유체동압베어링으로 지지되는 HDD의 장착각도에 따른 회전부의 거동 해석

Abstract

유체동압베어링(Fluid Dynamic Bearings, FDBs)은 정보저장장치의 일종인 컴퓨터 하드디스크 드라이브(Hard Disk Drive, HDD) 디스크 스핀들 시스템을 지지하는 기계요소로서 회전부(rotor)와 고정부(stator) 사이에서 모터가 빠른 속도로 회전 할 때 유체동압을 발생시켜 회전축을 지지한다. 회전부와 고정부 사이의 고체 접촉을 방지하며 점성 유체에 의한 감쇠 효과가 있어 저진동, 저소음의 뛰어난 진동 특성이 나타나며 이러한 장점들로 인해 기존에 사용되어왔던 볼 베어링을 대체하여 HDD 디스크 스핀들 시스템에 널리 사용되고 있다. 본 논문에서는 HDD가 정자세에서 구동하는 것을 포함하여 다양한 장착 각도에서 구동하는 작동 조건을 고려하여 장착 각도 별 유체동압베어링의 평형위치 해석(analysis on equilibrium position)을 제안하였다. HDD 장착 자세 각이 정자세인 0˚일 때부터 역자세인 180˚까지 15˚ 간격으로 평형위치 해석을 진행하였다. 평형위치 해석을 통하여 장착 각도 별로 평형위치에서의 틸팅 각(tilting angle), 편심율(eccentricity ratio), 부상높이(flying height), 그리고 마찰토크(friction torque)를 계산하였다. 그리고 해석 결과를 검증하기 위하여 HDD 디스크의 틸팅 거동(tilting motion), 훨링 거동(whirling motion), 플라잉 거동(flying motion), 그리고 소비 전력 측정 실험을 수행하였다. HDD 디스크 거동 측정 실험은 HDD 장착 자세 각이 정자세인 0˚일 때부터 역자세인 180˚까지 30˚ 간격으로 진행하였다. 장착 자세 각이 90˚일 때 회전체에 가해지는 토크가 가장 크기 때문에 틸팅 각은 90˚ 에서 가장 큰 값을 갖는다. 장착 자세 각이 90˚일 때 반경 방향으로 자중이 작용하기 때문에 틸팅 각과 마찬가지로 편심율도 90˚ 에서 가장 큰 값을 갖는다. 장착 자세 각이 증가할수록 회전체에 가해지는 중력의 방향이 바뀌게 되어 부상높이는 증가하게 된다. 마찰토크는 장착 자세 각 60° 부근까지는 저널 베어링(journal bearing)의 간극이 줄어드는 현상 때문에 증가하다가 스러스트 베어링(thrust bearing)의 간극이 지속적으로 증가하고 90˚ 이후로는 저널 베어링의 간극도 증가하게 되면서 장착 자세 각 60˚ 이후로는 감소하게 된다.