KR20040041457A - 공기동압 베어링이 적용된 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬리이브의 재질을 자성체로 함과 아울러 구동 마그네트와 스테이터 사이에 기하학적 높이 차이를 두어, 고속 회전시 모터의 진동을 저감시킴과 아울러 모터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 공기동압 베어링이 적용된 모터를 제공하기 위한 것으로, 베이스 플레이트에 수직방향으로 고정된 고정축과, 상기 고정축의 외주면에 회전 가능하게 배치되고 일정 자력을 갖는 자성체로 형성되는 슬리이브와, 상기 슬리이브의 일측에 고정되는 구동 마그네트와, 상기 베이스 플레이트에 고정되고 상기 구동 마그네트의 내주면에 일정 간격을 두고 배치되는 스테이터와, 상기 슬리이브와 베이스 플레이트의 일측 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 슬리이브의 축방향 하중을 지지하는 트러스트 마그네트로 구성된다.

Description

공기동압 베어링이 적용된 모터{SEELING STRUCTURE OF MOTOR HAVING AIR DYNAMIC BEARING}

본 발명은 공기공기동압 베어링이 적용된 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속 회전에 따른 진동을 저감시키면서 모터의 구동특성을 안정적으로 확보할 수 있는 공기공기동압 베어링이 적용된 모터에 관한 것이다.

일반적으로 회전축을 지지하는 기계요소를 베어링이라 하며, 회전축과 고정체 사이에 미끄럼 요소로 윤활유를 사용하는 베어링을 유체 베어링이라 한다. 특히, 외부장치에 의해 압력을 부가하지 않고 베어링 표면의 형상과 운동에 의한 쐐기 효과(wedge effect)를 이용하여 부하용량(load carring capacity)을 얻는 유체 베어링을 유체동압 베어링(hydro-dynamic bearing)이라 한다.

근래 들어, 고정밀도와 고속회전을 요구하는 기기 즉, 하드디스크 드라이브, 광디스크 드라이브 및 각종 디지털 광학 기기등에는 회전체 계(rotor system)의 성능을 향상시키기 위하여 높은 회전속도와 낮은 Non-repeatable Runout(NRRO) 및 낮은 소음 그리고 충격 흡수 등이 요구되어지는 바, 이를 수용하기 위하여 다양한 형태의 베어링 및 이를 적용한 모터가 개발되고 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 볼 베어링이 적용된 스핀들 모터를 나타낸 도면이다.

이를 참조하면 중앙부분에 소정 높이의 모터를 구성하는 고정축(100)이 마련된 베이스(160)의 상부에 모터를 구성하는 고정자인 스테이터(170)가 마련된다. 상기 고정축(100)의 상하에는 베어링(130)이 설치되어 있다. 상기 베어링(130)의 내륜(131)은 상기 고정축(100)에 압입 고정되고, 외륜(132)은 상기 고정축(100)이 관통한 회전체(120)의 내주면에 압입 고정된다. 상기 회전체(120)의 하부에는 상기 스테이터(170)에 대응하는 것으로 모터를 구성하는 로터(180)가 마련되어 있다.

이상과 같은 구조에 있어서, 상기 회전체(120)는 전형적인 볼 베어링(130)에 의해 지지되어 회전되게 된다. 상기 볼 베어링(130)의 볼(133)은 내륜(131)과 외륜(132)의 대향면에 마련된 반원형 단면을 가지는 그루브 내에 위치하며, 축방향의 하중과 축에 수직인 방향으로의 하중을 지지하기 위하여, 상기 볼(133)은 내륜(131)과 외륜(132)의 대각선 방향으로 일정한 기울기를 가지고 접촉되게 된다. 상기 볼(133)이 내륜(131)과 외륜(132)에 대해 일정한 기울기로 접촉되게 하기 위해서는 볼 베어링(130)을 고정축(100)에 조립한 후에 일정량의 예압(Pre-Load)을 가하게 되어 있다.

