KR101009715B1 - 플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠 - Google Patents

플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠에 관한 것으로서, 플라이휠의 로터와 회전축 사이에 제공되어 상기 로터가 상기 회전축과 동일한 회전속도를 가지도록 하는 플라이휠용 허브에 있어서, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 일단에는 상기 회전축이 삽입되는 삽입공이 형성되고 타단에는 개구부가 형성되며, 복합재료가 와인딩되어 형성되는 중공 형태의 메인 돔; 및 상기 로터와 접착되며, 상기 메인 돔의 외면에 복합재료를 와인딩하여 형성되는 서브돔;을 포함하며, 상기 메인 돔 또는 상기 서브돔 중 적어도 하나는 상기 회전축 및 상기 로터가 회전함에 따라 상기 회전축의 반경 방향으로 팽창하여 상기 서브돔과 상기 로터의 접착 상태를 유지할 수 있다.

Description

플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠 {Hub for flywheel and Energy storage flywheel using the same}
본 발명은 에너지 저장용 플라이휠에 관한 것으로, 보다 자세하게는 에너지 저장 능력을 키우기 위해 플라이휠의 로터와 회전축을 연결하는 허브의 강도와 강성을 높이기 위해 복합재료를 다층으로 와인딩하여 형성된 돔타입 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠에 관한 것이다.
전력의 공급과 수요를 정확히 예측하는 것은 어렵기 때문에 효율적인 에너지 관리를 위하여 에너지 저장 장치가 필요하다.
전력의 공급은 화력 발전, 원자력 발전과 같이 열을 발생시켜 발전하는 방식의 경우는 일정한 적정 출력을 유지하는 것이 가장 경제적이다. 반면에, 수력 발전, 풍력 발전, 태양광 발전과 같이 자연력을 이용하여 발전하는 방식의 경우는 계절과 같은 자연환경에 의해 출력이 좌우되는 반면, 전력의 수요는 낮과 밤, 계절의 변화 등 자연환경의 변화, 대규모 공장의 가동, 송전사고 등 다양한 요소에 의해 변한다.
소비와 공급이 동시에 일어나는 전력에너지의 특성상, 전력 설비를 최대수요량에 맞추기 위해서는 많은 비용이 들고, 출력을 수요에 따라 가감하기 위해서는 제어에 필요한 설비와 인력이 필요하다.
상기와 같은 출력 변동 과정에서 발전설비 수명이 단축되고, 수요량과 공급량의 미소한 불일치가 전력의 질적 저하를 가져오는 등 많은 문제가 야기된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 여러 방식의 전력 저장기술이 개발되었다.
종래의 에너지 저장기술로 현재 사용 중이거나 개발 중인 기술로는 양수발전기술, 압축공기 저장 가스터빈 기술, 전지 에너지 저장기술, 초전도 자기 에너지 저장기술, 플라이휠 에너지 저장기술 등이 있다.
이와 같은 기술을 구현하기 위한 시스템 중 플라이휠 에너지 저장 시스템은 잉여의 전력을 이용하여 모터를 회전시킨 후 이때 부착된 회전체의 관성에너지를 저장하고, 필요시 다시 전기에너지로 전환하여 사용하는 장치이다.
이러한 플라이휠 에너지 저장 시스템의 장점으로는 기존의 기계적 에너지 저장 장치와 화학적 에너지 저장 장치에 비해 에너지 저장 효율이 우수하고, 순간적인 충전과 방전이 가능하며 에너지 수명이 길고 저온에서 성능 저하가 없다는 점이다.
이러한 시스템의 특징 때문에 현재 전기자동차의 보조동력원, 무정전 전원공급장치, 펄스 파워발생기, 인공위성 등 민간부문에서 군수부문까지 다양한 분야에서 사용되어 왔다.
상기 플라이휠 에너지 저장 시스템은 회전시 발생하는 관성에너지를 저장하는 플라이휠 로터, 이 플라이휠 로터의 구동을 위한 모터, 전력발생을 위한 발전기, 전원의 입출력을 제어하는 컨트롤러, 주변 부속장치로서 자기베어링 부분과 하우징 부분으로 되어 있다.
보다 상세하게는, 상기 플라이휠은 로터와 회전축과 이들을 고정하기 위한 허브로 구성된다.
상기 플라이휠의 회전시 회전축은 반경방향으로 덜 늘어나고 로터는 반경방향으로 많이 늘어나는데, 이를 상기 허브가 연결시켜 주어야 한다. 따라서, 허브는 플라이휠의 회전시 용이하게 팽창이 되어 회전축과 로터를 연결시켜 주며, 회전축의 토크를 로터에 전달하기 위해 변형이 잘 되어야 한다.
또한, 회전시스템 즉 플라이휠의 공진주파수를 작동속도보다 높여 주기 위해 강성이 높아야 한다. 이러한 플라이휠 에너지 저장시스템에 저장할 수 있는 회전 운동에너지는 다음과 같이 표현이 된다.
Figure 112010063517333-pat00001
상기 수학식에 있는 바와 같이, 플라이휠에 저장되는 에너지는 플라이휠의 극관성 모멘트 I에 선형적으로, 회전속도의 제곱에 비례한다.
따라서, 저장에너지를 증가시키기 위해서는 플라이휠의 크기보다는 회전속도의 증가가 매우 효과적임을 알 수 있다.
