KR20120018754A - 플라이휠 - Google Patents

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KR20120018754A
KR20120018754A KR1020117025518A KR20117025518A KR20120018754A KR 20120018754 A KR20120018754 A KR 20120018754A KR 1020117025518 A KR1020117025518 A KR 1020117025518A KR 20117025518 A KR20117025518 A KR 20117025518A KR 20120018754 A KR20120018754 A KR 20120018754A
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flywheel
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coupling
rim
vacuum chamber
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KR1020117025518A
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앤드류 앳킨스
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리카르도 유케이 리미티드
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Abstract

본 발명은 에너지 저장용 플라이휠의 제조방법에 관련되고, 특히 제조 과정에서의 플라이휠 정밀 평형방법을 개시하며, 이 방법은 복합 구성을 가진 플라이휠과 관련하여 특히 유용하고, 플라이휠의 구조적인 완전성을 함께 개선하는 데에도 적합하다.

Description

플라이휠 {A FLYWHEEL}
본 발명은 플라이휠과, 에너지 저장을 위한 플라이휠을 구성하기 위한 방법에 관한 것이다.
플라이휠(flywheel)은 예컨대 차량에 사용되는 것으로, 운동에너지의 형태로 에너지를 저장하는 플라이휠이 알려져 있다. 이러한 경우에, 에너지를 저장하기 위해 플라이휠을 사용하는 것이 알려져 있는데, 이러한 에너지는 다르게는 차량이 감속될 때 차량의 제동시스템에서 열로 변환되며, 차후에 이 저장된 에너지는 필요시 차량을 가속하기 위해 사용될 수 있다.
도 1에 따른 기존의 플라이휠은, 샤프트와 같은 중앙 지지부재에 장착될 수 있는 중앙의 금속 지지부(1)를 갖춘다. 적어도 하나의 복합재 링(2)이 중앙 지지부에 장착된다. 이러한 유형의 플라이휠에서 복합재 링은 탄소섬유로 감겨진 필라멘트이다. 플라이휠이 회전할 때, 링은 이 링에 작용하는 원심력으로 인해 지름이 확장하게 된다. 이 링은 플라이휠이 회전할 때 원심력에 대해 반작용하도록 테두리가 고강도로 되어 있다. 하지만, 외부링은 중앙 지지부에 느슨하게 맞춰질 수 있게 되고, 잠재적으로(위험하게) 중앙 지지부로부터 분리될 수 있다. 덧붙여, 방사상 응력이 복합재 링의 고장을 초래할 수 있다.
링의 성장하려는 경향을 방해하기 위해서, 링은 통상 중앙 지지부의 외경보다 작은 내경을 갖도록 기계가공되고, 그 후에 중앙 지지부에 억지끼워맞춤으로 장착되게 된다. 이러한 지름의 부적당한 맞춤은 초기하중(pre-load)을 일으켜서, 링이 중앙 지지부에 내향력(內向力)을 가한다. 이 안쪽으로 향한 초기하중은 플라이휠이 회전하지 않을 때 가장 크고, 중앙 지지부가 충분히 구조적으로 강하게 되어 플라이휠이 움직이지 않을 때 초기하중을 견딜 수 있게 하는 것이 요구되었다. 하나 이상의 복합재 링이 함께 압축되어 중앙 지지부에 더 장착되는 것이 알려져 있다. 초기하중은 함께 압축된 링들의 수에 따라 플라이휠의 중심 쪽으로 증대된다. 그 결과, 이 초기하중에 대응하기 위해서 플라이휠의 중앙 지지부에 많은 양의 재료가 요구되고, 플라이휠의 중심 근처에 있는 이들 재료는 플라이휠의 회전관성에 대해 매우 비효율적으로만 더해진다. 또한, 허브가 복합재 링보다 더 강성이 있으면, 플라이휠의 속도는 증가하고 초기하중은 줄어들지만, 그 후에 증대된 질량은 허브에 응력관리문제를 야기하게 된다.
게다가, 기존의 시스템에서 복합재 링의 최대응력범위를 초과하는 것은 고장을 일으키게 된다. 전술한 유형의 플라이휠에서는, 중앙 지지부가 초기하중으로 인해 복합재 링에 외향력(外向力)을 가하게 된다. 이 힘은 플라이휠이 회전할 때 링에 작용하는 원심력과 동일한 방향이다. 다음으로, 허브의 강성도(stiffness)가 복합재 링보다 낮으면, 플라이휠이 최대 속도로 회전할 때 링은 초기하중의 힘과 원심력의 합에 대응할 수 있도록 충분히 강해야만 한다. 그러므로 이러한 유형의 플라이휠이 갖는 다른 문제점은 초기하중이 플라이휠의 최대회전속도를 감소시킨다는 것이다.
기존 시스템의 다른 문제점은, 플라이휠이 예컨대 차량의 변속기에 결합되게 되면, 높은 수준의 과도토크(예를 들면, 차량의 기어박스 변속비가 빨리 변경되어 플라이휠을 급속히 가속 또는 감속시킬 필요가 있을 때)가 저하됨 없이 플라이휠에 전달될 수 있도록 하기 위해 스플라인이 형성된 커플링이 통상 필요하게 된다는 점이다.
2007년 12월 7일자로 출원된 영국 특허출원 제0723996.5호에 기재된 유형의 플라이휠은, 질량부재를 구비하는 림(rim)과 구동전달부재를 갖춘 플라이휠을 제공함으로써, 전술된 한계를 극복하고 있는데, 림과 구동전달부재는 권선부(winding)에 의해 결합되어 있다. 하지만, 이러한 유형의 플라이휠은 플라이휠이 가속되면서 회전될 때 플라이휠의 구성요소들에서의 응력을 나타내는 것이 요구된다.
영국 특허출원 제0902840.8호는 플라이휠에 경고(warning) 또는 표시(indicator) 링을 병합함으로써 전술된 플라이휠의 구성요소들에서의 응력을 표시할 수 있다. 이 표시 링은 억지끼워맞춤에 의해 플라이휠에 장착될 수 있어 잔류응력이 링과 플라이휠 사이에 걸리게 된다. 억지끼워맞춤 또는 초기하중의 수준과, 링이 장착되는 플라위휠의 부분과 링의 상대적인 강성도가 선택되어, 플라이휠이 예정된 트리거(trigger) 속도로 또는 이 트리거 속도를 초과하여 회전될 때, 초기하중은 대체로 원심력에 의해 극복되어 링과 지지부재가 적어도 부분적으로 분리되게 한다. 그 후에 링은 플라이휠 상에서 움직일 수 있어, "불균형"의 조건을 초래하고 플라이휠의 구성요소들에서 응력의 표시로 감지될 수 있는 진동을 일으키게 되는 것이다.
기존의 플라이휠이 갖는 다른 문제점은 플라이휠의 회전질량을 정교하게 균형을 맞춰야 할 필요성이 있다는 점이다. 회전하는 플라이휠에 저장된 운동에너지는 ω2(여기서, ω는 플라이휠의 각속도이다)에 비례하기 때문에, 플라이휠의 최대회전속도가 증가하면 주어진 질량의 플라이휠에는 더 많은 에너지가 저장될 수 있고, 이로써 이러한 플라이휠의 에너지 저장 밀도를 증대시킨다. 하지만, 회전속도가 증가함에 따라 조립체의 균형은 더욱 위태롭게 되고, 플라이휠의 구조적인 완전성을 증명하는 것도 마찬가지이다. 더구나, 일반적으로 플라이휠의 균형을 맞추는 비용은 원하는 균형 정확도의 수준에 따라 증가한다.
영국 특허출원 제0723996.5호 및 동 제0902840.8호에 기재된 유형과 같은 복합재 플라이휠이 균형을 맞출 때의 다른 문제점으로는, 단지 제한된 양의 기계가공 또는 처리공정만이 복합재의 구조적인 완전성에 심각한 피해 없이 복합재 구성요소(즉 질량지탱용 림)에서 이행될 수 있다는 것이다. 이는, 재료가 복합재 림으로부터 멀리 떨어진 위치에서 플라이휠로부터 제거되어야 하기 때문에, 균형맞춤 처리공정의 간단함에 영향을 끼치게 된다.
다른 문제점은 플라위휠의 균형을 맞추는 기존의 방법이 일반적으로 플라이휠에서 재료의 기계가공이나 연마 또는 드릴링과 병합된다는 점이다. 복합재 플라이휠에서 재료의 기계가공과 플래쉬(flash)나 연마 또는 드릴링은 복합재 부분의 구조적인 완전성을 위태롭게 할 수 있을 뿐만 아니라, 더욱이 이러한 기계가공은 적어도 아래의 두 가지 방식으로 성취할 수 있는 균형의 정확도를 제한할 수 있다. 첫째로, 균형맞춤작업의 정확도는 기계가공작업 동안 플라이휠이 장착되는 선반 샤프트의 정확성에 의해, 그리고 선반 샤프트에 플라이휠 질량체가 장착되는 정확도에 의해 제한된다. 둘째로, 균형맞춤의 정확도는 기계가공이나 연마 또는 드릴링 처리공정에서 제거될 수 있는 재료의 최소두께에 의해 제한되는데, 이는 차례로 작업자의 능숙도 또는 (공작기계가 컴퓨터에 의해 수치제어되면) CNC 기계의 정밀도에 의해 영향을 받을 수 있다. 이것은, 플라이휠로부터 제거되는 재료가 필연적으로 밀도가 높기 때문에(플라이휠의 에너지저장밀도를 극대화시키기 위해) 더욱 심각하게 된다.
그러므로 이러한 플라이휠을 높은 정도의 정확도로 간단하고 신속히 균형을 맞추는 방법을 마련하는 것이 요구되었다. 또한, 이러한 방법은 동시에 플라이휠의 구조적인 완전성을 제공해야 하는 것이 요구되었다. 이러한 방법은 시간, 제조비용, 자본비용을 절약하게 되며, 또한 플라이휠의 성능과 신뢰성을 향상시키게 된다.
기존의 플라이휠은 때때로 플라이휠의 회전하는 질량체가 진공을 포함한 체임버(chamber) 내부에서 회전하도록 구성되어 있다. 진공 내에서 회전하는 질량체를 작동시키는 것은, 공기 저항(윈디지(windage)로 알려진)으로 인한 에너지 손실을 줄일 수 있기 때문에 이롭다. 하지만, 회전하는 플라이휠 질량체의 안팎으로 에너지를 전달하기 위해 커플링 수단이 필요하게 된다. 기존의 어떤 플라이휠은 진공 체임버에 있는 회전하는 밀봉부를 관통한 회전축을 사용하여 에너지원으로부터 플라이휠의 에너지저장수단으로 토크를 연결한다. 그러나 회전하는 밀봉부가 누출되기 때문에 절대로 완벽하지 않으며, 그러므로 누출에도 불구하고 진공을 유지하기 위해서 환경관리시스템이 진공 체임버에 결합되어야 한다. 더구나, 밀봉부는 시간이 지남에 따라 그리고 회전속도가 증가할수록 더욱 "누출"이 되고, 또한 고속에서 더욱 급속히 닳게 된다. 따라서, 회전하는 밀봉부의 사용은 바람직하지 못하다. 이러한 환경관리시스템의 질량, 부피 및 비용도 바람직하지 못하다.
자성(磁性) 커플링이 플라이휠과 함께 사용되어 진공 체임버의 벽을 통해 토크를 전달할 수 있는데, 이로써 회전하는 밀봉부에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 하지만, 영구자석을 사용한 이러한 자성커플링의 토크전달능력은 부족하다고 이전에 알려져 있었다.
이는 적어도 부분적으로, 주어진 자극 강도에 대하여 회전하는 두 부재의 자극들 사이를 지나는 자속이 두 부재 사이의 "공극(air gap)"에 의해 제한되기 때문인 것으로 알려져 있다. 사실상, 공극은 외부의 회전하는 부재와 진공벽 사이의 공극, 진공벽 자체, 및 진공벽과 내부의 회전하는 부재 사이의 진공갭(vacuum gap)을 포함한다. 진공 체임버의 벽이 대기압을 지지하기에 충분할 정도로 구조적으로 강해야 하기 때문에, 그 두께는 필연적으로 상당히 중요한데, 내부의 회전하는 부재와 외부의 회전하는 부재 사이에 커다란 "공극"을 형성하게 된다.
