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1、 1999年年 09月月 07日日作作 成成 者者 : MOTOR部部 刘刘 真承真承LG 精密机构部品精密机构部品OBU1. Motor的分类的分类2. Motor的驱动原理的驱动原理3. Spindle Motor的结构图的结构图4. Spindle Motor的重要规格的重要规格目目 次次DISK 驱动用驱动用 SPINDLE MOTORMotor的分类的分类把电能转换成回转运动能的机械部品把电能转换成回转运动能的机械部品. .AC 马达马达DC 马达马达2 / 11必胜经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBU 什么
2、叫什么叫Motor?1. Motor的分类的分类Brush 马达马达 = 一般地叫它一般地叫它 DC MOTOR. : 利用毛刷利用毛刷(Brush)和整流子和整流子(Commutator)进行接触式整流的马达进行接触式整流的马达 : Loading MotorBrushless 马达马达 = BLDC MOTOR : 利用传感器利用传感器(Hall Sensor)进行非接触式整流的马达进行非接触式整流的马达 : Spindle Motor按整流方式分类按整流方式分类按输入电压分类按输入电压分类 其它分类其它分类 - - Stepping MotorStepping Motor - Linea
3、r Motor - Linear Motor - Servo Motor - Servo Motor 等等Motor的分类的分类Motor的分类的分类3 / 11 2. Brush Motor和和 Brushless Motor的比较的比较Brush MotorBLDC MotorMagnet电磁卷线电磁卷线电磁卷线电磁卷线Magnet固定子固定子回转子回转子整流方法整流方法Brush与整流子间的机械接触与整流子间的机械接触利用利用TR的电器性的开关的电器性的开关区分区分不必要不必要Hall Sensor, 使用光电子等使用光电子等.位置检出位置检出- 快速地应答快速地应答 价格低廉价格低廉-
4、 有电器的有电器的, 机械的机械的 Noise- 寿命短寿命短.- 半永久地使用可能半永久地使用可能 = 轴系问题轴系问题 效率高效率高 变速制御容易变速制御容易. 电器的电器的,机械的机械的 Noise小小.- 价格高价格高. 结构结构(驱动部包含驱动部包含)复杂复杂.优点及缺点优点及缺点 Sensorless BLDC Motor : 不使用不使用Hall Sensor的的 BLDC Motor.- 利用回转子的磁极检出信号使用固定子利用回转子的磁极检出信号使用固定子Coil的的 B-EMF信号信号.- Motor在初期启动时由自身的磁性回路往在初期启动时由自身的磁性回路往Coil引加任意
5、的电流使得回转子开始运动引加任意的电流使得回转子开始运动,在达到在达到 一定大小以上的一定大小以上的B-EMF信号时就会给信号时就会给Coil供给转换电流供给转换电流(自启动回路自启动回路) - 其类型有其类型有:由于没有空间由于没有空间,设置设置Sensor非常困难的薄型非常困难的薄型Motor和和 温度过高引起的使用温度过高引起的使用Hall Sensor较困难的较困难的Compressor用用 Motor等等. DC Motor和和 BLDC Motor的比较的比较必胜经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBU 什么叫
6、什么叫Stepping Motor? 1. 定义定义 : 由一个输入由一个输入Pulse 信号引起的只回转一定角度的信号引起的只回转一定角度的Motor. 2. 优点优点 - 用数字信号可以直接制御用数字信号可以直接制御open loop, 整个系统简单整个系统简单. - 可以得到与可以得到与pulse信号频率相成比例的回转速度信号频率相成比例的回转速度, 且其速度制御很广泛且其速度制御很广泛. - 启动启动,停止停止,正正.逆转逆转,变速容易变速容易,其应答性也很好其应答性也很好. - 角度误差小角度误差小,而且误差不会遗漏而且误差不会遗漏. - 由于由于Motor自体的部品数少自体的部品数
7、少,其信赖性高其信赖性高. - 价格低廉价格低廉. 3. 缺点缺点 - 有脱组共振的问题有脱组共振的问题. : 在低速领域在低速领域Motor的固有频率和输入的的固有频率和输入的pulse信号的频率相一致时信号的频率相一致时, 由其他原因在高速领域也会发生由其他原因在高速领域也会发生. = 会在某一速度领域上震动忽然加大会在某一速度领域上震动忽然加大, 其其Torque也会降低也会降低. = 会发生逆转会发生逆转, miss step现象现象. 4. Stepping Motor的分类的分类 : 结构上的分类结构上的分类Motor的分类的分类4 / 11VR(Variable Reluctan
8、ce) typePM(Permanent Magnet) typeHB(Hybrid) typeStepping Motor必胜经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBUMotor的驱动原理的驱动原理5 / 11 1. Motor的驱动原理的驱动原理由永久磁石形成磁力系统由永久磁石形成磁力系统通过通过Brush和整流子在导体和整流子在导体(coil)上产生电流上产生电流产生箭头方向所示的产生箭头方向所示的Torque回转子会继续回转回转子会继续回转导体导体(coil)回转回转180度时由整流子度时由整流子起作用电流会发生反方
