Reservoir 영역을 고려한 유체 동압 베어링의 특성 해석

Abstract

유체 동압 베어링(Fluid Dynamic Bearing, FDB)은 회전축을 지지하는 기계 요소로서 뛰어난 소음 및 진동 특성 때문에 기존의 볼 베어링을 대체하여 정보저장장치의 일종인 컴퓨터 하드 디스크 드라이브(HDD)의 스핀들에 사용되고 있다. 유체 동압 베어링은 미끄럼 요소로 윤활유를 사용하기 때문에 외부 온도에 의해 많은 영향을 받는다. 특히 스핀들 모터가 고온에서 작동할 때 유체 동압 베어링의 유체가 증발하는 경우가 발생하는데 이러한 상황에 대비하여 유체 동압 베어링 내부에 손실된 유체를 보충할 수 있도록 여유 유체를 보관하는 reservoir 영역을 설계한다. 본 연구에서는 저널 베어링과 스러스트 베어링 그리고 reservoir의 연성 효과를 고려하여 전체 유체 동압 베어링의 정특성을 해석하였다. 유체 동압 베어링의 지배 방정식인 레이놀즈 방정식을 동일한 원통 좌표계를 사용하여 저널 베어링과 스러스트 베어링 그리고 reservoir에 대하여 유도하고 유한 요소법을 사용하여 저널, 스러스트, reservoir가 연성된 전체 행렬 방정식을 구성하여 해석함으로써 전체 유체 동압 베어링 유막에서의 압력 분포를 계산하였다. 제안된 해석 방법은 부상 높이 실험을 통하여 검증하였다. 또한 reservoir가 존재하는 모델과 존재하지 않은 모델을 비교함으로써 reservoir의 영향에 대해 살펴 보았으며 물리적 섭동법을 이용하여 베어링의 동특성 계수를 해석하였다. 해석 결과 reservoir가 포함될 경우 z축 방향으로의 감쇠계수가 크게 증가하는 것을 알 수 있었다.; A fluid dynamic bearing(FDB) is an important machine element that supports the rotor-shaft system due to its outstanding low noise and vibration characteristics. It has been widely applied to the precision spindle of information storage devices such as a computer hard disk drive (HDD), replacing the conventional ball bearings. Fluid lubricant of FDB may be evaporated in long operation so that FDB needs a reservoir to supply extra fluid lubricant. This paper proposes a method to calculate the characteristics of coupled fluid dynamic journal and thrust bearings with a reservoir of a HDD spindle motor. The governing equations for the journal, thrust bearings and a reservoir are the two dimensional Reynolds equation. The finite element method is applied to the analysis of the coupled bearing under the condition of the continuity of mass and pressure at the interface between the journal, thrust bearings and a reservoir. The validity of this application is verified by comparing the analytical results with experimental results of the flying height. The present work also calculate the stiffness and the damping coefficients of the coupled journal and thrust bearings with a reservoir using the physical perturbation method. It shows that the reservoir increase the axial damping coefficients.