KR102360770B1 - 플라이휠 로터 - Google Patents

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마이크 히
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앰버 카이네틱스, 인크.
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Abstract

향상된 재료 특성을 갖는 고체 강 플라이휠 로터는 감소된 비용으로 향상된 에너지 저장을 제공한다. 로터를 제조하기 위한 프로세스가 또한 제공된다.

Description

플라이휠 로터{FLYWHEEL ROTOR}
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 에저지 저장에 관한 것이고, 그리고 특히 플라이휠을 사용하는 에너지 저장에 관한 것이다.
많은 에너지 소스, 특히 깨끗한 에너지 소스, 예를 들어 윈드 터빈 및 솔라 패널은 겪고 있는 부하(load)와 일시적으로 매치되지 않는 에너지를 생성한다. 많은 발전된 세상에서, 에너지 생성은 겪고있는 부하를 추종하여, 에너지가 필요에 따라 공급된다. 고부하의 상황 하에서, 열 발전기 상의 스핀닝(spinning) 및 논-스피닝(non-spinning) 리저브(reserve) 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.
플라이휠은 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 한편 스핀되는 가중된, 회전 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 있으나, 더 많은 스트레스가 로터 상에 유발된다. 일반적으로, 로터가 동작되는 동안 견딜수 있는 스트레스의 양은 로터를 만들기 위해서 사용되는 프로세스, 재료 및 디자인의 함수이다. 구체적으로, 결딜 수 있는 스트레스의 양은, 다른 인자들 중에서, 로터 재료의 항복 강도, 파괴 인성, 최대 고유 결함 사이즈, 주기적 피로 특성, 및 로터의 형상의 조합에 의존된다. 일반적으로 플라이휠의 베어링 및 서스펜션 시스템은 마찰 및 다른 손실 소스로 인한 에너지 손실을 최소화하도록 구성된다.
저장될 수 있는 에너지의 양에 대한 비용은 플라이휠 시스템에 대해서 특히 중요하다. 플라이휠 시스템의 비용은 대략적으로 2개의 부분, 즉 플라이휠 로터를 제조하는 비용 및 지지 구성요소, 예를 들어 베어링, 마운팅, 인클로져 등을 위한 시스템 비용의 나머지로 나뉠 수 있다. 과거에, 플라이 휠 로터를 제조하는 것은 매우 비쌌다. 결과적으로, 플라이휠은, 수십 내지 수백 kWh의 에너지를 저장할 수 있는 단일 로터를 제조하거나 또는 로터와 함께 사용되는 지지 구성요소를 위한 시스템 비용의 나머지에 대한 비용 비효율적인 많은 개별 로터를 사용하 것은 단지 매우 비쌌기 때문에, 단지 몇초 내지 몇 분의 에너지 저장에 관여되는 응용에 주로 사용되어 왔다.
일부 존재하는 플라이휠 로터는 미국철강협회(AISI) 4340 및 AISI 4140과 같은 일반적인, 저합금강으로 만들어진다. 이 강들은 낮은 비용 및 다른 바람직한 특성을 가지나, 이러한 로터는, 유용한 항복 강도를 달성하기 위해 요구되는 그리고 따라서 상당한 양의 스트레스를 다룰 수 있는, 무심-경화능(through-hardenability)에서의 한계 때문에 얇은 섹션에 한정된다. 예를 들어, 비록 이 로터 재료가 2 기가파스칼(Gpa)의 극한 인장 강도(UTS) 및 40 메가파스칼 제곱근 미터(MPa·m0.5)의 파괴 인성을 달성할 수 있으나, 이러한 로터는 3-6 인치의 최대 단면 두께에 한정된다.
다른 강 플라이휠 로터는, 마레이징(maraging) 강, 에어멧(Aermet) 강, 및 어떤 스테인레스 강과 같은 고-합금 강으로 만들어 진다. 이 플라이휠은 6인치보다 더 큰 단면 두께에 걸쳐서 더 높은 스트레스를 유지할 수 있다. 이 로터는 복수의 분리된 섹션에 대한 필요 없이 이 스트레스를 달성하나, 니켈 및 코발트와 같은 비싼 합금 원소의 높은 함량 때문에 비용적으로 제한된다. 다른 현대의 플라이휠 로터는 탄소 섬유로 만들어지고, 그리고 따라서 상당히 더 높은 사용 스트레스를 허여하나, 탄소 섬유 및 대응하는 더 높은 회전 속도를 달성하기 위해 필요한 보조적인 구성요소의 높은 가격은, 이들의 높은 사용 강도(working strength)-대-중량 비율에도 불구하고 탄소 섬유 로터를 제한적이게 비싸게 한다.
플라이휠 로터, 저널, 및 상기 저널을 연결되기 위한 별개의 스터브 샤프트(stub shaft)를 포함하는 에너지 저장 시스템이 설명된다. 플라이휠 로터는 단일 편 강(single piece of steel)으로 만들어진 회전 대칭 질량체이다. 저널은 질량체의 중심 회전 축선 상에 중심이 위치되고, 상기 질량체가 중심 축선을 따라서 똑바로 배향되는 실시형태에서 질량체의 상측 및 하측에 위치된다. 2개의 스터브 샤프트는 또한 실질적으로 회전 대칭이고, 그리고 각각 저널 중 하나에 물리적으로 연결된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 플라이휠 로터의 단면도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 플라이휠 로터의 저널 및 연결된 스터브 샤프트의 단면도이다.
