CN1434459A

CN1434459A - 磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台

Info

Publication number: CN1434459A
Application number: CN 03118503
Authority: CN
Inventors: 江征风; 周祖德; 王晓光; 胡业发
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2003-08-06
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: CN100392767C

Abstract

本发明涉及一种实验台。磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台，它包括控制部分，所述的控制部分由位移传感器、A/D、DSP、D/A及其功率放大器构成，其特征是检测机械部分包括中心轴、磁装置，控制部分与检测机械部分相连接；磁装置为永磁或者电磁或者永磁和电磁，磁装置位于中心轴外；功率放大器与检测机械部分的定子线圈连接，控制系统通过连接在实验台上的位移传感器检测转子的位移，位移传感器把位移信号转换成电压信号，电压信号反馈到控制器，控制器发出控制信号，信号使功率放大器调整输出电流的大小从而改变电磁铁的电磁力大小，电磁力的改变使转子位移改变。本发明能检测转子在高速旋转条件的各种动态特性。

Description

磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台

技术领域

本发明涉及一种实验台，具体地讲涉及一种磁悬浮硬盘多功能实验测试装置。

背景技术

探讨微型机电系统，磁悬浮光盘转子的机械性能、力学特性和尺寸效应，并实际研究磁悬浮光盘转子系统不仅具有较高的理论意义，而且具有较大的实用价值。将磁悬浮技术应用于硬盘光盘的支承，完全消除轴承与硬盘光盘转子的机械接触，不仅可以大幅度提高硬盘光盘转速，彻底解决硬盘光盘技术发展的瓶颈，还使得硬盘光盘驱动器具有精度高、发热少、功耗低、无噪声等其它轴承支承的硬盘和光盘驱动器无法比拟的特点。

从机械原理的角度来考察磁悬浮转子系统，要支承一个旋转主轴需要限制其5个自由度，但微小磁悬浮转子系统中由于紧凑狭小的空间结构特性不可避免地带来机械、电磁场、温度场错综复杂的耦合情况，给研究工作带来困难，为了解决这一问题，在分析现有的实际加工装配和控制能力的基础上，我们首先提出采取分布研究的方法，即先设计单自由度硬盘实验台架，分析其机电耦合情况，在充分了解单自由度磁悬浮转子的基础上再进行多自由度控制磁悬浮硬盘的设计和耦合分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中心轴处于悬浮状态、检测转子在高速旋转条件的各种动态特性的磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台。

本发明的技术方案是：磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台，它包括控制部分，所述的控制部分由位移传感器、A/D、DSP、D/A及其功率放大器构成，位移传感器与控制部分中的控制器连接；其特征是检测机械部分包括中心轴、磁装置，控制部分与检测机械部分相连接；磁装置为永磁或者电磁或者永磁和电磁，磁装置位于中心轴外；功率放大器与检测机械部分的定子线圈连接，控制部分通过连接在实验台上的位移传感器检测转子的位移，位移传感器把位移信号转换成电压信号，电压信号反馈到控制器，控制器发出控制信号，信号使功率放大器调整输出电流的大小从而改变电磁铁的电磁力大小，电磁力的改变使转子位移改变。

所述的检测机械部分由铜套1、永磁环2、螺钉3、挡圈4、硬盘盘片5、导向柱6、直线轴承7、上托盘8、隔套9、螺钉10、下托盘11、中心轴12、定子13、线圈14、推力盘15、底板16组成；导向柱6与底板16相固定，下托盘11和上托盘8之间为隔套9并由螺钉10相连接，上托盘8、下托盘11各安装2个直线轴承7，直线轴承7在导向柱6上可以上下灵活运动，中心轴12下端通过螺纹与电主轴连接，推力盘15与中心轴12紧密配合，中心轴12为台阶轴形状，上端台阶轴粘结有永磁环2，顶部与硬盘盘片5通过挡圈4和螺钉3相连接，铜套1安装在上托盘上，铜套1的凹槽粘结永磁环2，下托盘中间安装有定子13及线圈14。

所述的检测机械部分由铜套1、永磁环2、螺钉3、挡圈4、硬盘盘片5、导向柱6、直线轴承7、隔套9、螺钉10、下托盘11、中心轴12、定子13、线圈14、推力盘15、底板16组成；两下托盘11、轴向定子13及线圈14通过隔套9和螺钉10联结在一起。

所述的检测机械部分由铜套1、永磁环2、螺钉3、挡圈4、硬盘盘片5、导向柱6、直线轴承7、上托盘8、隔套9、螺钉10、、中心轴12、定子13、推力盘15、底板16组成；两上托盘8、铜套1及永磁环2通过隔套9和螺钉10联结在一起，中心轴12上下都设有凹槽粘接两个永磁环2。

