Привод без зубцов статора: как мотор Sony BSL снизил детонацию в деке TC-K61 до 0,04%

В стандартном коллекторном электродвигателе постоянного тока амплитуда пульсаций крутящего момента составляет 15-20% от номинала из-за дискретной коммутации обмоток. При линейной скорости движения магнитной ленты 4,76 см/с эти циклические микроускорения создают паразитную частотную модуляцию звукового сигнала в высокочастотной области. В 1980 году для кассетной деки TC-K61 инженеры Sony спроектировали привод тонвала на основе бесщеточного беспазового мотора BSL (Brushless & Slotless), обеспечив коэффициент детонации 0,04% WRMS. Получение таких параметров в одновальном двухголовочном аппарате опровергло общепринятое представление о безусловной необходимости двухвального закрытого тракта для подавления детонации.

Типовым решением для снижения неравномерности хода в магнитофонах оставалось увеличение массы маховика тонвала до 200-300 г в сочетании с широким резиновым пассиком. Эластичный ремень работал как механический фильтр нижних частот, сглаживая рывки от переключения полюсов мотора за счет собственной упругой деформации. Однако резина подвержена температурной деградации, вытягиванию и накоплению остаточной деформации, что со временем увеличивает низкочастотные составляющие коэффициента детонации. Инженеры Sony не стали полагаться исключительно на фильтрацию пассиком и устранили сам физический источник механических рывков в магнитопроводе статора двигателя.

Зубцовый момент: физика паразитного торможения ротора

В традиционном статоре электродвигателя медные обмотки размещаются в пазах между стальными зубцами наборного сердечника. При вращении ротора его постоянные магниты проходят мимо чередующихся участков: выступающей стали и воздушного зазора паза. Магнитное сопротивление этого зазора непрерывно меняется, в результате чего магнит ротора притягивается к выступающему зубцу и сопротивляется повороту при попытке выхода из зоны максимальной магнитной проводимости.

В технической литературе этот эффект зафиксирован как зубцовый момент (cogging torque). Ротор движется не с постоянной угловой скоростью, а испытывает непрерывные скачки вращающего момента на частоте прохождения полюсов. В кинематической схеме деки вращение от мотора передается на массивный сбалансированный маховик тонвала через эластичный шлифованный плоский пассик. При использовании обычного мотора каждый скачок момента передается на зону контакта тонвала, прижимного ролика и магнитной ленты, вызывая подъем уровня высокочастотной детонации и интермодуляционные искажения на частотах выше 5 кГц.

Бесщеточный и беспазовый: устройство статора BSL

Конструкция мотора BSL решает эту проблему за счет полного изменения геометрии статора и способа коммутации. Из двигателя исключен коллекторно-щеточный узел: подачу токов в фазы статора выполняют транзисторные ключи по сигналам датчиков положения ротора на элементах Холла. Отсутствие механических щеток устранило механическое трение узла скольжения, образование токопроводящей графитовой пыли и высокочастотный искровой шум, проникающий в предварительные усилители воспроизведения.

Главное отличие двигателя BSL заключается в отказе от зубчатого сердечника статора (Slotless). Магнитопровод статора выполнен в виде монолитного полого цилиндра с гладкой внутренней поверхностью, лишенной выступов, пазов и прорезей. Медные бескаркасные обмотки плоской формы уложены прямо на внутреннюю поверхность цилиндра и зафиксированы заливочным компаундом в кольцевом зазоре.

Благодаря отсутствию зубцов магнитное сопротивление рабочего зазора остается неизменным на всей дуге 360° вращения ротора. Вращающий момент двигателя лишен циклических провалов, поскольку магниты ротора перемещаются в абсолютно однородном магнитном поле без перепадов магнитной проводимости. Зубцовый момент снижен до пределов чувствительности измерительных приборов, обеспечив ротору непревзойденную плавность хода.

FG-сервосистема и кинематика одновального тракта

Устранение микропульсаций момента статора дополнили прецизионным контуром стабилизации абсолютной скорости вращения. В мотор BSL деки TC-K61 встроен частотный генератор FG (Frequency Generator). На роторе сформирована многополюсная магнитная метка, а на статоре расположена меандровая печатная катушка датчика, с которой снимается переменный сигнал с частотой пропорциональной текущей скорости вращения.

Сервосистема сравнивает частоту и фазу сигнала датчика FG с опорным сигналом генератора, корректируя ток питания обмоток в пределах единиц миллисекунд при изменении механической нагрузки. Чтобы исключить влияние натяжения магнитной ленты в кассете на тонвал, в TC-K61 применена раздельная двухмоторная кинематика. Двигатель BSL приводит исключительно тонвал, а функции подмотки и перемотки возложены на независимый двигатель постоянного тока.

Данная конфигурация позволила получить в двухголовочной деке с головками S&F (Sendust & Ferrite) паспортный коэффициент детонации 0,04% WRMS в полосе частот 20-19 000 Гц на ленте Type IV (Metal). За счет выверенной электромагнитной геометрии статора одновальный тракт TC-K61 обеспечил фазовую стабильность протяжки ленты на уровне трехголовочных дек, исключив из кинематики капризный второй прижимной ролик и сложную систему натяжения закрытого двухвального тракта.