이와 같이 볼 베어링(130)에 의해 회전체가 지지되는 경우, 볼(133)을 통해 접촉되고 있는 내륜(131)과 외륜(132), 그리고 볼(133)은 접촉 구름 운동 및 마찰에 의해 변형이 발생된다. 또한 볼 베어링 제작시 내륜, 외륜, 볼등의 부품들이 가지고 있는 가공오차 등으로 인하여 이에 의해 지지되는 회전체가 불균형적으로 회전되게 된다. 이러한 불균형적 회전에 따른 진동특성을 조사해 보면 다양한 인자에 의한 불규칙 진동이 발생되는데, 특히 불규칙 회전 응답 진폭(NRRO; Non-Repeatable Run-Out)이 크게 나타난다.

이러한 불규칙 회전 진동 진폭은 초정밀 진동 특성이 요구되는 고밀도 저장기기용 스핀들 모터의 성능을 저하시키는 원인이 되게 된다. 볼 베어링으로 지지되는 회전체 시스템의 진동특성을 향상시키기 위해서는 볼베어링을 초정밀 가공을 하는 방법도 있지만, 접촉 지지에 의한 마모, 마찰열 등의 발생으로 회전체 시스템의 내구성 측면에서도 문제가 되고 있다. 최근에는 베어링의 소재로 세라믹등을 적용하는 구조가 제안된 바 있지만, 세라믹의 재료 특성상 가공이 어렵고, 그 단가가 높은 문제가 있다.

이러한 볼 베어링의 문제점을 해결하고자 개발된 것이 공기동압 베어링이며, 이때의 유체공기동압 베어링은 전술한 볼 베어링에 비해 비접촉 방식으로 사용되는 특징으로 인해 수명의 연장과 댐핑(damping)에 의한 진동특성의 향상 그리고 저마찰 소음 등의 동특성이 매우 우수한 이점으로 정밀 소형 모터의 베어링으로 각광받고 있다.

그러나, 이와 같은 유체 공기동압 베어링 역시, 유체 입자 즉, 윤활제로 사용되는 오일의 누유로 인한 기기의 오염 및 신뢰성 저하의 문제점을 발생시키는 단점으로 정밀 기기에서는 채용이 곤란한 단점이 있다.

상기와 같은 유체공기동압 베어링이 갖는 오일 누유에 의한 문제점을 해소하면서 고속회전과 고정밀도의 특성실현이 가능한 것이 공기 베어링이다.

이때의 상기 공기 베어링은 윤활제로 사용되는 오일 대신 공기를 윤활제를 사용하는 베어링으로서, 오일 누유에 의한 오염 및 구동특성 저하와 같은 문제점이 없으므로 정밀 기기에 많이 채용되고 있다.

이러한 공기 베어링은 크게 공기정압 베어링과 공기동압 베어링으로 대별되는 바, 하드디스크 드라이브, 디지털 VTR, 레이저 빔 프린터 등과 같이 고속 회전과 더불어 초정밀도가 요구되는 기기에는 공기동압 베어링을 채용한 스핀들 모터가 채용된다.

도 3은 종래 기술에 따른 공기동압 베어링이 적용된 스핀들 모터를 나타낸 단면도이다.

종래 기술에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터는 크게 베이스 플레이트(102)과, 슬리이브(106) 및 고정축(104) 그리고 구동 마그네트(108)와 스테이터(110) 및 트러스트 베어링으로 구성된다.

베이스 플레이트(102)은 중앙부에 관통홀이 형성되면서, 이 관통홀의 주연으로 관형상의 버링부가 일체로 돌출 성형되는 구조로, 이때의 상기 버링부의 내경부와 외경부로는 각각 슬리이브(106)와 스테이터(110)가 구비되어진다.

슬리이브(106)는 대략 속이 빈 원통형상을 가지면서 그 외주연으로 캡형상의 마그네트 홀더가 일체로 형성되는 구조이다. 이러한, 슬리이브(106)는 그 내주연으로 원통체의 고정축(104)이 결합되어지는 바, 이때의 상기 슬리이브(106)와 고정축(104)은 상호 수마이크로미터의 미세한 간격을 두고 배치되면서 고속회전시 그 간극사이에 공기 동압이 형성될 수 있도록 베어링면을 형성하는 구조이다

고정축(104)은 상기 베이스 플레이트(102)의 관통홀에 하단부가 끼움고정되는 원통형의 부재로서, 그 외주면에는 고속회전시 슬리이브(106)와 함께 공기동압을 형성하기 위한 베어링면이 형성된다. 여기서, 고정축(104)과 이 고정축(104)의 주연을 감싸는 형태로 구비되는 상기 슬리이브(106)는 통상 알루미늄으로 성형되어진다.