도 4는 일 실시형태에 따라 플라이휠 로터를 제조하기 위한 예시적인 프로세스이다.
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 점이 용이하게 인식될 것이다.
I. 플라이휠 에너지 저장 시스템
도 1은 일 실시형태에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)의 블록 다이어그램이다. 에너지 저장 시스템은 플라이휠 로터(130), 모터/교류발전기(140), 제1 인버터(150), 캐패시터(160), 제2 인버터(170), 및 AC 라인(180)을 포함한다. 에너지는, 통상적인 3-상 60 Hz 라인과 같은 AC 라인(180)으로부터 인출되거나 또는 AC 라인에 전달된다. 캐패시터(160)뿐만 아니라 제1 인버터(150) 및 제2 인버터(170)는, 입력 교류 전류를 모터/교류발전기(140)에 적합한 교류 전류로 변환시키기 위한 예시적인 백-투-백 컨버터(back-to-back converter) 시스템을 도해한다. 모터/교류발전기(140)는 전기적 에너지와 기계적 에너지 사이에 변환을 하여, 에너지가 플라이휠 로터(130)에 저장될 수 있거나 또는 플라이휠 로터로부터 인출될 수 있다. 모터/교류발전기(140)는 스터브 샤프트(stub shaft; 190)를 사용하여 직접적으로 또는 간접적으로 플라이휠 로터(130)에 물리적으로 연결된다. 자기 베어링 구성요소(미도시)가 시스템에서, 측방향 운동, 비축상(off-axis) 회전, 그리고 마찰을 감소시키는 것을 돕기 위해서 사용될 수도 있다. 모터/교류발전기(140)는 와이어 또는 다른 전기 커플링을 통해서 시스템(100)의 나머지와 연결된다. 일반적으로, 비록 각각의 구성요소의 단지 하나가 도시되나, 실제로 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)은 복수의 각각의 개별 구성요소를 포함할 수도 있다. 도 1은 하나의 예시적인 타입의 ac-대-ac 변환 시스템이다. 일반적으로, 여기서 설명되는 발명은, 넓은 범위의 ac-대-ac 변환 위상(topology)에 그리고 직류(dc) 라인에 직접적으로 인터페이스되는 시스템에 연관된다. 후자는 dc 마이크로그리드(microgrid) 및 솔라 광기전 응용에 특별한 중요성이 있다.
II. 플라이휠 로터 형상
도 2는 일 실시형태에 따른 플라이휠 로터(130)(또는 간단하게 로터)의 단면도이다. 로터(130)는 단일 덩어리의 재료(a single mass of material)로 형성된다. 그러나, 로터(130)의 2개의 상이한 부분은 일반적으로 상이한 기능을 행한다고 언급될 수 있다. 주된 회전 질량체(230)는 로터의 질량의 대부분을 구성하고 그리고 로터에 의해서 저장되는 운동 에너지의 과반을 저장한다. 2개의 저널(212)은 주된 회전 질량체의 어느 일 측부로부터 수직하게 연장되고 그리고 별개의 샤프트들(미도시)에 로터를 커플링하는 것을 지원한다. 이 부분들의 각각이 아래에서 더 설명된다. 어떤 경우에, 로터는 원심력 로딩(loading)을 제공하기 위해, 로터의 외측 표면상에 구성요소, 예를 들어 별개의 질량체들을 포함할 수도 있다.
로터는 일반적으로 회전 대칭이고, 그리고 따라서 로터는, 원점(origin)이 로터의 중심 회전 축선을 통하는 원통좌표계를 사용하여 설명될 수 있다. 외측 표면 상의 별개의 질량체와 같은 다른 구성요소를 포함하는 실시형태에서, 로터 및 별개의 질량 요소는 모두 원점 주위에 균일하게 분포된다.
스케일의 예시를 제공하기 위해서, 일 실시형태에서, 로터(130)는 직경이 36-72 인치이고, 그리고 무게가 2-5 톤 사이이다.
II. 주된 회전 질량체
회전 대칭을 넘어서, 주된 회전 질량체는 다양한 상이한 형상으로 형성될 수도 있으며, 각각이 특정한 성능 목적을 달성하도록 구성될 수도 있다. 일 실시형태에서, 로터의 주된 회전 질량체(230)는, 단면으로 보았을 때, "어미(fishtail)" 형상을 갖는다.
어미 형상은 로터에 작용되는 회전력으로 인한 주된 회전 질량체(230)에 걸쳐 스트레스의 거의 균일한 분포를 보장하는 것을 돕는다. 어미 형상은 로터 질량 및 재료 체적 활용을 최적화하기 위한, 즉 형상 계수(shape factor)를 최적화하기 위한 예시적인 형상이다. 일반적으로, 어미 형상은 중심 섹션 및 연결되는 주변 질량체를 포함한다. 중심 섹션에서, 로터는 중심 축선(226) 근처의 제1 반경(202)에 더 가까울 수록 더 두껍고, 그리고 원점으로부터 멀어지게, 외측 제2 반경(204)까지 두께가 계속적으로 감소된다. 일 실시형태에서, 이 중심 섹션은 다음 형태의 프로파일에 의해서 지배되고:
Figure 112017029964215-pct00001
여기서 t는 로터의 종방향 두께이고, h는 중심 두께이고, r은 극축을 따른 원점으로부터 멀어지는 거리이고, 그리고 β는 상수이다.
