Vibrational Characteristics of High-Speed Motors with Ball Bearings and Gas Foil Bearings Supports

볼 베어링 및 가스 포일 베어링으로 지지되는 소형 고속 전동기의 진동 특성

Abstract

High-speed rotating machinery requires low cost and reliable bearing elements with low friction, stable rotordynamic characteristics, and a simple design. This study experimentally evaluates the effects of bearing-support elements on the vibrational characteristics of a small-sized, high-speed permanent magnetic motor. A series of coast down tests from 100 krpm characterize the vibrational behaviors, rotor displacement, and housing acceleration of motors supported by ball bearings, ball bearings with a metal mesh damper, and gas foil bearings, respectively. Two eddy-current sensors installed in the horizontal and vertical directions measure the displacement of the rotor at its front nut, and a 3-axis accelerometer attached to the motor housing measures the housing acceleration. The test results reveal that synchronous (1X) vibration components most significantly affect the rotor displacement and housing acceleration, independent of the bearing-support elements. The motor supported by the deep-groove ball bearings results in the largest rotor vibrations increasing with speed; this is due to the absence of a damping mechanism. Additionally, the metal mesh damper effectively reduces the rotor displacement, housing acceleration, and sound-pressure level in the high-speed region (i.e., above 40 krpm), thus implying its substantial damping performance when installed on the outer race of the ball bearing. Lastly, the gas foil bearing supported motor yields the smallest rotor displacement, housing acceleration, and lowest sound-pressure level because of its hydrodynamic airborne operation, which does not require rolling elements that may cause mechanical friction and vibrations.

1. 서 론

최근 회전기기의 고속화로 인해서 회전축을 지지하는 고속 베어링은 시스템의 동적 안정성 및 효율을 결정하는 매우 중요한 요소 기술로 부각되고 있다[1, 2]. 구름 요소(rolling element)를 사용하는 고속 베어링으로는 접촉식 베어링인 볼 베어링과 롤러 베어링이 있으며, 유체 윤활제(fluid lubricant)를 사용하는 고속 베어링으로는 비접촉식 베어링인 오일 베어링과 가스 베어링이 있다. 구름 베어링의 일종인 볼 베어링은 규격화 및 대량생산으로 인해 사용자의 접근성이 좋고 가격이 저렴하다. 하지만, 감쇠성능의 부재로 인해 임계속도에 이르는 고속에서 작동 시에 진동이 급격히 증가할 우려가 있다. 따라서, 고속 안정성이 요구되는 회전기기들은볼 베어링 외륜에 스퀴즈 필름 댐퍼(Squeeze Film Damper, SFD) [3, 4]를 설치하여 감쇠메커니즘을 부과한다. 그러나, 스퀴즈 필름 댐퍼는 별도의 급유 시스템이 필요하여 시스템 단순화가 어렵고 오일의 공동 현상(Cavitation)이나 온도에 따른 오일의 점성변화로 인해 감쇠력의 감소하는 단점이 있다[5, 6]. 따라서, 최근에는 별도의 급유 시스템이 필요하지 않고 적용 시스템의 단순화가 가능하여 경제적인 메탈 메쉬 댐퍼(Metal Mesh Damper, MMD) [5, 7]가 대안으로 연구되고 있다. 메탈 메쉬 댐퍼는 구리나 스테인리스 스틸 등의 금속 철사를 메쉬 형태로 성형하여 철사들 사이에서의 마찰 및 구조 감쇠(dry-friction and structural damping) 효과를 도모한다[5, 6]. Okayasu 등[7]은 볼 베어링이 적용된 터보펌프에 메탈 메쉬 댐퍼를 추가적으로 적용하여 댐퍼 적용 전/후에 대한 구동 실험 결과를 비교 하였다. 이를 통해 메탈 메쉬 댐퍼를 사용할 경우 로터의 진동크기가 허용 가능한 수준으로 낮아지며, 공진점 근처에서 진동을 줄일 수 있음을 보였다. San Andrés 등[8]은 메탈 메쉬 댐퍼와 포일 베어링 조합체(Metal Mesh Foil Bearing, MMFB)의 구조 강성 및 감쇠를 평가하기 위하여 정/동하중 실험을 수행하였다. 정하중 실험 결과, 비선형의 넓은 면적을 가지는 이력 곡선을 나타내었고, 동하중 실험 결과, 0.7의 매우 높은 손실 계수를 가지는 것을 확인함으로써 포일 베어링에 메탈 메쉬 댐퍼를 적용하여 감쇠 성능을 향상 시킬 수 있음을 보였다. 유체 윤활비접촉 베어링의 일종인 가스 포일 베어링은(Gas Foil Bearing, GFB)은 로터의 회전에 따라 발생하는 가스나공기 윤활제의 동압으로 비접촉 상태를 유지한다. 특히, 공기를 윤활제를 사용하는 경우 별도의 윤활장치가 필요치 않아 시스템의 단순화가 가능하고, 마찰손실이 작다. 또한, 공기 유막의 점성 감쇠 성능과 더불어 베어링 내면을 형성하는 포일 구조체로부터 마찰 및 구조 감쇠를 얻을 수 있다. 하지만, 구름 베어링이나 오일 베어링보다 하중지지력과 강성이 낮은 단점이 있어 회전체-베어링 시스템의 설계에 유의해야 한다[1]. Heshmat 등[9]은 가스 포일 베어링의 성능 해석을 위해 범프 포일의 변형을 고려한 수치해석 기법을 개발하였다. 범프 포일은 단순 탄성 구조체로 유막두께에서 발생하는 압력으로 인해 비선형적인 강성을 갖는다. 이를 해석에 적용하여 가스 포일 베어링의 성능해석을 진행하였다. Kim과 San Andres[10]는 단순 탄성 구조체의 특성과 평균 압력을 이용한 해석 모델을 적용하여 가스 포일 베어링 성능해석을 진행하였으며, 기존 논문의 실험 데이터와 비교를 진행하였다. 이를 통해 해석 모델을 검증하였으며, 회전축이 속도가 증가함에 따라 유체 동압으로 인한 강성이 매우 커지고 이로 인해 범프의 구조강성 및 감쇠 특성이 지배적인 것을 확인하였다.

