатель 31 представляет собой линейный электродвигатель. Последний обеспечивает вращение узла "головка/привод" 27 вокруг поворотной оси 32 для выставления магнитной головки 29 на нужную дорожку магнитного носителя 26.
Зачастую магнитный носитель 26 выполнен в виде целой совокупности магнитных дисков, которые отделены друг относительно друга и образуют вертикальный блок, именуемый иногда "дисковым стеком". Каждый из дисков, входящих в состав такого стека, вращается в унисон вокруг шпиндельной оси 28. Узел "головка/привод" 27, используемый в сочетании с указанным дисковым стеком, имеет вертикальную стековую конфигурацию. Все элементы этого узла разнесены и вращаются в унисон вокруг поворотной оси 32. Таким образом, все магнитные головки могут быть выставлены на разных магнитных дисках, в результате чего может быть получен доступ сразу к нескольким точкам или дорожкам на дисках магнитного стека.
В системе хранения информации на дисках магнитная головка 29 находится обычно в десятых долях микрона от поверхности магнитного носителя 26. В силу того, что магнитная головка 29 расположена так близко к поверхности диска, воздух, попадающий в шасси 25, должен фильтроваться от всех загрязняющих примесей (например, пыли). Если примеси такого рода все же попадают внутрь шасси 25, они могут осаждаться на поверхности магнитного носителя 26, что приводит к разрушению магнитной головки 29, а иногда даже и к постепенному разрушению поверхности диска.
В подшипниковом патроне 1 рычажки привода 30 объединены в узел "головка/привод" 27. Подшипниковый патрон 1 в конструктивной связке с носителем информации имеет сердечник 3 в несколько модифицированном виде и имеет приспособления для установки исполнительных рычажков 30.
Подшипниковый патрон 1 в этом случае содержит вал 2 с верхней частью 5 и нижней частью 6, которые напрессованы на центральную часть 7, и в котором центральная ось вращения 4 совпадает с поворотной осью 32, а сердечник 3 имеет приспособления для установки рычажков 30, которые входят в узел "головка/привод" 27 (см. фиг. 5). Вал 2 фиксируется внутри шасси 25 верхним винтом 33, который проходит через отверстие в верхней части шасси 25 и ввинчивается в отверстие с резьбой, которое расположено в центре верхнего торца вала 2. Нижний винт 34 проходит через отверстие в нижней части шасси 25 и ввинчивается в отверстие с резьбой, расположенное в нижнем торце вала 2. Таким образом обеспечивается надежная фиксация вала 2 в нужном месте шасси 25. Конусообразная поверхность 8 верхней части 5 вала 2 захватывает конус на внутренней поверхности верхней муфты 9. Аналогичным образом, конусообразная поверхность 8 нижней части 6 вала 2 захватывает комплементарный внутренний конус нижней муфты 10. Гидромагнитная смазка находится между этими противолежащими конусообразными поверхностями. Количество гидромагнитной жидкости или толщина смазки в верхнем и нижнем зазорах 11 определяется смещающим усилием, приложенным к верхней части 5 вала 2. Смещающее усилие создается стопорным кольцом 35, которое вставляется в раззенкованное отверстие 36, расположенное в центре верхнего торца верхней части 5 вала 2. Стопорное кольцо 35 входит в паз (не показан ) на верхней части 5 вала 2. Пружинная шайба 37 установлена коаксиально на вал 2 между стопорным кольцом 35 и верхней частью 5 вала 2. Пружинная шайба 37 создает смещающее усилие, приложенное к верхней части 5 вала 2, ограничивая тем самым количество гидромагнитной смазки в верхнем и нижнем зазорах 11.
Сердечник 3 выполнен из высокоуглеродистой стали (например, Core 10) и намагничен таким образом, что магнитная ориентация "север-юг" совпадает с осью вращения 32. Намагниченная верхняя торцевая часть сердечника 3 создает магнитный поток, проходящий через устройства каналирования потока 13, установленные в верхней и нижней частях патрона 1, и обеспечивающий гидромагнитное уплотнение для смазки, использующейся в подшипниковом патроне 1. По мере вращения сердечника 3 относительно вала 2 гидромагнитная смазка выталкивается центробежной силой из зазоров 11, образованных в верхней и нижней частях патрона 1, в соответствующие полости 21, а затем возвращается через возвратные канавки 22 в центральную полость 24.
Исполнительные рычажки 39 закреплены к линейному исполнительному двигателю 31 (см. фиг. 5) и предназначены для поворачивания узла "головок/приводов" 27 вокруг поворотной оси 32. Исполнительные рычажки 39 создают вращающий момент на внешней торцевой части 38 сердечника 3 для выборочной регулировки магнитных головок 29 на нужной дорожке магнитного носителя 26.
