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精確定位的高帶寬新型首圈電機(jī)驅(qū)動器研究
為了實現(xiàn)單碟硬盤（HDD）容量越來越高的需求，HDD應(yīng)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(tǒng)。國際上許多研究者致力于提高磁頭定位系統(tǒng)的伺服帶寬117.其中一種方法是使用雙級驅(qū)動系統(tǒng)一音圈電機(jī)（VCM）驅(qū)動器為第一級，微型驅(qū)動器為第二級1451；另一種方法是改善傳統(tǒng)的單級VCM驅(qū)動器的機(jī)械動力113671.對于雙級驅(qū)動系統(tǒng)，必須對第一級驅(qū)動進(jìn)行極體的暴露會給驅(qū)動器的生產(chǎn)和大改進(jìn)，得到高的機(jī)械帶寬才能改善整個系統(tǒng)的性能。而對于單級定位，已開發(fā)出一種高度改進(jìn)的驅(qū)動系統(tǒng)以支持高達(dá)100kTPI以上的磁道密度，這種方法既節(jié)約制造和裝配的成本又非?？煽?。這樣基于VCM驅(qū)動，產(chǎn)生正交力或純力矩是增加機(jī)械帶寬的有效途梗13.由于傳統(tǒng)驅(qū)動器固有的中頻帶共振嚴(yán)重限制了伺服帶寬（大約為驅(qū)動器主共振頻率的20%）因而使得讀寫頭跟蹤系統(tǒng)無法達(dá)到硬盤驅(qū)動高TIP刻錄的要求。在這些難以預(yù)料的中頻帶共振中，橫向準(zhǔn)剛性體震動模式（QR模式）是磁頭定位系統(tǒng)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(qū)動器活動部件的質(zhì)量產(chǎn)生的。對于傳統(tǒng)的驅(qū)動器，QR模式通常在3內(nèi)。另外，第一橫向面內(nèi)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(tǒng)驅(qū)動組件支撐的伺服系統(tǒng)的帶寬。因此增加磁頭定位系統(tǒng)伺服帶寬的關(guān)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(jié)構(gòu)的高帶寬動圈式音圈電機(jī)驅(qū)動器以產(chǎn)生正交力或者純力矩。由于簡單的扁平拉長動圈構(gòu)成驅(qū)動器，與硬盤使用的傳統(tǒng)驅(qū)動器一樣簡單。研究表明這種設(shè)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(qū)動器的構(gòu)造1.1傳統(tǒng)驅(qū)動器的構(gòu)造與缺陷硬盤廣泛采用的傳統(tǒng)動圈VCM定位系統(tǒng)如所示。由圖可見，傳統(tǒng)VCM產(chǎn)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(chǎn)生一個顯著的反作用力Fr，F(xiàn)r激發(fā)橫向的QR模式，嚴(yán)重影響了磁頭定位系統(tǒng)的精確追蹤。
表示傳統(tǒng)驅(qū)動器自身激發(fā)的兩種具有代表性的共振：QR模式（3~5kHz）和橫向面內(nèi)彎曲模式（7~10kHz）。對應(yīng)的頻率響應(yīng)如所示。由圖可知傳統(tǒng)執(zhí)行器的頻率響應(yīng)特征中有兩個峰值分別對應(yīng)于QR模式和橫向面內(nèi)彎曲模式。為了充分改進(jìn)單驅(qū)動器的性能，尤其是動態(tài)特性，從而抑制反作用力激發(fā)的QR模式，研究者采用了許多方法，包括移動磁體驅(qū)動器中提到的線圈與定位平面的垂直驅(qū)動器均不相同。線圈是一個簡單的扁平拉長動圈。永久磁鐵被設(shè)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(xiàn)。單平面驅(qū)動音圈與一組磁極的獨特設(shè)計加上軛部組件可以在線圈的4個部分中產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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、永久磁鐵和軛面與傳統(tǒng)VCM中幾乎一樣簡單因此生產(chǎn)和裝配過程也與傳統(tǒng)驅(qū)動器一樣簡單。