본 논문에서는 100 krpm의 최대 속도를 갖는 소형 고속 전동기에 볼 베어링, 메탈 메쉬 댐퍼가 적용된볼 베어링, 그리고 가스 포일 베어링을 순차적으로 적용하여 고속 구동 실험을 수행하였다. 실험 중 회전축의 진동변위 및 전동기 하우징의 진동가속도를 측정하였고, 결과를 시간 및 주파수 영역에서 비교 분석함으로써 베어링에 따른 고속전동기의 진동 성능을 고찰하였다.

 

2. 회전축-베어링 시스템

 

2-1. 회전축 및 볼 베어링

Fig. 1은 볼 베어링 적용 전동기의 회전축을 보여준다. 회전축은 중간에 영구자석 로터(Permanent magnetrotor)를 가지며 그 전, 후방에는 볼 베어링이 설치된다. 총 길이는 97.6 mm이며 질량은 121.2 g이다.

 

Fig. 1. Test rotor with ball bearings installed.

Fig. 2는 회전축에 설치된 볼 베어링의 개략도이다. 스틸 재질의 깊은 홈 볼 베어링(Deep Groove Ball Bearing, DGBB)이 적용되었으며 외경 및 내경은 각각 16 mm와 8 mm이다. 그리스(grease)의 밀봉을 위한, 내륜과 외륜 사이의 실(seal)은 그림에서 생략되었다. Table 1 베어링의 상세 정보를 보여준다.

 

Fig. 2. Schematic view of deep groove ball bearing

 

Table 1. Geometries of deep groove ball bearing

 

2-2. 메탈 메쉬 댐퍼가 설치된 볼 베어링

Fig. 3은 깊은 홈 볼 베어링에 댐핑을 부과하기 위하여 메탈 메쉬 댐퍼를 적용한 조합체를 보여준다. 메탈 메쉬 댐퍼는 직경이 0.18 mm 인 구리선으로 구성되어 있고 밀도는 20%이다. Table 2은 메탈 메쉬 댐퍼의 치수 및 재질 등 상세정보를 보여준다.

