KR102045340B1 - 플라이휠의 안전한 조립 및 장착 - Google Patents

Abstract

플라이휠 장치는 플라이휠 시스템이 오프사이트(offsite)에서 조립되고, 안전하게 이송되고, 그리고 상대적으로 적은 단계로 장착되는 것을 허여하는 구조체를 포함한다. 플라이휠은 로터 및 상기 로터를 둘러싸는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 바닥 플레이트, 상측 플레이트 및 측벽을 포함한다. 상기 바닥 플레이트 및 상기 상측 플레이트 각각은 상기 로터의 중심 축선과 정렬된 홀을 포함한다. 플라이휠은 또한 상기 로터의 중심 축선에 정렬되는 상측 플레이트 및 바닥 플레이트의 홀들을 실질적으로 덮는 복수의 베어링 하우징을 포함한다. 플라이휠은 또한 플라이휠 시스템의 이송 동안 로터의 움직임을 방지하도록 로터의 주된 회전 질량체와 물리적으로 접촉되는 포스트를 포함한다. 이 포스트의 일부 또는 전부는 로터가 자유롭게 스핀(spin)될 수 있도록 장착동안에 재위치되거나 제거될 수도 있다.

Description

플라이휠의 안전한 조립 및 장착

정부 권리 범례

이 발명은 미국 에너지부에 의해서 주어진 계약 OE-0000232 하의 정부 지원으로 만들어 졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리를 갖는다.

이 설명은 일반적으로 에너지 저장에 관한 것이고, 그리고 특히 플라이휠의 조립, 이송 및 장착에 관한 것이다.

많은 에너지 소스, 특히 깨끗한 에너지 소스, 예를 들어 풍력 터빈 및 솔라 패널은 경험되는 하중(load)와 일시적으로 매치되지 않는 에너지를 생성한다. 많은 발전된 세상에서, 에너지 생성은 경험되는 하중을 추종하여, 에너지가 필요에 따라 공급된다. 고부하의 상황 하에서, 열 발전기 상의 자동 발전 제어(AGC) 및 피커 발전기(peaker generator)의 사용과 같은 기술은 가변의 고부하를 매치시키는 생성을 허여한다. 그러나, 이러한 기술의 사용가능성에도 불구하고, 에너지 저장이 에너지 부하를 만족시기키 위해서 중요한 경우가 종종 있다.

현재 존재하는 에너지 저장 시스템 모두는 하나의 형태 또는 다른 형태의 단점을 갖는다. 사이즈, 가격, 저장 효율, 효과, 및 안전성은 모두 에너지 저장 시스템을 설계할 때 관심 사항이다. 일반적으로, 더 적은 사이즈, 더 낮은 가격, 저장을 위한 에너지 입력 및 분배를 위한 에너지의 추출에서 감소된 손실, 연속적인 동작을 위한 감소된 손실, 및 안전한 폐기는 모두 에너지 저장 시스템의 바람직한 특징이다.

로터를 포함하는 플라이휠 메커니즘은 에너지를 회전 운동 에너지로서 저장하는 일 타입의 에너지 저장 시스템이다. 플라이휠 로터는, AC-AC 변환 서브시스템을 구성하는, BTB(back-to-back) 인버터와 같은, 컨버터에 전기적으로 그 자체가 연결되는 모터/교류발전기에 물리적으로, 직접 또는 간접적으로 연결되는 동안 스핀되는 가중된, 회전방향으로 대칭인 질량체이다. 파워가 저장을 위해서 수용될 때, 로터는 구동되어, 플라이휠 로터의 회전 속도를 증가시킨다. 파워가 추출되어야 할 때, 플라이휠 로터는 모터/교류발전기를 구동한다. 플라이휠 로터가 더 빠르게 스핀될 수 있으면, 프라이휠은 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 플라이휠 로터에 저장될 수 있는 에너지의 양은 다른 인자들 중에서 로터의 형상, 주기적인 피로 특성, 강도 특성 및 로터의 질량의 조합에 의존된다. 일반적으로 플라이휠의 베어링 및 서스펜션 시스템은 마찰, 열 및 다른 손실 소스로 인한 에너지 손실을 최소화하도록 구성된다.

현대의 플라이휠 시스템은 몇가지 섬세하고 주의깊게 정렬되는 구성요소를 포함하는 무겁고 복잡한 기계이다. 플라이휠을 조립하고, 이송하고, 그리고/또는 장착하는 것은 단순한 작업이 아니다. 일반적으로, 플라이휠 시스템은 장착 개소에서 조립될 수도 있거나, 공장에서 조립되고 다음으로 장착 개소로 이송될 수도 있다.