기존의 구조에서는, 자성 강도를 증대시켜 토크전달능력을 증대시키기 위해 전자극(electromagnetic pole)을 채용함으로써 이 제한된 토크전달능력을 극복하도록 추구하였다. 하지만, 전자극을 사용하면 에너지 변환을 필요로 하여서, 에너지를 저장하는 플라이휠의 효율을 감소(전자석은 이들을 작동시키기 위해 전력을 필요로 하는데, 이 전력은 플라이휠에 저장된 에너지로부터 얻어져야 하기 때문에)시킨다. 더구나, 전자기 커플링과 관련된 추가적인 제어 및 전력 전자장치는 이러한 전자기 커플링과 병합하는 플라이휠의 에너지저장시스템의 크기 및 중량을 현저히 증대시켜서, 질량 및 부피 양 측면에서 플라이휠의 에너지저장시스템의 에너지저장밀도를 더욱 감소시키게 된다. 그러므로 질량, 부피 및 에너지 측면에서 효율적인, 진공 체임버 내에서 작동하여 에너지를 저장하는 플라이휠의 안팎으로 에너지를 연결하는 방법이 요구된다.
기존 플라이휠이 갖는 다른 문제점은, 플라이휠 자체가 높은 각속도로 회전할 수 있어야 함과 동시에, 에너지원이나 에너지 싱크(energy sink; 엔진 또는 변속기와 같은)에 플라이휠을 변함없이 연결하는 구동샤프트와, 진공 체임버의 외부에 있는 관련 구성요소들이 공기 저항(또는 "윈디지")과 관련된 손실을 겪고 있다는 점이다.
자성 기어(magnetic gear)들은 자석들(예컨대 영구자석)의 어레이와 고정의 자극편(pole piece)를 사용하여 예컨대 구동축과 같은 회전부재들 사이에 토크를 전달한다. 이들은 종래의 기계식 기어에 비해 적은 마모를 보인다. 그러나 이들의 토크 전달 능력은 자석들의 서로에 대한 회전 위치에 따라 달라져서 축이 회전하면서 변동을 일으킨다. 예를 들어, 토크 전달 능력을 각위치에 대하여 그래프로 그리면, 토크 곡선에 급격한 피크(peaks)와 골(troughs)이 나타남을 볼 수 있다. 이 현상은 "코깅(cogging)"으로 알려져 있고 일단의 원치 않는 특성을 초래한다.
첫째로, 토크 곡선에서 피크와 골은 자성기어가 맞물림 위치(meshing position)에 따라 다른 "탈출(pull-out)"토크를 갖도록 한다. 즉, 기어가 슬립하면서 맞물림이 상실되기까지의 필요 토크가 회전방향 맞물림 위치에 따라 변동된다는 것이다. 따라서, 주어진 수준의 토크를 전달하는 이러한 기어세트를 설계하려면 토크 곡선에서 골(도 26에서 20Nm 부근에 나타남) 여럿 가운데 하나로 표시되는 그 최소 토크 커플링 능력이 설계수치상 토크처리 능력보다 크도록 하여야 한다. 이를 위해, 자석 어레이들을 적절히 더 크게 정해야 하고, 그 일반적 결과로 어떤 맞물림 위치들에서 과도한 토크 커플링 능력이 나타나 비효율을 보이게 된다. 따라서, 토크 곡선이 평균 토크 처리능력을 밀접히 추종하는 경우 보통 자석 어레이들은 필요한 것보다 더 커지게 마련이고 이로 인하여 그 비용과 크기를 증가시키며 그러한 자성기어를 병합하는 플라이휠의 에너지 저장밀도를 떨어뜨린다.
또한, 자성기어의 입력 및 출력 축들 사이의 각 오프셋(angular offset)은, 토크 커플링 능력이 맞물림 위치와 함께 변하는 경우, 인가된 토크에 따르고 주어진 맞물림 위치에서의 토크 커플링 능력에 따라 변하기 때문에, 축에서의 비틀림 진동을 초래하는 원인이 된다. 이러한 비틀림 진동은 관련 기계 구성부의 수명 단축, 고장 또는 연결해제를 일으킬 수 있다. 이것이 특히 심각한 문제가 되는 것은 회전속력 수치가 비틀림 진동의 주파수를 기계계통의 공진과 합치시키는 경우일 때 발생한다.
따라서 토크 곡선의 피크와 골 사이 변동을 감축 또는 일소할 수 있다면 유리한 것이다. 이렇게 하면 최소 토크 커플링 능력이 평균 토크 커플링 능력에 훨씬 근접하게 되므로 더 작고 저가인 자석 어레이들을 이용할 수 있게 된다. 또한, 축의 비틀림 진동이 감소되어, 더 싸고, 가볍고 작은 구성부의 이용이 가능해진다. 이렇게 크기, 가격, 무게가 절감된 구성부를 이용한 플라이휠 에너지 저장시스템은 한층 높은 에너지 저장밀도를 가질 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 청구범위 기재와 같다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라이휠 평형방법은 첨부한 청구범위 제 1 항에 한정된 방법과 같이 제공된다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 장치는 첨부한 청구범위 제 16 항에 한정된 장치와 같이 제공된다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 공지의 플라이휠을 나타낸 도면이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예의 등각 투상도이며;
도 3은 도 2의 실시예의 횡단면도이고;
도 4는 샤프트 구성을 나타낸 도면이며;
도 5는 권선 패턴의 상세도이고;
도 6은 샤프트에서의 권선부를 나타낸 도면이며;
도 7은 림에서의 다른 권선 방법을 나타낸 도면이고;
도 8은 경고 링을 통합한 플라이휠의 횡단면도이며;
도 9는 도 8의 실시예의 측면도이고;
도 10은 경고 링을 통합한 다른 실시예를 나타낸 도면이며;
도 11은 도 10의 실시예의 측면도이고;
도 12는 경고 링을 구비한 또 다른 실시예를 나타낸 도면이며;
도 13은 도 12의 실시예의 측면도이고;
도 14는 경고 링을 통합한 또 다른 실시예를 나타낸 도면이며;
도 15는 진공 체임버의 내부에 제작된 플라이휠을 나타낸 도면이고;
도 16은 도 15의 플라이휠의 횡단면도이며;
도 17a는 한 가지 타입의 자기 커플링을 나타낸 도면이고;
도 17b는 커플링 요소를 구비한 자기 커플링을 나타낸 도면이며;
도 18a는 자기 유성 기어 커플링(epicyclic magnetic gear coupling)을 나타낸 도면이고;
도 18b는 도 18a의 커플링의 일부의 유사도이며;
도 19a 내지 도 19c는 도 18a의 커플링의 부분이 일련의 연속된 3개의 위치들을 통해 회전할 때에 그 부분을 순차적으로 나타낸 도면이고;
도 20은 도 18a에 도시된 것과 같은 자기 커플링이 진공 체임버 벽에 통합될 경우에 그 자기 커플링을 나타낸 도면이며;
도 21은 엇갈린 자극들(staggered poles)을 통합한 자기 기어 커플링을 나타낸 도면이고;
도 22는 엇갈린 자극들을 통합한 자기 유성 기어 커플링을 나타낸 도면이며;
도 23은 펼쳐진 커플링 요소(spread coupling element)를 통합한 자기 유성 기어 커플링을 나타낸 도면이고;
도 24는 엇갈림 커플링 요소들 및 펼쳐진 커플링 요소를 통합한 상반 회전(contra-rotating) 자기 기어 커플링을 나타낸 도면이며;
도 25는 자기 유성 기어 커플링을 통합한 플라이휠을 나타낸 도면이고;
도 26은 토크 커플링 성능 대 기어 메싱 위치의 2개의 곡선들을 나타낸 그래프이다.
개관하면, 본 명세서에 기재된 장치 및 방법은 그 제작에 사용되는 재료가 관성적인 측면에서 효율적으로 배치되고, 지지 구조물이 텐션을 받고 있으며, 질량 요소를 포함하는 림(rim)이 압축 억지끼워맞춤에 의해 그 내면에 유지되기보다는 구동력 전달 부재의 둘레를 또한 통과하는 권선부(winding)에 의해 그 외면상의 소정의 자리에 유지되는 플라이휠 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
다른 실시예들에서는, 지지부재가 림을 둘러싸서 원심력에 반작용할 수 있고, 샤프트와 같은 비틀림 유연성 또는 비틀림 탄성 구동력 전달 부재가 마련될 수 있다.
권선부는 후술하는 바와 같은 다수의 방식으로 구성될 수 있고, 프리텐션(pretension)이 권선에 걸릴 수도 있다. 구동력 전달 부재는 중공일 수 있고 권선 탄소 섬유로 제작될 수 있는 샤프트일 수 있다. 림은 원주 방향 지지 부재(지지 부재로도 지칭됨) 및 반경 방향으로 지지 부재의 안쪽에 장착된 질량 요소를 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 림은 복합재, 예컨대 권선 탄소 섬유와 수지로 제작될 수 있다. 질량 요소는 보강 부재에 압착되거나 몰딩된 링일 수 있다. 대안적으로, 질량 요소는 체인에서와 같이 링크될 수 있고 몰딩, 드릴링, 압착, 또는 보강 부재의 내부에의 접착 부착에 의해 림으로 통합된 하나 이상의 고밀도 요소들을 포함한다.
구동력 전달 부재는 예컨대 중공 샤프트일 수 있고, 권선 탄소 섬유 복합체로 형성될 수 있다. 복합체는 샤프트의 굽힘과 샤프트의 비틀림이 모두 섬유들의 길이 변화를 일으키도록 배열된 방향들로 배향되는 섬유들로 권선될 수 있고, 따라서 그러한 변형들이 길이 변화에 저항하는 섬유의 자연적 성향에 의해 저항을 받는다. 그럼으로써, 샤프트가 비틀림 이동에 유연성을 갖도록 형성될 수 있다.
플라이휠 림에는 경고 링 또는 표시 링이 장착될 수 있고, 플라이휠은 경고 링과 다른 구성 요소들 중의 적어도 하나가 충분한 크기의 원심력 하에서 다른 것들에 대해 이동하거나 팽창하거나 수축하거나 변형되거나 왜곡되도록 구성될 수 있다. 그것은 예컨대 조립체의 균형을 잃게 함으로써 조립체의 회전에 영향을 미칠 수 있고, 그것을 감시 또는 검출하여 과하중의 지시를 제공한다.
경고 링 또는 표시 링이 플라이휠과 통합되어 회전 하에서 상이하게 거동하기 때문에, 플라이휠이 바람직하지 않은 회전 속도에 도달할 경우, 검출기가 상이한 거동의 결과, 예컨대 플라이휠의 불균형을 검출할 수 있다.
표시 링은 억지끼워맞춤으로 플라이휠에 장착될 수 있고, 지지 부재에 의해 아니면 구동력 전달 부재(예컨대, 샤프트)에 의해 지지된다. 표시 링은 원주 방향으로 감긴 섬유(예컨대, 탄소 섬유)로 제작될 수 있거나, 상세히 후술할 바와 같이 고장 없이 적절한 강성으로 플라이휠의 최대 설계 속도로 회전할 수 있게 하기 충분한 후프 강도(hoop strength)를 갖는 다른 재료일 수 있다. 표시 링이 지지 부재에 장착될 경우, 표시 링은 반경 방향으로 지지 부재의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 표시 링이 반경 방향으로 지지 부재의 내부에 배치될 경우, 표시 링은 지지 부재의 강성보다 크거나 그와 거의 같은 강성을 갖는다. 표시 링이 반경 방향으로 지지 부재의 외부에 배치될 경우, 표시 링은 지지 부재의 강성보다 작거나 그와 거의 같은 강성을 갖는다. 지지 부재는 원주 방향으로 감긴 섬유, 예컨대 탄소 섬유를 포함한다. 표시 링이 구동력 전달 부재(예컨대, 샤프트)에 장착될 경우, 표시 링은 구동력 전달 부재의 강성보다 작거나 그와 거의 같은 강성을 갖는다.
