KR100880397B1 - Flywheel energy storage system - Google Patents

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이정필
한영희
정세용
성태현
한상철
정년호
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한국전력공사
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Abstract

A flywheel energy storing system is provided to precisely control a flywheel shaft rotating at high speed according to a gap sensor signal and block the noise due to chopping signals generated by the operation of an electromagnet damper. An electromagnet damper(320) is fixed in a damper housing for controlling the vibration of a flywheel(340) by magnetic force. A gap sensor(310) is integrated into an upper end of the electromagnet damper for measuring a gap between the flywheel and the damper for transmitting a signal to a power supply. A blocking ring(350) is formed around the gap sensor with a distance from the gap sensor in the range of 5mm-10mm for blocking noise caused by chopping signal generation.

Description

플라이휠 에너지 저장장치{Flywheel Energy Storage System} Flywheel Energy Storage System

본 발명은 플라이휠의 축 길이 제한과 같은 공간적 제약으로 인하여 갭센서와 일체형으로 구성된 전자석 댐퍼의 구조를 컴팩트하게 하여 제한된 공간을 효율적으로 사용가능하게 하며, 전자석 댐퍼에서 발생하는 쵸핑 신호(choping signal)에 의한 노이즈(noise)를 차단함으로써 휠축의 진동을 효율적으로 제어할 수 있도록 하는 차폐 링 설치를 포함한 플라이휠 에너지 저장장치에 관한 것이다. The present invention provides a compact structure of the electromagnet damper integrally formed with the gap sensor due to spatial constraints such as the axial length limitation of the flywheel, thereby making it possible to efficiently use the limited space, and to the chopping signal generated from the electromagnet damper. The present invention relates to a flywheel energy storage device including a shielding ring installed to efficiently control vibration of a wheel shaft by blocking noise.

도 1과 같은 초전도 플라이휠 에너지 저장장치는 전력사용이 적은 심야의 잉여전력을 휠의 회전 운동에너지로 저장하였다가 필요시 회전운동에너지를 발전기를 통하여 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 대용량 전력저장이 가능한 에너지 저장장치이다. The superconducting flywheel energy storage device as shown in FIG. 1 is capable of storing a large amount of power that can be used by converting the rotational kinetic energy into electrical energy through a generator when the surplus power of the late night with less power is stored as the wheel kinetic energy. It is an energy storage device.

이때 고속으로 회전하는 플라이휠 축(150)이 외부의 외란으로 인하여 진동이 발생하게 되면 이를 신속하게 제어하기 위해서 능동형 전자석 댐퍼(120)를 사용한다. In this case, when the flywheel shaft 150 that rotates at high speed generates vibration due to external disturbance, an active electromagnet damper 120 is used to quickly control the vibration.

전자석 댐퍼(120)는 갭센서(110)를 통하여 플라이휠 축(150)의 진동을 감지하게 되는데 이 신호를 통하여 플라이휠 축(150)의 진동을 제어하게 된다. 따라서 갭센서(110)를 통하여 계측된 신호는 전자석 댐퍼의 동작을 결정짓게 되므로 갭센서(110)의 신호가 노이즈를 타게 되면 오히려 플라이휠의 축(150)을 안정하게 하지 못하고 오히려 진동을 유발시키는 요인이 될 수 있는 문제가 있었다. Electromagnet damper 120 detects the vibration of the flywheel shaft 150 through the gap sensor 110 to control the vibration of the flywheel shaft 150 through this signal. Therefore, the signal measured through the gap sensor 110 determines the operation of the electromagnet damper, so when the signal of the gap sensor 110 burns noise, the flywheel shaft 150 is not stabilized, but rather causes vibration. There was a problem that could be.

한편, 고속으로 회전하는 플라이휠 축의 길이가 제한되는 공간적인 제약 때문에 전자석 댐퍼와 갭센서는 일체형으로써 도 2와 같이 콤팩트하게 구성된다. On the other hand, due to the spatial constraints that the length of the flywheel shaft rotating at high speed is limited to the electromagnet damper and the gap sensor as shown in FIG.

