KR20050095620A - 최소 파워 자기 베어링 및 모터/제너레이터를 구비한에너지 저장 플라이휠 - Google Patents

최소 파워 자기 베어링 및 모터/제너레이터를 구비한에너지 저장 플라이휠 Download PDF

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패트릭 티. 맥멀렌
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패트릭 티. 맥멀렌
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Abstract

본 발명은 자기 베어링(19, 20), 고속 영구 자석 모터/제너레이터, 및 플라이휠 부재(18)를 사용하는 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 플라이휠 시스템은 운동 에너지 저장을 위한 고강도 스틸 휠(18), 이중 스러스트 작용 영구 자석 컴비네이션 베어링(19, 20)으로 구성된 고효율 자기 베어링(19, 20), 및 고효율 영구 자석 모터 제너레이터를 사용하여 구성된다.

Description

최소 파워 자기 베어링 및 모터/제너레이터를 구비한 에너지 저장 플라이휠 {ENERGY STORAGE FLYWHEEL WITH MINIMUM POWER MAGNETIC BEARING AND MOTOR/GENERATOR}
본 발명은 에너지 저장 장치 분야, 특히 운동 에너지의 제어식 저장 및 방출을 통한 완전한 전기 에너지 저장 및 복구 시스템에 관한 것이다.
1997년 3월 25일 잭 지. 비털리 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,614,777호에는 일체형 모터/제너레이터, 고속 플라이휠 및 자기 베어링을 사용하는 플라이휠 베이스 에너지 저장 시스템에 대하여 기재되어 있다. 상기 특허에 기재된 시스템은, 복합 회전자 재료가 필요하고, 최소 파워를 허용하지 않으며, 회전자를 들어올리는데 필요한 힘을 제공하고 능동 축위치 제어를 위한 공중 부양을 유지하기 위하여 능동 스러스트 베어링이 필요하기 때문에, 비용이 많이 든다. 또한, 상기 특허에 기재된 시스템은, 베어링 외측에 위치한 모터/제너레이터를 갖는 구조적 성질 때문에 대형 모터/제너레이터가 단기간 동안 높은 파워 방출을 제공할 수 없고, 치수가 증가되면 중요한 동작 회전자 다이내믹 문제를 야기시킬 수 있다. 본질적으로, 상기 특허에 기재된 시스템은 종래 기술의 설계에 비하여 장점을 제공하지만, 시스템 비용이 상용성을 현저하게 감소시킨다.
따라서, 최소 베어링 파워용 수직 시스템에서 회전체를 수동 및 능동적으로 들어올릴 수 있도록 하는 자기 베어링을 사용하는 고파워 방출 또는 저파워 방출에 적합한 저가 시스템을 제공함으로써 시스템 효율을 극대화시킬 필요가 있다.
도 1은 본 발명의 플라이휠 시스템의 블록도이다.
도 2는 플라이휠 시스템 회전자의 일부를 예시한 단면 사시도이다.
도 3은 플라이휠 시스템 고정자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 자기 베어링을 구현하는 조립된 플라이휠 시스템의 단면도이다.
도 5는 플라이휠 시스템 회전자 구조의 제2 실시예를 예시하는 도면이다.
도 6은 플라이휠 시스템 회전자 구조의 제3 실시예를 예시하는 도면이다.
본 발명은 자기 베어링, 고속 영구 자석 모터/제너레이터, 및 고강도 플라이휠 시스템을 사용하는 최적의 플라이휠 에너지 저장 시스템을 제공한다. 플라이휠 시스템은 운동 에너지를 저장하기 위한 고강도 스틸 휠, 이중 스러스트 및 반경방향으로 작용하는 영구 자석 컴비네이션 능동 자기 베어링으로 구성된 고효율 자기 베어링, 및 고효율 영구 자석 모터 제너레이터를 사용하여 구조를 갖추는 것이 바람직하다. 스틸 휠은, 시스템 내의 에너지 저장 밀도는 향상시키면서 시스템 비용은 증가되는 복합 재료에 비하여, 비용 효율적이며 고속으로 동작하는 구조의 에너지 저장 회전자를 제공한다.