만약 플라이휠 시스템이 장착 개소에서 조립될 때, 플라이휠 시스템을 조립하기 위해서 필요한 장비 및 전문지식은 장착 개소로 이송될 필요가 있을 것이다. 이것은 비용 및 공간 제약적일 수 있다. 만약 플라이휠 시스템이 공장에서 조립된다면, 조립된 플라이휠 시스템은 장착 개소에 이송될 필요가 있을 것이다. 조립된 플라이휠 시스템의 이송은, 플라이휠 시스템의 내측 구성요소가 이송 동안에 주위로 움직일 수 있기 때문에 조립된 시스템에 위험을 유발한다. 예를 들어, 플라이휠 로터는 흔들리고 다른 구성요소와 부딪혀 로터 또는 다른 구성요소를 손상시킬 수도 있다. 또한, 로터의 운동은 로터의 무게보다 더 클 로터 베어링에 의해서 경험되는 부하를 유발할 수도 있다. 이것은 잠재적으로 베어링에 손상을 줄 수도 있다.

따라서, 본 발명이 만들어진 것은 이 고려 및 다른 고려에 관해서이다.

플라이휠 장치는, 에너지를 저장하기 위한 플라이휠 로터, 및 플라이휠이 오프사이트(offsite)에서 조립되고, 안전하게 이송되고, 그리고 상대적으로 적은 단계로 장착되는 것을 허여하는 추가적인 구조체를 포함한다. 플라이휠은 에너지를 저장하기 위한 로터를 포함하며, 이 로터는 주된 회전 질량체 및 상기 로터의 중심 축선을 따라서 연장되는 저널을 포함한다. 플라이휠은 또한 로터를 둘러싸는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 바닥 플레이트, 상측 플레이트 및 측벽을 포함한다. 바닥 플레이트 및 상측 플레이트 각각은 로터의 중심 축선과 정렬되는 홀(hole)을 포함한다. 플라이휠은 상기 로터의 중심 축선에 정렬되는 상측 플레이트 및 바닥 플레이트의 홀들을 실질적으로 채우는 복수의 베어링 하우징을 추가적으로 포함한다. 플라이휠은 플라이휠 조립체의 이송 동안 로터의 움직임을 방지하도록 로터의 주된 회전 질량체와 물리적으로 접촉될 수 있는 복수의 포스트(post)를 또한 포함한다. 이 포스트의 일부 또는 전부는 로터가 자유롭게 스핀(spin)될 수 있도록 장착동안에 재위치되거나 제거될 수도 있다.

본 발명의 다른 양태는 여기서 설명되는 바와 같이 이송 전 및 후에 플라이휠을 조립하고 장착하기 위한 방법을 포함한다.

어떤 실시형태에서, 플라이휠은 상측 베어링이 하측방향 스러스트를 지지할 수 있도록 하는 상측 베어링 조립체를 포함한다. 상측 베어링 조립체는 상측 베어링, 베어링 하우징, 베어링 잠금 캡, 백업 스러스트 베어링, 및 캡을 포함한다. 백업 스러스트 베어링은 이상(unusual) 수직 이동의 경우에 상측방향 스러스트 하중을 수용한다.

개시된 실시형태는 상세한 설명, 첨부된 청구항, 및 수반된 그림(또는 도면)으로부터 더욱 용이하게 명백해질 다른 장점 및 특징을 갖는다. 도면의 간단한 소개는 아래에 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2a는 일 실시형태에 따른, 동작 상태에 있는 플라이휠의 단면도이다.
도 2b는 일 실시형태에 따른, 이송 중 플라이휠의 단면도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른, 플라이휠을 조립하고 장착하기 위한 예시적인 프로세스이다.
도 4a 내지 도 4d는 일 실시형태에 따른, 조립 및 장착 프로세스의 상이한 단계에서 플라이휠의 단면도이다.
도 5는 일 실시형태에 따른, 플라이휠을 장착하기 위한 예시적인 프로세스이다.
도 6a 내지 도 6b는 일 실시형태에 따른, 장착 프로세스의 상이한 단계에서 플라이휠의 단면도이다.
도 7은 플립-베어링(flipped-bearing) 구성으로 불리는 상측 베어링 조립체의 실시형태의 간략화된 단면도이다.
도면은 단지 도해의 목적을 위해 본 발명의 실시형태를 도시한다. 당업자는, 다음 논의로부터 여기서 설명되는 구조체 및 방법의 대안적인 실시형태가 여기서 설명되는 본 발명의 원리로부터 벗어나지 않으면서 채용될 수도 있다는 점을 용이하게 인식할 것이다.