Привод шпиндельного диска может быть выполнен следующим образом (см. например, фиг. 6).
Сердечник 3 намагничивается таким образом, чтобы северный магнитный полюс находился со стороны нижней части сердечника, а южный магнитный полюс со стороны верхней части сердечника. Вал 2 намагничен таким образом, что северный магнитный полюс находится со стороны верхней части 5 этого вала, а южный магнитный полюс со стороны нижней части 6 вала 2. В результате магнитный поток, создаваемый сердечником 3, складывается с магнитным потоком, создаваемым вала 12. Использование двух элементов, намагниченных таким образом, что создаваемые ими магнитные потоки складываются, дает возможность уменьшить габариты сердечника 3 и вала 2 без снижения величины напряженности магнитного поля по сравнению с системой, использующей только один намагниченный элемент.
Магнитный поток проходит от верхней части 5 вала 2 к верхней части сердечника 3 (через устройство каналирования потока 13, установленное в верхней части патрона 1). Магнитный поток проходит через верхнюю часть сердечника 3 к приспособлению каналирования потока 13, установленное в нижней части патрона и обратно во внутреннюю полость вала 2. Верхнее устройство каналирования потока 13 крепится по центру верхнего торца сердечника 3. Оно изготовлено из магнитопроницаемого материала, что предоставляет потоку путь от вала 2 через воздушный зазор к устройству каналирования потока, установленному в верхней части сердечника 3 и во внешнюю часть сердечника 3.
Устройство каналирования потока 13 обеспечивает механическое уплотнение для более надежного предотвращения утечки гидромагнитной смазки из привода шпиндельного диска.
Приспособление каналирования потока 13, установленное в нижней части патрона, выполнено в виде внутреннего фланцевого элемента на нижней части сердечника 3. Отверстие 36 образовано внутренней поверхностью приспособления каналирования потока 13, установленного в нижней части патрона 1, и нижней частью 6 вала 2. Этот зазор мал по сравнению с промежутком между валом 2 и сердечником 3, что позволяет магнитному потоку проходить от внешней поверхности сердечника 3 к валу 2. Концентрация магнитного потока поперек зазора 14 в данном случае способствует удержанию гидромагнитной смазки и предотвращает утечку смазки из привода шпинделя диска. Механическое уплотнение 40 крепится к нижней части сердечника 3 в качестве дополнительного средства предотвращения утечки гидромагнитной смазки из привода шпинделя диска. Механическое уплотнение 40 повышает также устойчивость привода к воздействию силы тяжести, в результате чего привод может выдерживать более мощное воздействие силы тяжести без утечки смазки.
В данном случае верхняя муфта 9 и нижняя муфта 10 должны быть изготовлены из немагнитного материала (например, из бронзы) для предотвращения прохождения магнитного потока между валом 2 и либо верхней муфтой 9, либо нижней муфтой 10. Таким образом, верхняя 9 и нижняя 10 муфты исключают возможность "короткого замыкания" магнитного потока.
Привод шпиндельного диска может иметь свой сердечник 41, который в свою очередь может быть прикреплен к сердечнику 3 (см. например, фиг. 7). Сердечник привода 41 изготавливается из легкого материала (например, из алюминия) и крепится к сердечнику 3 способом прессовой посадки. В этом случае к сердечнику привода 41, в свою очередь, крепится магнитный носитель информации 26, который состоит из дисковых запоминающих приспособлений, которые разнесены друг относительно друга по вертикали и жестко закреплены на сердечнике привода 41. На сердечнике 3 закреплены магниты привода 42, которые обеспечивают вращение сердечника 3. Магниты привода 42 представляют собой постоянные магниты, создающие магнитный поток, линии которого перпендикулярны к оси вращения 28. Этот поток, создаваемый магнитами 42, взаимодействует с магнитными полями, создаваемыми статорными обмотками 43, для вращения сердечника 3. Статорные обмотки 43 намотаны на опоры статорных магнитных сердечников 44, которые, в свою очередь, закреплены на основании привода.
Магниты привода 42 в данном случае устанавливаются на внутренней стенке сердечника 3 и представляют собой постоянные магниты, магнитное направление "север-юг" в которых перпендикулярно к оси вращения 28. Магниты привода 42 создают магнитный поток, который взаимодействует с магнитным полем, создаваемым статорными обмотками 43, для обеспечения вращения сердечника 3. Статорные обмотки 43 намотаны на статорные магнитные сердечники 44, которые установлены на основании привода.
Магнитный носитель 26 крепится к сердечнику 3. Магнитный носитель представляет собой совокупность магнитных дисков для хранения информации, которые разнесены друг относительно друга по вертикали и образуют, таким образом, дисковый стек.
