KR101148132B1

KR101148132B1 - 플라이휠 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치

Info

Publication number: KR101148132B1
Application number: KR1020100107192A
Authority: KR
Inventors: 한상철; 정세용; 한영희; 이정필; 박병준; 박병철
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-23
Also published as: KR20120045573A

Abstract

플라이휠을 개시한다. 모터의 구동에 의해 발생된 회전력을 저장하는 플라이휠은 외주면에 제1 음각부가 형성된 회전축, 내주면에 제2 음각부가 형성되고, 회전축의 외주면을 감싸며 회전축으로부터 이격되어 설치되는 회전체 및 제1 음각부 및 제2 음각부에 삽입되고, 회전축의 회전력을 회전체에 전달하는 슬라이딩 허브를 포함한다.

Description

플라이휠 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치{Flyheel and Energy storage apparatus having the same}

본 발명은 플라이휠 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.

플라이휠 에너지 저장장치는 잉여의 전기에너지를 전동기를 이용하여 회전체의 관성에너지 형태로 저장하고, 전력을 필요로 할 때 저장된 회전관성으로 발전기를 구동하여 전기에너지로 변환하여 사용하는 기계적 에너지 저장 장치이다. 플라이휠 에너지 저장 장치는 관성에너지를 저장하는 플라이휠, 전동기 또는 발전기, 베어링으로 이루어진다. 이러한 플라이휠 에너지 저장 장치는 사용하는 베어링의 형태에 따라 기계식 플라이휠 에너지 저장 장치, 전자석 플라이휠 에너지 저장 장치, 초전도 플라이휠 에너지 저장장치 등으로 나뉜다.

플라이휠은 로터, 회전축 그리고 이들을 고정하기 위한 허브로 구성된다. 여기서 허브는 형상에 따라 도넛 형상 허브, 휠 형상 허브, 응력 저감형 허브 등으로 구분된다.

정격 속도에서 허브의 응력 상태를 분석해보면 도넛 형상 허브와 휠 형상 허브는 샤프트와 허브 사이에 최대 응력이 형성되고 이 부분에서 이탈이 발생할 가능성이 높다. 응력 저감형 허브의 경우 최대 응력 집중이 발생하는 부위는 스플릿이 시작되는 곳 근처로서 장시간 운전에 불리하고 재료 선택에 한계가 있다. 또한, 응력 저감형 허브는 가공이 힘들고 재료비가 많이 소요된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고속 회전에 의해 회전축과 로터의 변형량의 차이에 의한 분리 사고와 같은 구조적 안정성과 회전축과 허브가 조립된 상태에서 시스템의 동적 안정성을 확보할 수 있는

를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 플라이휠을 제공한다.

모터의 구동에 의해 발생된 회전력을 저장하는 플라이휠은 외주면에 제1 음각부가 형성된 회전축, 내주면에 제2 음각부가 형성되고, 회전축의 외주면을 감싸며 회전축으로부터 이격되어 설치되는 회전체 및 제1 음각부 및 제2 음각부에 삽입되고, 회전축의 회전력을 회전체에 전달하는 슬라이딩 허브를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 음각부는 회전체의 내주면에서 회전체의 외주면을 향해 형성된 복수개의 홈을 포함하며, 홈의 입구의 폭이 홈의 바닥면의 폭보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 홈의 입구는 회전체의 내주면 상에 형성된 개구 영역이며, 바닥면은 회전체의 내주면 보다 크고 회전체의 외주면 보다 작은 직경을 갖는 원 상에 형성된 면일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬라이딩 허브는 제2 음각부에 삽입되는 삽입부가 제2 음각부에 상응하는 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬라이딩 허브는 바 형태로 이루어져 회전축과 회전체 사이에 삽입될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전체는 탄소 섬유를 포함하는 복합재로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 에너지 저장 장치를 제공한다.

잉여 전력을 변환시켜 에너지로 저장하는 에너지 저장 장치는 입력받은 전기 에너지를 기계 에너지를 변환하는 모터, 모터의 구동에 의해 발생된 회전력을 저장하는 플라이휠 및 플라이휠을 수납하는 챔버를 포함하되, 플라이휠은 외주면에 제1 음각부가 형성된 회전축, 내주면에 제2 음각부가 형성되고, 회전축의 외주면을 감싸며 회전축으로부터 이격되어 설치되는 회전체 및 제1 음각부 및 제2 음각부에 삽입되고, 회전축의 회전력을 회전체에 전달하는 슬라이딩 허브를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 모터는 챔버 내부에 설치되어 회전축에 회전력을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 모터는 챔버 외부에 설치되어 회전축을 회전시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 플라이휠 및 이를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 장치는 슬라이딩 허브를 플라이휠에 적용하여 고속에서의 이탈 가능성 및 손상 가능성을 줄일 수 있다. 또한, 플라이휠 및 이를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 장치는 허브를 금속으로 이용하여 바 형태로 형성함으로써 제작이 용이하여 비용을 절감할 수 있고 조립성을 높여 운전 신뢰성을 향상시킨다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라이휠을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 회전체를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 플라이휠의 고속 회전 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 플라이휠 및 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 플라이휠을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 회전체를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치(10)는 챔버(50), 모터(80) 및 플라이휠(90)을 포함한다.