2개의 영구 자석 컴비네이션 자기 베어링을 사용하는 경우, 제1 컴비네이션 자기 베어링은 2002년 2월 20일 출원되어 본 발명의 양수인에게 양도된 동일 출원인의 특허출원 제10/078572호에 기재된 영구 자석 바이어스를 갖는 종래의 완전 능동 3축 자기 베어링 구조를 갖는다. 상기 호모폴라형 구조는 자계 변화로 인한 회전자 손실을 최소화시켜 회전자 가열을 최소로 유지한다. 상기 가열 최소화는, 회전자와 고정자가 물리적으로 접촉되지 않은 상태에서 단지 회전자로부터 고정자로 발산되는 열이 회전자를 냉각시키는 유일한 방법이기 때문에, 플라이휠에서 중요하다. 호모폴라형 컴비네이션 베어링은 샤프트의 일단 상에 위치한 2개의 반경방향 축(X1, Y1)에 대한 능동 반경방향 위치를 제공하며, 회전자의 축위치를 픽업하여 유지하는 능동 축 하중을 또한 제공한다. 중력으로 수직 배향된 상태의 구조를 가짐으로써, 상기 구조는 반경방향 하중 및 입력 파워 요구를 최소화시킨다.
제2 컴비네이션 베어링은 2개의 능동 반경방향 축 및 하나의 수동 축방향 축을 갖는 구조이다. 능동 축방향 컨트롤 코일 및 스러스트 폴 중 하나가 제거된 한 가지 상이점 외에는 완전 능동 컴비네이션 베어링과 유사하다. 영구 자석 바이어스 경로는, 2개의 대향하는 축방향 폴 사이를 분리시키는 대신에, 하나의 잔여 스러스트 폴로 지향하도록 함으로써 일방향으로 수동 힘을 제공한다. 상기 힘은 회전자 자체의 정적 중량과 거의 동일한 힘을 제공하는 구조 및 치수를 갖는다. 이로써, 완전 능동 축방향 컴비네이션 베어링에 의하여 들어 올려지면, 다른 베어링의 능동 축방향 축 내로의 네트 파워가 거의 제로 파워로 될 수 있다. 상기 변형된 컴비네이션 베어링의 반경방향 축은 3개의 능동 축 베어링과 동일한 방식으로 작용하여 2개의 반경방향 축(X2, Y2)을 제어한다. 수직 모드에서, 상기 시스템의 바람직한 배치 및 자기 베어링 내에 부양된 상태에서, 정적 리프팅 및 위치 힘을 제공하도록 베어링에 요구되는 네트 파워는 거의 제로 파워이다. 모든 반경방향 축은 정적 하중을 갖지 않고, 실제로는 변형 컴비네이션 베어링의 축방향 축에서, 다른 컴비네이션 베어링의 능동 축방향 축은 샤프트를 중심에 유지하기 위하여 파워를 제공하는 것이 요구되지 않는다. 이론적으로는 제로 정적 파워가 달성될 수 있지만, 설비 내의 기계적인 공차 및 시스템의 경사 때문에 최소 레벨의 파워가 오프 센터 동작을 위하여 존재한다.
자기 베어링은, 회전자 손실을 최소로 하고 긴 수명을 가지며 윤활이 필요하지 않은 장기간의 유지보수가 적은 동작을 위해 중요하다. 이들 베어링의 치수는 축방향 축에 대한 회전자의 중량, 및 반경방향 축을 설치하는 동안 허용가능한 시스템의 틸트에 좌우된다. 능동 축방향 자기 베어링과 결합된 볼 베어링이 볼 베어링 상의 축방향 하중을 최소화시키지만, 1-2도의 장착 틸트도 베어링 상에 하중을 추가시킴으로써 동작 수명을 반감시킬 수 있다. 자기 베어링은 하중 때문에 수명이 제한되지 않는다. 자기 베어링은, 지상 이동으로 인하여 시스템 틸트가 5-10도 범위로 될 때 지상 설치 시 현저한 장점을 제공하면서, 수명에 영향을 미치지 않고 최대 하중 범위 내에서 동작할 수 있으므로 지상 설치의 수명을 증가시킨다. 상기 시스템은 최소의 선행 투자 비용을 필요로 하는 수명이 짧은 시스템을 위해 반경방향 서포트용 볼 베어링을 사용할 수 있다.