플라이휠 에너지 저장 시스템

도 1은 일 실시형태에 따른, 플라이휠 시스템(100)으로도 불리는 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)의 블록 다이어그램이다. 플라이휠 시스템(100)은 플라이휠 메커니즘 또는 장치(130) 또는 단순히 플라이휠(130)을 포함하며, 이는 후술되는 바와 같은 로터 및 하우징, 모터/교류발전기(140), 파워 컨버터(120), 및 AC 또는 DC 일 수도 있는 파워 라인(150)을 포함한다. 예를 들어, 파워 라인(150)은 전통적인 3-상 60 Hz AC 라인일 수도 있다. 어떤 실시형태에서, 파워 컨버터(120)는 입력 교류를 모터/교류발전기(140)에 수용가능한 교류 전류로 변환한다. 대안적으로, 다른 실시형태에서, 컨버터(120)는 모터/교류발전기(140)로부터의 교류를 직류 출력으로 변환한다. 모터/교류발전기(140)는 전기적 에너지와 기계적 에너지 사이에서 변환하여, 에너지가 플라이휠(130)에 저장되거나 이로부터 인출될 수 있다. 모터/교류발전기(140)는, 예를 들어 샤프트를 사용하여 직접적으로 또는, 예를 들어 베어링에 연결되는 스터브 샤프트(stub shaft)를 사용하여 간접적으로 플라이휠(130)에 결합된다. 모터/교류발전기(140)는 와이어 또는 다른 전기 커플링을 통해서 플라이휠 시스템(100)의 나머지에 결합된다. 일반적으로, 각각의 구성요소의 단지 하나가 도시되나, 실제로 플라이휠 시스템(100)은 각각의 개별 구성요소의 복수개를 포함할 수도 있다.

플라이휠 구조체

도 2a는 일 실시형태에 따른, 동작 상태에 있는 플라이휠(130)의 단면도이다. 즉, 도 2a의 플라이휠(130)은 조립 및 장착 프로세스가 완료된 후에 도시된다.

플라이휠(130)은 하우징(201) 내부의 로터(205)를 포함한다. 하우징(201)은 바닥 플레이트(221), 상측 플레이트(223) 및 측벽(225)을 포함한다. 하우징(201)은 로터(205)를 수용하게끔 대략적으로 형상지워지며, 로터(205)가 자유롭게 회전되는 것을 허여하기에 충분한 내측 체적을 제공한다. 하우징(201)은, 다른 형상이 가능하기는 하나, 원통형 형상일 수도 있다. 상측 플레이트(221) 및 바닥 플레이트(223) 각각은, 중심 회전 축선(230)과 정렬되는 적어도 하나의 홀을 포함한다. 중심 회전 축선(230)과 정렬된 홀 각각은 베어링 하우징에 의해서 실질적으로 채워진다. 하측 베어링 하우징(209)은 하측 베어링(207)을 수용하고 그리고 상측 베어링 하우징(217)은 상측 베어링(215)을 수용한다. 상측 베어링 조립체(220)는 상측 베어링(215)과 함께 상측 베어링 하우징(217)을 가리킨다. 상측 베어링 조립체의 대안적인 실시형태는 도 7을 참조하여 뒤에 설명된다.

로터(205)는 운동 에너지로서 에너지를 저장하기 위해서 사용된다. 로터(205)는 중심 회전 축선(230) 둘레로 실질적으로 회전 대칭이다. 로터의 주된 회전 질량의 형상은 로터가 회전되는 동안 로터에 작용되는 회전력으로 인한 스트레스의 거의 균일한 분포를 보장하는 것을 돕는다. 로터(205)는 두 개의 스터브 샤프트, 즉 하측 스터브 샤프트(227) 및 상측 스터브 샤프트(229)에 결합되며, 이는, 중심 축선 둘레의 비한정적인 회전을 허여하면서, 로터를 지지하는 베어링에 로터를 결합시킨다. 모터/교류발전기의 전자기 로터는 또한 스터브 샤프트 중 하나 또는 양자에 장착될 수도 있다. 모터/교류발전기의 목적은 로터(205)와 전기적 도메인(electric domain) 사이에서 에너지를 전달하는 것이다. 여기서 사용될 때, 용어 스터브 샤프트는 로터(205)의 일 측에 결합되는 상대적으로 짧은 샤프트를 가리킨다. 도 2a-도 2b에 도해되는 실시형태는 2개의 스터브-샤프트를 채용하나, 다른 실시형태에서는 단일 스터브 샤프트, 또는 2개의 스터브 샤트프가 사용될 수도 있다. 스터브 샤프트(227 및 229)는 로터의 중심 회전 축선을 따라서 연장되는 저널을 통해서 로터(205)에 결합된다.

로터(205)는 하측 베어링(207) 및 상측 베어링(215)에 의해서 하우징(201) 내 제 위치에 유지된다. 베어링(207, 215)은 또한 로터(205)가 가능한 적은 마찰로 자유롭게 스핀되는 것을 허여한다. 예를 들어, 롤링 볼 베어링이 사용될 수도 있다. 이 경우에, 베어링은 프리휠 하우징(201)에 물리적으로 부착되는 외측 링(또는 레이스(race)), 로터에 결합된 샤프트에 물리적으로 부착되는 내측 링(또는 레이스), 및 내측 링이 낮은 마찰 계수로 외측 링에 상대적으로 스핀되는 것을 허여하는 복수의 롤링 요소, 예를 들어 볼을 포함한다. 베어링은 각각의 베어링 하우징 내에 제한되고, 샤프트는 베어링의 내측 레이스 내에 구속된다.