그러나, 종래에 플라이휠의 재료로 사용하던 일반금속은 재료의 인장강도가 약해 고속회전이 불가능하여 플라이휠 에너지 저장시스템의 고속화에 치명적인 약점으로 작용하였다.
최근 급격히 발전하고 있는 고강도 복합재료의 개발은 플라이휠의 선주속도를 1110m/sec로 끌어올려 고속회전도 가능하게 하였으며, 플라이휠의 단위 무게 및 단위 부피당 에너지 밀도를 획기적으로 증가시킴으로써 고출력의 에너지 저장시스템의 개발이 가능하게 되었다.
특히, 내부 응력 중 강도가 낮은 반지름 방향의 인장응력은 복합재료에 치명적인 손상을 입힐 수 있기 때문에, 복합재료로 된 다층의 링을 조합하여 안쪽의 복합재 링을 반지름 바깥쪽의 복합재 링을 향하여 확장하게 하여 발생하는 응력을 낮추고 있다.
그러나, 이러한 로터를 회전축에 연결하기 위해서는 로터와 회전축을 연결하는 허브도 반지름 방향으로 팽창이 잘 되어야 하는 바, 반지름 방향의 팽창이 용이한 허브의 설계가 제시되어야 한다. 즉, 플라이휠에 고속회전하면 허브가 로터에서 분리되는 경향이 나타나므로, 허브와 로터 사이의 접합문제를 반드시 고려하여야 한다.
일반적으로, 플라이휠의 로터 및 허브의 설계시 고려할 사항은 고속 회전시 발생하는 내부 응력을 낮추고 운전 회전수를 회피하는 공진회전수의 설정이다.
이를 위하여 그동안 많은 설계자들에 의해 로터와 회전축을 고정하는 새로운 허브의 설계가 제시되어 왔다.
도 1은 종래의 스플릿 돔 타입 허브(Split dome type hub)를 사용하고 있는 플라이휠의 절개 사시도이고, 도 2는 도 1의 허브를 나타내는 절개 사시도이다(공개특허공보 제10-2006-0066765호 참조).
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 종래의 플라이휠은, 로터(10)의 내주면에 접하는 허브(50)에 다수개의 슬릿(22)을 회전축(30)의 축방향으로 형성하여, 플라이휠이 고속으로 회전할 때 분할된 부분 즉, 슬릿(22)이 원심력에 의해 반경 방향으로 펼쳐져서 허브(50)가 로터(10) 내측면에 압축력을 가하도록 함으로써, 고속회전시 발생하는 로터(10)의 반경방향 인장응력을 감소시키고, 로터(10)와 허브(50)간의 이탈을 방지시킬 수 있다. 또한, 허브(50)가 회전축(30)과 고정되는 부분을 2개 이상으로 하여 플라이휠의 작동속도보다 공진주파수를 높여 공진을 피할 수 있도록 하였다.
그러나, 이러한 종래의 스플릿 돔 타입 허브는, 고속회전시 스플릿 날개 즉 슬릿(22)에 의해 분할 형성된 부분이 원심력에 의해 반경방향으로 이동함에 따라 날개의 끝단 즉, 슬릿(22)의 양단에서 응력집중이 생겨 파손되는 문제점이 있으며, 형상이 복잡하여 제작이 어렵고 제작비용 또한 과도하게 발생하는 문제점이 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 저장 에너지를 증가시키기 위해서는 플라이휠의 고속회전이 가능해야 하는데, 복합재료는 인장응력은 낮추고 강도는 높일 수 있기 때문에 고속회전에 적합한 재료이다. 이 때문에 복합재료를 와인딩하여 형성된 여러 개의 층으로 겹쳐서 만든 로터를 사용하고 있다.
그러나, 다수층의 복합재료로 된 로터는 원주방향으로는 강도가 크지만 반경방향으로는 강도가 약한 단점이 있다. 즉, 고속회전시 와인딩된 복합재료가 반경방향으로 뜯어지는 단점이 있다. 이러한 현상으로 인해 허브와 로터 사이가 벌어지거나 허브가 로터에서 분리 또는 이탈될 수 있다.
이와 같은 로터와 허브의 분리 현상을 방지하기 위해 허브 역시 반경 방향으로 잘 늘어나야 한다. 그래야 로터와 허브의 분리를 방지할 수 있다.
또한, 허브가 반경 방향으로 잘 팽창해야 할 뿐만 아니라 고속회전시에 파손되지 않을 정도의 강도를 가져야 하고, 플라이휠의 공진주파수를 높일 수 있는 구조 또는 형상을 가져야 한다.
본 발명은 복합재료를 다층으로 와인딩하여 돔형상의 허브를 형성함으로써, 금속에 비해 가볍고 높은 강도를 가지며 고속 회전에 따른 팽창이 잘 이루어져 플라이휠의 고속회전시 허브가 응력집중에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 제작이 용이한 플라이휠용 허브와 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠을 제공한다.
