KR20200079251A - 플라이휠 시스템 및 플라이휠 베어링 모듈 - Google Patents

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페데르센 욘 뢴
마틴 스페이어만
잠쉿 자마니
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메르스크 드릴링 에이/에스
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Abstract

플라이휠 시스템은 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 회전자를 포함한다. 플라이휠 시스템은 고정구, 및 고정구에 대해 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위한 능동형 자기 베어링 모듈을 더 포함한다. 능동형 자기 베어링 모듈은 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 복수의 제1 자화 가능 요소, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대해 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위해 복수의 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함한다. 각각의 제1 자화 가능 요소는 회전축으로부터 각각의 전자석보다 먼 거리에 있다.

Description

플라이휠 시스템 및 플라이휠 베어링 모듈
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 10월 22일자로 출원된 미국 가출원 제62/575,489호의 우선권의 이익을 주장하며, 이 기초출원은 그 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
플라이휠 시스템(flywheel system)은 회전 에너지를 대량으로 저장하는 기계 장치이다. 회전자에 저장된 에너지의 양은 회전자의 회전 속도의 제곱에 비례한다. 회전자는 전자기 발전기 고정자와 자기적으로 결합되어, 플라이휠 시스템이 회전자의 회전 에너지와 전기 에너지 사이의 변환을 가능하게 할 수 있다. 발전기 고정자는 회전자로부터 추출된 회전 에너지로부터 전기 에너지를 생산하도록 회전자를 감속시킬 수 있고, 발전기 고정자는 전기 에너지를 받아서, 이러한 전기 에너지를 회전자의 회전 에너지로 변환하여, 회전자의 가속을 초래할 수 있다. 플라이휠 시스템은 대량의 에너지 저장 용량을 갖도록 설계될 수 있으며, 또한 에너지를 신속하게 전달하고 흡수할 수 있다. 플라이휠 시스템의 통상적인 용도는 (a) 연소 발전기 고정자와 같은 다른 에너지원의 전력 출력의 피크 세이빙(peak-shaving), (b) 에너지 저장, (c) 백업 전력 공급, 및 (d) 신속한 에너지 전달을 포함한다.
플라이휠 시스템에서의 저손실 에너지 저장 장치는 회전자가 거의 마찰없이 회전하는 것을 요구한다. 그러므로, 고성능 플라이휠 시스템의 회전자는 전형적으로 자기적으로 부상된다.
실시형태에서, 플라이휠 시스템은 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 회전자를 포함한다. 플라이휠 시스템은 고정구, 및 고정구에 대해 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위한 능동형 자기 베어링 모듈을 더 포함한다. 능동형 자기 베어링 모듈은 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 복수의 제1 자화 가능 요소, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대해 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위해 복수의 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함한다. 각각의 제1 자화 가능 요소는 회전축으로부터 각각의 전자석보다 먼 거리에 있다.
실시형태에서, 플라이휠 시스템을 위한 베어링 모듈은, 제1 직경을 따라서 배열되고 플라이휠 시스템의 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 자화 가능한 요소, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위해 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함한다. 전자석은 제1 직경 내부에서 전자석의 위치 결정을 가능하게 하도록 제1 직경보다 작은 제2 직경에 의해 한정된다.
실시형태에서, 베어링 모듈은 발전기와 통합된다. 통합된 베어링 모듈 및 발전기는 플라이휠 시스템에서 사용하기 위해 구성되며, 복수의 영구 자석, 발전기 고정자, 및 능동형 자기 베어링을 포함한다. 복수의 영구 자석은 제1 직경을 따라서 배열되고, 플라이휠 시스템의 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된다. 발전기 고정자는 고정구에 기계적으로 결합되도록 구성된다. 발전기 고정자는 제1 직경보다 작은 제2 직경에 의해 한정되어, 제1 직경 내부에서의 발전기 고정자의 위치 결정이 영구 자석과 자기적으로 결합되는 것을 가능하게 하여, 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 사이를 변환한다. 능동형 자기 베어링은 (a) 제3 직경을 따라서 배열되고 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 자화 가능한 요소, 및 (b) 제4 직경을 따라서 배열되고, 고정구에 기계적으로 결합되고 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함한다. 제3 직경은 제1 직경보다 커서, 회전자의 회전축으로부터 영구 자석보다 더 먼 거리에서 제1 자화 가능한 요소의 위치 결정을 가능하게 한다. 제4 직경은 제1 직경보다 커서, 회전축으로부터 영구 자석보다 더 먼 거리에서 능동형 자기 베어링의 위치 결정을 가능하게 한다.
도 1은 실시형태에 따른 예시적인 사용 시나리오에서의 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 2는 실시형태에 따른 플라이휠 시스템의 기초부에 대해 플라이휠 시스템의 회전자를 능동적으로 안정화시키는 능동형 자기 베어링을 포함하는 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 3은 실시형태에 따른 플라이휠 시스템을 위한 능동형 자기 베어링 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 4는 실시형태에 따른 플라이휠 시스템에서 사용하기 위한 능동형 자기 베어링을 도시한다.
도 5는 실시형태에 따른 회전자의 공동(void) 내에 위치된 능동형 자기 베어링을 갖는 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 6은 플라이휠 시스템의 샤프트에서 능동형 자기 베어링을 구현하는 대안적인 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 7은 실시형태에 따른 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 갖는 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 8은 실시형태에 따른 능동형 자기 베어링 및 수동형 자기 백업 베어링(passive magnetic backup bearing)을 모두 갖는 베어링 모듈을 도시한다.
도 9는 실시형태에 따른, 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 가지며 하나 이상의 수동형 자기 백업 베어링을 더 포함하는 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 10은 실시형태에 따른 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 갖는 다른 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 11은 실시형태에 따른, 능동형 자기 베어링 및 발전기가 모두 플라이휠 시스템의 회전자의 상단부에 장착된, 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 갖는 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 12는 실시형태에 따른, 발전기, 및 발전기보다 큰 반경에 위치된 능동형 자기 베어링을 포함하는 다른 플라이휠 시스템을 도시한다.
도 13은 실시형태에 따른, 발전기 및 발전기보다 큰 반경에 위치된 능동형 자기 베어링을 포함하는 다른 플라이휠 시스템을 도시한다.
플라이휠 시스템은 종래의 전기 그리드에 연결되지 않고 대신 소위 마이크로 그리드에 의지하는 근해 또는 육상 환경에서 사용하기 위해 고려되고 있다. 이러한 환경에서, 플라이휠 시스템은 에너지원으로서 작용할 수 있으며, 예를 들어 피크 세이빙 또는 주파수 제어와 같은 전력 기능성을 제공할 수 있다. 아울러, 플라이휠 시스템은 높은 단기 전력 수요를 빠르게 충족시키는 역할을 할 수 있다. 시추선, 반잠수정 시추 플랫폼, 또는 다른 선박에 승선한 것과 같이 잠재적으로 불안정한 환경에서 구현될 때, 플라이휠 시스템은 플라이휠 시스템의 성능과 수명 모두에 영향을 줄 수 있는 상당한 힘을 받는다.
플라이휠 시스템의 기초부에 대해 플라이휠 시스템의 회전자를 능동적으로 안정화시키도록 구성된 능동형 자기 베어링이 본 명세서에서 개시된다. 이들 능동형 자기 베어링은 해양 환경과 지진이 발생할 수 있는 위치와 같은 불안정한 육상 환경 모두에서 플라이휠 시스템의 구현을 가능하게 한다. 여기에서, "능동형 자기 베어링"은 입력 신호에 기초하여 조정 가능한 베어링을 지칭한다. 능동형 자기 베어링은 피드백 루프에 있는 하나 이상의 센서와 결합될 수 있다.
