Electromechanical Simulation of a Spindle Motor in a Free-Falling HDD

1. Electromechanical Simulation of a Spindle Motor in a Free-Falling HDD 한양대학교 초정밀회전기기 연구실 박사과정 박 상 진 2004/12/18

2. Motivation • Mobile HDDvs. Flesh Memory • Mobile HDD의 장점 • Flesh memory에 비하여 고 용량화가 가능 • 가격이 상대적으로 저렴 • Mobile HDD의 단점 • 기계적 구조로 인해 내구성이 약함 • 작동 중에 충격이 가해질 경우 data의 손실 가능성이 매우 높음 • Shock Detection of Mobile HDD • 작동 중인 Mobile HDD의 낙하상태를 충격 이전에 감지 • Actuator의 parking 소요 시간 : 30 msec. 이하 • 30 cm에서 낙하 시 소요 시간 : 약 250 msec. • 기존에는 가속도 센서를 이용하여 감지 • 동역학적 특성과 스핀들 모터의 신호를 이용한 센서리스감지

3. Previous Work • Edwards J.R., "Finite Element Analysis of the Shock Response and Head Slap Behavior of a Hard Disk Drive," IEEE Transactions on Magnetics, 1999. 외 다수 • Disk-Head interface의 충격 응답 또는 강건 설계 관련 논문 • David H. Jen and Mike Suk, "Method and Apparatus for Unloading Head from Disk before a Shock to a Disk Drive System," United States Patent, 2000. • HDD 낙하 시의 동역학적 특성에 의한 스핀들 모터의 전류 변화를 감지 • 실험적인 방법을 사용하여 감지 알고리즘을 제안 • 볼 베어링 스핀들 모터에 한정되며 이론적인 고찰이 없음

4. Method of Analysis • Electromechanical Field Analysis • Electromagnetic Field • Maxwell 방정식의 시간 차분 유한 요소법 • 구동 회로에서 inverter의 스위칭 동작 및 환류 전류를 고려 • PI 속도 제어를 포함 • Hydrodynamic-bearing Field • Reynolds 방정식의 유한 요소법 (HYBAP을 활용) • 베어링 반력 및 마찰토크를 결정 • Dynamics of Free-falling HDD • HDD를 회전부와 고정부의 두 강체로 가정 • 각 강체의 병진 변위와 각 변위를 고려하여 12자유도의 방정식을 유도

5. Electromagnetic Field • Maxwell Equation (2D) • FE Formulation by Galerkin Method

6. Voltage Equation of Inverter Circuit • 속도 제어 시 인버터 회로의 스위칭 동작을 고려 • 비 여자상의 환류 전류를 고려 < Commutation > < Duty On > < Duty Off >

7. Time Dependency (Backward Difference Method) • Force and Torque Calculation • Maxwell Stress Tensor • Moving Mesh Algorithm • 토크에 의한 회전자의 회전각을 변경 • 불평형 자기력에 의한 회전자의 병진 변위를 고려

8. z Thrust Y Journal Sleeve X C r 1 Thrust Pad C 2 Hydrodynamic-bearing Field • HDB Model • Governing Equation of a HDB field (Reynolds Equation) < Journal Bearing > < Thrust Bearing > - Journal Bearing - - Thrust Bearing -

9. (R) Body c-1-2-3 Rotation (S) Body n-1-2-3 Rotation Dynamics of Free-falling HDD • Two Rigid Bodies • Stationary Part : Base Plate + Stator Part of Motor + Cover • Rotational Part : PM + Hub Part + Disk • Body Rotation < Two Rigid Bodies of HDD >

10. Free Body Diagram

11. Force and Moment Equilibrium

12. Equation of Motion of Free-falling HDD (12 D.O.F.) • Stationary Body (병진 운동) • Stationary Body (각 운동)

13. Rotational Body (병진운동)

14. Rotational Body (각운동)

15. Electromagnetic field analysis considering driving circuit Mechanical field analysis Hydrodynamic bearing FE analysis (Journal and thrust) Determination of circuit equation (Commutation, Duty on and Duty off) Time-stepping FE analysis - Maxwell equation - Circuit equation - Time dependency (Backward Diffe- rence Method) u e PI controller Ωref 0 Bearing force Friction torque Ω • Initial Force and Moment • Equation of Motion of HDD • (Runge-Kutta Algorithm) 0 Magnetic force and torque - Maxwell stress tensor Duty On Off Carrier wave Moving mesh algorithm for magnetic field Determination of energizing phase + - Electromechanical Analysis • Analysis Procedure

