KR101789616B1 - 로터 베어링을 자기적으로 언로딩하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

로터 베어링을 자기적으로 언로딩하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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세쓰 로버트 샌더스
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앰버 카이네틱스, 인크.
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Abstract

로터 베어링을 언로딩하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 본 장치는 로터를 공중부양시키기 위한 전자석을 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 전자석 부근의 자기장 센서는 로터를 공중부양시키기 위한 전류를 제어하기 위해 사용된다. 또 다른 실시형태에 있어서, 로터를 회전시키는 단계와, 로터를 공중부양시켜 전자석과 로터 사이의 간극을 감소시키기 위해 전류를 증가시키는 단계와, 그 다음 전자석에 대한 전력 최소량으로 로터를 공중부양시키기 위해 전류를 감소시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

Description

로터 베어링을 자기적으로 언로딩하기 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR MAGNETICALLY UNLOADING A ROTOR BEARING}
본 발명은 일반적으로 기계적인 베어링들에 의해 지지되는 로터들에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베어링들로부터 로터의 무게를 언로딩시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
회전 운동 에너지를 저장하기 위하여 사용되는 것들과 같은 로터들은, 롤링 베어링들에 의해 전형적으로 지지되는 회전축을 따른 샤프트들을 갖는다. 따라서, 예를 들어, 수직방향으로 배향된 로터는 하부 롤링 베어링과 상부 롤링 베어링을 가질 수 있다. 그러한 구성에 있어서, 통상적으로 하부 롤링 베어링은 로터의 무게를 지지하도록 설계되어야 한다.
로터들을 지지하기 위한 롤링 베어링들의 사용이 효과적인 반면, 그러한 베어링들의 전형적인 사용은 큰 베어링들을 필요로 한다. 따라서, 예를 들어 에너지 스토리지를 위하여 사용되는 로터들은 1,000파운드(500kg)를 초과하는 무게를 가질 수 있다. 큰 무게를 지지할 수 있는 롤러 베어링들은 필연적으로 크고 비싸다. 게다가, 당해 기술분야에 공지된 바와 같이, 볼 베어링 수명은 궤도 피로(raceway fatigue)에 의해 제한되며, 베어링 하중의 큐빅 파워(cubic power)와 반비례하여 크기가 조정된다.
로터를 지지하는 롤러 베어링 상의 축선방향 하중을 감소시킬 수 있는 장치 및 방법에 대한 요구가 존재한다. 이 장치 및 방법은 현존하는 로터 디자인과 호환되어야 할 것이고 실현되기 용이해야 할 것이다.
본 발명은 수직으로 장착된 로터의 베어링들에 의해 지지되는 무게의 큰 부분을 언로딩 함으로써 종래기술의 로터 지지 장치 및 방법의 단점을 극복한다. 일 실시형태에 있어서, 바닥 베어링 상의 하중은, 바닥 베어링 조립체와 일렬로 연결된(in series with) 축선방향 스프링에 의해 결정되는 바와 같이 설정된 최소 예비부하에 대해 자기적으로 언로딩된다. 바닥 베어링 상의 예비부하는 바람직한 그리고 실제적인 최소값으로 설정될 수 있으며, 그에 따라 볼 미끄러짐 및 거의 언로딩된 바닥 베어링의 또 다른 단점들을 회피할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 이러한 예비부하의 양은, 로터의 중력에 의한 무게를 작은 차이로 초과하는 자기 양력을 인가함으로써 성취된다. 자기 양력과 로터 무게 사이의 이러한 작은 차이는, 상부 베어링 상에 위치되는 에비부하를 구성한다. 또한 본 발명은 기계적인 시스템 레이아웃, 및 상부 베어링 상의 잔여의 축선방향 예비부하를 정확하게 규정할 필요가 있는 제어를 포함한다.
이러한 수준의 자력의 인가는 3가지 본질적인 효과를 갖는다. 첫째, 바닥 베어링 상의 부하는 축선방향 스프링으로 전체적으로 그리고 정밀하게 설정될 수 있다. 둘째, 각각의 구멍 내에서 상부 및 바닥 베어링 외부 링(또는 궤도)에 대하여 미끄럼-끼워맞춤 장착된 상태로, 로터는 작은 축선방향 간극 거리만큼 들어올려진다. 이 간극은, 구심성 부하로 인한 포와송 효과 유도식 로터 축선방향 길이 변화(Poisson effect induced rotor axial length variation) 하에서, 그리고 불일치된 열 조건 하에서 하우징 및 로터의 차등 팽창을 허용하도록 제공된다. 로터가 상부 베어링 조립체에 의해 한정되는 멈춤위치까지 완전히 들어올려진 상태에서, 간격 한정 자기 구동력(gap defining magnetic actuation forces)이 정확하게 설정된다. 그와 같이, 규정된 와인딩 전류의 자기 양력은 매우 정확하고 반복가능하다. 또, 자기 간격은 최소 가능 설정(minimal possible setting)에 있기 때문에, 자기 리프팅 와인딩에 의해 요구되는 힘은 최소이다. 세째, 축선방향 예비부하 힘은 상부 베어링 상에 부여된다. 이러한 예비부하 힘은 로터의 중력에 의한 무게와 자기 양력 사이의 차이에 의해 결정된다.
어떤 실시형태들은, 플라이휠 조립체를 작동시키는 방법으로서, 상기 플라이휠 조립체는 수직 회전축선과 자성물질을 갖는 로터, 하우징에 연결되는 기계적인 베어링 조립체, 및 하우징 내에서 로터를 공중부양시키기 위해 위치되는 전자석을 포함하며, 상기 베어링 조립체는 로터와 전자석 사이에 최대 간격을 갖는 하부 위치와, 로터와 전자석 사이에 최소 간격을 갖는 상부 위치와의 사이에서 로터의 축선방향 움직임을 허용하는 방법을 제공한다. 이 방법은 로터를 갖춘 플라이휠을 상부 위치에서 작동시킬 수 있도록 전자석에 전류를 제공하는 단계를 포함한다.
어떤 또 다른 실시형태들은, 플라이휠 조립체를 작동시키는 방법으로서, 상기 플라이휠 조립체는 수직 회전축선과 자성물질을 갖는 로터, 하우징에 연결되는 기계적인 베어링 조립체, 및 하우징 내에서 로터를 공중부양시키기 위해 위치되는 전자석을 포함하며, 상기 베어링 조립체는 로터와 전자석 사이에 최대 간격을 갖는 하부 위치와, 로터와 전자석 사이에 최소 간격을 갖는 상부 위치와의 사이에서 로터의 축선방향 움직임을 허용하며, 상부 임계 전류보다 큰, 전자석에 대해 인가되는 전류는 하부 위치로부터 상부 위치로 로터를 들어올릴 수 있으며, 하부 임계 전류보다 큰, 전자석에 대해 인가되는 전류는 상부 위치에 로터를 유지시킬 수 있는 방법을 제공한다. 이 방법은: 로터가 하부 위치에 있는 상태에서, 상부 위치에 또는 상부 위치에 근접하게 로터를 공중부양시킬 수 있는 제1 임계 전류까지 전자석에 대한 전류를 증가시키는 단계; 상기 로터가 상기 상부 위치에 또는 상부 위치에 근접하게 있는 상태에서, 상부 위치에 또는 상부 위치에 근접하게 로터를 공중부양시킬 수 있는 제2 임계 전류까지 전자석에 대한 전류를 감소시키는 단계; 및 제2 임계 전류보다 크거나 같은, 전자석에 대한 전류로 상기 로터를 작동시키는 단계를 포함한다.
어떤 실시형태들은, 하우징; 로터; 베어링; 자석을 포함하는 플라이휠 장치를 제공한다. 로터는, 로터 무게 및 중력과 일치되는 회전 축선을 가지며, 자성물질을 포함한다. 자석은, 전자석을 포함하며, 상기 전자석이 상기 회전 축선을 따른 방향으로 그리고 중력에 반대로 자성물질 상에 인력을 작용하도록 위치된다. 상기 하우징과 상기 로터를 연결하는 베어링은, 상기 자석에 대해 상기 로터의 축선방향 변위 및 회전 축선 주위에서의 로터의 회전을 허용한다. 플라이휠 장치는 또한, 상기 자석과 상기 로터 사이에서 자속을 측정할 수 있는 자속 센서, 그리고 측정된 자속에 응답하여 상기 전자석에 대해 전류를 제공할 수 있는 제어 시스템을 포함하며, 상기 전류는 상기 로터의 무게를 지지할 수 있는 인력을 인가하는 임계 전류보다 크다.