억지끼워맞춤은 플라이휠이 정지 상태에 있을 때에 표시 링과 그 장착구(예컨대, 지지 부재) 사이에 초기하중을 일으킨다. 그러한 초기하중 및 표시 링과 링 장착구의 상대 강성의 수준은 플라이휠이 미리 정해진 트리거 속도(trigger speed)로 또는 그 속도를 초과하여 회전할 때에 원심력이 초기하중을 거의 극복하여 링과 지지 부재를 분리시키도록 선택된다. 일반적으로, 강성이 덜한 구성 요소는 강성이 더한 구성 요소보다 더 많이 신장하여 커지는 경향이 있다. 그러나 특히 표시 링과 그 장착구가 거의 같은 강성을 갖는 경우에는, 그 2개의 구성 요소들이 그럼에도 회전 하에서 분리되는 경향이 있는데, 왜냐하면 회전축으로부터 더 큰 반경에 있는 구성 요소에 더 큰 힘이 작용하기 때문이다. 반경 방향 위치와 재료 강성의 조합을 상응하게 조정하여 원하는 소정의 속도에서 분리를 구현할 수 있다. 소정의 속도는 플라이휠이 고장 날 것으로 예상되는 속도보다 낮게 선택된다. 표시 링은 간섭 경계에서 불균일한 응력 분포를 일으키는 압입맞춤에 의해 그 장착구에 끼워 맞춰진다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 높은 관성을 효과적으로 제공하기 위해, 예컨대 상대적으로 육중한 재료의 링으로 이뤄진 질량 요소(10)를 포함하는 림(50)이 중심 회전축(20)을 제공하는 샤프트(60)와 같은 구동력 전달 부재로부터 플라이휠(30)의 크기에 비해 상대적으로 큰 반경에 배치된다. 질량 요소(10)는 관성을 효과적으로 제공하기 위해 높은 밀도를 갖는다. 적합한 재료는 예컨대 납 또는 강이지만, 다른 재료들도 사용될 수 있다. 질량 요소(10)는 플라이휠(30)이 회전 중일 때에 응력을 받는데, 그것은 원심력에 의해 유도된다.
반경 방향으로 질량 요소의 외부에는 외주 지지 부재(40)가 위치한다. 그러한 지지 부재(40)는 높은 후프 강도를 갖고, 플라이휠(30)이 회전 중일 때에 질량 요소(10)에 작용하는 원심력에 반작용할 수 있다. 지지 부재(40)는 높은 후프 강도를 부여하도록 원주 방향으로 감긴 탄소 섬유 복합체인 것이 바람직하다. 도시된 실시예에서는, 지지 부재(40)와 질량 요소(10)의 2개의 요소들이 효과적으로 결합하여 림(50)을 형성하도록 지지 부재(40)가 작은 간섭 초기 하중으로 질량 요소(10)에 압착된다. 초기하중은 플라이휠이 정지하고 있을 때에 2개의 요소들을 억지끼워맞춤으로 함께 유지하는 역할만을 하기 때문에 단지 작은 정도이기만 하면 된다. 대안적으로, 2개의 요소들이 접착 본드 등에 의해 결합할 수도 있다. 질량체를 더욱 효과적으로 배치하고 플라이휠의 림의 근처에 질량체를 집중함으로써, 주어진 에너지 저장 용량에 대해 플라이휠이 더 가벼워지는 결과를 가져온다. 도 2에는 질량 요소가 연속 링으로서 도시되어 있지만, 질량 요소는 대안적으로 분리된 링 세그먼트들 또는 불연속 질량 요소들일 수도 있다. 예컨대, 대안적 구성이 도 7에 도시되어 있는데, 여기서는 질량체가 링으로서 지지 부재(40)에 삽입되거나 몰딩될 수 있든지 아니면 불연속 요소들로서 지지 부재(40)의 수납 구멍들에 삽입되거나 몰딩될 수 있다.
도 2, 도 5, 및 도 6을 참조하면, 권선부가 림(50)을 샤프트(60)와 결합시킨다. 권선부는 주로 또는 부분적으로 샤프트(60)로부터 림(50)까지 연장되는 반경 방향 부분들(80) 및 주로 림(50)의 둘레에 연장되는 축 방향 부분들(90)로 이뤄지도록 구성된다. 도시된 실시예에 있어서, 권선부는 다음과 같이 진행되는 권선 작업으로 감긴 필라멘트이다. 샤프트(60)로부터 림(50)까지 반경 방향 부분들을 감고, "슬링(sling)"을 형성하도록 림(50) 위에 걸쳐 축 방향 부분들을 감으며, 이어서 도로 림(50)으로부터 샤프트(60)까지 반경 방향 부분들을 감고, 이를 반복적으로 진행한다. 권선부(87)는 반드시 권선 작업의 모든 반복들은 아니지만 일부의 반복들 사이에 적어도 부분적으로 샤프트(60)의 원주의 둘레를 돌아 통과한다. 권선부(80, 90)는 원심력 하에서 림(50)이 커짐에 따라 약간 신장하여 림(50)에 반작용력을 가한다. 그럼으로써, 권선부(80, 90)는 림(50)의 지지 부재(40)가 림(50)의 반경 방향 확장에 저항하는 것을 지원한다. 권선부(80, 90)는 탄소, 유리 섬유, 케블라(Kevlar), 자일론(Zylon), 또는 나일론을 비롯한 섬유로 제조될 수 있거나, 저응력 용도에서는 금속 와이어로 제조될 수 있다. 그 결과, 중심 지지 섹션 또는 스포크들(spokes)과 같은 더욱 육중한 장착 구조들이 필요하지 않게 된다.
질량 요소가 연성 재료 또는 유연성 재료로 이뤄지는 실시예들에서는, 제작 중에 다음의 방법에 의해 지지 부재(10)와 권선부(80, 90)에 프리텐션을 걸 수 있다. 질량 요소(10) 및 외측 지지 부재(40)를 포함하는 림(50)과 구동력 전달 부재를 권선에 의해 결합시키면서 본원에서 전술한 방식으로 플라이휠을 조립한다. 본 단계에서는 안쪽으로 초기하중을 인가할 필요가 없거나 무시할 정도의 초기 하중만을 인가할 필요가 있다. 이어서, 질량 요소(10)에 가해지는 원심력이 그것을 항복시키기 충분하지만 그 최대 인장 강도보다는 작을 정도의 충분히 높은 각속도로 플라이휠을 돌린다. 그 결과, 질량 요소(10)가 바깥쪽으로 항복하여 그 원주가 늘어난다. 질량 요소(10)의 원주가 늘어남으로써, 질량 원소(10)와 지지 부재(40) 사이에 확실한 억지끼워맞춤이 일어나고, 그에 의해 지지 부재(40)가 신장하여 그에 프리텐션이 걸리고, 권선부(80, 90)도 또한 신장하여 그에 프리텐션이 걸린다. 질량 요소(10)는 지지 부재(40)의 영률(Young's modulus)보다 작은 낮은 영률 내지 중간 정도의 영률을 갖고, 그에 따라 원심력 하에서 변형하는 질량 요소(10)의 경향이 지지 부재(40)의 그것보다 더 크다. 그러한 작동은 지지 부재(40)와 권선부(80, 90)에 모두 프리텐션이 걸리는 결과를 가져온다. 그리하여, 권선부를 부가하기 전에 질량 요소(10)를 억지끼워맞춤으로 지지 부재(40)에 끼워 맞춘 것의 결과로 지지 부재(40)에만 초기하중이 걸리는 것에 비해, 지지 부재(40)와 권선부(80, 90)에 모두 프리텐션이 걸리게 된다. 다른 실시예들에서는, 상기 방법을 지지 부재에만 단독으로 프리텐션을 거는데 사용할 수 있다.
다른 실시예들에서는, 극히 낮은 영률을 갖는 납과 같은 재료가 질량 요소(10)를 이룬다. 수은과 같은 농밀한 액체의 사용을 사용하는 결과, 질량 요소(10)가 스스로 균형을 잡는 플라이휠이 나오게 된다. 지지 부재(40)는 반경 방향으로 질량 요소(10)를 지지 부재(40)의 내부에 감금한다.
잘량 요소(10)를 이루는데 사용하기 위한 적절한 연성 또는 유연성 재료들은 그 초기 항복 강도점에 비해 큰 최대 인장 강도를 가져 전술한 제작 작업 동안 재료의 최대 인장 강도를 초과할 위험이 없이 재료의 항복점을 넘을 수 있기 충분할 정도로 큰 연성 영역을 한정한다. 최대 인장 강도에 대한 항복 강도의 비는 1:2에 가깝다. 질량 요소(10)에 사용되는 재료는 예컨대 외측 지지 부재(40) 및 권선부(80, 90)와 같은 플라이휠의 다른 부품들의 고장이 회피될 정도의 적당한 플라이휠 속도에서 넘을 수 있기 충분할 정도로 낮은 초기 항복점도 갖는다. 그러한 재료는 초기하중 과정을 가져오는 원심력이 질량 요소(10)의 충분히 큰 원주 방향 변형을 일으켜 결과적으로 생기는 지지 부재(40)와 권선부(80, 90)의 변형에 의해 통상의 작동 중에 만나는 전형적인 회전 속도로 회전할 때에 질량 요소(10)에 작용하는 원심력에 상당히 반작용하는 초기 하중이 발생하도록 하는 특성들을 갖는다.
질량 요소(10)가 연성이 아니고 전술한 방법을 사용하여 질량 요소(10)에 초기 하중을 걸지 않는 실시예들에서는, 질량 요소의 최대 인장 강도가 지지 부재(40)의 그것에 최적으로 가깝고, 질량 요소(10)의 항복 강도가 지지 부재(40)의 최대 인장 강도에 최대한으로 가깝게 된다.
도 5를 참조하면, 샤프트(60)로부터 림(50)까지의 권선부(80)들의 각도는 샤프트(60)와 림(50) 사이의 토크 전달 특성을 결정하도록 선택될 수 있다. 사용되는 각도는 i) 샤프트 원주에 대한 접선과 ⅱ) 샤프트 원주에 대한 수선 사이에서 선택될 수 있다. 샤프트(60)에 대한 수직 각도에 가까운 선택 각도는 질량 요소(10)에 작용하는 원심력의 반작용에 권선부(80)가 기여하는 정도를 증진시킨다. 샤프트 원주에 대한 접선에 가까운 선택 각도는 림(50)과 샤프트(60) 사이에 토크를 전달할 수 있는 권선부(80)의 역량을 증진시킨다. 권선부에 의한 기여를 최적화하기 위해, 전술된 각도들의 범위 내의 중간 각도를 선택할 수 있다. 권선부(80, 90)는 텐션 상태에 있을 때에만 토크를 전달할 수 있기 때문에, 반경 방향 권선부(80)들은 플라이휠이 가속 중인지 감속 중인지 여하에 의존하여 시계 방향 권선부(85)들 또는 반시계 방향 권선부(86)들이 텐션 상태에 있도록 시계 방향(85)과 반시계 방향(86)의 양 방향으로 배열될 수 있다. 또한, 권선부가 그 둘레에 배열되는 샤프트를 따른 축 방향 위치도 인장 지지체의 강도를 바꾸도록 변경될 수 있다.
도 2를 참조하면, 권선부(80, 90)의 권선수 및 결과적인 그 강도를 변경할 수 있다. 마찬가지로, 탄소 지지 부재(40)에서의 섬유의 권선수도 역시 그 강도를 바꾸도록 변경할 수 있다. 질량 요소(10)에 작용하는 원심력에 대한 반작용이 지지 부재(40)와 권선부(80, 90)로부터의 조합된 반작용이기 때문에, 권선부(80, 90)에서의 권선수 및 지지 부재(40))에서의 권선수를 바꿈으로써 그 각각의 상대적 기여도를 변경할 수 있다. 일 양태에 있어서, 지지 부재(40)를 제거하여 권선부(80, 90)만이 질량 요소에 작용하는 원심력에 반작용하게 하도록 할 수 있다. 또한, 권선을 전체의 원주 둘레로 연속적으로 연장하거나, 원주 방향으로 개개의 섬유들 또는 섬유들의 그룹들 사이에 갭을 두어 단절함으로써 "스포크 모양"의 구조를 제공할 수 있다. 예컨대, 질량 요소가 다수의 불연속 요소들인 경우, 림(90)에 있는 권선부(90)는 불연속 질량 요소들과 일렬로 정렬될 수 있다.
