專利名稱：用于信息記錄裝置的電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于信息記錄裝置、諸如一種軟磁盤機(jī)(FDD)的電動(dòng)機(jī)，例如，這種信息記錄裝置通過以一恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)一盤狀記錄載體來存取信息，特別是，本發(fā)明涉及一種直接驅(qū)動(dòng)記錄載體的主軸電動(dòng)機(jī)。
FDD通常用來將信息寫入一盤狀信息記錄載體，或從一盤狀信息記錄載體讀出信息，這種盤狀記錄載體即是用于文字處理機(jī)和個(gè)人電腦的軟磁盤。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常利用無刷直流電動(dòng)機(jī)作為主軸電動(dòng)機(jī)以使FDD中的軟磁盤轉(zhuǎn)動(dòng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)無論在性能和可靠性方面都沒有問題，但是由于它們需要轉(zhuǎn)子位置探測(cè)器和速度探測(cè)器，使電動(dòng)機(jī)本身的成本不可避免地提高。此外，F(xiàn)DD需要轉(zhuǎn)動(dòng)速度的反饋控制，以便確保轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，因此使電路部分在尺寸上變大，這種系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足目前降低成本的要求。特別是，主軸電動(dòng)機(jī)是FDD中的一個(gè)大成本的零件，因此降低主軸電動(dòng)機(jī)的成本已成為一個(gè)重要的目標(biāo)。
另一方面，由于近年來數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，已可能利用廉價(jià)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(兩相爪極式電動(dòng)機(jī)特別有效)作為同步電動(dòng)機(jī)(利用簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路使其與一時(shí)鐘同步)來轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，由于不需要電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子探測(cè)器或速度探測(cè)器就可制成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路，因此，它具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即作為一個(gè)整體的系統(tǒng)可非常廉價(jià)地制造出來，并且，它的使用是在探測(cè)之下進(jìn)行的。然而，由于它們基本操作的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)有一個(gè)大的變化，特別是，在目前的情況下，它們不能作為主軸電動(dòng)機(jī)用于需要很高轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的信息記錄裝置。
此外，使用諸如微步之類的電路技術(shù)、以便改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的研究也正在進(jìn)行之中，但它在使驅(qū)動(dòng)電路的成本變得很高是一個(gè)缺點(diǎn)。
如上所述，本發(fā)明的一個(gè)目的使提供一種用于信息記錄裝置的電動(dòng)機(jī)，其中，利用一廉價(jià)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)一記錄盤，且該盤是通過廉價(jià)的數(shù)字電路技術(shù)在開環(huán)控制下被驅(qū)動(dòng)的，而不需要使用轉(zhuǎn)子位置探測(cè)器或速度探測(cè)器，并且通過設(shè)立上述的、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)里固有的步進(jìn)操作(具有差的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度)、從而在信息記錄裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)(全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩，被驅(qū)動(dòng)的盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度)和諸如基本步進(jìn)數(shù)和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩之類的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間形成某種關(guān)系，而將記錄盤的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度提高到適合使用的水平上。
在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)里，通過與一輸入脈沖同步的一延時(shí)來開關(guān)勵(lì)磁而提供電能，而與負(fù)載無關(guān)。當(dāng)電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩呈現(xiàn)最大值，從而產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際上，設(shè)置各參數(shù)，以便滿足下列條件。
換句話說，取全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩為J(g·cm2)，額定轉(zhuǎn)速為n(rps)，基本步進(jìn)數(shù)為N(steps)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的峰-峰值為2Td(g·cm)，此外，為了確保從裝置上存取數(shù)據(jù)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的峰-峰值為ηa(％)，η(％)由公式(1)定義，并利用上述的參數(shù)。
η＝2×980×100×Td/(N/2·J·ω2)＝98000Td/(π2n2J·N)(％)………(1)這樣設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)，使上述轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η和該裝置所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度ηa之間的關(guān)系是η≤ηa。