둘레의 질량체의 형상에 관해서, 로터의 외측 직경(210) 근처의 제2 반경(204)과 제3 반경(206) 사이에서, 주된 회전 질량체(230)는 종방향 축선의 두께가 계속적으로 증가된다. 제3 반경(206)과 제4 반경(208) 사이에서, 로터는 극축을 따른 짧은 거리에 대해 종방향 축선으로 일정한 두께를 유지한다. 제4 반경(208)은 극축을 따라 로터의 외측 표면(210)에 또는 외측 표면 근처에 위치된다. 제4 반경(208)의 근처에서, 로터의 가장자리는 둥글거나 또는 정방형일 수도 있다.
주변 질량체에 대한 중심 섹션의 상대적인 비율에 관해서, 어미 부분의 질량의 과반은 중심 섹션에 위치된다.
도 2에 도시된 실시예에서, 로터(130)의 외측 표면(210)은 로터(130)의 어미 부분의 가장 폭 넓은 두께(228)보다 더 큰 직경을 갖는다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 로터의 전체가 무심 경화되는 것을 허여하는 임의의 형태의 로터는 상대적으로 높은 레벨의 사용 스트레스(working stress)를 달성할수 있다. 일반적으로 두께보다 더 큰 직경을 갖는 로터는 직경보다 더 큰 두께를 갖는 대응물보다 더 느린 속도로 회전된다. 더 느린 회전 속도는 로터가 회전되도록 허여하는 베어링 조립체의 작동 요건을 완화시키고, 이로 인해 플라이휠 시스템의 전체 비용을 감소시킨다.
다른 실시형태에서, 로터는, 어미 형상을 갖는 것보다, 대신 원통형 형상을 갖는다.
II.B 저널 및 스터브 샤프트(stub shaft)
로터의 종방향 축선(또는 중심 회전 축선)을 따라서, 로터는 로터와 양방향 모터/교류발전기(140) 사이에서 에너지를 전달시키기 위한 2개의 샤프트를 부착하고 그리고 탈착하기 위한 2개의 저널(212)을 포함한다. 저널(212)은 샤프트에 로터를 연결하는 보어에 대한 필요를 제거한다. 보어는 보어의 내측 직경에서 후프 스트레스의 배가로 귀결된다. 이러한 보어는 종종 로터의 제조 후 로터 안으로 드릴링되거나, 또는 이러한 홀을 목적하면서 로터가 의도적으로 설계되고 제조된다. 반면에, 보어를 저널(212)과 교체하는 것은 스트레스가 주된 회전 질량체에 걸쳐서 더욱 고르게 분배되는 것을 허여하여, 그렇지 않았으면 보어가 위치되는 곳의 스트레스 라이저(stress riser)를 피할 수 있다.
도 3은 일 실시형태에 따른 로터의 저널(212) 및 연결된 스터브 샤프트의 단면도이다. 각각의 저널(212)은, 자체가 주된 회전 질량체(230)의 중심 섹션의 원점으로부터 외측으로 연장된 증가된 두께의 마운드(214; mound)로부터 질량체의 종방향 축선을 따라서 외측(218)으로 연장된다. 마운드(214)는, 저널(212)에 인접한 곳에서 가장 큰 두께를 갖고, 그리고 반경이 증가함에 따라 두께가 점진적으로 테이퍼지는 테이퍼진 형상을 갖는다. 마운드(214)의 점진적으로 테이퍼지는 형상은, 저널(212)이 주된 회전 질량체(230)와 연결되는 지점에서 스트레스 라이저 또는 피크 스트레스를 겪는 것으로부터 저널을 격리시킨다.
필렛(fillet)은 저널(212)과 마운드(214)가 결합되는 곳에 존재한다. 필렛은 저널(212) 둘레에서 스트레스 라이저를 방지한다. 저널의 외측/상측 표면은 실질적으로 평면이고, 그리고 극축에 대해서 수직이다. 저널(212)의 외측 표면은 저널(212)에 부착되도록 구성되는 샤프트(226)의 연결 단부(222)보다 더 좁다(220). 스터브 샤프트는 다음으로 그 길이의 과반에 대해서 더 폭이 좁은 외측 직경(224)으로 폭이 좁아진다. 스터브 샤프트의 전체 길이는 실시형태에 의해서 변경될 수도 있다. 샤프트는 샤프트의 연결 단부(222)와 샤프트의 폭 좁은 부분(224) 사이의 연결부에서 굽힘 스트레스를 더욱 균일하게 분배시키기 위해 필렛(미도시)을 또한 포함할 수도 있다.
일반적으로, 저널(212)의 외측 직경과 스터브 샤프트의 연결 단부(222)의 내측 직경 사이의 경계에 억지끼워맞춤이 위치되는 직경(220)은 스터브 샤프트의 길이의 과반의 직경(224)보다 더 크다. 억지끼워맞춤을 위해 비교적 큰 직경(220)을 갖는 것은, 단지 상대적으로 약한 억지끼워맞춤이 이러한 큰 직경을 가지고 필요하기 때문에, 저널(212) 근처의 로터(130)의 내부에서 스트레스 라이저를 더 감소시키는데 유리하다. 또한, 저널 영역에서 유발되는 인터피어런스 스트레스(interference stress)는 일반적으로 압축성이고, 그리고 따라서 저널(212) 내 원심적으로 유도되는 스트레스를 약화시키도록 작동한다. 따라서, 저널(212)의 넓은 직경(220)과 테이퍼진 형상의 조합은, 전체로서 로터(130) 상에 커플링의 스트레스 충격을 최소화하는 샤프트와 커플링을 위한 메커니즘으로 귀결된다.
