KR20130032607A - 자기부상 베어링 및 볼 베어링 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치 - Google Patents

자기부상 베어링 및 볼 베어링 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치 Download PDF

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KR20130032607A
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박병철
한상철
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한국전력공사
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Abstract

플라이휠 에너지 저장 장치가 제공된다. 플라이휠 에너지 저장 장치는, 회전에 의한 회전 운동 에너지를 저장하는 플라이휠, 상기 플라이휠의 중심에 관통되어 결합하는 회전축, 상기 회전축에 의해 상기 플라이휠의 상부에 이격되게 결합되는 스러스트 디스크 및 상기 회전축의 양단 및 상기 스러스트 디스크의 상하에 결합되는 베어링을 포함하며, 상기 베어링은, 상기 스러스트 디스크의 상하면에 대향되게 결합하는 축방향 자기부상 베어링, 상기 회전축의 상단에 결합하는 상부 반경방향 볼 베어링 및 상기 회전축의 하단에 결합하는 하부 반경방향 볼 베어링을 포함한다.

Description

자기부상 베어링 및 볼 베어링 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치 {Magnetic bearing and ball bearing combined type flywheel energy storage device}
본 발명은 자기부상 베어링 및 볼 베어링 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
종래에는 플라이휠 에너지 저장 장치에 적용되는 베어링 기술로서 볼 베어링 기술이 있다. 이와 같은 볼 베어링 플라이휠 에너지 저장 장치는 축방향 베어링 및 반경방향 베어링이 모두 볼 베어링으로 구성되어 있다. 플라이휠 에너지 저장 장치는 회전축의 방향이 중력 방향과 일치하게 설치되는 수직형을 일반적으로 사용하기 때문에, 플라이휠 회전축의 자중이 축방향 볼 베어링에 집중하게 되어 축방향 하중이 베어링의 최고회전속도를 낮추게 하며, 베어링의 수명을 단축시키게 된다. 이때, 플라이휠의 회전 속도의 제곱에 비례하여 에너지 저장 용량이 결정되기 때문에, 볼 베어링으로만 구성된 플라이휠은 에너지 저장 용량이 적게 된다.
또한, 종래의 플라이휠 에너지 저장 장치에 적용되는 베어링 기술로는 자기부상 베어링이 있다. 자기부상 베어링의 경우, 볼 베어링과 같은 기계식 베어링에 비해 기계적인 접촉 없이 회전축이 진공에 부양한 상태에서 회전하는 기술이다. 따라서, 자기부상 베어링의 경우, 회전시에 마찰 손실이 없고, 높은 회전 속도에서 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
하지만, 대용량의 에너지를 저장하는 플라이휠 에너지 저장 장치의 경우, 회전축의 무게가 일반적인 고속 회전기의 회전축에 비해 크고, 따라서 축 관성 모멘트가 훨씬 크기 때문에, 회전축이 고속으로 운전할 때 자이로스코픽 효과(gyroscopic effect)에 의한 반경방향 자기부상 베어링의 회전 안정도가 저하되는 단점이 있다.
이와 같은 축 관성 모멘트를 낮추기 위해 일반적으로 플라이휠의 지름을 작게하여, 도 1의 (a)와 같이 플라이휠(20)의 지름이 길고 회전축(10)이 짧은 디스크형 대신, 도 1의 (b)와 같이 플라이휠(40)의 지름이 짧고 회전축(30)이 긴 실린더형을 사용한다. 실린더형의 플라이휠(40)을 사용하면 회전축(30) 질량 대비 축 관성 모멘트의 비율이 줄어들어 에너지 저장밀도가 줄어들게 되며, 회전축(30)이 길어지게 됨에 따라 회전축 굽힘 모드가 낮은 주파수에서 발생하게 되어 최고회전속도가 줄어들게 되어서 에너지 저장 용량이 줄어들게 된다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2010-0046917호에는 "에너지 저장장치의 플라이휠 구조"에 관해 개시되어 있다. 한국공개특허 제2010-0046917호의 발명은 에너지 저장장치의 플라이휠 구조에 관한 것으로, 특히 플라이휠의 로터 또는 상·하면에 상·하부 쓰러스트 칼라가 각각 설치되어 있어 쓰러스트 칼라를 포함한 모든 부품을 조립 완료한 상태에서 발란싱을 완전히 마치고 시스템을 조립할 수 있어 안정적인 운전이 가능하고, 또한 무게중심을 기준으로 위·아래에서 축방향 변위를 제어하게 되어 효과적으로 진동을 제어할 수 있도록 된 에너지 저장장치에 관해 기재되어 있다.