 

Fig. 3. Photo of deep groove ball bearing combined with metal mesh damper.

 

Table 2. Geometries and material properties of metal mesh damper P

 

2-3. 가스 포일 베어링 및 수정된 회전축

Fig. 4는 가스 포일 저널 베어링(Gas Foil Journal Bearing, GFJB)의 개략도와 사진을 보여준다. 베어링의 내경은 16 mm로 깊은 홈 볼 베어링의 내경 8 mm보다 크고 외경과는 동일하다. 폭도 12 mm로 볼 베어링의폭 5 mm 보다 크다. 가스 포일 베어링은 유체 동압베어링이므로 충분한 하중지지능력을 갖기 위한 윤활단면적이 필요하다[11]. 범프 포일의 치수 및 재질을 포함한 가스 포일 베어링의 자세한 형상 정보를 Table 3에 제시하였다.

 

Fig. 4. Schematic view and photo of gas foil journal bearing.

가스 포일 베어링을 적용하기 위하여 회전축을 Fig. 4와 같이 수정하였다. 회전축 중간에 위치한 영구자석로터는 기존과 동일하나 그 좌우의 베어링 저널의 직경과 폭을 Table 3에 명시된 수치의 가스 포일 저널 베어링의 적용이 가능하도록 증가시켰다. 또한, 축방향 하중을 지지하기 위한 가스 포일 스러스트 베어링(Gas Foil Thrust Bearing, GFTB)의 적용을 위해 스러스트러너도 회전축 왼편에 추가하였다. 수정된 회전축의 길이는 109.5 mm이며 질량은 254.2 g로 기존 회전축에 비해 각각 12%와 110% 증가하였다.

 

Table 3. Geometries and material properties of gas foil journal bearing

Table 4는 두 회전축의 질량, 축방향 길이 그리고관성모멘트를 비교하여 보여준다. 두 회전축은 모두 ISO 1940품질등급 G 2.5수준으로 발란싱하여 잔류 질량 불균형량을 최소화하였다.

 

Fig. 5. Test rotor for gas foil bearings

 

Table 4. Design parameters of two rotors for ball bearings and gas foil bearings

 

3. 소형 고속 전동기 실험 방법

Fig. 6(a)는 볼 베어링으로 지지되는 고속 전동기의 개략도이다. 회전축을 지지하는 2개의 깊은 홈 볼 베어링의 내륜은 회전축에 결합되어 있으며 외륜은 베어링 하우징에 조립되어 있다. Fig. 6(b)는 볼 베어링에 메탈 메쉬 댐퍼를 추가한 고속 전동기의 개략도이다. 베어링 외륜은 메탈 메쉬 댐퍼를 사이에 두고 베어링 하우징에 조립된다. Fig. 6(c)는 가스 포일 베어링으로 지지되는 고속 전동기의 개략도이다. 2개의 가스 포일 저널 베어링이 반경 방향 하중을 지지하고 그 왼쪽에 위치한 스러스트러너 양쪽에는 한쌍의 가스 포일 스러스트 베어링이 축 방향 하중을 지지한다. 전동기의 회전속도는 회전축 오른쪽 끝단에 위치한 엔코더로 측정하며, 회전축의 진동변위는 수직 및 수평방향으로 설치한 2개의 와전류형 변위 센서(eddy current displacementsensor)를 이용하여 회전축 왼쪽 끝단에 부착한 센서타겟 너트에서 측정하였다. 또한, 3축 가속도 센서(3-axisaccelerometer)를 전방 베어링의 지지대(pedestal) 역할을 하는 전동기 표면에 부착하여 하우징의 가속도를 측정하였다. 각각의 전동기를 최대속도인 100 krpm 까지 가속하였다가 자유감속하여 진동데이터를 취득한 후 비교하였다.