PM 모터/제너레이터 또한 상기 유형의 시스템의 중요한 구성품이다. 모터/제너레이터는 2개의 베어링 사이에 위치(매어 단 방식이 아닌)되어 강력한 회전자 다이내믹 시스템을 제공하며 대형 파워 시스템으로 용이하게 확대시킬 수 있다. 회전자 손실이 성공적인 시스템에 중요하므로, 이들 회전자 손실은 모터/제너레이터에 최소가 되어야 한다. 동작 속도에 좌우되는 2개 이상의 폴 회전자 구조의 영구 자석은 고속 동작 및 최소 회전자 손실 뿐만 아니라 고효율에 매우 적합하다. 고효율은 장기간 파워를 유지하기 위하여 상기 에너지 저장 장치의 스탠바이 모드에서 중요하다. 파워 일렉트로닉스가 플라이휠에 에너지를 추가하고 상기 플라이휠로부터 에너지를 방출시켜 출력으로 제공하기 위하여 모터/제너레이터와 연결된다. 일렉트로닉스는 파워 버스 및 플라이휠 속도를 모니터링하고 이에 따라 입력과 출력사이로 변환시킨다. 상기 일렉트로닉스는 베터리 교체를 포함하는 대부분의 애플리케이션용으로 DC 또는 AC 버스 중 어느 한가지로 구성될 수 있다.
영구 자석에 의하여 제공된 힘은 파워 소스를 필요로 하지 않으므로, 커넥터 및 전류 드라이버가 저감되는 한편 신뢰성은 증가한다. 또한, 스틸 플라이휠은 비용이 최소화되는 한편 휠 내의 고파워 밀도는 여전히 달성된다. 파워 밀도는 복합 재료에 의하여 제공된 밀도보다 더 작지만, 허용가능한 비용으로 상용의 성능 요구를 충족시키며, 복합 기술을 사용하는 시스템에서는 충족될 수 없는 특징도 충족시킨다.
스틸 플라이휠 섹션은 효과적인 에너지 저장을 위해 필요한 질량을 제공한다. 높은 동작 허브 표면 속도를 얻을 수 있도록 고강도 스틸(ANSI 4340)이 사용된다. 상기 높은 표면 속도는 필요한 휠의 질량을 저감시키고, 저손실 자기 베어링 및 모터 제너레이터에서는, 매우 소형의 에너지 저장 시스템을 위해 고속이 용이하게 달성될 수 있다. 완전한 회전 그룹은 고강성 회전자 구조를 위해 허브, 모터/제너레이터 회전자 및 베어링 서포트 시스템을 거쳐 기계적으로 결합된다. 고정 베어링 및 모터/제너레이터 어셈블리는 하우징을 거쳐 기계적으로 연결 및 정렬되어 볼트로 함께 고정된다. 하우징은 시일을 사용하여 진공을 효과적으로 유지함으로써 회전 부재 상의 권선 손실을 없애고, 전기 커넥터와 밀봉되어 센서 신호 및 입력 파워를 플라이휠에 제공할 수 있다. 각기 다른 세트의 밀봉 커넥터는 시스템의 전기 에너지 저장 및 방출을 위해 모터/제너레이터 입력 및 출력 파워용으로 사용된다. 커넥터는 베어링 일렉트로닉스를 플라이휠 하우징 내에 통합시켜 최소화시킬 수 있으므로, 단지 입력 파워 및 출력 데이터 신호만 필요하다.
이러한 기본 구조는 단시간 동안 높은 파워 출력을 필요로 하는 시스템 및 장시간 동안 낮은 파워를 필요로 하는 시스템에 응용가능하다. 이것은 모터/제너레이터의 치수/등급을 베어링 치수 변경을 필요로 할 수 있는 에너지 용량에 대한 플라이휠 허브를 가능한 간단하게 변경함으로써 구현될 수 있다. 이것은 시스템 다이내믹스에 의하여 제한되고, 전체 구조는 속도 및 치수를 변경시켜 가장 비용이 저렴한 시스템을 위한 파라미터를 최적화시킬 수 있다.