한국공개특허 제2010-0046917호, "에너지 저장장치의 플라이휠 구조"
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 자기부상 베어링 및 볼 베어링을 조합하여 베어링 시스템을 구성하는 플라이휠 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치는, 회전에 의한 회전 운동 에너지를 저장하는 플라이휠, 상기 플라이휠의 중심에 관통되어 결합하는 회전축, 상기 회전축에 의해 상기 플라이휠의 상부에 이격되게 결합되는 스러스트 디스크 및 상기 회전축의 양단 및 상기 스러스트 디스크의 상하에 결합되는 베어링을 포함하며, 상기 베어링은, 상기 스러스트 디스크의 상하면에 대향되게 결합하는 축방향 자기부상 베어링, 상기 회전축의 상단에 결합하는 상부 반경방향 볼 베어링 및 상기 회전축의 하단에 결합하는 하부 반경방향 볼 베어링을 포함한다.
여기서, 상기 축방향 자기부상 베어링은, 상기 스러스트 디스크의 상면에 장착되는 상부 축방향 자기부상 베어링 및 상기 스러스트 디스크의 하면에 상기 상부 축방향 자기부상 베어링과 대향되도록 장착되는 하부 축방향 자기부상 베어링을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 상부 축방향 자기부상 베어링은 영구자석에 의해 부양력을 발생시킬 수 있다.
여기서, 상기 상부 반경방향 볼 베어링 및 하부 반경방향 볼 베어링은 앵귤러 콘택트 볼 베어링(Angular-contact ball bearing)인 것일 수 있다.
여기서, 상기 하부 반경방향 볼 베어링의 외경 부분에 축방향 자기부상을 위한 공기 간극이 형성되는 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 자기부상 베어링 및 볼 베어링 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 베어링의 교체 수명을 늘리고 플라이휠 에너지 저장 용량을 늘릴 수 있다.
도 1은 디스크형 플라이휠 및 실린더형 플라이휠을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석을 이용한 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
상기의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치는 자기부상 베어링 및 볼 베어링을 조합하여 베어링 시스템을 구성한다. 이때, 축방향 베어링은 자기부상 베어링을 사용하며, 반경방향 베어링은 볼 베어링을 사용함으로써, 두 베어링의 장점을 이용하는 것이 가능하다. 축방향 베어링으로 자기부상 베어링을 사용함으로써 회전축의 정 하중에 해당하는 회전축의 자중을 지지하고, 축방향 베어링에 부가되는 하중을 최소화 시켜서 최고회전속도를 상승시킬 수 있다. 또한, 반경방향 베어링으로 볼 베어링을 사용함으로써 회전축의 자이로스코픽 효과(Gyroscopic effect)를 견딜 수 있게 함에 따라 디스크형 플라이휠의 적용이 가능하며, 에너지 저장 밀도가 상승하게 되는 효과가 발생한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플라이휠 에너지 저장 장치(100)는 회전축(110)과, 회전축(110)을 중심으로 회전하는 플라이휠(120), 회전축(110)에 결합된 스러스트 디스크(130), 전동발전기(140), 상부 반경방향 베어링(150), 상부 축방향 베어링(160), 하부 축방향 베어링(170), 하부 반경방향 베어링(180) 및 비접촉 위치센서(190)를 포함한다.
플라이휠 에너지 저장 장치(100)의 경우, 반경방향에 해당하는 상부 X, Y 및 하부 X, Y에 대한 지지 베어링 역할을 수행하는 상부 반경방향 베어링(150) 및 하부 반경방향 베어링(180)은 볼 베어링으로 구성되며, 축방향(Z 방향)에 대한 지지 베어링 역할을 수행하는 상부 축방향 베어링(160) 및 하부 축방향 베어링(170)은 자기부상 베어링으로 구성된다.
