KR20210126682A - 적층형 박편체 로터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다수의 인접한 박편체(lamination)를 포함하고, 하나의 박편체가 다른 박편체의 상부에 적층되는 플라이휠 로터에 관한 것이며, 여기서 각각의 박편체는 동일한 형상을 갖고 중심축 주위에서 회전대칭이며, 여기서 그 형상은 실질적으로 원형이고 외주부에 복수의 돌출부를 포함하며, 각각의 박편체는 고정 볼트가 통과하기 위한 적어도 하나의 구멍을 포함한다. 본 발명은 박편체의 적층물(stack)의 각각의 단부에 엔드플레이트를 전형적으로 포함하고 2개의 엔드플레이트 중 하나는 스터브 샤프트(stubshaft)에 부착된다.

Description

적층형 박편체 로터

본 설명은 일반적으로 플라이휠을 이용한 에너지 저장에 관한 것이다. 특히, 적층된 박편체(laminations)들로 구성된 플라이휠 로터의 설계와 관련된 것이다.

무정전 전원공급장치(UPS) 세팅과 같은 단시간 전력 응용분야뿐만 아니라 다중-시간 유틸리티 스케일 응용분야에 적용되는 현대식 에너지 저장 로터는 일반적으로 복합섬유 권선 로터로 또는 강철로 제작된다. 유틸리티 응용분야에서 발생하는 다중-시간 디스차지 응용분야를 다룰 때, 또한 일부 상업/산업 세팅에 있어서, 로터 비용을 최적화하는 것이 핵심 목표이다.

플라이휠 로터의 비용은 제조된 시스템 비용의 50% 범위 내에서 이루어질 수 있다. 따라서 또 다른 플라이휠 구성요소가 시스템 비용의 나머지 절반을 구성한다. 그리고 이들 시스템 비용의 대부분은 로터 부피 및/또는 질량 상승에 따라 올라간다. 따라서 로터 질량 및 부피를 감소시키는 것은 플라이휠 에너지 저장 시스템에서 가장 중요한 관심사이다.

모놀리식 강철 로터는 표준 강철 작업 공정(1차 용융, 2차 재-용융 정제 단계, 단조, 담금질, 및 템퍼)을 활용하여, 달성 가능한 설계 공간 내에서 설정된 소망하는 형상 및 재료 기계적 특성에 도달할 수 있다. 일반적으로 로터 형상은 "형상계수(shape factor)" k를 특징으로 할 수 있다.

(수학식 1)

여기서 E는 저장된 운동 에너지, V는 총 로터 부피, σ는 로터의 피크 응력이다. 형상계수의 범위는 0 내지 1 이다. 대략적으로, 형상계수는 로터 재료 활용의 효율성을 나타내는 지표이다. 높은 형상계수는 응력이 로터 체적에 다소 균일하게 분포되어, 양호한 재료 활용에 상응한다는 지표이다. 형상계수의 정의에서도 알 수 있듯이, 저장된 에너지는 로터 피크 응력과 직접적으로 비례한다. 따라서 실제로 사용 가능한 피크 응력은 로터에 저장될 수 있는 에너지의 양을 정의한다. 최대 피크 응력은 재료 항복 또는 극한 응력과 관련된 파손 기준(failure criteria)에 의해 제한되거나, 주기적 피로 구속(cyclic fatigue constraint)에 의해 제한될 수 있다.

일반적으로, 6 내지 20인치 범위의 실질적인 축방향 두께를 갖는 대형 멀티-톤 모놀리식 솔리드 원통형 로터는 0.55 범위의 형상계수를 갖는다. 2차원 평면 응력(0 축 응력)을 가정하여 분석된, 매우 얇은 디스크에 대하여, 형상계수는 모놀리식 로터에 비해 얇은 디스크에 대하여 대략 10% 개선을 나타내는 0.6 바로 위로 평가된다.

적절한 에너지 용량을 갖는 로터를 제조하기 위해서는, 로터의 총 부피(또는 질량)가 적절하게 치수화될 필요가 있다. 로터의 적층형 박편체 구조를 이용하면 개별 박편체를 위한 제조 공정으로부터 로터 크기가 디커플링된다. 박편체의 측면 치수는 재료 적층물의 사용 가능한 공급 폭, 즉 코일 폭에 의해서만 제한된다. 그리고 적층된 박편체 로터의 축방향 치수는 적층된 박편체의 개수에 의해 규정된다. 따라서 사실상 로터의 임의의 축방향 치수가 실현될 수 있다. 적층형 박편체 접근방식으로 달성할 수 있는 상대적으로 구속되지 않은 로터 치수는, 일부 로터 설계에서 사용될 수도 있는 솔리드 단조로 실현할 수 있는 것과 대조된다.

냉간 압연은 전형적으로 표준 열간 압연 공정을 따르는 공정이며, 여기서 이전에 열간 압연된 판재는 두께가 더 감소된다. 냉간 압연이라는 용어는 공정에서 허용되는 온도가 금속 표면에 스케일이 형성되는 온도보다 낮다는 사실을 나타낸다. 냉간 압연은 금속 제조 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되며, 제품은 코일 또는 시트 포맷으로 판매되며, 많은 가능한 합금, 처리, 및 마감 조건이 다양한 세트의 금속에 걸쳐 제공된다. 예시적인 재료는 범퍼 및 구조 패널에 사용되는 고강도 부품뿐만 아니라 쉽게 성형할 수 있는 차체 패널 부품과 같이 자동차 제조의 많은 부품에 사용되는 것이다. 변압기, 모터, 및 발전기를 제작하기 위해 전기 산업에서 사용되는 규소강 재료도, 요구되는 두께, 균일성 및 마감을 달성하기 위해 냉간 압연된다.

자동차 범퍼 및 구조 패널과 같은 중요한 용도를 위한 냉간 압연된 강재는 예를 들어 최대 2000Mpa의 매우 높은 인장 강도로 용이하게 입수할 수 있다. 이러한 재료는 전형적으로 선도적인 글로벌 공급업체에서 약 0.5mm 내지 2.0mm 범위의 두께로 제공된다. 재료 품질은 전형적으로 우수하며, 자동 광학 검사 시스템으로 검사를 쉽게 수행할 수 있다. 따라서 결함은 전형적으로 대형 패널에서는 나타나지 않는다. 또한, 그러한 얇은 재료에 대한 담금질 단계가 저합금강에서도 쉽게 완전 경화를 달성하기에 충분한 냉각 속도를 허용하기 때문에, 매우 기본적인 탄소강 합금은 매우 높은 강도를 달성하기 위해 사용될 수 있다.

이미 언급된 바와 같이, 모놀리식 단조강 로터에 비해 적층형 강철 로터에는 몇 가지 비용 및 성능 이점이 있다: (1) 냉간 압연강의 연속적인 처리는 모놀리식 로터에서 요구되는 개별 처리보다 더욱 경제적이다. 기본적으로, 보편적인 연속 압연 공정이 일회성 단조 단계를 대체한다; (2) 모놀리식 로터 두께는 사용되는 강철 합금의 경화성에 의해 제한된다. 6인치 두께의 로터가 2mm 두께의 박편체와 동일한 강도 수준을 달성하려면, 훨씬 더 비싼 강철 합금이 사용되어야 한다. 모놀리식 단조품은 경화성 한계로 인해 최대 두께에 있어서의 한계에 도달하고, 냉간 압연 박편체로 구성된 로터는 각각의 박편체가 개별적으로 담금질 및 템퍼링되기 때문에 필요한 두께만큼 조립된 로터에 적층될 수 있다. (3) 적층형 강철 로터는 강철에 존재하는 결함의 측면에서도 장점을 갖는다. 위에서 언급한 바와 같이, 냉간 압연 및 검사 공정은 매우 고품질의 재료를 생산한다. 또한, 플라이휠 로터에 있어서, 가장 큰 응력은 면-내(in-plane) 반경 방향 및 후프(원주) 방향에 있다. 반경 방향 또는 후프 방향에 수직으로 배향된 결함은 크랙을 형성하고 후프 및 반경 방향에 평행한 결함보다 더 빠르게 성장한다. 압연 공정은 압연 방향에 평행하게 그레인(grain), 및 임의의 결함을 배향시키며, 이는 피로 크랙 성장 관점에서 최적이다. 모놀리식 단조 로터는 로터 축에 평행하게 배향된 결함을 가질 수 있으며, 이는 그러한 구조에 있어서 피로 크랙 성장에 가장 취약한 배향이다.

