하드 디스크 드라이브 스핀들 모터에 사용되는 곡면 유체 동압 베어링의 동특성 해석

Abstract

유체 동압 베어링(fluid dynamic bearings, FDBs)은 회전기기의 회전부를 지지하는 기계요소로서 고정부와의 고체 접촉이 없고 윤활 유체에 의한 감쇠 효과가 기존의 볼 베어링보다 우수하여 뛰어난 진동 및 소음 특성을 가지고 있어 하드 디스크 드라이브(hard disk drive, HDD)와 같은 정보저장기기의 스핀들 모터에 사용되고 있다. 유체 동압 베어링은 저널 베어링과 스러스트 베어링과 같은 단축 지지 유체 동압 베어링과 코니컬 베어링(conical bearing)과 곡면형 베어링(curve-shaped bearing)과 같은 다축 지지 유체 동압 베어링으로 분류할 수 있으며, HDD와 같이 반경 방향 하중과 축 방향 하중이 동시에 작용하는 시스템의 경우에는 다수의 단축 지지 유체 동압 베어링을 결합하여 사용하거나 다축 지지 유체 동압 베어링을 사용하여 회전체를 지지하게 된다.

본 연구에서는 다축 지지 유체 동압 베어링의 정특성과 동특성 해석 방법을 제안하였다. 유체 동압 베어링의 지배 방정식인 레이놀즈 방정식을 베어링의 표면을 따라 정의된 좌표계에 대하여 일반화된 형태로 유도하였고, 회전축으로부터 베어링 표면까지의 거리를 함수로 정의하여 다양한 형상의 유체 동압 베어링을 표현하였다. 다수의 다축 지지 유체 동압 베어링이 결합된 베어링 시스템을 해석하기 위하여 유한 요소법을 사용하여 전체 행렬 방정식을 구성하였고, 이를 해석함으로써 전체 유막 영역에서의 압력 분포와 정특성을 계산하였다. 유체 동압 베어링 시스템의 동특성을 해석하기 위하여 회전체의 5 자유도 운동에 대한 섭동 방정식을 유도하고 유한 요소법을 사용하여 이를 해석하였다. 제안된 해석 방법은 실험적 방법과 이론적 방법을 통하여 검증하였다. 코니컬 베어링의 해석 방법은 부상높이 실험을 통하여 검증하였고, 곡면 형상의 유체 동압 베어링의 해석 방법은 유체 동압 베어링의 정 및 동특성 해석 결과를 기존의 해석 방법으로 계산된 결과와 비교함으로써 검증하였다.

또한 본 연구에서는 코니컬 베어링과 저널 베어링이 연성된 유체 동압 베어링 시스템의 코니컬 각에 따른 정 및 동특성 변화를 해석하였고, 회전체의 위치와 자세를 나타내는 편심률, 부상높이 그리고 틸팅각에 따른 정 및 동특성 해석을 수행하였다. 또한 스핀들 모터의 회전체에 대한 강체 6자유도 비선형 운동 방정식을 유도하고 Runge-Kutta 법을 이용하여 회전체의 궤적과 부상높이 그리고 틸팅각과 같은 동적 거동 특성을 코니컬 각에 따라 해석하였다. 정상상태로 구동하는 스핀들 모터의 회전부에 외부 가진력을 적용하여 과도 응답 특성을 비교하였으며, 유체 동압 베어링으로 지지되는 회전체의 중요한 거동 특성인 half-frequency whirl의 주파수와 진폭을 계산하여 비교하였다.