도 1은 회전자(110) 및 회전자(110)를 지지하는 고정구(120)를 포함하는 예시적인 사용 시나리오에서의 하나의 플라이휠 시스템(100)을 도시한다. 회전자(110)는 화살표(192) 또는 반대 방향 화살표(192)로서 나타낸 바와 같이 회전축(190)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 고정구(120)는 회전자(110)를 기초부(180), 예를 들어 건물의 바닥 또는 선박의 갑판에 결합한다. 고정구(120)는 기초부(180)에 실질적으로 견고하게 결합되고, 그러므로 기초부(180)가 이동할 때 기초부(180)와 함께 이동한다. 기초부(180)는 다양한 방향으로, 예를 들어 화살표(152)로서 나타낸 바와 같이 수평 병진 운동(horizontal translation), 화살표(154)로서 나타낸 바와 같이 수직 병진 운동, 및 150으로 표시되는 회전, 또는 이들의 조합과 같은 다양한 방향으로 이동될 수 있다. 고정구(120)는 진공 인클로저와 같은 회전자(110) 주위의 하우징의 일부를 형성할 수 있다. 일례에서, 회전자(110)의 중량은 10 내지 10,000㎏이다.
도 2는 플라이휠 시스템의 기초부에 대해 플라이휠 시스템의 회전자를 능동적으로 안정화시키는 능동형 자기 베어링을 포함하는 하나의 플라이휠 시스템(200)을 도시한다. 플라이휠 시스템(200)은 고정구(120)에 대해 회전자(110)를 안정화시키도록 회전자(110)와 고정구(120) 사이의 자기 결합을 이용하는 능동형 자기 베어링(210)을 더 포함하는 플라이휠 시스템(100)의 실시형태이다. 능동형 자기 베어링(210)은 고정구(120)에 대한 회전자(110)의 위치를 능동적으로 조정하는 전자석을 포함한다. 능동형 자기 베어링(210)은 회전축(190)을 중심으로 하는 회전자(110)의 회전 동안 마찰을 최소로 또는 전혀 없이 유지하고 그리고/또는 회전자(110)와 고정구(120) 사이의 과도한 물리적 접촉과 관련된 플라이휠 시스템(200)에 대한 손상을 방지하는 역할을 할 수 있다. 일례에서, 능동형 자기 베어링(210)은 플라이휠 시스템(200)의 만족스러운 성능을 보장하고 플라이휠 시스템(200)에 대한 손상을 방지하도록 회전축(190)의 방향이 고정구(120)에 대해 충분히 일정하게 유지되는 것을 보장한다.
도 3은 플라이휠 시스템(200)과 같은 플라이휠 시스템을 위한 하나의 능동형 자기 베어링 모듈(300)을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 능동형 자기 베어링 모듈(300)은 능동형 자기 베어링(210)의 실시형태이다. 능동형 자기 베어링 모듈(300)은 복수의 자화 가능한 요소(310), 및 화살표(330)로 개략적으로 도시된 바와 같이 자화 가능한 요소(310)와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석(320)을 포함한다. 각각의 자화 가능한 요소(310)는 연자성 복합체(soft magnetic composite), 적층된 변압기 강(transformer steel)의 스택, 비배향 전기 강의 스택, 또는 1000 A/m 미만의 고유 보자력(intrinsic coercivity)을 갖는 자성 재료일 수 있다. 능동형 자기 베어링 모듈(300)이 플라이휠 시스템(200)에서 구현될 때, 자화 가능한 요소(310)는 회전자(110)에 기계적으로 결합되거나 회전자(110)에 통합되며, 전자석(320)은 고정구(120)에 기계적으로 결합된다. 전자석(320)은 고정구(120)에 대한 회전자(110)의 위치의 능동적인 조정을 가능하게 한다.
실시형태에서, 능동형 자기 베어링 모듈(300)은 하나 이상의 센서(340), 및 적어도 하나의 전력 공급부(350)를 더 포함한다. 작동시에, 센서(들)(340)는 고정구(120)에 대한 회전자(110)의 위치 또는 운동의 특성을 감지하며, 특성에 따라서 하나 이상의 전자석(320)을 통과하는 전류를 제어하는 전력 공급부(350)에 이러한 특성을 전달한다.
능동형 자기 베어링 모듈(300)은 플라이휠 시스템(200)의 실시형태를 형성하도록 회전자(110) 및 고정구(120)와 협동한다.
도 4는 플라이휠 시스템에서 사용하기 위한 하나의 능동형 자기 베어링(400)을 도시한다. 능동형 자기 베어링(400)은 자화 가능한 요소(310) 및 전자석(320)의 실시형태이고, 플라이휠 시스템(200)에서 구현될 수 있다. 능동형 자기 베어링(400)은 (a) 직경(412)을 따라서 배열된 복수의 자화 가능한 요소(410), 및 (b) 전자석(420)이 자석(410)의 링 내에 위치될 수 있도록 직경(412)보다 작은 직경(422)을 따라서 배열된 복수의 전자석(420)을 포함한다. 자화 가능한 요소(410) 및 전자석(420)의 수는 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 도 4에 도시된 것과 다를 수 있다. 또한, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 자화 가능한 요소(410)의 수는 전자석(420)의 수와 다를 수 있다.
플라이휠 시스템(200)에서의 능동형 자기 베어링(400)의 하나의 구현에서, 각각의 직경(412 및 422)은 도시된 바와 같이 회전축(190)을 중심으로 한다.
도 5는 회전자의 공동에 위치된 능동형 자기 베어링(530)을 갖는 하나의 플라이휠 시스템(500)을 도시한다. 플라이휠 시스템(500)은 플라이휠 시스템(200)의 실시형태이고, 능동형 자기 베어링(530)은 능동형 자기 베어링(400)의 실시형태이다. 플라이휠 시스템(500)은 회전자(510) 및 고정구(520)를 포함한다. 회전자(510)는 공동(512)을 형성한다. 공동(512)은 고정구(520)를 향하고, 회전축(190)을 에워싼다. 공동(512)은 회전축(190)을 가로지를 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 팁(514)은 회전자(510)로부터 고정구(520)를 향해 연장된다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 팁(514)은 플라이휠 시스템(500)으로부터 생략될 수 있다.
능동형 자기 베어링(530)은 회전축(190)을 향하는 공동(512)의 표면(516)에서 회전자(510)에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 복수의 자화 가능한 요소(532)를 포함한다. 능동형 자기 베어링(530)은 마운트(522)를 통해 고정구(520)에 기계적으로 결합되는 복수의 전자석(534)을 더 포함한다. 마운트(522)는 팁(514)을 수용하는 중공부(523)를 형성할 수 있다. 팁(514)을 포함하지 않는 실시형태에서, 마운트(522)는 회전축(190)에 걸쳐서 중실형(solid)일 수 있다. 전자석(534)은 전자석(534)과 자화 가능한 요소(532) 사이의 공동(512)의 부분을 가로질러서 자화 가능한 요소(532)와 자기적으로 결합되도록 구성된다. 자화 가능한 요소(532)와 전자석(534) 사이의 공칭 반경 방향 갭(535)은 회전자(510)가 마운트(522)를 중심으로 반경 방향으로 중심에 맞춰질 때 2 내지 10㎜의 범위에 있을 수 있다. 작동 시에, 전자석(534)은 고정구(520)에 대해 회전자(510)를 능동적으로 안정화시키도록 표면(516)에 있는 자화 가능한 요소(532)에 힘(538)을 가한다.
