볼 베어링 Ball Bearing (고온 쿨링팬 BLDC팬)

볼 베어링의 사용 목적은,
축이 회전할 때 발생하는 마찰열을 분산시켜 수명을 연장시키는 것 입니다.
 

위와 같이 내부 레이스와 외부 레이스로 분리되어 있습니다.
축이 돌면 내부 레이스(아래 사진의 1)은 같이 회전을 하고,
외부 레이스는 고정되어 있습니다.

축과 내부 레이스가 같이 회전하지만,
축과 내부 레이스 간의 미세한 간격이 있어 약간의 RPM 차이를 두고 회전합니다.
따라서 아래 2 부분에서도 마찰이 발생 합니다.

 
 
아래는 베어링의 한 쪽 커버를 분해한 사진입니다.
Ball 6개가 일정한 간격으로 위치해 있습니다.
마찰을 줄이고 균일하게 분산하기 위해서 일정한 간격을 유지합니다. 
 
내부 레이스가 돌면 Ball 은 자전과 공전을 동시에 합니다.
내부 레이스의 회전력이 Ball의 자전과 공전으로 분산되어,
Ball의 공전 속도는 내부레이스 보다 느립니다. 
마찰력은 아래 3, 4의 표면 그리고 Ball의 표면과 Ball을 감싸고 있는 케이지로 분산됩니다.

 
Ball간의 간격은 아래 사진의 케이지 5 에 의해 유지됩니다.
5의 움푹 파인 곳이 볼을 감싸고 회전을 합니다. 
대부분 소형 BLDC 팬에서는 케이지 재질로 아래 사진과 같은 플라스틱을 사용하는데,
금속을 사용하는 경우도 있습니다.

• 플라스틱 장점 : 가벼움(부하 낮춤) , 마찰력 감소 , 소음 감소
• 금속 장점 : 내열성 높음 , 내마모성에 따른 수명 증가

 
Ball은 아래
내부 레이스 6 
외부 레이스 7
을 따라서 회전을 합니다.
케이지 5의 도움으로 Ball이 레이스를 벗어나지 않고 회전할 수 있습니다. 온도가 150도를 넘어가면 수지 케이지는 균열이 갈 수 있으니 고온 환경에서는 금속 케이지를 사용하는게 좋습니다.
베어링 내부 온도는 고속 회전으로 환경 온도 보다 높은 점을 고려해야 합니다.
 
마찰을 줄여주고 열을 분산시키는 역할을 하는 구리스도
온도에 맞게 적절한 모델을 사용해야 합니다.

볼 베어링의 조립 순서는,
내부 레이스와 외부 레이스를 아래 A와 같이 위치 시키고,
B와 같이 Ball을 집어 넣습니다. 그리고,
C와 같이 Ball을 위치 시키고 케이지를 결합하면
Ball간 간격이 유지됩니다.
 

케이지에 의해 Ball간 간격이 유지되면,
내부 레이스는 외부 레이스의 정확히 중심에 위치하게 됩니다.
Ball의 직경은 D보다 크고 E보다 작아 Ball이 경로를 유지한 채,
레이스를 따라 회전하게 됩니다.

 
 
 
베어링의 수명에서 '구리스'는 큰 영향을 미칩니다.
구리스에 포함되어 윤활 역할을 하는 오일은 언젠가는 증발 되고, 회전 하면서 미세하지만 외부로 유출이 됩니다.
시간이 지나 오일이 모두 마르면,
마찰이 심해지고 이는 다시 부하를 높이고 소음을 증가시킵니다.
 
오일이 다 말랐을 때,
수지 케이지는 크랙이 생겨 볼 베어링 간의 간격이 변형 되고 소음이 발생 하다가 수명을 다하게 됩니다.
금속 케이지를 썼다면 수지 케이지 보다는 낫지만, 역시 고온에 의해 전기 부식의 속도가 빨라 지고, 수명을 다하게 됩니다.
 
구리스의 오일은 온도가 높을 수록 마르는 속도는 더 빨라집니다.
이 속도를 지연시키기 위해서,
환경 온도에 맞는 구리스를 사용한 볼 베어링을 적용해야 합니다.
 
구리스가 마르는 것 이외에도,
이물질이 베어링 내부로 유입되어 구리스가 오염되는 문제도 있습니다.
오일 증발과 동일하게 부하가 높아지게 됩니다.
 
 
볼 베어링 팬이라고 하면,
보통 두 개의 볼 베어링이 들어간 Dual Ball Bearing을 말 합니다.
Ball bearing이 한 개만 들어가면 저가형 슬리브 베어링 팬과 수명에서 큰 차이가 없습니다.
 
아래 볼 베어링이 팬에 장착된 구조를 보면,
B1은 11의 동재질 관이 외부 레이스를 감싸고 있습니다.
8의 E-Ring과 9의 스프링이 각각 B1의 상하 면을 잡아주고 있습니다.
B1내부 레이스는 Shaft와같이 회전하는 구조 입니다.
 
B2도 11의 동재질 관이 외부 레이스를 감싸고 있습니다.
B2의 윗 쪽은 11이 외부 레이스를 잡아주고 있고,
아래 쪽은 10의 신주 기둥이 내부 레이스를 잡고 같이 회전을 합니다.

 
아래 빨간색 테두리가 Rotor(회전자) 이고, 나머지 부분이 Stator(고정자) 입니다.
Rotor에 볼 베어링의 내부 레이스를 포함시켰습니다.
 

위의 팬은 회전 속도가 높아 방열 효과를 높인 팬 구조로,
볼 베어링 외부 레이스를 감싸는 11을 열 전도율이 높은 동 재질을 사용 했습니다.
일반적인 120*120mm 이하 4,000RPM 이하 팬 에서는 동 재질이 아닌 플라스틱 재질을 사용 합니다.
 
9의 스프링 위치는 위 구조와 다르게 B2의 하단에 위치하는 구조가 더 일반적입니다. 
이 때 스프링은 아래 13과 같은 형상을 사용 합니다.
스프링 상단 좁은 쪽이  볼 베어링의 내부 레이스와 접촉하게 됩니다.

12스프링은 위의 두 볼 베어링 사이에 스프링이 위치할 때
볼 베어링의 외부 레이스를 잡아주는 용도로 사용 되는 형상입니다.
 
아래 그림은 13스프링을 사용하는 구조 입니다.

아래는 13스프링을 사용할 때의 Rotor(회전자)와 Stator(고정자) 입니다.
아래 빨간색 테두리가 Rotor(회전자) 이고, 나머지 부분이 Stator(고정자) 입니다.
Rotor에 볼 베어링의 내부 레이스를 포함시켰습니다.

 
 
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