专利名称：空气轴承主轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气轴承主轴(spindle)。本发明尤其适用于在相对低速(比如说10,000rpm到15,000rpm)中的应用。一个特别受关注的应用是磁盘测试主轴的应用，其他可能的应用包括在半导体和机床工业中的使用。
用于驱动空气轴承主轴的公知现有技术是通过将永磁体安装在转轴(shaft)上并在主轴的固定部分内设置激励绕组来形成电动机。该转轴一般安装在主轴内的一个或多个空气轴承内，而磁体和绕组位于轴承之间或者轴承的一侧。在只有单个空气轴承的应用中，这一结构意味着转轴和轴承充当了支撑电动机的悬臂。这影响了使主轴紧凑的程度，并会损害主轴的动态特性。
这些结构使用常规无刷直流电动机的构思，因而会具有磁滞损耗和嵌齿效应。
最近开发的带有无铁芯定子的无刷直流电动机已经使现有的运动系统具有了非常平滑的运动。这要归功于载有永磁体和磁性材料圈以提供闭合磁路的回路、从而使得在这些部件之间没有相对运动的转子。在最简单的结构中，这种电动机包括三个元件定子绕组、永磁体和回路铁芯(return iron)。最后两个元件一般被组合为一个元件，以被连接到电动机驱动的转轴上。这些电动机一般在转子和定子之间使用流体动力(油基)轴承或滚珠轴承。
空气轴承主轴的某些应用在运动质量方面的需求不断增大。在传统电动机中所发现的由不规则通量耦合所引起的干扰是现在很受关注的问题。无铁芯定子类型的电动机在运动质量上潜在地提供了很大改进，但是这些系统所需要的电动机转子的大质量、磁极惯性以及直径阻碍了它们的实现。这些因素现已否定了该潜在优势。
本发明的目的之一在于缓和现有技术带有的至少一些问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种空气轴承主轴，其包括转轴和电动机，其中该转轴依靠空气轴承安装、用于在套筒内转动，该电动机用于相对于套筒驱动转轴，其中该电动机包括定子绕组，并且该转轴限定了内部装有定子绕组的大致环形的容纳凹槽，使得在使用中转轴的外围部分提供了与定子绕组相关的部分磁通路径。
其优点在于能够实现紧凑设计并且所使用的部件数量能够最少。此外，转轴本身所使用的材料被制为能够提供磁通回路。
一般，该转轴具有与设置在套筒内的相对应的轴承面相向的轴承面。优选地，该定子绕组容纳凹槽可在径向被布置于转轴的轴承面内。因此，定子绕组可在径向被布置于该转轴的轴承面内。至少在某些这种情况下，不仅是转轴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轴承面。
套筒可以包括在其内安装有转轴的主孔腔。定子绕组容纳凹槽的外径可小于套筒孔腔的直径。
空气轴承主轴可以是一种空气静压轴承主轴。该空气轴轴承可以包括轴向空气轴承。此轴向空气轴承可以充当止推轴承。
定子绕组可以是大致环形的，且定子绕组的直径可以小于套筒孔腔的直径。
在此说明书中，措辞大致环形用来指代任意大致环状结构，无需具有几何上精确环形的形状。特别是就定子绕组而言，可以是独立部件一起布置形成的大致环形的整体形状。
上文所限定的结构特点有助于实现紧凑设计并使得电动机有可能被设置在空气轴承中。
空气轴承可被认为具有与空气轴承直接支撑的转轴区域相对应的轴向长度。优选地，定子绕组容纳凹槽至少部分被设置在工作时位于空气轴承的轴向长度内的转轴部分内。这一结构特点可使设计紧凑并能够用来避免电动机向外伸展过轴承。
定子绕组一般是无铁芯绕组，且转轴的外围部分用作无铁芯绕组的背铁。可以理解的是，绕组通常包括绕磁性材料芯(通常是铁)缠绕的线圈；而无铁芯绕组包括至少一个线圈，但没有磁性材料芯。特别地，若在本发明的实施方案中使用无铁芯绕组，则相对于使用常规直流电动机装置的系统具有性能优势。这至少部分是因为能够减少或消除磁滞损耗和嵌齿效应。
定子绕组容纳凹槽可以设置在转轴的一端，定子绕组可在轴向从套筒伸入该凹槽。定子绕组可以被设置成中空的圆柱体，该圆柱体在轴向从该套筒的底部伸出。
转轴可包括安装有至少一块永磁体的杆部，这些永磁体是电动机的一部分；该转轴还可包括围绕该杆布置的外围裙部。定子绕组容纳凹槽可限定在杆和裙部之间。
转轴可以具有为单块材料的主转轴部分，该主转轴部分包括该裙部。杆部可以具有一块与主转轴部分不同的材料。
该主轴的转轴可以安装用于控制和/或监视转轴的驱动的编码器组件。
该主轴可以包括将转轴电接地的接触部分。接触部分可以包括绕转轴部分布置的密封件。密封件可安装在主轴的套筒上。该密封件可包括磁流体密封件，使得套筒和转轴之间仅通过流体才可能接触。
根据本发明的另一方面，提供了一种在上文所限定的类型的空气轴承主轴中使用的转轴，该转轴包括装有至少一个永磁体的杆部和绕该杆布置的外围裙部，该定子绕组容纳凹槽被限定在杆和裙部之间。
