Жесткие диски (HDD) используются в персональных компьютерах, Blu-ray рекордерах, серверах и многих других видах оборудования для обработки информации. Двигатель жесткого диска, который является сердцем жестких дисков, представляет собой высокотехнологичный продукт, для производства которого производственные мощности должны быть на том же уровне, что и для производства полупроводников.
Типичный жесткий диск имеет два электродвигателя: шпиндель, который вращает диски, и исполнительный механизм (мотор), который размещает узел головки чтения/ записи поперек вращающихся дисков. Дисковый двигатель имеет внешний ротор, прикрепленный к дискам; обмотки статора закреплены на месте. Напротив привода на конце опорного кронштейна головки расположена головка считывания-записи; тонкие печатные кабели соединяют головки считывания-записи с электроникой усилителя, установленной на оси привода. Рычаг поддержки головы очень легкий, но в то же время жесткий; в современных приводах ускорение на голове достигает 550 град.
Этот шпиндельный двигатель несет накопительные диски, которые он вращает вокруг своей собственной оси. Считывающие и пишущие головки, перемещающиеся по дискам, могут затем намагничивать и размагничивать магнитные слои, таким образом записывая или считывая цифровую информацию с чрезвычайно высокой скоростью и плотностью на дисках по концентрическим кругам.
Учитывая объем памяти современных жестких дисков, требования, предъявляемые к двигателю шпинделя, являются значительными. Поскольку головки перемещаются по дискам на расстоянии в нанометровом диапазоне, шпиндельные двигатели должны изготавливаться и упаковываться в чистых помещениях, поскольку даже мельчайшая частица пыли приведет к немедленному разрушению жесткого диска. Это помимо требований к механической точности компонентов, их надежности и сроку службы.
Особой технической проблемой является проектирование подшипниковых систем, которые несколько лет назад были заменены с шарикоподшипников на гидродинамические подшипниковые системы. Это связано с необходимым улучшением концентрических, бесшумных ходовых свойств. Каждый шпиндельный двигатель оснащен специальной гидродинамической подшипниковой системой для обеспечения максимально возможного качества и надежности.
Ключевые параметры, которые необходимо оптимизировать в двигателе, включают точность вращения, уровень шума, ударопрочность, мощность и низкий профиль.
Привод представляет собой двигатель с постоянным магнитом и подвижной катушкой, который поворачивает головки в нужное положение. Металлическая пластина поддерживает приземистый магнит с высоким потоком неодима, железа и бора (наконечник). Под этой пластиной находится подвижная катушка, часто называемая звуковой катушкой по аналогии с катушкой в громкоговорителях, которая прикреплена к ступице привода, а под ней находится второй наконечник магнита, установленный на нижней пластине двигателя (хотя некоторые приводы имеют только один магнит).
Сама звуковая катушка имеет форму наконечника стрелы и изготовлена из медной магнитной проволоки с двойным покрытием.
Электроника жесткого диска управляет движением привода и вращением диска и выполняет операции чтения и записи по требованию контроллера диска. Обратная связь с электроникой привода осуществляется с помощью специальных сегментов диска, предназначенных для обратной связи с сервоприводом. Это либо полные концентрические круги (в случае специальной сервотехнологии), либо сегменты, перемежающиеся реальными данными (в случае встроенной сервотехнологии). Серво-обратная связь оптимизирует соотношение сигнал/шум, регулируя звуковую катушку приводимого в действие рычага. Современная прошивка для дисков способна эффективно планировать операции чтения и записи на поверхности диска и переназначать сектора носителя, которые вышли из строя.
Более тонкие ноутбуки требуют использования более тонких компонентов, включая двигатели. В настоящее время жесткие диски толщиной 7 мм являются стандартом для ноутбуков. Толщина двигателя шпинделя, встроенного в жесткий диск, составляет от 70 до 75% толщины дисковода, что означает, что двигатели 7-миллиметровых жестких дисков должны быть толщиной примерно 5 мм. Жесткие диски толщиной 7 мм выпускаются серийно с 2010 года. Компания Nidec, которая является ведущим поставщиком двигателей для жестких дисков, также обладает возможностями для производства жестких дисков толщиной до 5 мм.