 

Fig. 6. Schematic view of high speed motors supported on (a) ball bearings, (b) ball bearings with metal mesh damper, and (c) gas foil bearings.

 

4. 실험 결과 및 고찰

 

4-1. 시간 영역 회전축 진동 분석

Figs. 7-9는 회전축의 속도가 각각 35 krpm, 65 krpm, 96 krpm일 때 (a)볼 베어링, (b) 메탈 메쉬 댐퍼 적용 볼베어링, (c) 가스 포일 베어링 적용 전동기 회전축의 진동변위를 보여준다. 모든 그래프는 수직 방향 오버올(overall) 진동 및 회전동기(1x) 진동 성분만을 보여주는데, 오버올 진동변위의 경우 4,000 Hz에서 로우패스 필터(low pass filter)를 사용하여 추출하였으며, 회전동기 성분 진동변위는 각 회전속도 주파수를 기준으로 ±10 Hz의 밴드 패스 필터(band pass filter)를 사용하여 추출하였다. 모든 그래프는 8개의 진동 주기(period)만을 보여주도록 시간축을 조절하였다.

 

Fig. 7. Overall and filtered synchronous (1x) rotor displacements versus time at 35 krpm measured in vertical direction: (a) ball bearings, (b) ball bearings with metal mesh damper, and (c) gas foil bearings.

 

Fig. 8. Overall and filtered synchronous (1x) rotor displacements versus time at 65 krpm measured in vertical direction: (a) ball bearings, (b) ball bearings with metal mesh damper, and (c) gas foil bearings.

 

Fig. 9. Overall and filtered synchronous (1x) rotor displacements versus time at 96 krpm measured in vertical direction: (a) ball bearings, (b) ball bearings with metal mesh damper, and (c) gas foil bearings.

35 krpm의 저속에서는 볼 베어링과 가스 포일 베어링 적용 회전축 진동변위의 오버올 크기가 회전축의 잔류불균형 질량에 대한 응답인 회전동기 성분 크기와 거의 동일하며, 회전동기 진동성분 이외의 다른 진동이 거의 존재하지 않는다. 반면, 메탈 메쉬 댐퍼를 적용한 경우는 오버올 변위와 회전동기 성분 변위의 차이가 뚜렷하여 회전동기 성분 이외의 진동성분이 존재하는 것을 알 수 있다. 오버올 진동진폭은 가스 포일 베어링을 적용한 전동기가 가장 작고 메탈 메쉬 댐퍼를 적용한 경우가 가장 크다. 65 krpm의 중속에서 발생하는 진동성분의 경향성은 저속의 경우와 유사하나, 볼 베어링 적용 회전축 진동진폭이 증가하여 가장 크다. 또한, 메탈 메쉬 댐퍼 적용 회전축의 비동기 진동성분은 감소하여 오버올 진동변위와 회전동기 진동변위가 유사해짐을 알 수 있다. 96 krpm의 고속에서는 볼 베어링 적용 회전축의 진동진폭이 큰폭으로 증가하였나, 메탈 메쉬 댐퍼를 적용한 볼 베어링으로 지지된 회전축은 진동진폭의 증가가 작다. 가스 포일 베어링의 경우 회전속도와 관계없이 진동진폭의 크기가 가장 작으며 상대적으로 거의 일정하게 유지된다.

Figs. 10은 볼 베어링(BB), 메탈 메쉬 댐퍼(MMD) 적용 볼 베어링, 가스 포일 베어링(GFB) 적용 회전축의 회전동기 진동변위 궤적(orbit)을 회전속도 (a) 35 krpm, (b) 65 krpm, (c) 96 krpm에서 보여준다. Figs. 7-9의 경우와 같이 모든 궤적은 8개의 진동 주기만을 이용하여 나타내었다. 모든 속도에서 메탈 메쉬 댐퍼 적용 회전축의 진동변위는 볼베어링만 적용된 회저축의 진동변위보다 작다. 특히, 볼베어링만 적용된 회전축의 진동이 속도에 따라 증가하여 96 krpm에서 최대 편진폭 700 μm(0-pk, major axis)에 이르는 반면, 메탈 메쉬 댐퍼를 사용했을 경우 속도에 따른 회전축의 진폭 증가가 두드러지지 않는다. 가스 포일 베어링을 적용한 회전축은 모든 속도에서 가장 작은 진폭을 보여준다.

