CN1148740C - 基于力控制的磁悬浮硬盘驱动器 - Google Patents

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Abstract

基于力控制的磁悬浮硬盘驱动器，涉及一种硬盘驱动器。它由盘片、磁悬浮转子、力传感器、A/D、DSP、D/A及功率放大器构成。磁悬浮转子由主轴及其外套的内、外磁环、定子铁芯及其外绕的线圈构成。定子铁芯外套有力传感器，该力传感器可测量三维空间的6个分力。本发明用磁悬浮技术将硬盘转子完全悬浮起来，以磁力轴承取代传统的轴承。利用传感器测量出的三维空间的6个分力的电压信号，转换成控制信号，再经功率放大后转换成电流信号，电流在电磁铁中产生磁力，使磁悬浮转子随时处于悬浮平衡状态。本发明能大大减少传感器所占的空间，有利于研究和解决磁悬浮系统中存在的各种耦合问题。本发明同时适用于光盘驱动器或其他类似的驱动器。

Description

基于力控制的磁悬浮硬盘驱动器
                               技术领域
本发明涉及一种计算机中的硬盘驱动器，具体为基于力控制的磁悬浮硬盘驱动器。
                               背景技术
硬盘是计算机中的一个关键部件，硬盘速度的高低在整个计算机系统中的作用仅次于CPU和内存。硬盘主要由硬盘盘片、主轴电机、磁头驱动机构和控制电路板等组成。由主轴电机带动覆盖着记录介质的盘片高速旋转，同时磁头驱动机构驱动磁头进行数据的读写，控制电路则完成所有的机械及数据传送的控制任务。计算机系统中最主要的几个组件包括CPU、显卡、主板、内存和硬盘。唯一只有硬盘是依靠机械方式来进行数据读写的，而机械系统运动的速度要远远慢于电路系统。因此，硬盘的读写速度成为进一步提高计算机速度的瓶颈。在硬盘容量不断加倍，成本不断下降的同时，其速度不要输给CPU或者内存太多是硬盘发展的趋势。
提高硬盘的读写速度一般可以从两个方面着手：一是提高主轴电机的转速；二是增加硬盘的缓存。提高主轴电机的转速，可以降低硬盘的寻道时间，提高内部数据传输速率。现在Seagate公司已经推出主轴转数为15000r/min的Cheetah X15商业化硬盘驱动器。有研究资料表明硬盘驱动器主轴的最佳转速在32000～40000r/min之间。
但机械系统转速的提高会导致发热、磨损、振动、噪音及润滑液污染等问题，传统的支承技术难以适应硬盘转速提高的要求。而磁悬浮技术具有无接触、无磨损、速度高；无须润滑和密封、无环境污染；功耗低、节能；精度高、抗振动、无噪音；易于实现各种智能控制等特性。而这些特点十分贴切地满足了高速硬盘系统的需要，因此采用磁悬浮技术，研究开发磁悬浮硬盘驱动器是顺理成章的事。
传统的磁力轴承必须由位移传感器来测量主轴的位移。取决磁力轴承性能好坏的一个重要方面是所采用的位移传感器的性能。为了测量运动转子的位置，必须使用非接触式传感器。从机械设计的角度考虑，要支承一个主轴需要限制其5个自由度，故一般需要5个传感器，如果采用差动方案，则需要10个传感器。对于磁悬浮硬盘驱动器来说，其紧凑的空间结构为传感器的尺寸及布置提出了挑战。
                               发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能大大提高硬盘读写速度的基于力控制的磁悬浮硬盘驱动器。
本发明目的的实现方式为，基于力控制的磁悬浮硬盘驱动器，包括有控制系统、磁悬浮转子、主轴电机、盘片、力传感器、A/D、DSP、D/A及功率放大器。主轴及其外套的内、外磁环5、4、定子铁芯3组成磁悬浮转子6。定子铁芯外绕有16组线圈2，线圈沿圆周方向均匀分布。定子铁芯外还套有力传感器，传感器由4个变形杆7构成，变形杆的四面均贴有应变片8，共有16片。两两相对面上的应变片组成一对。内、外磁环5、4为永磁磁环，外磁环4轴向充磁，内磁环5径向充磁。
本发明是为了适应硬盘驱动器、光盘驱动器、或其他类似的空间狭小、功耗要求小、转速高的驱动器的需求而设计的。它解决了位移控制磁悬浮系统中，因为传感器偏置产生的耦合问题。本发明能大大减少传感器所占的空间，有利于研究和解决磁悬浮系统中存在的各种耦合问题。它不仅对研发磁悬浮硬盘系统有意义，对其他磁悬浮系统的研究也有实际意义。本发明同时适用于光盘驱动器或其他类似的驱动器。
                               附图说明
图1本发明结构原理框图
图2磁悬浮转子结构示意图
图3传感器结构示意图
图4变形杆上安装应变片的结构示意图
                               具体实施方式
本发明包括有控制系统、磁悬浮转子、主轴电机、盘片、力传感器、A/D、DSP、D/A及功率放大器构成(见图1)。磁悬浮转子由主轴及其外套的内、外磁环5、4、定子铁芯3及其外绕的线圈2构成。定子铁芯外套有力传感器，该力传感器可测量三维空间的6个分力。
本发明对原磁盘驱动器的其他机构不作改变，只用磁悬浮转子替代原来硬盘驱动器的主轴，即磁悬浮转子6外套有内、外磁环5、4，铁芯3，铁芯外绕线圈2，外磁环4为轴向充磁，内磁环5为径向充磁。磁极方向如图2所示，此时磁悬浮转子在内、外磁环产生的静磁场斥力的作用下处于悬浮平衡位置，即参考位置，此时，转子所受的斥力F1＝F2。由于结构的对称性，转子周围的气隙是相等的。如果磁悬浮转子受到外力的干扰，就会偏离平衡位置，引起气隙的变化，进而引起转子所受斥力的变化。这种力的变化通过磁场力的反作用力作用在力传感器上。该信号通过A/D、DSP、D/A及功率放大器转换成大小相等、方向相反的控制电流I和-I，分别作用在相对的电磁铁线圈上，产生附加的电磁力，以差动控制的方式使磁悬浮转子回到悬浮平衡位置。
本发明的力传感器结构如图3所示。其4个变形杆上安装了8对应变片，即变形杆的每面各有一个应变片。其中两两相对面的应变片组成差动输出，其输出的电压正比于与应变片平面相垂直方向的分力。应变片的差动连接可以对温度变化进行自动补偿。采用该结构可以同时测量三维空间的6个力分量，即3个沿三维坐标方向的力F和3个绕三维坐标方向的力矩M。

Claims (1)

1、基于力控制的磁悬浮硬盘驱动器，其特征在于包括有控制系统、磁悬浮转子、主轴电机、盘片、力传感器、A/D、DSP、D/A及功率放大器，主轴及其外套的内、外磁环(5)、(4)、定子铁芯(3)组成磁悬浮转子(6)，定子铁芯外绕有16组线圈(2)，线圈沿圆周方向均匀分布，定子铁芯外还套有力传感器，传感器由4个变形杆(7)构成，变形杆的四面均贴有应变片(8)，共有16个应变片，两两相对面上的应变片组成一对，内、外磁环(5)、(4)为永磁磁环，外磁环(4)轴向充磁，内磁环(5)径向充磁。
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