KR100851646B1 - 초전도 플라이 휠 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 플라이 휠이 회전할 때 질량 불평형에 의해서 발생되는 진동을 저감시키기 위해서 자동 볼 밸런서를 이용한 초전도 플라이 휠에 관한 것이다.

본 발명은 회전축, 상기 회전축의 외측을 감싸는 형태로 형성된 스플릿 허브; 및 상기 스플릿 허브의 내측에 위치한 적어도 하나의 자동 볼 밸런서를 포함하는 초전도 플라이 휠에 관한 것이다.

초전도 플라이 휠, 자동 볼 밸런서(ABB), 불평형, 밸런싱 장치

Description

초전도 플라이 휠{SUPERCONDUCTING FLYWHEEL}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 포함한 초전도 플라이 휠의 일부를 나타낸 단면도 및 확대도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 플라이 휠 회전축의 각 부품 부착위치를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서의 기본 원리를 설명하기 위한 개요도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 설계하기 위한 힘 평형 방정식을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 초전도 플라이 휠에 적용하여 일정 속도에서 회전할 때의 경우를 시뮬레이션 한 결과이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 초전도 플라이 휠에 적용하여 속도를 가변하여 회전할 때의 경우를 시뮬레이션 한 결과이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 초전도 플라이 휠 20 : 스플릿 허브

30 : 자동 볼 밸런서(ABB) 40 : 회전축

50 : 레이스 52 : 강구

54 : 레이스 커버

본 발명은 초전도 플라이 휠에 관한 것으로, 특히 자동 볼 밸런서(Automatic Ball Balancer; ABB)를 이용하여 고속 회전시 발생하는 불평형량을 보정하기 위한 초전도 플라이 휠에 관한 것이다.

전력의 소모량은 주야간으로 크게 변동하여 새벽에는 사용량이 극히 적고, 낮 시간 이후로 급격히 증가하는 양상을 보이는데, 발전소는 최대 부하를 감당할 수 있도록 건설되어야 한다.

이는 경제적으로 매우 큰 손실이며 사용전력량을 평준화하기 위해 양수발전, 심야전력 이용기기 등을 사용하는데, 또 다른 대안으로 등장한 것이 플라이휠 에너지 저장이다.

즉, 플라이휠 에너지 저장장치는 전력 평준화 등에 사용될 수 있는 기구이다.

플라이휠 에너지 저장장치란 모터/발전기, 휠, 베어링의 시스템으로 이루어진 것으로 전기에너지를 모터를 이용하여 휠의 회전속도를 올리는 방법으로 휠의 관성 에너지로 저장하였다가, 필요시에 휠에 연결된 발전기로 전기를 발전하여 다시 사용하는 장치이다.

산업상 이용은 전력평준화용 대형 저장장치 및 무정전 전원장치, 소형 에너지 저장장치 등으로 사용될 수 있다.

이와 같은 플라이휠 에너지 저장장치에 대한 종래의 기술을 기계식 베어링을 사용하거나, 초전도 베어링 혹은 전자석을 이용한 무접촉 베어링을 사용하는 방법이 있다.

기계식 베어링을 사용하는 경우는 고속에서의 운전이 어려워 저속으로 운전하기에 저용량이라는 단점이 있고, 회전 상태에서 마찰에 의한 손실이 매우 크므로 거의 사용되지 않는다.

전자석 베어링을 이용한 방법은 전자석과 영구자석의 반발을 이용하여 휠을 부양하고, 부양 상태를 유지하기 위해서 전자석을 세밀하게 조절해 주어야 하는 형태로서 플라이휠을 부양시키기 위해서 전자석에 사용되는 에너지가 비교적 커서 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

초전도 베어링을 이용한 방법을 초전도체와 자석의 부양력와 고정력을 이용하여 휠을 부양시키고, 무접촉이라서 고속회전이 가능하기 때문에 작은 부피에 큰 에너지를 저장할 수 있으나, 휠을 부양하기 위해서는 고가의 초전도체가 다량으로 필요하고, 초전도체와 자석간의 면적에 비례하여 와류 손실이 커지기 때문에 대용량화하기가 용이하지 않다.

또한 초전도체를 냉각시키기 위한 부대장비도 커지게 되는 단점이 있다.

초전도 베어링와 영구자성 베어링의 복합형을 채택한 기술로서 종래의 미국특허(미국 6,153,958)가 제안된 바 있다.

상기 선행 기술에서는 95% 이상의 휠 무게를 영구자석 베어링이 감당하고 초전도 베어링으로 안정된 부양을 이루는 방법을 사용하였는데, 여기에도 초전도 베어링이 쓰러스트형으로 되어 있어 상하로의 안정적 부양을 이루었으나, 원심력 방향으로의 안정성은 부족하였으며, 쓰러스트형 베어링의 특성상 회전 손실은 존재할 수밖에 없었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초전도 플라이 휠과 같은 대규모 회전체에서 발생하는 질량 불평형에 의해 고속 회전시 발생하는 진동을 밸런싱 보정할 수 있는 자동 볼 밸런서를 이용한 초전도 플라이 휠을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 초전도 플라이 휠은 회전축; 상기 회전축의 외측을 감싸는 형태로 형성된 스플릿 허브; 및 상기 스플릿 허브의 내측에 위치한 적어도 하나의 자동 볼 밸런서를 포함한다.