空气轴承主轴可以是一种磁盘测试空气轴承主轴。该空气轴承主轴可以包括用于提供到卡盘接收部分的空气通道连接的辅助口。该辅助口可以是真空口。这使得卡盘在真空作用下被夹持在适当位置。这可以直接实现或者间接实现。该卡盘可以具有锥部，该锥部在真空的作用下被接收和夹持在相应的锥部内。或者，卡盘接收部可以包括在真空作用下可操作以夹紧该卡盘的机构。同样地，可给该辅助口供应正压空气，以操纵机构来夹紧该卡盘。用于夹紧卡盘的机构可以包括弹簧组和/或柱塞。
现只参照示出了一种磁盘测试空气轴承主轴的附图
，通过实施例的方式来说明本发明的实施方案。
附图示出了一种磁盘测试空气轴承主轴，其包括用于旋转地驱动主轴的转轴1的无铁芯直流电动机。这种磁盘测试主轴用于在介质磁盘被装入磁盘驱动器之前的在测试过程中承载和旋转该介质磁盘。磁盘可以由安装在转轴1上的毂(未示出)来承载。
虽然本发明对磁盘测试主轴是有用的，但如上所述，本发明的应用比这种应用更广泛。
主轴的转轴1安装在空气轴承2内，而空气轴承又被布置在主轴壳体3内。壳体3和轴承2一起被认为能提供其内装有用于旋转的转轴1的套筒。该轴承具有内部整体为圆柱形的轴承面2a，该轴承面2a与转轴1的相应外部圆柱形轴承面1a相向。
空气轴承2是气体静压轴承，并且设有向轴承面1a、2a之间的空间供给空气以使轴承工作的喷嘴和供应通道。这些喷嘴和通道没有被详细地示出或被详细地说明，这是因为主轴的这些方面通常通用的，并且使用的是在空气轴承领域的公知技术。
转轴1包括两个主要部件一转轴主部11和尾部组件12，其中转轴主部11的外表面构成转轴轴承面1a，尾部组件12螺纹安装到转轴主部11上。尾部组件12被置于孔腔111内，该孔腔111设置在转轴主部11与载有彀(未示出)的一端相对的一端上。
可被称之为转轴主部11的裙部112的部分限定孔腔111的主体。该裙部112的外表面形成转轴轴承面1a的一部分，裙部112的内表面与尾部组件12一起限定转轴1末端大致为环形的凹槽4。
转轴的尾部组件12包括一组安装在杆部121上的永磁体5。永磁体5构成用于相对壳体3驱动转轴1的电动机的一部分。永磁体5的外表面部分地限定了大致为环形的凹槽4的内边界。
尾部组件12安装有编码器组件6，该编码器组件是通常通用的，并可用来控制/监视转轴1的驱动。该编码器组件6包括被布置成随转轴1旋转的编码器磁盘61。编码器印刷电路板和编码器传感器62安装在壳体3上。编码器组件6和印刷电路板及传感器62一起组成用于控制/监视转轴驱动的编码器装置。
一组管状或中空圆柱体形的无铁芯定子绕组7安装在主轴壳体3上，使得该无铁芯绕组73在轴向从转轴壳体3的底部31伸出并被容纳在大致为环形的凹槽4内。从而定子绕组7邻近永磁体组5布置，并且转轴的裙部112环绕定子绕组7。至少转轴的裙部112是磁性材料，一般是磁性钢，因而其可以作为绕组7的磁通回路。
转轴1通过接触部分电连接到壳体3上，该接触部分在此实施方案中包括磁流体密封件9。为了防止有害电场效应影响所安装的磁盘，该接触部分用于将转轴1接地。这种磁流体密封件9可在市场上买到，并且通过磁流体与转轴1接触，在这种情况下，该密封件被安装到壳体3上。
磁体5、绕组7(带有未示出的合适的驱动电源和控制单元)和作为“背铁”的裙部112一起提供了用于相对壳体3驱动转轴1的高效电动机。该无铁芯定子直流电动机具有这种电动机带有的平稳性能，并且使用转轴的材料作为背铁缓和了一些在现有的使用该种电动机的主轴中所发现的问题。
还应注意的是，定子绕组7和环形凹槽4的直径小于转轴的轴承面1a的直径。因此，电动机可以被在径向上设置在空气轴承2“内”。此外，大致为环形的凹槽4、磁体5、裙部112和定子绕组7各自被完全布置或被基本完全布置在空气轴承2的轴向长度内。因此可以说，电动机5、7、112在轴向上被设置在空气轴承2内，并且不被作为悬臂的转轴1和轴承2支撑。这样提高了主轴的动力学特性和紧凑性。
相对于使用单个专用部件作为背铁的系统而言，使用用作一部分轴承面1a的一部分转轴1来为电动机提供背铁节省了部件并降低了从动部件的质量和转动惯量。
除了径向空气轴承2之外，主轴还包括轴向(止推)空气轴承8。该止推轴承包括设在转轴1上的轴向止推转子81，该转子被布置于在主轴壳体内设置的一对止推板82、83之间。止推板82、83被止推垫片84分开，并且包括用于向该止推轴承供应空气的相应喷口82a、82b。
转轴包括通道C，其用于允许真空泵(未示出)能够有效地连接到转轴1的卡盘接收部分13，以使得当用于夹持磁盘的卡盘被接收部分13接收时，该卡盘能够至少部分地在真空作用下被夹持在适当位置。空气轴承2包括真空口2b，该真空口提供了到转轴1的圆柱体表面1a上设置的真空供应槽113的空气连通路径。孔(未示出)从槽113通向转轴1的中心孔(未示出)，该中心孔又通向卡盘接收部分13。在此实施方案中，该卡盘接收部分具有内锥部，卡盘的锥部可以被接收进其中。该中心孔通向该内锥部，使得可以通过真空泵施加吸力到所安装的卡盘的锥部。