도 3을 참조하면, 림(50)은 적어도 일시적으로 캐리어 부분(70)에 의해 샤프트(60)일 수 있는 구동력 전달 부재에 지지된다. 캐리어 부분은 전체 플라이휠 질량을 줄이고 외주에 질량을 집중시키도록 경량 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 캐리어 부분은 예컨대 나무, 밀랍, 수지, 또는 다른 경량 재료로 제조될 수 있다. 캐리어 부분은 제작 동안 권선부를 부착하면서 림이 구동력 전달 부재에 장착될 수 있게 한다. 캐리어 부분은 권선부를 림과 구동력 전달 부재에 부착한 후에 침식, 용해, 용융, 또는 승화에 의해 제거되거나 제거될 수 있다.
권선부와 캐리어 부분은 림에 비해 상대적으로 경량이고, 그럼으로써 플라이휠의 질량의 대부분이 관성적인 측면에서 효율적인 림 근방에 있도록 질량 요소를 포함하는 림으로써 플라이휠을 구성할 수 있다. 캐리어 부분(70)은 샤프트(60) 또는 림(50)에 아교로 접착된다.
도 4를 참조하면, 샤프트(60)는 중실체일 수 있으나, 그 질량을 줄이도록 중공체인 것이 바람직하다. 샤프트(60)는 비틀림 유연성이 있고 축 방향으로는 강성이 있도록 직조된 탄소 섬유 복합체인 것이 바람직하다. 그러나 샤프트는 유리 섬유, 강, 티타늄, 기타의 금속 또는 복합체들과 같은 다른 재료들로 제조될 수도 있다. 섬유 복합재 샤프트의 경우, 굽힘 및 비틀림에 대한 저항성의 정도에 영향을 주고 샤프트의 비틀림 유연성을 미세 조정하기 위해 섬유들의 직조 패턴을 변경할 수 있다. 샤프트는 그에 압착되거나 아교로 접착된 하나 이상의 베어링 표면들(65)을 구비한다. 하나 이상의 베어링 표면들(65)이 구동 커플링(66)과 통합하고 있을 수도 있거나, 별개의 구동 커플링이 샤프트에 압착되거나 아교로 접착될 수 있다. 샤프트의 비틀림 유연성은 구동 커플링에서의 피크 토크 레벨을 제한하는 작용을 하고, 그에 따라 스플라인이 형성된 구동 커플링보다 낮은 피크 토크 처리 능력을 갖는 구동 커플링들, 예컨대 마찰 커플링들 또는 자기 커플링들을 사용하는 것을 허용한다.
도 3 및 도 6을 참조함으로써 플라이휠의 제작을 좀더 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 바인더가 수지 또는 접착제를 사용하여 제공되는 "습식 권선" 공정에 의해 권선부(80, 90)를 형성할 수 있다. 권선부(80, 90)를 형성하는 섬유에 수지 또는 접착제를 함침시키고, 수지 또는 접착제가 여전히 "젖어 있는", 즉 수지 또는 접착제가 경화되지 않은 상태에 있는 동안 그 섬유를 감을 수 있다. 대안적으로, 권선부(80, 90)가 지지 부재(40)에 달라붙도록 권선부(80, 90)를 형성하는 과정 전에 또는 그 과정 중에 지지 부재(40)를 수지 또는 접착제로 코팅할 수 있다. 마찬가지로, 권선부(80, 90)가 샤프트(60)에 달라붙도록 권선 과정 전에 또는 그 과정 중에 샤프트(60)를 수지 또는 접착제로 코팅할 수 있다. 이러한 기법들은 샤프트(60)와 림(50) 사이의 토크 전달을 증대시킨다. 대안적으로, 권선부(80, 90)와 샤프트(60) 및 림(50) 사이의 억지끼워맞춤을 사용할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 이후로 권선부(80, 90)와 지지 부재(40)는 별개로 감은 요소들로서 설명된다. 그러나 예컨대 권선부(80, 90)의 권선들과 지지 부재(40)의 권선들을 끼워 넣음으로써 양 요소들을 조합하는 것이 가능하다. 먼저, 지지 부재(40)를 형성하고, 그를 통한 구멍들(45)을 형성하며, 이어서 권선부들(80, 90)을 지지 부재(40)의 구멍들(45)을 통해 통과시키면서 권선부(80, 90)를 형성하는 것도 가능하다. 지지 부재(40)의 형상은 지지 부재(40)와 접촉하는 권선부(90)에서 응력을 확산시키기 위해 반구형 또는 포물선형으로 될 수 있다. 임의의 평활한 단면 윤곽 형상도 적절한 것으로 여겨진다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 캐리어 부분(70)으로의 출입을 존속시키도록 권선부들(80, 90) 사이에 공간들을 남겨 둘 수 있다. 권선부(80, 90)가 형성된 후에, 캐리어 부분(70)을 소정의 자리에 남기거나 블라스팅, 침식, 용해, 용융, 또는 승화에 의해 제거할 수 있다. 캐리어 부분은 예컨대 세라믹, 수지, 밀랍, 또는 그러한 작업을 가능하게 하는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 캐리어 부분(70)을 제거하면, 관성적인 측면에서 비효율적인 질량의 비율이 훨씬 더 낮은 훨씬 더 경량의 플라이휠이 생기게 된다. 캐리어 부분을 제거하면, 권선부가 림을 구동력 전달 부재에 지지하는 유일한 실질적 수단을 제공한다.
대안적 방안에서는, 후프 강도를 제공하는 원주 방향 지지 부재로써 플라이휠을 제작할 수 있으나, 그 링은 권선부보다는 오히려 종래의 중심 지지 섹션을 사용하여 장착된다.
사용 시에, 플라이휠은 에너지 저장을 위해 또는 안정화와 같은 다른 목적으로 차량 또는 임의의 다른 적절한 세팅에 장착되고, 구동력 전달 부재를 통해 적절한 모터, 엔진, 또는 발전기와 커플링되고 그로부터 디커플링될 수 있다.
경고 링 또는 표시 링(800)을 구비하는 플라이휠(30)의 제1 실시예를 도시하고 있는 도 8 및 도 9를 참조하면, 경고 링(800)이 지지 부재(40)의 외주에 장착되는 것을 알 수 있다. 경고 링(800)은 억지끼워맞춤을 사용하여 반경 방향으로 지지 부재(40)의 외부에 장착되고, 전형적으로 소정의 자리에 압착된다. 경고 링(800)과 지지 부재(40) 사이의 억지끼워맞춤은 플라이휠(30)이 정지 상태에 있을 때에 그 2개의 구성 요소들 사이에 초기하중 힘을 일으킨다. 경고 링(800)을 지지 부재(40)에 조립하면, 그 2개의 구성 요소들 사이에 불균일한 잔류 응력이 발생한다. 권선부(80)는 경고 링(800), 지지 부재(40), 및 질량 요소(10)의 둘레를 통과한다. 미세하게 플라이휠의 균형을 잡아 회전 시에 진동을 회피시킨다. 제작 중에, 균형을 잡는 작업은 경고 링이 소정의 자리에 있는 채로 균형이 잡히도록 경고 링을 조립한 후에 수행된다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 권선부(80)는 경고 링(800)과 지지 부재(40)의 둘레를 통과한다. 따라서 권선부는 경고 링을 지지 부재(40)와 접촉한 상태로 유지하려는 경향이 있고, 그에 따라 지지 부재(40)로부터 떨어져 커지려는 경고 링(800)의 경향에 반작용한다. 그러나 경고 링(800), 권선부(80), 및 지지 부재(40)의 강성들을 적절히 선택함으로써, 경고 링(800)이 원심력 하에서 반경 방향으로 지지 부재(40)로부터 떨어져 이동할 수 있는(커질 수 있는) 것을 보장하는 것이 가능하다. 다른 실시예들(도 10 및 도 11에 도시된 것과 같은)에서는, 경고 링(800)이 반경 방향으로 권선부(80)의 외부에서 지지 부재(40)의 외부에 압착된다.
도 8 내지 도 11에 도시된 실시예들에서는, 작동 시 플라이휠이 회전할 때에 지지 부재(40)가 커지는 것보다 더 큰 양만큼 경고 링(800)이 반경 방향으로 커져(원심력 하에서) 원심력이 충분한 크기에 도달하였을 때에 분리를 일으키도록 경고 링(800)이 지지 부재(40)보다 낮은 영률을 갖는다(강성이 덜하다). 권선부가 경고 링(800)의 둘레를 통과하는 도 8 및 도 9에 도시된 실시예들에서는, 권선부(80)와 경고 링(800)의 강성이 함께 충분히 낮아 플라이휠이 회전할 때에 지지 부재(40)가 커지는 것보다 더 많이 경고 링(800)과 권선부(80)가 커진다. 경고 링(800)은 지지 부재(40)에 비해 상대적으로 낮은 강도를 갖는 경량 링이기만 하면 되는데, 그것은 경고 링(800)이 질량 요소(10)를 실질적으로 지지하지 않기 때문이다.
경고 링의 확장은 경고 링(80)과 지지 부재(40) 사이의 초기하중을 늦추는 결과를 가져온다. 트리거 회전 속도 또는 원심력 크기(억지끼워맞춤 초기하중의 양 및 경고 링과 지지 부재의 상대 강성에 의해 미리 정해지는)에서, 초기하중이 극복되어 경고 링(800)과 지지 부재(40)가 적어도 부분적으로 분리된다. 그러한 분리는 예컨대 불균일하게 일어나기 쉬운데, 왜냐하면 억지끼워맞춤이 간섭 경계에서 불균일한 응력 분포를 가져 회전 질량체에서 중심을 벗어난 이동과 불균형을 일으키기 때문이다. 또한, 지지 부재(40)에 대한 경고 링(800)의 이동에 의해 경고 링(800)과 지지 부재(40) 사이의 불균일한 잔류 응력이 적어도 부분적으로 풀리게 된다. 그러한 이동에 의해, 플라이휠(제작 동안 미세하게 균형을 잡은)이 적어도 약간 균형을 잃게 된다. 잔류 응력이 풀림으로써 생긴 그러한 불균형은 영구적이고(즉, 이후에 적어도 플라이휠의 균형을 다시 잡는 단계를 수행하고, 선택적으로 균형을 다시 잡기 전에 불균일한 잔류 응력이 회복되어 초기 하중의 재극복 시에 플라이휠이 균형을 잃는 능력을 회복시키도록 경고 링을 제거하였다가 지지 부재에 재장착하는 단계를 수행함으로써, 플라이휠을 적어도 부분적으로 다시 제작하지 않는 한 불균형은 영구적임), 기계적 "퓨즈"가 트리거링되었다는 증거로 간주될 수 있다.
결과적으로 생긴 불균형은 플라이휠이 회전할 때에 진동을 일으키고, 그러한 진동은 진동 센서에 의해 검출되어 과도한 플라이휠 속도의 표시를 제공하는데, 그러한 표시는 예컨대 플라이휠 속도 센서로부터 도출된 임의의 표시와는 별개의 것이다. 적절한 진동 센서의 일례는 압전 가속도계이다. 따라서 메인 플라이휠 속도 센서가 오작동을 일으키더라도, 과도한 플라이휠 속도의 별개의 독립된 표시가 제공된다. 또한, 영구적인 표시는 플라이휠이 어떤 시점에서 그 설계 속도를 넘어 작동되었고 그에 따라 향후의 어떤 시점에서 고장을 일으킬지 모른다는 것을 보여주는 것으로 귀결된다.