16. Analysis Model • Specification of Analysis Model (Samsung 3.5 inch HDD) • Motor Spec. (Nidec P80)

17. Mechanical Spec. • 두 Body간의 상대 위치

18. Electromagnetic Field Hydrodynamic-bearing Field Result - Field Plot - Journal Bearing - - Thrust Bearing - < Meshed Area (8,750 elements) And its Magnetic Flux Distribution > < Meshed Area (3,872 elements) and its Pressure Distribution >

19. Result - Parallel Drop • Motion of Stationary Body • 초기에 외력이 작용하지 않으므로 수평 자세를 유지 하면서 낙하 < Motion of Body S >

20. Motion of Rotational Body • 회전자의 궤적은 큰 변화가 일어나지 않음 • 자유 낙하 상태에서 변위가 다소 감소 < Rotor Orbit at the Mass Center > < 3D Plot of Rotor Orbit >

21. Electrical Parameters • 전류, 토크, 속도, Duty ratio 모두 변화가 감지 (Duty ratio 변화가 가장 큼) • 모든 변수에 회전자의 회전주파수 성분이 발생 < Phase Current Profile > < Torque Profile > < Speed Profile > < Duty Ratio of PWM >

22. Discussion • 전기 변수 변화의 원인 • 두 강체간의 상대속도 변화 • 유체 베어링 반력에 의한 반작용 모멘트가 Stationary body의 속도변화를 유발 • 속도변화를 감지한 제어루프에서의 Duty Ratio 변화가 발생 • Duty ratio의 변화에 따르는 전류 및 토크의 변화가 발생 • 유체 베어링의 마찰 토크에 의한 영향 • 회전자의 궤적 변화가 크지 않으므로 영향을 거의 미치지 못함 • Gyroscopic moment의 영향 • Stationary body의 tilting 각이 거의 없으므로 변화없음 < Rotational Speed of Stationary Body > < Rotational Speed of Rotational Body >

23. Result - θx-directional Rolling Drop • Motion of Stationary Body • 낙하 초기에 외력 모멘트를 θx 방향으로 가함 • Gyroscopic moment의 영향으로 Rolling방향이 계속해서 전환 됨 < θx-directional Initial Moment > < Motion of Body S >

24. Motion of Rotational Body • Gyroscopic moment의 영향으로 stationary body의 tilting motion이 발생하면서 기존의 궤적 패턴을 이탈하는 현상 발생 < Rotor Orbit at the Mass Center > < 3D Plot of Rotor Orbit >

25. Electrical Parameters • 두 Body 간의 상대속도에 의한 회전 주파수 발생 경향은 동일 • 회전자의 tilting 각에 비례하는 추가적인 성분이 발생 < Phase Current Profile > < Torque Profile > < Speed Profile > < Duty Ratio of PWM >

26. Discussion • 두 강체 간의 상대 속도 변화 • Gyroscopic moment에 의해 회전자 운동 궤적이 증가함에 따라 베어링 반력이 증가 • Stationary body에 작용하는 베어링 반력의 반작용이증가 • Stationary body에 θz 방향의 추가적인 상대 속도 변화가 발생 < Rotational Speed of Stationary Body > < Rotational Speed of Rotational Body >

27. 유체 베어링 마찰 토크의 영향 • 회전자 궤적이증가하면서 마찰토크도 다소 증가 • Gyroscopic Moment의 영향 • Tilting motion에 대응하는 Gyro-moment가 발생 < FDB Friction Torque > < Gyroscopic Moment of Body B >

28. Result - θz-directional Rolling Drop • Motion of Stationary Body • 낙하 초기에 외력 토크를 θz 방향으로 가함 • 회전자 궤적은 불변 < θz-directional Initial Torque > < Motion of Body S >

29. Electrical Parameters • 직접적으로 상대 회전속도의 변화를 유발하게 되므로, 초기에 각가속도가 발생하는 구간동안 큰 변화 발생 < Phase Current Profile > < Torque Profile > < Speed Profile > < Duty Ratio of PWM >

30. Discussion • 두 강체 간의 상대 속도 변화 • Stationary body의 회전속도가 약 13 [rpm]까지 증가 • 유체 베어링 마찰 토크의 영향 • 거의 영향 없음 • Gyroscopic moment의 영향 • 거의 영향 없음 < Rotational Speed of Stationary Body > < Rotational Speed of Rotational Body >