일 실시형태는 사전에 결정된 축선방향 변위에 의해 로터를 자기적으로 들어올림으로써 하부 로터 베어링을 언로딩시킨다. 이 변위는 각각의 베어링 시트 내의 2개의 베어링 외부 궤도(링)들 각각의 축선방향 유격의 범위에 의해 설정된다. 이러한 리프팅 변위는 적절한 롤러 베어링 기능을 허용하는 최소 예비부하까지 바닥 베어링 상의 축선방향 부하를 감소시킨다. 예로서, 축선방향 예비부하는 베어링 정격 동적 부하 용량(bearing rated dynamic load capacity)의 최소 부분(예컨대 0.001 내지 0.10)이다.
또 다른 실시형태는 하부 로터 베어링을 언로딩하기 위한 장치를 제공한다. 이 장치는, 하우징, 자성물질을 포함하며 상부 샤프트 및 하부 샤프트를 가지는 로터, 하부 샤프트 및 하우징에 부착되는 하부 롤러 베어링, 그리고 하우징에 부착되는 리프팅 와인딩을 포함한다. 전류가 리프팅 와인딩에 제공될 때, 로터는 중력에 대항하여 들어올려져서 하부 롤러 베어링 상의 부하는 로터의 무게보다 작은 값까지 감소하게 된다.
또 다른 실시형태는, 로터가 그 무게를 초과하는 힘으로 자기적으로 들어올려질 때, 바닥 베어링 상의 축선방향 예비부하를 정밀하게 설정하는 하부 베어링의 외부 궤도와 일렬로 연결된(in series with) 축선방향 스프링을 포함한다.
일 실시형태는, 자기 리프팅 와인딩 전류의 보정된 또는 피드백 제어에 의해 베어링 예비부하를 정밀하게 설정하도록 사용되기 위해, 상부 및 하부 외부 궤도들 중 어느 하나 또는 양자 모두와 일렬로 연결된 힘 감지 요소(예컨대 스트레인 게이지)를 포함한다.
또 다른 실시형태는, 오프로딩 전자석 자속 밀도를 감지하기 위해, 홀 효과 센서와 같은 자기장 감지 요소를 포함한다. 후술하는 바와 같이, 자기력은 간격 자속 밀도의 제곱으로 매우 정확하게 조정된다. 그와 같이, 오프로더 전자석 힘은 간격 자속 밀도의 측정에 의해 정밀하게 평가될 수 있다. 이 측정된 자기장 양(measured magnetic field quantity)은 상부 베어링 상의 축선방향 예비부하 힘을 정밀하게 설정하기 위해 오프로더 제어에 편리하게 사용될 수 있다.
또 다른 실시형태는, 어떠한 직접적인 힘 센서의 사용 없이 상부 베어링 축선방향 에비부하 힘을 정밀하게 설정하기 위해 제어ㅓ 시스템 내에서, 측정된 간격 자기장 및 와인딩 전류의 사용을 결합한다.
이어지는 상세한 설명으로부터 당해 분야의 통상의 기술자들에게 명백해지는 부수적인 준비(ancillary provisions) 및 구성들과 함께 이들 구성은, 본 발명의 장치 및 방법에 의해 성취되며, 그 바람직한 실시형태들은 여기에 단지 예로서 첨부 도면들을 참조하여 보여진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 플라이휠 장치의 개략 단면도이다.
도 2a 및 2b는 제1 실시형태의 상부 베어링 조립체의 개략 단면도로서, 도 2a는 가장 아래쪽 위치에서의 로터를 나타내고, 도 2b는 가장 위쪽 위치에서의 로터를 나타낸다.
도 3은 제1 실시형태의 하부 베어링 조립체의 개략 단면도이다.
도 4는 2개의 값들의 간격에 대한 전자석 전류(electromagnet current)의 함수로서 양력(lifting force)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 플라이휠 장치의 작동시 전류가 변화할 때의 양력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 제2 실시형태의 상부 베어링 조립체의 개략 단면도이다.
도 7은 제2 실시형태의 하부 베어링 조립체의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제어 알고리즘의 일 실시형태를 설명하는 제어 시스템 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태의 플라이휠 장치의 개략 단면도이다.
도 10은 2개의 값들의 간격에 대한 자속 쇄교수(flux linkage)의 함수로서 전류를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제어 알고리즘의 제2 실시형태를 설명하는 제어 시스템 다이어그램이다.
도 12는 제2 실시형태의 자석을 갖는 본 발명의 플라이휠 장치의 개략 단면도이다. 그리고,
도 13은 제3 실시형태의 자석을 갖는 본 발명의 플라이휠 장치의 개략 단면도이다.
참조기호들과 표시들은 도면에 도시된 어떤 구성요소, 측면 또는 구성을 지시하기 위해 도면 내에서 사용되고 있으며, 도면에 도시된 유사한 구성요소, 측면 또는 구성은 하나 이상의 도면에 대하여 공통된 참조기호들과 표시들로 지시된다.
이어지는 설명은, 로터를 지지하는 통상의 롤러 베어링들의 자기 언로딩을 위하여 제공되는 장치 및 방법의 특정 실시형태를 상세하게 묘사한다. 로터 베어링들의 언로딩은 주행 마찰을 감소시키고 베어링 수명을 또한 증가시킨다. 따라서, 플라이휠 에너지 스토리지 시스템 내의 로터의 사용의 예에서, 본 발명의 언로딩은, 무시할 수 있을 수준으로 주행 마찰력을 감소시킬 수 있고 규모의 순서에 따라(by orders of magnitude) 베어링 수명을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 구성 및 방법은, 자기 리프팅 와인딩(magnetic lifting winding)에 의해 요구되는 힘이 최소가 되도록, 최소 가능 세팅(minimal possible setting)에서 로터를 위한 자기 지지(magnetic support)를 제공한다.
도 1은, 하우징(110), 회전축선(CL)을 갖는 로터(120), 로터를 지지하고 회전을 허용하기 위한 베어링들을 포함하는 제1 실시형태의 플라이휠 장치(100)의 개략 단면도이며, 베어링들은 하부 베어링 조립체(130) 및 상부 베어링 조립체(140)를 포함할 수 있다. 또한 플라이휠 장치(100)는, 자석(170); 로터(120)로부터의 힘을 더하거나 제거하기 위한 동력 구성요소(150)들; 및 제어 시스템(160)을 포함한다. 플라이휠 장치(100) 및 베어링 조립체(130 및 140)들은 중심선(CL) 주위에서 일반적으로 대칭이다. 후술하는 바와 같이, 베어링 조립체(130 및 140)들은, 로터(120)를 지지하는 한편, 화살표 A로 지시되는, 로터의 약간의 축선방향 움직임을 허용하며, 여기서 축선방향 움직임의 전체 범위는 δ로 표시되어 있다.
후술하는 바와 같이, 자석(170)은 전자석을 포함하며, 이 전자석은 또한, "오프로더(offloader)" 또는 "오프로더 전자석"과 같이, 제한 없이 지칭되며, 중력에 반대쪽으로 로터(120) 상에 힘을 제공하기 위해 작동될 수 있다. 예컨대 제어 시스템(160)에 의해 인가되는 전류에 의해, 자석(170)의 전자석이 구동될 때, 로터는, 예를 들어, 표시된 거리(δ)만큼 위쪽으로 이동할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 최소 거리 δ는, 예를 들어, 예상 차등 팽창(anticipated differential expansion)을 허용하도록, 0.25mm(0.01인치) 내지 1.0mm(0.04인치)일 수 있다.
따라서 로터(120)의 지지 부분은 자석(170)까지 이동하며, 그에 따라 베어링 조립체(130)에 대한 하향 힘(downwards force)의 양은 감소된다. 감소된 베어링 부하는, 더 작고, 더 가벼운 베어링이 사용될 수 있고/있거나 베어링 수명이 전체 로터 무게를 지지해야만 하는 베어링에 걸쳐 증가될 수 있다는 장점을 갖는다.
