ZINTEGROWANY MODEL OBWODOWO-POLOWY UKŁADU WIRUJĄCYCH TALERZY DYSKU TWARDEGO W ŚRODOWISKU SIMULINK/FEMLAB

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISNN X 32, s , Gliwice 2006 ZINTEGROWANY MODEL OBWODOWO-POLOWY UKŁADU WIRUJĄCYCH TALERZY DYSKU TWARDEGO W ŚRODOWISKU SIMULINK/FEMLAB WOJCIECH ZYZIK MATEUSZ ZDZIEBLIK asolwenci Wyziału Elektrycznego, Zakłau Mechatronika IETiP, Politechnika Śląska ZBIGNIEW PILCH TOMASZ TRAWIŃSKI Wyział Elektryczny, Zakła Mechatroniki IETiP, Politechnika Śląska Streszczenie. W artykule przestawiono zintegrowany oel owoowopolowy ukłau wrzecionowego ysku twarego. Moel łożyskowania, wirnika, stojana oraz talerzy zaoelowano z wykorzystanie etoy eleentów skończonych w śroowisku MATLAB-FEMLAB. Moel silnika wrzecionowego w postaci owoowej zaipleentowano w śroowisku MATLAB-SIMULINK. 1. WSTĘP O inżynierów konstruujących yski tware wyaga się tworzenia urzązeń o jak największych pojenościach, jak najwyższych prękościach zapisu/oczytu inforacji, jak najkrótszy czasie ostępu o inforacji, nieulegających awario, jak również coraz częściej o ożliwie niewielkich roziarach i inialny poorze energii w celu stosowania ich w urzązeniach przenośnych. Zwiększenie pojeności ysków uzyskuje się poprzez wzrost powierzchniowej gęstości zapisu anych (aktualny rekor to 138 G/in 2 ). Wyaga to ograniczenia rgań systeu wrzecionowego przenoszonych na talerze, co ożna osiągnąć przez stosowanie ceraicznych łożysk tocznych [5] lu łożyskowania hyroynaicznego. Natoiast w oręie aktuatora głowic stosuje się ukła powójnego aktuatora głowic (oatkowy przegu na styku E-loku i ukłau zawieszenia głowic o napęzie piezoceraiczny). Tenencje rozwojowe oserwowane w konstrukcjach ysków twarych wyagają tworzenia oeli oliczeniowych ających ożliwość analizy zjawisk towarzyszących pracy ysku twarego. 2. MODEL GEOMETRYCZNY SYSTEMU WRZECIONOWEGO HDD Moel geoetryczny systeu wrzecionowego ysku twarego zuowano na postawie przykłaowego ysku Sasung SV0644A. Postawowe paraetry urzązenia to: pojeność - 6,4 GB, prękość orotowa 5400 or./in, 2 talerze przechowujące inforacje. Pełna specyfikacja ysku znajuje się na stronie proucenta [1].

2 514 W. ZYZIK, I IN. Rysunek 1a) przestawia trójwyiarową uowę systeu wrzecionowego z wykroje ćwiartki owou, natoiast rys. 1) przestawia przekrój przez syste wrzecionowy HDD z postawowyi wyiarai. a) ) Rys. 1. a) Buowa ukłau wrzecionowego ysku twarego, ) przekrój płaski ukłau wrzecionowego z postawowyi wyiarai. Stworzenie oelu płaskiego pozwoliło na zaipleentowanie go w śroowisku o oliczeń polowych FEMLAB v3.1. Rysunek 2a) przestawia półprzekrój, który po zaiportowaniu w prograie polowy posłużył o uowy oelu yskretnego przestawionego na rys. 2). Ograniczono się o oelu płaskiego, osiowosyetrycznego zaiast oelu 3D ze wzglęu na ograniczenia oliczeniowe śroowiska FEMLAB. a) ) Rys. 2. a) Półprzekrój systeu wrzecionowego (oel CAD), ) osiowosyetryczny oel yskretny systeu wrzecionowego. Buowa oelu 2D osiowosyetrycznego, oprócz zecyowanego uproszczenia go i skrócenia czasu oliczeń, wnosi ze soą pewną koplikację nie wszystkie eleenty oiektu są osiowosyetryczne. Pociągnęło to za soą konieczność ostosowania paraetrów ateriałowych łożyska powstałego w oelu (przy taki zaoelowaniu oiektu zaiast eleentów tocznych w postaci kulek - łożysko posiaa torus) o łożyska istniejącego w ysku. Efekt końcowy (w postaci opowienich paraetrów ateriałowych przypisanych następnie o eleentów oelu płaskiego) osiągnięto przez zaoelowanie trójwyiarowego łożyska, wyznaczenie jego sztywności osiowej i proieniowej, porównanie wyników z oliczeniai analitycznyi (otrzyano zliżone wyniki). Następnie okonano serii syulacji la saego łożyska zaoelowanego w oule osiowosyetryczny FEMLABa przy ziennych paraetrach ateriałowych torusa y otrzyać, aekwatne o wcześniejszych, wartości sztywności łożyska. Pozostały eleento oelu przypisano paraetry ateriałowe z wuowanej azy ateriałów prograu o oliczeń polowych.