도 10 및 도 11에 도시된 제2 실시예에서는, 경고 링이 권선부(80)의 외부를 통과하고, 그에 상응하게 그 강성이 동일한 작용을 제공하도록 선택된다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서는, 경고 링(800)이 반경 방향으로 지지 부재(40)의 내부에 억지끼워맞춤으로 장착된다. 본 실시예에서는 지지 부재(40)와 경고 링(800) 사이에 질량 요소(10)가 개재되지만, 다른 실시예들에서는 전술한 바와 같이 질량 요소(10)가 지지 부재(40)에 통합될 수 있거나, 질량 요소(10)와 지지 부재(40) 사이에 경고 링(800)이 개재될 수 있다. 그러한 또 다른 실시예들에서는, 경고 링(800)이 지지 부재(40)보다 높은 영률을 갖는다(강성이 더하다).
작동 시 플라이휠이 회전할 때, 지지 부재(40)는 경고 링(800)이 커지는 것보다 큰 양만큼 반경 방향으로 커진다(원심력 하에서). 전술한 실시예들에서와 유사하게, 원심력에 의해 경고 링(800)과 지지 부재(40) 사이의 초기하중이 극복되어 경고 링(800)이 이동할 수 있게 된다. 지지 부재(40) 내의 공간이 경고 링(800)의 외경보다 클 정도로 지지 부재(40)가 반경 방향으로 커질 경우, 경고 링(800)이 지지 부재(40) 내에서 중심을 벗어나 이동할 수 있고, 그에 따라 불균형이 일어난다. 또한, 불균일한 잔류 응력(경고 링을 지지 부재의 중심에 압입하는 제작 동안 압입맞춤 조립 작업으로부터 잔류하는)의 영향 하에서, 원심력에 의해 초기 하중이 극복될 때에 경고 링(800)이 지지 부재(40) 내에서 이동하게 됨으로써 플라이휠이 영구적으로 균형을 잃게 하고, 그에 의해 진동을 일으킨다. 전술한 바와 같이, 진동은 센서에 의해 검출되어 경고 지시로서 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 경고 링(800)이 구동력 전달 부재(예컨대 샤프트인)에 억지끼워맞춤으로 압입 장착되고, 그 결과 초기 하중이 걸리게 된다. 앞에서와 같이, 플라이휠은 미세하게 균형을 잡고 있다. 경고 링(800)은 샤프트(60)보다 강성이 덜하고, 플라이휠이 회전할 때에 샤프트가 커지는 것보다 더 많이 반경 방향으로 커진다. 미리 정해진 속도에서, 초기 하중이 극복되어 경고 링(800)이 샤프트 상에서 이동할 수 있게 되고, 그것은 기계적 고장 전에 검출될 수 있는 불균형을 일으킨다.
전술한 바와 같이 플라이휠 속도가 트리거 속도를 초과할 때에 의도적으로 불균형을 생성하여 그에 의해 발생하는 진동을 검출하는 것은 플라이휠이 그 최대 안전 작동 속도를 넘는 속도로 작동 중이거나 작동되었었다는 경고를 제공한다. 그러한 경고는 주 플라이휠 속도 감시 시스템과는 별개로 결정될 수 있고, 그에 따라 주 속도 감시 시스템이 고장을 일으킨 경우에 과도한 플라이휠 속도의 이중 안정적인 2차 표시를 제공한다. 과하중의 검출은 검출기에서 과하중을 의미하는 불균형의 레벨을 설정함으로써 또는 경고 링 또는 다른 림 구성 요소들 또는 그들의 임의의 조합의 특성들을 변경함으로써 트리거링될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러한 시스템은 경고 링의 전부 또는 일부가 탈착될 때에 또는 상대 이동/크기 변화가 검출 가능한 또는 임계치를 넘는 불균형을 생성하기에 충분할 경우에 과도한 속도를 지시하도록 교정될 수 있다.
경고 링(800)이 권선부(80)에 의해 에워싸이는 실시예들은 플라이휠이 트리거 속도보다 높은 속도로 작동되는 결과, 경고 링(800)이 지지 부재(40)로부터 느슨하게 풀어지고, 풀어진 경고 링(800)이 권선부(80) 내에 포함되어 경고 링(800)이 완전히 떼어지게 될 위험이 없다는 이점을 갖는다.
전술한 구성의 결과, 더 강력하고 더 안전하며 더 효율적인 플라이휠이 제공될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이제, 그러한 플라이휠의 균형을 잡는 방법을 설명하기로 한다. 도 15를 참조하면, 플라이휠(30)을 진공 체임버(1550)의 내부에 배치할 수 있다. 플라이휠을 진공 중에서 작동시키는 것은 그 저항(또는 "윈디지")과 관련된 마찰 손실/과열을 줄이기 때문에 유리하다. 플라이휠 림(50)은 그 제작 중에 플라이휠에서 수행되는 균형 잡는 작업 또는 플라이휠을 제작하는데 사용되는 방법들의 부적절성에 기인하여 불가피하게 표면 기복들을 갖는다. 전술한 바와 같이, 그러한 기복들은 플라이휠(30)의 불완전한 회전 균형을 일으키는 것으로 판명되었다.
도시된 실시예에서는, 플라이휠이 진공 체임버의 내부에서 회전할 수 있도록 진공 체임버(1550)에서 플라이휠을 베어링에 의해 지지한다. 진공 체임버는 대기압과 진공 체임버 내부의 압력 사이의 압력 차에 의해 가해지는 힘을 견딜 수 있는 밀봉된 체임버이다. 진공 체임버 벽의 두께는 체임버 내부의 진공에 대해 대기압을 지탱하는데 충분한 강도를 제공하기 족할 정도로 된다. 진공 체임버는 가스 입구(1520)와 가스 출구(1510) 중의 적어도 하나를 통합하고 있다. 선택적으로는, 가스 입구와 가스 출구가 단일의 포트로서 결합된다. 가스 입구와 가스 출구는 각각 진공 체임버의 내부와 연통한다.
커플링(1566, 1567)은 제1부재와 제2부재로 이뤄지고, 회전 가능한 구동 샤프트(1570)와 플라이휠 샤프트(60) 사이에 토크를 결합하도록 배치된다. 제1부재(1566)는 플라이휠 샤프트(60)에 결합되고, 제2부재(1567)는 구동 샤프트(1570)에 결합된다. 플라이휠 샤프트(60)는 베어링에 지지되고, 이미 전술한 바와 같은 수단에 의해 플라이휠 림(50)에 연결된다. 플라이휠 림(50)은 제작 중에 기계 가공, 드릴링, 또는 연마에 의해 미세하게 균형이 잡히는 것이 바람직한 복합재로 이뤄진다. 본 실시예에서의 플라이휠 림(50)은 전술한 바와 같이 원주 방향으로 감은 섬유 및 수지를 사용하여 제작된 복합체이다. 림은 플라이휠 샤프트(60)로부터 플라이휠 림(50)으로 토크가 전달될 수 있도록 반경 방향 섬유들에 의해 샤프트(60)에 결합된다.
구동 샤프트(1570)는 지공 체임버의 외부에서 베어링에 의해 지지되어 회전할 수 있다. 플라이휠 샤프트(60)와 구동 샤프트(1570)는 2개의 커플링 부재들(1566, 1567)이 그 사이에 배치된 진공 하우징(1550)의 벽에 밀접하게 근접하여 배치되도록 지지된다. 커플링 부재들은 커플링 부재들(1566, 1567)과 진공 체임버 벽(1550) 사이의 "공극"을 최소화하도록 배치된다. "공극"이란 용어는 일반적으로 2개의 커플링 부재들(1566, 1567) 사이의 전체 간극을 기술하는데 사용된다. 진공 체임버는 임의의 통상적 공지의 방식, 예컨대 주조, 기계 가공 등으로 제작될 수 있다.
도 16을 참조하면, 입구(1520)와 출구(1510)에 밸브(1610, 1620)가 통합되거나 그에 부착된다. 작동 시에, 밸브들은 선택적으로 진공 체임버(1550)의 내부를 대기압으로부터 밀봉하거나 진공 체임버(1550)의 내부와 대기압 사이의 연통을 허용하도록 개폐될 수 있다. 출구는 사용 중에 진공 펌프(미도시)에 연결될 수 있다.
사용 시에, 진공 체임버는 대기압에 있는 입구(1520)를 진공 체임버(1550)의 내부로부터 격리시키도록 입구 밸브(1620)를 닫음으로써 대기압으로부터 밀봉된다. 출구 밸브는 전형적으로 높거나 강한 진공을 생성할 수 있는 진공 펌프에 연결된다. 출구 밸브(1610)는 진공 펌프에 연결된 출구(1510)가 진공 체임버(1550)의 내부와 연통할 수 있도록 개방된다. 이어서, 진공 체임버(1550)가 강한 진공을 포함할 때까지 진공 펌프가 작동된다. 진공은 1mbar보다 좋은, 전형적으로 10-2mbar인 것이 바람직하다. 이어서, 구동 샤프트(1570)로부터 커플링(1566, 1567)을 통해 플라이휠 샤프트(60)에 토크를 인가함으로써 플라이휠(30)이 회전한다. 그것은 다시 플라이휠 림(50)을 회전시키게 된다. 플라이휠은 림(50)의 표면이 음속(마하 1)을 넘는 속도로 이동하도록 하는 속도로 회전한다. 플라이휠 표면 속도는 "팁 속도(tip speed)"라고도 지칭된다. 그러한 작업 전에, 전술한 바와 같이, 플라이휠은 연마, 드릴링, 또는 기계 가공과 같은 기계적 작업에 의해 실제적(비용 제약 내에서) 정도만큼 또는 적어도 플라이휠이 기계적 고장의 위험이 없는 속도로 회전할 수 있는데 필요한 만큼 균형을 잡았을 것이다.
다음으로, 플라이휠이 적어도 마하 1의 주위 속도로 회전하는 동안, 일정량의 가스가 진공 체임버에 들어갈 수 있도록 입구 밸브(1620)가 개방된다. 그러한 가스는 질소와 같은 비반응성 가스인 것이 바람직하고, 습기가 조립체에 도입되는 것을 피하기 위해 건조 가스, 즉 두드러진 양의 수증기를 함유하지 않은 가스인 것이 바람직하다. 가스가 순수한 공기 이외의 어떤 것이라면, 입구가 우선 그 가스의 적절한 공급원에 연결될 필요가 있다. 유입되는 가스의 양은 대체로 진공을 10-1mbar보다 상당히 높은 압력, 예컨대 0.5bar 정도의 압력으로 감소시키기 충분한 양으로 된다. 1bar에서 잘 작용한다. 가스 유입의 속도는 비임계적인 것으로 판명되었다.
진공 체임버(1550) 내로 가스가 유입될 때에, 표면 기복들(1630)과 진공 체임버(1550)의 벽 사이에서 가스 중에 충격파가 일어난다. 충격파 및 표면 기복들과 가스 사이의 마찰도 표면 기복들(1630)을 기화, 용융, 승화, 침식, 마모시켜 그 크기를 줄이도록 작용하고, 그럼으로써 이후에 기계 가공, 드릴링, 또는 연마만으로 얻을 수 있는 더 높은 균형도로 플라이휠(30)의 균형을 개선한다.
또한, 플라이휠은 통상적으로 최대 안전 작동 속도에 맞춰 설계된다. 제작 중에, 그러한 플라이휠은 설계된 최대 회전 속도를 견딘다는 것이 입증되어야 한다. 그것은 전형적으로 설계 속도에 2의 제곱근을 곱한 것과 같은 속도로 플라이휠을 회전시킴으로써 이뤄진다. 특히, 복합재 플라이휠 제작 타입에서는, 플라이휠이 그 속도에서 회전을 견뎌낸다면, 그 수명 기간 동안 설계 속도에서의 작동을 견뎌낼 수 있다는 것이 안전하게 보장될 수 있다. 그러한 입증 작업을 전술한 균형 잡는 작업과 조합하는 것이 더 바람직하다.