로터(205)에 의해서 경험되는 마찰의 양을 감소시키기 위해서, 플라이휠 시스템(130)은 로터(205)의 중량의 일부 또는 전부를 덜어내는 오프로더(offloader; 213)를 포함한다. 결과적으로, 오프로더(213)는 베어링(207)의 부하를 감소시키고, 그리고 결과적으로 베어링의 마찰 모멘트를 감소시킨다. 따라서, 베어링의 마찰로 인한 로터에 의한 에너지 손실이 상당히 감소된다. 오프로더(213)는 실시형태에 따라서 로터(205)를 잡아 당기는 또는 미는 자기장을 생성함으로써 로터 베어링(207)이 지지해야 하는 중량을 감소시킨다. 자기장은, 예를 들어 전자석에 적합하게 형상지워진 전류의 순환을 통해서 생성될 수도 있다. 로터(205)에 의해서 경험되는 자기력은 오프로더(213)의 전자석과 로터(205) 사이의 거리에 부분적으로 의존된다. 따라서, 전자석과 로터(205) 사이에 단지 작은 거리를 갖는 것이 유리하다. 그러나, 오프로더와 로터 사이의 거리를 감소시키는 것은, 특히 이송 중에 로터가 오프로더와 부딪힐 가능성을 증가시킨다.

플라이휠 메커니즘(130)은 장착 개소에 이송되기 전에 조립될 수도 있다. 로터(205)의 움직임, 베어링(207, 215)에 대한 손상, 및 오프로더(213)에 대한 손상을 방지하기 위해서, 플라이휠 메커니즘(130)은 이송 동안에 로터의 움직임을 제한하는 하나 이상의 포스트(203, 219)을 포함한다. 포스트는 또한 오프로더(213) 및 로터(205)가 어느 하나의 구성요소를 손상시키는 상당한 위험 없이 매우 근접하게 위치되는 것을 허여한다. 또한, 오프로더(213)의 더 근접한 배치로 인해, 오프로더(213)의 전자석은, 여전히 로터에 대해서 동일한 유효 자기장을 생성하면서, 만약 이것이 더 멀리 위치되었을 경우보다 더 작게 또는 더 크게 파워 효율적일 수 있다. 이 명세서의 목적을 위해서, 용어 포스트는 일 방향으로 로터의 이동을 제한하는 구조적 요소를 가리킨다. 어떤 실시형태에서, 단지 바닥 포스트(203) 또는 상측 포스트(219)가 존재하는 한편 다른 실시형태에서 양 포스트(203 및 209)가 존재한다. 다른 실시형태에서, 측벽(225)에 의해 앵커링된 수평 포스트(미도시)가 또한 있을 수도 있다.

도 2b는 일 실시형태에 따른, 이송 중 플라이휠(130)의 단면도이다. 도 2b에 도시되는 바와 같이, 바닥 포스트(203)는 로터(205)와 접촉되고, 따라서 로터의 하측방향 움직임을 제한한다. 유사하게, 상측 포스트(219)는 로터(205)와 접촉하고, 따라서 로터의 상측방향 움직임을 제한한다. 포스트 및 베어링은 함께 로터의 측방향 운동을 제한한다. 도 2b에 도시되는 바와 같이, 바닥 포스트(203)는 하우징(201)의 바닥 플레이트(221)(또는 이것의 일부)에 물리적으로 부착될 수도 있고, 그리고 상측 포스트(219)는 상측 플레이트의 홀(별도로 도면부호 없음)을 통해서 상측 플레이트(223)로부터 제거가능(또는 적어도 조절가능)할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 상측 포스트 및 하측 포스트는, 이동가능한 포스트가 바닥에 그리고 부착된 포스트가 상측에 있도록 역으로될 수도 있다. 대안적으로, 포스트의 양 세트가 이동가능할 수도 있다. 포스트는, 강하고 가벼운 중량의 재료가 바람직하나, 임의의 재료로 만들어질 수도 있다. 예를 들어, 포스트는 무엇보다 알루미늄, 고무 또는 플라스틱으로 만들어질 수도 있다.

플라이휠(130)의 장착 동안에, 상측 포스트(219)는 제거되거나 또는 어느 거리만큼 위로 올려지고, 로터(205)는 바닥 포스트(203)로부터 올려져 로터가 자유롭게 스핀되는 것을 허여한다. 일 실시형태에서, 하측 베어링 하우징(209)에 나사선식으로 부착되는 후방지지 플러그(backing plug; 211)는 로터(205)를 올리기 위해서 사용될 수도 있다.