본 발명뿐만 아니라 본 발명의 다른 목적 및 특징을 잘 이해할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 후술한다.
도 1은 본 발명의 시스템(10)의 블록도이다. 플라이휠 모듈(12)은 모터/제너레이터 파워 일렉트로닉스(14a), 자기 베어링 컨트롤러(14b), 및 마스터 컨트롤러(14c)를 포함하는 컨트롤 시스템(14)에 연결된다. 상기 구성품들은 전기 파워 링크(13)로부터 플라이휠(12)에 전기 에너지를 입력하거나, 또는 플라이휠 모듈(12)로부터 전기 파워 링크(13)에 파워를 출력할 수 있도록 기능한다. 플라이휠(12)은 입력 파워를 전기 에너지로부터 기계적 포텐셜 에너지로 변환시킨다. 출력 시, 플라이휠(12)은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 컨트롤 시스템(14)에 공급한다. 모터/제너레이터 파워 일렉트로닉스(14a)는 입력 및 출력 파워를 전기 파워 링크(13)에 부합되도록 조절하여, 플라이휠 전압이 전기 파워 링크(13) 전압에 부합되도록 ac는 dc로, dc는 ac로 변환된다. 자기 베어링 컨트롤러(14b)는 샤프트 위치를 모니터링하고, 동작하는 동안 모터/제너레이터 샤프트가 원하는 중심 위치에 유지되도록 자기 베어링을 사용하여 조정한다. 마스터 컨트롤러(14c)는 파워 일렉트로닉스(14a)의 동작을 모니터링하고 자기 베어링 컨트롤러(14b)는 전기 파워 링크(13)의 동작을 모니터링하여 플라이휠(12)의 충전 및 방전을 명령하며, 외부 시스템과 연결되어 플라이휠(12)의 동작을 보고하고 명령을 수신한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 플라이휠 모듈(12)은 회전 부재(15) 및 고정 부재(26)를 포함한다. 회전 부재(15)는 모터/제너레이터 회전자(17), 플라이휠 허브 섹션(18), 3축 능동 컴비네이션 자기 베어링 타깃(19), 2개의 능동 및 하나의 수동 축 컴비네이션 베어링 타깃(20), 반경방향 위치 센서 타깃(21, 22), 축방향 위치 센서 타깃(23), 및 터치다운 볼 베어링 타깃 슬리브(24, 25)를 포함한다. 플라이휠 허브(18)는 시스템의 에너지 저장부를 형성하고, 에너지는 플라이휠의 회전 속도를 증가시키며 출력이 요구될 때 제너레이터를 구동시키도록 필요한 에너지를 제공한다. 모터/제너레이터 회전자(17)는 영구 자석(17a) 및 고강도 지지 링(17b)으로 구성된다. 회전자(17)는 모터/제너레이터 고정자(28)의 타깃으로 작용한다(도 3 참조). 플라이휠 허브 섹션(18) 및 반경방향 베어링 말단 스터브 샤프트(29)는 영구 자석(17a)에 대면하며, 지지 링(17b)은 3개의 구성품 모두에 끼워져서 본 실시예의 견고한 연결부를 형성한다. 대안으로서, 모터/제너레이터 구조는 영구 자석이 장착되는 회전자 허브(18)에 견고하게 부착되는 일부분으로서 금속 허브를 사용할 수 있다. 그래파이트가 바람직한 고강도 슬리브를 사용하여 회전하는 동안 자석을 포함한다. 다른 실시예는 영구 자석(17a) 및 지지 링(17b)을 포함하는 모터/제너레이터 회전자 어셈블리를 플라이휠 허브(18)에 부착되는 각기 다른 서브어셈블리의 일부로서 사용한다.