가스 유입 속도는 임계적인 것이 아닌 것으로 판명되었다. 가스 유입 후에, 플라이휠을 정지 시까지 감속시키되, 단 약 10 내지 60초, 전형적으로 15초 동안 적어도 마하 1의 팁 속도로 계속 회전시킨다. 그것은 플라이휠 림의 과열을 피하면서 표면 기복들을 제거하는데 충분할 만큼 긴 시간인 것으로 판명되었다. 플라이휠이 정지하게 될 때까지 걸리는 시간은 일 실시예에서 약 3분이었다. 가스 밀도는 진공 체임버의 전체에 걸쳐 균일화되지 않는다. 플라이휠 구성 요소들과 가스의 반응을 피하기 위해 비반응성 가스가 바람직하다. 플라이휠이 마하 1을 넘는 팁 속도로 회전하는 경우, 생성되는 초음파 충격파가 음속 이하의 플라이휠 속도를 사용하는 것보다 훨씬 더 좋은 균형 잡힘 효과를 일으킨다.
실시예들에서는 예를 들어 회전하는 밀봉부로 진공을 격리시킬 필요를 없게 하기 위하여 자성 커플링을 사용하는 것이 바람직하다. 도 17a는 두 회전축(60, 1570)을 결합하는 종래 기술의 커플링을 나타낸다. 각 축은 교번 자극 열을 포함하는 커플링 부재(1766, 1767)에 결합한다. 두 개의 열은 서로 가까이 배열되어 자속이 공극(되도록 작은 것이 좋음)을 통해 하나에서 다른 하나로 넘어갈 수 있게 된다. 따라서 토크는 한 축에서 다른 축으로 유용하게 전달될 수 있다.
이것이 플라이휠 응용에서 특히 유용한 이유는 두 커플링 부재(1766, 1767)가 토크의 전달을 위해 접촉할 필요가 없어지기 때문이다. 진공 체임버(1550)를 두 커플링 부재(1766, 1767) 사이에 둘 수 있어 진공 체임버(1550) 내 플라이휠(30)과 진공 체임버 밖의 구동축(1570) 사이에 토크의 결합을 가능하게 한다. 이렇게 하여 상술한 바와 같이 회전 밀봉부를 이용할 필요 없이 진공 체임버를 밀봉할 수 있다. 플라이휠을 진공 안에서 가동하는 것은 공기 저항("윈디지") 관련 손실을 피하기 때문에 유용하다. 따라서 플라이휠이 초음속으로 가동되는 경우 이 손실을 파하는 것은 더욱 중요해진다. 진공은 초음속 충격파 또는 공기와의 마찰로 인한 과열을 방지한다. 그러나 진공 체임버 벽두께가 커플링 부재(1766, 1767) 사이의 공극의 일부를 형성하기 때문에, 커플링 부재 하나에서 다른 하나로 자속이 넘어갈 수 있는 통과의 용이성이 감소되어 자속밀도가 감소되고, 토크 결합 능력도 결국 줄어든다. 다음 실시예들이 이 문제를 해결해준다.
도 17b를 참조하면, 커플링 부재(1730)가 커플링 부재(1766, 1767) 사이에 배치된다. 이 자성 커플링 부재(1730)는 높은 상대적 자기 투자율(400 초과)을 갖고 있어 동작시 자속이 그것을 쉽게 통과하여 제1부재(1766)의 극들(1710, 1720)에서 제2부재(1767)의 극들(1740, 1750)까지 그리고 그 반대로 진행한다. 이 커플링 부재는 자장에 "투명" 효과를 나타낸다. 커플링 부재(1730)는 예를 들어 연철 같이 높은 자기 투자율을 가진 소재로 된다. 또한, 커플링 부재(1730)는 유도 맴돌이 전류와 그와 연관된 저항 열상승에 의한 손실을 줄일 수 있도록, 가능한 높은 전기 저항을 가져야한다. 간단한 도시를 위해 단일 결합 부재(1730)를 나타내었으나, 제1 및 제2부재(1766, 1767) 사이에 몇 개의 커플링 부재들이 배치된다. 충분한 커플링 부재가 있어서, 설치간격이 최대인 커플링 부재들(1710, 1720, 1740, 1750)을 가진 부재(1766, 1767)에서 적어도 N-S극 두 쌍에 걸쳐있을 정도가 된다. 커플링 부재 사이 간격은 커플링 부재보다 훨씬 낮은 자기 투자율을 가진, 예를 들어 플라스틱 재료일 수 있다. 이와 같이 배열하면, 사용 시, 자속이 각 부재(1766, 1767)의 극들로부터 각 커플링 부재(1730)를 통해 결합함에 따라서 토크가 제1 및 제2부재(1766, 1767) 사이에 결합한다. 확실한 차이는 제1 및 제2부재가 역회전하는 도 17a와 반대로 도 17b의 부재들은 같은 방향으로 회전한다. 도 17b의 제1부재 및 제2부재 표면들은 실제에 있어서 서로에 대해 반대 방향으로 진행한다.
도 17b의 결합이 진공의 밀폐형 플라이휠 응용장치에 병합될 때, 커플링 부재(1730)는 진공 체임버(1550) 벽에 병합된다. 이것의 장점은 진공 체임버 벽두께가 제1 및 제2부재(1766, 1767)간 총 "공극"에 더해지지 않는다는 것이다. 총 "공극"의 구성은, 제1부재 자극들의 표면과 진공 체임버 벽 사이 간격, 더하기 진공 체임버 벽두께, 더하기 진공 체임버 벽과 제2부재 자극들 사이 공간, 빼기 커플링 부재의 두께와 같다. 따라서, 커플링 부재는 크게 총 공극을 상당히 줄인다. 더 작은 공극이 자속에 대한 저항을 더 작게 나타냄으로써 사용상 제1부재 및 제2부재들의 자극들 사이 자속 밀도를 더 크게 해주므로, 더 강력한 토크 커플링 능력을 발휘한다. 이는 종래의 장치에서 진공 체임버 벽을 통해 자성 커플링을 이용하는 것에 비하여 커다란 이점이다.
자극들(1710, 1720, 1740, 1750)은 주어진 자성재료 체적에 대해 높은 자장밀도를 보여주기 때문에 희토류 자석이다. 이 자석들은 보다 가볍고, 더 콤팩트하고, 큰 토크를 전달할 수 있다. 또한, 희토류 자석은 압축력에 대한 내압성능이 좋은 것으로 밝혀져서 고속으로 회전하는 플라이휠의 내측 원주에 배치하는 데 적합하다.
도 18a를 참조하면, 도 17b에 표시된 자성 커플링의 동심형 실시예를 볼 수 있다. 도 18a는 제1부재(1766)가 동심으로 제2부재(1767)의 외측에 있고, 진공 하우징(1550)이 그 둘 사이에 동심으로 위치된 것을 나타낸다. 도 18a는 횡단면으로 제1부재(1766)가 제2부재(1767)의 외측에 동심으로 있고, 그 중간에 동심으로 진공 하우징(1550)이 개재한 것을 보여준다. 커플링 부재들(1730)이 진공 하우징(1550)에 병합되어 있다. 이 동심형 실시예에서, 제1부재 및 제2부재는 역회전한다. 도 17b의 실시예와 공통적으로 이 부재들의 표면은 서로에 대해 반대 방향으로 이동한다.
제1부재와 제2부재 사이에서 진공 하우징의 원주를 따라 균등한 간격으로 분포하도록 필요한 커플링 부재의 개수는 제1부재(1766)의 N-S극 쌍의 수를 제2부재(1767)의 N-S극 쌍의 수에 더한 것과 같다. 커플링 부재는 진공 하우징의 원주 주변의 특정 지역에 국한될 수도 있고, 그 원주에 균등하게 분포할 수도 있다. 커플링 부재가 특정 지역에 국한되어있는 경우, 커플링 부재들(1730)이 마치 그 전체가 진공 체임버 벽을 따라 균등하게 분포한 것처럼 간격을 두되 일부 부재를 생략한 것과 같이 한다. 이상적인 위치선정은 커플링 부재들이 진공 체임버 벽 원주 주위에 대칭되게 하여 순힘(net force)이 초래되지 않게 하는 것이다. 필요한 커플링 부재의 최소 개수는 제1부재 또는 제2부재 가운데 자극 설치간격이 더 큰 쪽의 N-S극 쌍 두 개의 길이 만큼과 같다. 이 최소개수로 인하여 토크가 부재들 사이에 확실히 전달될 수 있고 제1부재 및 제2부재의 상대적 회전 방향이 분명히 규정된다.
지지철편(backing iron; 1890)은 제1부재 및 제2부재들의 각 하나의 상호 자극 쌍 사이에 자속이 잘 전달될 수 있게 커플링 부재들의 반대쪽을 향하는 자극 측면에 설치된다.
이러한 동심 자성 기어 커플링(magnetic gear coupling)은 표준 가공기술을 사용하고 도 17b에 나타낸 실시예에서 설명한 재료를 사용하여 구성될 수 있다.
제1 및 제2부재(1766, 1767)는 N-S극 쌍을 같은 수로 가질 수 있고, 그렇지 않고 다른 수로 가질 수도 있다. 도시된 실시예에서는 제2부재의 N-S극 쌍의 개수가 제1부재보다 적다. 동작시에, N-S극 쌍이 m개인 제1부재(1766)가 반시계방향으로 회전될 때 N-S극 쌍이 n개인 제2부재(1767)는 시계방향으로 회전한다. 제2부재는 제1부재의 회전속력에 n 나누기 m의 인수를 곱한 속력으로 회전한다. 도 18b는 자속(1880) 선들이 진공 체임버 벽(1550)에 내장된 커플링 부재들(1730)을 통해 제1부재 및 제2부재의 자극들 사이를 지나는 것을 보여준다.
도 19a 내지 도 19c는 제1부재 및 제2부재의 회전 순서를 세 위치를 통해 보여준다. 도 19a는 제1부재 및 제2부재의 자극들 사이의 자속선들이 제1위치에 있음을 나타낸다. 도 19b에서 상측 부재는 시계방향으로 약간 회전했고, 하측 부재는 반시계방향으로 약간 회전하여 있는 상태이다. 자속선들이 그에 따라 자리이동을 했는데, 특히 자속선(1880)이 길게 늘어나 있다. 도 19c는 회전이 진행되어 상측 부재는 시계방향으로 더 진행했고 하측 부재는 반시계방향으로 더 진행한 상태를 보여준다. 이제 자속선(1880)이 최대로 늘어나 끊어졌고 자속은 전환되어 이제는 가장 왼쪽의 커플링 부재(1895)를 통해 지나가면서 새로운 자속선(1890)을 형성한다. 자속선들이 이러한 방식으로 루트를 바꾸어가는 동안 제1부재에서 제2부재로 전달되는 토크는 자속 변화속도와 같다.
희토류 자석을 사용하는 추가적인 장점은 단위크기당 높은 자속 밀도에서 기인한 것으로서, 특히 이 실시예의 방법으로 이용할 때 현저해지며, 그 이유는 제1부재 또는 제2부재의 원주 둘레로 많은 수의 자극 쌍을 배열할 수 있어 자속 변화속도를 증가시킴으로써 토크 커플링 능력을 높일 수 있기 때문이다.
또한, 주어진 세기에 대해 비교적 작은 크기 때문에 많은 자석을 작은 크기로 내장할 수 있어서 제1부재의 자극 쌍 수와 제2부재의 자극 쌍 수 사이의 비율을 크게 하여 소형으로 높은 기어비를 발휘한다. 진공 체임버를 채용하는 플라이휠 응용장치에 이것이 특별한 장점을 갖는 이유는 구동축과 공기 중 운행하는 관련 구성부들이 저속으로 구동할 수 있어서, 윈디지 및 공기 저항과 관련한 손실을 감소시키는 측면이 있고 진공 체임버(1550) 내부의 플라이휠이 고속운행을 하도록 자성 커플링에 의해 연동되어 플라이휠의 에너지 축적밀도를 증가시키기 때문이다.
기존 시스템들은 기어박스를 이용해서 진동 체임버 내부 플라이휠이 고속회전하게 하면서 에너지원/싱크에 연결된 구동축은 느린 각속도로 공기 중에서 회전할 수 있게 한다. 그러나 기어 박스는 마찰 손실과, 에너지 저장시스템의 비용, 복잡성과 크기를 증가시키는 문제에 시달린다.