플라이휠 조립 프로세스

도 3은 플라이 휠(130)을 조립하기 위한 프로세스(300)의 흐름도이다. 도 4a 내지 도 4d는 상이한 조립 단계의 플라이휠(130)을 도해한다.

조립 프로세스(300)는 하우징(201)의 바닥 플레이트(221)로 시작된다. 도 4a에 도해되는 단계(301)에서, 바닥 포스트(203)는 바닥 플레이트(221)에 부착된다. 예를 들어, 바닥 포스트(203)는 바닥 플레이트(221)에 볼트체결(bolt)된다. 대안적으로, 다른 기술, 예를 들어, 리벳, 용접 또는 접합이 물리적으로 바닥 포스트(203)를 바닥 플레이트(221)에 부착하기 위해서 사용될 수도 있다. 만약 바닥 포스트(203)가 이동가능하면, 바닥 포스트(203)는 바닥 플레이트(221)의 홀 안으로 나사결합된다.

도 4b에 도시되는 단계(303)에서, 로터(205)는 바닥 포스트(203) 상에 위치된다. 로터가 2-5톤의 중량을 가질 수도 있다는 점을 고려하면, 크레인 또는 다른 거대한 스케일의 리프팅 메커니즘이 로터를 바닥 포스트 상으로 이동시키기 위해서 일반적으로 사용된다. 로터는 스트레스 및 저장 용량 주안점을 염두하여 구성되기 때문에, 일반적으로 포스트에 대한 로터의 정확한 배치를 보장하는 로터 상의 명확한 표면 특징부가 없다. 그러나, 로터의 전체적인 형상은 하우징(201) 내의 포스트의 배치를 결정하기 위해서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 원통형 로터가 극 축선을 따라서 곡면으로 형성된다면, 가장 덜 미끄러질 거 같은 극 축선을 따른 위치에 포스트를 배치하기 위해서 로터의 곡률이 사용될 수도 있다.

로터의 정밀한 배치를 더 달성하기 위해서, 일단 포스트 상에 배치된 로터가 포스트와 정밀하게 정렬되게끔 개략적인 정렬 프로세스(coarse alignment process)를 사용하여 재위치될 수도 있다.

어떤 실시형태에서, 도 4b에 도시되는 바와 같이, 로터가 포스트 상에 놓일 때, 로터(205)는 스터브 샤프트(227 및 229)에 이미 결합되어 있을 수도 있다. 다른 실시형태에서, 스터브 샤프트(227 및 229)를 로터(205)에 결합하는 것은 단계(303)의 부분으로서 행해진다.

도 4c에 도시되는 단계(305)에서, 하측 베어링(207), 하측 베어링 하우징(209) 및 후방지지 플러그(211)는 하우징(201)에 물리적으로 부착된다. 예를 들어, 하측 베어링 하우징(209)은 바닥 플레이트(221)에 볼트체결된다. 대안적으로, 다른 기술, 예를 들어, 리벳, 용접 또는 접합이 물리적으로 하측 베어링 하우징(209)을 바닥 플레이트(221)에 부착하기 위해서 사용될 수도 있다. 하측 베어링(207)은 다음으로 하측 베어링 하우징(209) 안으로 삽입되고, 그리고 후방지지 플러그(211)는 하측 베어링 하우징(209)에 부착된다. 하측 베어링(207)은 후방지지 플러그(211)에 의해서 지지되고, 그리고 후방지지 플러그(211)는 하측 베어링 하우징(209)에 나사선식으로 부착된다.

도 4d에 도시되는 단계(307)에서, 상측 베어링(215), 상측 베어링 하우징(217), 상측 포스트(219), 전자기 오프로더(213), 상측 플레이트(223) 및 하우징(201)의 측벽(225)을 포함하는 상측 조립체(410)는 도 4c에 도해되는 부분적으로 조립된 플라이휠에 물리적으로 부착된다. 로터(205)가 원통형이고 따라서 어떤 실시형태에서 하우징(201)이 원통형 형상인 점이 이해될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 측벽(225)은 일-편(one-piece)의 원통형 쉘(shell)일 수도 있다. 일반적으로 측벽(225)은 단일 요소일 수도 있거나 또는 함께 플라이휠(130)의 측면을 형성하는 복수의 부착된 요소일 수도 있다. 상측 서브-조립체를 조립하기 위해서, 상측 베어링 하우징(217)은 상측 플레이트(223)에 물리적으로 부착되고 그리고 상측 베어링(215)은 상측 베어링 하우징(217) 안으로 삽입된다. 또한, 오프로더(213)는 상측 플레이트(223)에 물리적으로 부착되고, 그리고 상측 포스트(219)는 상측 플레이트(223) 안으로 나사결합된다. 상측 서브-조립체가 조립된 후, 측벽(225)은 바닥 플레이트(221)에 부착되고, 그리고 상측 플레이트(223)는 측벽(225)에 물리적으로 부착된다.