일 실시형태에서, 샤프트(226)는 수축 끼워맞춤에 의해서 저널(212)에 연결된다. 예를 들어, 샤프트는 저널(212)에 대한 부착 전에 가열되어 샤프트가 열적으로 팽창되도록 유발할 수 있다. 가열 후, 저널(212) 및 샤프트는 부착될 수 있다. 샤프트는 다음으로 냉각되도록 허여되어, 저널(212)과 억지 끼워맞춤을 형성도록 열적으로 수축된다. 다른 실시형태에 있어서, 샤프트의 냉각이 저널(212)과 샤프트(226) 사이의 억지 끼워맞춤을 생성하기 위해서 사용되면서, 내측 프레스 끼워맞춤(internal press fit)이 사용될 수도 있다. 샤프트(226)는 또한 프레스 끼워맞춤을 통해서, 또는 중공 실린더형 샤프트가 사용된다면 중심 축선방향으로 배향된 유지 볼트로 저널(212)에 연결될 수도 있다. 이들은 샤프트(226)를 저널(212)에 연결시키기 위한 많은 대안들 중 예시이다.
예시로서, 일 실시형태에서, 저널(212)은 대략 3-8 인치의 외측 직경을 갖고, 그리고 0.5 이상 2 인치 이하 사이의 거리를 마운드로부터 외측으로 돌출된다. 샤프트는 4 이상 10 인치 이하의 외측 직경 및 저널의 외측 직경에 (억지 끼워맞춤을 통해서)정합되도록 구성되는 내측 직경(예를 들어,대략 3-8 인치)의 연결 단부(222)를 갖는다. 억지 끼워맞춤은 수천분의 일 또는 수백분의 일 인치 정도(예를 들어 인치의 2천-만)이다. 즉, 비록 저널(212)의 외측 직경과 샤프트의 내측 직경 모두의 예시 직경이 3-8 인치인 것으로 리스트되나, 실제로 이들의 직경은 억지 끼워맞춤의 정밀성에 근거한 양만큼 서로 상이할 것이다(예를 들어, 모두 4인치이며, 하나가 나머지 하나 보다 0.0003 인치 더 크거나 더 작다). 연결 단부로부터 멀어지는 곳에, 샤프트는 1 이상 3 인치 이하 사이의 외측 직경(224)을 갖으며, 이는 저널(212)의 외측 직경보다 더 좁다.
실제로, 더 큰 직경이 더 양호하게 수행하기 때문에, 저널(212)의 직경(및 관련된 샤프트의 연결 단부(222)의 내측 직경)에 대한 상측 제한은 없다. 그러나, 아래에 설명되는 가로 하중 요건을 만족하는 샤프트를 제조하는 것과 관련된 비용 및 어려움이 있다. 일반적으로, 저널(212)의 직경이 더 클 수록 제조 중에 로터 질량체로부터 더 적은 재료가 제거될 필요가 있고, 이는 제조 비용을 낮춘다. 그러나, 큰 연결 단부(222) 및 좁은 반경(224)을 갖는 샤프트(226)를 형성하는 것은 샤프트를 위한 더 큰 시작 블록으로부터 추가적인 재료의 제거를 요구하며, 이는 제조 비용에 추가된다. 또한, 큰 연결 단부(222)는 다루기 불편하고, 그리고 로터 및 샤프트를 포함하는 플라이휠 시스템의 구성을 더욱 복잡하게 할 수도 있다.
저널(212)은 단지 짧은 거리를 로터로부터 외측으로(218) 연장된다. 비록 외측으로 더 큰 거리(218)는 더 양호한 억지 끼워맞춤 및 로터 상에서 더 양호한 압축 응력으로 귀결될 수도 있으나, 여기서 설명되는 바와 같은 로터를 위한 성능 특성을 여전히 달성하면서 거리(218)를 연장하는 것이 반드시 가능하지는 않다. 이에 대한 이유는 저널이 더 멀리 외측으로 연장될 수록, 로터 재료의 시작 블록이 더 커야 하고, 그리고 최종 로터 형상에 도달하도록 시작 로터 질량체로부터 더 많은 재료가 제거되어야 하며, 이 양자는 로터를 제조하는 비용에 추가된다. 또한, 도 4에 대해 아래에 설명되는 바와 같이, 로터 재료의 시작 블록은, 로터가 그 최종 형상으로 기계가공되기 전에 그 성질(강도 등)에 영향을 주는 많은 처리를 거칠 수도 있다. 하나의 이러한 처리는 경화이며, 질량체 안으로 얼마나 멀리 재료가 경화될 수 있는지에 대한 상측 제한이 있다. 만약 질량체가 이 상측 제한보다 더 두꺼우면, 재료의 전체 질량체를 무심-경화(through-harden)하는 것이 가능하지 않다. 결과적으로, 저널(212)을 더욱 외측(218)으로 연장하기 위해서 더 큰 재료 블록으로 시작하는 것, 그리고 또한 전제 로터 질량체를 무심-경화하는 것이 항상 가능하지는 않다.
