В недрах жестких дисков

Сергей КРУШНЕВИЧ
sergeyk@bk.ru
травень 2004
Статтю надрукованоу тижневику "Мой компьютер"

В прошлый раз мы разобрались с конструкцией магнитной головки и магнитного диска. Сегодня поговорим о их взаимодействии и перемещении.
(продолжение. Начало)

Пролетая над дорогой родной

Во время записи, магнитная головка перемещается вдоль диска (точнее сказать диск перемещается вдоль головки), в результате чего на поверхности магнитного диска остается так называемый «магнитный след» (или по научному - дорожка). Он представляет собой набор небольших участков поверхности, намагниченной во взаимно противоположных направлениях (рис.1). Намагниченность в одном направлении воспринимается как логическая «1», в другом – «0». Ширина дорожки равняется ширине рабочего зазора магнитной головки (но реально он конечно немного шире, так как магнитное поле зазора распространяется на все 360 градусов, да еще и зазор находится на некотором расстоянии от поверхности диска). Длина участка дорожки (намагниченного в одном направлении) определяется длиной рабочего зазора (т.е. толщиной вкладыша в зазоре магнитопровода) и временем, в течении которого через катушку записывающей головки проходит импульс тока одной полярности (естественно реальная длина будет немного больше). На рис 1 показано теоретическое расположение данных, а на рис 2 – реальное, полученное в результате рассеивания магнитного поля.

    
рис 1              рис 2

Так как диск круглыйJ, то и дорожки размещаются на поверхности диска концентрическими кольцами, в отличие от спирали (принятой в устройствах чтения/записи CD и DVD). Расстояние между соседними дорожками (т.е. кольцами) составляет примерно треть ширины дорожки.

Ширина рабочего зазора считывающей головки, как правило, выполняется немного меньше ширины дорожки. Это позволяет ей легче попасть в центр дорожки и избавится от наводок соседних. Исключение составляют универсальные головки, которые являются как считывающими, так и записывающими. Но в последнее время они обычно не применяются.

Шагающий сервопривод магнитных головок

Сервоприводом обычно называют устройство, с помощью которого можно дистанционно изменять расположение тела в пространстве согласно заданным координатам. Это правило касается и сервопривода магнитных головок. Он позволяет разместить магнитную головку над поверхность диска в заданной точке с очень высокой точностью.

Конструкция одних из первых сервоприводов представляет собой передачу «шестерня-рейка». Принцип работы хорошо виден на рисунке 3. Вращение шестерни 4, шагового двигателя 3, перемещает зубчатую рейку 5, которая в свою очередь перемещает позиционер 6, на котором установлены магнитные головки 2. 1 - магнитный диск. Эта конструкция получила название «линейная», так как головка совершает движение по одной линии, направленной в ось вращения и перпендикулярной ей.

Рис 3.

Это было самое простое устройство. Один «шаг» двигателя перемещает головку на строго фиксированное расстояние (т.е. на соседнею дорожку). Но как всегда, простота имеет свои недостатки. И здесь они существенны. При изменении линейных размеров диска (в результате нагрева) дорожки смещаются в сторону, и попасть на средину дорожки становится невозможно. Уменьшение «шага» двигателя в несколько раз является очень сложной и дорогостоящей задачей. По этой причине шаговые двигатели сейчас можно встретить в основном только в устройствах с малой плотностью записи (например во всем известных  дисководах).

Следующим шагом стало применение вместо шагового двигателя электромагнита. С его помощью стало возможным плавно перемещать головку вдоль диска. Это позволило забыть о температурном линейном расширении диска. Но такая конструкция была очень неустойчивой и малейшие вибрации «уводили» механизм в сторону.

Магнитная вертушка

Вскоре эту конструкцию модернизировали и сделали позиционер поворотным. Эта конструкция получила название «ротационная» (от английского rotate - вращать). Механизм с поворотным позиционером позволял значительно точнее и надежнее удерживать головку в нужном месте. Для поворота также использовался электромагнит.На рисунке 4 представлена конструкция НЖМД с поворотным позиционером: 1 – головка; 2 – позиционер; 3 – постоянный магнит; 4 – электромагнит (его еще называют соленоидом, так как витки катушки расположены в одном слое). В народе электромагнит в этом типа сервопривода получил название «звуковая катушка», так как конструкция, да и принцип работы, напоминает конструкцию звуковой катушки обычного электромагнитного динамика. Именно этот узел НЖМД при работе создает непостоянный звук, похожий на шорох, а иногда и писк.

