KR101870339B1 - 플라이휠 에너지 시스템 - Google Patents

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제프리 앨런 벨트리
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Abstract

에너지 저장 시스템은 구동 샤프트부가 원통형 강자석 로터부에 부착된 플라이휠과 하우징을 구비한다. 구동 샤프트부는 로터부가 회전을 위해 장착된 실질적인 수직축을 정의한다. 전자기 구성부품들이 없는 환형 영구자석으로 구성된 기계 베어링 어셈블리는 로터부 위로 수직축 주위로 중심 고정식으로 하우징에 장착되어 영구자석의 하부면을 향해 로터부를 축방향 위로 끌어당김으로써, 플라이휠의 무게의 상당한 부분을 지탱한다. 적어도 하나의 낮은 마찰 기계 베어링 어셈블리가 로터부의 반경방향 포지셔닝을 제공하고 하부면에 대해 로터부의 적어도 상부 축방향 이동을 제한하기 위해 구동 샤프트부 주위로 하우징내에 장착된다. 환형 영구자석은 자속을 복귀 경로에 제공하는 밸런스로 로터의 단부면의 일부 위에 놓인다.

Description

플라이휠 에너지 시스템{FLYWHEEL ENERGY SYSTEM}
본 발명은 플라이휠 에너지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필요시 전기 에너지로서 저장된 운동 에너지의 방출을 위해 회전 플라이휠의 운동 에너지로서 전기 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
대용량 에너지 저장장치는 전력분배를 현대화하는 것과 관련된 많은 문제들을 해결할 가능성이 있다. 이들 문제들 중 일부는 단속적 재생가능한 에너지 발생 관리, 전기부하 쉬프팅, 블랙 스타트(black-start) 능력, 전기가격 요동 관리 및 백업 전원을 포함한다.
현재, 에너지 저장 산업이 직면한 문제를 해결하기 위해 시도한 대용량 에너지 저장기술들이 여러 있다. 이들 기술은 진보된 배터리, 전기화학적 커패시터(EC), 양수발전(pumped hydro), 압축공기 에너지 저장장치, 및 플라이휠 기술을 포함한다.
진보된 배터리 기술로, 한가지 이런 기술인 납축전지는 전력 품질 및 이런 배터리와 관련한 가격이 저렴해 UPS 애플리케이션용으로 인기 있는 선택이었다. 그러나, 대용량 애플리케이션용 납축전지의 효과는 이런 배터리의 매우 ?은 수명주기 및 가변 방전율에 의해 제한된다. 리튬-이온 배터리는 훨씬 더 긴 수명 주기로 인해 종종 납축전지에 대한 대안 또는 대체로 보인다. 리튬-이온 배터리의 개발은 원래 운반, 주거, 및 상업적 사용을 위한 적용 가능성 때문에 자동차 산업에서 비롯되어 추진되어 왔다. 그러나, 적합한 에너지 저장기술로서 리튬-이온 배터리의 효과는 이런 배터리의 제조와 관련된 높은 단가와 리튬-이온 배터리의 대용량 실행과 관련된 안전 문제에 의해 제한된다. 금속공기 배터리는 가장 컴팩트하고 제조하기에 비용이 적게 드는 배터리이다. 그러나, 금속공기 배터리의 효과는 이런 배터리의 매우 짧은 수명주기 및 저효율(가령, 약 50%)에 의해 제한받는다. 대용량 실행을 위한 방안으로서 유망함을 보여준 하나의 특별한 배터리 기술은 나트륨-황(NaS) 베터리 기술이다. NaS 배터리는 에너지 밀도가 높으나 고온의 동작 온도를 필요로 하며 상대적으로 수명기간이 짧다. 상술한 배터리 기술은 일반적으로 평균 AC에서 약 64%의 AC 라운드-트립 효율을 갖는다. 더욱이, 전기화학 배터리 기술은 일반적으로 충전/방전 싸이클 회수에 의해 열화되는 사용 수명을 갖는다.
전기화학 커패시터(EC)도 또한 에너지 저장장치 방안으로서 사용된다. EC는 더 긴 수명 싸이클을 갖고 납축전지보다 더 강력한 에너지 저장 디바이스이다. 그러나, 고가이고 에너지 밀도가 낮기 때문에 대용량 프로젝트에 EC를 구현하기에 적합하지 않다.
에너지 저장 기술의 대용량 구현을 위한 가능한 방안은 양수발전이다. 종래 양수발전은 2개의 수조를 이용하며, 상기 수조들은 수직으로 떨어져 있고 이에 따라 중력에 의해 높은 포텐셜 에너지 높이에서 낮은 포텐셜 에너지 높이로 이동하는 물 에너지와 관련된 에너지 포텐셜을 갖는다. 비수기 시간 동안, 전력은 물을 저위 수조에서 상위 수조로 펌프하는데 사용된다. 전기 에너지 수요가 증가함에 따라, 전기를 발생하기 위해 유수량은 반대로 된다. 양수발전장치는 전력망에서 사용시 가장 폭넓은 에너지 저장시스템이다. 양수발전을 위한 주요 적용은 에너지 관리 및 주파수 컨트롤이다. 양수발전에 관한 주요 결함은 고유의 부지요건과 선불 자본비용이 크다는 것이다.
또 다른 포텐셜 에너지 저장 방안은 압축공기에너지 저장(Compressed Air Energy Storage, CAES)이다. CAES는 압축공기와 천연가스의 결합을 이용한다. 모터는 비수기때 압축공기를 지하동굴에 밀어 넣는다. 성수기때, 압축공기는 가스와 결합하여 터빈 발전소를 구동시키는데 사용된다. CAES는 천연가스 발전소만큼이나 많이 대략 40%의 가스를 사용한다. CAES는 양수발전과 같이 유사한 광범위한 사용 제한, 즉, 부지위치와 큰 선불 자본비용을 갖는다.
대용량 에너지 저장수단을 위한 또 다른 제안은 플라이휠 에너지 저장 시스템으로서, 상기 시스템은 상술한 에너지 저장 기술에 대한 대안으로 부상하고 있다. 이런 시스템은 현재 2개의 주요 상업적 적용, 즉, 무정전 전원공급장치(UPS) 및 전력 주파수 제어(FR)에 사용된다. UPS와 FR은 모두 초 단위로 그리고 초의 부분수로 측정되는 매우 빠른 충전 및 방전시간을 필요로 한다. 플라이휠 기술은 높은 신뢰도, 더 긴 서비스 수명, 매우 낮은 유지비용, 더 높은 전력능력, 및 환경친화성을 포함해 다른 에너지 저장 기술보다 많은 이점이 있다. 플라이휠 에너지 저장 시스템은 하우징 내부에 마찰이 적은 베어링 시스템에 의해 지지되는 회전 플라이휠에 에너지를 저장한다. 연결된 모터/발생기는 입력된 전기 에너지를 저장하기 위한 플라이휠은 가속시키고 이 에너지를 회수하기 위한 플라이휠은 감속시킨다. 전력 전자기기는 시스템 안팎으로 에너지의 흐름을 유지하여 단전을 완화하거나 대안으로 피크 부하를 관리한다. 종래 플라이휠 설계는 전자기 베어링 시스템과 관련된 전기 기생손실이 높기 때문에 이들의 사용을 상술한 짧은 기간 적용에 제한시킨다.
플라이휠을 고속으로 회전시키도록 지지하는 한가지 방법은 볼베어링 어셈블리와 같은 롤링요소 기계 베어링 어셈블리를 이용하는 것이다. 이런 기계 베어링 어셈블리의 수명은 이 같은 기계 베어링 어셈블리가 지탱해야 하는 하중에 크게 영향받는다. 기계 베어링 어셈블리를 이용한 플라이휠 에너지 저장 시스템의 수명을 늘리기 위해, 자기 베어링이 상기 기계 베어링들에 대한 하중을 줄이기 위해 기계 베어링들과 조합하여 사용될 수 있다. 이런 예로, 플라이휠의 로터부는 수직축 주위로 회전하고 기계 베어링 어셈블리는 상기 기계 베어링 어셈블리가 플라이휠의 축방향 하중을 지탱하거나 지지하는 동안 반경방향 지지를 제공한다. 통상적으로, 플라이휠 설계는 이 목적으로 전자기 스러스트 베어링을 이용해 왔다.
2004년 3월 23일자로 간행된 미국특허출원 No. 6,710,489(이하 "Gabrys I"라 함)는 플라이휠 로터부를 축방향으로 지지하는데 사용된 복수의 자기 베어링 어셈블리의 사용을 개시하고 있다. 이런 플라이휠 에너지 저장 시스템은 또한 플라이휠 로터부에 반경방향 지지를 각각 제공하나, 플라이휠 로터부를 축방향으로 구속시키지 못하는 다수의 기계 베어링 어셈블리들을 갖는다. 축방향으로 구속되지 못하는 기계 베어링 어셈블리를 갖는 이런 시스템의 설계는 실질적으로 플라이휠 또는 로터의 전체 축방향 하중이 자기 베어링에 분포되는 것을 보장하므로, 기계 베어링 어셈블리들에 대한 마모를 줄인다. 이런 식으로, 이런 플라이휠 로터부는 효과적으로 "부유"한다. Gabrys I 시스템은 자기 베어링들, 즉, 수동(영구) 자석용 척력 베어링이거나 활발히 컨트롤되는 전자석용 인력 베어링을 사용해 로터를 축방향으로 위치시킨다. 인력 베어링이 이용될 경우, 인력의 조절에 의해 플라이휠의 축방향 위치를 조절하는데 컨트롤 시스템이 필요하다. 이런 시스템은 상대적으로 복잡하고 동작시 동안 상당한 전력을 흡수하고 이에 따라 짧은 기간 적용으로 그 사용을 제한한다.
