KR19980702039A - 에너지 저장 및 변환 장치 - Google Patents

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KR19980702039A
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이안 크롬비
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던칸 리치 쿠츠
브리티시 뉴클리어 퓨얼스 피엘씨
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Abstract

진공챔버(9)를 형성하는 밀봉부(6), 상기 챔버(9)내의 고정자(2), 그리고 사용할 때에 고정자(2)에 의해 작동되어 운동 에너지로서 에너지를 저장하고, 에너지를 방출하는 발전기로서 고정자(2)와 함께 작동하는, 고정자(2) 주위에 위치한 회전자(3)를 구비하는 에너지 저장 및 변환 장치(1)에 있어서, 회전자가 사용할 때에 밀봉부(6)와 상호작용하는 회전자(3)에서의 플럭스(10)로 인해 발생하는 에너지 손실을 감소시키기 위한 플럭스 실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치(1). 회전자(3)에서 밀봉부(6)로 흐르는 플럭스양을 감소시킴으로써, 상호작용이 감소되고, 이것으로 인해 에너지 손실을 감소시키며, 에너지 저장 및 변환 장치(1)의 효율성을 증가시킨다.

Description

에너지 저장 및 변환 장치
본 발명은 에너지 저장 및 변환 장치에 관한 것이며, 특히 플럭스 실드(flux shield)를 이용하여 원치않는 에너지 손실을 감소시키는 기구에 관한 것이다.
플라이휠은 운동 에너지로서 에너지를 수용하고 에너지를 저장할 수 있으며, 사용자 시스템에 의해 요구시 다른 형태로 변환시키기 위해 에너지를 배출할 수 있는 잘 알려진 장치이다. 종래 기술에서 코어에 장착된 코일과, 베어링에 장착된 회전하는 플라이휠을 가지는 고정된 고정자를 구비하는 플라이휠장치가 많이 알려져 있다. 사용하는 동안, 플라이휠은 모터로서 작동하는 고정자에 의해 가속화되어, 회전자의 운동 에너지로서 회전자 내에 에너지를 저장한다. 에너지가 기구로부터 빠져나와야 할 때, 고정자와 회전자는 제너레이터(또는 발전기)로서 작동하여 운동 에너지를 다시 전기 에너지로 변환시키고, 따라서 플라이휠 감속의 결과를 야기한다.
비록 다양한 많은 형태의 고정자와 회전자 배열이 알려져 있지만, 본 출원인은 다른 종래 기술의 장치보다 아주 진보된 에너지 저장 및 변환 장치를 개발했다. 본 출원인의 장치에서, 고정자는 중공(中空) 원통형/튜브형 회전자내에서 동축적으로 위치해 있으며, 상기 고정자는 회전자 길이의 최소한 주요한 부분을 따라 뻗어 있다. 회전자는 섬유 강화 복합 재료로 만들어지며, 상기 강화 섬유는 바람직하게는 유리 또는 탄소섬유이다. 회전자 내부층은 섬유들 사이에서 회전자 매트릭스 내에 위치한, 자기적으로 도자성(permeable)인 분말 재료를 포함한다. 본 재료는 알려진 수단에 의해 번갈아 있는 N극과 S극으로 자화되며, 대응되는 극의 배열을 가지는 고정자는 사용할 때 회전자를 움직여서 에너지를 저장한다. 가벼우나 극도로 강한 회전자의 장점으로 인해, 아주 고속으로의 가속이 가능하여 상당한 양의 에너지를 저장한다. 왜냐하면 저장된 에너지는 회전자 속도의 제곱에 비례하기 때문이다.
다른 회전자 고안에서, 회전자는 자기적으로 도자성인 재료를 매트릭스에 침전시키지 않고도 섬유 강화 복합 재료만으로 구성되어도 된다. 이러한 배열에서, 회전자 내부면은 자석과 일직선상에 있으며, 상기 자석은 사용할 때 고정자와 상호 작용을 하여 회전자가 가속화되게 한다.