하우징(110)은 로터(120)를 둘러싸는 하우징 몸체(111)를 포함하고, 예를 들어, 회전하는 로터로부터 마찰 손실을 감소시키기 위해 공기를 빼낼 수 있다. 또한 하우징(110)은, 리프팅 와인딩(lifting winding)(171), 및 자성물질로 만들어지거나 자성물질을 포함하되, 그것으로 제한되지는 않는 상부 하우징 부재(173)를 포함하는, 자석(170)의 구성요소들을 포함한다. 상부 하우징 부재(173)의 자성물질은, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 강철일 수 있다. 변경 실시형태에 있어서, 자석(170)은 로터(120) 위에 위치되고 하우징(110)으로부터 분리되어 있다. 따라서 자석(170)은 로터(120) 상에 양력을 제공하도록 배열된다.
후술하는 바와 같이, 하우징(110) 및/또는 자석(170)의 다양한 실시형태는, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 자석(170) 및/또는 로터(120)의 작동 상태를 결정하기 위해 감지요소들을 포함할 수 있다.
로터(120)는 자성물질로 만들어지거나 자성물질을 포함하는 로터 몸체(121), 하부 샤프트(123), 및 상부 샤프트(125)를 갖는다. 일 실시형태에 있어서, 로터(120)는, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 강철과 같은 자성물질로 만들어지고 45kg(100파운드) 내지 27,000kg(60,000파운드)의 무게(W)를 갖는다.
동력 구성요소(150)들은, 하부 샤프트(123)에 부착되는 로터(151) 및 하우징(111)에 부착되는 스테이터(153)를 포함하는 모터-발전기를 포함할 수 있지만, 이것만으로 제한되지는 않는다. 동력 구성요소(150)들은 당해 분야에서 공지되어 있고 전기 에너지를 로터(120) 내의 회전 에너지로 변환하도록 사용된다.
일반적으로, 베어링 조립체(130, 140)들은 하우징(110) 내에서 로터(120)를 위한 회전 지지를 제공한다. 도 1에 도시된 조립체(130 및 140)들은 일반적인 것이며, 더욱 상세하게는, 후술하는 바와 같이, 하부 베어링 조립체(130)는 하부 샤프트(123)와 하우징(110)을 연결하는 롤러 베어링을 포함하고, 상부 베어링 조립체(140)는 상부 샤프트(125)와 하우징을 연결하는 롤러 베어링을 포함한다. 게다가, 베어링 조립체(130 및/또는 140)들의 다양한 실시형태들은, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 축선방향 움직임을 허용하고 베어링을 가압하는 스프링들, 베어링의 축선방향 움직임을 제한하기 위한 멈춤부, 및/또는 베어링 상의 축선방향 힘 또는 변위를 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 로터의 축선방향 성장(또는 감쇠) 및 로터(120)의 작은 축선방향 변위는, 플라이휠 조립체(100)의 작동시 대략 1 밀리미터까지의 δ 범위를 제공하기 위해서, 스프링들, 멈춤부들, 그리고 자석들의 조합에 의해 제공되거나 완화될 수 있다.
일반적으로, 베어링 조립체(130, 140)들에 대한 최소한의 요구는, 적어도 하나의 세트의 베어링들을 포함하고 로터(120)의 약간의 축선방향 움직임을 허용하는 것이다. 도 2a 및 2b는 제1 실시형태의 상부 베어링 조립체(240)의 개략 단면도이며, 여기서 도 2a는 최하부(extream lower) 위치의 로터(120)를 나타내고 도 2b는 최상부(extream upper) 위치의 로터를 나타낸다. 상부 베어링 조립체(240)는, 아래에서 명확하게 논의되는 바를 제외하면, 베어링 조립체(130 및 140)들과 전체적으로 유사하다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 상부 베어링 조립체(240)는 하우징(110) 내에서 상부 샤프트(125)를 지지한다. 더욱 상세하게는, 상부 베어링 조립체(240)는 베어링 내측부분(243), 볼 베어링(245), 및 베어링 외측부분(247)을 포함하는 베어링(241)들을 포함한다. 베어링(241)의 내측부분은, 예를 들어, 베어링 내측부분(243)이 하우징(110)에 연결되는 베어링 외측부분(247) 및 상부 샤프트(125)에 가압-끼워맞춤되는 상태로 로터(120)에 연결된다. 또한 상부 베어링 조립체(240)는, 하우징(110) 및 베어링 외측부분(241)을 연결하는 상부 축선방향 스프링(244)과, 하우징(110)에 연결되고 스프링 움직임을 제한하는 멈춤부(201)로서 지시되는 강성 편(rigid piece)을 포함한다. 스프링(244)은, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 파형 즉 벨빌 와셔(Bellville washer)일 수 있으며, 로터(120) 상에 하향 힘을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 2a의 최하부 로터 위치에서, 베어링 외측부분(241)과 하우징(110) 내에 위치된 멈춤부와의 사이에는 치수 δ의 간격이 존재한다. 도 2b의 최상부 로터 위치에서, 베어링(241)들은 베어링 외측부분(241)이 멈춤부(201)와 접촉할 때까지 위쪽으로 가압된다. 따라서 상부 베어링 조립체(240)는 로터(120)가 회전하도록 허용하고 멈춤부(201)의 크기에 의해 제한되는 축선방향 변위를 제공한다.
도 3은 제1 실시형태의 하부 베어링 조립체(330)의 개략 단면도이다. 하부 베어링 조립체(330)는, 아래에서 명확하게 논의되는 바를 제외하면, 베어링 조립체(130, 140, 및 240)들과 전체적으로 유사하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하부 베어링 조립체(330)는 하우징(110) 내에서 하부 샤프트(123)를 지지한다. 더욱 상세하게는, 하부 베어링 조립체(330)는 베어링 내측부분(333), 볼 베어링(335), 및 베어링 외측부분(337)을 포함하는 베어링(341)들을 포함한다. 베어링(331)의 내측부분은, 예를 들어, 베어링 내측부분(333)이 하우징(110)에 연결되는 베어링 외측부분(337) 및 하부 샤프트(123)에 가압-끼워맞춤되는 상태로 로터(120)에 연결된다. 또한 하부 베어링 조립체(330)는, 하우징(110) 및 베어링 외측부분(331)을 연결하는 하부 축선방향 스프링(332)과, 하우징(110)에 연결되고 스프링 움직임을 제한하는 선택적인 강성의 멈춤부(301)를 포함한다. 스프링(332)은, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 파형 즉 벨빌 와셔일 수 있으며, 로터(120) 상에 상향 힘(upwards force)을 제공하도록 구성될 수 있다. 하부 베어링(331)들은 상부 베어링(341)들과 유사할 수 있거나, 구조적으로 또는 하중 지지 능력에 있어서 상이할 수 있다.
자석(170)에 의한 로터(120) 상의 양력은 간격(g)에 의해 결정되는데, 이 간격은 로터와 자석의 극 사이의 거리이다. 간격(g)은 로터와 자석 배치에 따라 축선방향 변위(δ)와 함께 변화함이 도 1에 도시되어 있다. 따라서, 로터가 최상부 위치로 이동할 때, g는 최소이며, 로터가 거리 δ만큼 아래쪽으로 이동할 때, g는 최대거리에 있다. 게다가, 간격(g)이 변화함에 따라, 하부 축선방향 스프링(332) 및 상부 축선방향 스프링(244)과 같은 스프링들의 이동으로 인한 로터(120) 상의 힘은, 스프링 설계에 따라 변화할 수도 있다.
베어링(241 및 331)들의 외측부분들은, 2.5㎛(0.0001인치) 내지 25㎛(0.001인치)의 반경방향 간극을 가지고, 미끄럼 끼워맞춤(slip fit)으로 장착된다. 축선방향 유격(δ)은, 단지, 예를 들어, 불일치된 열 조건으로 인하여, 또는 구심 하중(centripetal loading)으로 인한 포아송 효과(Poisson effect) 유도식 로터 축선방향 길이 변화로 인하여, 하우징에 대한 로터의 필수 차등 길이 팽창(necessary differential length expansion)을 허용하도록 제공될 뿐이다.
이것은, 자석(170)이 구동될 때, 통상적으로 단지 일 단부(one end), 즉 바닥에서 필요할 뿐이다. 일 실시형태에 있어서, 미끄럼 끼워맞춤은, 자석(170)이 활동(active) (바닥 스프링(331) 및 미끄럼 끼워맞춤과 함께) 또는 비활동(inactive) (상단 스프링 및 미끄럼 끼워맞춤 필요)일 때, 축선방향 스프링(244 및 332)들로 축받침 힘 설정을 가능하게 하도록 베어링(241 및 331)들 양자 모두에 대하여 제공된다.