솔리드 단조품의 검사는 볼륨을 통한 초음파(UT) 검사에 의해, 그리고 표면 검사를 위한 자분(magnetic particle) 및/또는 다이 침투(die penetrant) 검사에 의해 일반적으로 수행된다. 이는 표준화된 테스트 공정이지만, 검사 오류가 치명적일 수 있기 때문에 요구 사항이 상당하다. 대조적으로, 냉간 압연 재료의 검사는 생산 실행시 훨씬 더 자동화되어, 검사 비용과 궁극적인 제품 품질의 측면에서 유리한 결과를 가져온다.

플라이휠 에너지 저장 시스템의 풀 딥 사이클(full deep cycle)에 각각 대응하는, 10,000번의 풀 스윙 응력 사이클을 위한 응용에 있어서, 응력 스윙은 일반적으로 주기적 피로(cyclic fatigue)에 의해 실질적으로 제한된다. 주기적인 피로 수명은 결함의 존재(또는 존재하지 않음)에 의해 좌우되며, 그 후 임계 치수까지 크랙이 성장하여 균열이 촉발된다. 크랙 성장은 주어진 최소 레벨과 최대 레벨 사이에서의 응력 순환의 직접적인 결과이다. 냉간 압연 박편체는 고유한 잔류 결함의 배열이 양호하기 때문에, 박편체는 주기적 피로에 대항하여 우수한 탄력성을 나타낸다.

본 발명은 플라이휠 에너지 시스템에 사용되는 로터를 제조하기 위한 적층형 박편체(stacked laminations)의 사용에 관한 것이다.

특정 실시형태에 있어서, 로터에 의한 플라이휠 인클로저의 활용을 최대화함으로써 표준 원형 디스크 형상보다 개선된 로터 형상이 사용된다.

적층된 박편체 로터 내의 박편체들이 유리하게 결합될 수 있도록 하는 로터 형상의 실시형태들이 설명된다. 특정 실시형태들에 있어서, 스캘럽식 원형 형상(scalloped circular shape)으로 지칭되는, 돌출하는 스캘럽을 갖는 원형 형상이 개시된다. 박편체들은 이 박편체들을 결합 및 고정하기 위해 축방향 볼트가 통과하는 하나 이상의 구멍을 포함한다. 또 다른 실시형태들에 있어서, 성능 제한 응력 상승(performance limiting stress riser)을 발생시키지 않으면서 각각의 꼭짓점 근처에 관통구멍을 허용하는 옥토스퀘어(octosquare) 형상이 사용된다.

특정 실시형태들은, 양쪽 단부에서, 박편체들의 적층물(stack)을 묶는(bracket) 엔드플레이트의 설계에 관한 것이다. 엔드플레이트 실시형태들은 중심 구역 및 이 중심 구역으로부터 방사상 외측으로 발산하는 복수의 스포크(spokes)들을 포함한다. 실시형태들은 다양한 스포크 형상 및 스포크들을 중심 구역에 고정하기 위한 메커니즘에 관한 것이다.

추가 실시형태들은 엔드플레이트에 부착되는 커플링 섹션을 포함하는 스터브 샤프트에 관한 것이다. 특정 실시형태들에 있어서 커플링 섹션은 엔드플레이트에 그리고 원추형 중심 구역에 연결되는 하나 이상의 플랜지를 포함한다.

또 다른 실시형태들은 밸런싱 절차의 일부로서 로터 질량을 추가하거나 제거함으로써 로터 균형이 달성될 수 있게 하는 로터 형상에 관한 것이다. 일 실시형태는, 박편체 적층물을 고정하기 위해 사용되는 스캘럽-형상 돌출부들의 세트로부터 등거리의, 박편체들의 주변에 위치되는, 밸런싱 로브(balancing lobes)들을 추가한다.

주요 실시형태는, 다수의 인접한 박편체들을 포함하고, 하나의 박편체가 다른 박편체의 상부에 적층되는 플라이휠 로터에 관한 것이며, 여기서 각각의 박편체는 동일한 형상을 갖고 중심축에 대해 동일한 배향을 가지며, 여기서 그 형상은 실질적으로 원형이고 외주부에 복수의 돌출부를 포함한다. 이 실시형태는 박편체들의 적층물의 각각의 단부에 엔드플레이트를 포함한다. 스터브 샤프트는, 상하의, 각각의 엔드플레이트에 대해 부착된다.

본 발명의 비-제한적이고 비-배타적인 실시형태들은 다음 도면을 참조하여 설명된다. 도면에 있어서, 유사한 참조 번호는 달리 명시되지 않는 한 여러 도면들에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1은, 플라이휠 유닛으로도 지칭되는, 플라이휠 에너지 저장 시스템의 일 실시형태의 단순화된 단면도이다.
도 2a는 8각형보다 박편체 재료를 더 양호하게 활용하는 8각형에 기초한 적층형 박편체 로터의 형상을 도시한다.
도 2b는 적층형 박편체 로터 형상의 1차원에서의 최대 길이의 개념을 도시한다.
도 2c는 회전하는 로터가 지나가는 체적의 활용 개념을 도시한다.
도 2d는 관통구멍이 도입될 수 있는 주변부 근처에 저응력 구역(low stress regions)을 포함하는, 스캘럽식 원(scalloped circle)이라고 지칭되는 비-원형 박편체 형상의 일례를 제공한다.
도 2e는 정사각형의 네 모서리 각각을 대칭적으로 절단함으로써 정사각형으로부터 얻은 팔각형인, 옥토스퀘어(octosquare)라고 지칭되는 형상을 도시한다.
도 3은 외경부 주위로부터 재료를 제거하여 엔드플레이트가 스포크들을 갖도록 한 엔드플레이트의 일 실시형태를 도시한다.
도 4는 중심 구역에 고정되는 개별 스포크들을 갖는 엔드플레이트를 도시한다.
도 5는 직사각형 단면 스포크들을 갖는 엔드플레이트의 단면을 도시한다.
도 6은 개별 스포크들을 갖춘 엔드플레이트의 다른 실시형태를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 개별 스포크들을 갖춘 엔드플레이트의 다른 실시형태를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 개별 스포크들을 갖춘 엔드플레이트의 다른 실시형태를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 개별 스포크들을 갖는 엔드플레이트의 다른 실시형태를 도시한다.
도 10은 엔드플레이트에 부착되는 스터브 샤프트의 일 실시형태를 도시한다.
도 11은 도 2d를 참조하여 형상을 참조하여 설명된 스캘럽 돌출부로부터 등거리의, 주변부에 각각 위치되는, 밸런싱 로브를 포함하는 박편체 형상을 도시한다.
도 12는 로터 박편체 상의 저-응력 탭의 다른 실시형태를 도시한다.
도면은 단지 예시의 목적으로 본 발명의 실시형태를 묘사한다. 통상의 기술자는 여기에 설명된 본 발명의 원리로부터 벗어나지 않고 여기에 예시된 구조 및 방법의 대안적인 실시형태들이 채용될 수 있음을 다음의 논의로부터 용이하게 인식할 것이다.