샤프트(226)는 상당한 가로 하중을 견디도록 구성된다. 이 굽힘 스트레스는 연결 단부(222) 근처에서 최고이다. 일반적으로, 로터는 지구의 중력에 평행한 축선 둘레로 회전되게끔 동작될 것이다. 그러나, 샤프트(226)는, 만약 로터가 기울어지거나, 또는 로터가 지구의 중력에 수직한 축선 둘레로 회전되게끔 동작된다면, 로터가 여전히 충분히 동작가능하도록 구성된다. 일 실시형태에서, 샤프트(226)는 변형 또는 파괴 없이 1 G (9.80665 미터/제곱된 초)의 가로 하중을 다루게끔 구성된다. 이 실시형태의 일 예시에서, 1 G의 가로 하중 하에서 샤프트(226) 상의 피크 굽힘 스트레스는 170 MPa이고, 그리고 500 MPa - 1.5 GPa 사이의 항복/극한 인장 강도이다. 비록 다른 합금이 또한 이 표준을 만족시킬 수 있으나, 이 표준을 만족시키도록 제조될 수 있는 합금의 예는 AISI 4340이다.
로드 하에서 재료 강도 제한을 만족시키는 것에 부가하여, 샤프트 길이 및 직경은 선택된 굽힘 강도에 영향을 주도록 구성될 수 있다. 일 실시형태에서, 이 선택된 굽힘 강도는 25-200 뉴턴/마이크론(N/μm)(예를 들어, 70 N/μm) 사이이며, 강도는 샤프트의 단부에서의 사이드로딩으로 불리고, 20-60 헤르츠(Hz) 사이의 측방향 질량 중심 진동수로 귀결된다. 이 굽힘 강성은 플라이휠 로터 서스펜션 서브시스템의 측방향 및 비틀림 공진 모드를 설정하도록 측방향 및 비틀림 컴프라이언스(lateral and torsional compliance)를 설정하게끔 선택될 수 있다. 이 컴플라이언스 서브시스템은 강체 로터를 전형적으로 강성의 하우징에 효과적으로 연결한다. 하우징은 땅에 고정될 수도 있거나, 또는, 차례로 부차적인 서스펜션, 전형적으로 풋팅(fotting)에 의해서 땅으로부터 격리될 수도 있다. 일반적으로, 공진 모드는 제로(zero) 속도에서 간단하게 결정되고, 그리고 다음으로, 로터 속도가 제로보다 큰 속도로 증가됨에 따라 측방향 질량 중심 및 선회(whirl) 모드로 변환된다.
주된 회전 질량체(230) 및 저널(212)을 포함하는 로터는, 예를 들어 아래에서 설명되는 예시 재료 및 예시 프로세스를 사용하여, 단일 편의 재료로서 제조된다. 따라서, 로터는 주된 회전 질량체와 저널(212) 사이에 용접, 연결, 심(seam), 홀, 또는 구성상의 차이가 없는 단일체 구성을 갖는다. 그러나, 또한 아래에 더욱 설명되는 바와 같이, 단일체/단일편 로터의 상이한 부분들은 상이한 지점에서 로터의 특성을 변형시키도록 상이한 처리 및/또는 제조 프로세스를 겪을 수도 있다. 예를 들어, 로터의 표면은 로터의 내부와 다른 처리를 받을 수도 있다.
III. 로터 재료 특성 및 제조.
로터의 성능은, 로터로 보여지는 바와 같은 최종 상태로 원 재료를 변환시키도록 행해지는 제조 프로세스뿐만 아니라, 로터를 구성하는 재료의 몇가지 파라미터에 근거한다. 이 파라미터는 로터의 항복 강도, 로터의 파괴 인성, 로터 내 최대 고유 결함 사이즈(또는 최대 초기 크랙 사이즈), 및 주기적인 피로(또는 주기적인 크랙 성장율)을 포함한다. 로터는 또한, 이 특성의 균등물로 알려진 또는 이 특성으로 변환될 수 있는/이 특성으로부터 유도될 수 있는 다른 특성의 관점에서 설명될 수도 있다.
일 실시형태에서, 로터는, 로터의 항복 강도(σyield)가 제1 한계값보다 더 크고, 로터의 파괴 인성(σfracture)이 제2 한계값보다 더 크고, 그리고 최대 고유 결함 사이즈(aintr)가 한계 사이즈보다 더 작도록 파라미터 값을 갖는다. 이 방식으로 정의된 로터는, 로터가 로터의 동작 수명에 걸쳐서 견딜 수 있는 사용 스트레스(σworking)에서 상당한 성능을 달성한다. 동작 동안에 로터는 항상 다음 조건을 만족할 것이다:
Figure 112017029964215-pct00002
여기서 α는 0과 1사이의 디레이팅을 위한 파라미터이다. 또한, 로터 재료는, 로터의 동작 수명동안에, 주기적 크랙의 성장, 또는 제조 동안에 로터에 존재하는 초기 크랙의 성장이, 임계적 크랙 사이즈를 향해서 성장할 때, 수만번의 완전한 스트레스 사이클을 허용할 정도로 충분히 느리게 성장하도록 구성된다.