通過設(shè)計(jì)一裝置，使上述關(guān)系得到滿足，結(jié)果，可獲得該裝置所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，從而可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生足夠平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
如果將按照本發(fā)明的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為FDD信息記錄裝置的主軸電動(dòng)機(jī)使用，最好是設(shè)置電動(dòng)機(jī)全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩J(g·cm2)，基本步進(jìn)數(shù)N(steps)，以及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的峰-峰值2Td(g·cm)，使轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η(％)是0.3≤η≤1.2。
此外，如果將按照本發(fā)明的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作3.5英寸FDD的主軸電動(dòng)機(jī)，最好基本步進(jìn)數(shù)N是48≤N≤188。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1A表示一3.5英寸的軟磁盤機(jī)(FDD)的大致結(jié)構(gòu)，它帶有處于釋放狀態(tài)的記錄盤；圖1B表示一3.5英寸的軟磁盤機(jī)(FDD)，它帶有處于嚙合狀態(tài)的記錄盤；圖2表示作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、一內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子型兩相爪極式電動(dòng)機(jī)的剖視圖；圖3表示圖2所示實(shí)施例中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(22.5度)的波形；圖4表示當(dāng)一其峰值與圖3所示的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形一致的正弦波產(chǎn)生一成額定轉(zhuǎn)動(dòng)速度n的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)一與轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)的波形；圖5表示在試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η與瞬時(shí)速度變化(ISV)之間的關(guān)系；圖6表示通過試驗(yàn)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η和起動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系所測(cè)得的結(jié)果；以及圖7表示一外側(cè)轉(zhuǎn)子型電動(dòng)機(jī)的剖視圖。
現(xiàn)在參看附圖描述本發(fā)明。
在下面的描述中，將一3.5英寸的軟磁盤機(jī)(FDD)作為按照本發(fā)明的一信息記錄裝置的例子。
圖1A和1B只顯示了描述本發(fā)明所需要的、一3.5英寸FDD的一部分零件。圖1A顯示了一在釋放狀態(tài)的記錄盤；而圖1B顯示了一在嚙合狀態(tài)的記錄盤。
在圖1A和1B中，標(biāo)號(hào)1表示一盤狀記錄載體(下面叫做“記錄盤”)磁粉涂敷在該記錄盤1的兩個(gè)面上，而一包含兩個(gè)孔的盤狀鋼質(zhì)卡盤轂1’固定在它的中心位置上。整個(gè)記錄盤1置于一塑料盒(未畫出)里，以保護(hù)記錄載體的表面和改善它的可攜性。
標(biāo)號(hào)2表示磁頭，它與記錄盤1接觸，并通過在磁性讀出頭2內(nèi)的線圈、以磁粉里的磁變化的形式將記錄在該記錄盤1上的信息讀出。此外，通過記錄頭2，將磁變化提供給在記錄盤1內(nèi)的磁粉而將信息寫入。
換句話說，磁頭2具有將存儲(chǔ)在記錄盤1里的信息讀出和將信息寫入記錄盤1的功能。
標(biāo)號(hào)3表示叫做磁頭底座的零件，磁頭2固定在它的端部。
磁頭底座3是將磁頭2線性地移動(dòng)到在記錄盤1上的適當(dāng)位置(磁道)上的機(jī)構(gòu)，并且，它包括一驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)6和一將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的螺桿5。為了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，磁頭底座3的一部分3a與螺桿5上凹槽配合，這樣，當(dāng)螺桿5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)磁頭底座3成直線運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，通過提供給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)6的位置指令(由提供給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)6的脈沖數(shù)量決定)可使磁頭2適當(dāng)?shù)匾苿?dòng)到記錄盤1所需的磁道位置上。
標(biāo)號(hào)7表示一直接使記錄盤1轉(zhuǎn)動(dòng)的、恰好涉及本發(fā)明的主軸電動(dòng)機(jī)。在所述電動(dòng)機(jī)7轉(zhuǎn)動(dòng)部分的端部安裝一使在記錄盤1中心位置上的鋼質(zhì)卡盤轂1’轉(zhuǎn)動(dòng)、同時(shí)使它保持穩(wěn)定狀態(tài)的卡盤機(jī)構(gòu)8。結(jié)果，使記錄盤1直接被夾持在主軸電動(dòng)機(jī)7的卡盤機(jī)構(gòu)8上，并穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)。
這里省略了有關(guān)3.5英寸FDD結(jié)構(gòu)和操作的詳細(xì)描述，下面將描述用來驅(qū)動(dòng)記錄盤1、并是本發(fā)明重要部分的主軸電動(dòng)機(jī)7。
圖2表示對(duì)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例特別有效的、一兩相爪極式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的剖視圖。該電動(dòng)機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)是圖2所示的一標(biāo)準(zhǔn)的爪極式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，唯一不同的是，如先前所述的，用來卡接以驅(qū)動(dòng)記錄盤的卡盤機(jī)構(gòu)8固定在轉(zhuǎn)子部分的一端。由此，對(duì)該電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的描述，一圓柱形轂11固定在沿電動(dòng)機(jī)的中心部分垂直延伸的主軸10的上端，而一磁鐵12固定在轂11的外緣上。主軸10由軸承13和推力軸承14支承。一圓環(huán)形的定子磁軛15安裝在磁鐵12的外側(cè)，并與它隔開一個(gè)小間隙，而在該定子磁軛15的內(nèi)側(cè)，線圈17卷繞在一芯子16上。該組件固定在電動(dòng)機(jī)安裝板18上。