상기 자동 볼 밸런서는 상기 스플릿 허브 내측의 상부 및 하부 각각에 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 자동 볼 밸런서는 상기 스플릿 허브 내부의 상부 및 하부에 서로 대칭되어 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 자동 볼 밸런서는 평형을 유지하기 위한 다수 개의 강구; 상기 강구를 가이드 하는 레이스; 및 상기 레이스를 커버하는 레이스 커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 강구, 레이스 및 레이스 커버는 비자성 금속물질로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 포함한 초전도 플라이 휠의 일부를 나타낸 단면도 및 확대도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 플라이 휠(10)은 회전축(40)을 중심으로 회전축(40)의 외측을 감싸는 스플릿 허브(20)와, 스플릿 허브(20) 내측에 형성된 적어도 하나의 자동 볼 밸런서(30)와, 스플릿 허브(20)를 커버하는 내측 커버(12) 및 외측 커버(14)를 포함하여 형성된다.

여기서, 자동 볼 밸런서(30)는 스플릿 허브(20)의 내부에 형성되며, 평형을 유지하기 위한 다수 개의 강구(52)와, 강구(52)를 가이드 하는 레이스(50), 및 레이스(50)를 커버하는 레이스 커버(54)를 포함하여 형성된다.

이러한 자동 볼 밸런서(30)는 스플릿 허브(20)의 내부에 적어도 하나 이상 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상부 및 하부에 각각 형성된다. 이때, 자동 보 밸런서(30)는 스플릿 허브(20)의 내부에 상부 및 하부에 서로 대칭 형태로 형성된다.

자동 볼 밸런서(30)는 평형을 유지하기 위한 다수 개의 강구(52)와, 강구(52)를 가이드 하는 레이스(50), 및 레이스(50)를 커버하는 레이스 커버(54)를 포함하여 형성된다.

이때, 강구(52), 레이스(50), 및 레이스 커버(54)는 비자성 금속물질로 형성된다. 구체적으로, 대형의 초전도 플라이 휠(10)을 고속으로 회전시켜 발생하는 자기장으로 에너지를 저장하는 시스템이기 때문에, 회전에 의한 불평형점을 밸런싱하기 위한 자동 볼 밸런서(30)는 자기장의 영향을 받지않는 비자성 금속물질로 형성해야 한다. 따라서, 자동 볼 밸런서(30)의 내부 구성 요소인 강구(52), 레이스(50), 및 레이스 커버(54) 모두 비자성 금속물질로 형성해야 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 플라이 휠 회전축의 각 부품 부착위치를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 회전축(40)은 초전도 플라이 휠(10)의 회전체부를 구성하는 중요한 구성요소로써, 초전도 베어링 장착부(101), 플로팅 마그네틱 베어링(Floating Magnetic Bearing)과 같은 지지베어링 장착부(102), 모터/발전기의 회전자 장착부(103), 전자석 탬퍼 링 장착부(104), 스플릿 허브 장착부(105) 등을 포함하며, 각각의 장착부에는 시스템 구성에 필요한 구성 요소들이 장착된다.

이러한, 초전도 플라이 휠(10)의 회전축(40)의 재료는 가볍고 강도가 큰 티타늄(Titanium) 합금(Grade 5) 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

대형의 초전도 플라이 휠(10)은 200kg 이상이므로, 초전도 저널 베어링만으로 부양시키기 위해서는 초전도 베어링의 부피가 너무 커지고, 이에 따라 냉각 및 진공 유지비용이 증가하는 등의 문제점이 발생한다. 따라서, 영구자석 링 두 개의 인력을 이용하는 플로팅 마그네틱 베어링을 이용하여, 초전도 플라이 휠(10)의 무게를 감당하고, 초전도 베어링은 초전도 플라이 휠(10)의 안정적인 부양을 담당하는 패시브 베어링(passive bearing)을 사용한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서의 기본 원리를 설명하기 위한 개요도이다.

도 3을 참조하면, ω는 회전 주파수이고, ω0는 공명 주파수를 나타낸다.

도 3a는 ω〈ω0 일 때, 자동 볼 밸런서(30)가 없는 경우와 있는 경우를 비교하여 나나탠 것이다.

도 3b는 ω=ω0 일 때, 자동 볼 밸런서(30)가 없는 경우와 있는 경우를 비교하여 나타낸 것이다.

도 3c는 ω〉ω0 일 때, 자동 볼 밸런서(30)가 없는 경우와 있는 경우를 비교하여 나타낸 것이다.

도 3c와 같이, 공진 주파수(ω0)보다 높은 주파수에서 회전하고 있을 경우 강구(52)는 질량 불평형이 있는 반대편 180°로 위치하면서 초전도 플라이 휠(10)의 불평형량을 상쇄하게 된다.