본 발명은 플라이휠의 고속 회전시에 로터의 변형을 추종하여 로터와 허브의 밀착상태를 유지할 수 있고 강성을 조절할 수 있는 형상 및 재질로 된 플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠을 제공한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브는, 플라이휠의 로터와 회전축 사이에 제공되어 상기 로터가 상기 회전축과 동일한 회전속도를 가지도록 하는 플라이휠용 허브에 있어서, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 일단에는 상기 회전축이 삽입되는 삽입공이 형성되고 타단에는 개구부가 형성되며, 복합재료가 와인딩되어 형성되는 중공 형태의 메인 돔; 및 상기 로터와 접착되며, 상기 메인 돔의 외면에 복합재료를 와인딩하여 형성되는 서브돔;을 포함하며, 상기 메인 돔 또는 상기 서브돔 중 적어도 하나는 상기 회전축 및 상기 로터가 회전함에 따라 상기 회전축의 반경 방향으로 팽창하여 상기 서브돔과 상기 로터의 접착 상태를 유지할 수 있다.
상기 서브돔은 상기 메인 돔의 외면에 와인딩되는 제1서브돔 및 상기 제1서브돔의 외면에 와인딩되는 제2서브돔을 포함하며, 상기 메인 돔, 상기 제1서브돔 및 상기 제2서브돔은 서로 다른 와인딩 각도를 가질 수 있다.
상기 제1서브돔은 상기 메인 돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가지고, 상기 제2서브돔은 상기 제1서브돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가질 수 있다.
상기 메인 돔의 와인딩 두께는 상기 제1서브돔의 와인딩 두께 보다 작고 상기 제2서브돔의 와인딩 두께 보다 크게 형성될 수 있다.
상기 메인 돔의 외면에 대하여 상기 제1서브돔은 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치와 다른 와인딩 시작 위치를 가질 수 있다.
상기 제1서브돔의 와인딩 시작 위치는 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치 보다 상기 삽입공 쪽에 가까이 형성될 수 있다.
상기 제1서브돔의 와인딩 시작 위치는 상기 메인 돔의 원추부의 외면에 위치할 수 있다.
상기 메인 돔은 상기 삽입공 측의 와인딩 두께가 상기 개구부 측의 와인딩 두께 보다 크게 형성될 수 있다.
한편, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장용 플라이휠은, 관성 에너지 형태로 회전 운동 에너지를 저장하며, 다층의 복합재료가 와인딩되어 형성된 로터; 상기 로터에 형성된 중공부의 내측에 관통되게 배치되는 회전축; 및 상기 회전축과 상기 로터를 연결시키기 위하여 상기 로터의 중공부와 상기 회전축 사이에 구비되고, 상기 로터의 회전시 상기 로터의 형상 변화를 보상하는 허브;를 포함하며, 상기 허브는 상기 회전축의 길이 방향을 따라 일단에는 상기 회전축이 삽입되는 삽입공이 형성되고 타단에는 개구부가 형성되며 복합재료가 와인딩되어 형성되는 중공 형태의 메인 돔 및 상기 로터와 접착되며 상기 메인 돔의 외면에 복합재료를 와인딩하여 형성되는 서브돔을 포함할 수 있다.
상기 서브돔은 상기 메인 돔의 외면에 와인딩되는 제1서브돔 및 상기 제1서브돔의 외면에 와인딩되는 제2서브돔을 포함하며, 상기 제1서브돔은 상기 메인 돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가지고 상기 제2서브돔은 상기 제1서브돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가질 수 있다.
상기 메인 돔의 외면에 대하여 상기 제1서브돔은 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치와 다른 와인딩 시작 위치를 가질 수 있다.
상기 제1서브돔의 와인딩 시작 위치는 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치 보다 상기 삽입공 쪽에 가까이 형성될 수 있다.
상기 허브는 상기 회전축의 길이 방향을 따라 적어도 2개가 다단으로 형성될 수 있다.
상기 허브는 상기 회전축의 반경 방향으로 팽창이 가능하도록 복합재료를 다수개의 층으로 와인딩함으로써 회전 상태에서 상기 로터와의 접착 상태를 유지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠은 복합재료를 다층으로 와인딩하여 돔형상의 허브를 제작함으로써, 제작이 용이하고 회전에 따른 팽창이 잘 이루어지며 금속에 비해 가볍고 높은 강도가 높아 플라이휠의 고속회전시 허브가 응력집중에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠은 허브가 회전축에 인접한 곳에서는 잘 늘어나지 않고, 로터에 인접한 곳에서 잘 늘어나기 때문에, 플라이휠의 고속회전시 회전축과 로터를 잘 연결하면서도 동시에 강도가 높고 공진주파수가 높게 되어, 공진현상이 유발되지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠은 복합재료를 다층으로 와인딩하여 형성된 허브로 인해 플라이휠의 회전속도에 대응하여 허브의 강성을 조절할 수 있고 돔형상이기 때문에 허브의 내부 또는 하부 공간을 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 플라이휠용 허브 및 이를 구비한 에너지 저장용 플라이휠은 일체로 와인딩한 후 이를 커팅하여 다수개의 허브를 얻기 때문에 다수개의 허브 상호 간의 품질 동일성 또는 균일성을 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 슬플릿 돔 타입 허브(Split dome type hub)를 사용하고 있는 플라이휠의 절개 사시도이다.
도 2는 도 1의 허브를 나타내는 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브의 제조과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브의 와인딩 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 (c)에 도시된 플라이휠용 허브의 종방향 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브의 다양한 형태의 절개 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브를 장착한 플라이휠의 절개 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 허브를 분해한 상태의 절개 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브를 다른 형태로 장착한 플라이휠의 절개 사시도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브의 제조과정을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브(300)는 플라이휠의 로터와 회전축을 상호 연결하는 것으로써, 필라멘트 와인딩 방법(Filament Winding Method)에 의해 제작된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브(300)는 복합재료를 와인딩하는 단계, 와인딩된 복합재료를 경화시키는 단계 및 경화된 형상을 커팅(cutting)하는 단계를 포함한 제조방법에 의해 얻어질 수 있다.