구체적 실시예로서, 일 실시형태에서, 로터는 적어도 900 MPa의 항복 강도(σyield), 적어도 70 메가파스칼/제곱근 미터(MPa/m0. 5)의 파괴 인성, 및 2 밀리미터 (mm) 또는 더 작은 최대 고유 결함 사이즈를 갖는다. 다른 실시형태에서, 로터는, 900 MPa 이상 2 GPa 이하 사이의 항복 강도(σyield), 40 이상 200 MPa·m0.5 이하의 파괴 인성(σfracture), 및 0.05 mm 이상 2 mm 이하 사이의 최대 고유 결함 사이즈를 갖는다. 다른 실시형태에서, 로터는 위에서 설명된 범위 내에서 임의의 서브-레인지 내에 있는 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 로터는 900-1000 MPa, 1000-1100 MPa, 1100-1200 MPa, 1200-1300 MPa, 1300-1400 MPa, 1400-1500 MPa, 1500-1600 MPa, 1600-1700 MPa, 1700-1800 MPa, 1800-1900 MPa, 1900-2000 MPa, 또는 이들 서브 레인지의 임의의 조합의 항복 강도(σyield)를 갖는다. 동일한 또는 상이한 실시형태에서, 로터는, 40-50 MPa·m0.5, 50-60 MPa·m0.5, 60-70 MPa·m0.5, 70-80 MPa·m0.5, 80-90 MPa·m0.5, 90-100 MPa·m0.5, 100-110 MPa·m0.5, 110-120 MPa·m0.5, 120-130 MPa·m0.5, 130-140 MPa·m0.5, 140-150 MPa·m0.5, 150-160 MPa·m0.5, 160-170 MPa·m0.5, 170-180 MPa·m0.5, 180-190 MPa·m0.5, 190-200 MPa·m0.5, 또는 이들 서브-레인지의 임의의 조합 사이의 파괴 인성(σfracture)을 갖는다. 동일한 또는 상이한 실시형태에서, 로터는, 0.5-0.6 mm, 0.6-0.7 mm, 0.7-0.8 mm, 0.8-0.9 mm, 0.9-1.0 mm, 1.0-1.1 mm, 1.1-1.2 mm, 1.2-1.3 mm, 1.3-1.4 mm, 1.4-1.5 mm, 1.5-1.6 mm, 1.6-1.7 mm, 1.7-1.8 mm, 1.8-1.9 mm , 1.9-2.0 mm, 또는 이들 서브-레인지의 임의의 조합 사이의 최대 고유 결함 사이즈를 갖는다.
위의 예시적인 한계값을 만족하는 로터가 300M 강으로 만들어질 수 있다. 300M 강은 항공우주 재료 표준(Aerospace Material Standard)(AMS) 자동차 기술자 협회(Society of Automotive Engineers)(SAE) 6257(간단하게 SAE-6257이라 함)에 의해서 설명된다. 300M 강은 1.6% 실리콘(Si), 0.82% 크롬(Cr), 1.8% 니켈(Ni), 0.40% 몰리브데넘(Mo), 0.08% 바나듐(V), 및 0.40-0.44% 범위의 탄소(C)의 비례적인 화학 조성을 갖고, 잔부가 철(Fe)이다. 300M 강은 상대적으로 낮은 비용을 갖고, 그리고 따라서 이 재료로 만들어지는 로터를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 시스템의 비용을 감소시키기 위해서 유리하다. V 및 Si는, 향상된 경화성을 제공하고 그리고 두꺼운-섹션 로터가 , 예를 들어 상술된 바와 같은 어미 형상으로 14” 두께까지 되고 그리고 전체적으로 무심-경화되도록 만들어지는 것을 허여하는 합금 원소이다.
그러나, 단지 300M 강만의 규격은 위에서 특정된 파라미터를 보장하기 불충분하다. 추가적인 제조 단계가 로터의 성능을 향상시키기 위해서 사용된다. 이 단계들은 조질(refining), 다-단계 단조, 열처리, 표면 처리 및 기계가공을 포함한다. 300M 강은, 진공-아크-재용해(vacuum-arc-remelting (“VAR”)), 전기-슬래그-재용해(electro-slag-remelting (“ESR”)), 또는 진공 유도 용해(vacuum induction melting (VIM))와 같은 조질 프로세스를 사용하여 조질된다. 이 프로세스는 원하는 최대 고유 결함 사이즈보다 더 큰 결함을 제거한다. 대조적으로, 만약 300M 강이 대신에 개방된 공기 중에서 용해되면, 이 원하는 최대 고유 결함 사이즈보다 더 큰 결함, 예를 들어 개재물 또는 다른 불순물을 갖는 경향이 있을 것이다. VAR 조질은 최대 고유 결함 사이즈가 2mm 이하인 점을 보장하는 것을 돕는다.
다-단계 단조는 방향성 입자(directional grain)를 로터에 도입한다. 일반적으로, 입자 배향은 사용되는 단조 프로세스에 근거하여 결정된다. 단일 단계 단조 프로세스는 로터 전체에 일정한 방향성 입자의 존재를 보장하기에 불충분할 수도 있다. 다단계 단조 단계를 행하는 것은 로터 전체에 걸쳐서 일정한 입자 배향을 보장하는 것을 돕는다. 입자 배향을 제어하는 것은 또한 로터에 존재하는 임의의 개재물을 형상짓고 배향하는 추가된 이점을 갖는다.
