본 논문은 에서는 5 kWh 복합재 플라이휠 로터를 설계/제작 하고, 회전 시 복합재 로터에 발생되는 변형률 분포와 로터의 파손 속도를 측정하기 위해 회전 시험을 수행하였다. 회전 시험 시 블루투스 방식의 무선 통신시스템을 이용하여 복합재 로터의 반경방향과 원주방향의 변형률을 실시간으로 측정하였다. 측정된 로터 변형률과 미리 예측된 로터 변형률을 비교하여 초기 로터 설계를 검증하였다. 복합재 로터는 파손속도인 22,000 rpm보다 11 %낮은 19,499 rpm에서 파손 되었다. 파손은 축과 복합재 로터를 연결하는 허브에서 발생하였다. 본 논문은 일반적인 관점에서 로터의 성능을 검증하였고, 고속 회전하는 복합재 로터의 예상치 않은 파손 위험을 입증하였다. 플라이휠 에너지 저장 시스템 설계 시 복합재 로터 뿐 아니라 허브 설계에도 특별한 주의가 요구된다. 플라이휠 에너지 저장 시스템을 실시간으로 관찰하기 위해서, 특히 높은 원심력을 받는 동안에도 작동 될 수 있는 무선 통신 시스템 개발이 앞으로 선행 되어야 한다.
본 논문은 에서는 5 kWh 복합재 플라이휠 로터를 설계/제작 하고, 회전 시 복합재 로터에 발생되는 변형률 분포와 로터의 파손 속도를 측정하기 위해 회전 시험을 수행하였다. 회전 시험 시 블루투스 방식의 무선 통신시스템을 이용하여 복합재 로터의 반경방향과 원주방향의 변형률을 실시간으로 측정하였다. 측정된 로터 변형률과 미리 예측된 로터 변형률을 비교하여 초기 로터 설계를 검증하였다. 복합재 로터는 파손속도인 22,000 rpm보다 11 %낮은 19,499 rpm에서 파손 되었다. 파손은 축과 복합재 로터를 연결하는 허브에서 발생하였다. 본 논문은 일반적인 관점에서 로터의 성능을 검증하였고, 고속 회전하는 복합재 로터의 예상치 않은 파손 위험을 입증하였다. 플라이휠 에너지 저장 시스템 설계 시 복합재 로터 뿐 아니라 허브 설계에도 특별한 주의가 요구된다. 플라이휠 에너지 저장 시스템을 실시간으로 관찰하기 위해서, 특히 높은 원심력을 받는 동안에도 작동 될 수 있는 무선 통신 시스템 개발이 앞으로 선행 되어야 한다.
A 5 kWh composite flywheel rotor was designed and manufactured, and its spin test was performed to monitor strain distribution and burst speed. Strain distribution in radial and circumferential directions of the rotor were measured using a wireless telemetry system based on bluetooth technology for ...
A 5 kWh composite flywheel rotor was designed and manufactured, and its spin test was performed to monitor strain distribution and burst speed. Strain distribution in radial and circumferential directions of the rotor were measured using a wireless telemetry system based on bluetooth technology for real-time strain measurement. The strains was compared with pre-calculated design values to verify the initial rotor design. We noticed the rotor failed at 19,499 rpm in the spin test, 11 % lower than the predicted burst speed of 22,000 rpm. Failure occurred at the hub which connects the shaft and the composite rotor. The performance of the composite rotor was confirmed in a general sense, and the danger of unexpected failure of composite rotor during high-speed spinning was also demonstrated in this paper. Special attention should be paid to not only composite rotor but also hub when designing a flywheel energy storage system. The telemetry system needs to be further developed, especially enduring the high centrifugal forces, and can be used in a real time monitoring system for the flywheel energy storage system.
A 5 kWh composite flywheel rotor was designed and manufactured, and its spin test was performed to monitor strain distribution and burst speed. Strain distribution in radial and circumferential directions of the rotor were measured using a wireless telemetry system based on bluetooth technology for real-time strain measurement. The strains was compared with pre-calculated design values to verify the initial rotor design. We noticed the rotor failed at 19,499 rpm in the spin test, 11 % lower than the predicted burst speed of 22,000 rpm. Failure occurred at the hub which connects the shaft and the composite rotor. The performance of the composite rotor was confirmed in a general sense, and the danger of unexpected failure of composite rotor during high-speed spinning was also demonstrated in this paper. Special attention should be paid to not only composite rotor but also hub when designing a flywheel energy storage system. The telemetry system needs to be further developed, especially enduring the high centrifugal forces, and can be used in a real time monitoring system for the flywheel energy storage system.