복합재료를 와인딩하는 단계는, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 복합재료(301)를 필라멘트 와인딩 방법으로 와인딩하여 중공의 압력용기 형상으로 형성하는 단계이다.
복합재료(301)는 탄소섬유, 유리섬유 또는 탄소섬유와 유리섬유의 혼합섬유와 같은 보강섬유재에 에폭시 등의 열경화성 수지를 도포한 재료이다.
상기한 바와 같은 복합재료(301)은 탄소섬유, 유리섬유 이외에 다양한 종류의 섬유를 사용할 수 있고, 필요에 따라 다른 종류의 섬유를 섞어 사용할 수도 있다.
필라멘트 와인딩 방법은 보강섬유재의 표면에 포함된 공기와 열경화성 수지와의 치환을 행하여 보강섬유재에 수지를 함침하면서 소정의 권취 각도로 보강섬유재를 연속적으로 맨드렐(Mandrel)에 권취하는 방법이다.
이러한 필라멘트 와인딩 방법은 수지의 함침방식에 따라 디핑(Dipping)방식과 드럼방식으로 구분된다. 디핑방식은 수지액을 채운 함침조 내에서 보강섬유재에 수지를 함침하는 방식이고, 드럼방식은 회전하는 드럼상에서 보강섬유재에 수지를 함침하는 방식이다.
그리고, 필라멘트 와인딩 방법은 권취방식에 따라 후프방식과 헬리컬 방식으로 구분된다. 후프방식은 필라멘트 즉 복합재료(301)가 맨드렐과 거의 수직으로 감기도록 하는 방식이고, 헬리컬방식은 복합재료(301)가 맨드렐의 회전축(100)과 큰 각을 이루면서 감겨지는 방식이다.
와인딩하는 단계에서는 양단이 돔형상으로 형성할 수 있도록 헬리컬방식으로 복합재료(301)를 와인딩한다. 물론 필요에 따라 와인딩하는 단계에서는 복합재료(301)를 후프방식으로 와인딩할 수도 있다.
이러한 필라멘트 와인딩 방법은 다른 복합재료 가공법에 비하여 사용되는 재료의 가격이 저렴하고, 인건비가 적게 들며, 컴퓨터 제어나 로봇 등을 사용하면 생산공정의 균일성을 이룩할 수 있기 때문에 제품의 복제성에 좋다는 이점이 있다. 이러한 상기 필라멘트 와인딩 방법은 복합재 압력용기를 제작하는데 주로 사용된다.
와인딩하는 단계를 마친 상태는 도 3(b)에 도시되어 있다. 와인딩하는 단계에서는 필요에 따라 복합재료(301)를 각 구간별로 그 두께를 서로 다르게 감을 수 있다.
한편, 제작하고자 하는 허브(300)의 돔형상이 결정되면 복합재료(301)의 권취각도가 결정되고, 복합재료(301)의 권취각도가 결정되면 제작될 허브(300)의 강성, 강도, 변형률 등이 결정될 수 있다. 이러한 것은 유한요소해석 또는 구조해석을 통해 결정할 수 있다.
한편, 경화시키는 단계는 상기 맨드렐에 와인딩된 복합재료(301)를 경화시키는 단계이다. 커팅하는 단계는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 압력용기 형상으로 와인딩된 복합재료(301)의 양단을 도 3(c)에 도시된 바와 같이 돔 형상으로 절단하는 단계이다. 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 허브(300)는 동일한 필라멘트 와인딩 공법에 의해 제조된 압력 용기 형상의 부품을 대칭적으로 커팅하여 얻어지는 2개의 돔형상 허브(300)를 모두 사용할 수 있고, 이러한 2개의 돔형상 허브(300)는 부품 간의 균일성이 유지될 수 있다. 따라서, 커팅하여 얻어진 돔형상 허브(300)를 플라이휠에 사용하는 경우에 고속회전하더라도 어느 하나의 허브(300)의 치수가 이상하거나 먼저 파손되는 현상 등을 방지할 수 있다.
상기와 같은 커팅 단계에 의해 얻어진 허브(300)는 외측면이 일방향으로 볼록하게 돌출되고, 내측면이 일방향으로 오목하게 함몰된 돔(dome)형상으로 형성되며, 복합재료(301)가 와인딩되어 형성된다.
위와 같이 허브(300)를 돔 형상으로 형성함으로써, 상하방향의 유동을 방지할 수 있고 반지름 방향의 강성을 높일 수 있으며, 반지름 방향으로 쉽게 팽창할 수 있다.
