KR101683674B1 - 비상베어링 및 이를 이용한 플라이휠 에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

플라이휠 에너지 저장장치의 비상베어링 시스템이 제공된다. 플라이휠 에너지 저장장치의 비상베어링 시스템은, 플라이휠을 관통하여 결합되고, 상측 및 하측에 경사면이 형성되는 회전축, 상기 회전축의 상측에 제1간극만큼 이격되어 형성되는 상부 비상베어링, 상기 회전축의 하측에 제2간극만큼 이격되어 형성되는 하부 비상베어링, 상기 상부 비상베어링의 외면을 둘러싸는 지지대 및 상기 지지대의 상부에 형성되어, 상기 지지대를 하방 가압하는 구동기를 포함한다.

Description

비상베어링 및 이를 이용한 플라이휠 에너지 저장장치 {Emergency bearing and Flywheel energy storage device using the same}
본 발명은 비접촉식 베어링을 이용하는 플라이휠 에너지 저장장치 및 비상시 회전하는 플라이휠의 낙하에 따른 시스템의 보호 기능을 하는 비상 베어링에 관한 것이다.
플라이휠 에너지 저장장치는 전기 에너지를 기계적 회전 에너지로 변환하여 저장하였다가 필요시 다시 전기 에너지로 변환하여 사용하는 장치로서, 에너지 저장 효율을 높이고 손실을 최소화하기 위하여 비접촉식 베어링을 사용하여 미소(약 500μm)의 베어링 간극에서 부양되어 운전된다.
비접촉식 베어링을 이용한 플라이휠 에너지 저장 장치에 있어서, 기존의 비상 베어링은 플라이휠의 축과 그 축에 대응하는 기계적 베어링을 일정한 유격을 두고 배치한다. 따라서, 플라이휠이 부상하여 회전하다가 낙하하였을 때 플라이휠의 축과 비상 베어링의 반경이 상기 일정한 유격 만큼 차이가 나게 되며, 이로 인해 플라이휠의 축이 비상베어링의 유격 내에서 지속적인 충격과 진동을 유발시키게 된다. 따라서, 상기와 같은 과도 상태에서의 충격과 진동은 더 큰 2차 진동을 유발시켜서 결국 장치를 제어 불능 상태로 만들게 된다.
따라서, 기존 비상베어링이 플라이휠 축과 고정된 일정한 간극을 유지하는 것과 달리 운전자의 의사에 따라 비상베어링과 플라이휠의 축과의 접촉면의 간극을 완전 접촉상태부터 최대 간극 크기까지 조정할 수 있는 구조의 플라이휠 기술이 요구되고 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2010-0046917호에는 "에너지 저장장치의 플라이휠 구조"에 관해 개시되어 있다. 한국공개특허 제2010-0046917호의 발명은 에너지 저장장치의 플라이휠 구조에 관한 것으로, 특히 플라이휠의 로터 또는 상·하면에 상·하부 쓰러스트 칼라가 각각 설치되어 있어 쓰러스트 칼라를 포함한 모든 부품을 조립 완료한 상태에서 발란싱을 완전히 마치고 시스템을 조립할 수 있어 안정적인 운전이 가능하고, 또한 무게중심을 기준으로 위·아래에서 축방향 변위를 제어하게 되어 효과적으로 진동을 제어할 수 있도록 된 에너지 저장장치에 관해 기재되어 있다.
한국공개특허 제2010-0046917호, "에너지 저장 장치의 플라이휠 구조"
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 비상베어링의 구조를 플라이휠의 부상 시 상태와 비상베어링 안착 시 상태를 최대 안정 상태로 유지하는 플라이휠 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 플라이휠 에너지 저장장치의 비상베어링 시스템은, 플라이휠을 관통하여 결합되고, 상측 및 하측에 경사면이 형성되는 회전축, 상기 회전축의 상측에 제1간극만큼 이격되어 형성되는 상부 비상베어링, 상기 회전축의 하측에 제2간극만큼 이격되어 형성되는 하부 비상베어링, 상기 상부 비상베어링의 외면을 둘러싸는 지지대 및 상기 지지대의 상부에 형성되어, 상기 지지대를 하방 가압하는 구동기를 포함한다.