2004년 10월 19일자로 간행된 미국특허출원 No. 6,806,605(이하 "Gabrys Ⅱ"라 함)도 또한 회전 물체를 지지하기 위한 자기 베어링의 사용을 개시하고 있다. 보다 상세하게, Gabrys Ⅱ는 전자기 래디얼 자기 베이링이 원주상 멀티피스 구성을 갖는 회전부를 갖는 영구자석 스러스트 베어링을 개시하고 있다. 이 전자기 래디얼 자기 베어링은 래디얼 스티프니스(radial stiffness)를 제공하며, 상기 래디얼 스티프니스는 플라이휠이 고속으로 회전되는 적용들은 플라이휠이 회전축에 정확히 회전될 것을 필요로 하기 때문에 바람직하다. 따라서, Gabrys Ⅱ는 자력(磁力)을 이용해 (i) 플라이휠을 현수시키는 축방향 힘과, (ii) 정확한 회전축을 유지하기 위한 노력으로 플라이휠에 중심을 맞추거나 안정화시키는 반경방향 힘을 제공하는 플라이휠 에너지 저장 시스템을 개시하고 있다. Gabrys Ⅱ는 플라이휠의 안정적 공중부양을 의도적으로 유지하는 스러스트를 발생하는 반발 자력에 의해 플라이휠이 축방향 및 반경방향으로 지지하는 플라이휠 시스템을 또한 개시하고 있다. 영구자석으로부터 발생된 반발 자력은 시간이 지남에 따라 쇠퇴하는 것으로 알려져 있다; 따라서, 장치의 기계적 고장 가능성이 있다.
CS Hearn이 저술한 Low Cost Energy Storage for a Fuel Cell Powered Transit Bus라는 제목의 논문은 패시브 리프트 마그네트(passive lift magnets)가 기계 베어링에 대한 축방향 하중을 줄이는데 사용되는 플라이휠 구조를 기술한다. 기계 베어링은 플라이휠의 로터를 축방향으로 위치시킨다. Hearn에 도시된 구조로부터 발생한 자기경로는 상대적으로 분산되어 있어, 기계 베어링 정렬과 함께, 상대적으로 비효율적인 지지 시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 단점을 없애거나 완화하는 것이다.
본 발명의 일태양에 따르면,
a) 단부면을 갖는 제 1 하우징과,
b) 로터가 제 1 하우징내에 회전하게 장착되는 실질적인 수직축을 정의하는 구동 샤프트 및 상기 구동 샤프트와 함께 회전가능한 로터를 가지며 강자성을 갖는 적어도 하나의 플라이휠과,
c) 상기 단부면과 상기 로터 사이에 나란히 배치되고, 상기 단부면을 향해 축방향으로 위로 상기 로터를 끌어당겨 상기 플라이휠의 무게를 적어도 부분적으로 지탱하도록 제 1 하우징 및 상기 로터 중 하나에 장착된 적어도 하나의 영구자석을 갖는 자기 베어링 어셈블리와,
d) 상기 단부면과 로터 사이에 최소 간격 갭이 정의되도록 상기 단부면에 대해, 상기 로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하고 로터의 적어도 상부 축방향 이동을 제한하기 위해 상기 제 1 하우징과 상기 로터 사이에 작용하는 제 1 기계 베어링 어셈블리와,
e) 상기 구동 샤프트를 따라 상기 제 1 베어링 어셈블리로부터 이격되고 상기 로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하기 위해 상기 제 1 하우징과 상기 로터 사이에 작용하며, 상기 샤프트와 상기 하우징 사이에 상대 축방향 이동을 허용하는 제 2 기계 베어링 어셈블리를 구비하는 에너지 저장 시스템이 제공된다.
바람직하기로, 영구자석은 단부면에 고정된다.
바람직하기로, 상기 하나의 기계 베어링 어셈블리는 또한 하부면과 로터부 사이에 최대 간격 갭이 더 정의되도록 하부면에 대해 로터부의 하방 축방향 이동을 제한한다.
본 발명의 또 다른 일태양에 따르면,
a) 단부면을 갖는 제 1 하우징과,
b) 로터가 제 1 하우징내에 회전하게 장착되는 실질적인 수직축을 정의하는 구동 샤프트 및 상기 구동 샤프트와 함께 회전가능한 로터를 가지며 강자성을 갖는 적어도 하나의 플라이휠과,
c) 상기 단부면과 상기 로터 사이에 나란히 배치되고, 상기 단부면을 향해 축방향으로 위로 상기 로터를 끌어당겨 상기 플라이휠의 무게를 적어도 부분적으로 지탱하도록 적어도 하나의 환형 영구자석이 제 1 하우징 및 상기 로터 중 하나에 장착된 자기 베어링 어셈블리와,
d) 상기 단부면과 상기 로터 사이에 최소 간격 갭이 정의되도록 상기 로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하고 하부면에 대해 로터부의 적어도 상부 축방향 이동을 제한하기 위해 구동 샤프트 주위로 제 1 하우징내에 장착된 적어도 하나의 기계 베어링을 구비하고,
상기 단부면과 상기 로터는 상기 하우징과 상기 로터 사이에 자속 경로를 확립하도록 상기 영구자석 너머로 반경방향으로 뻗어 있는 에너지 저장 시스템이 제공된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
첨부도면을 참조로 단지 예로써 본 발명의 실시예를 설명한다:
도 1은 에너지 저장 시스템의 정면 사시도이다.
도 2는 도 1의 선Ⅱ-Ⅱ을 따른 횡단면도이다.
도 3은 부분적인 해체 상태로 도 2의 도면과 유사한 도면이다.
도 3a는 또한 해체된 도 3의 도면과 유사한 도면이다.
도 4는 도 2의 상부 확대도이다.
도 5는 도 2의 하부 확대도이다.
도 6a는 자기 스러스트 베어링 어셈블리의 다른 제 1 실시예의 저면도이다.
도 6b는 도 6a의 선 6B-6B를 따른 횡단면도이다.
도 6c는 도 6b의 둘러싼 영역(6c)의 확대도이다.
도 7a는 자기 스러스트 베어링 어셈블리의 다른 제 2 실시예의 저면도이다.
도 7b는 도 7a의 선 7B-7B를 따른 횡단면도이다.
도 7c는 도 7b의 둘러싼 영역(7c)의 확대도이다.
도 8은 자기 스러스트 베어링 어셈블리에 의해 발생된 원형 자속 패턴을 도시한 도 4의 영역의 도표이다.
도 9는 집단 컨테이너 내에 포함된 에너지 저장 시스템 어레이의 사시도로서, 집단 컨테이너가 부분적으로 절단되어 있다.
도 10은 도 9에 도시된 집단 컨테이너와 각각 유사한 집단 컨테이너 어레이의 사시도이다.
도 11은 각각 에너지 저장 시스템을 수용하는 오르막 돔형 천장 어레이의 사시도이다.
도 12는 각각 에너지 저장 시스템을 수용하는 내리막 돔형 천장 어레이의 사시도이다.
도 13은 에너지 저장 시스템의 다른 구성이다.
본 발명은 특정 실시예를 참조로 기술되었으나, 특허청구범위에 약술된 본 발명의 기술사상과 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변형들이 당업자에 명백할 것이다. 상기 언급된 모든 참조문헌들의 전체 개시는 본 명세서에 참조로 합체되어 있다.
도 1은 2개의 주요 구성부품들, 즉, 하기에 더 상세히 기술된 바와 같이 회전식으로 장착된 플라이휠(도 1에 미도시)을 포함한 제 1 하우징(21)과 상기 제 1 하우징(21) 위에 탈착식으로 장착된 제 2 하우징(22)을 갖는 모듈 시스템으로 구성된 에너지 저장 시스템(20)의 사시도이다. 제 2 하우징(22)은 설명이 전개됨에 따라 더 명백해지는 식으로 시스템 동작시 플라이휠을 구동시키거나 플라이휠에 의해 구동되도록 상기 플라이휠에 결합된 모터/발전기(도 1에 미도시)를 포함한다.
도 1에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 제 1 하우징(21)은 상부 영역에서 반경방향 외부로 돌출한 외주 플랜지(23)에서 끝나는 원통형 외벽(28)을 갖고, 하부 영역에서 환형 기저판(33)에 의해 닫힌다. 기저판(33)은 바람직하게는 원통형 외벽(28) 너머로 외주 플랜지(23)의 반경방향 거리와 실질적으로 같은 반경방향 거리로 돌출한다. 원통형 외벽(28)은 복수의 이격된 수직 리브들(29)이 원주 주변으로 규칙적인 간격으로 보강되어 있고, 상기 리브들은 기저판(33)과 반경방향 외부로 돌출한 외주 플랜지(23) 사이에 뻗어 있다. 제 1 하우징(21)은 환형 상단판(27)에 의해 반대방향 상단에 인접해 닫히며, 복수의 원주방향으로 이격된 기계 스크류(31a)에 의해 반경방향 외부로 돌출한 외주 플랜지(23)에 탈착식으로 씌워진다. 각 기계 스크류(31a)는 반경방향 외부로 돌출한 외주 플랜지(23)에 형성된 해당하는 복수의 상보적 스레드 보어(31b)(도 2 참조)와 맞물린다. 따라서 형성된 하우징은 플라이휠을 포함하기에 적합한 단단하고 강건한 구성이 된다.