本發(fā)明的一個(gè)目的是尋找一條途徑，以便利用建立在步進(jìn)操作基礎(chǔ)上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)或高的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，換句話說，即尋找一條適當(dāng)?shù)卦O(shè)置在一電動(dòng)機(jī)里的全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分的步進(jìn)數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和慣性矩的途徑，但不改變電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。下面，將一兩相爪極式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為一個(gè)例子來描述，但本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思當(dāng)然地可提供給各種類型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
通常，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以與輸入脈沖同步的、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度被驅(qū)動(dòng)。在一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)，在其平均速度符合一目標(biāo)值(通過與一輸入脈沖同步)的同時(shí)，由于該電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)轉(zhuǎn)的固有步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因此在仔細(xì)觀察時(shí)，可發(fā)現(xiàn)該電動(dòng)機(jī)在高速和低速(該速度是不規(guī)則的)之間交替運(yùn)轉(zhuǎn)；換句話說，轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度較差。
這種轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度對(duì)于驅(qū)動(dòng)信息記錄裝置里的記錄載體的主軸電動(dòng)機(jī)來說是一個(gè)特別重要的因素，并且必須保持在一定的值之下，以便存儲(chǔ)在記錄盤上的信息能被正確地讀出。
通常，為了改善轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，例如，(1)增加在其轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩(增加慣性作用)。
(2)增加轉(zhuǎn)動(dòng)速度(增加慣性作用)。
此外，在一使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里，(3)增加基本的步進(jìn)數(shù)(產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩)。
(4)降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(降低擾動(dòng)因素)等等。
另一方面，如上面所述的，在該裝置還有所需要的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度(所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度)。換句話說，(5)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度這是一個(gè)按照該裝置以確保信息的正確存取所確定的值。因此，由于在使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)里不使用轉(zhuǎn)動(dòng)速度反饋環(huán)路，正確地組合這些因素是非常需要的。
例如，為了能簡(jiǎn)單地改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該降低，而慣性矩、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和基本步進(jìn)數(shù)應(yīng)該增加。然而，轉(zhuǎn)動(dòng)速度是由裝置的諸條件預(yù)先確定的，是不能改變的。故在電動(dòng)機(jī)里能改變的因素是慣性矩、基本步進(jìn)數(shù)和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。慣性矩涉及到該裝置允許的電動(dòng)機(jī)尺寸，而電動(dòng)機(jī)尺寸當(dāng)然是受限制的。此外，即使在尺寸限制范圍內(nèi)，如果電動(dòng)機(jī)做得太大，雖然轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度較好，但相應(yīng)的問題也出現(xiàn)了，即起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)了。因此，在將一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)安裝在一裝置里作為一主軸電動(dòng)機(jī)的情況下，當(dāng)然必須合乎邏輯地確定這些物理關(guān)系。
換句話說，在本發(fā)明里，由于通過各種試驗(yàn)和物理定律確定的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、在上述因素(1)至(5)和轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η之間，以及與這獨(dú)立的，在這些因素和所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度ηa之間形成一邏輯相關(guān)性，以確保資料存取在裝置里。
