專利名稱：空氣軸承主軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣軸承主軸(spindle)。本發(fā)明尤其適用于在相對低速(比如說10,000rpm到15,000rpm)中的應(yīng)用。一個(gè)特別受關(guān)注的應(yīng)用是磁盤測試主軸的應(yīng)用，其他可能的應(yīng)用包括在半導(dǎo)體和機(jī)床工業(yè)中的使用。
用于驅(qū)動(dòng)空氣軸承主軸的公知現(xiàn)有技術(shù)是通過將永磁體安裝在轉(zhuǎn)軸(shaft)上并在主軸的固定部分內(nèi)設(shè)置激勵(lì)繞組來形成電動(dòng)機(jī)。該轉(zhuǎn)軸一般安裝在主軸內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)空氣軸承內(nèi)，而磁體和繞組位于軸承之間或者軸承的一側(cè)。在只有單個(gè)空氣軸承的應(yīng)用中，這一結(jié)構(gòu)意味著轉(zhuǎn)軸和軸承充當(dāng)了支撐電動(dòng)機(jī)的懸臂。這影響了使主軸緊湊的程度，并會(huì)損害主軸的動(dòng)態(tài)特性。
這些結(jié)構(gòu)使用常規(guī)無刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)思，因而會(huì)具有磁滯損耗和嵌齒效應(yīng)。
最近開發(fā)的帶有無鐵芯定子的無刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)使現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有了非常平滑的運(yùn)動(dòng)。這要?dú)w功于載有永磁體和磁性材料圈以提供閉合磁路的回路、從而使得在這些部件之間沒有相對運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。在最簡單的結(jié)構(gòu)中，這種電動(dòng)機(jī)包括三個(gè)元件定子繞組、永磁體和回路鐵芯(return iron)。最后兩個(gè)元件一般被組合為一個(gè)元件，以被連接到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸上。這些電動(dòng)機(jī)一般在轉(zhuǎn)子和定子之間使用流體動(dòng)力(油基)軸承或滾珠軸承。
空氣軸承主軸的某些應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量方面的需求不斷增大。在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)中所發(fā)現(xiàn)的由不規(guī)則通量耦合所引起的干擾是現(xiàn)在很受關(guān)注的問題。無鐵芯定子類型的電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量上潛在地提供了很大改進(jìn)，但是這些系統(tǒng)所需要的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的大質(zhì)量、磁極慣性以及直徑阻礙了它們的實(shí)現(xiàn)。這些因素現(xiàn)已否定了該潛在優(yōu)勢。
本發(fā)明的目的之一在于緩和現(xiàn)有技術(shù)帶有的至少一些問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種空氣軸承主軸，其包括轉(zhuǎn)軸和電動(dòng)機(jī)，其中該轉(zhuǎn)軸依靠空氣軸承安裝、用于在套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)用于相對于套筒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，其中該電動(dòng)機(jī)包括定子繞組，并且該轉(zhuǎn)軸限定了內(nèi)部裝有定子繞組的大致環(huán)形的容納凹槽，使得在使用中轉(zhuǎn)軸的外圍部分提供了與定子繞組相關(guān)的部分磁通路徑。
其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)并且所使用的部件數(shù)量能夠最少。此外，轉(zhuǎn)軸本身所使用的材料被制為能夠提供磁通回路。