또한, 허브(300)를 상술한 복합재료의 필라멘트 와인딩 방법을 통해 제작함으로써, 그 제작이 매우 용이하고, 복합재료로 제작되기 때문에 팽창률이 우수하며 동시에 강성이 높아 공진주파수를 높게 할 수 있다. 필요에 따라 돔 형상의 상기 허브(300)는 외경과 내경을 추가 가공 혹은 연마할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브(300)의 제조방법 및 그 구조에 대해서 보다 자세히 살펴 본다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브의 와인딩 과정을 도시한 도면, 도 5는 도 4의 (c)에 도시된 플라이휠용 허브의 종방향 부분 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브(300)는 회전축의 길이 방향을 따라 일단에는 회전축이 삽입되는 삽입공(302)이 형성되고 타단에는 개구부(303)가 형성되며 복합재료(301)가 와인딩되어 형성되는 중공 형태의 메인 돔(main dome, 300a) 및 로터와 접착되며 메인 돔(300a)의 외면에 복합재료(301)를 와인딩하여 형성되는 서브돔(sub dome, 300b,300c)을 포함할 수 있다. 메인 돔(300a) 또는 서브돔(300b,300c) 중 적어도 하나는 상기 회전축 및 상기 로터가 고속으로 회전함에 따라 상기 회전축의 반경 방향으로 팽창할 수 있기 때문에 허브(300) 내지 서브돔(300b,300c)과 상기 로터의 접착 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 허브(300)와 상기 로터의 접착성을 높이기 위해서 허브(300)는 로터와 동일하거나 유사한 성분의 복합재료로 와인딩되는 것이 바람직하다.
한편, 서브돔(300b,300c)은 메인 돔(300a)의 외면에 와인딩되는 제1서브돔(300b) 및 제1서브돔(300b)의 외면에 와인딩되는 제2서브돔(300c)을 포함할 수 있다. 즉, 서브돔(300b,300c)은 적어도 2개의 복합재료 와인딩 층을 포함할 수 있다. 도 4 및 도 5에는 서브돔(300b,300c)이 2개의 와인딩 층을 포함하는 허브(300)가 도시되어 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니며 필요한 강성 등 설계 요구사항에 따라 서브돔은 다수개의 와인딩 층으로 이루어질 수도 있다.
여기서, 메인 돔(300a), 제1서브돔(300b) 및 제2서브돔(300c)은 서로 다른 와인딩 각도를 가질 수 있다.
이를 위해, 서브돔(300b,300c)은 메인 돔(300a)의 외면에 와인딩되는 제1서브돔(300b) 및 제1서브돔(300b)의 외면에 와인딩되는 제2서브돔(300c)을 포함하며, 메인 돔(300a), 제1서브돔(300b) 및 제2서브돔(300c)은 복합재료를 서로 다른 각도로 와인딩하여 형성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 메인 돔(300a)의 복합재료를 와인딩하는 각도(θ1), 제1서브돔(300b)의 복합재료를 와인딩하는 각도(θ2), 제2서브돔(300c)의 복합재료를 와인딩하는 각도(θ3)는 서로 다르다. 이와 같이, 허브(300)를 구성하는 메인 돔(300a), 제1서브돔(300b) 및 제2서브돔(300c)의 복합재료 와인딩 각도를 다르게 함으로써 허브(300)의 강성을 높일 수 있고, 메인 돔(300a), 제1서브돔(300b) 및 제2서브돔(300c) 각각에 대해서 반경 방향 팽창 정도를 다르게 할 수 있다. 이로 인해, 플라이휠의 고속회전시 로터의 반경 방향 변형을 추종하여 허브(300) 역시 반경 방향으로 잘 팽창하거나 변형할 수 있고 로터와 허브(300)의 접착 상태를 견고하게 유지할 수 있다.
한편, 제1서브돔(300b)의 와인딩 각도(θ2)는 메인 돔(300a)의 와인딩 각도(θ1) 보다 작고, 제2서브돔(300c)의 와인딩 각도(θ3)는 제1서브돔(300b)의 와인딩 각도(θ2) 보다 작게 형성될 수 있다. 이와 같이, 나중에 와인딩되는 복합재료의 와인딩 각도를 이전에 와인딩된 복합재료의 와인딩 각도 보다 작게 함으로써, 이전에 와인딩된 복합재료가 고속회전에 의해 풀리거나 반경 방향으로 뜯어지는 것을 방지할 수 있고 강성을 더욱 높일 수 있다.
또한, 메인 돔(300a)의 복합재료 와인딩 두께는 제1서브돔(300b)의 복합재료 와인딩 두께 보다 작고 제2서브돔(300c)의 복합재료 와인딩 두께 보다 크게 형성될 수 있다. 이와 같이, 내측 와인딩(300a) 및 외측 와인딩(300c) 보다 중간 와인딩(300b)의 두께를 두껍게 와인딩함으로써 고속회전시 내측의 와인딩이 반경 방향으로 더 많이 팽창하여 외측 와인딩을 로터 쪽으로 밀어 주기 때문에 허브(300)가 로터에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
허브(300)를 구성하는 메인 돔(300a), 제1서브돔(300b) 및 제2서브돔(300c)은 각각 복합재료를 와인딩하기 시작하는 위치가 다르게 형성될 수 있다. 즉, 메인 돔(300a)의 외면에 대하여 제1서브돔(300b)은 제2서브돔(300c)의 복합재료 와인딩 시작 위치와 다른 와인딩 시작 위치를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 메인 돔(300a)은 복합재료를 맨드렐(mandrel) 전체에 걸쳐서 와인딩하는 반면에 제1서브돔(300b)은 메인 돔(300a)의 원통형 부분과 원통형 부분 양단의 원추형 부분에 조금 걸치도록 와인딩됨을 알 수 있다. 또한, 제2서브돔(300c)은 제1서브돔(300b)의 원통형 부분에만 와인딩된다. 따라서, 허브(300)의 원통형 부분에는 3개의 와인딩 층이 형성되는 반면 원통형 부분의 양단에는 2개 또는 1개의 와인딩 층만 형성된다. 이와 같이, 복합재료가 중첩적으로 와인딩되는 부분이 다르도록 복합재료의 와인딩 시작 위치를 다르게 함으로써 허브(300)가 필요로 하는 강성을 조절할 수 있다. 이 때, 와인딩 시작 위치의 결정은 구조 해석 등을 통해 설계 단계에서 결정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1서브돔(300b)의 복합재료 와인딩 시작 위치(A)는 제2서브돔(300c)의 복합재료 와인딩 시작 위치 보다 허브(300)의 삽입공(302) 쪽에 가까이 형성될 수 있고, 제1서브돔(300b)의 복합재료 와인딩 시작 위치(A)는 메인 돔(300a)의 원추형 부분의 외면에 위치할 수 있다.