자화 가능한 요소(532)의 축 방향 범위(회전축(190)을 따르는)는 전자석(534)의 축 방향 범위를 초과할 수 있어서, 자화 가능한 요소(532)와 전자석(534) 사이의 자기 커플링은 고정구(520)에 대한 회전자(510)의 축 방향 이동의 존재시에도 동일하거나 유사하다. 하나의 구현예에서, 자화 가능한 요소(532)의 축 방향 범위는 전자석(534)의 축 방향 범위를 양쪽 축 방향으로 10%만큼 초과한다.
실시형태에서, 능동형 자기 베어링(530)은 고정구(520)에 대한 회전자(510)의 위치 및/또는 운동의 특성을 감지하는 하나 이상의 센서(536)를 포함한다. 센서(들)(536)는 센서(들)(340)의 실시형태를 형성한다. 플라이휠 시스템(500)은 도 3을 참조하여 전술한 바와 같은 전력 공급부(350)를 더 포함할 수 있다.
고정구(520)는 회전자(510)의 하단부 아래(도 5에 도시됨) 또는 회전자(510)의 상단부 위에 위치될 수 있다. 여기에서, 회전자의 "하단부" 및 "상단부"는 회전축이 수직일 때 회전자의 하단부 및 상단부를 각각 지칭한다. 플라이휠 시스템은, 예를 들어 작동 환경에 설치하기 전에 또는 작동 환경이 공칭 수직 회전축의 배향이 수직으로부터 벗어나게 할 때(예를 들어, 일반적으로 수직인 배향 축으로 작동하도록 설계된 플라이휠 시스템을 지지하는 기초부의 이동 및/또는 진동 동안) 비수직인 회전축으로 배향될 수 있다는 것이 이해된다. 유사하게, 본 명세서에서 사용된 "위" 및 "아래"라는 용어는 회전축에 대해 지칭된다. 고정구(520)는 예를 들어 회전자(510) 주위의 하우징의 단부판이다. 특정 실시형태에서, 고정구(520)는 플라이휠 시스템(500)의 베이스이다. 이러한 실시형태에서, 플라이휠 시스템(500)은 회전자(510)에 기계적으로 결합된 복수의 영구 자석(540) 및 고정구(520)에 기계적으로 결합된 복수의 영구 자석(542)을 더 포함할 수 있다. 영구 자석(540, 542)은 고정구(520)에 의해 형성된 베이스 위로 회전자(510)를 자기적으로 부상시키도록 회전자(510)의 하중을 지탱하기 위해 서로 자기적으로 결합되도록 구성된다.
본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 능동형 자기 베어링(530)은 제3자 플라이휠 시스템에서 구현될 독립형 베어링으로서 제공될 수 있다. 능동형 자기 베어링(530)은 하나 이상의 전력 공급부(350), 영구 자석(540), 및 영구 자석(542)과 함께 제공될 수 있다.
도 6은 플라이휠 시스템의 샤프트에서 능동형 자기 베어링을 구현하는 대안적인 플라이휠 시스템(600)을 도시한다. 플라이휠 시스템(600)은 회전자(610), 회전자(610)에 부착된(또는 회전자와 일체로 형성된) 샤프트(612), 및 회전자(610)의 하단부 아래에 위치된 베이스(620)를 포함한다. 플라이휠 시스템(600)은 (a) 샤프트(612)에 부착된 자화 가능한 요소(632), 및 (b) 샤프트(612) 상의 자화 가능한 요소(632)와 자기적으로 결합하기 위해 베이스(620)로부터 연장되는 전자석(634)을 더 포함한다. 베이스(620)에 대해 회전자(610)를 안정화시키기 위해 전자석(634)을 이용할 때, 전자석(634)은 샤프트(612) 상에서 안쪽으로 힘(638)을 가한다. 이러한 힘은 샤프트(612)와 회전자(610)가 서로 연결되는 영역(614)에 상당한 응력을 집중시킨다.
대조적으로, 플라이휠 시스템(500)에서의 힘(538)은 회전자(510)의 더 큰 표면으로 바깥쪽으로 지향되고, 플라이휠 시스템(600)에서의 힘(638)에 의해 야기되는 응력을 발생시키지 않는다. 이에 의해, 플라이휠 시스템(500)의 구성은 플라이휠 시스템(500)의 성능 및 수명에 대한 능동형 자기 베어링(530)의 어떠한 부작용도 감소시키거나 또는 제거한다.
도 7은 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 갖는 하나의 플라이휠 시스템(700)을 도시한다. 플라이휠 시스템(700)은 플라이휠 시스템(500)의 실시형태이다. 플라이휠 시스템(700)은 회전자(710) 및 고정구(520)를 포함한다. 회전자(710)는 공동(712)을 형성한다. 고정구(520)에 가까이 있는 공동(712)의 일부는 직경(788)을 가지며, 고정구(520)로부터 더 멀리 있는 공동(712)의 일부는 직경(786)을 갖는다. 플라이휠 시스템(700)은 (a) 직경(788)을 특징으로 하는 공동(712)의 표면(718)에서 회전자(710)에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 복수의 영구 자석(742), 및 (b) 고정구(520)에 장착된 발전기 고정자(740)를 포함한다. 발전기 고정자(740)는, 영구 자석(742)과 자기적으로 결합되어 회전자(710)의 회전 에너지와 권선(744)에서의 전기 에너지 사이를 변환하는 복수의 권선(744)을 포함한다. 발전기 고정자(740)는 "발전기 모드" 및 "모터 모드" 모두에서 기능할 수 있다. "발전기 모드"에서, 발전기 고정자(740)는 회전자(710)의 회전 에너지로부터 권선(744)의 전기 에너지의 형태로 전기 에너지를 발생시키기 위해 회전자(710)의 회전을 감속시킨다. "모터 모드"에서, 발전기 고정자(740)는 회전자(710)의 회전을 가속시키고, 이에 의해 회전자(710)의 회전 에너지를 증가시키도록 외부 소스로부터 권선(744)으로 공급되는 전기 에너지를 사용한다. 한 실시형태에서, 권선(744)은 수냉되거나, 강제 공기에 의해 공랭되거나, 또는 수동적으로 공랭된다. 플라이휠 시스템(700)은 공동(712)에 위치된 능동형 자기 베어링(530)을 더 포함한다. 플라이휠 시스템(700)은 직경(786)을 특징으로 하는 공동(712)의 표면(716)에서 자석(532)을 구현한다. 플라이휠 시스템(700)은 발전기 고정자(740) 위의 마운트(722)에서 전자석(534), 선택적으로 센서(들)(536)를 구현한다.
한 쌍의 팁(714 및 715)은 회전자(710)로부터 고정구(520)를 향해 연장된다. 마운트(722) 및 발전기 고정자(740)는 팁(714 및 715)을 수용하기 위해 각각의 중공부(723 및 743)을 형성할 수 있다. 그 범위로부터 벗어나지 않으면서, 팁(714 및 715)은 플라이휠 시스템(700)로부터 생략될 수 있다.
고정구(520)는 회전자(710)의 하단부 아래(도 7에 도시됨) 또는 회전자(710)의 상단부 위에 위치될 수 있다. 고정구(520)는 예를 들어 회전자(710) 주위의 하우징의 단부판이다. 특정 실시형태에서, 고정구(520)는 플라이휠 시스템(700)의 베이스이다. 이러한 실시형태에서, 플라이휠 시스템(700)은 고정구(520)에 의해 형성된 베이스 위로 회전자(710)를 자기적으로 부상시키도록, 회전자(710)에 기계적으로 결합된 영구 자석(540), 및 고정구(520)에 기계적으로 결합된 영구 자석(542)을 더 포함할 수 있다.