상이한 물리적 결합이 하우징(201)의 바닥 플레이트(221), 측벽(225) 및 상측 플레이트(223)를 부착하기 위해서 사용될 수도 있다. 바닥 플레이트(221), 측벽(225) 및 상측 플레이트(223)는 스크류 및/또는 리벳, 용접, 또는 물리적 부착을 위한 임의의 다른 알려진 메커니즘을 사용하여 서로 부착될 수도 있다.

이송 동안 로터(205)를 제 위치에 고정적으로 유지하기 위해서, 상측 포스트(219)는 로터와 물리적으로 접촉되게 하강된다. 로터를 고정시키기 위해서, 상측 포스트는, 예를 들어 작용되는 토크하에서 스크류를 조임으로써 로터에 대항하여 가압될 수도 있다.

플라이휠 장착 프로세스

도 5는 플라이휠(130)이 장착 개소에 도달된 후 플라이휠을 장착하기 위한 프로세스(500)의 흐름도이다. 필수적으로, 이것은 플라이휠(130)을 동작되게 하기 위해서 행해지는 단계이다. 도 6a-도 6b는 플라이휠(130)을 장착하기 위한 프로세스(500)의 어떤 단계를 도해한다.

도 6a에서 도해되는 단계(501)에서, 상측 포스트(210)는 로터(205)에서 떨어지게 올려져 상측 포스트가 더 이상 로터(205)와 물리적으로 접촉되지 않는다.

도 6b에서 도해되고 단계(503)에서 도시되는 일 실시형태에서, 로터(205)는 다음으로 후방지지 플러그(211)를 올림으로써 바닥 포스트(203)에서 떨어지게 올려진다. 예를 들어, 만약 후방지지 플러그(211)가 나사선을 사용하여 부착된다면, 후방지지 플러그를 하측 베어링 하우징(209) 안으로 나사조임하는 것이 하측 베어링(207)을 높일 것이고, 따라서 로터(205)를 높인다. 바닥 포스트(203)가 제거가능하거나 또는 적어도 재위치가능한 다른 실시형태에서, 바닥 포스트(203)에서 떨어지게 로터(205)를 들어올리는 것 보다는, 대신에 바닥 포스트(203)가 더 이상 로터(205)와 접촉되지 않도록 부분적으로 또는 완전히 제거될 수도 있다. 이 프로세스가 완료된 후에 로터(205)와 상측 포스트(219)와 바닥 포스트(203) 사이의 물리적 거리는 실시형태에 의해서 변할 수도 있다.

단계(503)에서, 전자기 오프로더(213)는 다음으로 작동되어 베어링을 감량(de-weight)한다. 추가적으로, 만약 하우징이 진공을 유지할 수 있다면, 진공은 관련된 진공 장치류(미도시)의 작동에 의해서 생성될 수도 있다.

플립-베어링(flipped-bearing) 구성

도 7은 플립-베어링 구성으로 불리는 상측 베어링 조립체(700)의 실시형태의 간략화된 단면도이다. 상측 베어링 조립체(700)는, 상측 베어링(701)이 상측방향 스러스트 하중 스러스트보다는, 하측 베어링이 하는 것과 같이 하측방향 스러스트 하중을 지지하는 점에서 도 2a를 참고하여 설명되는 상측 베어링 조립체(220)와 다르다. 상측 베어링(701)이 도 2a의 상측 베어링(215)과 같은 베어링일 수도 있으나, 독특한 플립-베어링 구성으로 인해 상이하게 지지된다. 앞에서 주의된 플라이휠(130)은 상측 베어링 조립체(220), 플립-베어링 구성을 갖는 상측 베어링 조립체(700) 또는 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않는 상이한 구성의 상측 베어링 조립체와 같은 상측 베어링 조립체를 포함할 수도 있다.

상측 베어링 조립체(700)는 상측 베어링(701), 베어링 하우징(703), 베어링 잠금 캡(705), 백업 스러스트 베어링(707), 및 캡(709)을 포함한다.

베어링 잠금 캡(705)은 샤프트 또는 스터브 샤프트(711) 상에 장착되고 이 샤프트 상에 상측 베어링(701)를 유지한다. 이 실시형태에서, 베어링 하우징(703)은 상측 베어링(701)을 아래로부터 지지한다.