구동 마그네트(108)는 상기 슬리이브(106)의 마그네트 홀더 내주연에 고정 장착되는 고리형상을 갖는 영구 자석으로서 후술할 스테이터(110)와 상호작용을 하여 전자기력을 발생시키게 된다.

스테이터(110)는 상기 베이스 플레이트(102)의 버링부 외경부에 고정 장착되는 전기자로서 외주연연 단부에 코일이 감겨진 코어로 구성된다. 이러한 스테이터(110)는 상술한 마그네트와 일정공극을 두고 배치된 상태에서 전원 인가시 마그네트와의 상호작용에 의해 전자기력을 발생되게 한다.

트러스트 베어링은 상기 고정축(104)의 상측 외주면과 상기 슬리이브(106)의 상측 내주면 사이에 일정 간격을 두고 구비되는 한쌍의 트러스트 마그네트(112)로 구성되는 바, 이들 트러스트 마그네트(112)는 상호작용에 의해 축방향의 부하를 지지하는 역할을 한다.

이와 같이 구성되는 공기동압 베어링이 적용된 스핀들 모터는 상기 슬리이브(106)의 내주면과 고정축(104)의 외주면에 공기의 압력을 이용하여 상호 비접촉 지지되게 하는 공기동압 발생용 그루브가 형성된 베어링면을 구비하므로, 상기 스테이터(110)와 고정마그네트의 상호작용에 의한 전자기력 발생시 상기 슬리이브(106)가 고정축(104)을 중심으로 비접촉 회전을 이루게 된다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 공기동압 베어링이 적용된 모터는, 상기 트러스트 마그네트가 고정축의 반경방향으로 설치되는 것에 의해 그 작용 힘이 반경방향으로 작용하게 되므로 축방향 하중 지지력이 약한 단점이 있다.

즉, 상기 트러스트 마그네트는 레디얼 방향으로 배치되는 것에 의해 축방향 하중 지지력이 충분하지 못하여 결과적으로 고속회전시 강성부족으로 인한 진동과 떨림현상이 발생하게 되어 모터의 구동특성을 악화시키는 문제점을 발생시킨다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 슬리이브의 재질을 자성체로 함과 아울러 구동 마그네트와 스테이터 사이에 기하학적 높이 차이를 두어, 고속 회전시 모터의 진동을 저감시킴과 아울러 모터의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 공기동압 베어링이 적용된 모터를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 볼 베어링이 적용된 스핀들 모터 조립체를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 볼 베어링을 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3은 종래 기술에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터의 구동 마그네트의 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 베이스 플레이트 4 : 고정축

6 : 슬리이브 8 : 구동 마그네트

10 : 스테이터 12 : 트러스트 마그네트

14 : 동압발생 그루브 16 : 버링부

18 : 스테이터 코어 20 : 권선 코일

22 : 마그네트 홀더 26 : 제1트러스트 마그네트

28 : 제2트러스트 마그네트

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터는, 베이스 플레이트에 수직방향으로 고정된 고정축과, 상기 고정축의 외주면에 회전 가능하게 배치되고 일정 자력을 갖는 자성체로 형성되는 슬리이브와, 상기 슬리이브의 일측에 고정되는 구동 마그네트와, 상기 베이스 플레이트에 고정되고 상기 구동 마그네트의 내주면에 일정 간격을 두고 배치되는 스테이터와, 상기 슬리이브와 베이스 플레이트의 일측 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 슬리이브의 축방향 하중을 지지하는 트러스트 마그네트로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 트러스트 마그네트는 상기 슬리이브의 하측 외주면에 고정되는 제1트러스트 마그네트와, 상기 베이스 프레이트의 일측에 고정되는 제2트러스트 마그네트로 구성되고, 상기 제1트러스트 마그네트는 상기 자성체인 슬리이브에 의해 강한 자속이 흐르는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 구동 마그네트는 그 중심이 상기 스테이터 코어의 중심에서 약 0.1mm 정도 상측에 배치되는 것에 있다.