3 ZINTEGROWANY MODEL OBWODOWO-POLOWY UKŁADU WIRUJĄCYCH TALERZY DYSKU OBLICZENIA POLOWE DLA SYSTEMU WRZECIONOWEGO HDD Zaoelowany syste wrzecionowy poano analizie częstotliwości rgań własnych oraz analizie okształceń i naprężeń o ziałającej siły ośrokowej. Na rys. 3a) przestawiono sposó poparcia ukłau (oerano ożliwość ruchu w kierunku proieniowy i w kierunku osiowy), na rys. 3) zaznaczony eleento naano prękość orotową ω = 180 π ra./s (5400 or./in). a) ) Rys. 3. a) Poparcie ukłau, ) wirujące eleenty oelu [4]. Rys. 4a) przestawia okształcenia i naprężenia o siły ośrokowej. Maksyalne naprężenia wynoszą 1,382 MPa, aksyalne przeieszczenie proieniowe wynoszą 0,196 µ, a przeieszczenia osiowe 0,106 µ. Rysunki 4), 4c), 4) orazują trzy postawowe postacie osiowosyetrycznych rgań własnych systeu wrzecionowego. Opowiaające i częstotliwości rgań własnych poano po rysunkai. a) naprężenia i okształcenia ) 1 częstotliwość - 603, Hz c) 2 częstotliwość - 656, Hz ) 3 częstotliwość , Hz Rys. 4. Wyniki syulacji przeprowazonych la ukłau wrzecionowego HDD [4].

4 516 W. ZYZIK, I IN. 4. MODEL MATEMATYCZNY SILNIKA WRZECIONOWEGO Owoowy oel ateatyczny 3-fazowego silnika wrzecionowego SM w naturalny ukłazie współrzęnych any jest równaniai napięciowyi la owou stojana, równanie oentu elektroagnetycznego silnika oraz równanie ruchu [2]. Równania napięciowe la owou stojana w postaci ogólnej: ac gzie:[ ] ac ac ac ac [ u ] [ R ] [ i ] + [ Ψ ] = (1) ac u - wektor napięć zasilających silnik wrzecionowy, [ i ] - wektor prąów ac fazowych silnika wrzecionowego, [ R ] - iagonalna acierz rezystancji fazowych ac silnika wrzecionowego, [ Ψ ] - wektor struieni skojarzonych z uzwojeniai fazowyi stojana. Równania napięciowe la owou stojana w postaci kanonicznej: i i i a c = = = 1 L a ( u R i p Ω Ψ cos( p ϑ )) a 1 u L 1 uc Lc a a R i R i c c p Ω p Ω f Ψ Ψ f f cos pϑ cos pϑ 2 π π 3 (2) gzie: i, L, u, R - opowienio: prą, inukcyjność, napięcie zasilające, rezystancja anej fazy, p - licza par iegunów silnika wrzecionowego, Ω - echaniczna prękość kątowa wirnika, Ψ f - wektor struienia wzuzenia ϑ - echaniczny kąt orotu wirnika. Moent elektroagnetyczny T e wyznaczony z ilansu ocy silnika: T e ac T ac [ Ψ ] [ i ] = 1 Ω (3) Postać końcowa wyrażenia na oent elektroagnetyczny: 2 2 ( p ϑ ) + i Ψ cos p ϑ π + i Ψ cos p ϑ + T e = p iaψf cos f c f π (5) 3 3 Równania ruchu la systeu echanicznego: Ω 1 = J w ( T T ) e L ; gzie: J w - zastępczy oent ezwłaności ukłau wrzeciona, L ϑ = Ω (6) T - oent ociążenia.

5 ZINTEGROWANY MODEL OBWODOWO-POLOWY UKŁADU WIRUJĄCYCH TALERZY DYSKU ZINTEGROWANY MODEL OBWODOWO-POLOWY Połączenie oelu owoowego z polowy zrealizowane zostało za poocą sprzężenia o oelu owoowego przez prękość orotową zaawaną wirujący eleento oelu polowego. Na potrzey Siulinka okonano niewielkiego uproszczenia oelu polowego. Usunięto z niego aluiniową nakłakę na górne łożysko lokującą głę olejową oraz uproszczono nieco konstrukcję postawy silnika. Moel eksportowany o Siulinka przestawia rys. 5a) (ożna go porównać z rysunkai 2 i 3). W zaznaczonych punktach rejestrowano przeieszczenia proieniowe i osiowe oraz oatkowo w punkcie 1 realizowano rejestrację naprężeń. a) ) Rys. 5. a) Uproszczony oel la Siulinka, ) połączony oel owoowo-polowy [4]. Rys. 5) ilustruje połączony oel owoowo-polowy. Doatkowy lok Look-Up Tale (lok znajuje się poięzy oelai) realizuje zaawanie przeieszczeń osiowych trzpienia systeu wrzecionowego wyznaczonych poczas poiarów na stanowisku aawczy, którego scheat przestawiono na rys.7.