換句話說，首先，通過在恒定時(shí)間間隔內(nèi)適當(dāng)?shù)亍㈤g歇地調(diào)整電能輸入(在一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)里，該電能是通過與一輸入脈沖同步的一延時(shí)來開關(guān)勵(lì)磁而提供的，而與負(fù)載狀態(tài)無關(guān))來提高轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，而轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩在額定的轉(zhuǎn)速處，以確保轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度。換句話說，通過適當(dāng)?shù)卦黾討T性矩使間歇輸入的電能平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換(存儲(chǔ))成機(jī)械能，從而提高轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度。在這種情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩變大是有利的，其結(jié)果可使電動(dòng)機(jī)不會(huì)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)自起動(dòng)。在這種情況下，當(dāng)然需要給裝置增加一起動(dòng)電路，由此，用通常使用的燈電路(在初始起動(dòng)階段以一低的頻率驅(qū)動(dòng)，然后逐漸增加頻率至與額定轉(zhuǎn)速同步的一電路)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
具體地說，在確保轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的額定轉(zhuǎn)速下，取在其轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩為J(g·cm2)，轉(zhuǎn)速為η(rps)，基本步進(jìn)數(shù)為N(steps)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的峰-峰值為2Td(g·cm)，而所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的峰-峰值為ηa(％)，相關(guān)性將按照下面給出的五點(diǎn)形成。
它們就是(1)將電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為降低轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的唯一因素(擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩)。此外，將該起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的頻率作為該電動(dòng)機(jī)基本步進(jìn)數(shù)的一半。
圖3表示在本發(fā)明一實(shí)施例里的、在轉(zhuǎn)動(dòng)22.5度時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形。該電動(dòng)機(jī)是這樣組成的，N＝96(step)，Td＝5.5(g·cm)，J＝35(g·cm2)，而n＝5(rps)。從圖3中可看出，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形與一正弦波相比略微變形，而在360度內(nèi)的波數(shù)是360度×3/22.5度＝48(96/2＝48)。
從下面的理由可認(rèn)為，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的唯一來源。一般來說，降低轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的因素包括那些由于摩擦轉(zhuǎn)矩的變化、機(jī)械的不平衡性(轉(zhuǎn)動(dòng)部分芯子的移位，動(dòng)平衡的偏差，等等)、磁性不平衡(在接受的磁場(chǎng)里的不均勻度，不規(guī)則的間隔，等等)以及在勵(lì)磁條件中的短暫變化所產(chǎn)生的因素，因此將所有這些因素加在一起考慮。
然而，從試驗(yàn)中知道，在需要高的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的信息記錄裝置里，上述的有關(guān)摩擦轉(zhuǎn)矩的變化、機(jī)械的不平衡性、磁性不平衡和在勵(lì)磁條件下的短暫變化都是微小因素(由于所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度不可能獲得，除非在制造該裝置時(shí)仔細(xì)地預(yù)先降低這些因素)，其結(jié)果是，應(yīng)該將起動(dòng)轉(zhuǎn)矩視為唯一的擾動(dòng)因素。
(2)當(dāng)電動(dòng)機(jī)以一額定轉(zhuǎn)速(rps)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩以方程為Td·sin(N/2)·ω0t的正弦波形式變化，其中，ω0＝2πn(rad/s)。
在上述實(shí)施例里，使用其峰值與圖3所示的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形一致的正弦波。如果該波形導(dǎo)致額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)，伴隨該轉(zhuǎn)動(dòng)的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩a(g.cm)的波形將如圖4所示。當(dāng)用一具體的方程表示時(shí)，擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩a(g.cm)可用公式(2)表示。
a＝5.5×sin 96πnt(g·cm)…………(2)(3)按照物理定律，可認(rèn)為擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩“a”產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變量ω。為了尋找轉(zhuǎn)動(dòng)變量ω的值，在上述第(2)點(diǎn)的情況下，擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩“a”將按時(shí)間積分，然后除以全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩J。
如果將具體的數(shù)值導(dǎo)入上述實(shí)施例，并考慮到單位計(jì)算出ω，那么ω=1/J∫a·dt=-0.102cos96πnt(rad/s)·········(3)]]>
此外，為了用每單位時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)變量“b”來表示轉(zhuǎn)動(dòng)變量ω，將ω除以2π，得到b＝-0.0163cos96πnt(rps)………(4)因此，在上述實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動(dòng)變量的最大值是0.0163(rps)。而在上述公式(3)和(4)中的負(fù)號(hào)表示相位移動(dòng)180°(反相)。
