KR20020027671A - 복합재 다층구조 및 혼용을 이용한 플라이 휠 로터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라이 휠 로터에 저장되는 에너지를 증대 시키기 위한 방법으로서 복합재 다층구조 및 혼용을 통한 플라이 휠 로터의 제조 방법이 개시되어 있다. 강성이 낮은 재료와 상대적으로 강성이 높은 재료를 와이어 형태로 제조하여 맨드릴에 감는다. 즉, 상기 강성이 낮은 재료를 에폭시 수지욕을 통과시킨 후 기계구동 맨드릴에 감는다. 상기 와이어 형태의 강성이 낮은재료와 높은 재료를 일정 가닥의 비율 서로 혼용, 에폭시 수지욕(epoxy resin bath)에 통과시킨 후 상기 강성이 낮은 재료위에 감는다. 상기 강성이 높은 재료를 에폭시 수지욕을 통과시킨 후 강성이 낮은 재료와 높은 재료를 혼용한 재료위에 감는다. 상기 감긴것을 150 ~200℃의 가열하에서 성형시킨 후 맨드릴을 제거한다. 플라이 휠 회전시 발생되는 반경방향 응력을 최소화 시켜 저장되는 에너지의 증대를 이룰 수 있다.

Description

복합재 다층구조 및 혼용을 이용한 플라이 휠 로터{Flywheel rotor of multi-ring and mixed composite materials}

본 발명은 플라이 휠 로터에 저장되는 에너지를 증대시킬 수 있는 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 복합재 다층구조 및 혼용을 이용한 플라이 휠 로터의제작에 관한 것이다.

플라이 휠 로터는 브레이크와 같이 속도 조절장치의 하나로서 기계의 고정축에 무거운 테가 붙은 큰 바퀴 형태를 취하고 있으며 그 관성을 이용하여 각속도의 변동을 평준화 시키거나 다량의 에너지를 저장시킬 수 있도록 하는 장치이다.

이러한 플라이 휠 로터는 그것이 갖고 있는 관성 모멘트를 이용하여 운동에너지를 저장하거나 방출함으로써 1사이클 중의 토크가 역방향으로 작용하는 경우에도 운전을 가능하게 하며, 또 너무 큰 각속도의 변동을 일으키지 않도록 하여 운전을 원활하게 시키는 것이다. 즉, 플라이 휠 로터는 기계의 회전속도의 변동을 어느한정된 범위내로 유지 하는 작용을 하는 것으로서 그 기능상 큰 관성모멘트를 가져야 한다. 따라서 플라이 휠 로터는 상당한 중량을 가지는 이외에도 그 바깥지름도 강도상 허용되는 한도까지 크게 설계되는 일이 많다.

플라이 휠 로터에 저장되는 에너지는 극관성 모멘트I에 비례하고 회전수의 자승에 비례한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

위의 식에서 보는 바와 같이 플라이 휠 로터에 저장되는 에너지를 증대시키기 위해서는 극관성 모멘트I값을 크게 하던가 또는 회전수 를 높여 주어야 한다. 그러나I값은 플라이 휠 로터의 형상과 관계가 되어 있는 값이므로I값의 증대는 플라이 휠 로터의 치수와 중량의 증가를 의미한다. 이러한 것은 회전 속도를 증대시키는 것에 비하여 비효율적인 설계가 된다. 결국를 증가 시키는 것이 효율적인 에너지 증대를 이루게 되는데 여기에는 플라이 휠의 회전시 발생하는 내부 응력으로 인하여의 증가에 제한이 따르게 된다.

본 발명은 플라이 휠 로터의 회전시 발생하는 내부 응력을 최소화시켜 운전 가능한 회전수를 최대화 시킴으로써 저장되는 에너지의 극대화를 이룰 수 있는 플라이 휠 로터를 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라이 휠 로터를 보여주기 위한 부분 단면도이다.

도 2는 도 1에서 A-A' 선의 단면도이다.

도 3은 도 1의 플라이휠 로터 제조방법을 설명하기 위한 제조기구의 구성도이다.

도 4은 발명에 따른 복합재 혼용을 적용한 플라이 휠 로터의 최대 회전수와 단일재료 구조 형태를 갖는 플라이 휠 로터의 최대 회전수를 보여주기 위한 그래프이다.

도 5는 발명에 따른 복합재 혼용을 적용한 플라이 휠 로터의 최대 저장 에너지와 단일재료 구조 형태를 갖는 플라이 휠 로터의 최대 저장에너지를 보여주기 위한 그래프이다.