제어 시스템(160)은 리프팅 와인딩(171)에 전류(I)를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 상세하게는, 전류(I)가 리프팅 와인딩(171)에 인가될 때, 결과적인 자기장은 로터 몸체의 무게에 대해 정반대인 로터 몸체(121) 내의 자성물질에의 인력(attraction)을 생성시킨다. 따라서, 예를 들어, 리프팅 와인딩(171) 내의 어떠한 전류 없이는, 베어링 조립체(130 및 140)들 상의 복합 축받침 힘(combined bearing forces)들은 로터의 무게이다. 리프팅 와인딩(171)에 대한 전류의 인가로, 베어링 조립체(130 및 140)들 상의 복합 축받침 힘들은 리프팅 와인딩에의 로터(120)의 인력을 뺀 로터 무게이다.
이어지는 간소화된 해석은 플라이휠 조립체(100) 내에 포함된 그리고 특히 베어링 조립체(130 및 140)들 상의 힘들의 이해를 제공한다.
로터(120) 상의 힘들은 로터의 아래방향 무게(W), 상부 베어링(141)에 의해 발휘되는 아래방향 힘(fUB), 하부 베어링 스프링(141)에 의해 발휘되는 위쪽방향 힘(fLB), 및 자석(170)에 의해 유도되고, F로 표시될 수 있는 위쪽방향 리프팅 힘의 합력(combination)을 포함한다.
따라서 베어링(241 및 331) 상의 힘들은 W 및 F, 그리고 멈춤부(201) 및/또는 멈춤부(301)와 같은 베어링들의 움직임에 의해 맞닥뜨리게 되는 어떠한 멈춤부들과 축선방향 스프링(244 및 332)들에 의해 부과되는 힘들의 합력이다. 일반적으로 축선방향 스프링(244 및 332)들은, 양자 모두, 로터 무게(W)의 최소 부분(minimal fraction) (예컨대 0.001 내지 0.10)과 같은, 작은 양의 축선방향 예비부하를 구비할 수 있다. 로터(120)가 어떠한 고정부분과도 접촉하지 않는다는 것은 특히 중요하다. 게다가, 아래에서 논의되는 바와 같이, 로터(120)가 자석(170)에 접근함에 따라, 인력은 고정된 자석 전류 하에서 증가하며, 몇몇 방법은 최소 자석-로터 간격을 고정시키는 것이 바람직하다.
하부 축받침 힘이 양력(F)에 있어서의 증가에 의해 감소되기 때문에, 양력의 적용은 하부 베어링 조립체(130)의 베어링들 상의 힘들을 크게 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 어떤 실시형태에 있어서는, 아래에서 논의되는 바와 같이, 힘(F)은 무게(W)와 균형을 맞추도록, 또는 거의 균형을 맞추도록 조정되며, 상부 및 하부 축받침 힘들은 거의 같아지게 되고, 위에서 언급된 작은 양의 예비부하와 동일한 값을 가질 수 있다.
고 투과성 선형 자성물질의 사용에 근거한, 단순화된 해석은, F의 값이 전류(I)의 제곱에 비례하고 간격(g)의 제곱에 반비례하는 것을 보여준다. 따라서, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 도 1의 자석(170)의 전자석 구성요소들의 이상적인 모델은, 2개의 값들의 간격(g)에 대하여, 전자석 전류(I)의 함수로서, 양력(F)을 나타내는 그래프(400)로서 도 4에 도시된다. 제1 곡선(401)은 g가 최대값(g = gmax)인 경우, 즉, 로터(120)가 도 2a에 예시된 바와 같이, 최하부 위치에 있는 경우를 연산한 것이며, 제2 곡선(403)은 g가 최소값(g = gmin)인 경우, 즉, 로터가 도 2b에 예시된 바와 같이, 최상부 위치에 있는 경우를 연산한 것이다. 로터(120) 상의 자석(170)의 양력(F)은 F = k(g) × I2으로 근사치로 계산되며, 여기서 F의 방향은 도 1에서 위쪽이고, I는 리프팅 와인딩(171)에 제공되는 전류이고, k(g)는 간격(g)에 따른 상수이다. 더욱 상세하게는, g에 있어서의 감소는 k(g)를 증가시킬 것이며, 즉, 인력은 로터(120)가 전자석(170)에 접근함에 따라 더욱 커지게 된다. 무한대 투과성의 이상적인 자성물질을 가지고, k(g)는 역제곱 의존성을 나타낼 것이다.
전류가 없을 때(I = 0), 로터(120)는 최하부 위치에 있으며, 곡선(401)은 I의 함수로서 양력(F)의 값을 제공한다. 전류가 최상부 위치까지 로터를 들어올리기에 충분할 때, 양력의 값은 곡선(403)에 의해 제공되는 것까지 증가한다. 따라서 로터(120)는 전류에 따른 2개의 안정적인 기계적 위치들을 갖는다.
플라이휠 장치(100)의 역학관계를 해석하는 하나의 방식이, 전류(I)가 플라이휠 장치(100)의 작동중에 변화함에 따른 양력(F)을 나타내는 그래프(410)로서 도 5에 더 도시되어 있다. 휴지기로부터 시작하여, 간격은 최대(g = gmax)이고 자석(170)에 대한 전류의 인가는, 곡선부분(411 및 412)으로 나타낸 곡선(401)을 따라서 양력(F)을 증가시킨다. I1으로 표시된 제1, 즉, 상부 임계 전류 어딘가에서, 양력(F)은 무게(W)와, 곡선(401)의 지점(413)에 의해 표시된 바와 같이, 스프링 예비부하와 같은 로터(120) 상의 다른 힘들을 극복한다. 이 지점에서 로터(120)의 축선방향 위치는 불안정하고 로터의 약간의 위쪽방향의 축선방향 움직임 또는 전류에 있어서의 어떠한 약간의 증가는 로터가 상승하도록 야기시킬 것이며, 곡선(403) 상에서의 지점(415)에서 종결되는 곡선부분(414)에 의해 표시된 바와 같이, gmin의 값까지 g를 감소시킨다. 이러한 보다 작은 간격(g)에서, 양력(F)은 로터를 도 2a의 최상부 위치까지 가압하는, 무게(W)보다 꽤 큰 값까지 증가한다는 것에 주목하여야 한다. 임계점에서의 불안정은 인력 자석 조립체의 큰 음의 강성(large negative stiffness)으로 인한 것이다.
로터가 곡선(403)을 따라서 작동하는 상태에서, 곡선부분(416)에 의해 도시된 바와 같이, 전류(I)는 감소될 수 있다. I2로 표시된 제2, 즉, 하부 임계 전류 어딘가에서, 양력은, 곡선(403) 상의 지점(417)에서, 로터(120) 상의 힘들을 다시 균형 맞추고, 로터의 위치는 gmin의 간격까지 떨어지고 로터의 작동은 곡선(401)을 따른다. 이제 양력은 로터를 공중부양시키기에 불충분하며, 전류에 있어서의 증가는 지점(413)까지 곡선부분(412)을 따라 다시 움직인다. 따라서 전류 힘 다이어그램은, 전류에 있어서의 변화와 함께 이력현상(hysteresis)을 나타낸다.
어떤 실시형태들은 베어링들 상의, 상세하게는 하부 베어링 조립체(130) 내의 베어링에 대한 부하를 감소시키도록 본 발명의 플라이휠 조립체를 작동시킨다. 감소된 작동 부하는, 감소된 베어링 크기, 비용 및 증가된 수명을 초래한다.
따라서, 일반적으로, 자기 양력은 실질적인 음의 강성에 의해 수반된다는 것을 알 수 있다. 양력이 로터 무게와 대략 일치할 때, 그리고 그에 따라 능동적인 기계적 스프링 예비부하를 휠씬 초과하면, 수반하는 음의 강성은 또한 예비부하 스프링들의 능동적인 양의 강성(들)을 훨씬 초과한다. 결과적으로, 로터는, 2개의 극단의 축선방향 위치들 중 하나에서 안정적인 평형상태를 발견할 것이다. 이들 위치는 다음에 상응한다: 1) (기계적인 멈춤부에 의해 설정된) 자리에서의 극단의 축선방향 위치에 있는 하부 베어링 외부 궤도(lower bearing outer raceway), 또는 2) 각각의 극단의 축선방향 위치에 있는 상부 베어링 외부 궤도. 초래되는 상대적으로 높은 축선방향 강성 때문에, 극단의 축선방향 위치에서의 작동의 이러한 전략은 바람직하다. 남아있는 축선방향 컴플라이언스(remaining axial compliance)는 베어링 축선방향 강성(bearing axial stiffness), 그 자체로 인한 것이다.