рис 4

Привод магнитных дисков

На плечи привода магнитных дисков (блинов – если кто еще не зналJ) ложится не менее трудная задача, чем на сервопривод магнитных головок. Привод должен обеспечить высокую скорость вращения шпинделя (вала, ротора – кому как понятнее) двигателя, при этом нужно обеспечить высокую стабильность вращения шпинделя за один оборот (т.е. не должно быть рывков). Наличие вибраций и биения шпинделя резко снижает плотность записи. Привод также должен обеспечить быструю раскрутку дисков до номинальной скорости, чтобы минимизировать время контакта магнитных головок и дисков. Ну и вдобавок, привод должен занимать минимальный объем, выделять минимум тепла и быть как можно более «тихим». Сочетание всех названых факторов в одном устройстве составляет большую проблему. Улучшение одних параметров, обычно приводит к ухудшению других, тут важно найти некий баланс всех параметров.

Большинство вышеуказанных требований ложатся на место стыка подвижных и неподвижных частей привода – на подшипники. Как Вы знаете, подшипники бывают двух основных типов – скольжения и качения.

Скользящие по маслу

Подшипники скольжения представляют собой неподвижный корпус (статор) и продетый через него вал (ротор). Диаметры вала и отверстия подгоняются очень точно, в результате чего биения практически отсутствуют. Пространство между валом и отверстием заполняется вязким смазывающим материалом, служащим для уменьшения трения между ними.

Принцип работы такого подшипника прост. При вращении вала смазывающий материал создает тонкую пленку вокруг него. Вал «взбирается» и скользит по ней. К большому сожаленью, смазывающий материал имеет свойство высыхать, в результате чего начинается интенсивный износ вала и отверстия в следствии «сухого» трения. Поэтому подшипники скольжения требуют постоянной подпитки маслом, что и ограничивает их применение в герметичных необслуживаемых механизмах.

Более широкое распространение получили…

Шарикоподшипники

Конструктивно подшипники качения похожи на подшипники скольжения, с той разницей, что между отверстием и валом присутствует еще одно тело – шарик (или ролик, в роликоподшипниках). Этот тип подшипника имеет на несколько порядков большую долговечность (в процессе борьбы с шумом вентиляторов, многие наверное убедились в этом). Но у шарикоподшипников есть и недостатки – это присутствие биения (даже в новых) и значительный уровень шума. Основная вина в этом лежит на неидеальной форме шарика. Несмотря на это, подшипники качения получили довольно широкое распространение, и использовались в НЖМД еще несколько лет назад (в наши дни еще можно найти большое количество НЖМД с этим типом подшипников).

Как всегда, кому-то показалось малоJ и инженеры решили вернутся к подшипникам скольжения. После долгих разработок на свет появился новый тип подшипников...

Гидродинамические подшипники

Гидродинамический (или как его еще называют - жидкостный) подшипник по своей конструкции очень напоминает подшипник скольжения. Небольшая разница в том, что гидродинамический изготавливают с намного более высокой точностью, в нем используется специальное вязкое масло и конструкция не допускает его вытекания за пределы подшипника. Эти факторы и определяют повышенную стоимость изделий, в которых использован этот тип подшипников.

Так в чем же преимущество гидродинамических подшипников? В отличии от подшипников качения, пространство между валом и отверстием заполнено однородной вязкой жидкостью. В результате этого отсутствует вибрация, которую создают шарики в подшипниках качения. Кроме того, поглощаются и другие виды вибрации (например, от взаимодействия переменного тока катушки и магнита двигателя). Благодаря тому, что трение практически отсутствует (теоретически полностью, но в реальной жизни...J), значительно уменьшается износ (резко повышается долговечность) и на несколько порядков уменьшается тепловыделение вызванное трением. А герметичность узла препятствует высыханию и вытеканию смазывающего материала.

Внутри или под?

Так, с подшипниками разобрались. Теперь разберемся с размещением самого привода. Обычно привод размещается частично под и частично внутри магнитных дисков (рис 5). Такое размещение позволяет значительно сэкономить драгоценное место, благодаря уменьшению высоты корпуса НЖМД. С рисунка 5 видно, что магнитные диски устанавливаются прямо на ведущем шпинделе привода, что как и говорилось раньше, накладывает жесткие требования на биения и вибрации привода.

Рис 5.

С электрической точки зрения, привод является двигателем переменного тока. Конструктивно в нем содержится несколько обмоток, которые при правильном взаимодействии магнитными полями, способны быстро раскручивать шпиндель вместе с диском до рабочей скорости и удерживать ее. Питание обмоток выполняет специализированная микросхема – контролер двигателя, но об этом в следующий раз.

Стандартными скоростями вращения шпинделя обычно считаются: 4200, 5400, 7200, 10000 и 15000 оборотов в минуту (об/мин). Последние две скорости еще только начинают получать широкое распространение, тогда как нормой на сегодняшний день является 7200 об/мин.

На сегодня все. До встречи на страницах МК.

Пусть сдача летней сессии будет легкой и быстрой!