도 6은 발명에 따른 복합재 혼용을 적용한 플라이 휠 로터의 반경에 따른 응력의 변화와 단일재료 구조 형태를 갖는 플라이 휠 로터의 반경에 따른 응력의 변화를 보여주기 위한 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 글라스-에폭시 복합재료 20 : 글라스-에폭시 복합재료와 그라파이트-에폭시 복합재료의 혼용부분 30 : 그라파이트-에폭시 복합재료

100 : 스풀101 : 섬유 가이드

102 : 수지욕103 : 스퀴저

104 : 맨드럴

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해 강성이 낮은 와이어 형태의 복합 재료를 이용, 수지욕을 통과시킨 후 기계구동 맨드릴에 감는다. 그리고 그 위에 강성이 낮은 와이어 형태 복합 재료와 강성이 높은 와이어 형태 복합 재료를 가닥수 비에 따른 일정비율 혼용, 수지욕을 통과시킨 후 감는다. 마지막으로 그 위에 강성이 높은 와이어 형태의 복합 재료를 수지욕을 통과시킨 후 감는다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면 상기 강성이 낮은 재료는 에폭시 수지가 묻은 글라스이며, 상기 강성이 높은 재료는 에폭시 수지가 묻은 그라파이트이다.

본 발명에 따르면 플라이 휠 로터의 회전시에 발생하는 반경방향응력을 최소화 시켜 저장되는 에너지를 극대화 시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라이 휠 로터를 보여주기 위한 부분단면 사시도이고, 도 2는 도 1에서 A-A' 선의 단면도이다.

도 3은 도 1의 플라이 휠 로터의 제조방법을 설명하기 위한 제조기구의 구성도이다.

본 발명에 따른 플라이 휠 로터는 도 1에서 보는 바와 같이 플라이 휠 로터의 내경측(10)에 강성이 낮은 재료가 그리고 외경측(30)에는 강성이 높은 재료를 이용하며 그 중간층(20)에는 내경측 재료와(10) 외경측 재료(30)가 혼용된 복합재료를 이용한다.

상기 강성이 낮은 재료는 글라스 에폭시(Glass Epoxy)가 사용되고, 상기 강성이 높은 재료는 그라파이트 에폭시(Graphite Epoxy)가 사용된다. 상기 중간층(20)의 강성이 낮은 재료와 강성이 높은 재료의 혼용비율은 임으로 바뀔 수 있다.

본 발명에 따른 플라이 휠 로터를 제조하는 성형기구는 도 3에서 보는 바와 같이, 와이어 형태의 복합재를 이용하여 주로 와인딩 기법으로 축대칭 구조물을 제작한다. 복합재료가 감겨있는 스풀(100)에는 강성이 낮은 재료와 강성이 높은 재료가 재료가 각각 독립적인 롤 타입으로 장착되게 된다. 장착된 각 재료의 롤에서 나오는 와이어 타입 복합재료는 섬유가이드(101)을 통해 수지욕(102)을 통과한 후 스퀴지(103)를 지나 기계 구동에 의해 회전하는 맨드렐에 감기게 된다.

상기의 와인딩 작업은 먼저 강성이 낮은 재료의 롤에서 나오는 와이어 타입의 복합재를 수지욕을 지나게 한 후 와인딩 작업을 수행한다. 그리고 그위에 강성이 낮은 재료의 롤과 강성이 높은 재료의 롤에서 나오는 와이어 타입의 복합재를 일정 혼용비율에 따라 동시에 수지욕을 지나게 한 후 와인딩 작업을 수행한다. 마지막으로 강성이 높은 재료의 롤에서 나오는 와이어 타입의 복합재를 수지욕을 지나게 한 후 상기 혼용한 복합재 위에 와인딩 작업을 수행한다.

도 4는 본 발명에 따른 와이어 형태의 복합재 혼용을 이용한 플라이 휠과 그렇지 않은 경우 즉, 글라스 에폭시 또는 그라파이트 에폭시만 이용한 단층의 경우, 그리고 글라스 에폭시와 그라파이트 에폭시를 이용한 복층의 경우와 최대 허용 회전수를 비교하기 위한 그래프이고, 도 5는 상기 도 4의 경우에 대한 최대 저장에너지를 보여주기 위한 그래프이다. 도 6 은 도 4의 경우에 대한 반경변화에 따른 응력의 변화를 보여주기 위한 그래프이다. 도 4와 도5의 그리고 도 6의 결과로 부터 복합재 다층구조 및 혼용을 이용한 플라이 휠 로터는 반경방향의 응력을 크게 낮추어 주는 역활을 하게되며 이러한 효과는 최대 회전수 및 최대 저장 에너지의 증대로 나타남을 알 수 있다.

앞서 기술한 바와 같이 본 발명은 플라이 휠 로터의 회전시 발생하는 내부 응력을 최소화시켜 운전 가능한 허용 회전수를 최대화 시킴으로써 저장되는 에너지의 극대화를 꾀할 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 당업자의 통상의 지식 범위내에서 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (4)

1. 내경측에는 강성이 낮은 복합재료를 사용하고 그 위에 강성이 낮은 복합재료와 강성이 높은 복합재료를 일정 비율 혼용한 재료를 사용하며 외경측에 강성이 높은 복합재료를 사용하며 제작된 플라이 휠 로터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 플라이 휠의 강성이 낮은 재료는 글라스 에폭시인것을 특징으로 하는 플라이 휠 로터
3. 제 1항에 있어서, 상기 플라이 휠의 강성이 높은 재료는 그라파이트 에폭시인것을 특징으로 하는 플라이 휠 로터
4. 제 1항에 있어서 상기 플라이 휠은 3층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라이 휠 로터