자기 베어링 회전자 타깃(19, 20)은 구성품 사이에 메커니즘 링크를 제공하도록 회전자 섹션(18, 29) 상에 억지 끼워맞춤된다. 베어링 센서 타깃(21, 22)도 각각의 회전자 허브(18, 29) 상에 또한 억지 끼워맞춤된다. 조립 후, 상기 타깃면은 베어링이 잔여 회전자 어셈블리의 중심으로 확실하게 이동할 수 있도록 회전자(15)의 중심에 대하여 그라인딩된다. 회전자는 상기 그라인딩 단계에 이어서 언밸런스 하중이 최소화되도록 균형이 맞추어진다.
고속 스피닝 회전자는 최소의 치수로 최대의 에너지 밀도가 달성되도록 동작하는 구조를 갖는다. 본 발명의 지침에 따른 영구 자석 모터/제너레이터 구조는 회전자의 손실을 최소로 하는 고속 및 고효율 시스템을 제공한다. 비접촉 자기 베어링은 동작 손실을 최소화함으로써 시스템 효율을 최대화시킨다. 이것은 최대 시스템 효율 및 최소 회전자 가열을 위해 중요하다. 시스템은 진공에서 동작하기 때문에, 회전자로부터 고정자로 방열을 전달하는 것이 회전자 열을 소산시키는 유일한 방법이다. 따라서, 최소의 회전자 손실이 과다한 회전자 가열을 방지하고 동작 온도를 최소로 유지한다.
도 3은 플라이휠 고정 부재, 또는 고정자 어셈블리(26)의 도면이다. 고정자(26)는 모터/제너레이터 인터페이스 하우징(30)(고정자(28)가 하우징(46)과 직접 연결되기에 충분할 정도로 큰 경우 선택적임), 3축 능동 컴비네이션 자기 베어링 고정자(32)(상기 베어링 장치는 원용에 의하여 본 발명에 결합시키는 것이 필요한 지침인 2002년 2월 20일 출원된 동일 출원인의 특허출원 제10/078572호의 도 1 및 도 2에 기재되어 있음), 2개의 능동 및 하나의 수동 축 컴비네이션 베어링 고정자(34), 반경방향 위치 센서 어셈블리(36, 38), 축방향 위치 센서 어셈블리(40), 및 터치다운 볼 베어링 어셈블리(42, 44)를 포함한다. 상기 구성품들은 모터/제너레이터(14a)와 베어링 시스템 사이에 구조적 링크를 제공하는 하우징(46) 내에 포함된다. 하우징(46)은 베이스플레이트(50)에 장착될 때 지면에 기계적 링크를 또한 제공한다. 하우징(46)은 베이스플레이트(50) 및 커버(52)와 함께 시스템을 공기로부터 밀봉시켜 상기 시스템이 유극 손실이 최소화되도록 진공 내에서 동작할 수 있으므로 시스템의 효율이 증가된다. 자기 베어링 고정자(32, 34), 반경방향 센서 어셈블리(36, 38) 및 터치다운 베어링(42, 44)은 하우징(46)에 견고하게 장착된 하우징(56, 58)에 장착되어 지지된다.
밀봉된 커넥터(60, 62)는 자기 베어링(32, 34), 능동 컨트롤 코일 및 센서 어셈블리(36, 38, 40)용의 배선 인터페이스를 제공한다. 센서가 없는 모터/제너레이터 컨트롤 일렉트로닉스(14a)를 사용함으로써 모터 센서의 필요성이 없어지며, 위치 정보를 위하여 모터/제너레이터 자체에 의존한다. 모터 파워는 눈금을 가진 파워 커넥터(63)를 거쳐 고정자에 입출력된다.
도 4는 회전자(15)가 고정자 어셈블리(26) 내에 조립된 플라이휠 어셈블리(10)의 도면이다. 자기 베어링(32, 34)은 물리적으로 접촉되지 않고 회전자 유도 손실이 최소인 상태로 회전형 회전자(15)의 반경방향 및 축방향 서포트를 제공한다. 자기 베어링 컨트롤러(14b)는 센서(36, 38, 40)를 사용하여 회전자 위치를 감지하고 회전자 타깃(19, 20) 상에 작용하는 힘으로 변환된 전류가 자기 베어링(32, 34)으로 흐르도록 명령한다. 이들 힘은, 동작하는 동안, 고정자(26)의 어떤 부분과도 접촉되지 않고 회전자 샤프트를 원하는 위치에 유지시키도록 명령을 받는다.센서(36, 38, 40)는 회전자(15)로부터 백업 베어링(42, 44)까지의 간격보다 회전 타깃(21, 22, 23)까지의 간격을 더 크게 유지시키는 비접촉 센서이다. 또한, 베어링(32, 34) 및 이들 각각의 타깃(19, 20)은 일정하다. 상기 특징은, 고장이나 과부하 상태에 있는 동안, 회전형 회전자(15)만이 벡업 베어링(42, 44)과 접촉되며 다른 고정자 부분과는 접촉되지 않으므로, 시스템에 발생할 수 있는 임의의 손상이 일어나지 않는다.