在转轴1的圆柱形表面1a上有一对排气槽114，在真空供应槽113的两侧各一个。这些排气槽114在真空供应槽113的两侧上从径向空气轴承2的相应部分接收空气，并将其排出到大气中，帮助确保真空系统的有效工作。
权利要求
1.一种空气轴承主轴，其包括转轴和电动机，其中该转轴依靠空气轴承安装、用于在套筒内转动，该电动机用于相对于套筒驱动转轴，其中该电动机包括定子绕组，且转轴限定了内部布置有定子绕组的大致环形的容纳凹槽，使得在使用中转轴的外围部分提供了与定子绕组相关的部分磁通路径，其中该主轴包括轴向空气轴承。
2.根据权利要求1的主轴，包括将转轴电接地的接触部分。
3.根据权利要求2的主轴，其中该接触部分包括磁流体密封件。
4.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该转轴具有与设置在套筒内的相对应的轴承面相向的轴承面，定子绕组容纳凹槽在径向上被布置于转轴的轴承面内。
5.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该空气轴承包括辅助口。
6.根据权利要求5的主轴，其中该辅助口用于提供到卡盘接收部分的空气通道连接。
7.根据权利要求6的主轴，其中该主轴被布置为使得在使用中被接收在接收部分内的卡盘在空气的直接或间接作用下被夹紧，其中该空气通过该辅助口被提供或抽取。
8.根据权利要求5到7中的任一项所述的主轴，其中该辅助口是真空口。
9.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该定子绕组在径向上被布置于转轴的轴承面内。
10.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该套筒包括孔腔，转轴安装在该孔腔内，并且该定子绕组容纳凹槽的外径小于套筒孔腔的直径。
11.根据权利要求10的主轴，其中该定子绕组是大致环形的，且定子绕组的直径小于该套筒孔腔的直径。
12.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该空气轴承具有与空气轴承直接支撑的转轴区域相对应的轴向长度，且定子绕组容纳凹槽至少部分被设置在转轴部分内，该部分在工作时位于空气轴承的轴向长度内。
13.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该定子绕组是无铁芯绕组，且转轴的外围部分用作无铁芯绕组的背铁。
14.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该定子绕组容纳凹槽设置在转轴的一端，且定子绕组可在轴向从套筒伸入该凹槽。
15.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该定子绕组被布置成中空的圆柱体，该圆柱体在轴向从该套筒的底部伸出。
16.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该转轴包括安装有至少一块永磁体的杆部，这些永磁体是电动机的一部分；该转轴还可包括围绕该杆设置的外围裙部，其中该定子绕组容纳凹槽被限定在杆和裙部之间。
17.根据权利要求16的主轴，其中该转轴具有为单块材料的主转轴部分，该主转轴部分包括该裙部，但不一定包括该杆。
18.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该主轴是一种空气静压轴承主轴。
19.根据前述任一项权利要求所述的主轴，其中该主轴是一种磁盘测试空气轴承主轴。
20.根据前述任一项权利要求所述的主轴包括用于控制和/或监视转轴的驱动的编码器组件。
21.一种用于根据前述任一项权利要求所述的空气轴承主轴中的转轴，该转轴包括装有至少一个永磁体的杆部和绕该杆设置的外围裙部，定子绕组容纳凹槽被限定在该杆和该裙部之间。
全文摘要
一种空气轴承主轴，其包括转轴(1)和电动机，其中该转轴(1)依靠空气轴承安装、用于在套筒(3)内转动，该电动机用于相对于套筒(3)驱动转轴(1)，其中该电动机包括定子绕组(7)，且转轴限定了其内部布置有定子绕组(7)的大致环形的容纳凹槽(111)，使得在使用中转轴的外围部分(112)提供了与定子绕组(7)相关的部分磁通路径，其中该主轴包括轴向空气轴承(8)。
文档编号H02K21/14GK101015110SQ200580024925
公开日2007年8月8日 申请日期2005年7月21日 优先权日2004年7月23日
发明者R·J·W·鲍威尔 申请人:Gsi集团有限公司