[논문]플라이휠 에너지 저장장치를 위한 저 전력소모 하이브리드 마그네틱 베어링의 설계

김우연; 이종민; 배용채; 김승종

doi:10.5050/ksnve.2010.20.8.717

플라이휠 에너지 저장장치를 위한 저 전력소모 하이브리드 마그네틱 베어링의 설계
Design of Low Power Consumption Hybrid Magnetic Bearing for Flywheel Energy Storage System 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.8 = no.161, 2010년, pp.717 - 726

김우연 (한국과학기술연구원 에너지메카닉스센터) , 이종민 (한국과학기술연구원 에너지메카닉스센터) , 배용채 (한국전력공사 전력연구원) , 김승종 (한국과학기술연구원 에너지메카닉스센터)

Abstract ▼ AI-Helper

For the application into a 1 kWh flywheel energy storage system(FESS), this paper presents the design scheme of radial and axial hybrid magnetic bearings which use bias fluxes generated by permanent magnets. In particular, the axial hybrid magnetic bearing is newly proposed in this paper, in which a permanent magnet is arranged in axial direction so that it can support the rotor weight as well as provide a bias flux for axial magnetic bearing. Such hybrid magnetic bearings consume very low power, compared with conventional electromagnetic bearings. In this paper, to stably support a 140 kg flywheel rotor without contact, design process is explained in detail, and magnetic circuit analysis and three-dimensional finite element analysis are carried out to determine the design parameters and predict the performance of the magnetic bearings.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 1 kWh급 에너지 저장용 플라이휠 장치에 장착되는 약 140 kg의 회전체를 지지하기 위한 HMB의 설계과정을 소개한다. 플라이휠의 에너지 저장 효율을 높이기 위해서는 주 질량 관성 모멘트가 커야 하기에⁽⁴⁾, Fig.
이 논문은 1 kWh급 FESS를 위한 축 방향과 반경 방향의 HMB의 구조 및 제어 원리를 제시하고 구체적인 설계 방법을 소개하였다. 특히, 축 방향 HMB의 영구자석이 회전체의 자중 지지 역할도 함께 수행하는 구조는 시스템의 소형화에 크게 기여하는 장점이 있다.
이 논문에서 소개되지는 않았지만, 앞의 방법으로 설계된 HMB의 성능 검증을 위하여 FESS 시작품을 제작하였고, 2010년 4월 현재, PD 제어기를 적용하여 안정된 자기부상에 성공하였다. 이와 같은 내용을 포함한, 보다 자세한 제어기 설계와 실험적 검증 결과는 후속 논문에서 소개하기로 한다. 참고로, 제작된 시작품은 5자유도 부상 상태에서 약 40 W의 전력을 소모하였는데, 만약 공급 전압이 100 V이고 2 A 정도의 바이어스 전류를 갖는 일반적인 AMB 경우라면, 소모전력은 2 kW에 이를 것이다.

가설 설정

여기서 N은 권선수이고 I는 제어 전류이다. 그리고, gap1에서 발생하는 영구자석에 의한 자기력 F₁이 정확히 자중과 상쇄된다는 가정 하에, 정상 상태에서 gap2에서 발생하는 최대 축 방향 전자기력은 식 (7)과 같이 유도될 수 있다.