도시된 실시예에서, 제 2 하우징(22)은 (제 1 하우징(21)의 원통형 외벽(28)보다 직경이 더 작은) 원통형 외벽(22a)과 함께 형성되고, 원통형 외벽(22a)은 하부 영역에서 반경방향 외부로 돌출한 외주 플랜지(64)에서 끝난다. 제 2 하우징(22)은 상부 단부에 인접해 가령 상판(35)의 외주 주위로 배열되고 원통형 외벽(25)의 상부 가장자자리에 형성된 상보적 스레드 보어(미도시)에 수용되는 복수의 기계 스크류(37)에 의해 원통형 외벽(25)에 부착된 원주형 상판(35)에 의해 닫힌다.
바람직하게는 하우징(21,22)은 비자성 재료로 형성된다. 비자성 재료는 플라이휠의 회전을 감속시키고 모터/발전기가 방전 싸이클 동안 에너지 방출에 드는 시간을 줄이는 마그네틱 드래그(magnetic drag)를 최소화하기 위해 이 목적으로 특히 바람직하다. 스테인레스 스틸, 알루미늄, 플라스틱, 섬유유리, 콘크리트, 및 그 조합을 포함한 그룹으로부터 적절한 재료가 선택될 수 있으나 이에 국한되지 않으며, 상기 재료는 또한 탄소섬유, KevlarTM 등을 포함한 복합재료로 보강될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 하우징(21)은 베어링 어셈블리(47a,47b)상의 하우징(21)내에서 회전을 위해 지지된 플라이휠(24)을 포함한다. 플라이휠(24)은 로터(25)와 상부구동 샤프트부(24a)와 하부구동 샤프트부(24c)를 포함한다. 로터(25)와 구동 샤프트부(24a,24c)는 단조가공된 블랭크로 일체로 형성된다. 로터(25)는 축이 구동 샤프트부(24a,24c)와 정렬된 원통형이다. 구동 샤프트부(24a,24c)의 직경은 가해진 다른 하중들로 인해 다를 수 있다. 구동 샤프트부(24a,24c)는 아래에 더 상세히 기술되는 식으로 로터(25)가 제 1 하우징(21)내에 회전하게 장착된 실질적으로 수직축(A)을 함께 정의한다. 로터(25)는 외주면(25c)이 상부 및 하부 평평면들 사이에 뻗어 있는 상부 평평 단면(25a)과 하부 평평 단면(25b)을 갖는다. 한 쌍의 래디얼 그루브(25d)가 단면(25a,25b) 사이에 형성되어 제조 동안 열전달을 촉진한다. 제 1 하우징(21)은 단일 플라이휠(24)이 도시된 예시된 바람직한 실시예에서 회전하는 하나 이상의 플라이휠을 수용하는 크기이거나 그렇지 않으면 수용하도록 구성될 수 있고, 본 설명을 하면서 더욱더 명백해지는 바와 같이, 바람직한 정렬은 각각이 각각의 제 1 하우징(21)내에 포함된 다른 플라이휠들을 한번에 하나씩 추가함으로써 에너지 저장 시스템의 순서화되고 규칙적인 모듈식 확장을 쉽게 지지한다.
고체 로터(25)와 구동 샤프트(24a,24b)가 설명되어 있으나, 별도의 구동 샤프트부들을 갖는 제조된 로터가 사용될 수 있음을 또한 알게 된다. 대안으로, 로터(25)을 통해 뻗어 있고 로터의 회전 구동을 위해 부착된 별도의 구동 샤프트가 이용될 수 있다.
로터(25)는 가령 고밀도 스틸(steel)과 같은 강자성 재료로 제조된다. 다른 실시예에서, 로터(25)가 제조될 수 있는 다른 강자성 재료들은 철, 니켈, 코발트 등일 수 있다. 로터(25)의 질량이 더 클수록, 에너지 저장 시스템(20)이 플라이휠의 동일 RPM에서 저장할 수 있는 운동 에너지도 더 커진다. 대조적으로, 로터(25)의 질량이 더 클 수록, 회전을 위해 장착하는데 사용되는 기계 베어링을 통해 발생할 수 있는 가능한 마찰손실도 더 커지고 높은 RPM에서 구성요소 고장을 통해 있을 수 있는 위험한 사고를 예방하기 위해 시스템의 정밀 엔지니어링 및 강건도 필요성이 더 커진다.
로터(25)는 바람직하다면 부분 강자성 재료를 갖는 합성구조로 제조될 수 있고 고속회전을 위해 밸런스가 유지되면 원통형이 아닌 다른 형태일 수 있음을 알게 된다. 원통형 스틸 로터가 가장 경제적인 것으로 보인다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바람직한 실시예는 플라이휠(24)의 무게의 상당부분을 지탱하고 이에 따라 기계 베어링 어셈블리(47)의 축방향 하중을 덜어주도록 하우징(21)과 플라이휠(24) 사이에 작용하는 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)를 더 구비한다. 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)는 아래에 더 상세히 기술된 바와 같이 제 1 하우징(21)에 장착된 적어도 하나의 환형 영구자석(26a)을 갖는다. 바람직한 실시예의 동작 동안, 환형 영구자석(26a)은 고정된 채로 있고, 회전하지 않으며, 이에 의해 아래에 놓인 플라이휠(24)에 매우 안정적인 지지 메카니즘을 제공한다. 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26), 보다 상세하게, 환형 영구자석(26a)은 수직축(A) 주위로 센터 고정식으로 제 1 하우징(21)에 장착되어, 로터(25)의 단면(25a)과 나란히 배치된다. 환형 영구자석(26a)은 도 2 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 강자성 금속재료로 된 단일층을 갖는 구성될 수 있거나, 아래에 더 언급된 바와 같이 구성에 있어 변경될 수 있다.
로터(25)가 강자성 재료로 제조되기 때문에, 단면(25a) 위에 영구자석을 위치시킴에 따라 환형 영구자석(26a)의 하부면(26d)을 향해 로터(25)가 축방향 위로 끌어당겨진다. 환형 영구자석(26a)은 로터(25) 간의 자기인력이 적어도 부분적으로, 그리고 이상적으로는 전적으로 플라이휠(24)의 무게를 지탱한다.
도 2 내지 도 4에서 가장 잘 보여지는 바와 같이, 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)는 환형 백킹 플레이트(26b) 및 오하이오주 바타비아의 The Electrodyne Company의 "REANCE F65"(가요성 NIB 자석(Neodymium-Iron-Boron Magnet))와 같은 비철금속재료, 또는 폴리머로 구성된 비자기 스페이서링(26c)과 함께 환형 영구자석(26a)을 구비한다. 환형 백킹 플레이트(26b)는 강자성 금속으로 구성되고 제 1 하우징(21)의 환형 상판(27)의 하부 또는 단부면(21a)에 또한 수직축(A) 주위로 중심에 고정되는 식으로 장착된다. 복수의 기계 스크류들(60)이 환형 백킹 플레이트(26b)에 형성된 해당 스레드 보어와 맞물려 상기 백킹 플레이트(26b)를 상판(27)에 고정시킨다. 환형 백킹 플레이트(26b)는 환형 영구자석(26a)의 외부 반경방향 가장자리 너머로 그리고 비자기 스페이서링(26c)의 외부 반경방향 가장자리 너머로 반경방향으로 뻗어 하방으로 돌출한 외주 스커트부(61)를 이룬다. 하방으로 매달린 외주 스커트부(61)는 바람직하게는 로터(25)의 반경과 적어도 같은 외부 반경을 가지며, 환형 영구자석(26a)의 외부 반경방향 가장자리와 하방으로 매달린 외주 스커트부(61)의 내부 반경 사이에 비자기 스페이서링(26c)이 개입되어 있다. 환형 백킹 플레이트(26b)는 바람직하게는 외부 원주방향 가장자리 주위로 배열된 숄더부(59)를 갖고, 제 1 하우징(21)의 원통형 외벽(28)의 상부 가장자리에 인접 형성된 상보적인 내부 환형 레지(ledge)(65)에 꼭 끼워넣는 식으로 안착된다.
로터(25)의 지지를 강화하기 위해, 자기 베어링(26)은 로터(25)를 관통하는 자속경로를 구속하도록 구성된다. 외주 스커트부(61)는 환형 영구자석(26a)의 하부면(26d)과 실질적으로 수직으로 공동 말단인 하부면(85)을 가져, 로터(25)와 외주 스커트부(61)의 하부면(85) 간에 동일한 최소 간격 갭(30)을 또한 유지한다. 주 스커트부(61)는 자기장을 형성하도록 돕고 이에 따라 에너지 저장 시스템의 동작 동안 회전하면서 로터(25)의 고유 안정성에 기여한다. 도시된 배열로, 환형 영구자석(26a), 환형 백킹 플레이트(26b), 비자기 스페이서링(26c) 및 외주 스커트부(61)는 자기 자속장을 구속시켜 베어링(26)의 지지 능력을 보강한다.
도 2 내지 도 5의 환형 영구자석(26a)은 바람직하게는 자기인력에 의해 환형 백킹 플레이트(26b)에 부착되고 이런 부착은 캘리포니아주 시미 밸리시의 Satellite City사가 제조한 HS-4 Cyanoacrylate 접착제와 같은 저가의 접착제 또는 에폭시의 사용에 의해 보충될 수 있다.