도 2에서 전자석 댐퍼의 하우징(230)은 비자성 재료로 구성되어 있으나, 도 2를 통해 알 수 있듯이, 전자석 댐퍼(220)의 코일과 갭센서(210) 사이가 가까움으로 인해서 전자석 댐퍼가 작동할 때 발생하는 쵸핑 신호에 의해서 갭센서(210)에 노이즈가 발생하게 된다. 이때 발생한 노이즈 때문에 전자석 댐퍼는 고속으로 회전하는 플라이휠 축을 정확하게 제어하기 힘들며 심지어 진동을 유발시켜 안전에 치명적인 위협이 될 수 있는 문제가 있었다. In FIG. 2, the housing 230 of the electromagnet damper is made of a nonmagnetic material, but as can be seen from FIG. 2, the electromagnet damper may operate due to the proximity between the coil of the electromagnet damper 220 and the gap sensor 210. Noise is generated in the gap sensor 210 by the chopping signal generated when. Due to the noise generated at this time, the electromagnet damper has a problem that it is difficult to accurately control the flywheel shaft that rotates at high speed, and even cause vibration, which can be a critical threat to safety.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 일체형으로 콤팩트하게 구성된 전자석 댐퍼 상부에 형성된 갭센서 주변에 차폐링을 설치함으로서 전자석 댐퍼의 동작시 발생하는 쵸핑 신호에 의한 노이즈를 차단하고 양질의 갭센서 신호를 사용하여 고속으로 회전하는 플라이휠 축을 정확하게 제어할 수 있는 전자석 댐퍼 및 이를 포함한 플라이휠 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다. The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to install a shielding ring around the gap sensor formed on the upper side of the integrated electromagnetic damper compactly formed by the chopping signal generated during operation of the electromagnetic damper The present invention provides an electromagnetic damper and a flywheel energy storage device including the same, which can block noise and accurately control a flywheel shaft rotating at high speed using a good gap sensor signal.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전자석 댐퍼는 갭센서가 일체로 형성되어 플라이휠 축의 진동을 제어하는 전자석 댐퍼에 있어서, 상기 갭센서 주변에 상기 전자석 댐퍼에서 발생하는 쵸핑 노이즈를 차단하기 위해 형성된 차폐링을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, in the electromagnet damper according to the present invention, the gap sensor is formed integrally to control the vibration of the flywheel shaft, to block the chopping noise generated by the electromagnet damper around the gap sensor It characterized in that it comprises a shielding ring formed for.

여기서, 상기 차폐링은 갭센서를 중심으로 상하에서 일정거리(d) 이격되어 형성된 것을 특징으로 한다.Here, the shielding ring is characterized in that the predetermined distance (d) spaced apart from the top and bottom with respect to the gap sensor.

그리고, 상기 차폐링은 갭센서와의 거리(d)가 5mm 이상인 것이 바람직하다.In addition, the shielding ring is preferably a distance (d) of 5mm or more to the gap sensor.

또한, 상기 차폐링은 대략 1mm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the shielding ring is preferably formed to a thickness of approximately 1mm.

그리고, 상기 차폐링은 자성재료로 형성된 것을 특징으로 한다.The shielding ring is formed of a magnetic material.

한편, 본 발명에 따른 플라이휠 에너지 저장장치는 상기에서 설명한 전자석 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the flywheel energy storage device according to the invention is characterized in that it comprises an electromagnet damper described above.

상기에서 살펴본 본 발명에 따른 전자석 댐퍼 및 이를 포함한 플라이휠 에너지 저장장치는 능동형 전자석 댐퍼에 가까이 위치한 갭센서 주변에 차폐링을 형성함으로써 전자석 댐퍼 동작시 발생하는 쵸핑 노이즈 신호가 갭센서에 유입되지 않도록 함으로써 외부 외란으로 인한 플라이휠 축의 진동을 효과적으로 억제 할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.The electromagnet damper and the flywheel energy storage device including the same according to the present invention described above form a shielding ring around a gap sensor positioned near the active electromagnet damper so that the chopping noise signal generated during electromagnet damper operation does not flow into the gap sensor. Excellent effect that can effectively suppress the vibration of the flywheel shaft due to disturbance occurs.