자기 양력이 상부 베어링 외부 궤도가 멈춤부에 대항하여 위치되는 것을 보장하기에 충분히 큰 경우 작동은 바람직한 위치, 및 디자인인 것으로 기대된다. 이것은 베어링들을 단순하게 언로딩하기 위해 요구되는 것을 넘어 추가적인 양력을 요구한다.
상부 축선방향 극단 위치에 로터를 위치시키는 것은, 2개지 이유로 전략적이다: (i) 리프팅 구조의 자기 간격(magnetic gap)은 최소로 유지된다. 이러한 최소 간격(예컨대 1 내지 3mm)은 제조 공차로 설정된다. 이 최소 간격은 특정 양력을 성취하기 위한 전력손실(power dissipation) 및 최소 리프팅 전류를 초래하며; (ii) 자기 간격은 로터와 하우징 사이의 차등 팽창(differential expansions)으로서의 작동 조건에 걸쳐 불변(invariant)을 유지한다. 이들 차등 팽창은 바닥 베어링 시트에서 취해진다.
따라서, 평형을 위한 양력 손실은 사실상 최소로 유지되며, 양력에 영향을 미치기 위한 자석 전류는 작동시 거의 불변이다.
어떤 실시형태들에 있어서는, 양력(F)이 무게(W)와 근접하게 그리고 안정적으로 균형을 이루도록 플라이휠 장치(100)를 작동시키는 것이 바람직하다. 곡선 부분(419)은, 로터(120)가 자석(170)에 근접하도록, 그리고 양력이 로터의 무게와 가깝게 정합하도록, gmin의 간격 값으로 플라이휠 장치(100)의 안정적인 작동 범위를 나타낸다. 상세하게는, 그러한 조건에서, 로터 무게는 자석(170)이 로터의 무게를 지지하는 상태로 들어올려지며, 베어링 조립체(130)의 베어링 상의 축선방향 힘은 베어링 조립체(130) 내의 어떤 스프링의 예비부하의 양의 순서 상에(on the order of the amount of preloading) 있으며, 이것은 베어링 정격 동적 하중 용량(bearing rated dynamic load capacity)의 1%의 범위 내와 같이, 로터들의 무게의 작은 부분(small fraction)일 수 있다.
따라서 로터(120)가 들어올려진 상태로, 하부 베어링(331) 상의 하중은 축선방향 스프링(332)에 의해 정밀하게 설정되며, 상부 베어링(241) 상의 하중은 자기력 및 로터 무게의 차이에 의해 설정된다. 몇몇 조건들 하에서, 자기력과 로터 무게 사이의 차이는 상부 조립체 내의 스프링 힘을 동일하게 할 것이다. 다른 조건들 하에서, 상세하게는 음의 자석 강성이 양의 스프링 강성을 초과하는 경우에, 상부 베어링(241)은 멈춤부(210)와 접촉할 것이며, 상부 베어링(241) 상의 하중은 스프링(244)의 예비부하를 초과할 것이다. 베어링 상의 감소된 작동 하중은 감소된 베어링 크기 및 비용과 증가된 수명을 초래한다.
일 실시형태에 있어서, 제어 시스템(160)은 I1과 I2 사이에서 전류를 순환시키고, 그 다음 곡선부분(419) 상에서 I2보다 약간 높은 전류를 제공한다. 또 다른 실시형태에 있어서, 제어 시스템(160)은 플라이휠 시스템(100)의 작동 이전에 전류(I1 및 I2)들을 결정함으로써 그리고 순람표(look-up table) 내에 값들을 저장함으로써 개방루프 제어를 제공하며, 플라이휠은 그 다음 I1까지 전류를 증가시킴으로써 작동되며, 그 다음 곡선부분(419) 상에서의 작동을 위해 값 I2 약간 위의 값까지 전류를 감소시킨다.
일반적으로, 간단한 개방루프 설정 포인트로 오프로딩 자석 장치 내의 전류를 설정(또는 자석 세기를 특정)하는 것은 어려울 수 있다. 이러한 어려움은 리프팅 자석 매개변수적 불확실성들로 인한 것이다. 불확실성들은 자기 간격 및 영역 내의 기하학적 차이(geometric variation)로 인한 것이며, 제조(공차) 및 작동 양자 모두에서 발생한다. 작동시의 매개변수적 차이(parametric variation)는 다음에 응답하여 자기 간격 차이로 발생한다: (i) 로터와 하우징 사이의 차등 열 팽창, 및 (ii) 인가된 자기 양력. 상세하게는, 자기 양력은 능동적인 축선방향 스프링 로딩 요소에 대항하여 로터의 평형 위치에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다.
이어지는 논의는 센서들과 피드백 제어를 이용함으로써 로터(120)의 리프팅을 더욱 직접적으로 제어하기 위한 2개의 실시형태들을 설명한다. 첫 번째는 로터(120) 상의 힘 또는 로터의 위치를 결정하기 위한 기계적인 센서들 또는 측정을 활용한다. 두 번째는, 자속을 결정하기 위해 그리고 그에 따라 플라이휠 장치(100)의 작동 조건을 결정하기 위해, 전기적인(비-기계적인) 센서들 또는 측정을 활용한다.
기계적인 감지 및 작동 방법
어떤 실시형태들은 센서 및/또는 로터 변위의 측정을 포함한다. 어떤 실시형태들에 있어서, 제어 시스템(160)은, 전류가 실제로 가능한만큼 최소 전류(I2)에 가까워짐에 따라 최상부 위치에서 로터(120)를 작동시키도록 피드백 제어를 통하여 전류(I)를 조정하기 위해 사용될 수 있는 플라이휠 조립체(100)의 센서들로부터의 입력을 수신할 수 있다.
플라이휠 조립체(100)를 제어하기 위해 기계적인 감지를 이용하는 예로서, 하나 이상의 힘 센서들은 힘을 측정하기 위해 그리고 제어 시스템(160)에 출력을 제공하기 위해 플라이휠 조립체에 구비될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 6은 제2 실시형태의 상부 베어링 조립체(730)의 개략 단면도이고 도 7은 제2 실시형태의 하부 베어링 조립체(730)의 개략 단면도이다. 베어링 조립체(640 및 730)들은, 이후에 분명하게 논의되는 것 이외에는, 여기에서 설명된, 또 다른 베어링 조립체(130, 140, 240, 330)들과 전체적으로 유사하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상부 베어링 조립체(640)는 상부 베어링 조립체(240)의 구성요소들과 스트레인 게이지(601)를 포함한다. 스트레인 게이지(601)는 하우징(110)에 부착되며, 멈춤부(201) 및 축선방향 스프링(244)은 양자 모두 스트레인 게이지에 부착되어 있다. 따라서 상부 베어링 조립체(640)의 작동은 베어링 조립체(240)와 전체적으로 유사하며, 상부 베어링 조립체에 로터(120)로부터 전달되는 힘들을 측정하기 위해 그리고 제어 시스템(160)에 측정값을 제공하기 위해 스트레인 게이지(601)를 사용한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 하부 베어링 조립체(730)는 하부 베어링 조립체(330)의 구성요소들과 스트레인 게이지(701)를 포함한다. 스트레인 게이지(701)는 하우징(110)에 부착되며, 멈춤부(301) 및 축선방향 스프링(332)은 양자 모두 스트레인 게이지에 부착되어 있다. 따라서 하부 베어링 조립체(640)의 작동은 베어링 조립체(330)와 전체적으로 유사하며, 하부 베어링 조립체에 로터(120)로부터 전달되는 힘들을 측정하기 위해 그리고 제어 시스템(160)에 측정값을 제공하기 위해 스트레인 게이지(701)를 사용한다.