도 1 내지 도 5에 도시된 실시예에서, 환형 영구자석(26a)은 종래의 자화금속, 희토류 금속 등으로 된 하나의 강체 구조로 형성된 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 환형 영구자석(26a)은 대신 자기재료로 된 하나 이상의 섹션들 또는 층들로 형성될 수 있다. 이는 대부분의 경우 더 쉽고 저렴한 제로를 제공한다. 예컨대, 환형 영구자석(26a)은 (종래 냉장고 자석의 건조에 사용된) 폴리머 바인더와 혼합된 희토류 자기입자들과 같은 가요성 자기재료로 제조될 수 있다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 한가지 이런 대안적인 실시예로, 이런 가요성 영구자기재료로 된 단일층은 이 재료로 반경방향으로 확장하는 식으로 수직축(A) 주위로 감기며 반경이 확장되는 일련의 동심원들(26e)로 형성될 수 있다. 가요성 자기재료층의 자극은 동일 방향으로 정렬되고 바람직하게는 도 6c에서 화살표로 도시된 바와 같이 수직축(A)에 나란하게 이어진다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 또 다른 대안적인 실시예로, 환형 영구자석(26a)은 한 층 위에 다른 층이 위치되는 하나 이상의 층들을 갖는 규칙적 패치워크 어레이(patchwork array)로 놓인 상술한 가요성 자기재료로 된 복수의 패치들(26f)로 건조(建造)될 수 있다. 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 패치워크는 직사각형 스트립(1.5"×0.125")일 수 있고, 도시된 복수의 층들은 3개 층들(78a,78b,78c)이다. 가요성 자기재료로 된 각 층들(78a,78b,78c)의 자극들은 동일 방향으로 바람직하게는 수직축(A)에 나란하게 이어져 정렬되어 있는 것이 도 7c에서 다시 언급될 것이다. 다른 형태 및 크기의 가요성 자기재료 패치들, 가령, 정사각형 패치들이 도 7a 내지 도 7c에 도시된 직사각형 패치들에 대해 대체될 수 있고, 특별한 설치로 이용된 층들의 개수는 특별한 적용에서 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)에 의해 지지되는 플라이휠(24)의 무게의 타겟 퍼센테이지(target percentage)를 지지하는데 필요한 강도에 따라 변하게 된다.
유사한 부착 형태가 도 1 내지 도 5의 실시예에 대해 상술한 바와 같이 도 6a 내지 도 6c 및 도 7a 내지 도 7c에 도시된 다른 실시예에 예시된 영구자기재료로 된 각 층에 사용될 수 있다.
영구자석은 로터(25)의 상부면에 형성될 수 있으나, 자석(26a)의 고정 장착으로 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)의 구성에서 이런 가요성 영구자기재료를 사용할 수 있다. 이런 가요성 자기재료는 특히, 외주로 감싸지거나 층 어레이로 놓여지는 경우 너무 소프트하고 약해서 연장된 시간 주기동안 고속 회전(즉, 1,000 RPM 이상, 보다 일반적으로 10,000 RPM 이상)을 지지할 수 없다. 고속 회전 동안 가해진 큰 원심력 때문에, 재료는 반경방향으로 왜곡되거나, 및 가능하게는 파열 또는 박리될 수 있다.
도 2 내지 도 4에 예시된 바와 같이, 모터/발전기(72)로 언급된 모터 또는 발전기로서 기능할 수 있는 전기 회전장치는 커플링 샤프트(34)에 의해 상부 구동 샤프트부(24a)에 탈착식으로 결합된다. 샤프트(34)는 상부 구동 샤프트부(24a)와 함께 축방향으로 슬라이가능한 결합을 제공하기 위해 모터/발전기(72)로부터 하방으로 돌출한 환형 칼라(34a)를 갖는다. 커플링 샤프트(34)의 칼라(34a)는 볼트(36)에 의해 상부 구동 샤프트부(24a)에 탈착식으로 결합된다. 키(34b)와 메이팅 키(mating key)는 모터/발전기(72)로부터 플라이휠(24)로(및 그 반대의 경우도 마찬가지로) 토크의 전달을 위해 커플링 샤프트(34)를 구동 샤프트의 상부 구동 샤프트부(24a)와 동작가능하게 연결시키기 위해 서로를 결합시킨다. 대안으로, 메이팅 스플라인들(미도시)이 도시된 키 및 열쇠구멍 대신 커플링 샤프트(34)와 상부 구동 샤프트부(24a)에 각각 이용될 수 있다.
상부 기계 베어링 어셈블리(47a)가 상부 구동 샤프트부(24a)에 대해 제 1 하우징(21)의 상부내에 장착된다. 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)는 환형 영구자석(26a)의 하부면(26d)에 대해 로터(25)의 적어도 상향 축방향 이동을 제한하기 위해 로터(25)의 축방향 포지셔닝을 제공한다. 보다 상세하게, 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)는 로터(25)의 상향 축방향 이동을 제한하여 환형 영구자석의 하부면(26d)과 로터(25)의 단부면(25b) 간에 최소 간격 갭(30)을 정의한다. 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)는 또한 바람직하게는 환형 영구자석의 하부면(26d)에 대해 로터(25)의 하향 축방향 이동을 제한하도록 구성될 수 있다. 이에 대해, 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)는 바람직하게는 스러스트 베어링이다. 이 구성은 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)가 환형 영구자석의 하부면과 로터(25) 사이에 최대 간격 갭(30)을 더 정의하게 하며, 최대 간격 갭(30)은 예시된 바람직한 실시예에서 최소 간격 갭(30)과 같다. 양 축방향으로 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)의 재가동은 환형 영구자석의 하부면(26d)과 로터(25) 사이에 유지된 갭(30)이 동작 허용오차 내에 있음을 보장함으로써, 로터(25)의 환형 영구자석(26a)에 의한 신뢰할 수 있는 부양을 보장한다.
도 4에서 가장 잘 보여지는 바와 같이, 상부 구동 샤프트부(24a)는 숄더(48)에서 종결되는 정밀 그라운드 베어링 지지부를 갖는다. 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)는 바람직하게는 탈착식 베어링 카트리지(42a)내에 포함된 2개의 롤링소자 베어링 세트(42)로 구성되어 마모 또는 손상된 베어링 어셈블리의 빠르고 손쉬운 교체를 용이하게 한다. 롤링소자 베어링 세트들(42)은 모두 바람직하게는 세라믹 환형 접촉 볼 베어링 세트들이고, 가장 바람직하게는 볼들이 정밀 그라운드 스틸 레이스들에서 주행하는 세라믹 재료로 구성되는 것을 의미하는 초고속, 초정밀도의 하이브리드 세라믹 베어링세트이다.
카트리지(42a)는 베어링 지지 하우징(43), 베어링 축 고정링(44) 및 기계 스크류(45 및 46)을 포함한다. 지지 하우징(43)은 래디얼 플랜지(43a)와 베어링 오목부(43b)를 갖는다. 베어링 세트(42)는 오목부(43b)에 위치해 있고 링(44)에 의해 보유된다. 롤링 베어링 세트(42)의 외부 레이스들은 베어링 축 고정링(44)의 하부면(44a)과 베어링 오목부(43b)의 단부면(49)과 기계 스크류(45)에 의해 고정된 링(44) 사이에 축방향으로 구속된다. 베어링 지지 플랜지(43)는 기계 스크류(46)를 통해 축방향으로 환형 백킹 플레이트(26b)의 상부면(51)에 구속되고, 차례로 상술한 바와 같이 제 1 하우징(21)의 환형 상판(27)에 고정된다.
커플링 샤프트(34)의 칼라(34a)의 하부면(34c)은 롤링 베어링 세트(42)의 내부 레이스(42b)에 기대어 받쳐지고 구동 샤프트(24a)에 수용되는 볼트(36)에 의해 고정된다. 볼트(36)는 샤프트(34)를 통해 커플링 샤프트(34)의 하부면(34c)과 상부 구동 샤프트부(24a)의 베어링 숄더(48) 사이에서 내부 레이스를 조절가능하게 압박함으로써 프리로드(preload)를 롤링 베어링 세트(42)에 가하도록 작용한다.
자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)에 대한 베어링 지지 플랜지(43)의 축방향 위치는 로터(25)의 상부 구동 구동 샤프트부(24a)의 축방향 위치를 고정시키고 로터(25)의 상단면(25a)과 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)의 하단면(26d) 사이에 실질적으로 일정한 갭(30)을 유지한다. 갭(30)은 정확한 부양력을 로터(25)에 가하고 롤링 베어링 세트(42)에 축방향 하중을 줄이게 결정짓는다. 갭(30)은 면(51)에서 베어링 지지 플랜지(43)를 올리게 심(shim)(미도시)을 배치함으로써 조절될 수 있으므로, 로터(25)를 올리고 갭(30)을 줄여 더 큰 자기 부양력을 가한다.
도 5에 도시된 하부 기계 베어링 어셈블리(47b)는 하부 구동 샤프트부(24c)와 하우징 하단판(33) 사이에 작용한다. 하부 기계 베어링 어셈블리(47b)는 마모 또는 손상된 베어링 어셈블리를 빨리 손쉽게 교체하기 위해 탈착식 베어링 카트리지(42a)내에 포함된 한 쌍의 롤링 베어링 세트(42,42)를 갖는다. 2개의 롤링 베어링 세트(42)는 바람직하게는 (기계적 하중이 덜하므로 더 작은 크기로 될 수 있으나) 상부 기계 베어링 세트로서 동일한 범용 타입 및 구성이다. 즉, 이들은 모두 세라믹 앵큘러 콘택트 볼 베어링(angular contact ball bearing) 세트들이고, 가장 바람직하게는 초고속, 초정밀 하이브리드 세라믹 베어링 세트들이다.
