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為了實(shí)現(xiàn)單碟硬盤（hdd）容量越來(lái)越高的需求，hdd應(yīng)具有極高的磁道密度，這需要一個(gè)具有高伺服帶寬的磁頭定位系統(tǒng)。國(guó)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(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一音圈電機(jī)（vcm）驅(qū)動(dòng)器為第一級(jí)，微型驅(qū)動(dòng)器為第二級(jí)1451；另一種方法是改善傳統(tǒng)的單級(jí)vcm驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械動(dòng)力113671.對(duì)于雙級(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，必須對(duì)第一級(jí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行極體的暴露會(huì)給驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的性能。而對(duì)于單級(jí)定位，已開(kāi)發(fā)出一種高度改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)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常可靠。這樣基于vcm驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)器主共振頻率的20%）因而使得讀寫頭跟蹤系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到硬盤驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器活動(dòng)部件的質(zhì)量產(chǎn)生的。對(duì)于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，qr模式通常在3內(nèi)。另外，第一橫向面內(nèi)彎曲震動(dòng)模式是影響伺服帶寬的又一個(gè)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(dòng)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(dòng)圈式音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以產(chǎn)生正交力或者純力矩。由于簡(jiǎn)單的扁平拉長(zhǎng)動(dòng)圈構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器，與硬盤使用的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器一樣簡(jiǎn)單。研究表明這種設(shè)計(jì)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(dòng)器的構(gòu)造1.1傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)造與缺陷硬盤廣泛采用的傳統(tǒng)動(dòng)圈vcm定位系統(tǒng)如所示。由圖可見(jiàn)，傳統(tǒng)vcm產(chǎn)生的推動(dòng)力fa在橫向方向有一個(gè)很大的分量。這個(gè)分量在中樞軸承裝配上產(chǎn)生一個(gè)顯著的反作用力fr，fr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(dòng)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(duì)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(gè)峰值分別對(duì)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(dòng)器的性能，尤其是動(dòng)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(dòng)磁體驅(qū)動(dòng)器中提到的線圈與定位平面的垂直驅(qū)動(dòng)器均不相同。線圈是一個(gè)簡(jiǎn)單的扁平拉長(zhǎng)動(dòng)圈。永久磁鐵被設(shè)計(jì)為4個(gè)依次緊緊安置在軛面上的可選極，可以通過(guò)有4極的磁鐵或者2個(gè)各有2極的磁鐵實(shí)現(xiàn)。單平面驅(qū)動(dòng)音圈與一組磁極的獨(dú)特設(shè)計(jì)加上軛部組件可以在線圈的4個(gè)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(shí)，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(jiǎn)單因此生產(chǎn)和裝配過(guò)程也與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器一樣簡(jiǎn)單。

2電磁設(shè)計(jì)與優(yōu)化新型高帶寬驅(qū)動(dòng)器的電磁設(shè)計(jì)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(shí)使驅(qū)動(dòng)器在一定角度位移的情況下以最短的尋找時(shí)間和最小的能耗產(chǎn)生足夠的力或者力矩去移動(dòng)一定的負(fù)荷（線圈、線圈支撐、臂、懸掛和滑塊）。通過(guò)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(zhǎng)度。優(yōu)化電機(jī)磁路和線圈的設(shè)計(jì)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(jì)必須滿足有效導(dǎo)體和額定功率最大化。同時(shí)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(duì)于一定的場(chǎng)強(qiáng)，用最少的能耗獲得最佳的存取性能是線圈設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。使用三維有限元分析對(duì)電磁設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。電磁設(shè)計(jì)中預(yù)測(cè)的新型驅(qū)動(dòng)器的一些參數(shù)與3.5"hdd中使用的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)慣量、電時(shí)間常數(shù)、機(jī)械時(shí)間常數(shù)、加速率。由表可見(jiàn)對(duì)新型驅(qū)動(dòng)器的電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化得到比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器中更好的電磁性能。

表1高帶寬驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的電磁參數(shù)驅(qū)動(dòng)器?？赏ㄟ^(guò)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(dòng)器中音圈電機(jī)的獨(dú)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(dòng)器產(chǎn)生的力與橫向正交，元分析預(yù)測(cè)的結(jié)果11. 5khz要低很多，這主要是由驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)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(diǎn)可通過(guò)有限元分析進(jìn)行驗(yàn)證。將線圈和線圈支持（塑料）的彈性模量分別降至原來(lái)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(yǔ)本文設(shè)計(jì)了一種新型高帶寬動(dòng)圈驅(qū)動(dòng)器，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和分析。其特點(diǎn)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(duì)一些關(guān)鍵的電磁參數(shù)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化與預(yù)測(cè)，表明新型高帶寬驅(qū)動(dòng)器的電磁性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器。

采用三維有限元分析法對(duì)新型高帶寬驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)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(dòng)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(dòng)器支持的伺服系統(tǒng)可以得到更高的帶寬。