일 실시형태에 있어서, 제어 시스템(160)은 상부 베어링(241) 상의 축선방향 하중의 지표(indication)로서 상부 스트레인 게이지(601)의 신호를 받아들여 사용한다. 그 다음 스트레인 게이지(601)의 출력은, 상부 베어링(201) 상의 예비부하를 정확하게 설정하기 위해, 통상의 신호 피드백을 경유하여 또는 보정을 위하여, 저 대역폭 제어 루프 내에서 사용될 수 있다. 하부 베어링(331)의 축선방향 예비부하는 하부 축선방향 스프링(332)에 의해 설정된다.
또 다른 실시형태에 있어서, 힘(F)은 멈춤부(201)에 대항하여 로터(120)를 유지시키기 위해 사용되며, 단지 하나의 스트레인 게이지의 측정만이, 예를 들어 스트레인 게이지(601)에 의한 것처럼, 상부 베어링 내에서 요구되는 한편, 하부 베어링 조립체(130) 상에는 스트레인 게이지가 구비되지 않는다. 하부 베어링(331) 상의 축선방향 부하는 바닥 베어링 마운트 내의 예비부하 스프링에 의해 설정된다.
도 8은 아날로그 또는 디지털 제어 시스템(160)으로서 수행될 수 있는 본 발명의 제어 알고리즘(800)의 일 실시형태를 설명하는 제어 시스템 다이어그램이다. 일반적으로, 제어 알고리즘(800)은, 예를 들어, 스트레인 게이지(601)일 수 있는, 예를 들어, 힘 센서로 감지된 바와 같은 상부 베어링(241) 상의 힘의 측정값을 받아들여, 도 5의 곡선부분(419) 상에서 플라이휠 장치를 작동시키기 위해 리프팅 와인딩(171)에 전류(I)를 제공한다.
알고리즘(800)은 상부 베어링(231) 상의 소정의 축선방향 힘의 지표인 저장된 기준 신호(f*)를 가지며 잔류 힘(residual force)을 연산하고, 이것은 fresidual = k(gmin) × I2 - W 와 같이 표기될 수 있다. 잔류 힘은 스트레인 게이지(601)에 의해 감지되며, 이것은 출력 아날로그 신호(fmeasured)를 생성한다. 알고리즘(800)은 오차 신호(fe)를 생성하기 위해 f*로부터 fmeasured를 빼고, 그 다음 이 오차 신호는 리프팅 와인딩(171)에 대해 전류(I)의 소정량을 생성하기 위해 증폭된다.
비-기계적인 감지 및 작동 방법
이어지는 논의는 힘(F)을 생성하는 자속에 관한 측정에 기초한 플라이휠 조립체(100)의 제어를 위한 변형 실시형태들을 제공한다. 도 9는 제2 실시형태의 플라이휠 장치(900)의 개략 단면도이다. 플라이휠 장치(900)는, 이후에 분명하게 논의되는 것 이외에는, 플라이휠 장치(100)와 전체적으로 유사하다.
플라이휠 장치는 로터(120)보다 더욱 원통형상을 가지도록 형성되는 로터(920)를 포함하지만, 그밖에는 전체적으로 유사하다. 로터(920)는, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 도 1, 2, 3, 6 또는 7 중 어느 하나의 실시형태일 수 있는, 이전 실시형태들 중 어떤 것에도 사용될 수 있다. 대안적으로, 이 섹션의 비-기계적인 감지 및 작동 방법은, 로터(120), 또는 다른, 상이한 기하학적 형상의 로터들 내에 합체될 수 있다.
또한 플라이휠 장치는 하나 이상의 간격 자기장 감지 요소를 구비할 수 있다. 도 9는, 로터(920)와 전자석(170) 사이의 간격 내에 직접적으로 위치되어 간격 내의 자기장을 측정하는 제1 홀 센서(901)와, 전자석 리프팅 폴의 외부 가장자리 상에 위치되어, 직접적인 간격 자기장에 직접적으로 비례하는 주변 자기장을 감지하는 제2 홀 센서(903)의 위치를 나타낸다.
자기 양력(F)은 F = kBλ2으로 표현될 수 있으며, 여기서 λ는 와인딩 자속쇄교수(winding flux linkage)이고, kB는 자기 간격(g)의 본질적으로 독립적이다. 와인딩 자속쇄교수는, 와인딩 항(winding terms)의 수로 곱해지는, 간격을 법선방향으로 가로지르는 자속 밀도의 적분으로서 정의된다. 측정된 간격 자속(gap flux)의 사용, 또는 대안적으로 간격 자속에 물리적으로 비례하는 신호의 사용은, 자기 언로딩 힘의 정밀하고 정확한 제어를 위한 측정 신호를 제공한다. 도 10은, 2개의 값들의 간격에 대하여 자속쇄교수(λ)의 함수로서 전류(I)를 나타내는 그래프(1000)이며, 곡선(1001)은 최대 간격(gmax)에 대한 전류를 나타내고, 곡선(1003)은 최소 간격(gmin)에 대한 전류를 나타낸다.
자속이 영으로부터 증가함에 따라, 전류(I)는 곡선(1001)을 따라서 가장 큰 간격 치수(gmax)로 상호 와인딩 인덕턴스(reciprocal winding inductance)에 따라 비례적으로 증가한다. 이것은 와인딩 인덕턴스의 가장 작은 값이다. 자속이 증가함에 따라, 자기력은 로터 무게와 균형을 맞출 때까지 상승한다. 지점(1011)으로 표시되는, 그리고 도 5를 참조하여 위에서 논의되었던, I = I1의 임계값에서, 로터는, 곡선부분(1014)에 의해 표시되는 바와 같이 상승하여, 새로운 자기 간격(gmin) 및 상응하는 최대 와인딩 인덕턴스를 초래한다. 자속이 즉각적으로 변화할 수 없기 때문에, 와인딩 전류(I)는 I = I1으로부터 I = I2로 감소한다. 자속 추종 곡선(1003) 내에서의 증가 다음에, 최대 인덕턴스, 그리고 최소 와인딩 전류에 상응한다. 이 구역, 그리고 특히 지점(1013) 부근의 부분(1014)은, 바람직한 효율적 작동 구역을 정의한다. 자속의 그리고 와인딩 전류의 기준값들은 이러한 전이(transition)의 관찰로부터 유도될 수 있다.
도 4 및 10에서의 2개의 곡선들을 설명하는 전기적인 파라미터는 오프로더 와인딩 인덕턴스(offloader winding inductance)이다. 따라서 전류(I1 및 I2)의, 그리고 자속(λ)의 전이값들은, 즉각적인 와인딩 인덕턴스 값에 반영된다. 즉각적인 와인딩 인덕턴스 값은 와인딩 전류에 대한 자속 람다의 정적 비(static ratio)를 연산함으로써 결정될 수 있다. 대안적으로, 즉각적인 와인딩 인덕턴스 값은 와인딩 내로 소진폭 리플 신호(small amplitude ripple signal)를 주입함으로써, 그리고 리플 전류에 대한 리플 자속의 비를 분석(resolving)함으로써 결정될 수 있다. 리플 전류에 대한 리플 자속의 비는 또한 와인딩 인덕턴스에 의해 정의된다.
전류(I2)의 유도된 기준값은 전류(I)를 유도하기 위해 제어 시스템(160)에 의해 직접 사용될 수 있어, 바람직한 언로딩 힘을 제공한다. 또는, 자속에 기초한 대안적인 컨트롤러는, 제어 알고리즘(1100)의 제2 실시형태를 나타내는 도 11의 제어 시스템 다이어그램 내에 도시된 바와 같이 힘을 정밀하게 제어하기 위해 사용될 수 있다.
제어 알고리즘(1100)은 제어 시스템(160)에의 입력으로서 와인딩 전압(171)의 사용을 보여주며, 자속이 기준값 아래에 있을 때 전압을 위로 조정하고 자속이 기준값 위에 있을 때는 그 반대이다. 이러한 제어는 아날로그 또는 디지털 비례-적분(P-I) 컨트롤러로 공지된 바와 같이 수행될 수 있다. 전류(I)는 초과-전류 보호 회로 내에서의 사용을 위하여 측정될 수 있으며, 또한 컨트롤러 내에서의 사용을 위하여 보조 변수로서 사용될 수 있다. 그렇지만, 입력으로서의, 또는 출력으로서의 전류의 직접 제어는, 자속이 주된 물리적 제어 변수로서 사용되기 때문에, 불필요하다.