여기서, 상기 상부 비상베어링은 상기 회전축의 상측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 상부 보조체를 포함하고, 상기 하부 비상베어링은 상기 회전축의 하측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 하부 보조체를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 플라이휠의 하강에 의해 상기 하부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 하측의 경사면 간의 상기 제2간극이 소멸되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 플라이휠이 하강하는 경우에 상기 구동기의 가압에 의해 상기 지지대가 하강하여 상기 상부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 상측의 경사면 간의 상기 제1간극이 소멸되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 구동기는 상하로 동작하는 유압 피스톤인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 플라이휠 에너지 저장장치는, 상측 및 하측에 경사면이 형성되는 회전축, 상기 회전축을 중심으로 회전하는 플라이휠, 상기 회전축의 상측에 제1간극만큼 이격되어 형성되는 상부 비상베어링, 상기 회전축의 하측에 제2간극만큼 이격되어 형성되는 하부 비상베어링, 상기 상부 비상베어링의 외면을 둘러싸는 지지대 및 상기 지지대의 상부에 형성되어, 상기 지지대를 하방 가압하는 구동기를 포함한다.
여기서, 상기 상부 비상베어링은 상기 회전축의 상측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 상부 보조체를 포함하고, 상기 하부 비상베어링은 상기 회전축의 하측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 하부 보조체를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 플라이휠의 하강에 의해 상기 하부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 하측의 경사면 간의 상기 제2간극이 소멸되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 플라이휠이 하강하는 경우에 상기 구동기의 가압에 의해 상기 지지대가 하강하여 상기 상부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 상측의 경사면 간의 상기 제1간극이 소멸되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 구동기는 상하로 동작하는 유압 피스톤인 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 자기부상 베어링 및 볼 베어링 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 베어링의 교체 수명을 늘리고 플라이휠 에너지 저장 용량을 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치에서 플라이휠이 하부 비상베어링으로 하강된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 플라이휠 에너지 저장장치에서 플라이휠이 하부 비상베어링으로 하강된 상태에서 상부 비상베어링이 하강하여 회전축과 밀착되는 상태를 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.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
상기의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치는 플라이휠이 정격회전속도까지 상승하는 동안 그 축을 동심을 유지한 상태로 고정시키고 같이 회전함으로써 플라이휠이 저속 구간을 안전하게 통과하도록 하고, 정격회전속도에 도달했을 때 플라이힐의 회전축과 분리되어 플라이휠이 비접촉식 베어링에 의해 부양되어 안정하게 회전하도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치는 플라이휠이 부상하여 정상운전 시 상기 플라이휠의 축과 비상베어링 사이의 간극을 두어 비접촉식 베어링에 의해 마찰 손실 없이 회전하도록 하고, 비상시 상기 플라이휠이 비접촉식 베어링으로부터 이탈하여 본 발명의 비상베어링에 안착될 때 상기 플라이휠의 회전축과 비상베어링의 접촉면의 간극을 없앰으로써 플라이휠이 진동과 충격 없이 비상베어링을 타고 돌아 속도를 감속하게 하는 기술이다. 또한, 플라이휠 에너지 저장 장치의 기동 시 플라이휠의 회전축과 비상베어링이 간극 없이 맞물려 속도가 상승하고 정격 회전속도에 도달하였을 때 비상베어링을 플라이휠로부터 분리시킴과 동시에 비접촉식 베어링에 의하여 플라이휠이 부상함으로써, 기동 초기 불안정안 회전 속도 구간을 회피할 수 있는 효과가 발생한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플라이휠 에너지 저장장치(100)는 회전축(110), 플라이휠(120), 비접촉식 베어링(130), 상부 비상베어링(140), 하부 비상베어링(150), 지지대(160) 및 구동기(170)를 포함한다. 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 각 부품들은 프레임(180)에 의해 외부로부터 차단되도록 조립될 수 있다.
회전축(110)은 긴 원통형일 수 있으며, 회전축(110)의 상측 및 하측에는 경사면이 형성되어 있어서, 끝으로 갈수록 원통의 직경이 점차 작아지는 형상으로 제작된다. 플라이휠(120)은 회전축(110)을 중심으로 고속으로 회전하며, 회전에 의해 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장한다. 플라이휠(120)의 상부에는 회전축(110)을 중심으로 비접촉식 베어링(130)이 결합되며, 비접촉식 베어링(130)은 회전축(110) 및 이에 결합된 플라이휠(120)을 부양시킨다.