허브(300)를 커팅하는 절단선(CL)을 기준으로 볼 때 허브(300)의 개구부(303) 측이 다수개의 층으로 와인딩됨을 알 수 있는데, 고속회전시 반경 방향으로 팽창되는 부분에 다수 층의 복합재료 와인딩을 형성하는 것이 바람직하다.
메인 돔(300a)은 삽입공(302) 측의 와인딩 두께(B)가 개구부(303) 측의 와인딩 두께(C) 보다 크게 형성될 수 있다. 삽입공(302) 측의 와인딩(B)은 고속회전시에도 회전축과 허브(300)의 접착 상태를 유지할 수 있어야 하는데, 이를 위해 고속회전하더라도 허브(300)가 팽창하지 않도록 두껍게 와인딩하는 것이 바람직하다. 이에 반해 허브(300)의 개구부(303) 측 와인딩은 고속회전시 쉽게 팽창할 수 있도록 상대적으로 얇은 두께를 가지도록 와인딩하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장용 플라이휠(10, 도 7 참조)은, 관성 에너지 형태로 회전 운동 에너지를 저장하며, 다층의 복합재료가 와인딩되어 형성된 로터(200, 도 7 참조), 로터(200)에 형성된 중공부의 내측에 관통되게 배치되는 회전축(100, 도 7 참조) 및 회전축(100)과 로터(200)를 연결시키기 위하여 로터(200)의 중공부와 회전축(100) 사이에 구비되고 로터(200)의 회전시 상기 로터의 형상 변화를 보상하는 허브(300)를 포함하며, 허브(300)는 회전축(100)의 길이 방향을 따라 일단에는 회전축(100)이 삽입되는 삽입공(302)이 형성되고 타단에는 개구부(303)가 형성되며 복합재료가 와인딩되어 형성되는 중공 형태의 메인 돔(300a) 및 상기 로터와 접착되며 메인 돔(300a)의 외면에 복합재료를 와인딩하여 형성되는 서브돔(300b,300c)을 포함할 수 있다.
여기서, 허브(300)는 회전축(100)의 길이 방향을 따라 적어도 2개가 다단으로 형성될 수 있다. 허브(300)는 회전축(100)의 반경 방향으로 팽창이 가능하도록 복합재료를 다수개의 층으로 와인딩함으로써 회전 상태에서 로터(200)와의 접착 상태를 유지할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 허브의 다양한 형태에 대해서 자세히 살펴 본다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브의 다양한 형태의 절개 사시도, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브를 장착한 플라이휠의 절개 사시도, 도 8은 도 7에 도시된 허브를 분해한 상태의 절개 사시도, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브를 다른 형태로 장착한 플라이휠의 절개 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠용 허브(300)는 도 6에 도시된 바와 같이 단일 돔 또는 2개 이상의 돔이 결합되어 다양한 형태로 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 허브(300)는 2단뿐만 아니라 다수개의 돔을 상호 결합시켜 3단 이상의 다단형태로 형성될 수도 있다.
또한, 각각의 돔은 다양한 복합재료 소재를 사용하여 강성을 조절할 수 있다. 강성이 큰 섬유를 사용하게 되면 구조적인 강성은 좋아지지만 회전시 잘 늘어나지 않고, 강성이 작은 섬유를 사용하게 되면 구조적인 강성은 떨어지지만 잘 늘어나기 때문에, 이를 이용하여 각각의 돔 타입 복합재 허브(300)에 사용될 섬유의 종류를 결정할 수 있다. 이때, 두 가지 이상의 섬유를 혼합하여 사용할 수도 있다.
이러한 허브(300)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 플라이휠(10)을 이루는 회전축(100)과 로터(200) 사이에 조립이 되는데, 직경이 큰 외직경부는 로터(200)의 내측면에 접하게 되고, 직경이 작은 내직경부는 회전축(100)을 감싸면서 접하게 된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장용 플라이휠(10)은 회전축(100), 회전축(100)을 중심으로 이격된 상태로 감싸고 있는 로터(200), 회전축(100)과 로터(200) 사이에 배치되어 회전축(100)과 로터(200)를 상호 연결하는 허브(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
허브(300)는 상술한 바와 같이 복합재료(301)를 필라멘트 와인딩 방법으로 제작하여 형성된다. 이러한 허브(300)는 회전축(100)과 로터(200)에 억지끼워맞춤(press-fit)으로 조립하도록 함이 바람직하다. 즉, 허브(300)의 내직경을 회전축(100)의 지름보다 약간 작게 형성하고, 허브(300)의 외직경을 로터(200)의 내직경보다 약간 크게 형성하여, 회전축(100) 및/또는 허브(300)를 냉각 혹은 프레스로 압축시켜 억지끼워맞춤으로 조립하도록 한다.
