• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.97-97
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• 2012

반도체 및 디스플레이 공정등에서 고진공 및 급 배기 환경을 제공하기 위하여 사용되는 터보분자펌프 (Turbomolecular Pump, TMP)는 다층의 회전깃을 갖는 로터를 회전시켜 분자를 배출시키는 방식을 사용하는 진공펌프이다. 또한 최근에는 디스플레이 및 반도체 공정에서 높은 진공도뿐만 아니라, 높은 배기속도를 요구하는 추세에 따라, 터보 펌프와 드래그 펌프부분을 동시에 가지고 있어 상대적으로 작동 진공도 영역이 넓은 복합 분자펌프(Compound Turbomolecular Pump, CMP)의 활용도가 넓어지고 있다. 이러한 분자펌프가 장시간의 고속회전에 적합하고, 베어링에서의 오염을 없앨 수 있는 비접촉 방식인 자기부상 방식이 주로 적용된다. 자기베어링 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 나누어질 수 있는데, 하드웨어는 회전하게 되는 블레이드 로터 및 자기베어링 로터, 모터 로터 등이 포함된 축과 고정되어 있는 자기베어링 코어와 코일, 변위센서 등의 펌프 하우징 부분, 또한 이를 제어하기 위한 전력 증폭 시스템 등의 기전적인 요소들이 이루어져 있다. 소프트웨어라 할 수 있는 제어시스템에 있어서 자기 베어링이 불안정한 특성을 갖는 개루프계를 갖고 있으므로 안정화를 위한 능동제어 시스템이 필수적이며 진동제어 등의 기능을 갖도록 적용된다. 따라서 이러한 복합분자펌프의 성능은 이러한 시스템을 구성하는 개별 요소의 성능과 이를 통합한 제어시스템의 성능이 결정한다고 할 수 있다. 본 논문에서는 현재 개발중인 2,500 l/s급의 자기부상형 고진공 복합분자펌프의 시작품에 대하여 고속회전의 안정성에 대한 연구를 수행한 내용을 보고하고 있다. 디지털 제어시스템을 적용한 시작품의 최대 26,000 rpm까지의 고속회전시의 회전 응답 및 진동 특성을 측정 분석하였으며, 로터의 고유진동수 및 진동 모우드를 분석하였다. 또한 연속 작동시의 발열특성과 각 부분의 온도와 회전 안정성과의 관계를 평가하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.117-117
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• 2012

반도체 및 디스플레이 공정등에서 고진공 및 급 배기 환경을 제공하기 위하여 사용되는 터보 분자펌프(Turbomolecular Pump, TMP)는 다층의 회전깃을 갖는 로터를 회전시켜 분자를 배출시키는 방식을 사용하는 진공펌프이다. 또한 최근에는 디스플레이 및 반도체 공정에서 높은 진공도뿐만 아니라, 높은 배기속도를 요구하는 추세에 따라, 터보 펌프와 드래그 펌프부분을 동시에 가지고 있어 상대적으로 작동 진공도 영역이 넓은 복합 분자펌프(Compound Turbomolecular Pump, CMP)의 활용도가 넓어지고 있다. 이러한 분자펌프가 장시간의 고속회전에 적합하고, 베어링에서의 오염을 없앨 수 있는 비접촉 방식인 자기부상 방식이 주로 적용된다. 자기베어링 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 나누어질 수 있는데, 하드웨어는 회전하게 되는 블레이드로터 및 자기베어링 로터, 모터 로터 등이 포함된 축과 고정되어 있는 자기베어링 코어와 코일, 변위센서 등의 펌프 하우징 부분, 또한 이를 제어하기 위한 전력 증폭 시스템 등의 기전적인 요소들이 이루어져 있다. 소프트웨어라 할 수 있는 제어시스템에 있어서 자기베어링이 불안정한 특성을 갖는 개루프계를 갖고 있으므로 안정화를 위한 능동제어 시스템이 필수적이며 진동 제어 등의 기능을 갖도록 적용된다. 따라서 이러한 복합분자펌프의 성능은 이러한 시스템을 구성하는 개별 요소의 성능과 이를 통합한 제어시스템의 성능이 결정한다고 할 수 있다. 본 논문에서는 현재 개발중인 2,500 l/s급의 자기부상형 고진공 복합분자펌프의 시작품에 대하여 고속회전의 안정성에 대한 연구를 수행한 내용을 보고하고 있다. 디지털 제어시스템을 적용한 시작품의 최대 26,000 rpm 까지의 고속회전시의 회전 응답 및 진동 특성을 측정 분석하였으며, 로터의 고유진동수 및 진동 모우드를 분석하였다. 또한 연속 작동시의 발열특성과 각 부분의 온도와 회전 안정성과의 관계를 평가하였다.

• Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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• v.30 no.8
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• pp.854-863
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• 2013

High-speed spindle systems typically employ angular contact ball bearings, which can resist both axial and radial loading, and exhibit high precision and durability. We investigated the effects of the arrangement of the angular contact ball bearings on the dynamics of high-speed spindle systems. The spindle dynamics were studied with a number of spindle-bearing models, and the location of the bearings was varied, along with the rotational speed and the preload. A finite element spindle model and a bearing model were used, and simulated data showed that the bearing arrangement significantly affected the spindle dynamics. Furthermore, the main effects were due to the cross coupling terms between the transverse and rotational motions of the ball bearings. The coupling stiffness terms were found to influence the spindle dynamics, depending on the mode shapes. An extensive discussion is provided on the effects of the bearing arrangement on the dynamics of the spindle.

• Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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• v.23 no.4
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• pp.368-373
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• 2014

This paper presents the dynamic modeling and analysis results for a spindle supported by angular contact ball bearings (ACBBs) subjected to angular misalignment. Although ACBBs are widely used in spindle systems, their characteristics in regard to angular misalignment have rarely been investigated. A simulation program was developed to calculate the dynamic characteristics of a simple spindle model that is supported by angular contact ball bearings subjected to angular misalignment. Angular misalignment is shown to introduce anisotropy into the angular contact ball bearings and then split the natural frequencies in spindles. Simulations were also performed to show the possibility of evaluating bearing misalignment using natural frequency measurements.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.37 no.10
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• pp.1207-1218
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• 2013

It is difficult to predict derailment with the existing derailment coefficient like Nadal's formula which is based on the contact forces between one wheel and rail. A new derailment coefficient model developed on a wheelset is able to make a better estimate about the climb derailment, slip derailment, roll over derailment, and mixed derailment types of these. Moreover, not only the mechanical factors considered in the existing derailment coefficients but also other various factors affecting derailment such as wheel unloading and loading, diameter of wheel, and locations of axle-box bearings can be covered with this new derailment coefficient model. That is, the derailment patterns which couldn't be solved with the existing formulas such as Nadal's and Weinstock's models can be analyzed with this wheelset derailment coefficient model because of considering various factors causing derailment. Finally, the validity of the new derailment coefficient model is verified using dynamic model simulations.

• Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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• v.22 no.4
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• pp.735-739
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• 2013

The error motion of a machine tool spindle directly affects the surface errors of machined parts. Spindle motion errors such as three translational motions and two rotational motions are undesirable. These are usually due to the imperfectness of bearings, stiffness of spindle, assembly errors, and external force or unbalance of rotors. The error motions of the spindle need to be reduced for achieving the desired performance. Therefore, the level of error motion needs to be estimated during the design and assembly process of the spindle. In this study, an estimation method for five degree-of-freedom (5 DOF) error motions for a spindle with an angular contact ball bearing is suggested. To estimate the error motions of the spindle, the waviness of the inner-race of bearings and an external force model were used as input data. The estimation model considers the geometric relationship and force equilibrium of the five DOFs. To calculate the error motions of the spindle, not only the imperfections of the shaft and bearings but also driving elements such as belt pulley and direct driving motor systems are considered.

• Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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• v.29 no.6
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• pp.671-679
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• 2012

This paper presents an estimation procedure for axial displacement in spindle equipped with angular contact ball bearings due to rotational speed. High-speed spindle-bearing system experiences axial displacement due to thermal expansion and rotational speed-dependent characteristics of angular contact ball bearings. This paper deals with the axial displacement caused by the rotational speed-dependent effects such as centrifugal force and gyroscopic moments. To this end, a bearing dynamic model is established that includes all the static and dynamic properties of angular contact ball bearing. An analytical formula to calculate the axial displacement based on contact angles between ball and races is derived to discuss the physics regarding the axial displacement in spindle. The proposed dynamic model is compared with a reference and a commercial program. Numerical examples are presented to show the effects of centrifugal force and gyroscopic moment on the axial displacement. The proposed model is also validated with an experimental result.