도 20이 나타내는 실시예의 플라이휠(30)은 림(질량 대부분을 포함; 50)을 가지고, 샤프트(60)에 장착되고, 제1부재(1766)에 결합되어 진공 체임버(1550)에 수용되고, 이 진공 체임버는 커플링 부재들(1730)을 병합하고 있다. 이 실시예에서 구동축(1570)은 제2부재(1767)에 결합된다. 구동축과 플라이휠 축은 베어링들(2010)에 지지된다. 제1 및 제2부재(1766, 1767) 각각에는 자극(1710, 1720, 1740, 1750)이 있다. 따라서, 플라이휠은 제1부재 및 제2부재 그리고 자극 들을 통해 플라이휠에 결합된 구동축에 의하여 진공에서 고속으로 구동될 수 있다. 제1부재 및 제2부재의 불일치한 자극 쌍 개수로 인하여 초래되는 연동(gearing) 효과로 인해 구동축은 공기 중에 가동되는 상태에서 저속 운행이 가능하므로 "윈디지" 즉 공기 저항 관련 손실을 더 적게 받는다.
또한, 커플링 부재들(1730)은 자극들간 공극을 줄이고 영구자석의 사용으로 제1부재 및 제2부재 간 고수준 토크의 결합을 가능하게 하여 예를 들어 전자석 사용의 경우라면 필요했을 에너지 변환 필요성을 없애준다. 커플링 부재들(1730)을 이용함으로써 더욱 효율적인 장치구성으로 더 제한적인 영구자석 자장세기라도 충분하므로 전자석이 필요 없어진다.
상기한 접근 방식에 따르면, 회전 밀봉부의 사용은 완전히 일소되고, 그럼으로써 진공 체임버(1550) 내부에 진공을 유지하기 위해 환경관리장치의 필요성을 없애준다. 진공 체임버 내부의 진공은 체임버의 완전 밀봉 때문에 무기한으로 지속할 수 있고, 여기에는 누설 가능성이 있는 회전 밀봉부도 사용하지 않는다. 관련된 환경관리장치(예를 들어 진공펌프, 윤활펌프, 관련 배관 및 시스템, 제어시스템/전자장치)를 제거하는 것은 나아가 플라이휠 저장시스템 무게와 크기를 줄이고 에너지 저장밀도를 증가시킨다. 또한, 이 한층 단순한 시스템의 신뢰성은 그만큼 향상되고 비용은 절감된다. 따라서, 고효율 플라이휠 에너지 저장장치가 제공된다.
커플링의 추가 장점은 과잉 토크 조건이 발생하면 그 기간에 커플링이 무해하게 슬립(slip)하고 나서, 그 후에 악영향 없이 정상 기능을 재개한다는 것이다. 또한, 언쇼(Enshaw)의 법칙에 따라, 비틀림 에너지만 커플링을 통해 전달되므로 커플링은 진동에 대하여 축상 및 방사상 격리를 제공한다. 대안적 실시예에서 커플링 부재들은 축의 구동을 받거나 축에 구동력을 주는 제3부재 안에 지지되어 추가의 기어비를 제공하게 할 수 있다.
회전 밀봉부를 제거한 것도 그러한 밀봉부의 상태 악화속도(회전속력의 증가에 따라 심화됨) 때문에 밀봉부가 있는 경우보다 더 고속으로 회전할 수 있도록 하여 에너지 저장 밀도를 더욱 높여준다. 밀봉 윤활액에서의 전단(회전 밀봉부의 필요한 기능)에 의한 기생 손실 역시 밀봉부의 제거에 의해 감소된다.
상술한 바와 같이, 도 17b를 참조하면, 자성 기어는 제1 및 제2부재(1766, 1767)의 회전중 맞물림 위치와 관련한 가변 토크 커플링 능력을 나타낼 수 있다. 이것은 제1 및 제2부재(1766, 1767)가 서로 지나쳐가는 동안 자속(도 19c에 도시)이 제1경로(1880)에서 제2경로(1890)로 전환되는 결과로 확인되었다. 자성 기어 커플링의 토크 커플링 능력이 변하는 다른 원인은 제1 및 제2부재(1766, 1767)가 서로 지나쳐가는 동안 자속 경로 길이들(도 19c 내지 도 19a의 순서로 도시)이 변하기 때문이다. 더 긴 자속 경로는 더 큰 자기저항(magnetic reluctance)을 겪게 되어 자속밀도 감소를 일으키고, 토크는 자속 변화속도에 비례하므로, 그 맞물림 각위치에서의 자성기어 토크 커플링 능력을 저하시킨다.
지금 도 26으로 넘어가면, 특정 실제 구현예에서 토크 커플링 능력 변동을 입력축의 각도에 대해 그래프에서 나타낸 곡선이 토크 커플링 능력의 큰 누락(대략 20Nm와 50Nm 사이)을 보여준다.
맞물림 각도와 관련한 토크 커플링 능력의 변동(또는 "코깅"(cogging)) 줄이기는 단일부재의 각 자극을 "분할부"(2110, 2111, 2112, 2113, 2120, 2121, 2122)로 나눔으로써 가능함을 발견하였다. 분할부들을 움직임의 방향으로 정렬하여 분할부 열들을 형성한다. 도 21과 같이 분할부 열들은 운동의 방향에 직교하는 축을 따라 나란히 정렬된다. 각 분할부 열은 다른 분할부 열에 대하여 운동의 방향으로 오프셋을 가져서 일정 범위를 커버하는 상대위치들이 생성된다. 이 상대위치 범위가 커버하는 거리는 적어도 최대폭의 자극 간격을 갖는 부재 N-S극 쌍 하나의 거리와 대략 같다. 분할부 열들의 상대위치들이 일정 상대위치 범위로 펼쳐(또는 "엇갈림" 상태로) 있어, 분할부의 열 각각의 어느 자극이 제각기 커플링 부재와 완전히 동시에 정렬되면서 다른 부재의 자극과도 정렬되는 것은 불가능하므로 "완전 정렬"이 방지된다. 따라서, 부재 하나 또는 둘 모두의 자극들을 분할하고 엇갈림 상태로 하는 것 또는 커플링 부재를 분할하고 각 커플링 부재 분할부의 위치를 엇갈리게 하는 것에 의해, 부재들 또는 커플링 부재들의 완전 정렬을 방지할 수 있다.
도 21에 나타낸 실시예에서는, 제1부재(1766)에 4개의 분할부 열이 있다. 이 구성은 완전 정렬을 방지하는 것으로서, 그 결과에 따르면, 다시 도 19a 내지 도 19c를 참조했을 때, 자속선(1880, 1890)의 일 커플링 부재와 타 커플링 부재 간 전환이 일어나는 위치(이 실시예에서는 각위치) 또는 일 분할 자극과 타 분할 자극 간 전환 위치가 각 분할부 열마다 다르게 된다. 만일, 도 21의 실시예에서와 같이, 4개의 분할부 열이 있고, 그 분할부 열들이 운동 방향으로 오프셋되어 자극들과 커플링 부재들의 완전 정렬을 방지하도록 되었다면(이 실시예와 같이 회전상 오프셋), 작은 움직임(본 발명 이외의 경우 완전 정렬을 거치면서 전체 자장에서 전환을 유발함)에 대해 자속의 단 일부분만(이 실시예에서는 4분의 1) 전환을 보여주는 결과에 이르게 된다. 그러나 이 실시예에서는 조립체의 특정 운동거리(예를 들어, 완전 1회전)에 대해 상기 전환의 4배수가 있게 된다. 따라서 그만큼의 운동에 대한 토크 전환은 총량에서 같지만, 더욱 연속으로 발현되어 낮은 "코깅"의 결과를 가져온다. 명확함을 위해서 도 17b에는 단 하나의 커플링 부재를 도시하였다. 도 21에 나타낸 것과 같이, 이 커플링 부재도 커플링 부분들(2130 내지 2133)로 분할될 수 있다. 이런 방식으로 커플링 부재를 분할하면 부재들의 분할부 열들이 상호작용하는 것이 적어지지만 "코깅" 감소를 달성하는 데 필요하지는 않다.
이제 도 22를 참조하면, 본 발명의 유성기어 실시예를 보여주는데, 이번에는 제1부재가 있고 거기에 제1열의 자극이 (쌍으로) 운동의 방향으로 배열된다. 커플링 부재(2130)와 같은 것들이 제1부재(회전 가능)와 제2부재(회전 가능) 사이에 동심으로 배열된다. 또한, 커플링 부재는 다수의 커플링 부분으로(다시, 이 실시예에서 분할되어 3개 부분으로) 분할된다. 명확성을 위해 커플링 부재가 하나만 있는 것처럼 도시하였지만 다수의 커플링 부재를 이용해서 제1부재 주위로 동심인 원통을 형성한다. 제2부재는 제1부재 및 커플링 부재들의 외부에 동심으로 배치된다. 제2부재는 그 안쪽 둘레에 제2열의 자극이 N-S극 쌍으로 운동의 방향으로 배열된다. 제2열의 자극들은 다수의 분할부 열로(이 실시예에서 분할되어 3개 열로) 분할되고, 회전축(운동방향에 직교)을 따라 옆으로 나란히 배열된다. 사용 시에 제1부재 및 제2부재는 역방향 회전한다. 한 부재가 회전하면, 자속이 제1열의 자극들과 제2열의 자극들 사이를, 커플링 부재를 통해 이어주고, 다른 부재는 역회전하도록 되고 이것의 역으로도 동작한다.
또한, 도 21 및 도 22에서 분명히 알 수 있듯이, 제1 및 제2자극 열들을 그 축(상대 운동의 방향에 직교하는 축) 길이를 따라 분할(분할부 열로)하는 것, 및 각 분할부 열의 운동 방향으로 오프셋을 주는 것 말고 또는 뿐만 아니라 각 커플링 부재(2130)를 선택적, 대안적 또는 추가적으로 도면에서처럼 그 축 길이를 따라 커플링 부분(2130, 2131, 2132)으로 분할될 수 있고, 그에 따라 이 커플링 부분들에 오프셋도 줄 수 있다. 이러한 특징 하나 또는 특징들의 조합은 도 19c와 같은 자속의 일 경로와 타 경로 간 전환 발생위치를 다변화하도록 병합될 수 있다. 이 방안에 이름을 붙이면 자극의 엇갈림 또는 커플링 부재의 엇갈림이라고 할 수 있다. 자극 또는 커플링 부재의 엇갈림은 위치에 대하여 그려(plotting) 보았을 때 토크 커플링 능력의 변동을 줄이는 결과를 얻게 된다. 이를 도 26에 나타낸 곡선은 더욱 작은 토크 커플링 변동을 보여준다(25 에서 35Nm까지 부근). 이것은 종래 자성 기어 커플링 구성으로부터의 성능 향상을 표시하는데, 그 이유를 설명하면 다음과 같다.
이 개량 자성 기어의 최소 토크 커플링 능력은 도 26과 같이 25Nm보다 크고 그 밑으로 떨어지지 않는다. (반면, 선행 기술의 자성 기어 토크 커플링 능력은 어떤 맞물림 각위치들에서 20Nm에 미달하는 수치로 떨어진다.) 따라서, 주어진 설계 토크 능력에 대해서, 이 개량 자성 기어에 이용되는 자석들의 크기는 그만큼 줄어들 수 있고 그러면서도 그 토크 커플링 능력을 보여준다. 이로써, 토크 커플링 능력 변동을 줄인 것이 그에 상당하게 진보된 자성 기어를 더 작으면서 가볍고 저렴한 자석과 함께 설계할 수 있게 해준다.
여기에서 설명하는 개량 자성 기어의 추가 장점은 토크 커플링 능력에 변동이 적으므로, 사용 시에, 토크가 이 개량 자성 기어 커플링에 적용될 때, 최종적인 각 오프셋(angular offset) 또는 "미끄럼(slippage)"(가해진 토크 및 토크 커플링 능력에 비례함)이 선행기술의 자성 기어 커플링에서 나타나는 것보다 더욱 일정함을 유지한다는 것이다. 따라서, 이 변동으로 초래하는 비틀림 진동은 감소된다. 이렇게 작은 비틀림 진동은 심각한 공진을 유발할 가능성이 낮고 그로 인한 구성부 손상, 구성부 강성을 높여야 하는 데 따른 관련 비용의 우려, 또는 커플링의 미끄러져 맞물림 상실 및 정렬 상실 같은 문제가 없게 된다.