一般，該轉(zhuǎn)軸具有與設(shè)置在套筒內(nèi)的相對應(yīng)的軸承面相向的軸承面。優(yōu)選地，該定子繞組容納凹槽可在徑向被布置于轉(zhuǎn)軸的軸承面內(nèi)。因此，定子繞組可在徑向被布置于該轉(zhuǎn)軸的軸承面內(nèi)。至少在某些這種情況下，不僅是轉(zhuǎn)軸的材料提供了磁通回路，而且是那些需要提供的材料提供了軸承面。
套筒可以包括在其內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)軸的主孔腔。定子繞組容納凹槽的外徑可小于套筒孔腔的直徑。
空氣軸承主軸可以是一種空氣靜壓軸承主軸。該空氣軸軸承可以包括軸向空氣軸承。此軸向空氣軸承可以充當(dāng)止推軸承。
定子繞組可以是大致環(huán)形的，且定子繞組的直徑可以小于套筒孔腔的直徑。
在此說明書中，措辭大致環(huán)形用來指代任意大致環(huán)狀結(jié)構(gòu)，無需具有幾何上精確環(huán)形的形狀。特別是就定子繞組而言，可以是獨(dú)立部件一起布置形成的大致環(huán)形的整體形狀。
上文所限定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有助于實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)并使得電動(dòng)機(jī)有可能被設(shè)置在空氣軸承中。
空氣軸承可被認(rèn)為具有與空氣軸承直接支撐的轉(zhuǎn)軸區(qū)域相對應(yīng)的軸向長度。優(yōu)選地，定子繞組容納凹槽至少部分被設(shè)置在工作時(shí)位于空氣軸承的軸向長度內(nèi)的轉(zhuǎn)軸部分內(nèi)。這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可使設(shè)計(jì)緊湊并能夠用來避免電動(dòng)機(jī)向外伸展過軸承。
定子繞組一般是無鐵芯繞組，且轉(zhuǎn)軸的外圍部分用作無鐵芯繞組的背鐵?？梢岳斫獾氖?，繞組通常包括繞磁性材料芯(通常是鐵)纏繞的線圈；而無鐵芯繞組包括至少一個(gè)線圈，但沒有磁性材料芯。特別地，若在本發(fā)明的實(shí)施方案中使用無鐵芯繞組，則相對于使用常規(guī)直流電動(dòng)機(jī)裝置的系統(tǒng)具有性能優(yōu)勢。這至少部分是因?yàn)槟軌驕p少或消除磁滯損耗和嵌齒效應(yīng)。
定子繞組容納凹槽可以設(shè)置在轉(zhuǎn)軸的一端，定子繞組可在軸向從套筒伸入該凹槽。定子繞組可以被設(shè)置成中空的圓柱體，該圓柱體在軸向從該套筒的底部伸出。
轉(zhuǎn)軸可包括安裝有至少一塊永磁體的桿部，這些永磁體是電動(dòng)機(jī)的一部分；該轉(zhuǎn)軸還可包括圍繞該桿布置的外圍裙部。定子繞組容納凹槽可限定在桿和裙部之間。
轉(zhuǎn)軸可以具有為單塊材料的主轉(zhuǎn)軸部分，該主轉(zhuǎn)軸部分包括該裙部。桿部可以具有一塊與主轉(zhuǎn)軸部分不同的材料。
該主軸的轉(zhuǎn)軸可以安裝用于控制和/或監(jiān)視轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)的編碼器組件。
該主軸可以包括將轉(zhuǎn)軸電接地的接觸部分。接觸部分可以包括繞轉(zhuǎn)軸部分布置的密封件。密封件可安裝在主軸的套筒上。該密封件可包括磁流體密封件，使得套筒和轉(zhuǎn)軸之間僅通過流體才可能接觸。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在上文所限定的類型的空氣軸承主軸中使用的轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)軸包括裝有至少一個(gè)永磁體的桿部和繞該桿布置的外圍裙部，該定子繞組容納凹槽被限定在桿和裙部之間。
空氣軸承主軸可以是一種磁盤測試空氣軸承主軸。該空氣軸承主軸可以包括用于提供到卡盤接收部分的空氣通道連接的輔助口。該輔助口可以是真空口。這使得卡盤在真空作用下被夾持在適當(dāng)位置。這可以直接實(shí)現(xiàn)或者間接實(shí)現(xiàn)。該卡盤可以具有錐部，該錐部在真空的作用下被接收和夾持在相應(yīng)的錐部內(nèi)?；蛘?，卡盤接收部可以包括在真空作用下可操作以夾緊該卡盤的機(jī)構(gòu)。同樣地，可給該輔助口供應(yīng)正壓空氣，以操縱機(jī)構(gòu)來夾緊該卡盤。用于夾緊卡盤的機(jī)構(gòu)可以包括彈簧組和/或柱塞。