이제 본 발명은, 본 발명의 일부를 형성하며, 본 발명이 실현될 수 있는 특정한 예시적인 실시형태를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조하여 이하에서 보다 완전하게 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있고 여기에 설명된 실시형태들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며; 오히려, 이들 실시형태는 본 개시가 철저하고 완전할 수 있도록, 그리고 본 발명의 범위를 통상의 기술자에게 충분히 전달하도록 제공된다. 무엇보다도, 본 발명은 방법, 프로세스, 시스템, 또는 장치로 구현될 수 있다. 따라서 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여서는 안 된다.

도입

적층형 로터는 많은 박편체(laminations)들을 적층함으로써 구성되며 여기서 각각의 박편체는 중심축에 대해 동일한 형상 및 동일한 배향을 갖는다. 예를 들어, 300mm 두께의 로터는 각각 2mm 두께의 150개의 박편체가 필요하다. 단일 포인트 결함의 경우, 인접한 박편체들이 추가 하중을 지지할 수 있도록 전체 적층 설계를 체계화함으로써, 단일 포인트 결함에 대항한 탄력성을 갖게 설계할 수 있어, 치명적인 고장을 방지할 수 있다.

따라서, 적층된 강철 박편체들로 구성된 로터는 비용이 덜 들 수 있고, 모놀리식 단조강 로터보다 더 높은 응력 스윙(stress swing)을 제공할 수 있다. 이는 로터의 단위 비용 활용도당 성능이 더 양호하게 향상되도록 하고, 결과적으로 시스템의 플라이휠 밸런스의 활용도가 향상되도록 한다.

박편체는 스탬핑, 레이저 커팅, 또는 임의의 또 다른 적절한 공정에 의해 제조될 수 있기 때문에, 적층형 박편체 로터의 형상이 원형일 필요는 없다는 것을 알 수 있다. 그러한 공정들은 임의의 형상을 만들어내기 위해 사용될 수 있으며; 따라서 어떠한 형상의 박편체라도 만들어낼 수 있다. 따라서 적층된 박편체들로 만들어진 로터는 원형의 외형 또는 원통형 형상으로 제한되지 않는다. 본 발명의 주목적은, 적층형 박편체 로터를 위한 유리한 형상을 달성하는 것 그리고 관련 서포트 요소들을 제공하는 것이다.

정의

여기에서 사용되는 바와 같이 다음 용어는 아래에 주어진 의미를 갖는다:

에너지 저장 시스템 - 여기에서 사용되는 바와 같이, 에너지를 저장 및 방출하는 시스템을 지칭한다. 에너지 저장 시스템은 전형적으로 전력망에 연결되어, 전력망이 필요에 따라 에너지를 저장 및 인출할 수 있도록 한다.

플라이휠 에너지 저장 시스템, 플라이휠 유닛 또는 플라이휠 장치, 또는 플라이휠 - 여기에서 사용되는 바와 같이, 플라이휠 로터에 운동 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템이다. 함께 결합될 때, 하나 이상의 플라이휠 유닛들은 하나의 에너지 저장 시스템을 형성한다. 플라이휠 유닛은 플라이휠 하우징 또는 인클로저와 이 플라이휠 인클로저가 수납하는 임의의 로터, 모터/교류발전기 및 또 다른 요소들, 뿐만 아니라 플라이휠 인클로저에 수납 및 장착될 수 있는 임의의 파워 일렉트로닉 요소(power electronic elements)들을 지칭한다.

플라이휠 로터 또는 로터 - 여기에서 사용되는 바와 같이, 전형적으로, 회전하는 실린더 또는 디스크와 같은 회전대칭 질량인 에너지 저장 시스템의 주요 구성요소이다. 로터는, AC-AC 변환 서브시스템을 구성하는, 백투백(back-to-back) 인버터 시스템과 같은 컨버터에 전기적으로 연결되는 모터/교류발전기에, 직접 또는 간접적으로, 물리적으로 연결된다. 저장을 위한 전력이 수신되면, 로터가 구동되고, 플라이휠 로터의 회전 속도가 증가한다. 플라이휠 로터가 더 빨리 회전할수록 더 많은 에너지가 저장된다. 전력이 추출될 때, 플라이휠 로터는 모터/교류발전기를 구동시킨다.

박편체(lamination) - 여기에서 사용되는 바와 같이, 일반적으로 냉간 압연 공정에 의해 제조되는, 얇고 매끄럽고 평평한 재료 조각, 전형적으로 강철 조각을 지칭한다. 냉간 압연강은 박편체에 사용될 수 있는 재료의 명백한 예이지만, 다른 유형의 재료, 특히 플라스틱, 알루미늄, 시멘트, 유리, 강철(냉간 압연강 제외)이 사용될 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 박편체는 소정 형상으로 절단되고 2개의 측면, 즉 상부 측면 및 하부 측면을 갖는다.

박편체 적층물(lamination stack)이라고도 하는 적층형 박편체 로터(stacked lamination rotor) - 여기에서 사용되는 바와 같이, 하나의 박편체가 그 다음 박편체 위에 적층되는, 복수의 인접한 박편체들로 구성된 로터를 지칭한다. 적층형 박편체 로터는 2개의 단부, 즉 상단부 및 하단부를 갖는다. 전형적으로, 박편체들은 동일한 형상을 가지며, 서로 인접하게 위치되고 중심축에 대해 동일한 회전 배향을 가지며 함께 결합되거나 유지된다. 예를 들어, 복수의 원형 박편체들은 원통형을 나타낼 것이다. 다수의 직사각형 박편체들은 직사각형 직육면체를 나타낼 것이다. 여기에 설명된 바와 같이 적층형 박편체 로터의 주된 응용분야는 플라이휠 에너지 저장을 위한 것이지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 모터 및 또 다른 기계 장치에 사용되는 로터는 본 발명의 이점을 취할 수 있다.

플라이휠 에너지 저장 시스템

도 1은 플라이휠 유닛(100)으로도 지칭되는 플라이휠 에너지 저장 시스템의 일 실시형태의 단순화된 단면도이다. 플라이휠 유닛(100)은, 플라이휠 로터 조립체(130) 또는 단순히 플라이휠 로터(130), 2가지 기능이 단일의 서브시스템에 의해 전형적으로 수행되기 때문에 모터/교류발전기(140)라고도 하는 모터 및 교류발전기(140), 플라이휠 하우징 또는 인클로저(110), 및 파워 일렉트로닉스 유닛(120)을 포함한다.

모터/교류발전기(140)는 전기적 에너지와 기계적 에너지 사이를 변환하여, 에너지가 플라이휠(130)에 저장되거나 그로부터 인출되도록 할 수 있다. 모터/교류발전기(140)는 모터 및 교류발전기의 기능을 결합하므로, 모터 및 교류발전기(140)라고 지칭할 수도 있다. 특정 실시형태들에 있어서, 모터/교류발전기(140)는 플라이휠 로터(130)의 하부 저널에 순차적으로 결합되고, 하부 지지 베어링에도 연결되는 하부 스터브-샤프트(134)를 통해 간접적으로 플라이휠 로터(130)에 결합된다. 상부 스터브 샤프트(132)는 상부 베어링에 대해 플라이휠 로터(130)에 결합된다. 또 다른 실시형태들에 있어서, 플라이휠 로터(130)는 모터/교류발전기(140)에 결합되는 샤프트를 합체한다. 모터/교류발전기(140)는 전형적으로 플라이휠 인클로저(110)를 통한 진공 피드스루(vacuum feedthrough)를 통해 진행하는 와이어 또는 또 다른 전기적인 커플링을 경유하여 파워 일렉트로닉스 유닛(120)에 연결된다.

플라이휠 유닛(100)은 로터(130)의 질량을 적어도 부분적으로 부상시키는 자기 언로더라고도 지칭하는 리프팅 자석(150)을 더 포함한다. 리프팅 자석(150)은 플라이휠 로터(130) 위에 위치된다.