챔버(50)는 내부에 모터(80) 및 플라이휠(90)을 수납한다. 챔버(50)는 플라이휠(90)과공기와의 마찰을 줄여 에너지의 손실을 감소시키기 위해 내부가 진공 상태로 유지될 수 있다. 챔버(50)는 내부에 기준축(70)이 설치된다. 여기서 기준축(70)은 챔버(50)에 설치되어 고정된다.

모터(80)는 챔버(50) 내부에 설치된다. 모터(80)는 기준축(70)에 결합되는 고정자(81)와, 고정자(81)를 둘러싸며 회전하는 회전자(85)를 포함한다. 고정자(81)는 코일이 감겨 형성되고, 회전자(85)는 자성체 등으로 이루어져 고정자(81)로부터 이격되어 설치된다.

플라이휠(90)은 회전축(100), 회전체(300) 및 슬라이딩 허브(200)를 포함한다.

회전축(100)은 레이디얼(radial) 베어링(150)을 사이에 두고 기준축(70)에 결합된 베어링 고정자 지지 중공축(130)과, 레이디얼 베어링(150)의 외측에 결합된 베어링 회전자 지지 중공축(140)을 포함한다.

베어링 고정자 지지 중공축(130)은 기준축(70)에 결합된다. 베어링 고정자 지지 중공축(130)의 외측에는 레이디얼 베어링(150)이 설치된다. 여기서 레이디얼 베어링(150)은 비접촉 방식이며, 초전도체(160)와 자성체(170)를 포함한다. 여기서 초전도체(160)는 베어링 고정자 지지 중공축(130)에 결합된다. 자성체(170)는 초전도체(160)로부터 미리 설정된 간격으로 이격되어 베어링 회전자 지지 중공축(140)에 결합된다.

베어링 회전자 지지 중공축(140)은 레이디얼 베어링(150)의 외측에 설치된다. 베어링 회전자 지지 중공축(140)은 챔버(50)에 결합된 스러스트 베어링(175)에 의해 지지된다.

회전축(100)은 원형 기둥 형상으로 이루어지며, 모터(80)의 구동에 의해 회전한다. 회전축(100)은 외주면에 형성된 제1 음각부(180)를 포함한다. 제1 음각부(180)는 회전축(100)의 외주면에서 내측으로 형성된 복수개의 홈으로 이루어진다. 여기서 제1 음각부(180)는 슬라이딩 허브(200)의 일부분을 수납하여 회전시키도록 미리 설정된 깊이로 형성된다.

회전체(300)는 회전축(100)의 외측에 회전체(300)로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 위치한다. 회전체(300)는 내주면과 외주면을 갖는 고리 형태로 형성된다. 회전체(300)는 내주면에 형성된 제2 음각부(310)를 포함한다. 제2 음각부(310)는 회전체(300)의 내주면에서 외주면을 향해 형성된 복수개의 홈으로 이루어진다. 여기서 제2 음각부(310)는 슬라이딩 허브(200)에 반경 방향으로 압축 응력을 가하고 원주 방향으로 압축 응력을 가하기 위해 입구의 폭(W1)이 바닥면의 폭(W2)보다 크다. 예를 들면, 제2 음각부(310)의 입구는 회전체(300)의 내주면 상에 형성된 개구 영역이다. 제2 음각부(310)의 바닥면은 회전체(300)의 내주면 보다 크고 회전체(300)의 외주면 보다 작은 직경을 갖는 원 상에 형성된 면이다. 이에 따라 제2 음각부(310)는 내측면이 경사지게 형성된다.

여기서 회전체(300)는 복합재로 이루어지며, 가볍고 강도가 우수한 탄소 섬유(carbon fiber)를 포함한다.

슬라이딩 허브(200)는 회전축(100)과 회전체(300) 사이에 배치된다. 슬라이딩 허브(200)는 바 형상으로 형성되어 회전축(100)의 제1 음각부(180)와 회전체(300)의 제2 음각부(310)에 삽입된다. 슬라이딩 허브(200)는 제2 음각부(310)에 삽입되는 삽입부가 제2 음각부(310)의 홈에 상응하는 형상으로 형성된다. 이때, 슬라이딩 허브(200)는 삽입부의 체적이 제2 음각부(310)의 홈의 공간보다 크게 형성될 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 플라이휠의 고속 회전 상태를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 플라이휠(90)은 고속 회전시에 슬라이딩 허브(200)가 회전체(300)의 제2 음각부(310)에 밀착되어 회전한다. 이때, 플라이휠(90)에서는 회전축(100)의 제1 음각부(180)와 슬라이딩 허브(200) 사이에 이격 공간이 발생할 수 있다. 플라이휠(90)에서 회전체(300)는 회전 반경이 늘어날수록 회전 에너지가 증가한다. 이에 따라, 슬라이딩 허브(200)는 회전축(100)의 회전력을 받을 수 있고 회전체(300)의 회전 반경을 최대한 늘릴 수 있도록 제1 음각부(180)에 삽입된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치(10)는 챔버(50), 모터(80) 및 플라이휠(90)을 포함한다. 여기서는 도 1과 비교하여 동일한 구성 요소에 대한 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 서술한다.