6 518 W. ZYZIK, I IN. 6. WYNIKI SYMULACJI DLA MODELU POŁĄCZONEGO Rys. 6 przestawia wyrane wyniki syulacji la oelu przestawionego w rozziale 5. a) naprężenia w punkcie 1 ) przeieszczenia proieniowe punktów c) przeieszczenia osiowe punktów ) przeieszczenia całkowite Rys. 6. Wyniki syulacji oelu połączonego [4]. Można zaoserwować wzajene pooieństwo w kształcie wykreślonych charakterystyk. Wyraźnie rysuje się przeział, w który okonuje się rozruch silnika wrzecionowego (narastanie wartości na prezentowanych na rys. 6 przeiegach) i faza ustalonej pracy (ustailizowanie się owych wartości na pewny pozioie). Charakterystyki orazujące przeieszczenia proieniowe i osiowe punktów talerza ają arzo zliżony kształt, różnią się jenak wartościai przeieszczeń. Przeieszczenia osiowe są w przyliżeniu ¼ wielkości przeieszczeń proieniowych (efekt rozszerzania się talerzy na skutek ziałania siły ośrokowej oinuje na efekte unoszenia talerzy). 7. WYNIKI POMIARÓW Dla weryfikacji wyników syulacji koputerowej przeprowazono poiary na stanowisku aawczy, którego scheat przestawiono na rysunek 7. Poiarów okonano za poocą głowicy laserowej LK-G152 firy KEYENCE.

7 ZINTEGROWANY MODEL OBWODOWO-POLOWY UKŁADU WIRUJĄCYCH TALERZY DYSKU Karta sterująca firy SPACE uieszczona w koputerze. 2. Końcówka ocy. 3. Silnik wrzecionowy talerzy. 4. Talerz ysku. 5. Głowica laserowa KEYENCE. 6. Laserowy iernik przeieszczenia. 7. Oscyloskop. Rys. 7. Scheat stanowiska aawczego.[3] Na rysunku 8 przestawiono otrzyane wyniki poiarów, tzn. wia aplituowoczęstotliwościowego rgań talerza w funkcji częstotliwości wirowania wirnika wraz z talerzai. Aplitua μ Częstotliwość wirowania Hz Rys. 8. Wyniki aań poiarowych przeprowazonych na stanowisku aawczy [3]. Na prezentowany wykresie ożna zauważyć, że pierwsze częstotliwości rezonansowe znajują się w okolicy 600 Hz i 1300 Hz, co opowiaa wyniko uzyskany po przeprowazonych aaniach syulacyjnych. 8. PODSUMOWANIE Częstotliwość Hz Użyte oprograowanie oraz jego ożliwości oliczeniowe unieożliwiają przeprowazenie pełnej analizy oiektu tak złożonego, jaki jest syste wrzecionowy ysku twarego. Baania poiarowe i uzyskane tą rogą wyniki ają ożliwość zweryfikowania procesu oelowania aanego systeu. Być oże kolejne wersje użytego oprograowania, ąź inne oprograowanie, pozwolą na poszerzenie oszaru aań i uwzglęnienie większej liczy paraetrów wpływających na pracę ysków twarych (np. teperatura). W oszarze alszych prac planowane jest pełne wykonanie oelu polowego 3D zarówno silnika

8 520 W. ZYZIK, I IN. wrzecionowego jak i ukłau echanicznego systeu wrzecionowego, pozwalające na analizę rgań osiowych talerzy wywołanych sposoe naagnesowania agnesów trwałych wirnika silnika wrzecionowego. LITERATURA Moelowanie i syulacja silnika wrzecionowego SM Materiały rukowane o laoratoriu z Mechatroniki, Zakła Mechatroniki, Pol. Śl., Gliwice. 3. M. Zzielik: Końcówka ocy o sterowania silników wrzecionowych, Praca yploowa agisterska, Gliwice W. Zyzik: Zintegrowany oel owoowo-polowy ukłau wirujących talerzy ysku twarego w śroowisku Siulink/Fela. Praca yploowa agisterska, Gliwice Aoki M., Nakajia H. an Takaizawa T. Rolling Bearings for Har Disk Spinle Motor, Motion & Control No NSK INVESTIGATION ON KINEMATICS AND DYNAMICS OF HARD DISK DRIVE HEADS ACTUATORS WITH HELP OF DENAVIT- HARTENBERG NOTATION Suary. In the article the fiel-circuit oel of rotating isk sets of har isk rive so-calle spinle syste is shown. The rolling earings, rotor an stator as well rotating isks were ipleente with help of finite eleents etho use in MATLAB-FEMLAB progras. The atheatical circuit oel of spinle otor was also ipleente in MATLAB-SIMULINK progras.