파워 일렉트로닉스 유닛(120)은 dc 또는 ac의 입력 전류를 모터/교류발전기(140)에서 허용되는 교류로 변환하기 위한 파워 컨버터를 포함하는 전기적 구성요소를 둘러싸 수용하는 하우징을 갖는다. 또한 파워 일렉트로닉스 유닛(120)은, 플라이휠 유닛(100)의 통신, 제어 및 상태 모니터링을 수행하기 위해 필요한 센서, 프로세서, 메모리, 컴퓨터 스토리지, 및 네트워크 어댑터를 포함할 수 있다.

플라이휠 하우징(110)이 다른 실시형태에서 단일의 플라이휠 로터(130) 및 단일의 모터/교류발전기(140)를 둘러싸는 것으로 도시되어 있지만 단일의 인클로저는 다수의 로터들 및 모터/교류발전기들을 둘러쌀 수 있다.

개별 박편체 형상

원형 디스크-형상의 박편체가 플라이휠 로터 형상에 대한 자연스러운 선택이지만, 가장 전통적인 대칭을 제공한다면, 또 다른 형상들도 실용적이며 실질적으로 유리하다. 냉간 압연 박편체 재료는 일반적으로 제조사에서 코일 형식으로 공급하기 때문에 전략적인 형상 선택으로 박편체 재료의 활용도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 공급된 그대로의 코일 폭과 일치하는 적어도 2개의 측면 또는 모서리를 갖는 정다각형은 기존의 원보다 더 높은 비율로 박편체 재료를 사용한다.

도 2a 내지 도 2e는 적층형 박편체 로터의 대안적인 형상의 실시형태들을 도시한다. 이들 실시형태들에 있어서, 그 형상은 중심축 주위에서 대칭이며, 회전 대칭으로도 지칭된다. 이들 형상은 원형에 가깝지만, 그 형상의 주변, 외부 가장자리, 또는 외주부를 따라 돌출부들을 갖는다. 돌출부는, 고정 또는 결합 볼트의 배치를 위한 관통구멍이 박편체 형상의 외주부를 따라 돌출부 내에 만들어질 수 있도록 하여, 관통구멍과 관련된 응력을 최소화한다. 박편체 적층물은 고정 메커니즘에 의해 함께 묶인다. 특정 실시형태들에 있어서, 고정 메커니즘은 관통구멍을 통과하는 2개 이상의 타이-로드 또는 볼트를 갖는다. 고정 메커니즘은 박편체가 고정될 때 적층물 내의 각각의 박편체가 중심축에 대해 동일한 배향을 갖는 것을 보장한다. 엔드 플레이트는 적층물의 각각의 축방향 단부에서 적층물을 더욱 고정시킨다. 여기에 개시된 형상의 실시형태들은 모두 회전 대칭이지만, 본 발명은 그렇게 제한되지 않으며 회전 대칭이 아닌 다른 형상도 본 발명의 범위에 속한다.

참고로, 정사각형에 내접하는 원은 사용 가능한 재료의 π/4 또는 약 0.785 분율(fraction)을 소비한다. 제공된 정사각형의 각 모서리 부분을 공유하는 정팔각형은 사용 가능한 재료의 약 0.83 분율을 소비한다.

도 2a는 팔각형보다 박편체 재료를 더 양호하게 활용하는, 호형(arced) 팔각형으로 여기에 지칭되는, 팔각형에 기초한 형상(200)을 도시한다. 이 형상은 팔각형의 대향하는 4의 측면에 공통 중심과 각각 동심인 원형 호를 갖는다. 소비된 면적 분율은 0.84 이다. 이러한 분율, 즉 0.84는 동일한 정사각형 박편체 면적으로부터 절단해 낼 수 있는 가장 큰 원보다 7% 더 크며, 이는 7% 더 많은 가용 에너지 저장 용량을 나타낸다.

상기 수학식 1에 소개된 바와 같이, 형상계수 k는 원심력으로 유도된 응력을 받을 때 플레이트 내에서 응력이 얼마나 효과적으로 분포되는지를 나타내는 지표이다. 기존의 강철 푸아송 비(Poisson ratio) 0.3을 갖는 2mm 두께 박편체의 경우, 직경이 43인치인 원형 형상은 유한 요소 분석법에 의해 두 자리 정확도로 0.61의 형상계수를 초래한다. 이것은 극도로 얇은 디스크에 대한 이상적인 평면 응력 분석 값과 본질적으로 합치하므로, 동일한 직경의 10 내지 14인치 두께의 모놀리식 로터에 비해 대략 10% 개선을 나타낸다. 또한 4개의 원형 호를 갖는 형상(200)에 대한 유사한 분석도 0.61의 형상계수를 초래한다. 따라서 변형 팔각형의 에너지 성능은 기존의 원형 형상과 동일하지만, 형상(200)의 변형 팔각형은 절단된 정사각형의 0.84의 일부 면적(fractional area)(및 부피)을 활용한다. 많은 유사한 비-원형 형상도 대략 0.61의 본질적으로 동등한 형상계수를 나타낸다.

재료 면적 활용도는 면적비 A_s/s²로 요약될 수 있으며, 여기서 A_s는 박편체 형상의 면적이고, s는 이 형상을 포함하는 가장 작은 정사각형의 변이다. 여기서 이 아이디어는 냉간 압연 코일의 폭 s가 박편체 형상을 절단해 낼 수 있는 사용 가능한 정사각형 면적을 정의한다는 것이다. 도 2b는 변 s를 갖는 정사각형 내에 내접하는 박편체 형상의 실시형태를 도시한다. 구체적으로, 이것은 변 s를 갖는 정사각형에 내접하는 정팔각형 박편체 형상을 나타낸다.

전체 형상에 대한 또 다른 고려사항은, 설계된 형상이 인클로저의 이용 가능한 스위프 볼륨(available swept volume)을 얼마나 잘 활용하는가이다. 도 2c는 인클로저 볼륨의 활용 개념을 도시한다. 이 경우에 있어서, 회전 중심으로부터 인클로저의 가장 가까운 한계 바운더리까지의 반경방향 거리는 R이고, 수용될 수 있는 가장 큰 축방향 투영 면적은, 반경 R의 경계를 이루는 원에 상응하는 πR² 이다. 이러한 한계를 감안하면, 경계 원 면적의 가능한 가장 큰 일부를 차지하는 형상은 인클로저 볼륨의 활용에 있어서 가장 효율적이다. 따라서 최적화 기준은 사용 가능한 스위프 면적을 가장 잘 활용하기 위해서 면적비 A_s/s² 를 최대화하고, 그에 따라 플라이휠 유닛 인클로저의 볼륨을 최대화하는 것이다.

도 2a 및 도 2b에 나타낸 박편체 형상 최적화 설계 기준이 일치하는 것은 아니지만, 이들 기준 사이의 파레토-최적 트레이드-오프를 나타내는 형상 최적화를 위한 프로세스가 이어질 수 있다. 따라서 전략적 설계는 두 기준 모두를 고려할 수 있으며, 최상의 절충안을 선택해야 한다.

적층형 박편체 조립체(Stacked Lamination Assembly) 및 결합 전략(Joining Strategy)

서로에 대한 박편체들의 결합 그리고 베어링에 의한 지지를 제공하기 위한 스터브 샤프트(또는 샤프트)에 대한 박편체들의 결합은 형상 설계에 훨씬 더 중요한 제약을 가한다. 비-원형 박편체 형상의 이용은 유리한 결합 기술을 가능하게 한다.

박편체들은 많은 가능한 수단에 의해 함께 결합될 수 있다. 이들 수단에는 접착 본딩, 많은 전기 기계 로터 조립체에서와 같이 중심 샤프트에 대한 억지 끼워맞춤, 많은 가능한 용접 공정 중 하나에 의한 주변부에 대한 용접, 그리고 축방향 볼트 유지가 포함된다. 현재까지, 이전에 알려진 모든 결합 전략은 도전 과제를 제시한다.