本发明能够充分有效地研究单自由度磁悬浮转子在不同参数条件下机械动态特性，不同磁场屏蔽条件下的磁场分布及温度场的分布情况，还可以模拟出在电磁、永磁、永磁电磁混合三种不同条件下磁悬浮转子的不同控制和机械动态特性。本发明中心轴能够高速旋转，但不能上下运动，托盘可以上下运动，可以选用不同的零件组合成不同的结构，通过该实验台可以全面地对单自由度磁悬浮转子进行分析和研究，在此基础上便于今后对五自由度磁悬浮硬盘转子的研究。

附图说明

图1是本发明的电磁和永磁混合控制式图

图2是本发明的全电磁控制式图

图3是本发明的全永磁控制式图

其中1-铜套、2-永磁环、3-螺钉、4-挡圈、5-硬盘盘片、6-导向柱、7-直线轴承、8-上托盘、9-隔套、10-螺钉、11-下托盘、12-中心轴、13-定子、14-线圈、15-推力盘、16-底板。

具体实施方式

磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台，它包括控制部分，所述的控制部分由位移传感器、A/D、DSP、D/A及其功率放大器构成，位移传感器与控制部分中的控制器连接；其特征是检测机械部分包括中心轴、磁装置，控制部分与检测机械部分相连接；磁装置为永磁或者电磁或者永磁和电磁，磁装置位于中心轴外；功率放大器与检测机械部分的定子线圈连接，控制系统通过连接在实验台上的位移传感器检测转子的位移，位移传感器把位移信号转换成电压信号，电压信号反馈到控制器，控制器发出控制信号，信号使功率放大器调整输出电流的大小从而改变电磁铁的电磁力大小，电磁力的改变使转子位移改变。

磁悬浮硬盘单自由度性能实验台可以模拟出转子悬浮的特性，但这种形式只是模拟转子在静止条件下的轴向悬浮特性，而实际硬盘转子是在高速旋转的条件下工作的，所以有必要了解转子在高速旋转条件的各种动态特性，为了实现这一目的，设计了本发明。在这种实验台中，采用了一个高速电主轴提供旋转力，以此来模拟硬盘高速电机的功能，电主轴固定在电机台架上，电主轴改变转速是通过调整变频器的频率大小来实现。

实例1：本发明的电磁和永磁混合控制结构，如图1所示，所述的检测机械部分由铜套1、永磁环2、螺钉3、挡圈4、硬盘盘片5、导向柱6、直线轴承7、上托盘8、隔套9、螺钉10、下托盘11、中心轴12、定子13、线圈14、推力盘15、底板16组成；导向柱6与底板16相固定，下托盘11和上托盘8之间为隔套9并由螺钉10相连接，上托盘8、下托盘11各安装2个直线轴承7，直线轴承7在导向柱6上可以上下灵活运动，中心轴12下端通过螺纹与电主轴连接，推力盘15与中心轴12紧密配合，中心轴12为台阶轴形状，上端台阶轴粘结有永磁环2，顶部与硬盘盘片5通过挡圈4和螺钉3相连接，铜套1安装在上托盘上，铜套1的凹槽粘结永磁环2，下托盘中间安装有定子13及线圈14。

图1为本发明电磁和永磁混合控制式示意图，其结构及工作原理：底板、电主轴固定，下托盘和上托盘利用隔套和螺钉连接在一起，上、下托盘各安装2个直线轴承，直线轴承在导向柱6上可以上下灵活运动，中心轴下端通过螺纹与电主轴连接，推力盘与中心轴紧密配合，中心轴如图中所示为台阶轴形状，上端台阶轴粘结有永磁环，顶部与硬盘盘片通过挡圈和螺钉连接，铜套安装在上托盘上，铜套的凹槽同样粘结永磁环，下托盘中间安装的是定子及线圈。工作原理：由于中心轴是通过底部螺纹与电主轴连接，因此中心轴在工作过程中不会上下运动，只做旋转运动。上托盘与中心轴上的一对永磁环由于间隙很小，因此会产生很强的电磁吸力，由于中心轴固定，上托盘会产生向下的拉力，托盘两边的直线轴承具有良好的导向性，上托盘会带动下托盘一起向下运动，当下托盘定子内的线圈通电后，线圈会产生电磁力吸中心轴上的推力盘，通过控制系统可以使电磁力产生向下的拉力与永磁环向上的拉力平衡，这样下托盘会带动上托盘一起向上运动，当达到平衡状态时，中心轴可以与上下托盘脱开，可以认为中心轴相当于悬浮状态，启动电主轴带动中心轴旋转，如果控制理想的话，中心轴可以高速无摩擦旋转，中心轴带动硬盘盘片旋转，这样就可以做转子在高速旋转条件下的实验，弥补磁悬浮硬盘单自由度性能实验台转子不能旋转的缺陷。