어떠한 배열이 사용되어도 드라이브 메카니즘을 동일하다. 고정자의 코일에 의해 생성된 플럭스는 코어의 극면을 관통하여 고정자로부터 빠져나와, 고정자 및 회전자 사이의 공기/진공 갭을 가로질러 회전자 자석/자성체에 들어간다. 회전자내의 플럭스 라인들은 N극 및 인접한 S극 사이를 지나 고정자의 반대극으로 향해 공기/진공 갭을 다시 가로지른다. 따라서 플럭스 경로는 회전자 및 고정자를 연결하는 완전회로를 그린다. 한번에 생성되는 완전회로의 수는 고정자 및 회전자 설계에서 사용되는 극수에 의존한다. 또한, 이들은 어떠한 적절한 구성에서도 알려진 방법으로 배열되어도 된다. 어떠한 경우에서든지, 고정자 코일로의 입력을 스위칭함으로써 고정자 극 극성을 고정자 주위의 회전자를 구동시키도록 배열가능하다.
모든 에너지 저장 및 변환 장치에서 필수적인 부분은 밀봉부(containment)이다. 밀봉부는 플라이휠(또는 회전자), 고정자 그리고 시스템의 다른 내부 구성 요소들을 완전하게 둘러싸는 하우징이다. 그것은 주로 기계적으로 강한 재료, 예컨데 철 또는 알루미늄 같은 재료로 구성되어, 고속에서의 플라이휠 파손시 플라이휠 잔재를 안전하게 담을 수 있게 한다. 그것은 주로 진공표준으로 제조되어, 작동 공간을 배기시켜 플라이휠이 고진공 상태에서 작동할 수 있도록 하며, 이것에 의하여 장치내에서의 풍손(風損)을 감소시킨다. 덧붙혀서 기구의 전반적인 크기를 감축시키고 최소 무게를 유지하기 위해, 밀봉부는 여전히 기능을 완수하면서도 가능한 한 작게 제조된다.
본 출원인의 에너지 저장 및 변환 장치의 경우에서, 밀봉부는 회전자의 길이를 따라 둘러싸는 두꺼운 벽을 가지는 알루미늄 튜브 형태이며, 제1도에 도시된 것과 같이 플랜지에 의해 각 끝에서 둘러 싸인다.
전술한 이유들로 인하여, 밀봉부는 단지 최소의 갭만을 가지며 회전자에 편리한 만큼 가깝게 배열된다. 공교롭게도 문제는 에너지 저장 및 변환 장치의 효율성에 부정적인 영향을 끼치는 이러한 배열과 더불어 발생한다. 문제는 밀봉부의 금속성 물질이 회전자 자석에 근접함으로써 야기된다. 전술한 바와 같이, 회전자 자석 사이의 플럭스 경로는 N극에서부터 인접한 S극으로 뻗어있다. 플럭스는 최소한의 저항 경로를 찾을 것이며, 이로써 이 목적을 이룬다. 그러므로 밀봉부가 자기적으로 도자성체, 예컨대 자석강으로 제조되어, 회전자의 복합 재료에 의해 제공된 경로보다 플럭스가 지나가기에 더 쉬운 경로를 제공한다면, 자속장은 밀봉부를 향하여 끌릴 것이다. 비록 알루미늄 같은 비자성체가 밀봉부용으로 사용되어도, 플럭스의 일부는 회전자 외부 표면에서부터 새어나와 밀봉부로 들거가서, 와전류손실 발생을 야기한다(제2도 비교). 이 손실은 아주 클 수 있고, 에너지 저장 및 변환 장치에서의 전체 아이들링(idling) 손실의 주요한 원인이 될 수도 있다.
밀봉부로 들어가는 플럭스 경로에 의해 야기되는 에너지 손실은 에너지 저장 및 변환 장치에서 전반적인 효율을 감소시키는 낭비이다. 다수의 대응법으로 이 문제가 줄어들거나 제거되어도, 이들 방법의 각각은 이들 방법을 매력없게 만드는 단점을 가지는 경향이 있다. 예컨데, 회전자 및 밀봉부사이의 거리를 증가시키기 위해서는 밀봉부의 크기가 증가할 것이다. 이 옵션은 명백하게 바람직하지 않게 장치의 물리적인 크기 및 무게 증가의 결과를 초래한다. 또 다른 가능성으로서, 밀봉부는 비 금속성 물질로 만들어져도 된다. 비록 이것이 좋은 해결책은 되지만, 에너지 저장 및 변환 장치의 고안자가 선택할 수 있는 재료 선택 범위가 대폭 감소하며, 통상 사용되는 금속의 재료보다 재료비의 증가가 초래될 것이다.
전술한 바에 비추어, 본 발명의 목적은 고정자 및 회전자 사이에서 에너지 저장 및 변환 장치의 밀봉부로 들어가는 플럭스 경로로 인한 에너지 손실을 피하는 배열의 제공이다.