現(xiàn)只參照示出了一種磁盤測試空氣軸承主軸的附圖
，通過實(shí)施例的方式來說明本發(fā)明的實(shí)施方案。
附圖示出了一種磁盤測試空氣軸承主軸，其包括用于旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)軸1的無鐵芯直流電動(dòng)機(jī)。這種磁盤測試主軸用于在介質(zhì)磁盤被裝入磁盤驅(qū)動(dòng)器之前的在測試過程中承載和旋轉(zhuǎn)該介質(zhì)磁盤。磁盤可以由安裝在轉(zhuǎn)軸1上的轂(未示出)來承載。
雖然本發(fā)明對磁盤測試主軸是有用的，但如上所述，本發(fā)明的應(yīng)用比這種應(yīng)用更廣泛。
主軸的轉(zhuǎn)軸1安裝在空氣軸承2內(nèi)，而空氣軸承又被布置在主軸殼體3內(nèi)。殼體3和軸承2一起被認(rèn)為能提供其內(nèi)裝有用于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸1的套筒。該軸承具有內(nèi)部整體為圓柱形的軸承面2a，該軸承面2a與轉(zhuǎn)軸1的相應(yīng)外部圓柱形軸承面1a相向。
空氣軸承2是氣體靜壓軸承，并且設(shè)有向軸承面1a、2a之間的空間供給空氣以使軸承工作的噴嘴和供應(yīng)通道。這些噴嘴和通道沒有被詳細(xì)地示出或被詳細(xì)地說明，這是因?yàn)橹鬏S的這些方面通常通用的，并且使用的是在空氣軸承領(lǐng)域的公知技術(shù)。
轉(zhuǎn)軸1包括兩個(gè)主要部件一轉(zhuǎn)軸主部11和尾部組件12，其中轉(zhuǎn)軸主部11的外表面構(gòu)成轉(zhuǎn)軸軸承面1a，尾部組件12螺紋安裝到轉(zhuǎn)軸主部11上。尾部組件12被置于孔腔111內(nèi)，該孔腔111設(shè)置在轉(zhuǎn)軸主部11與載有彀(未示出)的一端相對的一端上。
可被稱之為轉(zhuǎn)軸主部11的裙部112的部分限定孔腔111的主體。該裙部112的外表面形成轉(zhuǎn)軸軸承面1a的一部分，裙部112的內(nèi)表面與尾部組件12一起限定轉(zhuǎn)軸1末端大致為環(huán)形的凹槽4。
轉(zhuǎn)軸的尾部組件12包括一組安裝在桿部121上的永磁體5。永磁體5構(gòu)成用于相對殼體3驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸1的電動(dòng)機(jī)的一部分。永磁體5的外表面部分地限定了大致為環(huán)形的凹槽4的內(nèi)邊界。
尾部組件12安裝有編碼器組件6，該編碼器組件是通常通用的，并可用來控制/監(jiān)視轉(zhuǎn)軸1的驅(qū)動(dòng)。該編碼器組件6包括被布置成隨轉(zhuǎn)軸1旋轉(zhuǎn)的編碼器磁盤61。編碼器印刷電路板和編碼器傳感器62安裝在殼體3上。編碼器組件6和印刷電路板及傳感器62一起組成用于控制/監(jiān)視轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)的編碼器裝置。
一組管狀或中空圓柱體形的無鐵芯定子繞組7安裝在主軸殼體3上，使得該無鐵芯繞組73在軸向從轉(zhuǎn)軸殼體3的底部31伸出并被容納在大致為環(huán)形的凹槽4內(nèi)。從而定子繞組7鄰近永磁體組5布置，并且轉(zhuǎn)軸的裙部112環(huán)繞定子繞組7。至少轉(zhuǎn)軸的裙部112是磁性材料，一般是磁性鋼，因而其可以作為繞組7的磁通回路。
轉(zhuǎn)軸1通過接觸部分電連接到殼體3上，該接觸部分在此實(shí)施方案中包括磁流體密封件9。為了防止有害電場效應(yīng)影響所安裝的磁盤，該接觸部分用于將轉(zhuǎn)軸1接地。這種磁流體密封件9可在市場上買到，并且通過磁流體與轉(zhuǎn)軸1接觸，在這種情況下，該密封件被安裝到殼體3上。
磁體5、繞組7(帶有未示出的合適的驅(qū)動(dòng)電源和控制單元)和作為“背鐵”的裙部112一起提供了用于相對殼體3驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸1的高效電動(dòng)機(jī)。該無鐵芯定子直流電動(dòng)機(jī)具有這種電動(dòng)機(jī)帶有的平穩(wěn)性能，并且使用轉(zhuǎn)軸的材料作為背鐵緩和了一些在現(xiàn)有的使用該種電動(dòng)機(jī)的主軸中所發(fā)現(xiàn)的問題。
