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定位的高帶寬新型首圈電機驅動器研究
1970年01月01日 08:00 工控產業網

  為了實現單碟硬盤(HDD)容量越來越高的需求,HDD應具有極高的磁道密度,這需要一個具有高伺服帶寬的磁頭定位系統。國際上許多研究者致力于提高磁頭定位系統的伺服帶寬117.其中一種方法是使用雙級驅動系統一音圈電機(VCM)驅動器為級,微型驅動器為第二級1451;另一種方法是改善傳統的單級VCM驅動器的機械動力113671.對于雙級驅動系統,必須對級驅動進行極體的暴露會給驅動器的生產和大改進,得到高的機械帶寬才能改善整個系統的性能。而對于單級定位,已開發出一種高度改進的驅動系統以支持高達100kTPI以上的磁道密度,這種方法既節約制造和裝配的成本又非常可靠。這樣基于VCM驅動,產生正交力或純力矩是增加機械帶寬的有效途梗13.由于傳統驅動器固有的中頻帶共振嚴重限制了伺服帶寬(大約為驅動器主共振頻率的20)因而使得讀寫頭跟蹤系統無法達到硬盤驅動高TIP刻錄的要求。在這些難以預料的中頻帶共振中,橫向準剛性體震動模式(QR模式)是磁頭定位系統的伺服帶寬受到限制的主要因素。而QR模式主要是由中樞軸承的彈力和驅動器活動部件的質量產生的。對于傳統的驅動器,QR模式通常在3內。另外,橫向面內彎曲震動模式是影響伺服帶寬的又一個因素,通常位于7~10kHz.QR模式的低頻明顯限制了由傳統驅動組件支撐的伺服系統的帶寬。因此增加磁頭定位系統伺服帶寬的關鍵在于盡量減少或者完全去除QR模式。

  本文介紹了一種帶有新型線圈磁體結構的高帶寬動圈式音圈電機驅動器以產生正交力或者純力矩。由于簡單的扁平拉長動圈構成驅動器,與硬盤使用的傳統驅動器一樣簡單。研究表明這種設計中由中樞軸承和軸引起的中頻QR模式得到顯著抑制,使得主共振頻率提高到到11kHz如果使用高硬度材料制造臂件,主共振頻率可提高到15kHz. 1驅動器的構造1.1傳統驅動器的構造與缺陷硬盤廣泛采用的傳統動圈VCM定位系統如所示。由圖可見,傳統VCM產生的推動力Fa在橫向方向有一個很大的分量。這個分量在中樞軸承裝配上產生一個顯著的反作用力Fr,Fr激發橫向的QR模式,嚴重影響了磁頭定位系統的追蹤。

  表示傳統驅動器自身激發的兩種具有代表性的共振:QR模式(3~5kHz)和橫向面內彎曲模式(7~10kHz)。對應的頻率響應如所示。由圖可知傳統執行器的頻率響應特征中有兩個峰值分別對應于QR模式和橫向面內彎曲模式。為了充分改進單驅動器的性能,尤其是動態特性,從而抑制反作用力激發的QR模式,研究者采用了許多方法,包括移動磁體驅動器中提到的線圈與定位平面的垂直驅動器均不相同。線圈是一個簡單的扁平拉長動圈。磁鐵被設計為4個依次緊緊安置在軛面上的可選極,可以通過有4極的磁鐵或者2個各有2極的磁鐵實現。單平面驅動音圈與一組磁極的設計加上軛部組件可以在線圈的4個部分中產生力F1、F2、F3和F4.如所示,這些力與橫向面正交,因此顯著抑制了該面上產生的施加在中樞軸承和軸上的反作用力。理想情況下,由中樞軸承和軸組件產生的中頻帶頻率QR模式可被完全消除。同時,所使用的平面線圈、磁鐵和軛面與傳統VCM中幾乎一樣簡單因此生產和裝配過程也與傳統驅動器一樣簡單。

  2電磁設計與優化新型高帶寬驅動器的電磁設計和優化目標是在音圈電機體積小、用料少的情況下使得力矩或電機常數大化。同時使驅動器在一定角度位移的情況下以短的尋找時間和小的能耗產生足夠的力或者力矩去移動一定的負荷(線圈、線圈支撐、臂、懸掛和滑塊)。通過使用二維有限元分析大致確定一些關鍵尺寸和電磁參數,包括電機高度、磁鐵形狀和尺寸、氣隙磁通密度以及氣隙長度。優化電機磁路和線圈的設計參數以滿足大力矩和電機常數。磁軛的側面被用于平衡磁路。由于音圈的優化空間有限,線圈的設計必須滿足有效導體和額定功率大化。同時需要考慮輸入充足功率以獲得良好的存取性能盡可能少功耗。對于一定的場強,用少的能耗獲得佳的存取性能是線圈設計中的關鍵問題。使用三維有限元分析對電磁設計進一步優化。電磁設計中預測的新型驅動器的一些參數與3.5"HDD中使用的傳統驅動器參數的比較如表1所示。表中::、L、Kf、Tr、m、Te、Tm、a分別為線圈電阻、線圈電感、轉矩常數、電機常數、轉動慣量、電時間常數、機械時間常數、加速率。由表可見對新型驅動器的電磁設計優化得到比傳統驅動器中更好的電磁性能。

  表1高帶寬驅動器和傳統驅動器的電磁參數驅動器。可通過有限元分析證明:用鋁硼如所示,橫向面內彎曲模式的頻率變為8kHz(1)由于新型高帶寬驅動器中音圈電機的左右。這樣就可以解釋為什么腧果限元結構和磁體排列,新型驅動器產生的力與橫向正交,元分析預測的結果11. 5kHz要低很多,這主要是由驅動器的原型器件造成的。由于原型器件的線圈是手工制成的,而且驅動器VCM部分的強度比通常情況下有限元分析中使用的要低很多,導致了整個結構硬度的下降,降低了橫向面內彎曲模式的頻率,這一點可通過有限元分析進行驗證。將線圈和線圈支持(塑料)的彈性模量分別降至原來值的1/5,炭合物取代鋁作為臂部件材料,橫向面內彎曲的頻率變為15.7kHz,比11.5kHz高出很多。

  4結語本文設計了一種新型高帶寬動圈驅動器,并對其進行優化和分析。其特點如下:得到純力矩,使中樞軸承和軸上產生的反作用力顯著降低。

  用有限元分析對一些關鍵的電磁參數和尺寸進行優化與預測,表明新型高帶寬驅動器的電磁性能明顯優于傳統驅動器。

  采用三維有限元分析法對新型高帶寬驅動器的動態性能進行評估,它的頻率響應特征表明影響伺服帶寬的橫向準剛性體震動模式(QR模式)被顯著抑制。因而在高磁道密度記錄中,新型高帶寬驅動器支持的伺服系統可以得到更高的帶寬。

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