챔버(50)는 내부에 플라이휠(90)을 수납한다.

모터(80)는 챔버(50)의 외부에 설치되어 플라이휠(90)과 연결된다. 모터(80)는 외부로부터 전원을 입력받아 플라이휠(90)을 작동시킨다.

회전축(100)은 챔버(50)를 관통하여 설치되며 모터(80)에 연결된다. 회전축(100)은 원형 기둥 형상으로 이루어지며, 모터(80)의 구동에 의해 회전한다. 회전축(100)은 외주면에 형성된 제1 음각부를 포함한다.

회전체(300)는 회전축(100)의 외측에 회전체(300)로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 위치한다. 회전체(300)는 내주면과 외주면을 갖는 고리 형태로 형성된다. 회전체(300)는 내주면에 형성된 제2 음각부를 포함한다. 여기서 제2 음각부(310)는 슬라이딩 허브(200)에 반경 방향으로 압축 응력을 가하고 원주 방향으로 압축 응력을 가하기 위해 입구의 폭이 바닥면의 폭보다 크다.

슬라이딩 허브(200)는 회전축(100)과 회전체(300) 사이에 배치된다. 슬라이딩 허브(200)는 바 형상으로 형성되어 회전축(100)의 제1 음각부와 회전체(300)의 제2 음각부에 삽입된다. 슬라이딩 허브(200)는 제2 음각부(310)에 삽입되는 삽입부가 제2 음각부(310)의 홈에 상응하는 형상으로 형성된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 플라이휠 에너지 저장 장치 50: 챔버
70: 기준축 80: 모터
90: 플라이휠 100: 회전축
200: 슬라이딩 허브 300: 회전체

Claims

모터의 구동에 의해 발생된 회전력을 저장하는 플라이휠에 있어서,
외주면에 제1 음각부가 형성된 회전축;
내주면에 제2 음각부가 형성되고, 상기 회전축의 외주면을 감싸며 상기 회전축으로부터 이격되어 설치되는 회전체; 및
상기 제1 음각부 및 상기 제2 음각부에 삽입되고, 상기 회전축의 회전력을 상기 회전체에 전달하는 슬라이딩 허브를 포함하는 플라이휠.
제1 항에 있어서,
상기 제2 음각부는 상기 회전체의 내주면에서 상기 회전체의 외주면을 향해 형성된 복수개의 홈을 포함하며,
상기 홈의 입구의 폭이 상기 홈의 바닥면의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 플라이휠.
제2 항에 있어서,
상기 홈의 입구는 상기 회전체의 내주면 상에 형성된 개구 영역이며, 상기 바닥면은 상기 회전체의 내주면 보다 크고 상기 회전체의 외주면 보다 작은 직경을 갖는 원 상에 형성된 면인 것을 특징으로 하는 플라이휠.
제2 항에 있어서,
상기 슬라이딩 허브는 상기 제2 음각부에 삽입되는 삽입부가 상기 제2 음각부에 상응하는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라이휠.
제1 항에 있어서,
상기 슬라이딩 허브는 바 형태로 이루어져 상기 회전축과 상기 회전체 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 플라이휠.
제1 항에 있어서,
상기 회전체는 탄소 섬유를 포함하는 복합재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라이휠.
잉여 전력을 변환시켜 에너지로 저장하는 에너지 저장 장치에 있어서,
입력받은 전기 에너지를 기계 에너지를 변환하는 모터;
상기 모터의 구동에 의해 발생된 회전력을 저장하는 플라이휠; 및
상기 플라이휠을 수납하는 챔버를 포함하되,
상기 플라이휠은
외주면에 제1 음각부가 형성된 회전축;
내주면에 제2 음각부가 형성되고, 상기 회전축의 외주면을 감싸며 상기 회전축으로부터 이격되어 설치되는 회전체; 및
상기 제1 음각부 및 상기 제2 음각부에 삽입되고, 상기 회전축의 회전력을 상기 회전체에 전달하는 슬라이딩 허브를 포함하는 에너지 저장 장치.
제7 항에 있어서,
상기 제2 음각부는 상기 회전체의 내주면에서 상기 회전체의 외주면을 향해 형성된 복수개의 홈을 포함하며,
상기 홈의 입구의 폭이 상기 홈의 바닥면의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
제7 항에 있어서,
상기 모터는 상기 챔버 내부에 설치되어 상기 회전축에 상기 회전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
제7 항에 있어서,
상기 모터는 상기 챔버 외부에 설치되어 상기 회전축을 회전시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.