하부 베어링 어셈블리(47b)의 카트리지(42a)는 베어링 오목부(90)를 갖는 베어링 지지 플랜지(53)를 포함한다. 하부 구동 샤프트부(24c)는 숄더(89)가 있어 베어링(42)을 축방향으로 위치시킨다. 베어링 프리로드 스크류(32)에 의해 베어링 프리로드 캡(54)이 하부 구동샤프트(24c)에 고정된다. 베어링 프리로드 캡(54) 및 베어링 프리로드 스크류(32)는 각각의 롤링 베어링 세트(42,42)의 내부 레이스를 축방향으로 구속하고 베어링 프리로드 캡(54)의 단부면(58)과 하부 구동 샤프트부(24c)의 하부 베어링 숄더(89) 사이의 내부 레이스를 압박함으로써 롤링 베어링 세트(42,42)에 프리로드를 가한다. 롤링 베어링 세트(42,42)의 외부 레이스(42c)는 하부 기계 베어링 어셈블리(47b)의 베어링 오목부(90) 내부에 축방향으로 구속되지 않는다. 이는 로터(25)가 푸아송비 효과(Poisson Ratio effects)로 인해 고속으로 축방향으로 수축함에 따라 로터(25)의 하부 구동 샤프트부(24c)가 축방향으로 움직이게 한다. 이는 또한 갭(30)이 실질적으로 일정하게 유지되는 한편 온도 유발 수축 및 팽창으로 인해 로터(25) 및 제 1 하우징(21) 모두에서 축방향으로 움직이게 한다.
베어링 지지 플랫폼(53)은 기계 스크류(56)에 의해 제 1 하우징(21)의 기저판(33)에 고정된다. 하부 기계 베어링 어셈블리(47b)는 또한 바람직하게는 하부 베어링 커버(55)를 구비하여, 탄성 개스킷 또는 오링(57)의 보조로 하부 기계 베어링 어셈블리(47b)의 진공밀봉을 제공할 뿐만 아니라 가령 설치 또는 선적 동안 축방향 진동 또는 이동에 대해 로터(25)를 기계적으로 지지 또는 고정시키는 지점을 제공한다. 잭 스크류(57)는 베어링 프리로드 스크류(32)의 헤드에 형성된 소켓(32a)과 맞물리도록 하부 에어링 캡(55)에서 이를 위해 형성된 스레드홀(40)에 삽입된다. 잭 스크류(57)는 베어링 어셈블리(47)에 인가된 탄성 하중을 억제하기 위해 소켓에 맞물릴 경우 축방향으로 및 반경방향으로 모두 로터를 지탱한다.
기계 베어링 어셈블리에 대한 마모를 최소화하고 플라이휠(24)이 회전함에 따라 마찰을 최소화하기 위해, 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)가 실질적으로 플라이휠(24)의 전체 무게를 지탱하는 것이 바람직하나 필수적인 것은 아니다. 보다 상세하게, 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)가 플라이휠(23) 무게의 적어도 90%, 더 바람직하게는 플라이휠(23) 무게의 약 95% 내지 100%를 지탱하는 것이 바람직하다. 이상적인 상황에서, 예시된 바와 같이 바람직한 실시예인 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)는 플라이휠 무게의 거의 100%를 지탱할 수 있다. 상부 베어링 어셈블리(47a)에 의해 제공된 축방향 위치는 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)가 로터의 무게보다 더 큰 부양을 제공하더라도 갭(30)을 일정하게 유지한다.
도 8은 도 2 내지 도 4의 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)에 의해 발생된 자속경로를 도시한 것이다. 도 8에 예시된 바와 같이, 자속 자기장(62)은 타원형/원형이다. 그러나, 에너지 저장 시스템(20)의 3차원 표현에서, 자속 경로는 형태가 토로이드형이다. 상술한 바와 같이, 하방으로 매달린 외주 스커트부(61)는 자기장 형성을 돕고 이에 따라 에너지 저장 시스템(20)의 동작 동안 로터(25)가 회전하면서 로터(25)의 고유 안정성에 기여한다. 환형 백킹 플레이트(26b) 및 하방으로 매달린 외주 스커트부(61)는 로터(25)의 전체 무게를 실질적으로 지탱하는 자속 자기장(62)을 만든다. 도 8은 실질적으로 로터를 들어올리게 로터(25)를 관통하고 환형 백킹 플레이트(26b) 및 하방으로 매달린 외주 스커트부(61)는 다소 덜 관통하는 자기 자속을 나타낸다. 비자기 스페이서링(26c)은 자석(26a)으로부터 자속 자기장의 이동을 억제하고 컴팩트한 자기 루프의 확립을 용이하게 한다. 하우징(21)의 비자기벽(28)도 또한 자속 경로와 간섭하지 않아 자기 베어링(26c)의 부양 능력을 향상시킨다. 바람직한 실시예에서, 영구자석은 A1으로 표시된 단부면(25) 면적의 약 60%를 차지하고, 상기 면적의 40%는 A2로 표시된 스커트이다. 다른 면적비로는 30%의 영구자석 및 70%의 스커트 대 70%의 영구자석 및 30%의 스커트 비로 채택될 수 있다. 이런 식으로 백킹 플레이트의 사용은 40% 미만의 자기 재료를 허용하며 단독으로 4배의 자기 부양력을 제공한다. 표류 자속이 포함되고, 루터 면으로 보내져, 로터 측면들 아래로 다시 휘어지는 것과 시스템에 상당한 드래크 토크(drag torque)를 야기하는 것을 막는다. 추가로, 로터의 큰 이용가능한 상부 환형 표면적을 이용함으로써 자기 재료를 접합시키는 하방 힘을 사용하기가 쉬워진다. 이들 재료들은 비용이 저렴하고 소성 자석에 비해 형성이 쉬울 수 있다.
플라이휠(24)의 무게를 지탱하기 위해 에너지 저장 시스템(20)이 연결된 전원으로부터 인출되는 전기 에너지가 필요치 않는 것이 바람직하다. 이는 환형 영구자석(26a)의 구성에서 영구 자기재료의 사용을 통해 달성된다. 따라서, 플라이휠(24)의 무게를 지탱하는데 있어 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)에 의해 에너지가 전혀 소비되지 않는다. 더욱이, 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)가 제 1 하우징(21)에 장착됨에 따라, 플라이휠(24)의 무게는 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)의 인력에 의해 지탱되며, 상기 어셈블리는 제 1 하우징(21)의 원통형 외벽(28)에 의해 자체적으로 지탱되고, 차례로, 상기 외벽은 제 1 하우징(21)의 기저판(33)에 의해 지탱된다.
도 1 내지 도 5의 바람직한 실시예에서, 에너지 저장 시스템(20)은 로터가 회전함에 따라 로터(25)에 직접 작용할 수도 있는 마찰력을 최소화함으로써 더 효율적으로 만들어진다. 따라서, 로터(25)는 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)의 하부면(26d)을 포함해 제 1 하우징(21)으로 돌출한 내부 표면들 중 어느 하나와 회전하는 동안 접촉하지 않아야 한다. 이를 위해, 로터부(25)의 상단면(25a)과 환형 영구자석(26a)의 하부면(26d 및 85) 및 하방으로 매달린 외주 스커트부(61) 각각 사이의 갭(30)이 어떻게 유지되는지 상기에서 설명하였다. 동일한 목적으로, 최대 간격 갭(70)은 로터(25)의 외주 가장자리(25cc)와 제 1 하우징(21)의 내부면(82) 사이에서 항상 정의된다. 유사하게, 제 1 하우징(21)내 구성요소들이 형성되고 그렇지 않으면 로터(25)의 하부면(25b)과 기저판(33)의 상부 내부면(98) 간의 최소 간격 갭(75)을 항상 유지하도록 치수화된다.
동작 동안(즉, 플라이휠(24)이 회전하는 동안) 로터(25)에 작용하는 드래그 포스를 더 줄이거나 실질적으로 제거하기 위해, 적어도 제 1 하우징(21) 내부에, 바람직하게는 제 1 하우징(21) 및 제 2 하우징(22) 모두 내부에, 적어도 부분 진공을 끌어냄으로써 회전 구성요소들에 대한 풍손(windage loss)을 줄이는 것이 바람직하다. 이를 위해, 도 2, 도 4 및 도 5에 잘 보여지는 바와 같이 제 1 하우징(21) 및 제 2 하우징(22)의 벽 구성요소들(27, 28 및 33) 사이에 그리고 베어링 프리로드 캡(54)과 베어링 지지 플랜지(53) 사이를 포함해 제한없이 2개 하우징(21,22)의 구성요소들의 모든 결합 조인트들 주위로 작용하는 밀봉 관계로 예컨대 탄성 개스킷 또는 오링(86,57)의 배치에 의해 제 1 하우징(21) 및 제 2 하우징(22) 모두를 대기에 대해 밀봉하는 것이 바람직하다.
종래 진공펌프(91)와 같은 진공소스가 바람직하게는 신축관 등에 의해 예컨대 기저판(33)에 부착되거나 형성된 진공포트(87)로의 연결에 의해 제 1 하우징(21)의 내부 체적에 연결되어, 갭(30, 70,및 75)과 유체 소통됨으로써, 진공펌프의 동작시 제 1 하우징(21) 내에 적어도 부분 진공을 끌어내게 한다.