9、向流动起作用电流会发生反方向流动左手规则左手规则F = BIL N(1) Brush Motor的驱动原理的驱动原理Brush是一双或是一双或多双构成多双构成 Torque(回转力回转力)是是 T = r F N m 在这里在这里, r是是 回转体的半径回转体的半径 B是是 磁束密度磁束密度 wb/ L是是 导体的长度导体的长度 m I是是 导体流动的电流导体流动的电流 ADC Motor的驱动原理的驱动原理必胜经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBUMotor的驱动原理的驱动原理6 / 11与与Brush Motor的驱
10、动原理同样的驱动原理同样, 它是它是把把Brush Motor的回转子的回转子Coil固定固定, 使固定定子的永久磁石回转使固定定子的永久磁石回转,在结构上在结构上Brush Motor以以Brush和由整流子引起的相互间电流转换和由整流子引起的相互间电流转换,它是以它是以 永久磁石位置感知用永久磁石位置感知用Sensor和和Power Device(一般使用一般使用 Tr)构成构成. (2) Brushless Motor(BLDC Motor)的驱动原理的驱动原理Hall Sensor永久磁石永久磁石(多极着磁多极着磁)Core(coil)NSNS3个个 Hall Sensor可以得出可以
11、得出按着两个永久磁石按着两个永久磁石(N, S 极极)分类的分类的其电子角为其电子角为120。的位相差这种特性的位相差这种特性的正弦波。的正弦波。Spindle Motor 驱动用驱动用 IC是是收到收到Hall Sensor 出力波形出力波形按着按着Switching Logic给给Motor Coil(U, V, W)供给电流供给电流.Spindle Motor 驱动用驱动用 IC(M63020FP : V3用用 IC)BLDC Motor的驱动原理的驱动原理必胜经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBUMotor的驱动
12、原理的驱动原理7 / 11 Hall Sensor出力波形出力波形Motor的的Coil端电流端电流123456U UICICV VW W612543Hall Sensor 出力出力 = Magnet N极极 : High, Magnet的的 S极极 : LowMagnet的两个极加上的两个极加上6号号Switching开始开始. 6 极着磁极着磁(V2, V3 等等)的的Motor回转一次时回转一次时Switching回数回数 : 18 12极着磁极着磁(D2, N1 等等)的的Motor 回转一次时回转一次时Switching回数回数 : 36 BLDC Motor的驱动原理的驱动原理必胜
13、经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBU8 / 11 MITSUBISHI IC M63020FPSPINDLE MOTOR NT-IT CURVENo(rpm.)Is(mA)Ts(gfcm)Y 负荷点负荷点B rpm. A mA X 负荷点负荷点C rpm. A(rpm.)B mA C mA 一般特性一般特性C rpm. 制御时特性制御时特性Motor的驱动原理的驱动原理I limit(A)Current limitCurrent limitDead zoneCTL-REF(V)GioGioForward torqueR
14、everse torque1. I limit(Current Limit) = 0.5 / Rs A2. Gio(Current Gain) = R1 / (R1+R2) Rs A/V3. Motor的效率的效率 = 1.027 (N T) / (V I) 10 % -3-3对于对于Spindle Motor在倍速增加时在倍速增加时,要增加马达的回转数及要增加马达的回转数及Torque,Motor的效率由其结构就可以决定，的效率由其结构就可以决定，电流增加是必然的电流增加是必然的. = Rs 阻抗值设定是重要的。阻抗值设定是重要的。Motor 制御及制御及 NT-IT CURVE必胜经营必胜
15、经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBU9 / 11Spindle Motor的结构图的结构图Clamp PlateT-BushShaftFelt Friction sheetTurn TableBall CoverBall CaseBallCoreDrive MagnetCoilHall SensorThrust StopperRotor YokeThrust PlateBearing HousingPhenol P.C.B.Base P.C.B.Metal Bearing结构图及部品名结构图及部品名必胜经营必胜经营! 奋发图强
16、奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBU10 / 11 Spindle Motor的重要规格的重要规格1. 负荷回转数负荷回转数/电流电流 : 按着按着CD-ROM Set的倍速其回转数已经决定的倍速其回转数已经决定, 按着使用按着使用IC的的Output Current和和 Power dissipation 规格及规格及 Set 内部温度决定其电流内部温度决定其电流. : 随着随着CD-ROM Set的高倍速化，要增加其电流是不可能的，所以要求选定的高倍速化，要增加其电流是不可能的，所以要求选定 高倍速用高倍速用IC及设计放热系统才可达到目的
17、及设计放热系统才可达到目的. = 主要采用主要采用 PWM 驱动方式的驱动方式的IC.2. Thrust 吸引力吸引力 : Disk驱动时为了防止由驱动时为了防止由Rotor部部(回转部回转部)负伤引起的噪音负伤引起的噪音,振动为目的振动为目的. = 特别特别, Vertical 驱动时驱动时 : 包含在回转部上的包含在回转部上的Drive Magnet 拉动固定位置上的拉动固定位置上的Core的力度的力度, 增加增加高高Grade的的 Magnet 材质和增加材质和增加 D/Magnet和和 Core 间磁性间磁性 Unbalance，可提高其，可提高其 Thrust 吸引力吸引力. 3.