대안적인 자석 실시형태들
변형 실시형태들에 있어서, 위에서 설명된 플라이휠 장치 중 어느 하나라도 전자석 및 영구자석 양자 모두를 포함하는 하이브리드 자석인 자석(170)을 가질 수 있다.
도 12는 제2 실시형태의 자석(1270)을 가지는 본 발명의 플라이휠 장치(1200)의 개략 단면도이다. 플라이휠 장치(1200)는 전체적으로 위에서 설명된 플라이휠 장치 중 어느 하나와도 유사할 수 있다. 자석(1270)은 전자석, 및 영구자석(1201)인 자석(170)을 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 자석(1201)은 축선방향으로 자화된 링 자석이며, 하나의 자석일 수 있거나, 또는 몇 개의 보다 작은 원호형 자석들일 수 있다. 자석(170 및 1201)들은 공유 자속 경로들을 가지도록 배열된다.
플라이휠 장치(1200)에 있어서, 로터(920)는 자석(170 및 1201)들의 조합에 의해 상승된다. 이러한 조합은 자석(170)에 의해 요구되는 리프팅 전류의 양을 감소시키며, 그에 따라 자석(770)의 전자석의 와인딩은 플라이휠 장치(100)보다 비례적으로 작을 수 있고/있거나 와인딩 동력 필요량(winding power requirements)이 감소될 수 있다.
도 13은 제3 실시형태의 자석(1370)을 가지는 본 발명의 플라이휠 장치(1300)의 개략 단면도이다. 플라이휠 장치(1300)는 전체적으로 위에서 설명된 플라이휠 장치 중 어느 하나와도 유사할 수 있다. 자석(1370)은 전자석, 및 영구자석(1301)인 자석(170)을 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 자석(1301)은, 자석(170)의 자속 경로와 시리즈를 이루도록 구성되는, 축선방향으로 자화된, 선대칭 링 자석이다.
플라이휠 장치(1200)에서와 같이, 플라이휠 장치(1300)의 로터(920)는 전자석 및 영구자석의 조합에 의해 상승되며, 그에 따라 자석(1370)의 전자석의 와인딩은 플라이휠 장치(100)보다 비례적으로 작아질 수 있다.
여기에 설명된 각각의 방법의 일 실시형태는, 제어 시스템의 일부인 예컨대 하나 이상의 프로세서를 처리 시스템 상에서 수행하는 컴퓨터 프로그램의 형태이다. 따라서, 당해 분야의 통상의 기술자들에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 실시형태들은, 방법으로서 실시될 수도 있고, 특별한 목적의 장치와 같은 장치, 데어터 처리 시스템과 같은 장치, 또는 운반 매체, 예컨대 컴퓨터 프로그램 제품으로서 실시될 수도 있다. 운반 매체는 방법을 수행하기 위한 처리 시스템을 제어하기 위한 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 코드 세그먼트를 운반한다. 따라서, 본 발명의 측면들은 방법의 형태, 완전히 하드웨어 실시형태, 완전히 소프트웨어 실시형태 또는 소프트웨어와 하드웨어 측면들을 조합한 실시형태를 취할 수 있다. 나아가서, 본 발명은 매체 내에서 실시되는 컴퓨터-판독가능 프로그램 코드 세그먼트들을 운반하는 운반 매체(예컨대 컴퓨터-판독가능 저장 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품)의 형태를 취할 수 있다. 어떠한 적절한 컴퓨터 판독가능 매체라도 디스켓이나 하드디스크와 같은 자기 저장 장치, 또는 CD-ROM과 같은 광학 저장 장치를 포함하여 사용될 수 있다.
논의된 방법들의 단계들은 스토리지 내에 저장된 지시(코드 세그먼트들)를 수행하는 처리(즉, 컴퓨터) 시스템의 적절한 프로세서(또는 프로세서들)에 의해 일 실시형태 내에서 수행되는 것을 알 수 있을 것이다. 또한 본 발명은 어떤 특정 수행 또는 프로그래밍 기술로 제한되지 않으며 여기에 설명된 기능을 수행하기 위한 다른 어떤 적절한 기술들을 이용하여 수행될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 어떤 특정 프로그래밍 언도 또는 작동 시스템으로 제한되지 않는다.
"하나의 실시형태(one embodiment)" 또는 "일 실시형태(an embodiment)"에 대한 본 명세서 전체에 걸친 참조는, 본 실시형태와 연관되어 설명되는 특정한 구성, 구조 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태 내에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐서 다양한 위치에서의, "하나의 실시형태에 있어서(in one embodiment)" 또는 "일 실시형태에 있어서(in an embodiment)"라는 문구의 출현은, 동일한 실시형태를 필수적으로 모두 참조하지는 않는다. 나아가서, 특정의 구성, 구조 또는 특징은, 하나 이상의 실시형태에 있어서, 본 명세서로부터 당해 분야의 통상의 기술자 중 하나에게 명백한 바와 같이, 어떤 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐서, "포함하는(comprising)"이라는 용어는, "포함하는(including)", "함유하는(containing)", 또는 "특징으로 하는(characterized by)"과 유사어이며, 포괄적이거나 개방적이며, 부가적인, 나열되지 않은(unrecited) 요소들 또는 방법 단계들을 배제하지 않는다. "포함하는(comprising)"은 명명된 요소들이 본질적인 것을 의미하는 당해 분야의 용어이지만, 또 다른 요소들이 추가될 수 있고 선언의 범주 내에서 구성(construct)을 여전히 형성한다. "포함하는(comprising)"은, 심지어 주된 양에 있어서(in major amounts) 특정되지 않은 구성요소(ingredients)의 포함을 위하여 개방성을 남겨놓는다.
마찬가지로, 본 발명의 예시적인 실시형태들의 상기 설명에 있어서, 본 발명의 다양한 구성들은, 때때로, 다양한 독창적인 측면들 중 하나 이상의 이해를 도와줄 목적으로 그리고 개시(disclosure)를 간소화(streamlining)할 목적으로, 단일의 실시형태, 도면, 또는 그에 대한 설명 내에 함께 무리지어짐(grouped)을 인식할 수 있을 것이다. 그렇지만, 개시의 이러한 방법은, 청구된 발명이 각각의 청구항 내에서 분명히 언급되는 것보다 더 많은 구성을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이어지는 청구항들이 반영하는 바와 같이, 발명의 측면들은 단일의 전술된 실시형태의 모든 구성들보다 적은 것에 있다. 따라서, 상세한 설명을 추종하는 청구항들은, 각각의 청구항이 본 발명의 개별적인 실시형태로서 자기 자신에 기초하는 상태로, 본 상세한 설명 내에 분명히 합체되어 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태들이라고 믿어지는 것을 설명하였지만, 당해 분야에서 통상의 기술자라면 또 다른 수정들이 본 발명의 정신을 벗어남 없이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이며, 그러한 모든 변경 및 수정이 본 발명의 범주 내에 있음을 청구하고자 한다. 예를 들어, 위에서 주어진 어떠한 공식도, 사용될 수 있는 절차를 그저 나타낼 뿐이다. 기능(functionality)이 블록 다이어그램으로부터 부가되거나 삭제될 수 있으며 작동(operations)은 기능 블록들 사이에서 교환될 수 있다. 단계들은 본 발명의 범주 내에서 설명된 방법들에 부가되거나 삭제될 수 있다.