이는 또한 바람직하게는 이전 그래프에 언급된 동일한 진공소스인 진공소스를 동작가능하게 연결하는 것이 필수적인 것은 아니라 선택적으로 제 2 하우징(22)에 제 2 진공소스(미도시)가 되는 진공소스를 동작가능하게 연결해, 제 2 하우징(22)에 적어도 부분 진공을 또한 만듦으로써 그렇지 않으면 모터/발전기(72)의 구성부품들의 회전시 발생할 수 있는 마찰 손실을 줄이는 것이 바람직하다. 제 2 진공소스가 필요치 않고도 제 1 하우징(21)에 초기에 형성된 이런 적어도 부분 진공을 제 2 하우징(22)에 도입하는 특히 바람직한 방식은 도면에 도시된 바와 같이 함께 어셈블리될 경우 제 1 하우징(21) 및 제 2 하우징(22) 사이에 진공 통로(187)가 확립되게 제공하는 것이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 이런 진공 통로(187)는 베어링 지지 플랜지(43)의 내부 반경방향 표면 밑으로 지나 래디얼 채널(50)과 연결하게 상부 기계 베어링 어셈블리(47a)의 2개 롤링 베어링 세트(42)의 내부 레이스(42b) 주위로 커플링 샤프트(34), 키(34a), 및 키 홈(34b)을 통해 유체가 소통하게 뻗어 있다. 채널(50)은 로터(25)로의 상부 구동 샤프트부(24a)의 기저 연결점 주위를 둘러싼다. 래디얼 채널은 자체적으로 갭(30)과 유체 연결된다. 이런 식으로, 제 1 하우징(21)에 동작가능하게 연결된 진공소스도 또한 제 1 하우징(21) 상단에 제 2 하우징(22)의 장착시 진공 통로(187)를 통해 제 2 하우징(22)에 동작가능하게 연결된다.
진공펌프(91)는 바람직하게는 충전단계 동안 에너지 저장 시스템(20)이 연결된 전력 그리드로부터 인출된 전기로부터 전력을 공급받으나, 설계 선택에 따라 전기 그리드가 이런 전기 에너지를 공급할 수 없는 주기 동안 모터/발전기(72)에 의해 제공된 전기로부터 전력을 공급받거나 받지 않을 수 있다. 어느 한 경우, 제 1 하우징(21) 및 제 2 하우징(22)의 밀봉이 이상적으로는 모터/발전기(72)의 전원단절 동안 로터(25) 회전의 전체 설계 주기에 걸쳐 상기 적어도 부분 진공을 유지하여, 이런 주기 동안 로터(25)에 작용하는 드래그 포스를 최소화하도록 설계되고 건조되여야 하나 반드시 그렇지는 않다. 에너지 소비를 최소화하기 위해, 진공펌프(91)는 하우징(20)으로 누출을 억제하기 위해 체크 밸브(92)내에서 부분 진공이 인출될 때 스위치 오프되게 컨트롤될 수 있다.
모터/발전기(72)는 외부 전원소스에 연결되어 상기 연결로 전력을 공급받을 때 전력 그리드와 같은 전원소스로부터 전기 에너지를 인출한다. 모터/발전기(72)는 로터(25)의 회전을 구동시키기 위해 전력 그리드로부터 전기 에너지를 인출한다. 모터/발전기(72)에 의한 로터(25)의 구동은 효과적으로 시스템에 입력된 전기 에너지를 플라이휠(24)의 로터(25)의 회전에 저장된 운동 에너지로 변환시킨다. 따라서, 로터(25)의 회전에 저장된 운동 에너지는 전기 에너지로의 재변환 및 연결이 단절될 때 플라이휠(24)에 의해 모터/발전기의 회전 동안 전기 에너지의 방출을 위해 에너지 저장 시스템(20)에 저장된다.
예시된 바람직한 실시예에 따르면, 장착된 모터/발전기(72)를 갖는 제 2 하우징(22)은 제 1 하우징(21) 상단에 탈착식으로 장착된다. 에너지 저장 시스템(20)의 모듈 구성으로 어떤 주어진 에너지 저장 시스템(20)에 모터/발전기(72) 크기를 증감시킴으로써 전체 시스템을 재설계하거나 조립해체하지 않고도 사용 및 발생된 충방전 전력이 쉽게 변경되게 한다. 도 3은 상술한 바와 같이 커플링 샤프트(34)를 통해 탈착식으로 상부 구동 샤프트부(24a)에 연결된 모터/발전기(72)를 도시한 것이다. 제 2 하우징(22)은 플랜지(64)를 통해 환형 백킹 플레이트(26b)로 지나는 볼트에 의해 탈착식으로 제 1 하우징(21)에 연결된다. 로터(25)와 자기 베어링 어셈블리(26) 간에 필요한 간격을 유지함으로써 결합이 베어링 어셈블리(47a)의 위치지정에 영향을 주지 않는 것에 유의해야 할 것이다. 모터/발전기(72)를 상부 구동 샤프트부(24a)에 탈착식 결합 및 (모터/발전기가 장착되는) 제 2 하우징(22)을 제 1 하우징(21)에 탈착식 결합으로 인해, 에너지 저장 시스템(20)은 모터/발전기의 마모 또는 손상부의 교체 또는 기설정된 기준에 따라 전기를 더 효과적으로 또는 더 효율적으로 저장 및 방전하도록 특별한 소정의 전력 소요량을 갖는 모터/발전기의 상호교환을 용이하게 하기 위해 모듈식으로 효과적으로 구성되거나 조립된다. 도 3에 도시된 바람직한 실시예의 모듈 특성은 플라이휠 에너지 저장 시스템이 제조된 후 모터/발전기의 정격 또는 전력 사양의 변경을 용이하게 한다. 이는 또한 장착된 제 2 하우징(22) 및 모터/발전기(72)가 제 1 하우징(21) 또는 내부에 포함된 구조들 중 어느 하나를 조립해제할 필요없이 쉽게 탈착하고 상호교환할 수 있는 것이 바람직하나 반드시 그러할 필요는 없다. 따라서, 본 명세서에 도시되고 기술된 에너지 저장 시스템(20)의 모듈 구성은 임의의 주어진 에너지 저장 시스템(20)에 대한 모터/발전기 크기 또는 타입을 증감시킴으로써 에너지 저장 시스템(20)의 충방전 전력 소요량이 쉽게 변경 또는 맞춤화되게 한다. 이런 유연성은 동일한 플라이휠 저장 에너지 용량(가령, 20kWH)을 갖는 에너지 저장 시스템(20)이 상호교환가능한 제 2 하우징내에 장착된 다른 모터/발전기 유닛 밖으로 빠르고 손쉬운 교체를 갖는 장기간, 저전력(가령, 피크 쉬프팅(Peak Shifting)/ 시간 사용) 또는 단기간, 고전력(가령, 전압 지원) 애플리케이션에 이용되게 한다.
도 1 내지 도 5에 예시된 바람직한 실시에에서, 도시된 모터/발전기(72)는 유도형 모터/발전기(72)이다. 보다 상세하게, 예시된 바람직한 모터/발전기(72)는 커플링 샤프트(34)에 눌러 끼워지는 로터(74)와 제 2 하우징(22)의 원통형 외벽(25)의 내주에 눌러지는 스테이터 와인딩(76)으로 구성된 3상 유도형 유닛이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 모터/발전기(72)는 바람직하게는 액체 냉각되므로 제 2 하우징(22)도 또한 바람직하게는 제 2 하우징(22)의 원통형 외벽(25)의 외부면을 둘러싸는 주 냉각채널(80)로 구성된 냉각수 재킷을 포함하고, 상기 주 냉각채널(80)은 외주에서 탈착식 외부쉘(88)에 의해 닫혀 진다. 오링 씰(81)은 제 2 하우징(22)의 원통형 외벽(25)에 탈착식 외부쉘(88)의 밀봉을 돕는다. 냉각수는 진입포트(38)로 들어가 주 냉각채널(80)을 지난 후 출구포트(39)를 통해 흘러나온다. 냉각수 흐름은 제 2 하우징(22) 및 스테이터 와인딩(76)으로부터 폐열을 제거하기 위해 외부 펌프 또는 (유입포트(38) 및 출구포트(39)가 도시된 배열로부터 이점적으로 반대인)자연 대류를 통해 될 수 있다.
모터/발전기(72)로의 전기케이블 연결은 바람직하게는 포트(41)에서 상판(35)을 통해 이루어지며, 상기 포트는 고무 그로메트(rubber grommet), 오링 씰 등(미도시)에 의해 이러한 커넥션들 주위에서 강한 진공이 이루어져야 한다.