접착제는, 큰 면-내 인장 하중과 관련된 푸아송 유도 축방향 하중과 함께, 고속 회전으로 인한 큰 원심 하중과 직면하는 축방향 및 반경방향 응력의 관점에서 강도 한계를 나타낸다. 접착제는 또한 열적 한계와 진공 인클로저에서의 사용 호환성으로 인해 어려움을 겪는다.

일부 경우에 있어서 주변부에 대한 용접이 가능할 수 있지만, 용접은 일반적으로 용접의 관련 열 영향 영역으로 인해 재료 열화를 가한다. 레이저 용접은 소형의 전기적 강철 박편체 적층물에 일반적으로 사용되지만, 이러한 경량 용접은 근본적인 구조적 용접으로 의도되지 않는다.

중심 샤프트 또는 축방향 유지 볼트의 사용은 관통구멍, 즉 적층형 박편체 로터에서 적층된 박편체들을 축방향으로 통과하는 구멍을 필요로 한다. 일반적으로, 후프(hoop) 응력 및 반경방향 응력이 거의 동일한 로터의 중심 근처의 구역의 경우(2축 응력 조건), 요구되는 관통구멍의 후프 응력은 퍼짐 주 응력(prevalent principal stresses)들 중 하나의 2배이다. 중심 구역으로부터 멀리 떨어진 구역, 예를 들어 원형 디스크의 주변부에 있어서, 응력은 후프(원주방향) 배향으로의 단축 응력이다. 단축 응력의 경우, 원형 관통구멍은 퍼짐 응력의 3배에 달하는 국부 응력 상승(local stress riser)을 초래한다. 따라서 원형 박편체 형상 내의 관통구멍은 일반적으로 원형 박편체에 실용적이지 않다.

그러나, 박편체 형상이 원형일 필요는 없기 때문에, 관통구멍이 도입될 수 있는 주변부 근처의 저 응력 구역을 허용하는 많은 비-원형 형상이 존재하며, 박편체의 대부분(bulk)에 있어서 전체 펼침 응력에 비해 응력이 크게 증가하지 않는다. 도 2d는 관통구멍이 도입될 수 있는 주변부 근처의 저 응력 구역을 포함하는, 여기에서 스캘럽식 원으로 지칭되는, 비-원형 박편체 형상(220)의 일례를 제공한다. 형상(220)은 원형이 아닌 형상에 대해 돌출하는 "스캘럽(scallops)"을 도입한다. 형상(220)은 원형이 아닌 박편체 형상의 주변부를 따라 균일하게 이격된 8개의 스캘럽(222)을 갖는다. 원심 하중 하에서, 스캘럽은 펼침 후프 응력으로부터 효과적으로 보호되어, 매우 낮은 응력을 유지하는 구역이다. 따라서 응력 상승의 어려움을 발생시키지 않으면서 각각의 스캘럽 내에 하나 이상의 관통구멍을 쉽게 도입할 수 있다. 이러한 접근 방식은, 축방향으로 배향된 볼트로, 박편체들을 함께 결합하는 것을 허용한다.

형상(220)의 돌출부들은 등거리이고 스캘럽-형상을 갖지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않는다. 또 다른 실시형태들에 있어서 돌출부들은 등거리가 아닐 수 있고 돌출부의 형상은 스캘럽-형상이 아닐 수 있다.

본 발명의 일반성을 예시하기 위해, 도 2e는 정사각형의 4개의 모서리 각각을 대칭적으로 절단함으로써 정사각형으로부터 얻어진 팔각형인, 옥토스퀘어(octosquare)라고 지칭되는 형상(240)을 도시한다. 원심 하중을 적용하여, "옥토스퀘어" 박편체들의 적층물의 3-D 모델에 대한 유한 요소 분석법으로 결정된 바와 같이, 옥토스퀘어의 꼭짓점은 형상의 볼륨 대부분(bulk)에 비해 훨씬 낮은 응력 수준으로 유지된다. 유한 요소 분석법에 있어서, 폰 미제스 상당 응력(von mises equivalent stress)은, 로터의 중심 구역의 펼침 응력 수준에 비해, 꼭짓점 근처에서 크기 순서대로 감소한다. 따라서 각각의 꼭짓점 근처의 구역은 성능 제한 응력 상승을 발생시키지 않으면서 관통구멍을 유지할 수 있다.

관통구멍으로, 조립된 박편체 적층물에 대한 3차원 강성을 제공하는 구조적 유지 볼트의 세트를 도입하는 것은 간단하다. 그러한 조립체에 있어서의 과제 중 하나는, 다양한 부하 조건뿐만 아니라, 변화하는 온도와 같은 작동 조건 전반에서 미끄러짐(slippage)을 방지하는 것이다. 임의의 미끄러짐은 균형 상실로 이어질 수 있으며, 나아가서, 미끄러짐이 회전 프레임에서 상당한 감쇠를 나타낸다면, 동적 불안정으로 이어질 수 있다. 미끄러짐과 관련된 각각의 결과는 사실상 실패 모드(failure mode)이다. 미끄러짐을 방지하기 위해서, 유지 관통 볼트는 스캘럽 또는 꼭짓점 내의 관통구멍 부근의 구역에서 적층물 전체에 걸쳐 적절한 압축 표면 접촉 하중을 유지하도록 치수를 정하고 장력이 가해지도록 특정되어야 한다. 미끄러짐에 대한 마찰 고려사항은 필요한 압축 표면 접촉 응력, 그리고 순차적으로, 관통 볼트 직경, 재료, 및 장력 수준을 계산하기 위해 사용된다.

볼트 장력 수준을 확인하는 편리한 방법은 볼트가 장력을 받을 때의 볼트 길이 연장을 단순히 측정하는 것이다. 이것은, 볼트 토크 사양의 기존 용도와 달리, 볼트 변형 및 응력 상태의 직접적인 측정을 제공한다.

또 다른 고려사항은, 볼트 삽입 동안에, 그리고 작동 동안에 볼트 및 박편체 계면 마모를 완화하기 위해, 관용적인 관통구멍 슬롯 라이너(forgiving through hole slot liner)를 사용하는 것이다. 원심 하중을 주기적으로 가하면, 관통 볼트는 각각의 간극 구멍 내에서 (주기적으로) 편향될 수 있으며, 원심 하중을 받을 때 간극 구멍의 측벽에 의해 지지되게 된다. 주기적인 원심 하중 및 하중 해제로, 측벽과의 이러한 주기적인 상호작용은 표면 마모를 생성할 수 있는 마모 프로세스를 구성하고 이에 따라 볼트 신뢰성이 저하될 수 있다. 슬롯 라이너는 알루미늄이나 황동과 같은 보다 연질의 금속 또는 유기 재료로 만들어질 수 있다. 슬롯 라이너는 일체형 튜브 또는 슬롯형 튜브(slotted tube)로 제작될 수 있다. 후자는, 예를 들어 두께가 0.1 내지 1.0 mm 범위 내에 있는, 알루미늄 스톡의 시트로부터 슬롯 라이너를 굽힘 성형함으로써 제작될 수 있다.

스터브 샤프트에 대한 결합

특정 실시형태들에 있어서, 작동, 휴지 또는 운송 동안에 2개 이상의 기계적 베어링에 의해 구속되는 회전 시스템의 경우, 적층형 박편체 로터는 베어링과 접속되기 위해 한 쌍의 스터브 샤프트에 결합되어야 한다. 다음의 논의는 적층형 박편체 로터의 한쪽 단부에 초점을 맞추며, 적층형 박편체 로터의 다른쪽 단부에도 동등한 결합 방식이 사용될 수 있음을 이해할 수 있다.

위에서 논의된 것과 유사한 구조용 관통 볼트가 엔드플레이트에 연결되도록 사용될 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 엔드플레이트라는 용어는 특히 단일의 솔리드 부품일 수도 있고, 또는 다수의 구성요소로 조립될 수도 있다. 엔드플레이트의 목적은 로터 주변부 근처의 축방향 관통 볼트와 중심의 스터브 샤프트와의 사이에 구조적으로 충분한 연결을 제공하고자 하는 것이다.