Самым большим препятствием для успешной разработки тонкого двигателя было выделение достаточного пространства для магнитопроводов и подшипников для поддержки ротора. Если размер магнитной цепи просто уменьшить, желаемая магнитная сила не может быть получена. Кроме того, подшипники вокруг вала длиной в несколько миллиметров должны быть жесткими, чтобы один или два диска диаметром 2,5 дюйма могли вращаться с постоянной скоростью 5400 или 7200 оборотов в минуту. Другими словами, уменьшенный размер сам по себе недостаточен. Производительность должна поддерживаться или даже повышаться в одно и то же время.
Двигатели для жестких дисков толщиной 9,5 мм (которые были стандартными до появления 7-миллиметровых жестких дисков) изначально использовали внутренний стопор для удержания вала на месте. Однако Nidec радикально изменила конструкцию своих двигателей и переместила ограничитель снаружи вала, вместо того чтобы разработать более тонкий внутренний ограничитель. Цель состоит в том, чтобы создать дизайн, который может использоваться в течение нескольких поколений в мире, где скорость эволюции чрезвычайно высока.
Хотя в прошлом плотность площади жестких дисков увеличивалась благодаря усовершенствованным магнитным головкам и инновационным методам записи, внутренние компоненты жестких дисков обычно подвергаются воздействию того же воздуха, что и сам жесткий диск. Это стоит на пути дальнейшего прогресса. Сопротивление воздуха, испытываемое дисками при вращении двигателя шпинделя жесткого диска со скоростью несколько тысяч или даже десятков тысяч оборотов в минуту, приводит к вибрации, что, в свою очередь, негативно сказывается на точности чтения/записи жесткого диска.
В дополнение к повышению точности чтения / записи уменьшение вибрации дисков за счет уменьшения сопротивления также позволило бы сделать их еще тоньше, увеличив количество дисков, которые могут быть установлены внутри одного жесткого диска. В качестве бонуса также уменьшится потребление электроэнергии двигателем шпинделя при вращении дисков.
Компания Nidec решила протестировать жесткие диски, заполненные гелием вместо воздуха, чтобы уменьшить лобовое сопротивление. Заполненные гелием жесткие диски — это результат многочисленных небольших, но сложных шагов.
Низкая плотность гелия – одна седьмая плотности воздуха — приводит к значительно меньшему лобовому сопротивлению, но возникает новая проблема, поскольку атомы гелия из—за их небольшого размера имеют тенденцию просачиваться через адгезивные вещества или полости в алюминиевых литых под давлением опорных пластинах. Обеспечение того, чтобы гелий оставался запечатанным внутри жестких дисков в течение пяти лет — проектного срока службы жесткого диска — оказалось особенно сложной задачей. Если бы опорные пластины жесткого диска были увеличены до размеров плавательных бассейнов длиной 25 м, любые полости должны были бы быть тоньше прядей волос.
Чтобы гарантировать, что гелий не просачивается через опорную плиту толщиной 1-2 мм, для оптимизации всех параметров процесса литья, включая форму каждой части металлических форм и контроль температуры, используется компьютерный инженерный анализ потока расплавленного алюминия во время литья.
Кроме того, в дополнение к использованию вакуумного литья, Nidec разработала и внедрила другие технологии. Это позволяет массово производить опорные пластины с очень небольшим количеством дефектов, которые могут быть герметизированы в течение пяти лет без утечки гелия.
Клей, используемый для герметизации жестких дисков, является еще одним важным фактором предотвращения утечки гелия. Убедившись, что клей нанесен толстым слоем, отдельные компоненты соединяются вместе под очень высоким давлением, чтобы обеспечить максимальную устойчивость к утечке. Клей с низкой скоростью выделения газов выбирается во избежание загрязнения, вызванного газами, отличными от гелия. Кроме того, компоненты жесткого диска проходят многократные процедуры обжига (предварительное удаление газа) на каждом этапе производственного процесса, чтобы свести к минимуму выделение газов из клея и смолы.
Для гидродинамических подшипников Nidec также совместно с производителем масел разработала специализированное масло с низкой скоростью испарения и высокой устойчивостью к воздействию внешней влаги.
Заполненные гелием жесткие диски большой емкости с низким энергопотреблением для серверов в центрах обработки данных в настоящее время являются обычным явлением. Производители жестких дисков расширяют границы возможностей с помощью методов записи следующего поколения, таких как тепловая запись и многослойная магнитная запись, и ожидается, что в будущем емкость жестких дисков будет продолжать увеличиваться.