이는 고속으로 회전하고 있는 플라이휠축이 외부의 외란에 대처할 수 있도록 필수적으로 사용되어지는 전자석 댐퍼의 제어능력을 더욱 향상시키며 플라이휠 운전에 필수적인 안전성을 확보하는데 기여하게 될 것이다. 안전성확보야 말로 플라이휠 에너지저장장치의 실용화로써의 시간을 앞당기게 하며 이는 전력산업 전반에 획기적인 에너지 이용 효율을 향상시키게 될 것이다. This will further improve the control of the electromagnet damper, which is essential for the flywheel shaft rotating at high speed to cope with external disturbances, and contribute to securing the necessary safety for flywheel operation. Securing safety will speed up the use of flywheel energy storage devices, which will dramatically improve energy efficiency throughout the power industry.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭센서 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라이휠 에너지 저장장치는 잉여 전력에 대해 휠의 회전에 의한 운동에너지를 발생시키는 플라이휠(340), 댐퍼 하우징(330)에 의해 고정되어 외부로부터 전압이 인가되어 자력의 힘에 의한 상기 플라이휠(340)의 진동을 제어하는 전자석 댐퍼(320), 상기 전자석 댐퍼(320)의 상단에 일체화되어 형성되고, 상기 플라이휠(340)과 전자석 댐퍼(320) 간의 갭을 측정하여 전원 장치에 전달하는 갭센서(310), 및 상기 전원 장치에 전달되는 전압의 크기에 따라 상기 전자석 댐퍼(320)에 인가되어 초핑 신호가 발생될 경우에 상기 초핑 신호에 의한 노이즈를 차단하기 위해 상기 갭센서(310) 주변에 상기 갭센서(310)와 소정의 간격으로 형성되는 차폐링(350) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 구성요소 의한 연관 관계를 설명하면 다음과 같다.
전자석 댐퍼(320)는 고속으로 회전하는 플라이휠(340)을 좌,우로 진동하는 것을 방지하기 위하여 외부로부터 인가되는 전류의 크기가 달리하게 됨으로써 플라이휠(340)이 좌,우로 진동하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 인가되는 전류의 크기는 갭센서(310)에 의해서 가능한데, 갭센서(310)는 전자석 댐퍼(320)와 플라이휠(340) 간의 사이의 거리를 측정하는 역할을 한다. 예를 들면, 플라이휠(340)과 왼쪽에 있는 전자석 댐퍼(320) 간의 간격보다 플라이휠(340)과 오른쪽에 있는 전자석 댐퍼(320) 간의 간격이 더 크면 왼쪽에 있는 전자석 댐퍼(320)에 인가되는 전압을 더 크게 함으로써 자력에 의한 힘에 의해 고속으로 회전하는 플라이휠(340)이 진동이 발생되지 않도록 중심에 바로 세울 수 있다.
이와 같이 플라이휠(340)의 진동을 제어하는 전자석 댐퍼(320)는 수시로 변하는 전압의 크기에 따라 초핑 신호가 발생하게 되는데, 이러한 초핑 신호가 갭센서(310)에 영향을 미치게 됨으로 갭센서(310) 주변에 차폐링(350)이 형성하게 되는 것이다.3 is a cross-sectional view showing a flywheel energy storage device according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is an enlarged cross-sectional view showing a gap sensor portion according to an embodiment of the present invention.
3 and 4, the flywheel energy storage device according to the present invention is fixed by the flywheel 340, the damper housing 330 to generate kinetic energy by the rotation of the wheel with respect to the surplus power from the outside Electromagnet damper 320 for controlling the vibration of the flywheel 340 by the force of the magnetic force is applied to the voltage is formed integrally formed on the upper end of the electromagnet damper 320, the flywheel 340 and the electromagnet damper 320 Noise caused by the chopping signal when a chopping signal is generated when the gap sensor 310 measures the gap therebetween and is applied to the electromagnet damper 320 according to the magnitude of the voltage delivered to the power supply device. In order to block the gap sensor 310 may be configured to include a shielding ring 350 and the like formed around the gap sensor 310 at a predetermined interval. The association between the components will be described below.
The electromagnet damper 320 may prevent the flywheel 340 from vibrating left and right by varying the magnitude of the current applied from the outside to prevent the flywheel 340 rotating at high speed from left and right. . At this time, the magnitude of the applied current is possible by the gap sensor 310, the gap sensor 310 serves to measure the distance between the electromagnet damper 320 and the flywheel 340. For example, if the distance between the flywheel 340 and the electromagnet damper 320 on the right is greater than the distance between the flywheel 340 and the electromagnet damper 320 on the left side, the voltage applied to the electromagnet damper 320 on the left side. By making the larger, the flywheel 340 that rotates at high speed by the force of the magnetic force can be directly placed in the center so that vibration does not occur.
As such, the electromagnet damper 320 that controls the vibration of the flywheel 340 generates a chopping signal according to the magnitude of the voltage that changes from time to time, and the gap sensor 310 affects the gap sensor 310. The shielding ring 350 will be formed around.