(4)為了從上面得到的轉(zhuǎn)動(dòng)變量“b”中求得轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η的、成正弦波變化的峰-峰值，將第(3)點(diǎn)中的b的最大值乘2，然后除以額定轉(zhuǎn)速“n”，并用百分比表示。如果將單位放入該表達(dá)式，可得到公式(5)。
η＝2×980×100×Td/(N/2·J·ω2)＝98000Td/(π2n2·J·N)(％)………(5)如果對(duì)上述實(shí)施例中的具體數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，那么，轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η的峰-峰值可用公式(6)表示。
η＝0.0163×2/5×100＝0.652(％)………(6)如果轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度用有效值(rms)表示，而不是峰-峰值，它變成η(rms)＝0.0163×0.707/5×100＝0.230(％)………(7)雖然這是多余的。
由此可見，轉(zhuǎn)動(dòng)變量η當(dāng)然必須依據(jù)它怎樣定義而變化。
(5)在本發(fā)明里，通過確定上述第(1)至第(4)點(diǎn)中的試驗(yàn)、物理定律等得到的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η(％)和與這獨(dú)立的、為了確保資料存取在該裝置里必須的所需轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度ηa(％)之間的關(guān)系來制造裝置，這樣，η≤ηa………(8)結(jié)果，通過簡(jiǎn)單地設(shè)置各參數(shù)以滿足上述關(guān)系，可較容易地滿足裝置的所需轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，而不必改變電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。
在上述實(shí)施例里的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η和所需轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度ηa分別是η＝0.652和ηa＝1.2(在本實(shí)施例里ηa＝1.2的理由將在下面說明)，這樣，η≤ηa的條件可完全得到滿足。
順便地說，在本發(fā)明所述的FDD的情況下，所需轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度ηa用通過磁頭實(shí)際讀出記錄載體上的信息的過程中的ISV(瞬時(shí)速度變化)來表示，而它的具體值是4％或更小。ISV表示瞬時(shí)最大速度變化，此外，由于該值是通過磁頭取得的，它不同于如上面所述的、假定在線性條件下從物理定律得到的、純粹的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度。
因此，在本發(fā)明里，在通過試驗(yàn)取得ISV和所需轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的情況下，可以發(fā)現(xiàn)，ISV＝3.33ηa是適當(dāng)?shù)?。這意味著，當(dāng)考慮通過磁頭出現(xiàn)意想不到的情況時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η和ηa的值來說，它們是以重復(fù)的正弦波形式呈現(xiàn)出來的轉(zhuǎn)動(dòng)變化的結(jié)果，然后ISV必須乘以3.33這個(gè)系數(shù)(詳細(xì)情況可見圖5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù))。
從上述可知，在FDD情況下的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η(％)可用上述公式(5)中的關(guān)系式，單獨(dú)地利用電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Td、n、J和N來表示，產(chǎn)生η≤1.2其中n＝5(rps)圖5表示試驗(yàn)中的η和ISV之間的關(guān)系。從圖5可看出，上述關(guān)系表明是適當(dāng)?shù)摹D5顯示了三種不同的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)(電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)1到3)，而且在這個(gè)試驗(yàn)中，不同電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η是通過提高慣性J和相對(duì)不同的慣性矩J的值、實(shí)際測(cè)量FDD中的ISV得到的。
在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)1中，N＝60(steps)，而Td＝6.4(g·cm)；在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2中，N＝96(steps)，而Td＝8.8(g·cm)，而在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)3中，N＝96(steps)，而Td＝5.5(g·cm)。此外，3.5英寸FDD中使用的記錄盤的慣性矩大約是10(g.cm)，而在本試驗(yàn)中，它被處理成具有10(g·cm)的值。
接著，討論先前所述的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η的最小值，如果全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩J增加，那么，從理論上說，轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η(和ISV)可無限地減小。然而，增加轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩將使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間增加，而這將在盤驅(qū)動(dòng)方面形成一個(gè)問題。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η和起動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系通過試驗(yàn)來測(cè)量，以便確定在一FDD的情況下、受起動(dòng)時(shí)間限制的、最小的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η。相應(yīng)的結(jié)果如圖6所示，它涉及到電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)3。從圖6可看到，滿足最大為480ms的FDD起動(dòng)時(shí)間技術(shù)要求的最小的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η是0.29。因此，如果在轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η里允許有一個(gè)界限，并與上面所述的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η的最大條件一起考慮，那么，F(xiàn)DD中的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η的范圍是0.3≤η≤1.2。
轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的這些值是建立在480ms最大起動(dòng)時(shí)間前提的基礎(chǔ)上，因此，如果，例如為了在驅(qū)動(dòng)(裝置)記錄密度方面進(jìn)一步增加的原因，轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度和起動(dòng)時(shí)間的技術(shù)要求有變化，它們當(dāng)然也會(huì)變化。
因此，具體的研究是在最小格式的一3.5英寸的FDD中的基本步進(jìn)數(shù)N(steps)的范圍內(nèi)進(jìn)行的。
如上所述，基本步進(jìn)數(shù)的最小值由所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的條件確定。另一方面，其最大值由定子磁軛上分配的極齒的機(jī)械加工限制所確定。在-3.5英寸FDD中，由于記錄盤的尺寸，電動(dòng)機(jī)的最大尺寸是大約60mm的直徑D，由于該裝置的厚度，電動(dòng)機(jī)的高度“h”最大是8mm。如果該電動(dòng)機(jī)是一種內(nèi)轉(zhuǎn)子式，如本發(fā)明使用的，那么，從電動(dòng)機(jī)平衡的觀點(diǎn)來看，轉(zhuǎn)子直徑是外徑的一半、即30mm或更小是適當(dāng)?shù)?。另一方面，在一爪極式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)里，從理論上說，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于磁平衡狀態(tài)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)是零，但實(shí)際上，它比較高，而且保持在Td＝5(g·cm)之下是困難的。為了簡(jiǎn)化，如果直徑為30mm、高“h”為7.5mm的轉(zhuǎn)子部分是由包括磁鐵的、6.5(g/cm3)的圓柱體制成，那么，它的慣量大致將是35(g·cm2)。
從先前發(fā)現(xiàn)的0.3≤η≤1.2的范圍內(nèi)使用這些值，可得出基本步進(jìn)數(shù)N(steps)是48≤N≤189。如果電動(dòng)機(jī)是兩相爪極式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，那么基本步進(jìn)數(shù)N乘以系數(shù)4，因此變成48≤N≤188。最大基本步進(jìn)數(shù)N＝188(steps)被認(rèn)為是最大值，因?yàn)樗抢媚壳皼_壓技術(shù)、在一大約1mm厚度的定子磁軛上進(jìn)行極齒加工的極限。
此外，在轉(zhuǎn)子直徑和基本步進(jìn)數(shù)、以及轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度之間還有一個(gè)關(guān)系?？梢钥吹剑ㄟ^改變轉(zhuǎn)子直徑顯著地改變先前確定的基本步進(jìn)數(shù)N是可能的，但是，如果增加轉(zhuǎn)子直徑從轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的觀點(diǎn)來看雖然可認(rèn)為是有利的，因?yàn)樗苁乖诙ㄗ觾?nèi)分配的步進(jìn)數(shù)增加，然而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將隨直徑的增加而成比例地增加，由此降低轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度。相反，如果縮小轉(zhuǎn)子直徑，慣性矩將顯著地降低，同時(shí)，能夠分配給定子的步進(jìn)數(shù)受到限制，從而使維持轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度變得格外地困難。
因此，除非電動(dòng)機(jī)的尺寸因上述情況而被顯著改變，不可能通過轉(zhuǎn)子直徑大量地改變基本步進(jìn)數(shù)N。結(jié)果，在一供3.5英寸FDD用的主軸電動(dòng)機(jī)里，基本步進(jìn)數(shù)的范圍是48≤N≤188。
上面敘述了一種內(nèi)轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)，但對(duì)于外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)來說，基本步進(jìn)數(shù)N的范圍也是相同的。這是因?yàn)橥廪D(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)(盡管在慣性矩方面是得益的)具有缺點(diǎn)，即由于磁鐵的大直徑和增加的磁通勢(shì)引起的磁性飽和的建立將使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加，從而抵銷了它的效果。因此，不能看出外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)具有任何固有的、有利的結(jié)構(gòu)條件。圖7顯示了一外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的例子。與圖2所示的內(nèi)轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)相比，外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)的不同之處只是定子和轉(zhuǎn)子位置正好相反。換句話說，在一外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)里，定子位于內(nèi)側(cè)，而一包含磁鐵的轉(zhuǎn)子可在它的外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)對(duì)圖7所示的外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)作一簡(jiǎn)單說明，主軸10由固定安裝在一電動(dòng)機(jī)安裝板18上的軸承13和推力軸承14支承，而一轂11固定在主軸10的上部。一碗形轉(zhuǎn)子磁軛19固定在轂11上，而一磁鐵12固定在轉(zhuǎn)子磁軛19的內(nèi)側(cè)面上。此外，在電動(dòng)機(jī)安裝板18上，線圈17卷繞在定子磁軛15內(nèi)部的芯子16上，線圈17與在轉(zhuǎn)子磁軛19內(nèi)側(cè)的磁鐵12略微隔開。卡盤機(jī)構(gòu)8與轉(zhuǎn)子上表面嚙合的位置與圖2所示的內(nèi)轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)相同。