특정 실시형태들에 있어서, 중실의 원형 엔드플레이트가 사용된다. 회전하는 디스크의 피크 등가 응력(peak equivalent stress)은 중심에서 발생한다. 원통형 샤프트 또는 기타 전략적으로 설계된 스터브 샤프트를 평판에 결합하기 위해 사용되는 모든 방법은 이러한 피크 응력 구역에서 응력 상승을 발생시킬 것이다. 나아가서, 박편체 형상 설계를 고려하여 위에서 논의한 바와 같이, 주변부 근처에서 원형 엔드플레이트에 관통구멍을 도입하는 것은 심각한 국부 응력 상승을 발생시킨다. 중심 및/또는 주변에서, 이러한 응력 상승은 최대 속도를 제한하고 그에 따라 로터의 에너지 저장 용량을 제한한다. 로터의 상부 및 하부 엔드플레이트는 샤프트 연결 및 구조 관통 볼트(structural through bolt)에 대한 연결의 응력을 감소시키는 방식으로 형성되어야 한다.

특정 실시형태들에 있어서, 여기에 리프팅 자석(150)이라고 지칭되는 자석-기반 오프로딩 시스템은, 이것이 없다면 시스템 베어링에 부과될 중력 부하에 대응하기 위해 로터에 자기 리프팅 힘을 제공한다. 리프팅 자석(150)과 상호작용하기 위해, 완전한 밀도 및 원 대칭을 갖춘 플라이휠 로터(130)용의 강자성 상부 강철 엔드플레이트의 구역을 유지하는 것이 바람직하다. 따라서 자기 리프팅의 사용은 상부 엔드플레이트의 설계에 한 가지 제약을 부과한다.

도 3은 엔드플레이트가 스포크(310)들을 갖도록 외경부 주위로부터 재료를 제거한 엔드플레이트(300)의 일 실시형태를 도시한다. 엔드플레이트(300)에 있어서, 재료는 중심 구역(320)으로부터 반경방향 외측으로 연장되는 스포크(310)들을 생성하기 위해 제거된다. 중심 구역(320)은 전형적으로 솔리드 강철로 만들어지고 플라이휠 로터(130)를 부상시키기 위해 리프팅 자석과 상호작용한다. 엔드플레이트(300) 주변부에서의 감소된 질량은 중심 구역(320)의 응력을 효과적으로 감소시켜, 하부 스터브 샤프트(134)에 대한 부착을 허용한다. 엔드플레이트(300)는 특히 중심 구멍(330), 보어, 볼트 서클(bolt circle), 또는 샤프트에 대한 연결을 위한 용접을 포함하는 다양한 메커니즘에 의해 스터브 샤프트(134)에 부착될 수 있다. 이러한 설계에 있어서 임의의 개수의 스포크가 사용될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 스포크(310)의 단부는 이전에 논의된 관통 볼트에 대한 직접 연결에 의해 인접한 박편체 적층물에 연결된다. 특정 실시형태들에 있어서, 적층 스택에 대한 상부 엔드플레이트 및 하부 엔드플레이트는 박편체 적층물에 묶인다(bracket). 또 다른 실시형태들에 있어서, 박편체 적층물의 상부 또는 하부에서 단일의 엔드플레이트만이 존재할 수도 있다. 엔드플레이트(300)의 중심 구역은 전형적으로 리프팅 자석과 상호작용하기 위해 중실의 강자성 강철로 만들어진다. 리프팅 자석(150)이 로터(130) 위에 위치하기 때문에, 이러한 제약은 로터(130)의 상부에 있는 엔드플레이트에 대해서만 요구된다. 따라서 특정 실시형태들에 있어서 하부 엔드플레이트의 중심 구역은 강자성 강철로 만들어지지 않을 수 있다.

또 다른 기계적 연결이 사용될 수도 있다. 스포크(310)들은, 스포크의 길이를 따라 스포크의 단부에 더 많은 질량이 존재하도록, 외측으로 테이퍼질 수 있거나 도그본(bogbone)-형상을 가질 수 있다. 스포크(310)의 단부는 외경부 주변에서 림을 통해 연결될 수 있다. 스포크 단부에서의 추가 질량은, 원심 하중을 받을 때 스포크의 단부가 인접한 원형 플레이트에서와 동등한 반경방향 변위를 경험하도록 설계될 수 있어, 스포크에서의 관통 볼트 조인트에 대한 응력 상승을 방지한다. 스포크(310)의 길이 및 폭은 플레이트 중심에서의 최대 허용가능 응력 및 로터를 상승시키기 위해 사용되는 오프로딩 자석의 면적에 의해 결정된다.

특정 실시형태에 있어서, 엔드플레이트(300)는 위에서 설명된 것 이상의 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 엔드플레이트는 평평한 외형을 가지기 보다는 3차원 형상을 가질 수 있다. 중심 허브는 임의의 직경을 가질 수 있으며, 전체 엔드플레이트 직경은 박편체 적층물의 직경과 반드시 동일할 필요는 없다. 스포크가 중심 허브와 만나는 엔드플레이트(300) 내의 필렛(fillets)은 국부 응력 상승을 충분히 완화시키는 임의의 반경을 가질 수 있으며, 스포크 단부에서의 질량은 반경방향 변위가 인접한 박편체 적층물과 합치하도록 스포트에 원심력을 적절하게 전달하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 스포크(310)는 외측으로 테이퍼질 수 있고, 스포크의 단부를 향해 질량이 증가할 수 있고; 또는 내측으로 테이퍼질 수 있다. 스포크(310)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 질량을 증가시키기 위해 스포크의 단부에 추가적인 특징을 가질 수 있다.

달리 설명되지 않는 한, 엔드플레이트(300)의 설계 및 구조에 관한 언급은 아래에 설명되는 또 다른 엔드플레이트 실시형태에 적용된다.

모놀리식 솔리드 강철 엔드플레이트, 즉 단일 조각의 강철로 만들어진 엔드플레이트의 사용은 재료 비용, 기계가공 비용, 및 응력 패턴과 관련하여 차선책일 수 있다. 솔리드 강철로 만들어진 엔드플레이트(300)의 실시형태는, 원형 또는 직사각형의 솔리드 플레이트로부터, 제조시 상당한 양의 재료의 희생, 즉 제거를 필요로 한다. 또한 제조에는 상당한 기계가공 및 마감 단계가 요구된다. 그리고 이 부품은 일체형 솔리드 강철 스포크들을 유지하기 때문에, 잔류 원심 하중이 여전히 중심 구역에 제한 응력을 부과할 수 있다.

이러한 잠재적인 문제를 해결하기 위해 엔드플레이트 실시형태는 중심 구역에 고정되는 개별(discrete) 스포크를 가질 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 개별 스포크는 특히 볼트, 용접 또는 스터드와 같은 고정 메커니즘을 통해 엔드플레이트의 중심 구역에 부착 또는 고정된다. 대조적으로, 엔드플레이트(300)의 스포크(310) 및 중심 구역(320)은 단일의 재료 조각으로 기계가공 된다. 예시적인 재료 선택은 특히 알루미늄, 강철, 티타늄, 및 복합재를 포함한다.