한편, 도 3a의 경우와 같이 초전도 플라이 휠(10)이 공명 주파수(ω0)보다 낮은 주파수에서 회전하고 있을 때에는 불평형 위치와 같은 방향의 0°로 위치하게 되어 질량 불평형량을 가중시키게 된다. 따라서 초전도 플라이 휠(10)의 회전 주파수(ω)에 따라 강구(52)가 자유롭게 구를 수 있기 때문에 공명 주파수(ω0)보다 낮은 회전 주파수(ω)에서는 진동을 가중시킬 수 있다.

또한, 도 3b의 경우는 공명 주파수(ω0) 부근에서는 90° 위치에 있게 되나, 미소한 속도 변동에 대하여 불안정하게 되어 강구(52)가 평형 위치를 찾지 못하고 계속 구르는 현상이 발생하기 쉽다.

따라서, 도 3a와 도 3b를 거쳐 결과적으로 도 3c에 위치된 형태로 밸런싱을 하게된다. 다시 말해, 회전 중심의 위치가 바뀌면서 불평형점(unbalance)과 도심(centroid)의 위상차가 변한다. 이때, 레이스(50)를 따라 이동하는 강구(52)는 안정적인 범위(stable region)에 머무는 경향이 있으므로 불평형점의 반대편으로 이동하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 설계하기 위한 힘 평형 방정식을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서(30)를 설계하기 위해 레이스(50)의 반경(Re)을 산출하는 공식은 다음과 같다.

레이스(50)의 반경은 강구(52)의 수가 홀수인 경우와 짝수인 경우에 따라 차이가 있는데, 홀수일 경우에는 다음과 같다.

강구(52)의 수가 짝수인 경우는 다음의 수학식 2와 같다.

다음 수학식 3은, 불평형점을 U, 레이스(50)의 반경을 R, 강구(52)의 반경을 r, 강구(52)의 수를 n 이라 했을 때, 강구(52)의 수가 홀수일 경우와 짝수일 경우에 불평형점(U)을 계산하기 위한 식이다.

이와 같이, 초전도 플라이 휠(10)의 크기, 무게 및 운전 속도에 적합한 레이스(50)의 직경, 강구(52)의 개수 및 크기는 힘 평형방정식(force equilibrium)에 의해 계산된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 초전도 플라이 휠에 적용하여 일정 속도에서 회전할 때, 횡방향의 진동을 시뮬레이션 한 결과이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 자동 볼 밸런서(30)를 초전도 플라이 휠(10)에 적용하여 20,000rpm의 일정 속도에서 회전할 때의 경우를 자동 볼 밸런서(30)를 초전도 플라이 휠(10)에 적용하지 않았을 경우와 비교하여 나타내었다.

자동 볼 밸런서(30)를 적용하지 않았을 경우와 비교해 볼 때, 자동 볼 밸런서(30)를 적용한 경우에 횡방향의 진동이 확연히 감소 된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 결과적으로 안정적인 고속 회전이 가능하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동 볼 밸런서를 초전도 플라이 휠에 적용 하여 속도를 가변하여 회전할 때, 횡방향의 진동을 시뮬레이션 한 결과이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 자동 볼 밸런서(30)를 초전도 플라이 휠(10)에 적용하여 0 ~ 20,000rpm 구간에서 속도를 가변시키면서 회전할 때의 경우를 자동 볼 밸런서(30)를 초전도 플라이 휠(10)에 적용하지 않았을 경우와 비교하여 나타내었다.

자동 볼 밸런서(30)를 적용하지 않았을 경우와 비교해 볼 때, 자동 볼 밸선서(30)를 적용한 경우에 횡방향의 진동이 확연히 감소 된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 결과적으로 안정적인 고속 회전이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 플라이 휠은 대규모 고속 회전체의 회전속도에 따른 가변적인 불평형량을 보정하기 위한 자동 볼 밸런서를 사용한 장치이다.

위와 같이, 본 발명에 따른 자동 볼 밸런서를 초전도 플라이 휠에 적용함으로써 횡방향의 진동을 감소시킬 수 있고, 결과적으로 안정적인 고속 회전이 가능하게 한다. 이로써 안전하고 손실이 적은 초전도 플라이 휠 에너지 저장장치의 개발이 가능하고, 더 나아가서는 안정적이고 효율적인 전력공급이 가능해 질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역 으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 자명하다.

Claims (5)

1. 회전축;

   상기 회전축의 외측을 감싸는 형태로 형성된 스플릿 허브; 및

   상기 스플릿 허브의 내측에 위치한 적어도 하나의 자동 볼 밸런서를 포함하는 초전도 플라이 휠.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자동 볼 밸런서는 상기 스플릿 허브 내측의 상부 및 하부 각각에 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 플라이 휠.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 자동 볼 밸런서는 상기 스플릿 허브 내부의 상부 및 하부에 서로 대칭되어 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 플라이 휠.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 자동 볼 밸런서는

   평형을 유지하기 위한 다수 개의 강구;

   상기 강구를 가이드 하는 레이스; 및

   상기 레이스를 커버하는 레이스 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 플라이 휠.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 강구, 레이스 및 레이스 커버는 비자성 금속물질로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 플라이 휠.

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