下一個(gè)因素是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從保持高轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度的觀點(diǎn)來看，由于如上所述它會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，所以最好應(yīng)該較低。一種要求特別注意起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的觀點(diǎn)認(rèn)為，它不是由磁性飽和作用(如在外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)機(jī)的敘述中所提到的)產(chǎn)生的。這是因?yàn)榇判燥柡褪且环N非線性的現(xiàn)象，并且，它不在上述物理定律適用的范圍內(nèi)。在這種情況下考慮起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在一外徑大致為60mm、厚度大致為8mm的3.5英寸FDD電動(dòng)機(jī)里，Td必須是Td≤20(g·cm)。
如上所述，按照本發(fā)明，可使用廉價(jià)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特別有效)作為用于信息記錄裝置(諸如FDD)的主軸電動(dòng)機(jī)，從而可使記錄裝置顯著地降低成本。此外，由于通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置電動(dòng)機(jī)步進(jìn)數(shù)、轉(zhuǎn)子慣性和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、而不需要改變電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)就可方便地獲得所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度，因此不必增加成本。電動(dòng)機(jī)不需要采用特殊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電壓驅(qū)動(dòng)就可以了)，這不僅意味著驅(qū)動(dòng)電路本身是廉價(jià)的，并且也可使有效的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組裝入一單片微機(jī)里，而單片微機(jī)安裝在該裝置里。
權(quán)利要求
1.一種用于信息記錄裝置的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它作為主軸電動(dòng)機(jī)以穩(wěn)定的速度直接驅(qū)動(dòng)記錄信息的一記錄盤，其特征在于，取所述電動(dòng)機(jī)在其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上的全部轉(zhuǎn)動(dòng)部分、包括記錄盤的慣性矩為J(g·cm2)，基本步進(jìn)數(shù)為N(steps)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的峰-峰值為2Td(g·cm)，以及額定轉(zhuǎn)速為n(rps)，當(dāng)下面公式確定的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η(％)被定義為η＝98000 Td/(π2n2×J×N)(％)以及取所述電動(dòng)機(jī)為確保資料存取在裝置里所需的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度為ηa(％)，設(shè)置所述電動(dòng)機(jī)的J，N，Td和n的值，使η≤ηa式中，轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度值η和ηa作為峰-峰轉(zhuǎn)換后的值計(jì)算。
2.如權(quán)利要求1所述的用于信息記錄裝置的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)包括一兩相爪極式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于信息記錄裝置的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是一軟磁盤機(jī)(FDD)的主軸電動(dòng)機(jī)，設(shè)置所述電動(dòng)機(jī)的J，N和Td的值，使所述轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度η(％)的值滿足下列條件0.3≤η≤1.2式中，額定轉(zhuǎn)速n被設(shè)置為5(rps)。
4.如權(quán)利要求3所述的用于信息記錄裝置的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是一3.5英寸FDD上的主軸電動(dòng)機(jī)，而所述基本步進(jìn)數(shù)N(steps)滿足下列條件48≤N≤188。
5.如權(quán)利要求4所述的用于信息記錄裝置的電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)是一3.5英寸FDD上的主軸電動(dòng)機(jī)，而所述起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td(g·cm)滿足下列條件Td≤20(g·cm)。
全文摘要
提供一種信息記錄裝置，利用一廉價(jià)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)記錄信息的記錄盤，通過廉價(jià)的數(shù)字電路技術(shù)使記錄盤在開環(huán)控制下被驅(qū)動(dòng)，而不需要使用轉(zhuǎn)子位置探測(cè)器或速度探測(cè)器，通過建立步進(jìn)電動(dòng)機(jī)里固有的、上述的步進(jìn)操作(具有差的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度)，在信息記錄裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間形成某種關(guān)系，使記錄盤的轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確度上升到一個(gè)適于使用的水平，但不必增加成本。
文檔編號(hào)H02K37/00GK1166718SQ9711114
公開日1997年12月3日 申請(qǐng)日期1997年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月9日
發(fā)明者鈴木讓, 藤谷栄, 青野嘉幸 申請(qǐng)人:美蓓亞株式會(huì)社