제안 방법

이 오차는 상하 코어 사이의 공간을 통한 자속 누설이 주원인일 것으로 판단된다. 그래서 A_mr을 증가시키면서 FEM 해석을 수행하여, 공극에서의 바이어스 자속밀도 B가 대략 0.5 T가 되는 A_mr을 선택하였다. 최종 결정된 반경방향 HMB에 대한 설계변수들을 Table 2에 정리하였다.
5 T가 되도록 변수들을 설정한다. 먼저, 공극은 0.8 mm로 하였고, 영구자석의 높이는 상하층 코어 사이의 코일 권선 공간을 고려하여 18 mm로 정하였다. 영구자석의 높이가 너무 크면 상하 코어 간격이 증가하여 축의 기울어짐 거동의 제어에 불리하고, 너무 작으면 상하 코어 사이의 누설 자속이 증가한다.
3은 이 논문에서 제안하는 축 방향 HMB의 설계 과정을 보여주는 플로우차트(flow chart)이다. 우선, 플라이휠 시스템의 에너지 저장 용량에 따라 회전체의 형상, 크기와 무게, 회전속도, 그리고 Fig. 1과 같은 대략적인 구조 등이 정해지면, 먼저 축 방향 HMB의 영구자석과 코일에 대한 자기회로의 해석을 수행한다. 이는 축 방향 HMB가 적절한 정적(static), 동적 부하용량을 갖도록, 영구자석 크기와 공극의 크기, 코어 면적, 권선수 등에 대한 초기 설계치를 얻기 위함이므로, 누설 자속과 프린징(fringing) 효과 및 코어에서의 자기저항(reluctance)을 무시한, 가장 단순화된 자기회로를 고려한다.
다음으로 공극의 크기와 영구자석의 높이를 선정한다. 우선, 회전체가 기울어질 때 고정자와의 접촉 가능성과 가공 및 조립 공차 등을 고려하여 비상 베어링과 회전체 사이의 축 방향 간극은 0.3 mm로 하였다. 이 경우 일반적인 자기 베어링에서는 정상 상태 공극 g₂를 그 두 배인 0.
이 논문에서 소개되지는 않았지만, 앞의 방법으로 설계된 HMB의 성능 검증을 위하여 FESS 시작품을 제작하였고, 2010년 4월 현재, PD 제어기를 적용하여 안정된 자기부상에 성공하였다. 이와 같은 내용을 포함한, 보다 자세한 제어기 설계와 실험적 검증 결과는 후속 논문에서 소개하기로 한다.
해석 결과, 누설 자속과 프린징 효과 등, 자기회로 해석에서 무시되었던 효과들에 의해 자속밀도가 약 15 % 낮은 값으로 얻어졌다. 이를 증가시키기 위해서, 각 공극의 크기는 앞 절에서 선정한 값을 유지한 채, 영구자석 및 코어의 면적을 증가시켰다. 최종 설계값들을 Table 1에 정리하였다.
이어서, F₁이 정상 상태에서 회전체의 자중(=140 kg)과 거의 같아지도록 설계변수, g₁, g₂, l_m, A_m, A₁, A₂들의 값을 선정해야 하는데, 설계변수의 수가 많으므로 몇 가지 설계지침을 추가로 고려한다. 우선, 코어에서의 포화 자속밀도가 1.
특히, 축 방향 HMB가 회전체의 자중을 감당하기 위한 영구자석과 일체화된 것이 구조적 특징이다. 이하 본론에서는 축 방향 및 반경 방향 HMB의 구조와 원리를 소개하고, 자기회로 해석과 유한요소해석을 통해 설계 사양을 결정하는 과정과 최종적으로 예측된 성능을 제시한다.

대상 데이터

그러므로 하나의 반경방향 HMB에서 요구되는 최대 전자 기력은 550 N 이상이면 되지만, 해석 오차와 안전율을 고려하여 그 두 배 정도로 하였다. 설계된 A_r은 924.25 mm²이다. 그러면 식 (13)에서 B≫0.

이론/모형

앞 절에서 설정한 각 변수들은 손실을 고려하지 않은 모델에 의한 것이므로, 설계 형상에 대한 보다 정확한 해석을 통하여 설계 변수를 조정하는 과정의 반복이 필요하다. 이를 위하여 3차원 FEM 해석 소프트웨어인 Maxwell v.11 3D를 이용하였다. 해석 결과, 누설 자속과 프린징 효과 등, 자기회로 해석에서 무시되었던 효과들에 의해 자속밀도가 약 15 % 낮은 값으로 얻어졌다.