실시형태에서, 플라이휠 시스템(700)은 고정구(520)에 위치되거나 또는 고정구(520)에 기계적으로 결합된 센서 어레이(750)를 더 포함한다. 센서 어레이(750)는 고정구(520)의 운동 특성을 감지하고, 이러한 운동 특성에 따라서 플라이휠 시스템(700)의 작동에 대한 제한을 부과하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 회전자(710)의 가속 및/또는 감속의 비율은 고정구(520)가 비교적 큰 이동을 겪을 때의 기간 동안 제한될 수 있다.
자화 가능한 요소(532)와 전자석(534) 사이의 공칭 반경 방향 갭(735)(회전자(710)가 발전기 고정자(740)와 마운트(722) 위에 반경 방향으로 중심이 맞춰질 때)은, 영구 자석(742)이 발전기 고정자(740)의 임의의 부분과 물리적으로 접촉되지 않는 것을 보장하도록 충분한 정확도로 능동적 안정화를 제공하기 위해, 영구 자석(742)과 발전기 고정자(740) 사이의 공칭 반경 방향 갭(745)보다 작을 수 있다. 한 실시형태에서, 공칭 반경 방향 갭(745)은 공칭 갭(735)의 값의 적어도 2배이다. 공칭 반경 방향 갭(735)은 공칭 반경 방향 갭(535)과 유사할 수 있다.
본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 직경(786 및 788)은 표면(716 및 718)이 공통의 원통형 표면의 각각의 부분이도록 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 능동형 자기 베어링(530) 및 발전기 고정자(740)는 제3자 플라이휠 시스템에서 구현될 독립형 통합 베어링 모듈로서 제공될 수 있다. 이러한 통합 베어링 모듈은 마운트(722), 전력 공급부(350), 영구 자석(540), 및 영구 자석(542) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도 8은 능동형 자기 베어링 및 수동형 자기 백업 베어링을 모두 갖는 하나의 베어링 모듈(800)을 도시한다. 베어링 모듈(800)은, 회전자(110)에 기계적으로 결합된 영구 자석(810) 및 고정구(520)에 기계적으로 결합된 영구 자석(820)을 더 포함하는 능동형 자기 베어링 모듈(300)의 확장이다. 영구 자석(810 및 820)은 서로 자기적으로 결합되도록(자기 커플링(830)에 의해 나타나는 바와 같이) 구성된다. 전자석(320)이 고정구(120)에 대해 회전자(110)를 충분히 안정화시킬 수 없어야 하는 경우에, 예를 들어 전력 공급부(350)가 고장이면, 영구 자석(810 및 820)은 고정구(120)에 대한 회전자(110)의 적어도 어느 정도의 안정화를 제공하도록 구성된 수동형 자기 베어링을 형성한다, 영구 자석(810 및 820)에 의해 제공되는 백업 안정화는 베어링 모듈(800)을 구현하는 플라이휠 시스템의 치명적인 손상을 방지하는데, 예를 들어 정지 상태로 감속하는 동안 회전자(110)를 안전하게 안정화시키는데 충분할 수 있다.
도 9는, 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 가지며 하나 이상의 수동형 자기 백업 베어링을 더 포함하는 하나의 예시적인 플라이휠 시스템(900)을 도시한다. 플라이휠 시스템(900)은 하나 이상의 수동형 백업 베어링(910)을 더 포함하는 플라이휠 시스템(700)의 실시형태이다. 각각의 베어링(910)은 회전자(710) 및 고정구(520)에 각각 (직접 또는 간접적으로) 결합된 영구 자석(810, 820)을 포함한다. 도 9는 베어링(910)의 몇몇 예시적인 위치를 도시한다. 다수의 베어링(910)을 포함하는 실시형태에서, 보다 작고 그리고/또는 덜 강력한 영구 자석(810 및 820)은 단일의 보다 강력한 베어링(910)을 이용하는 실시형태에서와 동일한 백업 자기력을 달성하는데 충분할 수 있다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서, 플라이휠 시스템(900)은 도 9에 도시된 것보다 많거나 적은 베어링(910)을 포함할 수 있으며, 베어링(들)(910)은 도 9에 도시된 것과 다른 위치(들)에 위치될 수 있다. 또한, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 하나 이상의 베어링(910)이 플라이휠 시스템(500)에서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 능동형 자기 베어링(530), 발전기 고정자(740), 및 수동형 자기 베어링(들)(910)은 제3자 플라이휠 시스템에서 구현될 독립형 통합 베어링 모듈로서 제공될 수 있다. 이러한 통합 베어링 모듈은 마운트(722), 전력 공급부(350), 영구 자석(540), 및 영구 자석(542) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도 10은 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 갖는 다른 플라이휠 시스템(1000)을 도시한다. 플라이휠 시스템(1000)은, 플라이휠 시스템(700)에서, 발전기 고정자(740)가 고정구(520)에 능동형 자기 베어링(530)보다 더 가까운데 반하여, 플라이휠 시스템(1000)에서, 발전기 고정자(740)가 고정구(520)로부터 능동형 자기 베어링(530)보다 더 멀리 있다는 점을 제외하면 플라이휠 시스템(700)과 유사하다. 플라이휠 시스템(1000)에서, 발전기 고정자(740) 및 영구 자석(742)은 표면(716)과 관련된 공동(712)의 부분에 있고, 능동형 자기 베어링(530)은 표면(718)과 관련된 공동(712)의 부분에 있다. 플라이휠 시스템(1000)에서, 전자석(534)은 마운트(722)와 유사한 마운트(1022)를 통해 고정구(520)에 기계적으로 결합된다.
도 10에 도시되어 있지 않을지라도, 플라이휠 시스템(1000)은 도 9를 참조하여 전술한 바와 같은 하나 이상의 수동형 백업 베어링(910)을 더 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
도 11은 능동형 자기 베어링 및 발전기 모두가 플라이휠 시스템의 회전자의 상단부 위에 장착된, 플라이휠 시스템의 발전기와 통합된 능동형 자기 베어링을 갖는 하나의 플라이휠 시스템(1100)을 도시한다. 플라이휠 시스템(1100)은 플라이휠 시스템(1000)과 유사하다. 그러나, 플라이휠 시스템(1000)과 비교하여, 회전자(710)는 공동(712)이 위를 향하도록 회전자(710)에 대해 뒤집힌 회전자(1110)로 대체된다. 마운트(1022) 및 발전기 고정자(740)는 회전자(1110)의 상단부 위에 위치된 상부판(1130)으로부터 현수된다. 플라이휠 시스템(1100)에서, 상부판(1130) 및 고정구(520)는 회전자(1110)를 둘러싸는 하우징의 각각의 단부판을 형성할 수 있다. 플라이휠 시스템(700, 900)의 각각은 위로부터 현수된 베어링 및 발전기 고정자와 유사한 방식으로 변형될 수 있다.
도 12는 발전기 고정자(740) 및 발전기 고정자(740)보다 큰 반경에 위치된 능동형 자기 베어링(1230)을 포함하는 하나의 플라이휠 시스템(1200)을 도시한다. 플라이휠 시스템(1200)은 플라이휠 시스템(500)의 실시형태이다. 플라이휠 시스템(1200)은 고정구(520) 및 회전자(1210)를 포함한다. 회전자(1210)는 (a) 회전축(190)을 둘러싸고 내경(1286)을 갖는 그루브(1232), 및 (b) 공동(512)과 유사하고 직경(1286)보다 작은 직경(1282)을 갖는 중앙 공동(1212)을 형성한다. 팁(1214)은 회전자(1210)로부터 공동(1212) 내부의 고정구(520)를 향해 연장된다. 공동(1212)은 팁(1214)을 수용하기 위한 중공부를 형성할 수 있는 발전기 고정자(740)를 수용한다. 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 팁(1214)은 플라이휠 시스템(1200)으로부터 생략될 수 있다.