 

Fig. 10. Synchronous (1x) rotor orbital motion for ball bearings (BB), ball bearings with metal mesh damper (MMD), and gas foil bearings (GFB): (a) 35 krpm (b) 65 krpm, (c) 96 krpm.

 

4-2. 주파수 영역 회전축 진동 분석

Fig. 11은 100 krpm의 회전속도에서 자유감속하면서 (a)볼 베어링, (b) 메탈 메쉬 댐퍼 적용 볼 베어링, (c)가스 포일 베어링 적용 전동기 회전축의 진동 주파수 분석을 위한 수직방향 진동변위 워터폴(waterfall) 그래프를 보여준다. 베어링에 관계없이 모든 경우에서 회전동기(1x) 주파수 성분이 가장 지배적이며, 볼 베어링 및 메탈 메쉬 댐퍼 적용 볼 베어링의 경우는 고속에서 회전동기 주파수의 2배(2x) 성분이 함께 발생한다.

 

Fig. 11. Waterfall plots of rotor vibration amplitude in vertical direction measured during coastdown tests from 100 krpm: (a) ball bearing, (b) ball bearings with metal mesh damper and (c) gas foil bearing.

Fig. 12는 회전속도에 따라 수직방향에서 측정된 (a)오버올 진동변위와 (b) 회전동기 주파수(1x) 성분 진동변위를 베어링 별로 비교하여 보여준다. 약 50 krpm이하에서는 메탈 메쉬 댐퍼 적용 볼 베어링의 경우가 가장 큰 오버올 진동변위를 갖는다. 그러나, 그 이상의 속도에서는 볼 베어링 적용 회전축의 오버올 진동변위가 가장 크며, 특히 약 80 krpm 이상부터는 속도에 따라 급격히 증가한다. 회전동기 주파수 성분만을 별도로 분리한 결과를 보면 약 50 krpm까지는 볼 베어링과 메탈 메쉬 댐퍼 적용 볼 베어링으로 지지되는 회전축의 진동변위가 거의 유사하지만, 그 이상의 속도에서는 볼베어링 적용 회전축의 진동변위가 급격히 증가하여 96 krpm에서는 메탈 메쉬 댐퍼 적용 회전축 진동변위의8배 이상 크다. 이는 볼 베어링 지지 회전축의 시스템고유진동수가 100 krpm 근처에 위치하여 회전속도와 고유진동수 사이의 분리 여유가 충분하지 않기 때문으로 사료된다1 .

 

Fig. 12. (a) Overall and (b) filtered synchronous rotor vibration amplitude versus speed in vertical direction for ball bearings (BB), ball bearings with metal mesh damper (MMD), and gas foil bearings (GFB).

 

4-3. 주파수 영역 하우징 진동 가속도 분석

Fig. 13은 자유감속 시험 중 (a)볼 베어링, (b) 메탈 메쉬 댐퍼 적용 볼 베어링, (c) 가스 포일 베어링으로 지지되는 전동기 하우징에서 측정한 수직방향 진동가속도의 워터폴(waterfall) 그래프이다. 베어링에 관계없이 모든 경우에서 회전동기(1x) 주파수 성분과 더불어 회전동기 주파수의 2배(2x) 성분이 뚜렷하다. 회전동기성분은 잔류 불균형 질량으로 인한 회전축의 원심력이베어링을 통해 전동기 하우징을 가진하기 때문이며, 그두 배 주파수 성분은 회전축의 영구자석 로터(회전자)와전동기의 스테이터(고정자) 사이의 불균일한 공극이 초래하는 불평형 자기 흡인력에 기인한 것으로 사료된다[12]. 참고로, 실험에 사용된 로터는 2극을 갖기 때문에 고정자는 1회전 당 2회(2x) 가진된다. 측정결과의 비교를 통해 전동기 하우징은 볼 베어링이 적용되었을 때 약 100 krpm에서 최대 진동가속도를 가지며, 회전동기(1x) 및 그 두배 주파수(2x) 성분의 진동가속도는 각각 10 g와 5g를 초과할 정도로 매우 큼을 알 수 있다.