還應(yīng)注意的是，定子繞組7和環(huán)形凹槽4的直徑小于轉(zhuǎn)軸的軸承面1a的直徑。因此，電動(dòng)機(jī)可以被在徑向上設(shè)置在空氣軸承2“內(nèi)”。此外，大致為環(huán)形的凹槽4、磁體5、裙部112和定子繞組7各自被完全布置或被基本完全布置在空氣軸承2的軸向長度內(nèi)。因此可以說，電動(dòng)機(jī)5、7、112在軸向上被設(shè)置在空氣軸承2內(nèi)，并且不被作為懸臂的轉(zhuǎn)軸1和軸承2支撐。這樣提高了主軸的動(dòng)力學(xué)特性和緊湊性。
相對于使用單個(gè)專用部件作為背鐵的系統(tǒng)而言，使用用作一部分軸承面1a的一部分轉(zhuǎn)軸1來為電動(dòng)機(jī)提供背鐵節(jié)省了部件并降低了從動(dòng)部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
除了徑向空氣軸承2之外，主軸還包括軸向(止推)空氣軸承8。該止推軸承包括設(shè)在轉(zhuǎn)軸1上的軸向止推轉(zhuǎn)子81，該轉(zhuǎn)子被布置于在主軸殼體內(nèi)設(shè)置的一對止推板82、83之間。止推板82、83被止推墊片84分開，并且包括用于向該止推軸承供應(yīng)空氣的相應(yīng)噴口82a、82b。
轉(zhuǎn)軸包括通道C，其用于允許真空泵(未示出)能夠有效地連接到轉(zhuǎn)軸1的卡盤接收部分13，以使得當(dāng)用于夾持磁盤的卡盤被接收部分13接收時(shí)，該卡盤能夠至少部分地在真空作用下被夾持在適當(dāng)位置?？諝廨S承2包括真空口2b，該真空口提供了到轉(zhuǎn)軸1的圓柱體表面1a上設(shè)置的真空供應(yīng)槽113的空氣連通路徑?？?未示出)從槽113通向轉(zhuǎn)軸1的中心孔(未示出)，該中心孔又通向卡盤接收部分13。在此實(shí)施方案中，該卡盤接收部分具有內(nèi)錐部，卡盤的錐部可以被接收進(jìn)其中。該中心孔通向該內(nèi)錐部，使得可以通過真空泵施加吸力到所安裝的卡盤的錐部。
在轉(zhuǎn)軸1的圓柱形表面1a上有一對排氣槽114，在真空供應(yīng)槽113的兩側(cè)各一個(gè)。這些排氣槽114在真空供應(yīng)槽113的兩側(cè)上從徑向空氣軸承2的相應(yīng)部分接收空氣，并將其排出到大氣中，幫助確保真空系統(tǒng)的有效工作。
權(quán)利要求
1.一種空氣軸承主軸，其包括轉(zhuǎn)軸和電動(dòng)機(jī)，其中該轉(zhuǎn)軸依靠空氣軸承安裝、用于在套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)用于相對于套筒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，其中該電動(dòng)機(jī)包括定子繞組，且轉(zhuǎn)軸限定了內(nèi)部布置有定子繞組的大致環(huán)形的容納凹槽，使得在使用中轉(zhuǎn)軸的外圍部分提供了與定子繞組相關(guān)的部分磁通路徑，其中該主軸包括軸向空氣軸承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的主軸，包括將轉(zhuǎn)軸電接地的接觸部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的主軸，其中該接觸部分包括磁流體密封件。
4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該轉(zhuǎn)軸具有與設(shè)置在套筒內(nèi)的相對應(yīng)的軸承面相向的軸承面，定子繞組容納凹槽在徑向上被布置于轉(zhuǎn)軸的軸承面內(nèi)。
5.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該空氣軸承包括輔助口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的主軸，其中該輔助口用于提供到卡盤接收部分的空氣通道連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的主軸，其中該主軸被布置為使得在使用中被接收在接收部分內(nèi)的卡盤在空氣的直接或間接作用下被夾緊，其中該空氣通過該輔助口被提供或抽取。