일반적으로, 열처리는 강의 항복 강도 및 경도를 증가시키기 위해서 사용된다. 열처리에서, 강은 오스테나이트로 가열(또는 오스테나이트화(austenetized))된다. 가열하는 시간 및 온도는 부분적으로 로터의 입자 사이즈를 정의한다. 오스테나이트는 다음으로 신속하게 냉각된다(또는 담금질된다). 담금질은 오스테나이트를 강의 몇가지 다른 재료 상, 예를 들어 펄라이트 및 마텐자이트 중 하나로 변환한다. 열 전달의 물리학 때문에, 강 내의 모든 깊이가 동일한 비율로 냉각되지 않을 것이며, 강의 더 얕은 깊이 부분은 종종 상당한 비율의 마텐자이트(예를 들어 50%를 넘는 마텐자이트)로 담금질될 것이나, 강의 더 깊은 깊이 부분은 상당한 비율의 펄라이트 또는 다른 재료 상으로 담금질될 수도 있으며, 단지 강의 절반 미만(예를 들어, 50% 미만의 마텐자이트)이 마텐자이트로 담금질 된다는 점을 의미한다. 강이 담금질되는 다양한 재료 상의 비율은 재료의 천이 곡선(TTT 곡선이라 함)에 의해서 지배된다. 특히 마텐자이트는 매우 높은 항복 강도 그리고 또한 매우 높은 경도를 갖기 때문에, 로터에서 사용을 위해 바람직하다. 일 편의 강은, 각각의 두께에서 강이 적어도 50%의 마텐자이트를 함유하고 있을 때 무심 경화되었다고 언급된다.
일 실시형태에서, VAR 300M은 8-14 인치의 깊이까지 300M 강을 무심-경화시키는 것이 가능하여 이를 상당한 양의 운동 에너지를 저장하기에 충분한 사이즈의 로터를 형성하기 위해서 매우 유용하게 만들 수 있기 때문에, 로터에서 사용된다. 특히, 300M에서 Si 및 V 합금 원소는 마텐자이트로 천이에 유리하게 담금질하는 동안 펄라이트의 형성을 지연시켜, 강 내의 상당한 깊이의 부분에서 증가된 무심-경화로 귀결된다. VAR 300M 로터에서, 무심-경화는 로터가 2 GPa 까지의 항복 강도(σyield)를 달성하는 것을 허여한다.
담금질된 강은 낮은 파괴 인성을 갖는다는 단점을 갖는다. 결과적으로, 템퍼링 단계는 담금질 단계를 추종할 수 있다. 템퍼링은, 실온으로 다시 천천히 냉각하기 전에, 어떤 시간(예를 들어, 몇 시간) 동안 오스테나이트화 온도(예를 들어, 600-1200 화씨(F)) 보다 더 낮은 온도에서 강을 유지한다. 약간의 항복 강도(σyield)의 손실로, 담금질은 파괴 인성을 상당히 향상시키고, 그리고 잔류 내부 응력을 제거한다. VAR 300M 로터에서, 템퍼링은 로터가 또한 900 MPa을 넘는 σyield을 유지하면서, 적어도 70 MPa·m0.5의 파괴 인성(σfracture)을 달성하는 것을 허여한다.
표면 처리는 로터의 표면을 보호한다. 몇가지 상이한 표면 처리가 사용될 수도 있다. 첫 번째는 쇼트 피닝 (shot peening)으로, 압축성 스트레스가 로터의 표면에 부여되어 로터 표면을 경화시킨다. 두 번째는, 유사하게 로터 표면의 항복 강도뿐만 아니라 경도를 증가시키는 질소 및/또는 탄소 처리이다. 다른 표면 처리가 또한 사용될 수도 있다.
상술된 바와 같이 구성된 로터의 일 장점은, 수십 내지 수백 kWh의 에너지를 저장할 수 있는 상당히 더 큰 로터가 다른 잠재적으로 착상가능한 프로세스에 비하여 저비용으로 제조될 수 있다는 점이다. 또한, 이러한 로터를 포함하는 플라이휠 시스템의 전체 비용은 또한 많은 더 작은 로터를 사용하는 존재하는 플라이휠 시스템에 비하여 더 낮아진다. 이것은 큰 로터를 사용하는 것이 복수의 로터 및 이들의 관련된 지지 구성요소에 대한 필요성을 제거한다는 사실 때문이다. 예를 들어, 플라이휠 시스템이 더 큰 로터를 지지하기 위해서 더 큰 베어링을 사용하는 것은 각각 자기의 더 작은 베어링을 사용하는 많은 더 작은 로터를 사용하는 것에 비하여 훨씬 덜 비싸다. 추가로, 단일 일체의 로터는 또한 분리된 로터 구성요소의 적층으로부터 조립되는 로터보다 일반적으로 더 경제적이다.
IV. 제조 방법
도 4는 일 실시형태에 따라 로터를 제조하기 위한 예시적인 프로세스이다. 도 4의 실시예에서, 원소들은 합금되어(401)어 원하는 재료 조성을 갖는 강을 제조한다. 예를 들어, 만약 300M이 사용된다면, Si, Cr, Ni, Mo, V, C, 및 Fe가 함께 합금된다. 합금된 원소들은 다음으로 큰 결함을 제거하기 위해서 조질된다(403). 위 실시예를 다시 참조하여, VAR 프로세스가 300M 합금을 조질하기 위해서 사용될 수도 있다. 조질된 합금은 다음으로 입자 사이즈 및 방향을 배향시키도록 다단계 프로세스를 사용하여 거의 최종 형상으로 단조된다(405). 열처리가 항복 강도를 향상시키게끔 단조된 로터 재료를 무심 경화도록 적용된다(407). 템퍼링(409)이 다음으로 파괴 인성을 향상시키도록 행해진다. 로터 재료는 다음으로 기계가공되어(411) 원하는 형상으로 로터를 형성한다.