다른 실시예를 도 23에 나타내었는데, 여기서 커플링 부재(2330)는 제1부재 및 제2부재들의 운동방향에 직교하는 축 방향으로(이 실시예에서, 제1부재 및 제2부재의 회전 축 방향으로) 사인 곡선적 경로를 따라 있어서 제1부재 및 제2부재의 운동 방향에서의 그 위치가 그 축을 따라 변하게 된다. 이 커플링 부재의 모양은 양단 사이에서 그 축을 따라 대칭이어서 발생하는 축방향 힘들에 균형을 잡아 결국 상쇄하여 준다. 따라서, 도 19c에 나타낸 자속선이 위치 전환하는 위치가 축방향과 함께 변화한다. 다시 언급하지만, 도면의 명확성을 위해서 커플링 부재(2330)를 하나만 도시하였다. 그러나 앞서 설명한 것과 같이 보통 다수의 커플링 부재를 이용하게 된다.
또한, 도 18a 내지 도 23은 일반적으로 회전형 실시예를 보여주고, 제1부재 및 제2부재가 서로 나란히 옆으로 배치되거나 서로 동축인 것으로 하였지만, 도 24에서와 같이, 제1부재 및 제2부재가 연장선상 정렬(end-on alignment)로 되는 것도 가능하다. 이러한 연장선상 실시예에서, 커플링 부재(2430)는 곡선형이거나 부분들(2431 내지 2436)로 분할되면서 엇갈림 배치로 되고, 커플링 부재 또는 제1부재 및 제2부재의 자극들도 분할하되 이번에는 회전축을 따라 분할하는 대신 반경 방향으로 분할할 수 있다.
도 22 및 도 23을 더 참조하면, 제1 및 제2부재(1766, 1767) 중 하나 또는 둘 다 말린 형태를 열어서 평면을 형성할 수 있다. 그러한 실시예는 랙과 피니언에 유사하거나 한 쌍의 트랙이 겹쳐 서로 위아래로 미끄러지며 커플링 부재를 중간에 개재하는 구성이 될 수 있다. 그러한 실시예들에서는, 제1부재 또는 제2부재나 커플링 부재들이 운동의 방향에 직교하고 두 부재 간 표면에 나란한 방향으로 엇갈림 배치된다.
도 25는 상세한 실시예의 단면도로서, 자극들(1740)이 원주를 따른 배열로 설치되어 있는 제2부재(1767)에 구동축(1570)이 결합된 것을 나타낸다. 제2부재의 자극들(1740)은 회전축(회전방향에 직교)에 나란한 방향으로 분할되어 다수의 분할부(이 실시예에서 8개)로 된다. 그 결과, 분할 자극들의 다수 분할부 열들이 제2부재에 배열된다. 이 실시예에 있는 8개의 분할부 열은 각각 제2부재의 원주 둘레를 따라 배열되고, 각 분할부 열은 회전축을 따라 서로 옆으로 나란히 위치한다. 각 분할부 열은 서로에 대하여 위치상 오프셋 상태이다. 이 실시예에서, 각 분할부 열은 상대방에 대해 약간 회전하도록 되어 부재의 N-S극 쌍들 간의 거리와 적어도 동일한 각도 범위에 걸쳐 존재한다. 지지철편(backing iron pieces; 2580)들은 제2부재(1767)와 분할 자극들(1740) 사이에 동축으로 배치된다.
제2부재와 그 자극 열들 외측에 동축으로 있는 것은 진공 체임버(1550)의 벽이고 진공 체임버 역시 장치의 축방향 단부들 둘레로 펼쳐져 환형 형상을 이루고, 그 내부 원주벽 안에 커플링 부재들(2130, 2131)을 병합하고 있다. 이렇게 하면 플라이휠의 외장처리(packaging)가 매우 효율적으로 되고, 제조 및 밀봉이 용이하게 된다. 커플링 부재들은 제1부재 및 제2부재 사이에 동심으로 위치되고 원통형으로 배열되어 제 2 부재 둘레에 동축으로 또한 제 1 부재 내부에 위치한다. 또한, 커플링 부재들 각각은 그 축방향 길이를 따라 분할되어 커플링 부재당 다수의 커플링 부분들(이 실시예에서는 커플링 부분당 8개 커플링 부분)을 형성한다. 따라서, 커플링 부재들로 구성된 원통은 링으로 분할되고 각 링은 바람직하게 다른 링으로부터 오프셋 관계로 된다(이 실시예에서는 회전방향 오프셋). 대안적으로, 커플링 부재들은 분할되는 대신, 진공 체임버 내벽의 원통 안에 정착상태로 두되, 운동의 방향으로 원통의 길이를 가로지르며 위치변화를 가져서 예를 들면 V형(chevron) 또는 사인파형을 그릴 수 있다.
더욱 바깥쪽에서 동축으로, 제1부재(1766)의 자극들(2110, 2111)은 복합재 플라이휠 림(50)의 내부에 지지되고 림과 자극들 사이에는 지지철편(2590)들이 개재된다. 다시금, 제1부재의 자극들(2110, 2111) 각각은 장치의 축방향을 따라 자극 당 다수의 분할 자극(이 실시예에서 8개)으로 분할된다. 분할 자극들은 림(50)의 내면 둘레에 배치되어 분할부 열(이 실시예에서 8개)을 형성한다. 제1 및 제2부재(1766, 1767)는 베어링(2010)에 지지되어 회전할 수 있다. 따라서 제1부재는 진공 체임버(1550) 안에서 회전할 수 있고, 제2부재는 진공 체임버 내부이면서 진공 외(가령 공기 중)에서 동축으로 회전 가능하며 진공 체임버 벽(1550)에 의해 제1부재로부터 격리된다.
사용 시에, 진공 체임버는 경진공(hard vacuum)을 포함하는 것이 바람직하다. 도시되지 않았지만, 제1부재 및 제2부재는 그것들 둘레에 방사상으로 배열된 N-S극 쌍들을 서로 다른 개수로 가지고 있어서, 양측간에 기어비가 생기도록 한다. 사용 시에, 이렇게 함으로써 제2부재(1767; 공기 중 동작)의 회전이 진공 중 동작되는 제1부재(1766)보다 상대적으로 낮은 속도가 될 수 있도록 한다. 따라서, 제2 부재가 회전할 때의 공기 저항(또는 윈디지)과 관련한 손실이 감소된다. 또한, 플라이휠을 진공으로 수용함으로써 제1부재와 플라이휠 구성부들을 초음속으로 이용하는 것이 초음속 충격 및 마찰 과열이 없음으로 인하여 가능해진다.
진공 체임버(1550)에는 회전 밀봉부가 전혀 없으며, 따라서 누설(회전 밀봉부의 사용시 불가피하고, 고속 회전에서는 더 심해짐)이 없는 완전 밀봉이 가능하여 진공을 유지와 관련된 장비, 예를 들어 진공 펌프, 제어 전자장치, 배관 등이 필요 없게 된다. 또한, 회전 밀봉부를 제거하는 것으로 플라이휠의 회전을 더욱 고속으로 하고, 공기 저항(drag)의 제거로 인한 손실 감소를 가져올 수 있다. 따라서, 플라이휠의 에너지 저장밀도가 증가되고 그러한 플라이휠의 관련 비용이 절감된다. 또한, 신뢰성 향상이 이 구성의 높은 단순화와 사용 중 마모하는(그리고 고속 회전 시 특히 빠르게 마모하는) 회전 밀봉부를 제거함으로써 가능해진다.
또한, 상술한 것과 같이, 이 실시예에 병합된 "코깅 방지(anti-cogging)" 기능으로 더 작은 영구자석을 사용할 수 있도록(최소 토크 커플링 능력이 평균 토크 커플링 능력에 더 근접하게 한 것으로 인해) 하면서 낮은 비용 및 무게가 장점으로 더해져 플라이휠의 에너지 저장밀도가 증가된다. 많은 수의 N-S극 쌍이 주어진 크기의 플라이휠에 패킹될 수 있기 때문에 보다 작은 자석들도 더 높은 기어비를 이룰 수 있게 된다. 본 발명 장치의 공기 역학적 측면에서, 이 더 높은 기어비가 공기 저항 또는 윈디지 관련 손실을 더욱 작게 하여 플라이휠의 효율 및 그 에너지 저장밀도를 한층 높여준다. 앞서 설명한 코깅 방지 기능의 추가적 장점으로는 잡음 진동 및 거친 환경 내성 면에서의 향상과 위와 같은 특징들에 의해 제공되는 비틀림 진동 감축으로 인한 구성부 수명의 연장이 있다. 이에 따라 구성부의 설계상 명세를 더 저렴한 재료 또는 더 적은 재료가 이용되는 방향으로 재구성해서 비용 또는 무게를 유리하게 가져갈 수 있다. 비틀림 진동에 대응할 필요가 없으면서 가공 또는 처리가 쉬운 재료의 사용으로 생산효율이 더해질 수 있다.
분명한 것은 설명한 특징의 결과로 강성, 안전성, 경량성, 효율성이 더해지고 더 효과적인 에너지 저장용 플라이휠을 제공할 수 있다는 것이다.
10: 질량 요소 20: 중심 회전축
30: 플라이휠 40: 지지 부재
50: 림 60: 샤프트
70: 캐리어 부분 80,87,90: 권선부
800: 경고 링

Claims (17)

  1. 비교적 고밀도의 외측 림을 가진 플라이휠의 평형방법으로서,
    가스 유입(gas admission)수단을 가지고 적어도 부분적 진공을 포함하는 진공 체임버 안에서 상기 플라이휠을 회전시키는 단계; 및
    상기 가스 유입수단을 제어하여 상기 플라이휠이 여전히 회전하는 동안 상기 진공 체임버 안으로 소정량의 가스 유입을 허용하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라이휠의 림은 복합재 림인 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라이휠은 표면상 불균일 부분들을 가진 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 림의 표면이 음속과 실질적으로 같은 속력 또는 초음속으로 운동하도록 상기 플라이휠이 회전하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  5. 제4항에 있어서,
    열이 재료 상태 변화를 일으키는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스의 유입 시에 초음파 충격파가 상기 표면상 불균일 부분들과 상기 진공 체임버의 벽 사이에 상기 가스가 존재하게 하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진공 체임버의 벽과 상기 플라이휠의 림 사이 간격이 좁고, 바람직하기에는 약 10mm인 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스는 불활성이고, 바람직하기에는 질소인 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라이휠은 먼저 기존 방법들에 의하여 평형상태가 되는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진공이 1mbar의 압력보다 우수한 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유입의 허용 시에 압력 변화가 상기 진공 체임버의 압력을 약 0.5 bar 보다 높게 할 만큼 충분한 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 속력은 상기 플리이휠의 내측 부분들이 아음속으로 진행하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스가 유입된 후 상기 플라이휠은 회전을 계속하되, 상기 림의 표면이 음속보다 빠르거나 실질적으로 같은 림 표면 속력으로 소정의 기간 동안 회전하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기간은 약 10초와 60초 사이인 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    유입된 상기 가스는 무시할 수 있는 양의 수증기만을 함유하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형방법.
  16. 비교적 고밀도의 외측 림을 가진 유형의 플라이휠의 평형장치로서,
    상기 플라이휠을 회전 가능하게 장착하는 수단을 가진 진공 체임버;
    상기 플라이휠이 소정 회전속력으로 회전하게 하되, 상기 소정 회전속력에 의하여 상기 플라이휠의 림의 표면이 음속과 실질적으로 같은 속력 또는 초음속으로 운동하도록 상기 플라이휠을 회전시키는 구동수단; 및
    상기 진공 체임버 내 진공의 보존(confinement)의 제어와 함께 상기 플라이휠이 여전히 회전하는 동안 상기 진공 체임버 안으로 소정량의 가스 유입을 가능하게 하는 밸브수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 평형장치.
  17. 도면들을 참조로 설명한 것과 실질적으로 동일한 방법 또는 장치.
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