상부 비상베어링(140) 및 하부 비상베어링(150)은 회전축(110)의 상측 및 하측 종단에 일정한 간격으로 이격되어 결합된다. 이때, 상부 비상베어링(140) 및 하부 비상베어링(150)은 볼 베어링 또는 롤러 베어링으로 구현될 수 있다.
상부 비상베어링(140)의 내측에는 상부 보조체(145)가 인접하게 형성되며, 마찬가지로 하부 비상베어링(150)의 내측에는 하부 보조체(155)가 인접하여 형성된다.
상부 보조체(145)는 회전축(110)의 상측에 형성된 경사면에 대응되는 각도의 경사면을 가지며, 상부 보조체(145)와 회전축(110)의 상측의 경사면은 일정한 간격(상부 간극)으로 이격되어 있다. 마찬가지로, 하부 보조체(155)는 회전축(110)의 하측에 형성된 경사면에 대응되는 각도의 경사면을 가지며, 하부 보조체(155)와 회전축(110)의 하측의 경사면은 일정한 간격(하부 간극)으로 이격되어 있다.
상부 비상 베어링(140)의 상부에는 지지대(160)가 결합되어 있다. 지지대(160)는 상부 비상베어링(140) 및 회전축(110)의 상측을 감싸도록 상면 및 측면이 차단되는 형상이며, 상부 비상베어링(140)의 외측에 결합되어서, 후술할 구동기(170)의 동작에 의해 상하로 이동할 수 있으며, 지지대(160)의 상하 이동에 의해 상부 비상 베어링(140)을 상하로 이동시키는 기능을 수행한다.
구동기(170)는 지지대(160)의 상면에 접하도록 결합되며, 상기 지지대(160)가 상하로 이동되도록 압력을 가할 수 있다. 이때, 구동기(170)는 유압 피스톤 등으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치(100)는 플라이휠(120)이 회전중일 때에는 비접촉식 베어링(130)에 의해 회전축(110) 및 이와 결합되는 플라이휠(120)이 부상하게 되며, 부상된 회전축(110)은 하부 비상베어링(150)의 하부 보조체(155) 및 상부 비상베어링(140)의 상부 보조체(145)와 각각 일정 간격으로(하부 간극 및 상부 간극) 이격되어 회전하게 된다.
만일, 비접촉식 베어링(130)의 부상 능력 밖의 외란이나 시스템 자체의 교란에 의해 플라이휠(120)이 낙하하게 되면, 하부 비상베어링(150)에 안착하여 여력의 회전력을 방출함으로써 전체 시스템을 보호하게 된다. 이 경우, 플라이휠(120)의 낙하 시에 구동기(170)는 길이 팽창하게 되어 지지대(160)를 하방으로 압박하여, 지지대(160) 및 이에 결합된 상부 비상베어링(140)을 하방으로 이동시킨다.
이로 인해, 상부 간극(141) 및 하부 간극(151)이 없어지면서 동시에 회전축(110)이 상부/하부 비상베어링(140, 150)과 동심이 일치하며 맞물리게 되므로, 플라이휠(120)이 상부/하부 비상베어링(140, 150)에 유격없이 안착하여 회전할 수 있다.
도 2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치(100)에서 플라이휠(120)이 아래로 낙하하는 상태를 나타내고 있다.
도 2에서, 플라이휠(120)이 아래로 낙하하게 되면, 플라이휠(120)은 하부 비상베어링(150)으로 안착하게 되며, 이로 인해 회전축(110)의 하측 경사면과 하부 비상베어링(150)의 하부 보조체(155) 간의 하부 간극(151)은 붙게 되고, 동시에 도 3과 같이, 구동기(170)가 작동하여 상부 비상베어링(140)이 하강함으로써 상부 간극(141)을 없애고 추가적인 힘으로 플라이휠의 회전축(110)을 내려 누름으로써, 상부/하부 보조체(145, 155)와 회전축(110)의 경사면에 의해 상부/하부 비상베어링(140, 150)과 회전축(110)은 동심을 이루며 견고하게 맞물리게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비상 베어링 시스템은 비상 베어링의 역할과 동시에, 플라이휠의 회전 속도 증가시에 운전보조 역할을 수행한다. 플라이휠 에너지 저장장치의 기동 시 또는 운전속도 이하의 저속 회전 시에, 플라이휠은 도 3에 도시된 바와 같이, 상부/하부 비상베어링(140, 150)에 의해 맞물려서 상부/하부 간극(141, 151) 없이 회전하게 되므로, 저속 회전에서 발생하는 여러 가지 진동현상을 극복할 수 있다.
