Spindelantrieb eines Festplattenspeichers

Der Spindelantrieb eines Festplattenspeichers zeigte ein auffälliges Geräuschverhalten, das auf eine Anregung durch elektromagnetische Kräfte hindeutete.

Der Rotor des Spindelmotors trägt einen Ringmagneten mit 8-fach wechselnder Polung (oberes Bild). Ein magnetischer Rückschlussring grenzt das Magnetfeld nach außen ab.

Der Stator besteht aus einem Ankerblechpaket (grün) und den elektrischen Wicklungen (rot). Innen ist der Stator mit einer fest stehenden Welle verklebt. Die 9 räumlich angeordneten Ankerwicklungen sind so geschaltet, dass sie elektrisch wie 3 Spulen wirken.

Das Magnetfeld des Rotors schließt sich abhängig von der Rotorposition über das Statorblech (mittleres Bild). Bei drehendem Rotor führen Magnetfeldverdrängungen zu Wechselwirkungskräften zwischen Stator und Rotor. Die Umfangskomponente dieser Kräfte stellt den Motorantrieb dar. Die ebenfalls vorhandene Radialkomponente kann mechanische Schwingungen und damit auch Geräusche verursachen.

Auf die Spindeldrehzahl bezogen treten diese Schwingungen in ganzzahligen Vielfachen der Erregerordnung 8 (Anzahl der Pole) auf. Im Campbell-Diagramm (unteres Bild) sind links diese Erregerordnungen für den Körperschall und rechts für den Luftschall deutlich zu erkennen. Die 24te Erregerordnung (3 x 8) trifft bei stationärer Betriebsdrehzahl (5400 [min-1]) auf Eigenschwingungen der Struktur, die dadurch zu Resonanzen angefacht werden. Die Anregung dieser Resonanzen erfolgt durch Interaktionen der ersten Biegeeigenform der Statorwelle mit Resonanzen des Gehäuses.

Durch Einhalten einer definierten Reihenfolge bei der Verschraubung des Gehäuses und durch eine Entkopplung von Stator und Statorwelle konnten diese Schwingungserscheinungen beseitigt werden.