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상기 차폐링(350)은 갭센서(310)를 이격되어 둘러싸는 형상으로 구성됨으로써 갭센서(310) 주변의 쵸핑신호에 의한 노이즈를 제거할 수 있다. 여기서, 상기 차폐링(350)은 갭센서(310)를 중심으로 상하에서 일정 거리 이격되어 형성될 수 있다. The shielding ring 350 may be configured to have a shape in which the gap sensor 310 is spaced apart from each other to remove noise due to the chopping signal around the gap sensor 310. Here, the shielding ring 350 may be formed to be spaced apart a predetermined distance from the top and bottom with respect to the gap sensor 310.

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이를 위해, 상기 차폐링(350)은 자성 재료로 형성될 수 있으며 철과 강, 규소강, 기타 철계 합금, 초미세 결정립 합금 및 페라이트 규소 등 자성재료이기만 하면 어떠한 재료로 형성될 수 있다.To this end, the shielding ring 350 may be formed of a magnetic material and may be formed of any material as long as it is a magnetic material such as iron, steel, silicon steel, other iron-based alloys, ultrafine grain alloys, and ferrite silicon.

그러나, 현재 사용되는 갭센서(310)는 와전류(eddy current)를 이용하여 갭을 측정하는 방식으로써 주변에 자성재료가 너무 가까이 위치하면 오히려 플라이휠 (340)축의 갭을 측정하는데 오류를 발생시키게 된다. However, the currently used gap sensor 310 measures the gap by using an eddy current, and if a magnetic material is located too close to the periphery, an error occurs in measuring the gap of the flywheel 340 axis.

따라서 차폐링은 도 4에 나타난 바와 같이 갭센서와 차폐링 사이의 거리 d가 와전류의 영향을 받지 않을 만큼 충분한 거리를 확보하여야 하며 차폐링(350)의 두께 또한 적절히 고려할 필요가 있으며, 갭센서와 차폐링 사이의 거리 d는 5mm 이상이되, 5mm 이상 10mm 이하인 것이 바람직하고, 차례링의 두께는 1mm 내외로 형성하는 것이 바람직하다. Therefore, as shown in FIG. 4, the shielding ring should have a sufficient distance such that the distance d between the gap sensor and the shielding ring is not affected by the eddy current, and the thickness of the shielding ring 350 needs to be properly considered. The distance d between the shielding rings is 5 mm or more, preferably 5 mm or more and 10 mm or less, and the thickness of the turn ring is preferably about 1 mm.

갭센서와 차폐링 사이의 거리(51mm)와 차폐링의 1 [mm] 두께의 규소강판을 사용하였을 경우에 노이즈의 측정 결과를 도 5a내지 도 5c에 나타낸다.5A to 5C show measurement results of noise when the distance between the gap sensor and the shielding ring (51 mm) and the silicon steel sheet having a thickness of 1 [mm] of the shielding ring are used.

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도 5a는 전자석 댐퍼의 전원을 차단한 상태에서 갭센서의 노이즈 레벨을 나타내고 있다. 노이즈 레벨은 첨두치(peak to peak)로 약 12.7 [mV]로 매우 작음을 알 수 있다. Fig. 5A shows the noise level of the gap sensor in the state where the electromagnet damper is powered off. It can be seen that the noise level is very small (peak to peak) of about 12.7 [mV].

도 5b는 차폐막이 없는 경우 전자석 댐퍼의 전원을 인가한 경우 갭센서에 발생하는 노이즈 레벨을 나타내고 있다. 노이즈 레벨은 피크투피크로 약 55.6 [mV]로써 노이즈 레벨이 전원을 인가하기전 보다 4배 이상 커짐을 알 수 있다. 5B illustrates a noise level generated in the gap sensor when the electromagnetic damper is applied when there is no shielding film. The noise level is about 55.6 [mV] at peak-to-peak, and it can be seen that the noise level is four times larger than before the power is applied.