백업 스러스트 베어링(707)은 베어링 잠금 캡(705)과 캡(709) 사이에 위치된다. 정상 동작에서 스핀되지 않기 때문에 이것은 백업 베어링으로 불린다. 백업 스러스트 베어링(707)은 스터브 샤프트(711)로부터 상측방향 수직 스러스트를 흡수하거나 또는 확산시키며, 이는 그렇지 않다면 상측 스러스트를 회전 에너지로 전환함으로써 손상 또는 오염 이슈로 귀결될 수도 있다. 예를 들어, 이송 동안의 사고로 인해 또는 지진 사건의 결과로서, 이러한 비일상적인 수직 운동이 일어날 수도 있다. 이송 동안에 로터는 회전되지 않으나, 만약 플라이휠의 동작 동안 지진 사건 또는 다른 사건이 발생하면 로터(205)는 스핀되고 있을 가능성이 크고; 따라서 단순히 부싱 재료보다는 백업 베어링이 로터의 큰 회전 에너지를 흡수하거나 또는 확산시키기에 유리하다. 만약 스핀되는 로터가 통상적인 공업 플라스틱 또는 금속으로 만들어진 정적 부싱과 접촉해야 한다면, 비록 접촉이 단지 순간적이라고 하더라도, 부싱을 녹일 가능성이 높은 결과적인 마찰.

다양한 실시형태가 플립-베어링 구성을 특징으로 할 수도 있다. 어떤 실시형태에서, 플라이휠(130)의 상측 베어링(701) 및 하측 베어링(207)은 일 방향으로 높은 스러스트 용량을 제공하는 앵귤러 접촉 볼 베어링(angular contact ball bearing)이다. 전형적으로 앵큘러 접촉 볼 베어링은 베어링의 축선 방향으로 서로에 대해서 이격되는 내측 및 외측 링에 레이스웨이를 갖는다. 이것은 이 베어링이 동시적인 반경방향 및 축선방향 하중을 수용하도록 구성된다는 점을 의미한다. 이러한 실시형태에서, 상측 베어링(701) 및 바닥 베어링은 하측 방향으로 높은 스러스트 용량을 제공하도록 장착된다. 플립-베어링 구성을 사용하지 않는 플라이휠 실시형태에서, 상측 베어링(701)은 상측 방향으로 스러스트를 지지하는 한편 하측 베어링(207)은 하측방향 스러스트를 지지하며, 즉 이들은 서로에 대해서 플립(flip)된다.

플립-베어링 구성을 포함하는 플라이휠 실시형태는 도 2a- 도 2b를 참조하여 설명되는 더 간단한 구성에 비해서 많은 장점을 제공한다. 양자 베어링은 플립 구성에서 하측방향, 즉 동일 방향을 향하기 때문에, 하측 베어링을 지지하는 스프링의 사용을 통해서 모든 차동적인(differential) 로터-하우징 축선방향 치수 성장이 하측 베어링 시트에서 수용되는 것을 허여하는 것이 가능하다. 따라서, 오프로더에서 자성 갭의 치수는 하우징과 로터 사이의 차동 치수 변경하에서 거의 불변한다. 상측 베어링 상의 로딩은 자성 오프로딩 제어 시스템에 의해서 설정되고 제어된다. 하측 베어링 상의 로딩은 축선방향 예압 스프링에 의해서 완전히 제어될 수 있기 때문에, 하측 베어링이 모든 동작 조건하에서 뛰어난 피로 수명을 가질 것을 보장하는 것이 용이하다. 그래서 만약 플라이휠이 베어링이 서비스될 것을 요구한다고 하더라도 이 서비스는 플라이휠을 분리하고 제거할 필요 없이 상측으로부터 접근될 수 있는 상측 베어링(701)만을 관여시킬 것이다.

플립-베어링 구성은 또한 요구되는 오프로더의 들어올리는 힘을 감소시킨다.　 예를 들어, 만약, 오프로더가 로터 중량 + 1000 lb를 적용해야 했던 상측 베어링 조립체(220)가 플립-베어링 구성을 사용한다면, 이것은 로터 중량 - 1000 lb를 적용한다. 이것은 오프로더(213)의 전자석의 제어를 더욱 용이하게 하고 그리고 잠재적으로 오프로더의 전력 소비 및 사이즈를 감소시킨다.

이상(unusual) 움직임으로 인한 베어링에 대한 손상은 상대적으로 더 비싼 메인 베어링, 즉 상측 베어링(701) 및 하측 베어링보다는 상대적으로 더 싸고 교체가 더 용이한 백업 베어링(707)에 충격을 주거나 손상을 줄 가능성이 더 클 것이다.

추가적인 구성 고려

이 개시를 읽은 후, 당업자는 여기서 개시된 원리를 통해서 여전히 추가적인 대안적 구조의 그리고 기능의 구성을 이해할 것이다. 따라서, 비록 특정 실시형태 및 적용이 도해되고 설명되나, 개시되는 실시형태가 여기서 개시되는 정확한 구성 및 구성요소에 한정되지 않는다는 점이 이해될 것이다. 당업자에게 명확할 다양한 수정, 변경 및 변형이 첨부된 청구항에서 정의되는 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 여기서 개시되는 방법 및 장치의 배열체, 동작 및 상세에 만들어 질 수도 있다.