본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터의 다른 실시예로, 베이스 플레이트에 수직방향으로 고정된 고정축과, 상기 고정축의 외주면에 회전 가능하게 배치되고 일정 자력을 갖는 자성체로 형성되는 슬리이브와, 상기 베이스 플레이트에 고정되고 상기 구동 마그네트의 내주면에 일정 간격을 두고 배치되는 스테이터와, 상기 슬리이브의 일측에 고정되고 상기 스테이터의 중심보다 일정 정도 높게 위치되는 구동 마그네트와, 상기 슬리이브와 베이스 플레이트의 일측 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 슬리이브의 축방향 하중을 지지하는 트러스트 마그네트를 포함하는 구성인 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터의 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터의 구동 마그네트의 확대도이다.

이에 나타내 보인 바와 같이 본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터는, 중앙부에 관형상의 버링부를 돌출 형성시킨 베이스 플레이트(2)와, 이 베이스 플레이트(2)의 버링부 외경부에 고정 장착되는 스테이터(10)와, 상기 베이스 플레이트(2)의 버링부 내경부에 회전 가능하게 구비되며 그 내측으로 고정축(4)이 수 마이크로미터의 미세 간격을 두고 구비되는 슬리이브(6)와, 상기 슬리이브(6)에 일체로 형성된 캡형상의 마그네트 홀더(22) 내주연에 고정되는 구동 마그네트(8)와,상기 슬리이브(6)의 외경부와 베이스 플레이트(2)의 내경부 사이에 공극을 두고 구비되는 트러스트 마그네트(12)로 구성된다.

즉, 공기동압 베어링을 사용하는 모터는 베이스 플레이트(2)에 수직방향으로 고정된 원통형상을 갖는 고정축(4)과, 상기 고정축(4)의 외주면에 회전 가능하게 배치되고 상기 고정축(4)과의 사이에 공기동압을 발생시키는 베어링면을 형성하는 중공의 관 형상을 갖는 슬리이브(6)를 구비하며, 또한, 상기 슬리이브(6)의 외주연에서 일체로 캡형상이 되게 연장된 부분인 마그네트 홀더(22)의 내주면에 고정되는 구동 마그네트(8)와, 상기 베이스 플레이트(2)에 고정되고 상기 구동 마그네트(8)의 내주면에 일정 간격을 두고 배치되어 전원이 인가되면 상기 구동 마그네트(8)와 상호 작용되어 전자기력을 발생시키는 것에 의해 결과적으로 구동 마그네트(8)를 회전시키는 스테이터(10)와, 상기 슬리이브(6)와 베이스 플레이트(2)의 일측 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 슬리이브(6)의 축방향 하중을 지지하는 트러스트 마그네트(12)로 구성된다.

상기 고정축(4)과 슬리이브(6) 사이에는 공기를 이용하여 동압을 발생시키는 베어링면이 형성되어 있다. 즉, 상기 고정축(4)의 외주면 및 슬리이브(6)의 내주면에는 상기 슬리이브(6)가 회전될 때 공기동압을 발생시킬 수 있도록 일정 경사각을 갖는 동압발생 그루브(14)가 형성되어 상기 슬리이브(6)를 상승시키는 힘을 발생시킨다.

상기 스테이터(10)는 상기 베이스 플레이트(2)에서 상측방향으로 연장되는 버링부(16)에 고정되는 스테이터 코어(18)와 상기 스테이터 코어(18)에 감겨져 전원이 인가되면 전자력을 발생시키는 권선 코일(20) 등으로 구성된다.

상기 구동 마그네트(8)은 상기 슬리이브(6)의 일측에서 일체로 연장되는 마그네트 홀더(22)의 내주면에 반경방향으로 장착되어 그 힘이 반경방향으로 작용하여 상기 스테이터(10)와의 상호 작용에 의해 회전력을 발생시킨다. 이때, 상기 구동 마그네트(8)는 상기 스테이터 코어(18)와 일정 정도의 높이 차이를 두게 되면 구동 마그네트(8)의 작용 힘이 하측 방향으로 작용된다.

즉, 상기 구동 마그네트(8)의 중심은 스테이터 코어(18)의 중심과 일정 높이(P)만큼 높게 위치된다. 즉, 상기 높이(P)는 약 0.1mm정도 설치되어 상기 구동 마그네트(8)의 힘이 하측 방향으로 작용되도록 하여 상기 슬리이브(6)가 하측 방향을 당겨주는 힘을 부여한다.