 

Fig. 13. Waterfall plots of motor housing acceleration in vertical direction measured during coastdown tests from 100 krpm: (a) ball bearing, (b) ball bearings with metal mesh damper and (c) gas foil bearing.

Fig. 14는 회전속도에 따른 전동기 하우징의 축 방향 회전동기 성분 진동가속도를 로그 스케일(logarithmic scale)로 비교하여 보여준다. 볼 베어링 지지의 전동기는 회전속도가 증가함에 따라 하우징의 진동가속도가 증가하는 경향을 보이는 반면, 메탈 메쉬 댐퍼가 적용된볼 베어링과 가스 포일 베어링으로 지지되는 전동기의 하우징 진동가속도는 각각 40 krpm과 30 krpm까지 증가하다가 이후부터는 변화가 상대적으로 완만하다. 96 krpm의 최대속도에서 볼 베어링 적용 전동기는 진동가속도가 다른 경우에 비해 10배 이상으로 가장 크며, 가스 포일 베어링의 경우가 가장 작다.

 

Fig. 14. Filtered synchronous motor housing acceleration versus speed in axial direction for ball bearings (BB), ball bearings with metal mesh damper (MMD), and gas foil bearings (GFB)

Fig. 15는 구동 중 1m 거리에서 마이크로폰(microphone)으로 측정한 소음의 음압(Sound pressure)을 회전속도에 따라 보여준다. 볼 베어링 지지의 전동기는 회전속도가 증가함에 따라 음압의 크기가 증가하는 경향을 보이는 반면, 메탈 메쉬 댐퍼가 적용된 볼 베어링과 가스 포일 베어링으로 지지되는 전동기의 하우징 진동가속도는 각각 50 krpm과 30 krpm까지 증가하다가 이후부터는 변화가 상대적으로 완만하다. 저속을 제외한 구간에서 볼 베어링 적용 전동기의 음압이 가장 크며가스 포일 베어링의 경우가 가장 작다. 가스 포일 베어링은 구름 요소가 없어 구름 및 마찰로 인한 진동 및 소음 발생원이 없기 때문으로 사료된다.

 

Fig. 15. Noise (sound pressure) versus speed for ball bearings (BB), ball bearings with metal mesh damper (MMD), and gas foil bearings (GFB).

 

5. 결 론

본 논문에서는 볼 베어링, 메탈 메쉬 댐퍼 적용 볼베어링, 가스 포일 베어링으로 지지되는 소형 고속 전동기의 진동 및 소음을 측정하여 비교하고 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 시간영역 분석을 통해, 회전축의 진동변위는 일반적으로 회전동기(1x) 주기 성분이 가장 지배적임을 확인하였다.

2. 주파수영역 분석을 통해, 회전축의 진동변위는 베어링 지지부에 관계없이 회전동기 주파수 성분이 가장 지배적이며, 볼 베어링 지지 회전축의 경우 80 krpm이상부터 오버올 진동변위도 급격히 증가하는 이유가 회전동기 주파수 성분 진동변위 증가로 인한 것임을 확인할 수 있다.

3.메탈 메쉬 댐퍼를 적용한 전동기는 볼 베어링만으로 지지되는 전동기에 비해 고속에서 진동 및 소음이 감소하는데, 이는 메탈 메쉬 댐퍼가 진동 에너지를 흡수 및 소산하기 때문으로 사료된다.

4.가스 포일 베어링 적용 전동기는 가장 작은 진동 및 소음을 갖는데 이는 가스 포일 베어링이 우수한 감쇠성능을 갖고 있으며 또한 볼 베어링과 달리 구름 요소가 없어 구름 및 마찰로 인한 진동 및 소음 발생원이 없기 때문으로 사료된다.