성능/효과

앞서 언급하였듯이 축 방향 HMB에서는 동적 부하용량이 그리 크지 않아도 되므로, 힘 슬루율(force slew rate)은 고려하지 않고 코일 권선 공간과 전력 증폭기의 용량을 고려하여 권선수와 최대 전류를 결정한다. 그 결과, 코일 권선수는 200회, 최대 전류는 5 A로 설정하였다.
5 T이기 위해 A_mr은 1,472 mm²로 계산된다. 그러나 이 설계값에 대해서 FEM 해석을 수행한 결과, 공극 자속밀도는 약 0.29 T가 얻어졌다. 이 오차는 상하 코어 사이의 공간을 통한 자속 누설이 주원인일 것으로 판단된다.
특히, 축 방향 HMB의 영구자석이 회전체의 자중 지지 역할도 함께 수행하는 구조는 시스템의 소형화에 크게 기여하는 장점이 있다. 한편, 영구자석을 포함하는 자기 회로 해석 결과는 비록 작지 않은 오차를 가지고 있으나, FEM 해석에 앞서 시스템 관점에서의 설계 가이드를 제공하는 유용한 수단임을 밝혔고, 설계된 HMB에 대한 FEM 해석 결과로부터 시스템의 동특성 계수들을 예측하였다.
11 3D를 이용하였다. 해석 결과, 누설 자속과 프린징 효과 등, 자기회로 해석에서 무시되었던 효과들에 의해 자속밀도가 약 15 % 낮은 값으로 얻어졌다. 이를 증가시키기 위해서, 각 공극의 크기는 앞 절에서 선정한 값을 유지한 채, 영구자석 및 코어의 면적을 증가시켰다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네틱 베어링의 단점은 무엇인가?	사실 초전도 베어링을 쓰는 경우에도 낮은 감쇠력을 보완하기 위해서 추가로 소형 마그네틱 베어링을 댐퍼로 사용하는 경우가 많으므로, 에너지 저장용 플라이휠에서 마그네틱 베어링의 사용은 대세라고 말할 수 있다. 그러나, 마그네틱 베어링은 실시간 피드백 제어로써 어떤 상황에서도 안정성을 보장해야 한다는 부담 외에도, 회전체를 장시간 부상시키기 위해 자체적으로 소모하는 전력이 크다는 단점이 있다. 안정성 보장을 위해서는 하드웨어적 잉여성(redundancy)과 회전체 역학 기반의 다양한 제어기 강건 설계 기법들이 연구되어 왔고, 소모전력 문제를 극복하는 방법으로는 영구자석이 정적인 힘(static force)을 제공하고 전자석이 제어력만을 담당하는 하이브리드 구조가 효과적인 것으로 알려져 있다.
	하이브리드 마그네틱 베어링의 특징은 무엇인가?	이를 하이브리드 마그네틱 베어링(hybrid magnetic bearing, HMB)이라 한다(1~3). HMB에서는 회전체가 부상 상태에서 진동이 미소할 경우 이론적으로 소모 전력은 거의 없다.
	에너지 저장용 플라이휠 장치는 무엇으로 구성되는가?	에너지 저장용 플라이휠 장치는 크게 플라이휠을 포함한 회전체부, 전기 에너지와 회전 에너지의 상호 변환을 위한 전동/발전기, 회전체를 지지하는 베어링부로 구성된다. 플라이휠은 공기 마찰을 최소화 하기 위해서 진공 내에서 회전하는 경우가 많은데, 이 때는 구름 베어링과 같은 접촉식 베어링의 사용이 불가능하여 마그네틱 베어링이나 초전도 베어링과 같은 비접촉 베어링이 사용된다.

참고문헌 (5)

Allaire, P. E., et al., 1990, “Permanent Magnet
Fukata, S. and Yutani, K., 1998, “Characteristics
No, S. K., Kim, J. S. and Choi, S. K., 1995,
Choi, S. K., Kim, Y. C., Yoon, K. C. and
Kim, S.-J. and Okada, Y., 2001, “A Small

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