이후, 플라이휠의 회전 속도가 정격 속도 구간에 도달하면 구동기(170)를 상부로 올려서 상부 비상베어링(140)의 상부 간극(141)을 확보하고, 비접촉식 베어링(130)을 이용하여 플라이휠(120)을 부상시킴으로써 하부 비상베어링(150)의 하부 간극(151)을 확보하여 도 2의 정상 운전 상태로 되돌아가게 된다.
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.

Claims (10)

  1. 플라이휠 에너지 저장장치의 비상베어링 시스템에 있어서,
    플라이휠을 관통하여 결합되고, 상측 및 하측에 경사면이 형성되는 회전축,
    상기 플라이휠 상부에 위치하여 상기 회전축 및 상기 플라이휠을 부양시키는 비접촉식 베어링,
    상기 회전축의 상측에 제1간극만큼 이격되어 형성되는 상부 비상베어링,
    상기 회전축의 하측에 제2간극만큼 이격되어 형성되는 하부 비상베어링,
    상기 상부 비상베어링의 외면을 둘러싸는 지지대 및
    상기 지지대의 상부에 형성되어, 상기 지지대를 하방 가압하는 구동기
    를 포함하는,
    플라이휠 에너지 저장 장치의 비상베어링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 비상베어링은 상기 회전축의 상측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 상부 보조체를 포함하고,
    상기 하부 비상베어링은 상기 회전축의 하측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 하부 보조체를 포함하는,
    플라이휠 에너지 저장 장치의 비상베어링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라이휠의 하강에 의해 상기 하부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 하측의 경사면 간의 상기 제2간극이 소멸되는 것인,
    플라이휠 에너지 저장 장치의 비상베어링 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라이휠이 하강하는 경우에 상기 구동기의 가압에 의해 상기 지지대가 하강하여 상기 상부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 상측의 경사면 간의 상기 제1간극이 소멸되는 것인,
    플라이휠 에너지 저장 장치의 비상베어링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동기는 상하로 동작하는 유압 피스톤인 것인,
    플라이휠 에너지 저장 장치의 비상베어링 시스템.
  6. 플라이휠 에너지 저장장치에 있어서,
    상측 및 하측에 경사면이 형성되는 회전축,
    상기 회전축을 중심으로 회전하는 플라이휠,
    상기 플라이휠 상부에 위치하여 상기 회전축 및 상기 플라이휠을 부양시키는 비접촉식 베어링,
    상기 회전축의 상측에 제1간극만큼 이격되어 형성되는 상부 비상베어링,
    상기 회전축의 하측에 제2간극만큼 이격되어 형성되는 하부 비상베어링,
    상기 상부 비상베어링의 외면을 둘러싸는 지지대 및
    상기 지지대의 상부에 형성되어, 상기 지지대를 하방 가압하는 구동기
    를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 비상베어링은 상기 회전축의 상측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 상부 보조체를 포함하고,
    상기 하부 비상베어링은 상기 회전축의 하측 경사면에 대응되는 경사면이 형성된 원통형의 하부 보조체를 포함하는,
    플라이휠 에너지 저장 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라이휠의 하강에 의해 상기 하부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 하측의 경사면 간의 상기 제2간극이 소멸되는 것인, 플라이휠 에너지 저장 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라이휠이 하강하는 경우에 상기 구동기의 가압에 의해 상기 지지대가 하강하여 상기 상부 보조체의 경사면과 상기 회전축의 상측의 경사면 간의 상기 제1간극이 소멸되는 것인, 플라이휠 에너지 저장 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 구동기는 상하로 동작하는 유압 피스톤인 것인, 플라이휠 에너지 저장 장치.
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