플라이휠 시스템(1200)은 공동(1212)의 표면(1216)에 위치된 영구 자석(742)을 더 포함한다. 발전기 고정자(740)의 권선(744)은 도 7을 참조하여 전술한 바와 같이 영구 자석(742)과 자기적으로 결합된다. 그루브(1232)는, 고정구(520)에 기계적으로 결합되고 그루브(1232)의 일부를 가로질러 자화 가능한 요소(532)와 자기적으로 결합되도록 구성된 전자석(534)을 수용한다. 그루브(1232)는 센서(들)(536)를 추가로 수용할 수 있다. 자화 가능한 요소(532)는 회전자(1210)에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합되며, 전자석(534)과 관련된 직경보다 작은 직경을 따라서 배열된다. 플라이휠 시스템(1200)에서, 자화 가능한 요소(532) 및 전자석(534)은 능동형 자기 베어링 자기를 형성하기 위해 협동한다.
플라이휠 시스템(1200)은 하나 이상의 수동형 백업 베어링(910)을 포함할 수 있다. 도 12는 이러한 베어링(910)의 예시적인 위치를 도시한다. 대안적으로, 하나 이상의 수동형 백업 베어링(910)은 그루브(1232)에 적어도 부분적으로 위치될 수 있다. 실시형태에서, 플라이휠 시스템(1200)은 도 5를 참조하여 전술한 바와 같이 구성된 영구 자석(540 및 542)을 포함한다.
본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 회전자(1210)는 도 11을 참조하여 회전자(1110)에 대해 논의된 것과 유사한 방식으로 뒤집힐 수 있다.
또한, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 능동형 자기 베어링(1230) 및 발전기 고정자(740), 및 선택적으로 수동형 자기 베어링(들)(910)은 제3자 플라이휠 시스템에서 구현될 독립형 통합 베어링 모듈로서 제공될 수 있다. 이러한 통합 베어링 모듈은 전력 공급부(350), 영구 자석(540), 및 영구 자석(542) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도 13은 발전기 고정자(740), 영구 자석(742), 및 발전기 고정자(740) 및 영구 자석(742)보다 큰 반경에 위치된 능동형 자기 베어링(1330)을 포함하는 하나의 플라이휠 시스템(1300)을 도시한다. 플라이휠 시스템(1300)은 능동형 자기 베어링(1230)이 능동형 자기 베어링(1330)으로 교체되는 것 외에 플라이휠 시스템(1200)과 유사하다. 능동형 자기 베어링(1330)은, 능동형 자기 베어링(1330)에서, 자화 가능한 요소(532)가 회전축(190)으로부터 전자석(534)보다 더 멀리 배치된 것 외에 능동형 자기 베어링(1230)과 유사하다.
특징의 조합
전술한 특징뿐만 아니라 다음에 청구되는 특징은 그 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 하나의 플라이휠 시스템 또는 베어링 모듈의 양태는 본 명세서에 기술된 다른 플라이휠 시스템 또는 베어링 모듈의 특징을 포함하거나 교환할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다음의 실시예는 전술한 실시 양태의 가능한 비제한적인 조합을 예시한다. 많은 다른 수정 및 변경이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서의 방법 및 디바이스에 대해 만들어질 수 있다는 것은 명백하다:
(A1) 플라이휠 시스템은 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 회전자, 고정구, 및 (a) 고정구에서 회전자를 지지하고 (b) 고정구에 대해 회전자를 안정화시키는 것 중 적어도 하나를 위한 베어링 모듈을 포함할 수 있다.
(A2) (A1)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 베어링 모듈은 고정구에 대해 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위한 능동형 자기 베어링을 포함할 수 있다.
(A3) (A2)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 능동형 자기 베어링은 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 복수의 제1 자화 가능 요소, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대해 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위해 복수의 제1 자화 가능한 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함할 수 있다.
(A4) (A3)으로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 제1 자화 가능한 요소의 각각은 연자성 복합체일 수 있다.
(A5) (A3) 및 (A4)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 제1 자화 가능한 요소의 각각은 회전축으로부터 전자석의 각각보다 더 멀리 있을 수 있다.
(A6) (A3) 내지 (A5)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 제1 자화 가능 요소는 회전축을 중심으로 하는 제1 직경을 따라서 배열될 수 있고, 전자석은 회전축을 중심으로 하는 제2 직경을 따라서 배열되고, 제1 직경은 제2 직경보다 크다.
(A7) (A3) 내지 (A6)으로 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 회전축에 직교하는 치수에서, 전자석 및 제1 자화 가능한 요소는 제1 반경 방향 갭만큼 서로 떨어져 있으며, 제1 반경 방향 갭은 2 내지 10㎜의 범위에 있다.
(A8) (A3) 내지 (A7)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 회전자는 회전축을 둘러싸는 제1 공동을 형성할 수 있고, 복수의 제1 자화 가능한 요소는 회전축을 둘러싸고 회전축을 향하거나 회전축으로부터 멀어지는 쪽을 향하는 제1 공동의 제1 표면에 위치될 수 있다.
(A9) (A8)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 제1 자화 가능한 요소의 각각은 회전축의 일부를 따라서 연장될 수 있다.
(A10) (A8) 및 (A9)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 각각의 전자석은 제1 공동의 일부를 가로질러 제1 자화 가능한 요소와 자기적으로 결합되도록 제1 공동에 위치될 수 있다.
(A11) (A10)으로서 나타낸 플라이휠 시스템은 (i) 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합되고, 회전축을 둘러싸는 제1 공동의 제2 표면에 위치된 영구 자석, 및 (ii) 고정구에 기계적으로 결합되고, 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 제1 공동에 위치된 발전기 고정자를 더 포함할 수 있다.
(A12) (A11)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 고정구는 회전자의 상단부 또는 하단부에 인접하여 위치된 단부판을 포함할 수 있고, 전자석 및 발전기 고정자는 단부판에 부착될 수 있다.
(A13) (A12)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 발전기 고정자는 전자석과 단부판 사이에 있을 수 있고, 제2 표면은 단부판에 제1 표면보다 더 가까울 수 있다.
(A14) (A12)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 전자석은 발전기 고정자와 단부판 사이에 있을 수 있고, 제1 표면은 단부판에 제2 표면보다 더 가깝다.
(A15) (A12) 내지 (A14)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 단부판은 하단부에 인접하여 베이스를 형성할 수 있고, 플라이휠 시스템은 (I) 회전자의 하단 표면에서 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 제1 하중 지지 자석(first load bearing magnet), 및 (II) 베이스에 기계적으로 결합되고 베이스 위로 회전자를 자기적으로 부상시키기 위해 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 제2 하중 지지 자석을 더 포함할 수 있다.
(A16) (A12) 내지 (A15)로서 나타낸 임의의 플라이휠 시스템은 제1 공동에서, 능동형 자기 베어링이 동력을 상실하면 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위한 적어도 하나의 수동형 자기 베어링을 더 포함할 수 있다.
(A17) (A16)으로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 적어도 하나의 수동형 자기 베어링은 상이한 각각의 위치에 위치된 복수의 수동형 자기 베어링을 포함할 수 있다.