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 (20)

  1. 단일 편(single piece) 합금강으로 만들어지는 회전 대칭 질량체를 포함하는 플라이휠 로터로서,
    상기 합금강은 두꺼운-섹션의 무심-경화(through hardening)를 가능하게 하는, 적어도 300M 강을 포함하고, 상기 합금강은 가열된 다음 담금질되어 질량체를 무심-경화시키며,
    상기 질량체는,
    적어도 900 MPa의 항복 강도,
    적어도 70 MPa·m0.5의 파괴 인성, 및
    2 mm 이하인 최대 고유 결함 사이즈
    를 가지며,
    상기 질량체는 제2 축선을 따른 상기 질량체의 가장 큰 두께보다 제1 축선을 따른 더 큰 직경을 가지며, 상기 가장 큰 두께는 8 내지 14 인치이고, 상기 질량체는 상기 제2 축선을 중심으로 회전하도록 구성되는, 플라이휠 로터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체의 중심 축선을 통하는 홀을 포함하지 않는, 플라이휠 로터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체로부터 돌출되는 복수의 저널(journal)을 더 포함하며, 각각의 저널은 샤프트에 물리적으로 연결되도록 형상지어지는, 플라이휠 로터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터는 2 내지 5 톤(ton)의 범위 내에 있는 질량을 갖는, 플라이휠 로터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체는 36 내지 72 인치의 범위 내의 외측 직경을 갖는, 플라이휠 로터.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체는, 무심-경화되고(through-hardened) 템퍼링된 300M 강(steel)으로 형성되고,
    - 진공-아크-재용해(vacuum-arc-remelted (VAR)) 프로세스,
    - 전기-슬래그-재용해(electro-slag-remelting (ESR)) 프로세스, 및
    - 진공 유도 용해(vacuum induction melting (VIM)) 프로세스
    중 하나를 이용하여 형성되는, 플라이휠 로터.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량체는 어미(fishtail) 형상을 포함하는, 플라이휠 로터.
  10. 플라이휠 로터에 있어서,
    단일 편의 무심-경화되고 템퍼링된 300M 강으로 만들어지고,
    - 진공-아크-재용해(vacuum-arc-remelted (VAR)) 프로세스,
    - 전기-슬래그-재용해(electro-slag-remelting (ESR)) 프로세스, 및
    - 진공 유도 용해(vacuum induction melting (VIM)) 프로세스
    중 하나를 이용하여 형성되는 회전 대칭인 질량체를 포함하며,
    상기 질량체는 제2 축선을 따른 상기 질량체의 가장 큰 두께보다 제1 축선을 따른 더 큰 직경을 가지며, 상기 가장 큰 두께는 8 내지 14 인치이며,
    상기 질량체는 상기 질량체로부터 돌출되는 복수의 저널을 포함하고, 각각의 저널은 샤프트에 물리적으로 연결되도록 형성되며,
    상기 질량체는 상기 제2 축선을 중심으로 회전하도록 구성되는, 플라이휠 로터.
  11. 청구항 10에 있어서,
    적어도 900 MPa의 항복 강도를 갖는, 플라이휠 로터.
  12. 청구항 10에 있어서,
    적어도 40 MPa·m0.5의 파괴 인성을 갖는, 플라이휠 로터.
  13. 청구항 10에 있어서,
    2 mm보다 작거나 같은 최대 고유 결함 사이즈를 갖는, 플라이휠 로터.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 질량체의 중심 축선을 통하는 홀을 포함하지 않는, 플라이휠 로터.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 로터는 2 내지 5 톤(ton)의 범위 내에 있는 질량을 갖는, 플라이휠 로터.
  18. 청구항 10에 있어서,
    상기 질량체는 36 내지 72 인치의 범위 내의 외측 직경을 갖는, 플라이휠 로터.
  19. 청구항 10에 있어서,
    상기 질량체는 어미 형상을 포함하는, 플라이휠 로터.
  20. 플라이휠 로터를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    300M 강의 단일 질량체를 형성하도록 복수의 원소를 합금하는 단계로서, 상기 질량체는 제2 축선을 따른 상기 질량체의 가장 큰 두께보다 제1 축선을 따른 더 큰 직경을 가지며, 상기 가장 큰 두께는 8 내지 14 인치이고, 상기 질량체는 상기 제2 축선을 중심으로 회전하도록 구성되는, 단계;
    - 진공-아크-재용해(vacuum-arc-remelted (VAR)) 프로세스,
    - 전기-슬래그-재용해(electro-slag-remelting (ESR)) 프로세스, 및
    - 진공 유도 용해(vacuum induction melting (VIM)) 프로세스
    중 하나를 이용하여 상기 질량체를 조질(refining)하는 단계;
    상기 질량체 내에 입자 사이즈 및 방향을 정렬하도록 다단계 단조 프로세스를 실행하는 단계;
    상기 질량체를 무심 경화하도록 상기 질량체를 가열하고 담금질하는 단계;
    상기 질량체를 템퍼링하는 단계; 및
    상기 질량체를 기계가공하는 단계를 포함하는, 플라이휠 로터를 제조하는 방법.
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