본 발명에 따르면, 진공 챔버를 형성하는 밀봉부, 상기 챔버내의 고정자, 그리고 사용할 때에 고정자에 의해 작동되어 운동 에너지로서 에너지를 저장하고, 에너지를 방출하는 발전기로서 고정자와 함께 작동하는, 고정자 주위에 위치한 회전자를 구비하는 에너지 저장 및 변환 장치에 있어서, 회전자가 사용할 때에 밀봉부와 상호 작용하는 회전자에서의 플럭스로 인해 발생하는 에너지 손실을 감소시키기 위한 플럭스 실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치가 제공된다. 이 결과로써, 고정자, 및 회전자 사이를 지나가는 플럭스는 회전자를 통해 밀봉부로 연장되지 않는다.
바람직하게는, 플럭스 실드는 회전자내에 형성된다.
바람직한 실시예에서 회전자는 섬유 강화 복합 재료, 바람직하게는 탄소 및/또는 수지 매트릭스내에 감긴 유리섬유로부터 형성된다. 이러한 재료가 사용되면, 플럭스 실드는 바람직하기로는 코팅된 강화섬유층, 바람직하게는 회전자 몸체에 감긴 탄소 또는 유리섬유층의 형태를 취한다.
코팅은 바람직하게는 니켈과 같이 자기적으로 도자성체이다. 물론 다른 적당한 도자성 코팅재료도 사용될 수 있다.
회전자는 수지 매트릭스 내부 층내에 자성체를 포함하거나, 내부면상에 자석을 일직선 배열하여도 된다. 어느 경우에서나, 플럭스 실드는 자성체 외부에서 형성된다.
회전자는 바람직하게는 원통형이며, 플럭스 실드는 바람직하게는 자성체 주위에 원주층을 형성하고, 회전자의 전 길이의 걸쳐 뻗어있다. 더욱이 회전자는 바람직하게는 고정자보다 길다.
회전자 내에 플럭스 실드를 제공하는 다른 방법들이 제공되어도 무방하지만, 상기 설명된 방법은 다음과 같은 잇점들을 가진다.
(a) 플러스 실드층은 동일한 장비를 사용하여 회전자의 일반적인 몸체와 동일한 방법으로 회전자에 감겨도 된다.
(b) 플럭스 실드층은 회전자 몸체에서의 섬유와 최소한 같은 강도로 강한 섬유로부터 구성된다.
(c) 단일층 플럭스 실드의 경우에 일어날 수도 있는 약한 경계는 코팅된 섬유도입에 의한 회전자 구성에는 나타나지 않는다.
본 발명은 다음과 같은 단계를 구비하는 에너지 저장 및 변환 장치용 회전자 제작방법을 또한 제공한다.
(a) 층 사이 및 내부에서 충전 자성체가 매트릭스내에 배열된 심봉(mandrel)상에 수지로 코팅된 강화 섬유층을 감는 단계,
(b) 와인딩(a)의 제1부분위에 도자성 물질 및 수지로 코팅된 강화섬유층을 감아서 플럭스 실드를 형성하는 단계,
(c) 플럭스 실드층(b)상에 수지로 코팅된 강화섬유층을 감아서 그 층을 강화하고 회전자의 몸체를 형성하는 단계.
또는 자석이 사용된다면 :
(a) 심봉주위에서 자석 배열을 구성하는 단계,
(b) 자석배열(a) 위에 도자성 물질 및 수지로 코팅된 강화섬유층을 감아서 플럭스 실드를 형성하는 단계,
(c) 플럭스 실드(b)상에 수지로 코팅된 강화섬유층을 감아서 강화하고 회전자의 몸체를 형성하는 단계.
상기 두 방법에 있어, 층(c)는 선택적이며, 전술한 바와 같이 플럭스 실드층(b) 이후에, 또는 단계 (a)이후 그리고 플럭스 실드층(b) 이전에, 또는 두층에 있어서 플럭스 실드층의 어느 면인가에 적용하여도 되며, 또는 전혀 적용이 되지 않을 수 있고, 회전자 몸체는 전적으로 층(a)와 플럭스 실드층(b)로 구성되어도 된다.
본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 예를 들어 설명한다.
