Шпиндельный двигатель

01.08.2005

Шпиндельный двигатель отвечает за вращение пакета магнитных пластин, что позволяет считывать с них данные с помощью головок. Он должен предоставлять стабильное управляемое вращение в течение десятков тысяч часов.

В течение многих лет жёсткие диски имели одинаковую скорость вращения пакета магнитных пластин. Последнее десятилетие производители жёстких дисков постоянно пытаются увеличить скорость вращения шпиндельного двигателя в целях увеличения скорости доступа и чтения/записи.

Существует несколько ограничений, которым должен удовлетворять шпиндельный двигатель:

1. Двигатель должен быть очень качественным, чтобы работать на протяжении многих тысяч часов и выдерживать тысячи циклов включения/выключения.
2. Двигатель должен крутиться без каких-либо вибраций и с постоянной скоростью.
3. Двигатель не должен быть источником чрезмерного тепла или звука.
4. Двигатель не должен потреблять много энергии.
5. Двигатель должен управляться извне: должна быть подстройка частоты вращения тем или иным способом.

Чтобы отвечать всем этим требованиям, все современные жёсткие диски используют сервоуправляемые шпиндельные двигатели постоянного напряжения. Сервосистема - это система с обратной связью. В ней используется точно такая же технология, которую мы обсуждали в статьях о звуковой катушке. В случае шпиндельного двигателя, эта система даёт сигнал при каждом повороте диска или даже чаще. Таким образом, электроника всегда знает точное значение частоты вращения шпиндельного двигателя и, в случае необходимости, корректирует это значение.

Все шпиндельные двигатели, используемые в жёстких дисках, разработаны для работы по принципу прямого контакта. При этом нет никаких передач, шестерёнок, ремней между самим двигателем и осью, на которой крутятся пластины. Шпиндель непосредственно состыкован с ротором двигателя. Пластины жёстких дисков изготавливаются с центральным отверстием, радиус которого равен радиусу шпинделя. На шпинделе пластины отделяются друг от друга специальным разделительным кольцом, которое обеспечивает нужное расстояние между пластинами в пакете для работы магнитных головок.

Работа, которую необходимо делать шпиндельному двигателю, зависит от ряда факторов:

1. Размер и количество пластин в пакете магнитных дисков, от которого зависит то, каким мощным должен быть шпиндельный двигатель.
2. Скорость вращения шпиндельного двигателя.
3. Поддержка режима энергосбережения.

Очень важными факторами для современных накопителей являются количество шума, тепла и вибрации, производимые жёстким диском. Именно эти проблемы выходят на первые места в силу увеличивающихся скоростей вращения. Эти факторы были менее заметны при скоростях вращения порядка 3600 оборотов в минуту, что было стандартом де-факто в прошлом десятилетии. Нынешние накопители имеют скорости до 15000 оборотов в минуту, и могут быть довольно шумными в работе. Современные накопители в большинстве случаев требуют активного охлаждения, разогреваясь до 60-70 градусов. Это не идет на пользу ни подшипникам, ни самой магнитной поверхности.

Критическим компонентом шпиндельного двигателя в жёстком диске является подшипник. Большинство старых накопителей использовали обычные шариковые подшипники. В настоящее время в новых накопителях используются гидродинамические подшипники. В них роль шариков выполняет масло. Таким образом снижается шум и нагрев подшипника при вращении. В теории такие подшипники должны иметь больший срок службы и, тем самым, увеличивать жизнь накопителя. Однако, вероятность заклинивания таких подшипников выше, и на практике остановка жидкостных подшипников встречается значительно чаще, обычных шариковых подшипников.

Скорость шпиндельного двигателя

В процессе развития жёстких дисков, производители всё время пытаются сделать накопитель более быстрым, чем его предшественник. Повышение скорости вращения шпиндельного двигателя - это один из способов как увеличения линейной скорости чтения/записи, так и уменьшения времени среднего доступа или позиционирования. Данные быстрее пролетают над головкой, соответственно, уменьшается время простоя головки на треке в режиме ожидания нужного сектора.

Первые жёсткие диски, использовавшиеся в ПК, имели скорость вращения шпиндельного двигателя, равную 3600 оборотам в минуту. И последующие десять лет эта скорость оставалась неизменной. Одной из причин выбора именно этой скорости было использование двигателя переменного тока с частотой 60 герц (стандарт, принятый в США). Если бы умножим 60 Гц на 60 секунд, мы получим искомое число 3600. В начале девяностых годов прошлого столетия производители жестких дисков начали экспериментировать с увеличением скорости вращения шпиндельного двигателя, доведя ее до 5400 оборотов в минуту. И надолго именно эта цифра стала стандартом де-факто для скорости вращения шпиндельного двигателя. Первыми порог в 7200 оборотов в минуту взяли жесткие диски с интерфейсом SCSI. Это позволило отточить технологию, и несколькими годами позже, появились накопители с 7200 оборотов в минуту со стандартным интерфейсом IDE/ATA. В настоящее время, некоторые производители выпускают жёсткие диски со скоростью вращения шпиндельного двигателя, равной 10000 оборотов в минуту и интерфейсом IDE/ATA. Жёсткие диски с интерфейсом SCSI уже несколько лет, как преодолели рубеж в 15000 оборотов в минуту.

В таблице приведены стандартные скорости и среднее время задержки для различных скоростей вращения.

На рисунке приведена фотография шпиндельного двигателя и различных компонентов, присутствующих и нужных для вращения пакета с магнитными дисками. Пластины и разделительные кольца имеют одинаковый диаметр, и собираются друг над другом, чередуясь, образовывая пакет с магнитными дисками. Верхняя шайба закрепляет весь пакет, чтобы он двигался синхронно с вращением шпинделя.