2電磁設(shè)計與優(yōu)化新型高帶寬驅(qū)動器的電磁設(shè)計和優(yōu)化目標(biāo)是在音圈電機(jī)體積最小、用料最少的情況下使得力矩或電機(jī)常數(shù)最大化。同時使驅(qū)動器在一定角度位移的情況下以最短的尋找時間和最小的能耗產(chǎn)生足夠的力或者力矩去移動一定的負(fù)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(guān)鍵尺寸和電磁參數(shù)，包括電機(jī)高度、磁鐵形狀和尺寸、氣隙磁通密度以及氣隙長度。優(yōu)化電機(jī)磁路和線圈的設(shè)計參數(shù)以滿足最大力矩和電機(jī)常數(shù)。磁軛的側(cè)面被用于平衡磁路。由于音圈的優(yōu)化空間有限，線圈的設(shè)計必須滿足有效導(dǎo)體和額定功率最大化。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(qiáng)，用最少的能耗獲得最佳的存取性能是線圈設(shè)計中的關(guān)鍵問題。使用三維有限元分析對電磁設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化。電磁設(shè)計中預(yù)測的新型驅(qū)動器的一些參數(shù)與3.5"HDD中使用的傳統(tǒng)驅(qū)動器參數(shù)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(zhuǎn)矩常數(shù)、電機(jī)常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、電時間常數(shù)、機(jī)械時間常數(shù)、加速率。由表可見對新型驅(qū)動器的電磁設(shè)計優(yōu)化得到比傳統(tǒng)驅(qū)動器中更好的電磁性能。
表1高帶寬驅(qū)動器和傳統(tǒng)驅(qū)動器的電磁參數(shù)驅(qū)動器?？赏ㄟ^有限元分析證明：用鋁硼如所示，橫向面內(nèi)彎曲模式的頻率變?yōu)?kHz（1）由于新型高帶寬驅(qū)動器中音圈電機(jī)的獨特左右。這樣就可以解釋為什么腧果限元結(jié)構(gòu)和磁體排列，新型驅(qū)動器產(chǎn)生的力與橫向正交，元分析預(yù)測的結(jié)果11. 5kHz要低很多，這主要是由驅(qū)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(qū)動器VCM部分的強(qiáng)度比通常情況下有限元分析中使用的要低很多，導(dǎo)致了整個結(jié)構(gòu)硬度的下降，降低了橫向面內(nèi)彎曲模式的頻率，這一點可通過有限元分析進(jìn)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(nèi)彎曲的頻率變?yōu)?5.7kHz，比11.5kHz高出很多。
4結(jié)語本文設(shè)計了一種新型高帶寬動圈驅(qū)動器，并對其進(jìn)行優(yōu)化和分析。其特點如下：得到純力矩，使中樞軸承和軸上產(chǎn)生的反作用力顯著降低。
用有限元分析對一些關(guān)鍵的電磁參數(shù)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化與預(yù)測，表明新型高帶寬驅(qū)動器的電磁性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動器。
采用三維有限元分析法對新型高帶寬驅(qū)動器的動態(tài)性能進(jìn)行評估，它的頻率響應(yīng)特征表明影響伺服帶寬的橫向準(zhǔn)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(qū)動器支持的伺服系統(tǒng)可以得到更高的帶寬。
本文介紹了一種帶有新型線圈磁體結(jié)構(gòu)的高帶寬動圈式音圈電機(jī)驅(qū)動器以產(chǎn)生正交力或者純力矩。由于簡單的扁平拉長動圈構(gòu)成驅(qū)動器，與硬盤使用的傳統(tǒng)驅(qū)動器一樣簡單。研究表明這種設(shè)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(qū)動器的構(gòu)造1.1傳統(tǒng)驅(qū)動器的構(gòu)造與缺陷硬盤廣泛采用的傳統(tǒng)動圈VCM定位系統(tǒng)如所示。由圖可見，傳統(tǒng)VCM產(chǎn)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(chǎn)生一個顯著的反作用力Fr，F(xiàn)r激發(fā)橫向的QR模式，嚴(yán)重影響了磁頭定位系統(tǒng)的精確追蹤。