제1도는 회전자 및 밀봉부에서의 고정자, 회전자, 자성체 사이의 관계를 도시하는 에너지 저장 및 변환 장치의 측단면도,
제2도는 본 발명에 따른 플럭스 실드가 포함되지 않은 제1도의 A-A선 단면도,
제3도는 본 발명에 따른 플럭스 실드가 포함된 제1도의 A-A선 단면도이다.
제1도를 참조하면, 에너지 저장 및 변환 장치(1)는 원통형 회전자(3) 내부에 동축적으로 장착된 원통형 고정자(2)를 구비한다. 고정자(2)는 고정자(2)의 코일(도시되지 않음)에 흐르는 전류를 제어하는 전기적 연결(도시되지 않음)이 관통되는 지지봉(4)을 경유하여 매달려 있다.
회전자(3)는 제조시 심봉 주위로 감기는 섬유 강화 복합재료로부터 형성된다. 강화 섬유는 탄소섬유 및/또는 유리섬유이며 수지 매트릭스에 끼워진다. 회전자(3)를 감는 동안, 분말 자성체는 수지 혼합물로 들어가서 고정자(2)에 아주 근접한 곳에 자성체층(5)을 생성한다. 자성체(5)의 깊이는 고정자(2) 및 회전자(3)의 특정 특성에 의해 결정되며, 실시예에 따라 다를 수 있다. 다른 실시예에서, 전술한 바와 같이, 자성체(5)는 자석 배열로 대체되어도 된다.
고정자(2)와 회전자(3)는 원통형 튜브(7)와 튜브(7)의 끝을 막는 엔드 플랜지(end flange)(8)를 구비하는 밀봉부(6)내에 놓여진다. 밀봉부는 금속, 바람직하게는 철 또는 알루미늄으로 형성되고, 사용할 때에 회전자(3)가 회전하는 진공 챔버(9)를 형성한다.
회전자(3)는 베어링(도시되지 않음)을 사용하여 고정자(2) 주위에 지지되며, 상기 베어링은 영구자석 베어링, 전자석 베어링, 핀 베어링 또는 다른 적당한 베어링이어도 된다.
회전자(3)의 자성체(5)는 생성되는 동안 자화되어, 회전자(3)내부 주위에 번갈아 있는 별개의 N극과 S극을 형성한다. 가령 자석이 분말 자성체 대용으로 사용된다면, 자석은 단지 올바른 극 배열을 형성하도록 위치된다. 비록 제2도 및 제3도에 단지 2쌍의 N극 및 S극만이 도시되어 있지만, 극쌍의 수를 달라도 되며, 구체적인 실시예에서 요구되어지는 특성 구성에 의존할 것이다.
사용할 때에, 고정자(2)의 코일은 에너지화되어 자기 플럭스(10)를 생성하고, 상기 자기 플럭스는 고정자(2)의 극면(도시되지 않음)으로부터 고정자(2) 및 회전자(3) 사이의 공기/진공 갭(11)을 가로질러서, 회전자(3)의 자성체(5)의 S극(12)을 관통하여 지나간다. 플럭스 경로는 그 다음에 루프 주변에서 계속되어, 근접한 N극(13)으로 들어간 후 공기 갭(11)을 가로질러 고정자(2)의 코어(도시되지 않음)로 되돌아 간다. 그러므로, 고정자(2) 코일로의 전류공급의 스위칭에 의해, 고정자(2)에 의해 생성된 자기 플럭스(10)는 고정자 주위로 회전자(3)를 작동시켜 회전자(3)의 운동 에너지로서 회전자(3)내에 에너지를 저장하는데 사용될 수 있다.
제2도에서 볼 수 있는 것과 같이, 외부 플럭스 라인(14)이 회전자(3) 외부로부터 빠져나와 공기/진공 갭(9)을 가로 질로 밀봉부(6)로 들어가는 것이 도시되어 있다. 이것은 밀봉부(6)가 회전자(3)의 섬유 강화 복합 재료(3a)의 저항보다 더 낮은 저항을 가지는 플럭스 경로를 제공할 때 특히 발생할 가능성이 있다. 그러나 플럭스(10)가 밀봉부(6)로 들어간다면, 주로 밀봉부(6)에서 형성되는 와전류로 인해서 회전자(3)상에서 차단효과(breaking effect)가 발생한다. 이것에 의해 에너지가 손실되며, 따라서 에너지 저장 및 변환 장치(1)의 효율성이 감소된다.