로터(25)는 도면에 도시된 바와 같이 고체이며 고강도 스틸로 구성된 것이 이해될 것이다. 로터(25)의 적어도 일부는 자기 스러스트 베어링 어셈블리(26)와 상호작용하도록 강자성이어야 한다. 바람직하기로, 상기 베어링 어셈블리(26) 맞은편의 적어도 로터의 상부는 자석이고, 더 선호되는 것으로, 전체 로터(25)는 강자성이다. 로터(25)용 에너지 저장 시스템(20)의 몇몇 실시예에서 바람직한 질량은 약 1,000kg 내지 5,000kg 사이, 바람직하게는 3,000kg의 질량을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
동작시, 전력이 토크를 가해 로터(25)를 가속시키는 로터/발전기(72)에 공급된다. 로터/발전기(72)는 약 10,000 내지 20,000 RPM 사이의 고속으로 로터(25)를 회전시킬 수 있는 것이 바람직하나 반드시 그럴 필요는 없다. 로터(25)가 가속됨에 따라, 로터/발전기(72)에 의해 공급된 에너지를 운동 에너지로 저장한다. 최대 속도에 도달시, 전력이 단전될 수 있다. 일반적인 실행으로, 전력 그리드에 의해 전력을 공급받는 로터/발전기(72)에 전기 연결한 지 2시간 이내에 로터(25)가 최대 회전속도에 도달한다. 이는 또한 이런 로터(25)의 고속 회전이 단절된 전력 그리드에 전기연결 한 후 적어도 6시간 동안 계속되는 것이 바람직하나 반드시 그럴 필요는 없다. 전력이 단절되거나, 추가 전기 에너지가 그리드에 의해 요구되면, 모터/발전기는 발전모드로 전환되고, 로터(25)에 저장된 에너지가 발전기를 구동시켜 전력을 공급한다. 몇몇 실시예에서, 에너지 저장 시스템(20)의 저장 용량은 약 20kWh이다. 에너지 저장은 플라이휠의 무게와 상기 플라이휠(24)이 회전하는 속도의 함수이다. 회전 동안 갭(30)은 베어링 어셈블리(47a)에 의해 유지된다. 열변화 또는 동적 힘들으로 인한 축방향 치수의 변화들이 하부 베어링(47b)에 누적되며 상기 베어링은 단부 플레이트(33)에 대해 축방향을 미끄러질 수 있다. 도 8에 기술된 자속 경로는 로터(25)가 자기 베어링에 의해 축방향으로 유지되게 하고 이에 따라 베어링(47a,47b)에 축방향 하중들이 줄어들게 보장한다.
에너지 저장 시스템(20)의 에너지 저장 한계와 에너지 저장 시스템(20)의 고유 크기 및 무게 간의 관계로 인해, 몇몇 애플리케이션에서는 바람직한 실시예에 따라 구성된 더 적은 수의 대용량 에너지 저장 시스템(20)에 맞게 복수의 더 작은 에너지 저장 시스템들(20)을 사용하거나 그렇지 않으면 그 사용을 필요로 하는데 이점적이고 바람직할 수 있다. 상대적으로 더 적은 에너지 저장 시스템(20)의 어레이는 배치의 용이함과 특별한 애플리케이션에서 다른 스케일의 전력 요건을 수용하는데 더 큰 유연성을 유지하면서 사용자가 더 많은 량의 에너지를 운동 에너지 형태로 저장하게 한다. 이런 상황에서, 에너지 저장 시스템의 어레이는 공통 컨트롤 유닛에 의해 컨트롤되는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 공통 컨트롤 유닛이 에너지 저장 시스템의 어레이에서 에너지 저장 시스템들(20) 각각으로부터 전기 에너지 인출 및 에너지의 방출을 컨트롤하는 것이 더욱더 바람직할 수 있다. 몇몇 상업적 실시예들에 대해, 적어도 500kWh의 컬렉티브 에너지 출력을 갖는 에너지 저장 시스템의 어레이를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
이에 대해, 도 9는 집단 컨테이너(101)내에 포함되는 에너지 저장 시스템(120, 220, 320, 및 420)의 어레이(100)를 도시한 것이다.
도 10은 복수의 집단 컨테이너(101, 201, 301 및 401) 또는 어레이를 도시한 것으로, 각각은 에너지 저장 시스템(120, 220, 320 등)의 어레이를 포함한다.
도 11은 돔형 천장(102, 202, 302 및 402) 어레이를 도시한 것이다. 각각의 천장은 오르막이고 내부에 에너지 저장 시스템(120)을 수용한다. 마찬가지로, 도 12는 콘크리트 천장(102, 202, 302, 402, 및 502) 어레이를 단면으로 도시한 것이다. 각각의 천장(102, 202, 302, 402, 및 502)은 내리막으로 위치될 수 있고, 각각 에너지 저장 시스템(120, 220, 320 등)을 각각 수용한다.
축방향으로 샤프트와 구동 샤프트가 축방향으로 부유하게 하는 다른 베어링을 위치시키는 베어링 어셈블리들 중 하나와 함께 플라이휠 지지부의 제공으로 로터의 다른 구성들이 용이해진다. 도 13에 도시된 바와 같이, 로터(25)는 구동 샤프트(24a)를 따라 이격된 보조 로터 디스크(125)와 함께 형성된다.
각각의 디스크(125)는 하우징(21) 내부에 위치된 각각의 영구자석 스러스트 베어링(126)을 향하는 상부면(127)을 갖는다. 상부 베어링 어셈블리(147)는 로터(25)를 축방향으로 위치시키고 하부 베어링 어셈블리(147)는 반경방향으로 상대 축방향 이동을 허용한다.
디스크(125)는 강자성 재료로 형성되고 스러스트 베어링(126)은 도 4에 도시된 스러스트 베어링과 유사한 구성을 가지며, 환형 영구자석과 주변 스커트가 디스크를 포갠다.
자기 스러스트 베어링은 디스크들(125) 중 하나를 끌어 당겨 상술한 바와 같이 로터(25)의 질량을 지탱한다.
디스크 어레이(125)는 인력에 의해 아래로부터 로터를 지탱하도록 하부 구동 샤프트(24c)에 형성될 수 있을 알게 될 것이다.
다양한 다른 변형 및 대안들이 본 발명의 기술사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 특허청구범위에 의해서만 한정되는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 설계 및 제조에 이용될 수 있다. 예컨대, 도면에 예시된 액체 냉각수단의 사용과는 별개로, 제 2 하우징(22)은 주변 온도로의 대류 또는 강제 공기 냉각을 위해 외부 냉각핀들과 함께 제조될 수 있다.

Claims (50)

  1. 단부면을 갖는 제 1 하우징과,
    로터 및 상기 로터가 제 1 하우징 내에 회전하게 장착되는 수직축을 정의하는 구동 샤프트를 갖는 적어도 하나의 플라이휠과,
    상기 제 1 하우징의 단부면과 로터 사이에 배치되고, 상기 제 1 하우징의 단부면을 향해 로터를 끌어당기기 위해 제 1 하우징 및 로터 중 하나에 적어도 하나의 영구자석이 장착되며 제 1 하우징 및 로터의 다른 하나는 강자성을 갖는 영구자기 베어링 어셈블리와,
    로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하고 상기 제 1 하우징의 단부면에 대해 로터의 상부 축방향 이동을 제한하기 위해 제 1 하우징과 로터 사이에 동작하는 제 1 기계 베어링 어셈블리와,
    구동 샤프트를 따라 제 1 기계 베어링 어셈블리로부터 이격되고 로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하기 위해 제 1 하우징과 로터 사이에 동작하며, 구동 샤프트와 제 1 하우징 사이에 상대 축방향 이동을 허용하는 제 2 기계 베어링 어셈블리를 구비하고, 로터는 상기 제 1 하우징의 단부면에서 간격 갭만큼 이격되어 있는 에너지 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 기계 베어링 어셈블리는 또한 간격 갭의 크기를 제한하며 상기 제 1 하우징의 단부면에 대해 로터의 하부 축방향 이동을 제한하는 에너지 저장 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    영구자석이 상기 제 1 하우징의 단부면에 장착되는 에너지 저장 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 하우징의 단부면이 로터 위에 놓이도록 영구자석 너머로 반경방향으로 뻗어 있는 에너지 저장 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    간격 갭이 영구자석 너머로 유지되는 에너지 저장 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    영구자석과 상기 제 1 하우징의 단부면 사이에 비자기 배리어를 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    영구자기 베어링 어셈블리는 수직축 주위로 중심에 고정된 식으로 제 1 하우징의 상단 벽표면에 장착된 강자성 재료로 된 환형 백킹 플레이트를 더 포함하고, 환형 백킹 플레이트의 반경은 로터의 반경과 같거나 더 크며, 영구자석은 백킹 플레이트의 하부면에 부착되는 에너지 저장 시스템.