表示傳統(tǒng)驅(qū)動器自身激發(fā)的兩種具有代表性的共振：QR模式（3~5kHz）和橫向面內(nèi)彎曲模式（7~10kHz）。對應(yīng)的頻率響應(yīng)如所示。由圖可知傳統(tǒng)執(zhí)行器的頻率響應(yīng)特征中有兩個峰值分別對應(yīng)于QR模式和橫向面內(nèi)彎曲模式。為了充分改進(jìn)單驅(qū)動器的性能，尤其是動態(tài)特性，從而抑制反作用力激發(fā)的QR模式，研究者采用了許多方法，包括移動磁體驅(qū)動器中提到的線圈與定位平面的垂直驅(qū)動器均不相同。線圈是一個簡單的扁平拉長動圈。永久磁鐵被設(shè)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(xiàn)。單平面驅(qū)動音圈與一組磁極的獨特設(shè)計加上軛部組件可以在線圈的4個部分中產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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、永久磁鐵和軛面與傳統(tǒng)VCM中幾乎一樣簡單因此生產(chǎn)和裝配過程也與傳統(tǒng)驅(qū)動器一樣簡單。
2電磁設(shè)計與優(yōu)化新型高帶寬驅(qū)動器的電磁設(shè)計和優(yōu)化目標(biāo)是在音圈電機(jī)體積最小、用料最少的情況下使得力矩或電機(jī)常數(shù)最大化。同時使驅(qū)動器在一定角度位移的情況下以最短的尋找時間和最小的能耗產(chǎn)生足夠的力或者力矩去移動一定的負(fù)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(guān)鍵尺寸和電磁參數(shù)，包括電機(jī)高度、磁鐵形狀和尺寸、氣隙磁通密度以及氣隙長度。優(yōu)化電機(jī)磁路和線圈的設(shè)計參數(shù)以滿足最大力矩和電機(jī)常數(shù)。磁軛的側(cè)面被用于平衡磁路。由于音圈的優(yōu)化空間有限，線圈的設(shè)計必須滿足有效導(dǎo)體和額定功率最大化。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(qiáng)，用最少的能耗獲得最佳的存取性能是線圈設(shè)計中的關(guān)鍵問題。使用三維有限元分析對電磁設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化。電磁設(shè)計中預(yù)測的新型驅(qū)動器的一些參數(shù)與3.5"HDD中使用的傳統(tǒng)驅(qū)動器參數(shù)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(zhuǎn)矩常數(shù)、電機(jī)常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、電時間常數(shù)、機(jī)械時間常數(shù)、加速率。由表可見對新型驅(qū)動器的電磁設(shè)計優(yōu)化得到比傳統(tǒng)驅(qū)動器中更好的電磁性能。
表1高帶寬驅(qū)動器和傳統(tǒng)驅(qū)動器的電磁參數(shù)驅(qū)動器?？赏ㄟ^有限元分析證明：用鋁硼如所示，橫向面內(nèi)彎曲模式的頻率變?yōu)?kHz（1）由于新型高帶寬驅(qū)動器中音圈電機(jī)的獨特左右。這樣就可以解釋為什么腧果限元結(jié)構(gòu)和磁體排列，新型驅(qū)動器產(chǎn)生的力與橫向正交，元分析預(yù)測的結(jié)果11. 5kHz要低很多，這主要是由驅(qū)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(qū)動器VCM部分的強(qiáng)度比通常情況下有限元分析中使用的要低很多，導(dǎo)致了整個結(jié)構(gòu)硬度的下降，降低了橫向面內(nèi)彎曲模式的頻率，這一點可通過有限元分析進(jìn)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(nèi)彎曲的頻率變?yōu)?5.7kHz，比11.5kHz高出很多。
4結(jié)語本文設(shè)計了一種新型高帶寬動圈驅(qū)動器，并對其進(jìn)行優(yōu)化和分析。其特點如下：得到純力矩，使中樞軸承和軸上產(chǎn)生的反作用力顯著降低。
用有限元分析對一些關(guān)鍵的電磁參數(shù)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化與預(yù)測，表明新型高帶寬驅(qū)動器的電磁性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動器。
采用三維有限元分析法對新型高帶寬驅(qū)動器的動態(tài)性能進(jìn)行評估，它的頻率響應(yīng)特征表明影響伺服帶寬的橫向準(zhǔn)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(qū)動器支持的伺服系統(tǒng)可以得到更高的帶寬。