Claims (19)

1. 플라이휠(flywheel) 장치에 있어서,
   상부표면 및 하부표면을 갖는 주된 회전 질량체(primary rotational mass)를 포함하고, 에너지를 저장하기 위한 로터;
   상기 로터에 결합되는 샤프트로서, 상기 샤프트의 중심 축선 주위에서 상기 로터의 상기 주된 회전 질량체가 회전하도록 구성되는, 상기 샤프트;
   상기 로터를 둘러싸고, 상측 플레이트, 바닥 플레이트, 및 측벽을 포함하고, 상기 샤프트의 상기 중심 축선과 정렬되는 홀(hole)을 획정(defining)하는 하우징;
   상기 로터의 상기 중심 축선과 정렬된 상기 홀을 채우고, 상기 샤프트에 결합된 베어링을 포함하는 베어링 하우징;
   플라이휠 조립체의 이송 동안에 상기 로터의 움직임을 방지하기 위해 상기 플라이휠 조립체의 이송 동안에 상기 로터의 상기 주된 회전 질량체와 물리적으로 접촉하도록 구성되는 복수의 포스트(post); 및
   상기 로터 아래에 배치되는 리프팅 기구(lifting mechanism)로서, 상기 로터가 상기 복수의 포스트로부터 들어올려져 상기 주된 회전 질량체가 상기 중심 축선 주위에서 회전할 수 있도록, 상기 복수의 포스트 상에 상기 로터가 안착되는 이송 위치로부터, 설치 동안에 상기 베어링 하우징을 들어올리도록 구성되는, 상기 리프팅 기구;
   를 포함하는, 플라이휠 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 주된 회전 질량체는 상기 중심 회전 축선(center rotational axis)으로부터 멀어지게 극 축선(polar axis)을 따라서 외측방향으로 연장되는, 플라이휠 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 로터에 결합되는 상기 샤프트는 스터브 샤프트(stub shaft)이며, 상기 로터는 상기 스터브 샤프트에 결합되는 저널(journal)을 갖는, 플라이휠 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 플라이휠 조립체의 이송 동안에 상기 로터의 움직임을 방지하기 위해 상기 플라이휠 조립체의 이송 동안에 상기 로터의 상기 상부표면에 물리적으로 접촉하도록 구성되는 복수의 제2 포스트를 더 포함하며,
   상기 복수의 제2 포스트는, 상기 주된 회전 질량체가 상기 중심 축선 주위에서 회전할 수 있게, 설치 동안에 들어올려지거나 제거되도록 구성되는, 플라이휠 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 포스트는 상기 바닥 플레이트에 부착되는, 플라이휠 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 리프팅 기구는 후방지지 플러그(backing plug)를 더 포함하는, 플라이휠 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 하우징은 진공이 상기 하우징 내부에 생성되는 것을 허여하도록 밀봉되는, 플라이휠 장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 로터는 강자성 재료로 만들어지며,
   상기 플레이트 중 하나에 부착되는 자성 오프로더(magnetic offloader)를 더 포함하며,
   상기 자성 오프로더는 상기 베어링 상에서 상기 로터의 하중을 감소시키는 전자기장을 생성하는, 플라이휠 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 자성 오프로더는 상기 하우징의 상기 상측 플레이트에 부착되는, 플라이휠 장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 베어링 하우징은 상기 로터 아래에 배치되는 바닥 베어링 하우징인, 플라이휠 장치.
11. 청구항 10에 있어서,
    상측 베어링 조립체를 더 포함하며, 상기 상측 베어링 조립체는,
    상기 로터의 중심 수직 축선과 정렬된 상기 상측 플레이트의 홀을 채우는 상측 베어링 하우징;
    상기 로터와 결합된 상측 샤프트와 결합되는 상측 베어링; 및
    상기 상측 샤프트 상에 상기 상측 베어링을 유지하고 상기 상측 베어링 상에 지지되어, 플라이휠의 동작 동안에 상기 상측 베어링 상에 하측방향 스러스트 하중을 작용하는, 상기 상측 베어링 위의 베어링 잠금 캡;
    을 포함하는, 플라이휠 장치.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 상측 베어링은 앵귤러 접촉 베어링(angular contact bearing)이며 하측방향으로 작용하는 힘에 대항하도록 구성되는, 플라이휠 장치.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 상측 베어링 조립체는,
    이상(unusual) 수직 이동의 경우에 상측방향 스러스트 하중을 흡수하기 위한 상기 베어링 잠금 캡 위의 백업 스러스트 베어링; 및
    상기 상측 베어링 조립체의 상부를 밀봉하는, 상기 백업 스러스트 베어링 위의 캡;
    을 더 포함하는, 플라이휠 장치.
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 리프팅 기구는 상기 베어링 하우징에 나사식으로 부착되는, 플라이휠 장치.
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