상기 트러스트 마그네트(12)은 상기 슬리이브(6)의 하측 외주면에 축방향으로 고정되는 제1트러스트 마그네트(26)과 상기 베이스 플레이트(2)에서 수직방향으로 연장되어 상기 스테이터(10)가 고정되는 마그네트 홀더(22)의 내주면에 축방향으로 고정되는 제2트러스트 마그네트(28)으로 구성되고, 상기 제1트러스트 마그네트(26)과 제2트러스트 마그네트(28)은 일정 간격을 두고 배치되어 양측 트러스트 마그네트(26,28)에서 발생되는 자속에 의해 상기 슬리이브(6)를 하측 방향으로 당겨주는 힘을 부여한다.

상기 슬리이브(6)는 일정 자력을 갖는 자성체의 재질로 형성되어 상기 제1트러스트 마그네트(26)이 상측 방향으로 강한 자속이 흐르게 한다.

즉, 상기 슬리이브(6)가 자성체로 형성되기 때문에 상기 제1트러스트 마그네트(26)이 상측방향으로 강한 자속이 발생되도록 하여 상기 트러스트 마그네트의 조립 상태 등에는 영향을 미치지 않고 슬리이브(6)에 하측방향으로 작용하는 힘을 크게 한다.

또한, 상기 슬리이브(6)가 자성체로 형성되어 상기 슬리이브(6)가 마그네트의 자속을 효과적으로 흐르게 하는 백요크(backyoke)의 역할을 수행하기 때문에 별도의 백요크(backyoke)가 불필요하게 된다.

한편, 상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 하나의 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시예에 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.

따라서, 상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 모터는, 상기 구동 마그네트와 상기 스테이터 사이가 일정 기하학적 높이 차이를 둘 수 있도록 상기 구동 마그네트의 높이를 조정하여 상기 구동 마그네트의 힘의 하측 방향으로 작용되도록 함과 아울러 슬리이브를 자성체로 형성하여 트러스트 마그네트의 자속을 강하게 함으로써 실제적으로 슬리이브가 하측으로 당겨지는 힘을 크게 하여 모터가 고속으로 회전될 때의 진동을 저감시킬 수 있게 된다.

따라서, 진동을 억제시키는 것에 의한 모터의 안정된 구동특성을 보장할 수 있게 되므로 제품의 신뢰성을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 슬리이브를 자성체로 형성하여 백요크(backyoke)가 필요없게 되어 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 베이스 플레이트에 수직방향으로 고정된 고정축과;

   상기 고정축의 외주면에 회전 가능하게 배치되고 일정 자력을 갖는 자성체로 형성되는 슬리이브와;

   상기 슬리이브의 일측에 고정되는 구동 마그네트와;

   상기 베이스 플레이트에 고정되고 상기 구동 마그네트의 내주면에 일정 간격을 두고 배치되는 스테이터와;

   상기 슬리이브와 베이스 플레이트의 일측 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 슬리이브의 축방향 하중을 지지하는 트러스트 마그네트를 포함하는 공기동압 베어링이 적용된 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 트러스트 마그네트는 상기 슬리이브의 하측 외주면에 고정되는 제1트러스트 마그네트와, 상기 베이스 프레이트의 일측에 고정되는 제2트러스트 마그네트로 구성되고, 상기 제1트러스트 마그네트는 상기 자성체인 슬리이브에 의해 강한 자속이 흐르는 것을 특징으로 하는 공기동압 베어링이 적용된 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동 마그네트는 그 중심이 상기 스테이터 코어의 중심에서 약 0.1mm정도 상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 공기동압 베어링이 적용된 모터.
4. 베이스 플레이트에 수직방향으로 고정된 고정축과;

   상기 고정축의 외주면에 회전 가능하게 배치되고 일정 자력을 갖는 자성체로 형성되는 슬리이브와;

   상기 베이스 플레이트에 고정되고 상기 구동 마그네트의 내주면에 일정 간격을 두고 배치되는 스테이터와;

   상기 슬리이브의 일측에 고정되고 상기 스테이터의 중심보다 일정 정도 높게 위치되는 구동 마그네트와;

   상기 슬리이브와 베이스 플레이트의 일측 사이에 일정 간격을 두고 배치되어 상기 슬리이브의 축방향 하중을 지지하는 트러스트 마그네트를 포함하는 공기동압 베어링이 적용된 모터.