다시 말해, 허브(300)의 내직경을 회전축(100)의 지름보다 약간 작게 형성하여, 회전축(100)을 냉각 또는 프레스를 통해 압축시킨 상태로 허브(300)의 내직경에 억지끼워맞춤으로 조립을 한다.
그리고, 허브(300)의 외직경을 로터(200)의 내직경보다 약간 크게 형성하여, 허브(300)를 냉각 또는 프레스를 통해 압축시킨 상태로 로터(200)의 내직경에 억지끼워맞춤으로 조립을 한다.
이와 같은 억지끼워맞춤으로 조립을 함으로써, 플라이휠의 회전시 로터(200)가 반경 방향으로 많이 팽창되어도 허브(300)가 로터(200)와 회전축(100)을 지속적으로 연결할 수 있게 된다.
허브(300)가 도 6(b) 및 도 6(c)와 같이 2개의 돔이 결합되어 이루어진 경우에는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 허브(300)는 제1허브(310)와 제2허브(320)로 이루어진다.
도 6(b)의 경우에는 제1허브(310)와 제2허브(320)가 동일한 방향으로 돌출되어 결합되어 있는 것을 도시한 것이고, 도 6(c)의 경우에는 제1허브(310)와 제2허브(320)가 서로 반대방향으로 돌출되어 결합되어 있는 것을 도시한 것이다.
도 6(c)의 경우에는 제1허브(310)와 제2허브(320)의 돌출방향이 반대방향이기 때문에, 허브(300)의 전체적인 높이를 줄일 수 있어 공간적인 제약을 받는 경우에 사용하면 더욱 효과적이다.
제1허브(310)에는 회전축(100)과 접하는 제1내직경부(311)와 제1내직경부(311) 보다 직경이 큰 제1외직경부(312)가 형성된다. 제2허브(320)에는 제1허브(310)의 제1외직경부(312)를 감싸는 제2내직경부(321)와 제2내직경부(321) 보다 직경이 크고 로터(200)의 내주면과 접하는 제2외직경부(322)가 형성된다.
제1허브(310)와 제2허브(320)가 분리된 상태에서 제1내직경부(311)의 직경은 회전축(100)의 지름보다 작고, 제1외직경부(312)의 직경은 제2내직경부(321)의 직경보다 크며, 제2외직경부(322)의 직경은 로터(200)의 내직경보다 크도록 한다.
이러한 직경의 차이로 인해, 허브(300)를 회전축(100) 및 로터(200)에 조립할 때 억지끼워맞춤으로 조립을 하게 되고, 제1허브(310)의 제1외직경부(312)와 제2허브(320)의 제2내직경부(321)는 에폭시 등을 이용하여 결합할 수 있다.
다시 말해, 회전시 회전축(100)과 허브(300)의 상호 이탈을 방지하기 위해 회전축(100)과 허브(300) 사이에 미리 간섭량을 정하여 즉, 회전축(100)의 직경보다 제1허브(310)의 제1내직경부(311)의 직경을 작게 하여 억지끼워맞춤으로 조립이 가능하도록 한다. 그리고, 회전시 허브(300)와 로터(200)의 상호 이탈을 방지하기 위해 허브(300)와 로터(200) 사이에 미리 간섭량을 정하여 즉, 로터(200)의 내직경보다 제2허브(320)의 제2외직경부(322)의 직경을 크게 하여 억지끼워맞춤으로 조립이 가능하도록 한다.
이는 허브(300)가 회전시 팽창하는 양의 일부 또는 전부를 정지시에 미리 부여함으로 허브(300)에 걸리는 응력을 줄일 수 있다.
또한, 원심력에 의한 제1내직경부(311)의 신장률은 회전축(100)의 신장률과 같거나 작고, 제1외직경부(312)의 신장률은 제1내직경부(311)의 신장률보다 크고 제2내직경부(321)의 신장률과 같거나 크도록 한다. 그리고, 제2외직경부(322)의 신장률은 제1외직경부(312) 및 제2내직경부(321)의 신장률보다 크고 로터(200)의 내주면의 신장률과 같거나 크다. 이로 인해, 플라이휠의 회전시 허브(300)가 항상 회전축(100)과 로터(200)에 분리됨이 없이 결합되도록 할 수 있다.
또한, 필요에 따라 제1허브(310)의 제1외직경부(312)와 제2허브(320)의 제2내직경부(321)는 동일한 재질의 복합재료로 이루어져 신장률을 보다 잘 조절할 수 있도록 한다.
이와 같은 허브(300)는 1개 또는 2개 이상이 장착될 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 2개의 허브(300)가 동일한 방향을 향하도록 장착할 수 있고, 공간확보를 위해 도 9에 도시된 바와 같이 2개의 허브(300)가 서로 반대방향을 향하도록 장착할 수도 있다.