플라이휠(12)의 상부에 위치한 구성품(20, 34)으로 구성된 수동 컴비네이션 베어링은 샤프트 위치의 능동 반경방향 컨트롤을 제공하며 회전자(15) 상에 축방향 상측으로 일정한 힘을 제공한다. 상기 베어링은 원용에 의하여 결합된 본 발명을 이해하는데 필요한 지침인 동일 출원인의 특허출원 제10/078572호의 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 자기 베어링(32, 34)의 동작을 명확하게 설명하기 위하여, 상기 특허출원 제10/078572호에 기재된 장치에 대한 설명의 일부룰 본 명세서에 원용한다. 특히 상기 특허출원 제10/078572호의 도 1 및 도 2를 참조하면(자기 베어링(32)에 대응함), 타깃 어셈블리(1)는 샤프트(14)에 부착되고 반경방향 세트의 폴 (16) 및 하나의 축방향 철금속 폴(18)에 의하여 작용한다. 4개의 코일(26)이 반경방향 컨트롤 플럭스를 제공한다. 각각의 2개의 대향하는 반경방향 코일이 함께 작용하여 순 힘이 타깃 어셈블리에 반경방향으로 가해진다. 2개의 축방향 자성을 가진 영구 자석 부재(28, 30)는 코어 축방향 영구 자석(28, 30)을 사용하는 축방향 및 반경방향 축 모두에 대하여 바이어스 플럭스를 제공한다. 이것은 축방향 하중이 실질적으로 일정하고, 축방향 컨트롤 코일없이 능동 반경방향 위치 컨트롤 및 수동인 일방향 축방향 힘을 제공하는 시스템에 유용하다. 동일 출원인의 특허출원 제10/078572호 및 베어링(34)에 대응하는 도 6을 참조하면, 영구 자석 바이어스 경로(120)는 축방향 고정자 폴(20)로부터 공기 갭(121)을 통하여 회전자 타깃(1)으로, 반경방향 공기 갭(122)을 통하여 반경방향 고정자 폴(16)을 통과한 다음, 자석(28, 30)으로 복귀한다. 영구 자석 바이어스 필드(120)를 제공하는 하나의 축방향 고정자 폴(20)을 가진 상태에서, 회전자 디스크 상에 높은 축방향 힘이 발생된다. 상기 힘은 일방향으로 일정할 수 있고 증가 또는 감소될 수는 없다. 2개의 축 컨트롤러가 반경방향 축을 제어하는데 필요하다. 이러한 독특한 배열로 인하여, 정확한 설계에서, 회전자(15)의 중량이 수동 상단 베어링(34)에 의하여 지지될 수 있다. 하단 능동 베어링(32)은 회전자에 축방향으로 안정성을 제공하고, 축방향으로 존재할 수 있는 임의의 다이내믹 또는 셰이킹 힘을 위하여 힘을 조정하며, 회전자(15)의 중량 대 상단 축방향 베어링(34)의 수동 힘 사이의 힘에 있어서의 임의의 오프셋 및 차이를 담당한다(상단 베어링(34)은 능동, 반경방향 수동 축방향 컴비네이션 구조이며, 하단 베어링(32)은 능동 반경방향 수동 축방향 컴비네이션 구조이다. 용어 "하단"은 커다란 플라이휠 허브에 가장 근접한 베어링(32)을 지칭하며, 용어 "상단"은 모터/제너레이터에 가장 근접한 베어링(34)을 지칭한다). 시스템(10)이 중력으로 오프-축 상태로 장착되기 때문에 임의의 틸팅 힘 및 반경방향으로 존재할 수 있는 임의의 다이내믹 또는 셰이킹 힘으로 인해 베어링(32, 34)의 반경방향 축이 회전자(15)의 공중 부양 시 반경방향 안정성을 제공한다. 반경방향 베어링 시스템은, 필요로 하는 파워를 최소화시키기 위하여, 회전자(15)를 자기 베어링 컨트롤러(14b) 내에 기능적으로 프로그래밍된 질량 중심을 중심으로 회전하도록 할 수 있다.