도 4는 개별 스포크(410)를 갖는 엔드플레이트(400)의 일 실시형태이다. 스포크(410)는 실질적으로 중공 튜브(412)로 만들어진다. 중공 튜브(412)는 단면이 직사각형 또는 원형일 수 있고, 고강도 및 충분히 높은 강도-대-중량 비율을 갖는 임의의 바람직한 재료로 제작될 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유 복합 튜브는 다양한 단면 형상, 치수, 벽 두께, 및 재료 선택에 있어서 상업적으로 제공되며, 따라서 꽤 유리한 선택을 구성한다. 예컨대 탄소 섬유와 같은, 강철보다 밀도가 낮은 특정 재료의, 개별 스포크의 사용은, 재료가 강철보다 저밀도이고 중공이기 때문에, 질량이 줄어들지만 여전히 고강도 강철과 유사한 인장 강도 등급을 유지한다. 이러한 주변 구역에 있어서의 감소된 질량은, 순차적으로, 솔리드 중심 구역에서의 원심 하중을 감소시킨다. 그러한 개별 스포크 설계로, 중심 플레이트가 작은 직경을 가지므로 재료 비용도 절감되고, 제조시 재료 손실이 최소화된다.

각각의 스포크(410)는 엔드플레이트(400)의 중심 구역(420)으로부터 돌출하는 원형 스터드(414) 상에 접속 또는 고정된다. 중공 스포크(410)는, 엔드플레이트(300)와 관련하여 상기된 바와 같이, 많은 가능한 재료로 만들어질 수 있다. 특정 실시형태들에 있어서, 엔드플레이트(400)는 각각의 관통 볼트에 대한 구조적 접속을 제공하기 위해 각각의 스포크의 외측 종단부에 러그(430)를 갖는다.

도 5는 직사각형 단면을 갖는 복수의 개별 스포크(510)들을 갖는 엔드플레이트(500)의 일부를 도시한다. 참고로, 스포크(510)들은 중앙의 솔리드 강철 중심 구역(520)으로부터 기계가공된 돌출 스터브(530)와 직접 접속될 수 있다. 관통 볼트(540)는 엔드플레이트(500)를 아래의 박편체들에 연결한다. 외측 종단부에는 관통 볼트(540)와 함께 러그가 사용될 수도 있고 사용되지 않을 수도 있다.

도 6은 스포크(610)를 갖는 엔드플레이트(600)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 엔드플레이트(600)의 배열은 대부분 엔드플레이트(400)의 배열과 유사하다. 그러나, 엔드플레이트(600)에 있어서, 스포크는 솔리드 금속 원형 바(예컨대, 고강도 강철)로부터 기계가공 되고, 중심 구역(620)의 보어(612) 내로의 나사결합 또는 억지 끼워맞춤을 이용하여 엔드플레이트(600)의 중심 구역(620)에 고정된다. 스포크(610)는 또한 각각의 구조 관통 볼트와의 접속을 용이하게 하기 위해 말단부에 러그(630)를 포함한다.

도 7a 및 도 7b는 복수의 스포크(710)를 갖는 엔드플레이트(700)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에 있어서, 중심 구역(720)의 외경부는 한 쌍의 반경방향 탭 구멍(radial tapped holes)을 갖는 평평한 영역을 갖는다. 그 다음 스포크(710)의 근위 단부 상의 대응하는 플랜지(730)는 기존의 기계 나사(734)를 이용하여 중심 구역(720)에 고정될 수 있다.

도 7c 및 도 7d는 복수의 스포크(750)를 갖는 엔드플레이트(740)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에 있어서, 중심 구역(760)의 외경부는 턴버클(turnbuckle) 부착 기구(762)를 갖는다.

도 8a 및 도 8b는 복수의 스포크(810)를 갖는 엔드플레이트(800)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 또 다른 실시형태에 있어서, 중심 구역(820)은, 주변부에, 하나 이상의 전단 핀(830)을 통해 스포크(810)를 연결하기 위해 사용되는 축방향 구멍을 갖는다. 엔드플레이트(800)는 스포크(810)당 2개의 축방향 핀(830) 및 2개의 구멍(핀(830)으로 채워져 있으므로 보이지 않음)을 갖는다. 엔드플레이트(800)의 또 다른 실시형태에 있어서 스포크당 하나의 축방향 핀(830) 또는 스포크당 2개보다 많은 축방향 핀이 존재할 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 축방향 전단 핀(830)은 중심 플레이트에 각각의 스포크를 마찰식으로 클램핑하기 위해 관통 볼트로 대체될 수 있다.

도 9a 및 9b는 복수의 스포크(910)를 갖는 엔드플레이트(900)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에 있어서, 중심 구역(920)은 스포크(910)의 단부 상의 대응하는 특징부와 접속되는 전나무 스타일 절취부(930)를 갖는다. 또 다른 실시형태에 있어서, 절취부(930)는, 스포크(910)와 중심 구역(920) 사이의 포획 조인트(captive joint)를 유지하는, 벌브(bulb) 및 루트(root)와 같은 대안적인 형태를 가질 수 있다. 전나무 컨셉은 항공우주 산업에서 일반적으로 사용되며 내구성 및 자가-잠금기능(self-locking)이 있다. 나아가서, 조립 후에 스포크를 제자리에 유지시키기 위해, 특히 잠금 와이어, 세트 스크류, 피닝(peening), 핀, 또는 키와 같은 잠금 메커니즘이 사용될 수 있다.

도 3 내지 도 9에 도시된 엔드플레이트 실시형태들 모두는, 이전에 논의된 이유로, 스포크를 포함한다. 일반적으로, 본 발명은 회전대칭인 엔드플레이트를 포함하며, 이는 중심 구역을 갖고, 중심 구역으로부터 방사상 외측으로 발산하는 스포크들을 갖는다. 스포크를 중심 구역에 고정하기 위한 다양한 스포크 형상 및 메커니즘이 사용될 수 있다. 또한, 중심 구역뿐만 아니라 스포크는, 특히 강철, 플라스틱, 및 탄소 섬유를 포함하는 다양한 재료로 만들어질 수 있다. 또한, 엔드플레이트는 볼트를 받아들이기 위해 중심 구역에 하나 이상의 구멍을 가질 수 있다. 또한, 스포크의 원위 단부는 엔드플레이트를 박편체 적층물에 고정시키는 볼트를 받아들이기 위한 관통구멍을 가질 수 있다.

도 10은 엔드플레이트에 부착되는 스터브 샤프트(1000)의 일 실시형태를 도시한다. 스터브 샤프트(1000)는 플라이휠(130)과 회전 대칭이다. 스터브 샤프트(1000)는 상부 원통형 섹션(1010) 및 커플링 섹션(1015)이라고도 지칭되는 하단부를 가지며, 이 커플링 섹션은 엔드플레이트(300, 400, 500, 600, 700, 800, 900)와 같은 엔드플레이트에 부착된다.

커플링 섹션(115)은 하나 이상의 플랜지(1030) 및 중심 구역(1020)을 포함한다. 스터브 샤프트(1000)의 하부에 있는 플랜지(1030)는 나사식 볼트와 같은 기계적 부착 또는 용접을 통해 엔드플레이트에 연결된다. 특정 실시형태들에 있어서, 중심 구역(1020)은 원추형이고, 이것이 가요성을 갖도록(flex) 할 수 있어 플랜지(1030)가 충분한 축방향 강성을 유지하면서 방사상으로 이동하는 것을 허용한다. 이러한 설계는 엔드플레이트에 대한 연결에서 로터(130)에 의한 방사상 팽창 및 수축을 수용한다.

스터브 샤프트(1000)는 측방향 굽힘 순응성(lateral bending compliance)을 부여받을 수 있다. 그러한 굽힘 순응성은 공진 모드를 관리하기 위해 플라이휠 유닛(100)에서 서스펜션 기능으로 사용될 수 있다. 통상의 작동 중에 그러한 공진을 촉발시키는 것을 방지하기 위해, 작업 속도 범위 미만이 되도록 이러한 모달 주파수(modal frequencies)를 설계하는 것이 종종 전략적이다.