8.根據(jù)權(quán)利要求5到7中的任一項(xiàng)所述的主軸，其中該輔助口是真空口。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該定子繞組在徑向上被布置于轉(zhuǎn)軸的軸承面內(nèi)。
10.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該套筒包括孔腔，轉(zhuǎn)軸安裝在該孔腔內(nèi)，并且該定子繞組容納凹槽的外徑小于套筒孔腔的直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的主軸，其中該定子繞組是大致環(huán)形的，且定子繞組的直徑小于該套筒孔腔的直徑。
12.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該空氣軸承具有與空氣軸承直接支撐的轉(zhuǎn)軸區(qū)域相對應(yīng)的軸向長度，且定子繞組容納凹槽至少部分被設(shè)置在轉(zhuǎn)軸部分內(nèi)，該部分在工作時(shí)位于空氣軸承的軸向長度內(nèi)。
13.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該定子繞組是無鐵芯繞組，且轉(zhuǎn)軸的外圍部分用作無鐵芯繞組的背鐵。
14.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該定子繞組容納凹槽設(shè)置在轉(zhuǎn)軸的一端，且定子繞組可在軸向從套筒伸入該凹槽。
15.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該定子繞組被布置成中空的圓柱體，該圓柱體在軸向從該套筒的底部伸出。
16.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該轉(zhuǎn)軸包括安裝有至少一塊永磁體的桿部，這些永磁體是電動(dòng)機(jī)的一部分；該轉(zhuǎn)軸還可包括圍繞該桿設(shè)置的外圍裙部，其中該定子繞組容納凹槽被限定在桿和裙部之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的主軸，其中該轉(zhuǎn)軸具有為單塊材料的主轉(zhuǎn)軸部分，該主轉(zhuǎn)軸部分包括該裙部，但不一定包括該桿。
18.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該主軸是一種空氣靜壓軸承主軸。
19.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸，其中該主軸是一種磁盤測試空氣軸承主軸。
20.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的主軸包括用于控制和/或監(jiān)視轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)的編碼器組件。
21.一種用于根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的空氣軸承主軸中的轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)軸包括裝有至少一個(gè)永磁體的桿部和繞該桿設(shè)置的外圍裙部，定子繞組容納凹槽被限定在該桿和該裙部之間。
全文摘要
一種空氣軸承主軸，其包括轉(zhuǎn)軸(1)和電動(dòng)機(jī)，其中該轉(zhuǎn)軸(1)依靠空氣軸承安裝、用于在套筒(3)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)用于相對于套筒(3)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸(1)，其中該電動(dòng)機(jī)包括定子繞組(7)，且轉(zhuǎn)軸限定了其內(nèi)部布置有定子繞組(7)的大致環(huán)形的容納凹槽(111)，使得在使用中轉(zhuǎn)軸的外圍部分(112)提供了與定子繞組(7)相關(guān)的部分磁通路徑，其中該主軸包括軸向空氣軸承(8)。
文檔編號(hào)H02K21/14GK101015110SQ200580024925
公開日2007年8月8日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者R·J·W·鮑威爾 申請人:Gsi集團(tuán)有限公司