종래의 축방향 베어링을 볼 베어링을 사용하는 경우, 플라이휠의 자중에 대해 하부 축방향 볼베어링이 모두 부담하기 때문에, 에너지 저장량을 증가시키기 위해 플라이휠의 회전 속도를 상승시키는 것이 곤란했으며, 또한, 지속적으로 하부 축방향 볼베어링에 하중이 부가되기 때문에 베어링의 교체주기가 짧아지는 단점이 있었다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치(100)는 축방향 베어링을 자기부상 베어링(160, 170)으로 구성하여, 베어링의 교체 주기를 연장시키고, 하부 축방향 베어링에 하중이 전가되는 것을 억제할 수 있다.
자기부상 베어링은 전자석 구동기, 비접촉 위치센서(190), 전류 증폭기 및 디지털 제어기로 구성되는 궤환제어 시스템이며, 회전축의 위치 변화가 있어야만 자기부상 제어가 가능하다. 플라이휠 에너지 저장 장치(100)는 축방향(Z 방향)으로 위치 변화를 만들어주기 위해 상부/하부 반경방향 볼베어링(110, 120)으로 축방향에 대해 회전축을 구속하지 않으며, 상부/하부 반경방향 볼베어링(110, 120)은 반경방향에 대해서만 지지하고 축방향에 대해서는 상하부 축방향 공기간극(155, 185)을 삽입하여 볼 베어링인 상부 반경방향 베어링(150) 및 하부 반경방향 베어링(180)이 축방향에 대해 부하를 받지 않도록 구성하였다. 즉, 상부/하부 축방향 자기부상 베어링(160, 170)에서 스러스트 디스크(130)에 가하는 제어력에 따라 회전축이 축방향으로 원활히 움직일 수 있는 구조를 가지고 있다.
상부/하부 반경방향 베어링(150, 180)은 정상 운전시에는 반경방향을 지지하는 역할을 수행하며, 만일 상부/하부 축방향 베어링(160, 170)이 정전 등으로 인해 정상 동작하지 않는 경우에는 축방향 베어링에 대한 백업 베어링의 역할도 동시에 수행할 필요가 있다. 이를 위해, 상부/하부 반경방향 베어링(150, 180)을 앵귤러 콘택트 볼 베어링(Angular-contact ball bearing)을 이용하여 구성하는 것이 가능하다.
상하부 반경방향을 지지하는 역할을 하는 볼 베어링인 상부/하부 반경방향 베어링(150, 180)의 정격회전속도는 동일 직경의 자기부상 베어링인 상부/하부 축방향 베어링(160, 170)의 정격회전속도보다 느리기 때문에, 볼 베어링의 최고회전속도를 높이기 위해 볼 베어링의 내경 크기가 작은 것을 적용할 수 있도록 상부/하부 반경방향 베어링(150, 180)이 접촉되는 회전축(110)의 부위를 다른 부위보다 직경을 작게 할 수 있다. 또한, 동일 베어링 내경에서 회전속도가 높은 세라믹 볼 베어링을 적용하여, 정격 회전속도를 더욱 높여서 에너지 저장용량을 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 플라이휠 에너지 저장 장치(200)는 도 2의 플라이휠 에너지 저장 장치(100)와 동일하게 회전축(210), 회전축(210)을 중심으로 회전하는 플라이휠(220), 회전축(210)에 결합된 스러스트 디스크(230), 전동발전기(240), 상부 반경방향 베어링(250), 상부 축방향 베어링(260), 하부 축방향 베어링(270), 하부 반경방향 베어링(280) 및 비접촉 위치센서(290)를 포함할 수 있다.
이 경우, 플라이휠 에너지 저장 장치(200)는 상부 축방향 베어링(260)에서 영구 자석을 사용하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 영구 자석이 자기부상 베어링인 상부 축방향 베어링(260)에 부착되면, 플라이휠(220)이 자중에 해당되는 양 만큼의 전류를 인가하지 않아도 되기 때문에 상부 축방향 베어링(260)에 인가되는 전력량을 최소화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 플라이휠 에너지 저장 장치(300)는 도 3의 플라이휠 에너지 저장 장치(200)와 마찬가지로 상부 축방향 베어링(260)에서 영구 자석을 사용하도록 구성된다.