  8. 단부면을 갖는 제 1 하우징과,
    로터 및 상기 로터가 제 1 하우징내에 회전하게 장착되는 실질적인 수직축을 정의하는 구동 샤프트를 갖는 플라이휠과,
    상기 제 1 하우징의 단부면과 강자성 속성을 갖는 로터 사이에 배치되고, 단부면을 향해 상기 로터를 끌어당기기 위해 영구자석이 제 1 하우징에 부착된 영구자기 베어링 어셈블리와,
    로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하고 상기 제 1 하우징의 단부면에 대해 로터의 상부 축방향 이동을 제한하기 위해 제 1 하우징과 로터 사이에 동작하는 제 1 기계 베어링 어셈블리와,
    구동 샤프트를 따라 제 1 기계 베어링 어셈블리로부터 이격되고 로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하기 위해 제 1 하우징과 로터 사이에 동작하며, 구동 샤프트와 제 1 하우징 사이에 상대 축방향 이동을 허용하는 제 2 기계 베어링 어셈블리를 구비하고, 로터는 상기 제 1 하우징의 단부면에서 간격 갭만큼 이격되어 있는 에너지 저장 시스템으로서,
    영구자석 베어링 어셈블리는 수직축 주위로 중심에 고정된 식으로 제 1 하우징의 상단 벽표면에 장착된 강자성 재료로 된 환형 백킹 플레이트를 더 포함하고, 상기 환형 백킹 플레이트의 반경은 로터의 반경과 같거나 더 크며, 영구자석은 백킹 플레이트의 하부면에 부착되고,
    백킹 플레이트는 아래로 돌출한 외주 스커트부를 형성하도록 영구자석의 외부 반경방향 가장자리 너머로 반경방향으로 뻗어 있고, 외주 스커트부의 외반경은 로터의 반경과 같거나 더 크며,
    외주 스커트부는 로터와 외주 스터트부 간에 간격 갭을 유지하도록 영구자석의 하부면과 동축으로 같이 끝나는 하부면을 갖는 에너지 저장 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    영구자기 베어링 어셈블리는 영구자석의 외부 반경방향 가장자리와 외주 스커트부의 내부 반경방향 가장자리 사이에 비자기 스페이서링을 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    영구자석은 수직축에 나란히 자화되는 에너지 저장 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    영구자석은 자화재료층을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    영구자석은 자화재료로 된 복수의 수직 누적층들을 포함하고, 각각의 층들은 복수의 수직 누적층들의 임의의 인접한 층과 동일 방향으로 정렬된 극들을 갖는 에너지 저장 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    층은 나란히 접촉하는 식으로 서로에 나란히 놓인 자화재료로 된 복수의 세장 스트립들을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    층들은 수직축 주위로 휘어진 폭넓은 반경의 일련의 동심원들로 형성되고, 희토류 자기입자 및 폴리머 바인더로 구성된 자화재료 코일로 이루어진 에너지 저장 시스템.
  15. 제 7 항에 있어서,
    영구자석은 백킹 플레이트 및 자화재료로 된 인접층에 자기적으로 부착되는 에너지 저장 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    영구자석은 로우 아웃개싱(low outgassing) 접착제에 의해 백킹 플레이트 및 인접층에 더 부착되는 에너지 저장 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    영구자기 베어링 어셈블리는 플라이휠의 무게의 적어도 90%를 지지하는 에너지 저장 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    영구자기 베어링 어셈블리는 플라이휠의 무게의 적어도 95%를 지지하는 에너지 저장 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    영구자기 베어링 어셈블리는 플라이휠의 무게의 95 내지 100%를 지지하는 에너지 저장 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 기계 베어링 어셈블리는 탈착식 베어링 카트리지에서 제 1 하우징 및 제 2 하우징 중 적어도 하나에 각각 장착되는 에너지 저장 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    제 1 기계 베어링 어셈블리는 베어링을 프리로드하도록 구름 베어링 및 조절장치를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  22. 삭제
  23. 제 1 항에 있어서,
    제 1 하우징이 대기에 대해 밀봉되고, 진공소스가 동작가능하게 연결되어 상기 제 1 하우징내 적어도 부분적으로 진공을 뽑아내게 하는 에너지 저장 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서,
    제 1 하우징에 탈착식으로 장착된 제 2 하우징; 및
    구동 샤프트에 연결을 위해 제 2 하우징 내에 장착된 모터/발전기를 더 구비하는 에너지 저장 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    제 1 하우징은 비강자성 재료를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    비강자성 재료는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 플라스틱, 섬유유리, 시멘트, 엘라스토머 및 그 조합으로 구성된 그룹에서 선택되고, 상기 그룹 중 어느 하나는 복합재료들로 보강될 수 있는 에너지 저장 시스템.
  27. 제 23 항에 있어서,
    진공소스가 제 1 하우징과 상기 제 2 하우징 간에 진공통로에 의해 제 2 하우징에 동작가능하게 연결되는 에너지 저장 시스템.
  28. 제 24 항에 있어서,
    모터/발전기는 구동 샤프트부와 함께 축방향 슬라이드식 결합을 위해 상기 모터/발전기로부터 돌출한 커플링 샤프트에 의해 구동 샤프트부에 탈착식으로 결합되는 에너지 저장 시스템.
  29. 제 24 항에 있어서,
    모터/발전기는 유도형인 에너지 저장 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    모터/발전기는 3상 유도형 모터/발전기인 에너지 저장 시스템.
  31. 제 24 항에 있어서,
    제 2 하우징으로부터 폐열을 추출하기 위한 냉각 시스템을 더 구비하는 유도형인 에너지 저장 시스템.
  32. 제 31 항에 있어서,
    냉각 시스템은 제 2 하우징의 벽내에 있는 적어도 하나의 냉각수 채널을 더 구비하는 에너지 저장 시스템.
  33. 제 24 항에 있어서,
    상기 모터/발전기는 외부 전력원에 연결되어 상기 연결로 로터의 회전을 구동하기 위해 전력이 공급될 때 상기 외부 전력원으로부터 전기 에너지를 인출하는 에너지 저장 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서,
    로터의 회전속도는 10,000 내지 20,000 RPM인 에너지 저장 시스템.
  35. 제 34 항에 있어서,
    로터의 질량은 1,000kg 내지 5,000 kg인 에너지 저장 시스템.
  36. 제 1 항에 따른 복수의 에너지 저장 시스템들을 포함한 에너지 저장 시스템 어레이.
  37. 제 36 항에 있어서,
    복수의 에너지 저장 시스템들이 포함되는 집단적 제 1 하우징을 더 구비하는 에너지 저장 시스템 어레이.
  38. 제 36 항에 있어서,
    복수의 에너지 저장 시스템들 각각의 전기 에너지 인출 및 방출을 제어하는 공통 컨트롤 유닛을 더 구비하는 에너지 저장 시스템 어레이.
  39. 제 36 항에 있어서,
    에너지 저장 시스템 어레이는 적어도 500kWh의 컬렉티브 에너지 출력을 갖는 에너지 저장 시스템 어레이.
  40. 단부면을 갖는 제 1 하우징과,
    로터, 및 상기 로터가 제 1 하우징내에 회전하게 장착되는 수직축을 정의하는 구동 샤프트를 갖는 적어도 하나의 플라이휠과,
    상기 제 1 하우징의 단부면과 로터 사이에 나란히 배치되고, 상기 제 1 하우징의 단부면을 향해 로터를 끌어당기 위해 제 1 하우징 또는 로터에 적어도 하나의 환형 영구자석이 장착되고 제 1 하우징 또는 로터의 다른 하나는 강자성을 갖는 영구자기 베어링 어셈블리와,
    상기 제 1 하우징의 단부면과 로터 사이에 최소 간격 갭을 이루며 단부면에 대해 로터의 반경방향 포지셔닝을 제공하고 로터의 적어도 상부 축방향 이동을 제한하기 위해 구동 샤프트 주위로 제 1 하우징내에 장착된 적어도 하나의 기계 베어링을 구비하고,
    상기 제 1 하우징의 단부면과 로터는 제 1 하우징과 로터 사이에 자속 경로를 확립하도록 영구자석 너머로 반경방향으로 뻗어 있는 에너지 저장 시스템.
  41. 제 40 항에 있어서,
    영구자석이 상기 제 1 하우징의 단부면에 장착되는 에너지 저장 시스템.
  42. 제 41 항에 있어서,
    제 1 하우징의 단부면은 로터 위에 놓이고 하우징과 로터 사이에 자속 경로를 확립하도록 영구자석 밖으로 반경방향으로 뻗어 있는 에너지 저장 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서,
    최소 간격 갭이 영구자석 너머로 유지되는 에너지 저장 시스템.
  44. 제 42 항에 있어서,
    영구자석과 상기 제 1 하우징의 단부면 사이에 비자기 배리어를 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
  45. 단부면을 갖는 하우징과,
    로터, 및 상부 구동 샤프트부에 배치된 제 1 단부 및 하부 구동 샤프트부에 배치된 제 2 단부를 포함하여, 상기 로터가 하우징 내에 회전하게 장착되는 수직축을 정의하는 구동 샤프트를 포함하는 플라이휠과,
    적어도 부분적으로 플라이휠의 무게를 지탱하고, 수직축 주위로 중심에 고정된 식으로 제 1 하우징의 상단 벽표면에 장착된 강자성 재료로 된 환형 백킹 플레이트를 포함하는 영구자석 베어링 어셈블리와,
    로터와 상기 제 1 하우징의 단부면 사이에 간격 갭을 유지하기 위해 구동 샤프트의 제 1 단부를 축방향으로 위치시키기 위한 제 1 기계 베어링 어셈블리와,
    구동 샤프트의 제 2 단부와 하우징 사이에 상대 축방향 이동을 허용하는 제 2 기계 베어링 어셈블리를 구비하고,
    상기 환형 백킹 플레이트의 반경은 로터의 반경과 같거나 더 크며, 영구자석은 백킹 플레이트의 하부면 및 자화재료로 된 인접층에 자기적으로 부착되는 에너지 저장 시스템.
  46. 제 24 항에 있어서,
    제 2 하우징은 제 1 하우징의 상단에 탈착식으로 장착되는 에너지 저장 시스템.
  47. 제 24 항에 있어서,
    제 2 하우징은 제 1 하우징의 아래에 탈착식으로 장착되는 에너지 저장 시스템.
  48. 제 7 항에 있어서,
    백킹 플레이트와 로터 사이에 자속 경로가 확립되는 에너지 저장 시스템.
  49. 제 7 항에 있어서,
    영구자석은 백킹 플레이트의 외부 반경방향 가장자리 너머로 반경방향으로 뻗어 있는 에너지 저장 시스템.
  50. 제 49 항에 있어서,
    영구자기 베어링 어셈블리는 백킹 플레이트의 외반경 가장자리와 영구자석의 내반경 가장자리 사이에 비자기 스페이서링을 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
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