实例2：本发明的全电磁控制式结构，如图2所示，所述的检测机械部分由铜套1、永磁环2、螺钉3、挡圈4、硬盘盘片5、导向柱6、直线轴承7、隔套9、螺钉10、下托盘11、中心轴12、定子13、线圈14、推力盘15、底板16组成；两下托盘11、轴向定子13及线圈14通过隔套9和螺钉10联结在一起。上下采用相同的下托盘、轴向定子及线圈，通过隔套和螺钉联结在一起。

工作原理：上下两个定子内的线圈通额定电流后均产生电磁场，电磁场会对推力盘产生拉力，通过控制系统调整电磁力的大小，当上下电磁力相当时，整个托架就会处于悬浮状态，中心轴就可以带动硬盘盘片高速旋转。

实例3：本发明的全永磁控制式结构，如图3所示，所述的检测机械部分由铜套1、永磁环2、螺钉3、挡圈4、硬盘盘片5、导向柱6、直线轴承7、上托盘8、隔套9、螺钉10、、中心轴12、定子13、推力盘15、底板16组成；两上托盘8、铜套1及永磁环2通过隔套9和螺钉10联结在一起，中心轴12上下都设有凹槽粘接两个永磁环2。上下采用相同的上托盘、铜套及永磁环，中心轴如图所示上下都有凹槽，粘接两个永磁环，永磁环与上托盘铜套内的永磁环规格一样，当控制适当的间隙，可以便整个托架达到悬浮状态，中心轴就可以带动硬盘盘片高速旋转。

Claims

1、磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台，它包括控制部分，所述的控制部分由位移传感器、A/D、DSP、D/A及其功率放大器构成，位移传感器与控制部分中的控制器连接；其特征是检测机械部分包括中心轴、磁装置，控制部分与检测机械部分相连接；磁装置为永磁或者电磁或者永磁和电磁，磁装置位于中心轴外；功率放大器与检测机械部分的定子线圈连接，控制部分通过连接在实验台上的位移传感器检测转子的位移，位移传感器把位移信号转换成电压信号，电压信号反馈到控制器，控制器发出控制信号，信号使功率放大器调整输出电流的大小从而改变电磁铁的电磁力大小，电磁力的改变使转子位移改变。

2、根据权利要求1所述的磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台，其特征是所述的检测机械部分由铜套(1)、永磁环(2)、螺钉(3)、挡圈(4)、硬盘盘片(5)、导向柱(6)、直线轴承(7)、上托盘(8)、隔套(9)、螺钉(10)、下托盘(11)、中心轴(12)、定子(13)、线圈(14)、推力盘(15)、底板(16)组成；导向柱(6)与底板(16)相固定，下托盘(11)和上托盘(8)之间为隔套(9)并由螺钉(10)相连接，上托盘(8)、下托盘(11)各安装2个直线轴承(7)，直线轴承(7)在导向柱(6)上可以上下灵活运动，中心轴(12)下端通过螺纹与电主轴连接，推力盘(15)与中心轴(12)紧密配合，中心轴(12)为台阶轴形状，上端台阶轴粘结有永磁环(2)，顶部与硬盘盘片(5)通过挡圈(4)和螺钉(3)相连接，铜套(1)安装在上托盘上，铜套(1)的凹槽粘结永磁环(2)，下托盘中间安装有定子(13)及线圈(14)。

3、根据权利要求1所述的磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台，其特征是所述的检测机械部分由铜套(1)、永磁环(2)、螺钉(3)、挡圈(4)、硬盘盘片(5)、导向柱(6)、直线轴承(7)、上托盘(8)、隔套(9)、螺钉(10)、下托盘(11)、中心轴(12)、定子(13)、线圈(14)、推力盘(15)、底板(16)组成；两下托盘(11)、轴向定子(13)及线圈(14)通过隔套(9)和螺钉(10)联结在一起。

4、根据权利要求1所述的磁悬浮硬盘单自由度多功能实验台，其特征是所述的检测机械部分由铜套(1)、永磁环(2)、螺钉(3)、挡圈(4)、硬盘盘片(5)、导向柱(6)、直线轴承(7)、上托盘(8)、隔套(9)、螺钉(10)、下托盘(11)、中心轴(12)、定子(13)、推力盘(15)、底板(16)组成；两上托盘(8)、铜套(1)及永磁环(2)通过隔套(9)和螺钉(10)联结在一起，中心轴(12)上下都设有凹槽粘接两个永磁环(2)。