31. Summary of Analysis Result • Parallel Drop • 회전체의 RRO에 의해 발생하는 베어링의 반력이 Body S의 운동을 발생시킴 • Disk의 상대속도 변화  전기변수 변화 (RRO성분 발생, 120 Hz) • θx-directional Rolling Drop • 전기변수에 RRO 성분이 포함되는 경향은 동일 • Gyroscopic Moment에 의한 성분이 동시에 검출 • θz-directional Rolling Drop • 전기변수에 RRO 성분이 포함되는 경향은 동일 • 외력 작용 순간에 큰 변화가 감지 • Detection Method of Free-falling HDD • HDD가 자유공간에 놓여진 것은 Duty ratio의 RRO 성분으로 검출 • Duty ratio, B-emf, 전류 등의 변화패턴을 관찰하여 HDD의 Motion을 동시에 검출

32. Oscilloscope 30 cm Motor Driver Experiment • Experimental Setup • 실험 대상 : 3.5 inch HDD (Samsung) • 윈벨 드라이버 사용 : 7,200 rpm 정속 구동 • 낙하 높이 : 30 cm • 낙하 시간 : 약 250 ms • 낙하 시 전류, 전압을 측정 < Experimental Setup of Free-falling HDD >

33. Experiment - Parallel Drop • Electrical Parameters • 중성점 전압의 변화 (속도 및 Duty ratio 정보를 포함) • 큰 변화가 발생하지 않음 • 상 전류의 변화 • 해석 결과에서의 회전주파수는 육안으로 검출되지 않음 < Neutral Voltage Profile > < Phase Current Profile >

34. Rotational Frequency • Frequency Response • 중성점 전압의 주파수 분석 (10회 평균치) • 낙하 시 120 Hz 성분이 증가하지만 나머지 성분도 동반하여 증가 • 다른 영역의 주파수 변화에 대한 면밀한 분석이 필요 < Frequency Spectra of Neutral Voltage > < Magnified Figure >

35. Experiment - θx-directional Rolling Drop • Electrical Parameters • 중성점 전압의 변화 • Gyro-moment에 의한 영향으로 상대 속도가 변화함 • 상 전류의 변화 • 속도 오차를 보상하기 위해 입력 전류가 변화 < Neutral Voltage Profile > < Phase Current Profile >

36. Experiment - θz-directional Rolling Drop • Electrical Parameters • 중성점 전압의 변화 • 직접적인 상대 속도의 변화 (상대 속도 감소) 를 가함에 따라 크게 변화 • 상 전류의 변화 • 속도 오차를 보상하기 위해 입력 전류가 크게 변화 < Neutral Voltage Profile > < Phase Current Profile >

37. Summary of Experimental Result • Parallel Drop • 회전 주파수 (120 Hz) 성분은 육안으로 파악되지 않음 • 주파수 분석에 의한 검출 • 120 Hz 가 증가하는 경향성만 파악 • 다른 주파수 성분이 동반하여 변화함 • 새로운 성분으로의 검출 가능성 존재 • 해석과의 차이점 • 속도 제어루프에서 미세한 속도 변화를 인지할 수 있는 분해능의 부족 • 베어링 반력에 의해 stationary body에 작용하는 모멘트가 진동 성분으로 상쇄될 가능성 • Rolling Drop • 해석과 실험간의 속도제어 조건 차이에 의해 경향성만 파악 • 정확한 초기 조건을 만족시키는 실험 장치의 부재로 해석과 비교에는 적절하지 않음

38. Future Work • 실험 장치의 재구성 • 해석과 동일한 구성의 속도제어 루프를 가지는 드라이버의 구성 • 드라이버의 속도 측정 분해능을 향상 • 낙하 시의 초기 조건을 정확히 실행할 수 있는 장치를 구성 • Mobile HDD에의 적용 • Mobile HDD에 대한 해석 및 실험을 수행 • 다양한 조건의 낙하에 대한 해석 및 실험을 수행 • Stationary body의 상대 회전 운동을 증가시킬 수 있는 방안을 연구 • 두 강체의 mass center 위치 조절 • 회전체의 mass unbalance 조절 • 인간의 평상 시 동작에 대한 해석 수행 • 낙하 상태와 구분할 수 있는 파라메터의 추출