안정성 해석을 이용한 HDD 스핀들 모터용 유체동압베어링의 최적설계

Abstract

유체동압베어링은 외부 장치에 의해 압력을 부가하지 않고 베어링 표면의 형상과 운동에 의한 쐐기 효과를 이용하여 부하 용량을 얻어 회전축을 지지하는 베어링이다. 디스크-스핀들 시스템을 지지하는 유체동압베어링의 윤활유체의 점성에 의해 발생하는 마찰토크는 전체 HDD 소비전력의 약 30%를 차지하기 때문에 주요 전력 손실원 중 하나이다. 그러므로 유체동압베어링에서 발생하는 손실인 마찰토크를 저감시키며 기존의 성능을 유지할 수 있는 연구가 필요하다. 저널과 스러스트가 연성된 베어링을 Reynolds 방정식과 섭동 방정식을 FEM을 사용하여 해석하여 마찰토크와 강성과 감쇠계수를 계산하였다. 안정성 해석은 회전체의 설계 변수와 유체동압베어링의 동특성 계수를 모두 고려할 수 있는 단일 매개 변수인 임계질량을 도출하고 이를 통하여 디스크-스핀들 시스템의 안정성 성능을 판단하는 지표로 사용하였다. 본 논문은 디스크 스핀들 시스템의 유체베어링에 의한 마찰 손실을 최소화하는 최적설계를 목적으로 한다. 따라서 유체동압베어링의 마찰토크를 최소화하는 것을 최적설계의 목적함수로 설정하였다. Under-damped 모드에서는 안정성 해석을 통한 디스크 스핀들 시스템의 임계질량을 over-damped 모드에서는 관련된 강성과 감쇠계수를 기존보다 작지 않도록 설정하여 이것을 베어링의 동특성이 기존의 상용 유체동압베어링의 성능을 유지하기 위한 구속 조건으로 설정하였다. 상용 2.5˝ HDD 디스크-스핀들 시스템을 지지하는 유체동압베어링에 대해 최적설계를 수행하였다. FDB의 최적설계를 위하여 저널과 스러스트가 연성된 상용 베어링 모델에서 주요 압력 생성하는 변수인 그루브 영역의 치수를 설계 변수로 설정하였다. 유체동압베어링의 설계 변수에 따른 성능 변화를 고찰하였으며, 마찰 손실을 최소화하는 최적설계 모델을 제안하였다. 제안된 최적설계 모델을 검증하기 위하여 강체로 가정한 디스크-스핀들 시스템의 운동방정식을 풀어 불평형 질량과 충격 가진에 의한 질량 중심의 응답을 해석하여 상용 모델과 비교하였으며, 작동 온도의 변화에 따른 목적함수와 구속조건의 변화를 비교하였다. 또한 제안된 유체동압베어링을 적용한 HDD 스핀들 모터를 제작하여 소모전력이 감소함을 확인하였다.