Сердечник 3 вращается относительно вала 2 в результате взаимодействия магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом привода 42, и потока, создаваемого статорными обмотками 43. В свою очередь, вращение сердечника 3 заставляет магнитный носитель вращаться вокруг шпиндельной оси 28. Когда внешняя часть сердечника 3 вращается относительно вала 2, гидромагнитная смазка, находящаяся в зазоре 11, сформированном в верхней части патрона, выталкивается в направлении вперед и наружу по внутренней конусообразной поверхности верхней муфты 9, а смазка, находящаяся в зазоре 11, сформированном в нижней части патрона 1, выталкивается в направлении наружу и вниз по внутренней конусообразной поверхности нижней муфты 10. Гидромагнитная смазка возвращается обратно по возвратным канавкам 22 на конусообразных поверхностях 8.
Подшипниковый патрон 1 может быть установлен непосредственно в привод шпиндельного диска ( см. например, фиг. 9).
В этом случае воздушный зазор между магнитами 42 привода и статорными обмотками 43 ориентирован перпендикулярно оси вращения 28 привода шпиндельного диска. Последний обычно именуется "приводом с аксиальным воздушным зазором".
Привод шпиндельного диска в этом случае включает сердечник 3, на котором закреплен магнитный носитель информации 26. Последний поддерживается подшипниковым патроном 1, который, в свою очередь, установлен на основании привода. Вал 2 установлен на основании привода и закреплен нижним крепежным винтом 45, который проходит через отверстие в основании привода и дальше в отверстие с резьбой в нижнем торце вала 2.
Механическое уплотнение 40 фиксируется верхним уплотняющим винтом 46, который входит в отверстие с резьбой, выполненное на верхнем торце вала 2. Указанное механическое уплотнение 40 представляет собой также средство предварительного натяга гидромагнитного подшипника.
В процессе работы внешняя часть сердечника или ротор привода шпиндельного диска вращается за счет взаимодействия магнитного потока ротора с магнитным потоком, создаваемым статорными обмотками, которые установлены на основании привода шпинделя диска. При вращении внешней части сердечника гидромагнитная смазка циркулирует по гидромагнитному подшипнику под действием эффекта центробежного насоса. Магнитный поток, возникающий при намагничивании сердечника, приводит к образованию гидромагнитных уплотнений, которые удерживают смазку в приводе шпиндельного диска. Могут быть также использованы механические уплотнения для более надежного предотвращения утечки смазки на случай ударов.
При вращении привода шпиндельного диска магнитный носитель, установленный на шпинделе, также приводится во вращение. Биение дискового запоминающего устройства является мерой наличия или отсутствия эксцентриситета, который может проявляться при вращении магнитного носителя. Такое биение поддается регулировке посредством изменения зазора между конусообразными поверхностями, образующими гидромагнитный подшипник (а, следовательно, и количества смазки). Таким образом может быть отрегулировано биение привода шпиндельного диска.
Привод шпинделя диска может быть выполнен как малогабаритный двигатель, который особенно привлекателен с точки зрения использования в миниатюрных системах ЗУ на магнитных дисках и других дисковых системах.
Так на фиг. 10 представлен привод шпиндельного диска, включающий цилиндрический вал, являющийся постоянным магнитом с заранее подобранным диаметром и двумя торцами 47 с противоположной магнитной полярностью. Кроме того, привод включает в себя пару кольцеобразных, немагнитных, комбинированных радиально-опорных подшипниковых элементов гидромагнитного типа 48. (см. фиг 13 и 14). Каждый из этих подшипниковых элементов характеризуется тем, что его внутренний диаметр 49 подобран предварительно по отношению к диаметру 50 вала 2 с тем расчетом, чтобы облегчить формирование узла подшипников на валу так, как это показано на фиг. 10. Подшипники могут крепится на валу 2 с помощью прессовой посадки или клея.
Привод имеет ротор (см. фиг. 10), который размещен на валу 2 с возможностью вращения. Ротор выполнен в виде концентрически установленных относительно друг друга центрального кольцевого сердечника 51 и внешнего кольца 52, соединенных между собой в единый элемент по верхним торцам. Кольцевой сердечник 52 выполнен со сквозным отверстием, которое больше диаметра вала. На поверхности кольцевого сердечника 51, обращенной к подшипниковому патрону 1, выполнены аксиально разнесенные, противолежащие выемки 53 и 54 со скошенными стенками. Кольцевой сердечник 51 ротора изготовлен из магнитопроницаемого материала. На внутренней периферии внешнего кольца 52 сердечника 51 размещен постоянный магнит 55 (кольцевого или барабанного типа).