제3도에서, 본 발명에 따른 에너지 저장 및 변환 장치(1)가 도시되어 있다. 본 도면에서는 제2도에 도시된 구성요소와 상응하는 구성요소들에는 동일한 참조번호가 사용되었다. 그러나 제3도에서 플럭스 실드(20)가 회전자(3)의 자성체(5) 외부에, 그러나 회전자(3) 몸체내에 포함되어 있음에 유의하기 바란다. 플럭스 실드(20)는 회전자(3)를 감는 동안 사용되는 탄소 및/또는 유리섬유의 일부상에서 니켈코팅에 의해 형성된다. 니켈코팅을 포함함으로써, 낮은 저항의 플러스 경로가 회전자(3)내에 제공되어 자기 플럭스(10,14)를 끌어당기므로, 상기 플럭스(10,14)는 회전자(3)를 관통하여 지나가지 않으며 밀봉부(6)를 향해 공기/진공 갭(9)를 가로지르지도 않는다. 그러므로 회전자(3) 및 밀봉부(6) 사이에 어떠한 힘도 작용하지 않고, 이것에 의해 제2도의 실시예에 도시된 에너지 손실에 연관된 원인을 제거한다.
비록 플럭스 실드(20)가 회전자(3)내에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 이론상, 회전자(3) 외부에 형성될 수도 있다. 더욱이 플럭스 실드(20)가 회전자(3) 주위에 연속적인 것으로 도시되어 있지만, 이론상 간헐적인 수 있고, 여전히 동일한 기능을 수행한다. 어떠한 경우에서도, 플럭스 실드(20)는 자성체(5)의 최소한 근방에서 회전자(3)의 길이를 따라 뻗는다고 이해될 수 있다. 그러나, 플럭스 실드(20)가 회전자(3)의 전 길이에 걸쳐 뻗어 있는 것이 바람직하고, 본 배열이 아마도 제작하기에 더욱 간단하다.
이상 본 발명을 예시적으로만 설명하였고, 본 발명의 범위내에서 세부사향에 대한 변경이 가능함은 물론이다.

Claims (13)

  1. 진공챔버를 형성하는 밀봉부, 상기 챔버내의 고정자, 그리고 사용할 때에 고정자에 의해 작동되어 운동 에너지로 에너지를 저장하고, 고정자와 함께 발전기로서 작동하여 에너지를 방출하는, 고정자 주위에 위치한 회전자를 구비하는 에너지 저장 및 변환 장치에 있어서, 사용시 밀봉부와 상호작용하는 회전자에서의 플럭스로인해 발생하는 에너지 손실을 감소시키기 위한 플럭스 실드가 회전자에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플럭스 실드가 회전자내에 형성됨을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 회전자가 섬유 강화 복합 재료로 형성됨을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 플럭스 실드가 회전자에 있는 강화 섬유의 일부상에 코팅 형태를 취함을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 코팅이 자기적으로 도자성체임을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 코팅이 니켈임을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자가 수지 매트릭스에 잠긴 탄소 및/또는 유리섬유로 형성됨을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 회전자 고형(固形)자석 또는 수지 매트릭스 내부에 자성체를 포함하고, 상기 플럭스 실드는 자성체 또는 자석외부에서 형성됨을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자가 원통형이며, 상기 플럭스 실드가 상기 회전자의 전 길이의 걸쳐 뻗어짐을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자가 고정자보다 길이가 더 긴 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치.
  11. 첨부된 도면의 제1도 및 제3도의 도시된 것을 참조로 하여 설명된 것 및 도시된 것과 실질적으로 같은 에너지 저장 및 변환 장치.
  12. 에너지 저장 및 변환 장치용 회전자의 제조방법에 있어서,
    (a) 심봉(mandrel)상의 수지 매트릭스에 강화섬유를 감는 단계 ;
    (b) 상기 감는 단계의 제1부분동안 매트릭스로 분말 자성체를 넣는 단계 ;
    (c) 상기 감는 단계의 제2부분동안 도자성체로 섬유를 코팅하는 단계를 구비하는 에너지 저장 및 변환 장치용 회전자의 제조 방법.
  13. 에너지 저장 및 변환 장치용 회전자의 제조방법에 있어서,
    (a) 심봉주위에 다수의 자석을 배열하는 단계 ;
    (b) 심봉상의 수지 매트릭스에 강화섬유를 감아서 상기 자석을 덮는 단계를 구비하며,
    섬유의 적어도 일부가 도자성체로 코팅되어 자석주위에 플럭스 실드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 변환 장치 장치용 회전자의 제조방법.
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