18、Cogging torque : 不给不给Motor输入电流回转时输入电流回转时, D/Magnet 和和 Core的相互磁性吸引力的变化的相互磁性吸引力的变化. : Cogging 的频率指的是的频率指的是 Magnet 的极数和的极数和 Core Pole 数的最小公倍数数的最小公倍数. = 12 极着磁极着磁 9 Poles : Motor 回转时回转时 基本频率的基本频率的 36 倍的成分倍的成分. : 给马达的正速性及制御产生恶劣的影响给马达的正速性及制御产生恶劣的影响, 也是马达发生振动的原因之一也是马达发生振动的原因之一. = 光光Disk用用 Spindle Motor的情况，
19、不会受到的情况，不会受到 Wow / Flutter的很大影响的很大影响, Disk自体的大自体的大inertia引起的引起的Motor自体振动被忽略，因此自体振动被忽略，因此C/Torque的重要性不是很强的重要性不是很强. : Cogging Torque的阻感是的阻感是 使使Magnet和和Core间的空极磁束密度的正弦波化及增加间的空极磁束密度的正弦波化及增加Cogging频率可以达到目的频率可以达到目的. = 给给Core形成辅助形成辅助slot 及及 与与Magnet间的间的Un-even gap设计设计, Sign波的着磁波的着磁, Skew 着磁等着磁等. : Thrust 吸
20、引力增加引起的磁性吸引力增加引起的磁性Cogging Torque的增加及噪音的增加是可能发生的的增加及噪音的增加是可能发生的.重要规格重要规格必胜经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBU11 / 11Spindle Motor的重要规格的重要规格4. Hall Sensor 出力出力 : 是由是由Motor的驱动用的驱动用IC的规格而决定的规格而决定. = Spindle Motor的驱动用的驱动用IC的情况是的情况是 50 60 mV 范围范围. = 由由Hall Bias的阻抗不同其出力值的差异也大，所以选好适当的值
21、很关键的阻抗不同其出力值的差异也大，所以选好适当的值很关键. : 为防止由温度上升引起的为防止由温度上升引起的Hall Sensor 减小，管理要在减小，管理要在 150 mV 以上以上(100 使用时使用时). 5. 噪音，振动噪音，振动 (1) 异常噪音异常噪音 : 主要由回转子和固定子的主要由回转子和固定子的Touch引起的。引起的。 1) Switching Noise : 在在IC的的 Switching时多发时多发, 可用可用Switching 频率确认频率确认. = 12 极着磁极着磁, 9 Poles的情况时与的情况时与Cogging频率同样的频率频率同样的频率. : Coil
22、上有上有 附着附着, Tr的的 Switching Time 缓和缓和(正弦波驱动方式正弦波驱动方式) 及及 Hall Sensor的的 正确位置等有必要正确位置等有必要. : 为提高为提高Thrust 吸引力吸引力 在增加在增加 Unbalance 时，噪音也增加时，噪音也增加. 2) Torque Ripple 引起的引起的 Noise : Cogging Torque 等引起的等引起的 Torque 变动引起的噪音变动引起的噪音 S/Motor的情况其影响是很小的。的情况其影响是很小的。 6. 寿命寿命 : 虽然虽然BLDC Motor的寿命不是永久的的寿命不是永久的,但在使用但在使用M
23、etal Bearing 时时 轴系的磨损时间为寿命时间轴系的磨损时间为寿命时间. : 随着高倍速化随着高倍速化, Metal Bearing的材质要用铜的材质要用铜, Shaft的硬度要求在的硬度要求在700 Hrc 以上以上. : 温度上升温度上升 10 时时, 寿命会缩减，所以散热设计很重要寿命会缩减，所以散热设计很重要. : Metal Bearing 内部的异物对寿命的影响是致命的内部的异物对寿命的影响是致命的.5 VVhR1R2H/S Hall Voltage VhVH = (1/d) B Ic RH在这里在这里, RH = Hall常数常数 m c d = 半导体半导体 自身厚度自身厚度 m B = 磁束密度磁束密度 T Ic = 电流电流 A3 3-1-1重要规格重要规格必胜经营必胜经营! 奋发图强奋发图强, 进行到底进行到底, 马到功成马到功成 ! LG精密机构部品精密机构部品OBU