(A18) (A16)으로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 각각의 수동형 자기 베어링은 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 제2 영구 자석, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대한 회전자의 백업 안정화를 제공하기 위해 제2 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 제1 공동에 위치된 제3 영구 자석을 포함할 수 있다.
(A19) (A11) 내지 (A12)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 제1 표면 및 제2 표면의 각각은 회전축을 향할 수 있다.
(A20) (A19)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 제1 표면 및 제2 표면은 공통의 원통형 표면의 각각의 부분일 수 있다.
(A21) (A19)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 제1 표면의 직경은 제2 표면의 직경과 다를 수 있다.
(A22) (A19) 내지 (A21)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 제1 공동은 회전축을 가로질러 걸쳐 있을 수 있다.
(A23) (A10)으로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 제1 공동은 회전축을 둘러싸지만 회전축과 일치하지 않는 그루브일 수 있다.
(A24) (A23)으로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 제1 표면은 회전축으로부터 멀어지는 쪽을 향할 수 있어서, 제1 자화 가능한 요소는 회전축에 전자석보다 더 가깝다.
(A25) (A23) 및 (A24)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 회전자는 회전축에 그루브보다 더 가까운 중앙 공동을 더 형성할 수 있고, 플라이휠 시스템은, 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합되고, 회전축을 향하고 회전축을 둘러싸는 중앙 공동의 제2 표면에 위치된 영구 자석, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 중앙 공동에 위치되는 발전기 고정자를 더 포함할 수 있다.
(A26) (A25)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 고정구는 회전자의 상단부 또는 하단부에 인접하여 위치된 단부판을 포함할 수 있으며, 전자석 및 발전기 고정자는 단부판에 부착될 수 있다.
(A27) (A26)으로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 단부판은 회전자의 하단부에 인접하여 위치된 베이스를 형성할 수 있고, 플라이휠 시스템은 (I) 회전자의 하단 표면에서 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 제1 하중 지지 자석, 및 (II) 베이스에 기계적으로 결합되고 베이스 위로 회전자를 자기적으로 부상시키기 위해 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되기 위한 제2 하중 지지 자석을 더 포함할 수 있다.
(A28) (A25) 내지 (A27)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것은 그루브와 중앙 공동 중 하나 또는 모두에서, 능동형 자기 베어링이 동력을 상실하면 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위한 적어도 하나의 수동형 자기 베어링을 더 포함할 수 있다.
(A29) (A28)로서 나타낸 플라이휠 시스템에서, 적어도 하나의 수동형 자기 베어링은 상이한 각각의 위치에 위치된 복수의 수동형 자기 베어링을 포함할 수 있다.
(A30) (A28) 및 (A29)로서 나타낸 플라이휠 시스템 중 임의의 것에서, 각각의 수동형 자기 베어링은, 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 회전자에 통합된 제2 영구 자석, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대한 회전자의 백업 안정화를 제공하기 위해 제2 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 그루브 또는 중앙 공동에 위치된 제3 영구 자석을 포함할 수 있다.
(A31) (A3) 내지 (A30)으로서 나타낸 플라이휠 시스템의 임의의 것은 고정구에 대한 회전자의 위치를 조정하기 위해 복수의 전자석에 전력을 공급하기 위한 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
(A32) (A31)로서 나타낸 플라이휠 시스템은 고정구에 대한 회전자의 이동 특성을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 센서는 이동 특성에 응답하여 고정구에 대한 회전자의 위치의 조정을 가능하게 하기 위해 전력 공급부와 통신 가능하게 결합된다.
(A33) (A32)로서 나타낸 플라이휠 시스템은 전력 공급부가 하나 이상의 전자석에 전력을 제공하는데 실패하면 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위한 제2 영구 자석을 포함하는 적어도 하나의 수동형 백업 베어링을 더 포함할 수 있다.
(B1) 플라이휠 시스템을 위한 베어링 모듈은, 제1 직경을 따라서 배열되고 플라이휠 시스템의 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 자화 가능한 요소, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위해 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함할 수 있으며, 전자석은 제1 직경 내부에서 전자석의 위치 결정을 가능하게 하도록 제1 직경보다 작은 제2 직경에 의해 한정된다.
(B2) (B1)로서 나타낸 베어링 모듈에서, 제1 자화 가능한 요소의 각각은 연자석(soft magnet)일 수 있다.
(B3) (B1) 및 (B2)로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 고정구에 대한 회전자의 위치 특성을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서, 및 위치 특성에 응답하여 고정구에 대한 회전자의 위치를 조정하기 위해 전자석에 전력을 공급하기 위하여, 적어도 하나의 센서와 통신 가능하게 결합된 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
(B4) (B1) 내지 (B3)으로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 (a) 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 영구 자석, 및 (b) 고정구에 기계적으로 결합되고, 전력 공급부가 전자석에 전력을 제공하는데 실패하면 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위해 제1 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 제2 영구 자석을 포함하는 적어도 하나의 수동형 백업 베어링을 더 포함할 수 있다.
(B5) (B1) 내지 (B4)로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 제3 직경을 따라서 배열되고 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제3 영구 자석, 및 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 제3 영구 자석과 자기적으로 결합되기 위한 발전기 고정자를 더 포함할 수 있다.
(B6) (B5)로서 나타낸 베어링 모듈에서, 발전기 고정자는 제3 직경 내부에서 발전기 고정자의 위치 결정을 가능하게 하도록 제3 직경보다 작은 제4 직경에 의해 한정될 수 있다.
(B7) (B6)으로서 나타낸 베어링 모듈에서, 전자석은 발전기 고정자 상에 장착될 수 있다.
(B8) (B1) 내지 (B7)으로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 제1 하중 지지 자석, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 제2 하중 지지 자석 위로 회전자를 자기적으로 부상시키기 위해 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 제2 하중 지지 자석을 더 포함할 수 있다.
(C1) 플라이휠 시스템에서 사용하기 위해 발전기와 통합된 베어링 모듈은 (1) 제1 직경을 따라서 배열되고 플라이휠 시스템의 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 영구 자석, (2) 고정구에 기계적으로 결합되도록 구성된 발전기 고정자로서, 상기 발전기 고정자는 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 상기 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 제1 직경 내부에서 발전기 고정자의 위치 결정을 가능하게 하기 위해 제1 직경보다 작은 제2 직경에 의해 한정되는, 상기 발전기 고정자, 및 (3) (a) 제3 직경을 따라서 배열되고, 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 자화 가능한 요소로서, 제3 직경이 제1 직경보다 커서, 회전자의 회전축으로부터 상기 영구 자석보다 더 먼 거리에서 상기 제1 자화 가능한 요소의 위치 결정을 가능하게 하는, 상기 복수의 제1 자화 가능한 요소, 및 (b) 제4 직경을 따라서 배열되고, 고정구에 기계적으로 결합되고, 고정구에 대해 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위해 제1 자화 가능한 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석으로서, 제4 직경이 제1 직경보다 커서, 회전축으로부터 영구 자석보다 더 먼 거리에서 능동형 자기 베어링의 위치 결정을 가능하게 하는, 상기 복수의 전자석을 포함하는 능동형 자기 베어링을 포함한다.
(C2) (C1)로서 나타낸 베어링 모듈에서, 제1 자화 가능한 요소의 각각은 연자석일 수 있다.
(C3) (C1) 및 (C2)로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것에서, 제4 직경은 제3 직경보다 커서, 전자석보다 회전축에 더 가까운 제1 자화 가능한 요소의 위치 결정을 가능하게 할 수 있다.
(C4) (C1) 및 (C2)로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것에서, 제4 직경은 제3 직경보다 작아서, 전자석보다 회전축으로부터 더 먼 제1 자화 가능한 요소의 위치 결정을 가능하게 할 수 있다.