허브(300)가 단일의 돔으로 이루어진 경우에는, 상술한 특성 중 허브(300)의 내직경은 제1내직경부(311)의 특성을 갖도록 하고, 외직경은 제2외직경부(322)의 특성을 갖도록 한다. 예를 들어, 플라이휠의 회전시 로터(200)의 내주면에 원주방향으로 1% 변형률이 발생하고, 회전축(100)에 0.2% 변형률이 발생할 때, 로터(200)의 내주면과 닿은 허브(300)의 외직경의 변형률은 1%이상이 되어야 하고, 회전축(100)과 닿는 허브(300)의 내직경의 변형률은 0.2%이하가 되어야 한다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 허브(300)는 복합재료(301)를 와인딩하여 제작되기 때문에, 제작이 용이하고, 가벼우면서도 강도가 높아 공진주파수가 높아져 플라이휠의 공진을 유발시킬 수 있는 회전속도가 실제작동속도보다 높게 되어 허브(300) 및 플라이휠에서 공진이 유발되지 않도록 할 수 있다.
또한, 허브(300)는 로터(200)에 인접한 곳에서 잘 늘어나기 때문에, 플라이휠의 고속회전시 회전축(100)과 로터(200)를 잘 연결할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 회전축 200: 로터
300: 허브 300a: 메인 돔
300b: 제1서브돔 300c: 제2서브돔
301: 복합재료 302: 삽입공
303: 개구부 310: 제1허브
311: 제1내직경부 312: 제1외직경부
320: 제2허브 321: 제2내직경부
322: 제2외직경부

Claims (14)

  1. 플라이휠의 로터와 회전축 사이에 제공되어 상기 로터가 상기 회전축과 동일한 회전속도를 가지도록 하는 플라이휠용 허브에 있어서,
    상기 회전축의 길이 방향을 따라 일단에는 상기 회전축이 삽입되는 삽입공이 형성되고 타단에는 개구부가 형성되며, 복합재료가 와인딩되어 형성되는 중공 형태의 메인 돔; 및
    상기 로터와 접착되며, 상기 메인 돔의 외면에 복합재료를 와인딩하여 형성되는 서브돔;을 포함하며,
    상기 메인 돔 또는 상기 서브돔 중 적어도 하나는 상기 회전축 및 상기 로터가 회전함에 따라 상기 회전축의 반경 방향으로 팽창하여 상기 서브돔과 상기 로터의 접착 상태를 유지하는, 플라이휠용 허브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서브돔은 상기 메인 돔의 외면에 와인딩되는 제1서브돔 및 상기 제1서브돔의 외면에 와인딩되는 제2서브돔을 포함하며,
    상기 메인 돔, 상기 제1서브돔 및 상기 제2서브돔은 서로 다른 와인딩 각도를 가지는, 플라이휠용 허브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1서브돔은 상기 메인 돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가지고, 상기 제2서브돔은 상기 제1서브돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가지는, 플라이휠용 허브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메인 돔의 와인딩 두께는 상기 제1서브돔의 와인딩 두께 보다 작고 상기 제2서브돔의 와인딩 두께 보다 크게 형성된, 플라이휠용 허브.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 돔의 외면에 대하여 상기 제1서브돔은 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치와 다른 와인딩 시작 위치를 가지는, 플라이휠용 허브.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1서브돔의 와인딩 시작 위치는 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치 보다 상기 삽입공 쪽에 가까이 있는, 플라이휠용 허브.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1서브돔의 와인딩 시작 위치는 상기 메인 돔의 원추부의 외면에 위치하는, 플라이휠용 허브.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 메인 돔은 상기 삽입공 측의 와인딩 두께가 상기 개구부 측의 와인딩 두께 보다 크게 형성되는, 플라이휠용 허브.
  9. 관성 에너지 형태로 회전 운동 에너지를 저장하며, 다층의 복합재료가 와인딩되어 형성된 로터;
    상기 로터에 형성된 중공부의 내측에 관통되게 배치되는 회전축; 및
    상기 회전축과 상기 로터를 연결시키기 위하여 상기 로터의 중공부와 상기 회전축 사이에 구비되고, 상기 로터의 회전시 상기 로터의 형상 변화를 보상하는 허브;를 포함하며,
    상기 허브는 상기 회전축의 길이 방향을 따라 일단에는 상기 회전축이 삽입되는 삽입공이 형성되고 타단에는 개구부가 형성되며 복합재료가 와인딩되어 형성되는 중공 형태의 메인 돔 및 상기 로터와 접착되며 상기 메인 돔의 외면에 복합재료를 와인딩하여 형성되는 서브돔을 포함하는, 에너지 저장용 플라이휠.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 서브돔은 상기 메인 돔의 외면에 와인딩되는 제1서브돔 및 상기 제1서브돔의 외면에 와인딩되는 제2서브돔을 포함하며,
    상기 제1서브돔은 상기 메인 돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가지고 상기 제2서브돔은 상기 제1서브돔의 와인딩 각도 보다 작은 와인딩 각도를 가지는, 에너지 저장용 플라이휠.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 메인 돔의 외면에 대하여 상기 제1서브돔은 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치와 다른 와인딩 시작 위치를 가지는, 에너지 저장용 플라이휠용.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1서브돔의 와인딩 시작 위치는 상기 제2서브돔의 와인딩 시작 위치 보다 상기 삽입공 쪽에 가까이 있는, 에너지 저장용 플라이휠용.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허브는 상기 회전축의 길이 방향을 따라 적어도 2개가 다단으로 형성되는, 에너지 저장용 플라이휠.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 허브는 상기 회전축의 반경 방향으로 팽창이 가능하도록 복합재료를 다수개의 층으로 와인딩함으로써 회전 상태에서 상기 로터와의 접착 상태를 유지하는, 에너지 저장용 플라이휠.
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