Кроме того, привод имеет пару цилиндрических торцевых заглушек 56 (см. фиг. 10 и фиг. 15 и 16). Торцевые заглушки 56 имеют центральную чашеобразную выемку 57 на одной из поверхностей для размещения в ней вала 2. Торцевые заглушки 56 выполнены с радиально выступающие выступами 58. Торцевые заглушки 56 выполнены (по крайней мере частично) из магнитопроницаемого материала с тем, чтобы обеспечивался путь с меньшим магнитным сопротивлением для магнитного потока, идущего от центральной части заглушки радиально наружу к выступу 58 и через этот выступ.
Привод имеет также статор 59, имеющий кольцевую форму, и подузел обмотки. Последний состоит из статорных пластин 60 и обмотки 61. В статоре 59 имеется канал 62 с диаметром, превышающим диаметр роторного сердечника 51.
Для поддержки статора 59 привод имеет нижний элемент основания 63. В основании 63 по центру выполнена чашеобразная выемка 64 для размещения в ней одной из торцевых заглушек 56.
Привод имеет так же и верхний элемент основания 65 с чашеобразной выемкой 64 для размещения верхней торцевой заглушки 56.
Подшипниковые элементы ротора вала и соответствующая гидромагнитная смазка образуют единое целое с подшипниковым патроном 1. При этом конические несущие поверхности 66 являются противолежащими и находятся в непосредственной ("гнездовой") близости от углублений сердечника ротора, имеющих коническую форму. Торцевые заглушки 56 размещаются на торцах вала 2 в чашеобразные выемки 57.
Единый узел, состоящий из ротора, вала, подшипниковых элементов и торцевых заглушек, устанавливается затем на нижнем элементе основания 63 таким образом, чтобы кольцевой сердечник 51 ротора в канале 62 имел концентрическое расположение по отношению к подузлу статора 59 привода. Торцевые заглушки 56 в чашеобразных углублениях фиксируются, например, клеем. На фиг. 10 маленькими стрелками показана схема движения магнитного потока по замкнутому пути: один из торцев 47 вала 2 постоянного магнита 12 одна из торцевых заглушек 56 радиально выступающий выступ 58 зазор 14 сердечник 51 часть сердечника ротора, прилежащая к выступу зазор 15 (пересекая его) вторая торцевая заглушка 56 снова магнит 12, и второй торец вала 2.
Для приводов большего размера торцевые заглушки 56 могу быть заменены на торцевые элементы 67 с опорными элементами 68, диаметр которых совпадает с диаметром вала 2
В ходе исследований установлено, что длина магнитного вала 2 по крайней мере в два раза должна быть больше его диаметра.
Формула изобретения: 1. Привод шпиндельного диска, включающий цилиндрический вал, являющийся постоянным магнитом, торцы которого имеют противоположную магнитную полярность, и пару кольцеобразных немагнитных комбинированных радиально-опорных гидроподшипников со смазкой на основе магнитной жидкости, отличающийся тем, что он имеет ротор и статор, причем ротор установлен с возможностью вращения относительно вала и выполнен в виде концентрически установленных относительно друг друга центрального сердечника и внешнего кольца, соединенных между собой в единое целое по верхним торцам, при этом центральный кольцевой сердечник имеет аксиальный канал, диаметр которого меньше диаметра вала, а на поверхности, обращенной к валу, выполнены кольцевые аксиальные углубления со скошенными стенками, при этом ротор имеет кольцевые заглушки, каждая из которых выполнена с центральным чашеобразным углублением для установки в ней одного из торцов вала и имеет радиальный кольцевой выступ из магнитопроницаемого материала, причем гидроподшипники установлены на концах вала с выступающими его торцами и выполнены с ответными скошенным стенкам кольцевых аксиальных углублений коническими боковыми поверхностями, а между торцами радиальных кольцевых выступов заглушек и сердечником ротора образованы зазоры.
2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что он имеет состоящее из нижнего и верхнего элементов основание для поддержки статора с обмоткой, причем в элементах основания выполнены центральные выемки для размещения в них торцевых заглушек.
3. Привод по п. 1, отличающийся тем, что его статор выполнен в виде кольца и установлен на нижнем элементе основания.
4. Привод по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой сердечник ротора концентрично установлен в статоре привода.
5. Привод по п. 1, отличающийся тем, что между боковой поверхностью гидроподшипника и скошенными стенками кольцевого углубления сердечника ротора размещена магнитная жидкость.
6. Привод по п. 1, отличающийся тем, что магнитный поток между сердечником ротора и торцами кольцевых радиальных выступов заглушек выполняет функцию гидромагнитного уплотнения и направлен по пути с малым сопротивлением.
7. Привод по п. 1, отличающийся тем, что длина вала по крайней мере в два раза больше его диаметра.