100: 플라이휠 장치
110: 하우징
120: 로터
130: 하부 베어링 조립체
140: 상부 베어링 조립체
160: 제어 시스템
170: 자석

Claims (20)

  1. 플라이휠 조립체를 작동시키는 방법으로서,
    상기 플라이휠 조립체는 수직 회전축선과 자성물질을 갖는 로터, 하우징에 연결되는 베어링 조립체, 및 하우징 내에서 로터를 공중부양시키기 위해 위치되는 자석을 포함하며, 상기 베어링 조립체는 하부 위치와 상부 위치와의 사이에서 로터의 축선방향 움직임을 제한하며, 상기 로터가 하부 위치에 있을 때의 상기 자석과 상기 로터 사이의 간격은 상기 로터가 상부 위치에 있을 때의 상기 자석과 상기 로터 사이의 간격보다 크며, 상기 베어링 조립체는 상기 하우징에 연결되는 멈춤부 및 베어링을 포함하며, 상기 로터는 상기 베어링이 상기 멈춤부와 접촉할 때 상부 위치에 있으며, 상기 방법은:
    상기 베어링이 상기 멈춤부와 접촉하지 않은 경우, 상기 베어링이 상기 멈춤부와 접촉하도록 하기 위해 상기 자석에 대해 하부 위치로부터 상부 위치로 상기 로터를 들어올릴 수 있는 상부 임계 전류를 제공하는 단계와;
    상기 베어링의 비-회전부가 상기 멈춤부와 접촉한 경우, 상기 베어링이 상기 멈춤부와의 접촉을 유지할 수 있도록 하기 위해 상기 자석에 대해 하부 임계 전류를 제공하는 단계;
    를 포함하며,
    여기서 상기 상부 임계 전류는 상기 하부 임계 전류보다 크거나 같은,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상부 위치까지 로터를 공중부양시킨 다음 상기 로터가 상기 하부 위치로 되돌아갈 때까지 전류를 감소시킴으로써 하부 임계 전류를 결정하는 단계를 더 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 임계 전류 및 상기 하부 임계 전류는 사전에 결정되어 있으며, 상기 방법은:
    개방 루프 제어를 이용하여 상기 자석에 대한 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    로터의 힘 또는 변위를 측정하는 단계; 및
    측정값으로부터의 피드백을 이용하여 상기 자석에 대한 전류를 제어하는 단계; 를 더 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 자석의 자기적 또는 전기적 특성을 측정하는 단계; 및
    측정값으로부터의 피드백을 이용하여 상기 자석에 대한 전류를 제어하는 단계; 를 더 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  6. 플라이휠 조립체를 작동시키는 방법으로서,
    상기 플라이휠 조립체는 수직 회전축선과 자성물질을 갖는 로터, 하우징에 연결되는 베어링 조립체, 및 하우징 내에서 로터를 공중부양시키기 위해 위치되는 자석을 포함하며, 상기 베어링 조립체는 하부 위치와 상부 위치와의 사이에서 로터의 축선방향 움직임을 제한하며, 상기 로터가 하부 위치에 있을 때의 상기 자석과 상기 로터 사이의 간격은 상기 로터가 상부 위치에 있을 때의 상기 자석과 상기 로터 사이의 간격보다 크며, 상기 베어링 조립체는 상기 하우징에 연결되는 멈춤부 및 베어링을 포함하며, 상기 로터는 상기 베어링이 상기 멈춤부와 접촉할 때 상부 위치에 있으며, 상부 임계 전류보다 큰, 상기 자석에 대해 인가되는 전류는 하부 위치로부터 상부 위치로 로터를 들어올릴 수 있으며, 하부 임계 전류보다 큰, 상기 자석에 대해 인가되는 전류는 상부 위치에 로터를 유지시킬 수 있으며, 상기 방법은:
    상기 베어링이 상기 멈춤부와 접촉하지 않은 상태에서, 하부 위치로부터 상부 위치로 또는 상부 위치에 근접하게 로터를 공중부양시킬 수 있는 상부 임계 전류까지 상기 자석에 대한 전류를 증가시키는 단계;
    상기 베어링의 비-회전부가 상기 멈춤부와 접촉한 상태에서, 하부 임계 전류까지 상기 자석에 대한 전류를 감소시키는 단계; 및
    하부 임계 전류보다 크거나 같은, 상기 자석에 대한 전류로 상기 로터를 작동시키는 단계; 를 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 로터가 상기 상부 위치에 또는 상부 위치에 근접하게 있는 상태에서, 상기 로터가 상기 하부 위치로 되돌아갈 때까지 상기 자석에 대해 인가되는 전류를 감소시킴으로써 하부 임계 전류를 결정하는 단계를 더 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상부 임계 전류 및 하부 임계 전류는 사전에 결정되어 있고 상기 로터를 작동시키는 단계는 상기 자석에 대해 인가되는 전류의 개방 루프 제어 단계를 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 로터를 작동시키는 단계는 로터의 변위 또는 로터 상의 힘을 측정하는 단계를 포함하며, 상기 로터를 작동시키는 단계는 상기 자석에 대한 전류의 폐쇄 루프 제어에 측정값을 이용하는 단계를 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 로터를 작동시키는 단계는 상기 자석의 전기적 또는 자기적 특성을 측정하는 단계를 포함하며, 상기 로터를 작동시키는 단계는 상기 자석에 대한 전류의 폐쇄 루프 제어에 측정값을 이용하는 단계를 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 측정 단계는 자석 와인딩 내의 전류의 측정 및 자속의 측정으로부터 자석 인덕턴스를 측정하는 단계를 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 측정 단계는 자석 와인딩 내에 인가된 전압 및 전류의 측정으로부터 자석 인덕턴스를 결정하는 단계를 포함하는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  13. 플라이휠 장치로서,
    하우징;
    로터 무게 및 중력과 일치되는 회전 축선을 가지며, 자성물질을 포함하는 로터;
    상기 회전 축선을 따른 방향으로 그리고 중력에 반대로 자성물질 상에 인력을 작용하도록 위치되는 자석;
    상기 로터와 상기 자석 사이에서 최대 간격을 가지는 하부 위치와, 상기 로터와 상기 자석 사이에서 최소 간격을 가지는 상부 위치와의 사이에서 상기 로터의 축선방향 움직임을 제한하는 베어링 조립체;
    상기 자석과 상기 로터 사이의 자속, 상기 로터의 위치, 및 상기 로터 상의 힘으로 이루어지는 군에서 적어도 하나를 측정할 수 있는 하나 이상의 센서; 그리고
    하나 이상의 상기 센서의 측정에 응답하여 상기 자석에 대해 전류를 제공할 수 있는 제어 시스템으로서, 상기 전류는 상기 로터의 무게를 지지할 수 있는 인력을 인가하는 임계 전류보다 큰 제어 시스템; 을 포함하며,
    상기 베어링 조립체는,
    상기 하우징과 상기 로터를 연결하는 베어링으로서, 회전 축선 주위에서의 로터의 회전을 허용하는 베어링과,
    상기 하우징에 연결되는 멈춤부로서, 상기 베어링의 비-회전부가 상기 멈춤부와 접촉할 때 상기 로터는 상부 위치에 있게 되는 상기 멈춤부
    를 포함하는,
    플라이휠 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 자석은 영구자석을 포함하는,
    플라이휠 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 베어링의 비-회전부는 상부표면과 하부표면을 포함하며,
    상기 하부 임계 전류는 상기 베어링의 비-회전부의 상기 상부표면이 상기 멈춤부와 접촉한 경우 상기 자석에 대해 제공되는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라이휠 조립체는 하부 베어링 및 하부 멈춤부를 포함하는 하부 베어링 조립체를 더 포함하며,
    상기 로터는 상기 하부 베어링의 비-회전부의 하부표면이 상기 하부 멈춤부와 접촉할 때 상기 하부 위치에 있게 되는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  17. 청구항 6에 있어서,
    상기 베어링의 비-회전부는 상부표면과 하부표면을 포함하며,
    상기 전류는 상기 베어링의 비-회전부의 상기 상부표면이 상기 멈춤부와 접촉한 경우 상기 하부 임계 전류까지 감소되는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  18. 청구항 6에 있어서,
    상기 플라이휠 조립체는 하부 베어링 및 하부 멈춤부를 포함하는 하부 베어링 조립체를 더 포함하며,
    상기 로터는 상기 하부 베어링의 비-회전부의 하부표면이 상기 하부 멈춤부와 접촉할 때 상기 하부 위치에 있게 되는,
    플라이휠 조립체 작동방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 로터는 상기 베어링의 비-회전부의 상부표면이 상기 멈춤부와 접촉할 때 상기 상부 위치에 있게 되는,
    플라이휠 장치.
  20. 청구항 13에 있어서,
    상기 플라이휠 장치는 하부 베어링 조립체를 더 포함하며,
    상기 하부 베어링 조립체는:
    상기 하우징과 상기 로터를 연결하는 하부 베어링으로서, 회전 축선 주위에서의 로터의 회전을 허용하는 상기 하부 베어링과,
    상기 하우징에 연결되는 하부 멈춤부로서, 상기 하부 베어링의 비-회전부의 하부표면이 상기 하부 멈춤부와 접촉할 때 상기 로터는 하부 위치에 있게 되는 상기 하부 멈춤부
    를 포함하는,
    플라이휠 장치.
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