밸런싱

적층형 박편체 로터는 다수의 구성요소로부터 조립되기 때문에, 조립시 로터는 어느 정도 정적 및 동적 불균형을 나타낼 수 있다고 예상된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 정적 불균형은 베어링 저널(bearing journals)에 의해 정의된 바와 같이 회전 축에 대한 로터 질량 중심의 오프셋을 나타낸다. 동적 불균형은 베어링 저널에 의해 정의되는 회전 축에 대한 관성 모멘트의 극주축(polar principle axis)의 경사 각도를 나타낸다. 표준 밸런싱 리그(standard balancing rigs)는 정적 및 동적 균형, 예컨대 2-면(two-plane) 밸런싱의 제공(provision)을 평가하고 미세 조정하기 위해 사용될 수 있다.

균형을 달성하려면 전형적으로 특정 위치에서 로터 질량의 추가 또는 제거가 필요하다. 예를 들어, 형상(220)의 적층형 박편체 로터를 가지고, 로터 균형을 조정하기 위해 점진적으로 연마되어 나갈 수 있는 희생 재료로 설계하는 것이 가능하다. 도 11은, 주변부에 각각 위치되며, 형상(220)을 참조하여 설명된 스캘럽 돌출부로부터 등거리에 있는, 추가적인 밸런싱 로브(lobes)를 포함하는 박편체 형상(1100)을 도시한다. 특정 실시형태들에 있어서, 각각의 스캘럽(1110)에 대하여, 밸런싱 로브(1120)가 존재한다. 밸런싱 로브(1120)는, 형상(1100)으로 도시된 바와 같이, 표준 스캘럽(1110)과는 상이한 크기를 가질 수 있다. 밸런싱 로브(1120)는 저응력 구역에 위치되고, 따라서 로터 시스템에 있어서 중요한 구조적인 역할을 수행하지 않는다. 로터가 밸런싱 리그 상에 설치될 때, 밸런싱 로브(1120)는 적절한 균형을 위해 조절되도록 연마되어 적절한 균형을 성취할 수 있다.

동적 또는 정적 불균형을 교정하기 위해서, 로터의 박편체들에 대해 또는 엔드플레이트 및 스터브 샤프트 조립체에 대해 질량이 추가될 수도 있다. 도 12는 로터 박편체 상의 저-응력 탭(1220)의 또 다른 실시형태를 도시한다. 탭(1220)은 형상(1100)에 있어서의 비교 가능한 탭보다 크고; 추가로 탭(1220)은 구멍(1230)을 포함한다. 로터 박편체들이 적층될 때, 구멍(1230)은 관통구멍이고, 요구되는 밸런싱 보정에 따라 전체 로터 두께를 관통하거나 또는 부분적으로 관통하여, 다양한 밀도의 재료가 이들 구멍에 추가될 수 있다. 이러한 개념은 엔드플레이트에도 적용될 수 있다.

형상(1200)은 4개의 평평한 측면 탭과 4개의 아치형 측면 탭을 가지며, 이는 주어진 정사각형 시트에 대하여 재료 활용 및 체적 스위프를 최적화한다. 면적 비율은 0.81 이고 스위프 체적 비율은 0.95 이다.

또 다른 실시형태들에 있어서, 이들 동일한 밸런싱 로브는, 예를 들어 알려진 질량 증분(mass increments)의 압입 끼워맞춤 핀 또는 나사식 하드웨어를 통해, 질량을 추가하기 위한 자리로서 사용될 수 있다. 질량 제거에 비해, 질량 추가는 균형 조정의 미세 조정을 위해 쉽게 되돌릴 수 있다는 이점을 갖는다. 또한 연삭보다 더 예측 가능한 결과를 제공한다.

주변부에서의 그러한 희생 밸런싱 로브 또는 질량을 실현하기 위해 또 다른 많은 가능한 유사 배열이 가능하다. 예를 들어, 다각형 형상의 경우, 각각의 꼭짓점은 전형적으로 응력이 낮은 국부 구역이다. 따라서 각각의 꼭짓점은 관통구멍 또는 밸런싱 로브로서 사용될 수 있다.

본 개시를 읽을 때, 통상의 기술자는 여기에 개시된 원리를 통해 또 다른 대안적인 구조적 및 기능적 설계를 이해할 것이다. 따라서, 특정 실시형태들 및 적용예들이 예시되고 설명되었지만, 개시된 실시형태들은 여기에 개시된 정확한 구성 및 구성요소로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 통상의 기술자에게 자명한 다양한 수정, 변경 및 변형이, 첨부된 청구항에서 규정된 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 여기에 개시된 방법 및 장치의 배열, 작동 및 상세 내에서 이루어질 수 있다.

Claims (17)

1. 플라이휠 로터로서,
   하나가 다른 하나의 상부에 적층되는 복수의 인접한 박편체(laminations)들로서, 각각의 박편체는 동일한 형상 및 중심축에 대한 동일한 회전 위치를 가지며, 상기 형상은 실질적으로 원형이고 외주부에 복수의 돌출부를 포함하며, 복수의 박편체들 각각은 적어도 하나의 관통구멍을 포함하는 것과;
   각각의 상기 박편체 내의 적어도 하나의 상기 관통구멍을 통과하는 적어도 하나의 볼트
   를 포함하는 플라이휠 로터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 박편체들의 축방향 중심을 관통하는 관통구멍을 갖지 않는 플라이휠 로터.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 박편체들은 강철, 플라스틱, 탄소섬유, 복합재 및 시멘트로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 만들어지는 플라이휠 로터.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 박편체들의 형상은, 호형(arced) 팔각형, 스캘럽형 원(scalloped circle), 및 옥토스퀘어(octosquare)로 이루어진 군으로부터 선택되는 플라이휠 로터.
5. 청구항 1에 있어서,
   박편체들의 적층물의 각각의 단부에 하나씩 있는 2개의 엔드플레이트를 더 포함하며,
   각각의 엔드플레이트는 상기 적층물 내의 하나의 박편체의 일측면과 접촉하는 바닥 표면을 가지는 플라이휠 로터.
6. 청구항 5에 있어서,
   적어도 하나의 볼트 각각은 각각의 엔드플레이트를 통과하고 각각의 엔드플레이트에 고정되는 플라이휠 로터.
7. 청구항 5에 있어서,
   각각의 엔드플레이트는 중심 구역 및 상기 중심 구역으로부터 방사상으로 발산하는 복수의 스포크(spoke)들을 갖는 플라이휠 로터.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 엔드플레이트 중 적어도 하나의 중심 구역은 솔리드 강철로 만들어지는 플라이휠 로터.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 스포크는 고정 메커니즘을 통해 상기 중심 구역에 부착되는 개별 스포크인 플라이휠 로터.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 고정 메커니즘은 볼트, 스터드, 및 용접으로 이루어진 군으로부터 선택되는 플라이휠 로터.
11. 청구항 7에 있어서,
    상기 스포크는 원통형상 튜브인 플라이휠 로터.
12. 청구항 7에 있어서,
    상기 튜브는 중공인 플라이휠 로터.
13. 청구항 7에 있어서,
    각각의 스포크의 외측 종단부는 각각의 관통 볼트를 수용하기 위한 구멍을 갖는 플라이휠 로터.
14. 청구항 5에 있어서,
    로터에 부착되고 로터와 함께 회전 대칭인 스터브 샤프트를 더 포함하며,
    2개의 엔드플레이트 중 하나의 상단 표면은 상기 스터브 샤프트에 고정되는 플라이휠 로터.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 스터브 샤프트는 상부의 원통형 섹션과, 상기 엔드플레이트에 고정되는 하부의 커플링 섹션을 갖는 플라이휠 로터.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 커플링 섹션은 중심 섹션과, 상기 엔드플레이트에 부착되는 하나 이상의 플랜지를 갖는 플라이휠 로터.
17. 청구항 1에 있어서,
    상기 형상은 복수의 로브(lobes)들을 가지며, 각각의 로브는 상기 박편체의 외주부로부터 돌추되며, 밸런싱 단계 동안에 적어도 하나의 로브의 질량은 로터 균형을 달성하기 위해 감소되는 플라이휠 로터.

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