상기 시스템은 고파워 모터/제너레이터(17, 28)를 사용하여 플라이휠(12)에서 구현된 바와 같이 고파워의 신속한 방출 시스템용으로 사용될 수 있으며, 저파워 장기간 방출 시스템으로 축소될 수도 있다. 예를 들면, 보다 작은 모터/제너레이터(17, 28)를 구비한 동일한 시스템(10)은 10배 더 긴 시간 동안 파워의 1/10을 출력할 수 있으므로 상이한 애플리케이션에 적합할 수 있다. 플라이휠 허브 섹션(18)은 에너지 저장 능력 추가를 위하여 축방향으로 길이가 증가될 수 있으므로, 실재하는 모터/제너레이터(17, 28)로 출력 시간이 더 길어지거나, 또는 동일한 기간 동안 고파워 출력을 위해 모터/제너레이터를 더 크게할 수 있다. 따라서, 본 발명은 에너지 저장 레벨 및 방출량을 위한 정확한 눈금을 가질 수 있는 플라이휠 어셈블리를 제공함으로써, 광범위한 애플리케이션에 적합할 수 있다. 스틸 플라이휠 허브 섹션(18), 각각의 자기 베어링(32, 34)용도의 공통 베어링 구성품, 및 비교적 간단한 모터/제너레이터(17, 28)를 사용하는 구조로 인하여 시스템 및 파워와 에너지에 있어서의 수많은 변형예가 제조 시 매우 비용 효율적이 될 수 있다. 상기 시스템용의 베어링(32, 34)은 동일한 구조를 갖지만 플라이휠 허브 섹션(18)의 추가된 중량을 위해 보다 큰 축방향 하중 능력을 갖는다. 보다 작은 반경방향/스러스트 베어링 시스템 또한, 수동 리프팅 힘을 위하여 플라이휠 허브 섹션(18) 상에 작용하는 리프팅 영구 자석과 관련하여 사용될 수 있다. 상기 수동 리프팅 힘 영구 자석은 고정 하우징 상에 장착된 균일한 링 형태일 수 있으며, 허브를 자속 경로로 사용할 수 있다.
저파워 손실을 이용하는 모터 제너레이터의 변형예는 애플리케이션 또는 치수 변화에 대하여 다른 회전자 접근법을 이용하는 것을 포함한다. 일체형인 2개 이상 자석 폴 회전자를 도 5에서 알 수 있다. 회전자(73)는 동일한 재료로 된 단일 피스 또는 복수의 피스를 일체로 하여 단일 피스로 형성된, 단일 피스 재료로 구성된다. 자석(70)은 샤프트(72) 상에 설치되며, 그래파이트 또는 컨테인먼트 슬리브(71)는 자석을 포함하도록 설치된다. 회전자 구조 강도는 샤프트(72) 및 균일한 구조에 의하여 제공된다.
시스템(10)에 사용하기 위한 모터 제너레이터의 다른 구조가 도 6에 도시되어 있다. 회전자 어셈블리(83)는 영구 자석(75), 스틸 허브(79), 말단 플레이트(77, 78), 및 컨테인먼트 슬리브(76)로 이루어지는 모터 제너레이터 회전자(82)를 사용한다. 2개 이상의 자석 폴 회전자(82)는 단일체로 조립된 다음 어셈블리 내에 간단하게 추가시키기 위하여 균일한 샤프트(81) 상에 설치된다.
따라서 본 발명은 시스템 효율은 최대화시키면서 총 베어링 파워는 최소화시키는 2개의 리프팅 베어링을 제공한다.