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문제 정의
고속 회전하는 복합재 플라이휠 로터 설계시 복합재료의 강도는 매우 중요한 설계요소이다. 본 논문에서는 복합재료의 인장/압축 강도측정 시험을 수행하였다. Toray 사의 T700-12K 탄소섬유, Owens coning사의 RS2300-366 유리섬유, Hexion사의 Epikote166 주제와 D-230 경화제를 사용하여 그림 1과 같이 강도측정 시험을 위한 시편을 제작하였다.
제안 방법
강도 시험은 상온에서 R&B사 RB301 만능시험기를 이용하여 각각 5회에 걸쳐 실험하였고, 결과는 그림 2와 같다.
이와 같은 중온경화는 고온경화에 비해 적은 잔류 응력이 발생된다[14]. 경화가 끝난 로터는 정밀가공을 한 후, 유압프레스를 이용 억지 끼워맞춤 방법으로 조립하였다. 축과 복합재 로터를 연결하는 허브는 폭 1 mm, 15 ° 각도로 총 24개의 균일한 간격으로 찢어진 장구통 형상으로 고속 회전시 반경방향으로 쉽게 변형이 되며, 복합재 로터 내부에 반경방향 압축 응력을 발생시킨다.
회전축과 복합재 로터는 응력저감형 스플릿허브를 이용하여 연결하였다. 링 타입의 무선통신시스템을 이용하여, 고속 회전시 로터표면에 부착된 센서로부터 로터의 변형률 데이터를 실시간으로 확보하였다. 측정된 로터 변형률과 미리 예측한 로터 변형률 비교하여 설계된 로터의 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 기존의 소형 복합재 로터 회전시험과 달리 5 kWh 대형 복합재 로터를 설계/제작하고, 파손속도까지 회전시험을 수행하였다. 복합재 로터 설계를 위해 T700/Epoxy와 E-glass/Epoxy의 복합재료 강도 측정시험을 선행하였다. 회전축과 복합재 로터는 응력저감형 스플릿허브를 이용하여 연결하였다.
본 연구에서는 기존의 소형 복합재 로터 회전시험과 달리 5 kWh 대형 복합재 로터를 설계/제작하고, 파손속도까지 회전시험을 수행하였다. 복합재 로터 설계를 위해 T700/Epoxy와 E-glass/Epoxy의 복합재료 강도 측정시험을 선행하였다.
본 연구에서는 복합재료의 강도 측정 시험을 수행하여 얻은 값을 이용하여 5 kWh 에너지 저장 용량을 갖는 복합재 플라이휠 로터를 설계/제작하였다. 제작된 복합재 플라이휠 로터의 회전시험을 수행하여 회전시 로터의 변형률을 측정하고 미리 예측한 변형률과 비교하여 로터의 안정성을 검증 하였을 뿐 아니라, 복합재 플라이휠 로터의 파손에 대한 위험성을 확인하였다.
앞선 강도 시험으로 얻은 물성값을 이용하여 표 1과 같은 사양의 복합재 플라이휠 로터를 설계하였다. 복합재로터는 내측의 E-glass/Epoxy 링과 외측의 T700/Epoxy 링으로 구성된다.
본 연구에서는 복합재료의 강도 측정 시험을 수행하여 얻은 값을 이용하여 5 kWh 에너지 저장 용량을 갖는 복합재 플라이휠 로터를 설계/제작하였다. 제작된 복합재 플라이휠 로터의 회전시험을 수행하여 회전시 로터의 변형률을 측정하고 미리 예측한 변형률과 비교하여 로터의 안정성을 검증 하였을 뿐 아니라, 복합재 플라이휠 로터의 파손에 대한 위험성을 확인하였다. 플라이휠 에너지 저장 시스템 설계시 복합재 로터 뿐 아니라 허브 설계에도 특별한 주의가 요구된다.