이 경우, 플라이휠 에너지 저장 장치(300)는 볼 베어링인 상부/하부 반경방향 베어링(350, 380)의 공기간극(도 2의 255, 285에 해당하는 부분)을 제거하여 축 방향 틈새가 없는 형태로 구성될 수 있다. 이와 같은 구성에서는 축방향으로 진동이 거의 발생하지 않으므로, 상부/하부 축방향 베어링(350, 360)에 대한 능동 제어가 어려우므로, 플라이휠 중량에 해당되는 크기의 영구 자석을 삽입하며, 시스템 조립이 완료된 후에 영구 자석에서 발휘되는 힘과 플라이휠 중량과의 오차만큼의 힘을 전자석 구동기에 dc 전류를 흘려주어서 보상할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 플라이휠 에너지 저장 장치(400)는 도 2의 플라이휠 에너지 저장 장치(100)와 동일하게 회전축(410), 회전축(410)을 중심으로 회전하는 플라이휠(420), 회전축(410)에 결합된 스러스트 디스크(430), 전동발전기(440), 상부 반경방향 베어링(450), 상부 축방향 베어링(460), 하부 축방향 베어링(470), 하부 반경방향 베어링(480) 및 비접촉 위치센서(490)를 포함할 수 있다.
이 경우, 플라이휠 에너지 저장 장치(400)는 상부/하부 반경방향 베어링(450, 480)의 볼 베어링의 내경을 회전축(410)에 열박음할 수 있다. 이에 따라, 축방향 자기부상을 위한 공기 간극(455, 485)이 상부/하부 반경방향 베어링(450, 480)의 내경 부위에 있지 않고, 외경 부위에 위치하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 구성의 플라이휠 에너지 저장 장치를 이용하는 것에 의해, 볼 베어링 또는 자기부상 베어링을 단독으로 사용할 때 발생하는 문제점을 해소하고, 두가지 형태의 베어링의 장점을 효과적으로 이용하여 플라이휠 에너지 저장 용량을 높이고 베어링 교체수명을 늘리는 효과가 있다.
자기부상 베어링을 단독으로 플라이휠 에너지 저장 장치에 적용한 경우, 축 방향에 대한 지지는 안정적으로 가능하지만, 에너지 저장밀도가 높은 디스크형 플라이휠에 대해서는 자이로스코픽 효과에 의해 반경 방향에 대해서는 제어가 어려우므로 에너지 저장밀도가 낮은 실린더형 플라이휠에만 자기부상 베어링 적용이 가능한 단점을 가지고 있는데, 본 발명에서는 자기부상 베어링에 비해 베어링 강성이 높아 회전안정도가 좋은 볼 베어링을 반경방향 베어링으로 적용함으로써 플라이휠의 회전안정성을 향상시키고 단위질량당 에너지 저장밀도를 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 플라이휠 에너지 저장 장치에 있어서,
    회전에 의한 회전 운동 에너지를 저장하는 플라이휠,
    상기 플라이휠의 중심에 관통되어 결합하는 회전축,
    상기 회전축에 의해 상기 플라이휠의 상부에 이격되게 결합되는 스러스트 디스크 및
    상기 회전축의 양단 및 상기 스러스트 디스크의 상하에 결합되는 베어링
    을 포함하며,
    상기 베어링은,
    상기 스러스트 디스크의 상하면에 대향되게 결합하는 축방향 자기부상 베어링,
    상기 회전축의 상단에 결합하는 상부 반경방향 볼 베어링 및
    상기 회전축의 하단에 결합하는 하부 반경방향 볼 베어링
    을 포함하는, 플라이휠 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축방향 자기부상 베어링은,
    상기 스러스트 디스크의 상면에 장착되는 상부 축방향 자기부상 베어링 및
    상기 스러스트 디스크의 하면에 상기 상부 축방향 자기부상 베어링과 대향되도록 장착되는 하부 축방향 자기부상 베어링을 포함하는, 플라이휠 에너지 저장 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부 축방향 자기부상 베어링은 영구자석에 의해 부양력을 발생시키는, 플라이휠 에너지 저장 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 반경방향 볼 베어링 및 하부 반경방향 볼 베어링은 앵귤러 콘택트 볼 베어링(Angular-contact ball bearing)인 것인, 플라이휠 에너지 저장 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 반경방향 볼 베어링의 외경 부분에 축방향 자기부상을 위한 공기 간극이 형성되는 것인, 플라리휠 에너지 저장 장치.
KR1020110096314A 2011-09-23 2011-09-23 자기부상 베어링 및 볼 베어링 조합형 플라이휠 에너지 저장 장치 KR20130032607A (ko)

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