(C5) (C1) 내지 (C4)로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 고정구의 적어도 일부를 형성하는 단부판을 더 포함할 수 있고, 발전기 고정자 및 전자석은 단부판 상에 장착될 수 있다.
(C6) (C1) 내지 (C5)로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 제1 하중 지지 자석, 및 고정구에 기계적으로 결합되고, 제2 하중 지지 자석 위로 회전자를 자기적으로 부상시키기 위해 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 제2 하중 지지 자석을 더 포함할 수 있다.
(C7) (C1) 내지 (C6)으로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 고정구에 대한 회전자의 위치 특성을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서, 및 위치 특성에 응답하여 고정구에 대한 회전자의 위치를 조정하도록 전자석에 전력을 공급하기 위하여 적어도 하나의 센서와 통신 가능하게 결합된 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
(C8) (C1) 내지 (C7)으로서 나타낸 베어링 모듈 중 임의의 것은 (a) 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제2 영구 자석, 및 (b) 고정구에 기계적으로 결합되고, 전력 공급부가 전자석에 전력을 제공하는데 실패하면 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위해 제2 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 제3 영구 자석을 포함하는 적어도 하나의 수동형 자기 베어링을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템 및 방법은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 변경될 수 있다. 그러므로, 상기 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시된 요지는 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 해석되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 다음의 청구범위는 본 명세서에 기술된 일반적인 특징 및 특정 특징뿐만 아니라 언어의 문제로서 그 중에 놓일 수 있는 본 시스템 및 방법의 범위의 모든 진술을 커버하도록 의도된다.

Claims (40)

  1. 플라이휠 시스템(flywheel system)으로서,
    회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 회전자;
    고정구; 및
    상기 고정구에 대해 상기 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위한 능동형 자기 베어링 모듈을 포함하되; 상기 능동형 자기 베어링 모듈은,
    상기 회전자와 기계적으로 결합되는 복수의 제1 자화 가능 요소, 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 고정구에 대해 상기 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위해 상기 복수의 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함하며, 상기 제1 자화 가능 요소의 각각은 상기 회전축으로부터 각각의 상기 전자석보다 멀리 있는, 플라이휠 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 자화 가능한 요소의 각각은 연자성 복합체인, 플라이휠 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 자화 가능 요소는 상기 회전축을 중심으로 하는 제1 직경을 따라서 배열되고, 상기 전자석은 상기 회전축을 중심으로 하는 제2 직경을 따라서 배열되며, 상기 제1 직경은 상기 제2 직경보다 큰, 플라이휠 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 회전축에 직교하는 치수에서, 상기 전자석 및 상기 제1 자화 가능한 요소는 제1 반경 방향 갭만큼 서로 떨어져 있으며, 상기 제1 반경 방향 갭은 2 내지 10㎜의 범위에 있는, 플라이휠 시스템.
  5. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 자화 가능 요소의 회전축을 따라서 연장되는 범위는 상기 전자석의 회전축을 따르는 범위를 초과하는, 플라이휠 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자는 상기 회전축을 둘러싸는 제1 공동을 형성하고, 상기 복수의 제1 자화 가능한 요소는, 상기 회전축을 둘러싸고 상기 회전축을 향하는 상기 제1 공동의 제1 표면에 위치되며, 상기 전자석의 각각은 상기 제1 공동의 일부를 가로질러 상기 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 상기 제1 공동에 위치되는, 플라이휠 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 상기 회전자에 통합되고 상기 회전축을 둘러싸는 상기 제1 공동의 제2 표면에 위치된 영구 자석; 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 상기 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 상기 제1 공동에 위치된 상기 발전기 고정자를 더 포함하는, 플라이휠 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고정구는 상기 회전자의 상단부 또는 하단부에 인접하여 위치된 단부판을 포함하되, 상기 전자석 및 상기 발전기 고정자는 상기 단부판에 부착되는, 플라이휠 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발전기 고정자는 상기 전자석과 상기 단부판 사이에 있으며, 상기 제2 표면은 상기 단부판에 상기 제1 표면보다 더 가까이 있는, 플라이휠 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전자석은 상기 발전기 고정자와 상기 단부판 사이에 있으며, 상기 제1 표면은 상기 단부판에 상기 제2 표면보다 더 가까이 있는, 플라이휠 시스템.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단부판은 상기 하단부에 인접하여 베이스를 형성하며, 상기 플라이휠 시스템은,
    상기 회전자의 하단 표면에서 상기 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 상기 회전자에 통합된 제1 하중 지지 자석, 및
    상기 베이스에 기계적으로 결합되고, 상기 베이스 위로 상기 회전자를 자기적으로 부상시키도록 상기 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되기 위한 제2 하중 지지 자석을 더 포함하는, 플라이휠 시스템.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 공동에서, 상기 능동형 자기 베어링이 동력을 상실하면 상기 고정구에 대해 상기 회전자를 안정화시키기 위한 적어도 하나의 수동형 자기 베어링을 더 포함하되, 각각의 수동형 자기 베어링은,
    상기 회전자에 기계적으로 결합되는 제2 영구 자석; 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 고정구에 대한 회전자의 백업 안정화를 제공하기 위해 상기 제2 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 상기 제1 공동에 위치된 제3 영구 자석을 포함하는, 플라이휠 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수동형 자기 베어링은 상이한 각각의 위치에 위치된 복수의 수동형 자기 베어링을 포함하는, 플라이휠 시스템.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전축에 직교하는 치수에서, 상기 전자석 및 상기 제1 자화 가능한 요소는 제1 반경 방향 갭만큼 서로 떨어져 있으며, 상기 발전기 고정자와 상기 영구 자석은 상기 제1 반경 방향 갭을 초과하는 제2 반경 방향 갭만큼 서로 떨어져 있는, 플라이휠 시스템.
  15. 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면의 각각은 상기 회전축을 항하며, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면은 공통의 원통형 표면의 각각의 부분인, 플라이휠 시스템.
  16. 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면의 각각은 상기 회전축을 항하며, 상기 제1 표면의 직경은 상기 제2 표면의 직경과 다른, 플라이휠 시스템.
  17. 제7항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면의 각각은 상기 회전축을 항하며, 상기 제1 공동은 상기 회전축을 가로질러 걸쳐 있는, 플라이휠 시스템.
  18. 제6항에 있어서, 상기 제1 공동은 회전축을 둘러싸지만 회전축과 일치하지 않는 그루브(groove)이고, 상기 회전자는 상기 회전축에 상기 그루브보다 더 가까운 중앙 공동을 더 형성하며, 상기 플라이휠 시스템은,
    상기 회전자에 기계적으로 결합되고, 상기 회전축을 향하고 상기 회전축을 둘러싸는 중앙 공동의 제2 표면에 위치된 영구 자석, 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 상기 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 상기 중앙 공동에 위치되는 발전기 고정자를 더 포함하는, 플라이휠 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 고정구는 상기 회전자의 상단부 또는 하단부에 인접하여 위치된 단부판을 포함하고, 상기 전자석 및 상기 발전기 고정자는 상기 단부판에 부착되는, 플라이휠 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 단부판은 상기 회전자의 하단부에 인접하여 위치되고, 상기 플라이휠 시스템은,
    상기 회전자의 하단 표면에서 상기 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 상기 회전자에 통합된 제1 하중 지지 자석; 및
    베이스에 기계적으로 결합되고, 상기 베이스 위로 상기 회전자를 자기적으로 부상시키기 위해 상기 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되기 위한 제2 하중 지지 자석을 더 포함하는, 플라이휠 시스템.