링 타입의 무선통신시스템을 이용하여, 고속 회전시 로터표면에 부착된 센서로부터 로터의 변형률 데이터를 실시간으로 확보하였다. 측정된 로터 변형률과 미리 예측한 로터 변형률 비교하여 설계된 로터의 성능을 검증하였다.
회전시 복합재 로터의 진동량은 x, y방향 모두 100 ~ 250 μm, 가속도는 5 ~ 22 rpm/s, 모터 구동 토크는 허용 하중의 90%로 설정하였으며, 위 값의 범위를 벗어날 경우 자동 감속을 하도록 설정하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 복합재료의 인장/압축 강도측정 시험을 수행하였다. Toray 사의 T700-12K 탄소섬유, Owens coning사의 RS2300-366 유리섬유, Hexion사의 Epikote166 주제와 D-230 경화제를 사용하여 그림 1과 같이 강도측정 시험을 위한 시편을 제작하였다.
실선과 점선은 복합재 플라이휠 로터를 유한요소법[14]을 이용하여 해석하여 얻은 예측 값이며, 점은 회전 시험동안 무선 통신 시스템으로 획득한 데이터를 변형률로 변환한 값이다. 총 16개의 센서 중에서 원심력으로 인해 로터 표면으로부터 센서의 이탈 및 센서 배선 끊김 현상으로 실제로는 6개의 센서로부터 데이터를 획득 하였으며, 13,000 rpm 이후의 신호는 센서의 파손으로 데이터 획득에 실패하였다. 그림 7을 보면 반경방향 변형률 분포가 해석적 방법으로 예측된 변형률과 매우 유사하게 압축 변형률로 보이는 것을 확인하였다.
이론/모형
설계된 복합재 로터는 필라멘트 와인딩 공법으로 제작하였다[그림 3]. 와인딩시 복합재 섬유는 8 ~ 10 N 장력으로 50 rpm으로 회전하는 멘드렐에 와인딩된다.
성능/효과
플라이휠 에너지 저장 시스템 설계시 복합재 로터 뿐 아니라 허브 설계에도 특별한 주의가 요구된다. 본 연구에 사용된 무선 통신 시스템은 고속 회전에 의한 원심력의 영향으로 시험 중 로터 표면으로부터 이탈 및 파손이 발생되어 목표 회전 수까지 로터 변형률 정보 확보에 실패하였다. 고속 회전하는 동안 파손 되지 않고 작동 될 수 있는 무선 통신 시스템의 개발이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
회전시험은 어떻게 나누어집니까?
고속 회전시험은 설계된 복합재 플라이휠 로터의 안전성을 확인할 수 있는 가장 이상적인 시험방법이다. 회전시험은 로터가 파손될 때까지 회전시키는 파손시험(burst test)과, 최대 허용회전속도와 파손속도 사이에서 회전시켜 로터의 성능을 확인하는 검증시험(proof test)으로 나눌 수 있다[6-8]. John widmer[9]는 에폭시에 함침 시킨 우븐 리본(woven ribbon)을 금속허브에 직접 감아 로터를 제작한 후 회전시험을 수행하였다.
플라이휠 에너지 저장장치는 어떠한 기술을 필요로하는 시스템입니까?
플라이휠 에너지 저장장치는 복합재 로터, 지지베어링, 고속 모터 발전기, 제어시스템 등의 첨단 기술을 필요로 하는 친환경적 대체에너지 시스템으로 세계 여러 연구기관에서 개발 진행 중이다[1]. 플라이휠 에너지 저장 시스템은 플라이휠 로터의 고속회전을 이용하여 회전관성으로 에너지를 저장하기 때문에 회전체의 안정성이 매우 중요하다[2-5].
플라이휠 에너지 저장 시스템의 안정성을 확보하는 방법은 무엇입니까?
플라이휠 에너지 저장 시스템은 플라이휠 로터의 고속회전을 이용하여 회전관성으로 에너지를 저장하기 때문에 회전체의 안정성이 매우 중요하다[2-5]. 시스템의 안정성을 확보하는 방법으로는 크게 고속 회전시 회전체의 실시간 변형을 감지하고, 그에 대응하여 시스템을 컨트롤 하는 능동적 방법과, 회전체가 파손 되었을 때 회전체 파편이 시스템 외부로 방출되지 못하도록 보호벽을 설치하는 수동적 방법이 있다.
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