도 5c는 차폐링을 설치하였을 경우 전자석 댐퍼의 전원을 인가한 경우 갭센서에 발생하는 노이즈 레벨을 나타내고 있다. 노이즈 레벨은 첨두치(peak to peak) 13.4 [mV] 정도로 전원이 투입되지 않았을 경우의 레벨과 유사하였으며 차폐링의 노이즈 차폐 성능이 우수함을 알 수 있다. 5C illustrates the noise level generated in the gap sensor when the electromagnetic damper is applied when the shielding ring is installed. The noise level was similar to the level when the power was not turned on at a peak to peak of 13.4 [mV], and the noise shielding performance of the shielding ring was excellent.

도 1은 종래의 초전도 플라이휠 에너지 저장장치를 개략적으로 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically showing a conventional superconducting flywheel energy storage device.

도 2 는 종래의 갭센서와 일체형으로 구성된 능동형 전자석 댐퍼의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of an active electromagnet damper integrally formed with a conventional gap sensor.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a flywheel energy storage device according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭센서 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.4 is an enlarged cross-sectional view of a gap sensor part according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5a는 전자석 댐퍼에 전원이 인가되지 않았을 경우 갭센서에 발생하는 노이즈 신호를 표시하며, 도 5b는 차폐링이 설치되지 않았을때 전자석 댐퍼에 전원을 인가한 경우 갭센서 노이즈 측정 결과를 표시하며, 도 5c는 차폐링을 설치한 경우 갭센서 노이즈 측정결과를 표시한 것이다.5A shows a noise signal generated in the gap sensor when no power is applied to the electromagnet damper, and FIG. 5B shows a gap sensor noise measurement result when power is applied to the electromagnet damper when no shielding ring is installed. Figure 5c shows the gap sensor noise measurement results when the shield ring is installed.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

310 : 갭센서 320 : 전자석 댐퍼310: gap sensor 320: electromagnet damper

330 : 댐퍼 하우징 340 : 플라이휠 330: damper housing 340: flywheel

350 : 차폐링350: shielding ring

Claims (6)

잉여 전력을 변환시켜 대용량으로 전력저장 가능한 플라이휠 에너지 저장장치에 있어서, In the flywheel energy storage device that converts surplus power and stores power in a large capacity, 잉여 전력에 대해 휠의 회전에 의한 운동에너지를 발생시키는 플라이휠,A flywheel for generating kinetic energy by rotation of the wheel with respect to surplus power, 댐퍼 하우징에 의해 고정되어 외부로부터 전압이 인가되어 자력의 힘에 의한 상기 플라이휠의 진동을 제어하는 전자석 댐퍼,An electromagnet damper fixed by a damper housing to apply a voltage from the outside to control vibration of the flywheel due to a magnetic force; 상기 전자석 댐퍼의 상단에 일체화되어 형성되고, 상기 플라이휠과 전자석 댐퍼 간의 갭을 측정하여 전원 장치에 전달하는 갭센서, 및A gap sensor formed integrally with an upper end of the electromagnet damper and measuring a gap between the flywheel and the electromagnet damper and transmitting the gap sensor to a power supply device; 상기 전원 장치에 전달되는 전압의 크기에 따라 상기 전자석 댐퍼에 인가되어 초핑 신호가 발생될 경우에 상기 초핑 신호에 의한 노이즈를 차단하기 위해 상기 갭센서 주변에 상기 갭센서와 5mm 이상 10mm 이하의 간격으로 형성되는 차폐링When the chopping signal is generated by applying to the electromagnet damper according to the magnitude of the voltage delivered to the power supply device, the gap sensor is spaced at least 5 mm and less than 10 mm in order to block noise caused by the chopping signal. Shielding ring formed 을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장장치.Flywheel energy storage device comprising a. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 차폐링은, 1mm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장장치.The shielding ring is a flywheel energy storage device, characterized in that formed in a thickness of 1mm. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 차폐링은, 자성재료로 형성된 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장장치.The shield ring is a flywheel energy storage device, characterized in that formed of a magnetic material. 삭제delete
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KR20200144765A (en) 2019-06-19 2020-12-30 김수환 Battery flywheel energy storage

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