  21. 제18항에 있어서, 상기 그루브 및 상기 중앙 공동 중 하나 또는 모두에서, 상기 능동형 자기 베어링이 동력을 상실하면 상기 고정구에 대해 상기 회전자를 안정화시키기 위한 적어도 하나의 수동형 자기 베어링을 더 포함하되, 각각의 수동형 베어링은,
    상기 회전자에 기계적으로 결합되거나 또는 상기 회전자에 통합된 제2 영구 자석; 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 고정구에 대한 상기 회전자의 백업 안정화를 제공하기 위해 상기 제2 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 상기 그루브 또는 상기 중앙 공동에 위치된 제3 영구 자석을 포함하는, 플라이휠 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수동형 자기 베어링은 상이한 각각의 위치에 위치된 복수의 수동형 자기 베어링을 포함하는, 플라이휠 시스템.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정구에 대한 상기 회전자의 위치를 조정하기 위해 상기 복수의 전자석에 전력을 공급하기 위한 전력 공급부; 및
    상기 고정구에 대한 상기 회전자의 이동 특성을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서를 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 이동 특성에 응답하여 상기 고정구에 대한 상기 회전자의 위치의 조정을 가능하게 하기 위해 상기 전력 공급부와 통신 가능하게 결합되는, 플라이휠 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전력 공급부가 상기 복수의 전자석 중 하나 이상에 전력을 제공하는데 실패하면 상기 고정구에 대해 상기 회전자를 안정화시키기 위한 제2 영구 자석을 포함하는 적어도 하나의 수동형 백업 베어링을 더 포함하는, 플라이휠 시스템.
  25. 플라이휠 시스템을 위한 베어링 모듈로서,
    제1 직경을 따라서 배열되고 상기 플라이휠 시스템의 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 자화 가능한 요소; 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 고정구에 대해 회전자를 안정화시키기 위해 제1 자화 가능 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석을 포함하며, 상기 전자석은 제1 직경 내부에서 상기 전자석의 위치 결정을 가능하게 하도록 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경에 의해 한정되는, 베어링 모듈.
  26. 제25항에 있어서, 상기 제1 자화 가능한 요소의 각각은 연자석인, 베어링 모듈.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 고정구에 대한 상기 회전자의 위치 특성을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서; 및
    상기 위치 특성에 응답하여 상기 고정구에 대한 상기 회전자의 위치를 조정하도록 상기 전자석에 전력을 공급하기 위하여, 상기 적어도 하나의 센서와 통신 가능하게 연결된 전력 공급부를 더 포함하는, 베어링 모듈.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, (a) 상기 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 영구 자석, 및 (b) 상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 전력 공급부가 상기 전자석에 전력을 제공하는데 실패하면 상기 고정구에 대해 상기 회전자를 안정화시키기 위해 상기 제1 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 제2 영구 자석을 포함하는 적어도 하나의 수동형 백업 베어링을 더 포함하는, 베어링 모듈.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    제3 직경을 따라서 배열되고 상기 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제3 영구 자석; 및
    상기 회전자의 회전 에너지와 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 상기 제3 영구 자석과 자기적으로 결합되기 위한 상기 발전기 고정자를 더 포함하는, 베어링 모듈.
  30. 제29항에 있어서, 상기 발전기 고정자는 상기 제3 직경 내부에서 상기 발전기 고정자의 위치 결정을 가능하게 하도록 상기 제3 직경보다 작은 제4 직경에 의해 한정되는, 베어링 모듈.
  31. 제29항에 있어서, 상기 전자석은 상기 발전기 고정자 상에 장착되는, 베어링 모듈.
  32. 제25항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 제1 하중 지지 자석; 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 제2 하중 지지 자석 위로 상기 회전자를 자기적으로 부상시키기 위해 상기 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되는 상기 제2 하중 지지 자석을 더 포함하는, 베어링 모듈.
  33. 플라이휠 시스템에서 사용하기 위해 발전기와 통합된 베어링 모듈로서,
    제1 직경을 따라서 배열되고 상기 플라이휠 시스템의 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 영구 자석;
    상기 고정구에 기계적으로 결합되도록 구성된 발전기 고정자로서, 상기 회전자의 회전 에너지와 상기 발전기 고정자의 권선에서의 전류 간을 변환시키기 위해 상기 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 상기 제1 직경 내부에서 상기 발전기 고정자의 위치 결정을 가능하게 하기 위해 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경에 의해 한정되는, 상기 발전기 고정자; 및
    능동형 자기 베어링을 포함하되, 상기 능동형 자기 베어링은,
    (a) 제3 직경을 따라서 배열되고 상기 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제1 자화 가능한 요소로서, 상기 제3 직경이 제1 직경보다 커서, 상기 회전자의 회전축으로부터 상기 영구 자석보다 더 먼 거리에서 상기 제1 자화 가능한 요소의 위치 결정을 가능하게 하는, 상기 복수의 제1 자화 가능한 요소, 및
    (b) 제4 직경을 따라서 배열되고, 상기 고정구에 기계적으로 결합되고 상기 고정구에 대해 상기 회전자를 능동적으로 안정화시키기 위해 상기 제1 자화 가능한 요소와 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 전자석으로서, 상기 제4 직경이 제1 직경보다 커서, 상기 회전축으로부터 상기 영구 자석보다 더 먼 거리에서 능동형 자기 베어링의 위치 결정을 가능하게 하는, 상기 복수의 전자석을 포함하는, 베어링 모듈.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제1 자화 가능한 요소의 각각은 연자석인, 베어링 모듈.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서, 상기 제4 직경은 상기 제3 직경보다 커서, 상기 회전축에 상기 전자석보다 더 가까운 상기 제1 자화 가능한 요소의 위치 결정을 가능하게 하는, 베어링 모듈.
  36. 제33항 또는 제34항에 있어서, 상기 제4 직경은 상기 제3 직경보다 작아서, 상기 전자석보다 상기 회전축으로부터 더 먼 상기 제1 자화 가능한 요소의 위치 결정을 가능하게 하도록 은, 베어링 모듈.
  37. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정구의 적어도 일부를 형성하는 단부판을 더 포함하되, 상기 발전기 고정자 및 상기 전자석은 상기 단부판 상에 장착되는, 베어링 모듈.
  38. 제33항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 제1 하중 지지 자석; 및
    상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 제2 하중 지지 자석 위로 상기 회전자를 자기적으로 부상시키기 위해 상기 제1 하중 지지 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 상기 제2 하중 지지 자석을 더 포함하는, 베어링 모듈.
  39. 제33항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정구에 대한 상기 회전자의 위치 특성을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서; 및
    상기 위치 특성에 응답하여 상기 고정구에 대한 상기 회전자의 위치를 조정하도록 상기 전자석에 전력을 공급하기 위하여 상기 적어도 하나의 센서와 통신 가능하게 결합된 전력 공급부를 더 포함하는, 베어링 모듈.
  40. 제33항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 수동형 자기 베어링을 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 수동형 자기 베어링은 상기 (a) 상기 회전자에 기계적으로 결합되도록 구성된 복수의 제2 영구 자석; 및 (b) 상기 고정구에 기계적으로 결합되고, 상기 전력 공급부가 전자석에 전력을 제공하는데 실패하면 상기 고정구에 대해 상기 회전자를 안정화시키기 위해 상기 제2 영구 자석과 자기적으로 결합되도록 구성된 복수의 제3 영구 자석을 포함하는, 베어링 모듈.
KR1020207011739A 2017-10-22 2018-10-22 플라이휠 시스템 및 플라이휠 베어링 모듈 KR20200079251A (ko)

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