본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 요지 및 범위를 벗어나지 않고 여러 가지로 변형시킬 수 있다는 점을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 또한, 여러 가지 변형예는 필수적인 지침을 벗어나지 않으면서 본 발명의 지침에 특정의 상황 또는 재료를 적용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 에너지 저장 회전 플라이휠을 갖는 모터/제너레이터에 있어서,
    말단 부재를 포함하는 상기 플라이휠은
    상기 말단 부재를 고정 부재에 대하여 지지하는 제1 자기 베어링,
    상기 말단 부재와 상기 고정 부재 사이의 제1 및 제2 공기 갭을 통해 자력으로 링크된 축방향으로 극성을 가진 자계를 발생시키는 제1 자계 발생 수단, 및
    반경방향으로 극성을 가진 자계를 발생시키며, 상기 말단 부재를 상기 고정 부재에 결합시키는 반경방향 자속을 제공하도록 스러스트 디스크와 반경방향 폴 어셈블리 사이의 공기 갭을 통해 회전가능 부재에 자력으로 링크되는 제2 자계 발생 수단
    을 포함하고,
    상기 축방향으로 극성을 가진 제1 자계 발생 수단은 높은 도자율을 가진 제1 및 제2 아치형 부재, 및 상기 제1 및 제2 아치형 부재를 중심으로 외주 상에 위치하며 상기 말단 부재로부터 반경방향으로 이격되어 있는 하나의 제어가능한 전자기 코일을 포함하는
    모터/제너레이터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축방향으로 극성을 가진 자계는 제1 및 제2 축방향 폴(axial pole)을 통과하는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라이휠은 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
  4. 에너지 저장 회전 플라이휠을 갖는 모터/제너레이터에 있어서,
    말단 부재를 포함하는 상기 플라이휠은,
    상기 말단 부재를 고정 부재에 대하여 지지하는 제1 자기 베어링, 및
    상기 말단 부재와 상기 고정 부재 사이의 제1 및 제2 공기 갭을 통해 자력으로 링크된 축방향으로 극성을 가진 자계를 발생시키는 제1 자계 발생 수단, 및
    반경방향으로 극성을 가진 자계를 발생시키며 회전가능 부재를 상기 고정 부재에 결합시키는 반경방향 자속을 제공하도록 스러스트 디스크와 반경방향 폴 어셈블리 사이의 공기 갭을 통해 상기 말단 부재에 자력으로 링크되는 제2 자계 발생 수단
    을 포함하고,
    상기 축방향으로 극성을 가진 제1 자계 발생 수단은 높은 도자율을 가진 제1 및 제2 아치형 부재
    를 포함하는
    모터/제너레이터 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축방향으로 극성을 가진 자계는 제1 및 제2 축방향 폴을 통과하는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 플라이휠은 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
  7. 에너지 저장 회전 플라이휠을 갖는 모터/제너레이터에 있어서,
    말단 부재를 포함하는 상기 플라이휠은
    상기 말단 부재를 고정 부재에 대하여 지지하는 제1 자기 베어링,
    상기 말단 부재와 상기 고정 부재 사이의 제1 및 제2 공기 갭을 통해 자력으로 링크된 축방향으로 극성을 가진 자계를 발생시키는 제1 자계 발생 수단, 및
    상기 제1 및 제2 아치형 부재를 중심으로 외주 상에 위치하며 상기 말단 부재로부터 반경방향으로 이격되어 있는 하나의 제어가능한 전자기 코일
    을 포함하고,
    상기 축방향으로 극성을 가진 제1 자계 발생 수단은 높은 도자율을 가진 제1 및 제2 아치형 부재를 포함하며, 상기 축방향으로 극성을 가진 자계는 상기 제1 및
    제2 축방향 폴을 통과하는
    모터/제너레이터 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플라이휠은 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플라이휠은 상기 제1 자기 베어링과 제2 자기 베어링 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 플라이휠은 상기 제1 자기 베어링과 제2 자기 베어링 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 플라이휠은 상기 제1 자기 베어링과 제2 자기 베어링 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 모터/제너레이터 시스템.
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