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문제 정의
- 이들 구성 품들 중에서 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미치는 것은 회전로터의 회전 성능 및 로터를 비접촉으로 지지하는 자기베어링의 부하억제 능력이다. 따라서 본 논문에서는 회생에너지 저장용 플라이휠 에너지 저장 장치의 회전체 및 자기베어링의 설계 기법에 대해서 다룬다.
- 회전체 상부(상부 자기베어링 저널, 축 방향 베어링 collar, 플라이휠 디스크), 모터의 회전자 역할을 하는 영구자석, 그리고 하부 자기베어링 저널을 포함하는 회전체 하부로 구성된다. 이렇게 세 부분을 나뉘는 이유는 고속 구동을 위해 모터의 영구자석이 링 형태가 아닌 실린더 형태이며 기계적 회전체와 동일한 재료로 만들어진 can에 의해 기계적 안정성을 확보하기 위해서 이다. 그림 5는 제안된 회전축의 형상을 나타내며 회전축의 회전속도에 따른 굽힘 모드 및 회전체의 변형율을 해석하기 위하여 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하였다.
- 고속 회전하는 회전체를 자기베어링으로 지지하기 위해서는 반경방향의 자기베어링과 축 방향 자기베어링이 필요하다. 본 절에서는 이들 구가지 베어링의 설계 기법에 대해서 다룬다.
- 본 절에서는 설계된 플라이휠 에너지 저장 시스템의 회전체와 회전축을 지지하는 자기베어링의 성능을 입증하기 위해서 그림 15와 같이 회전축에 자기베어링을 취부한 모델을 통하여 간단한 모의시험을 수행한다.
- 본 논문에서는 회생에너지 저장용 플라이휠 에너지 저장 시스템의 설계 기법에 대해서 다루었다. 플라이휠 에너지 저장 시스템은 잉여의 전기에너지를 기계적 회전에너지로 저장하기 때문에 회전체는 고속회전이 가능해야 하고 이를 구현하기 위해서는 비접촉 방식으로 회전축을 지지하는 자기베어링이 적용 필요하다.
- 플라이휠 에너지 저장 시스템은 잉여의 전기에너지를 기계적 회전에너지로 저장하기 때문에 회전체는 고속회전이 가능해야 하고 이를 구현하기 위해서는 비접촉 방식으로 회전축을 지지하는 자기베어링이 적용 필요하다. 본 논문에서는 플라이휠 에너지 저장 장치를 구현하는데 핵심사항인 회전축의 설계 및 축을 지지하는 자기베어링의 설계 기법에 대해서 다루었으며 설계된 회전축과 자기베어링 및 제어기를 일체형으로 하는 모의시험 모델을 구축하였으며, 모의시험 통하여 제안된 모델의 효용성을 입증하였다.
가설 설정
- 플라이휠 에너지 저장 시스템의 설계기법을 보이기 위하여 다음과 같은 기본 설계요구 조건을 가정한다.
- 반경방향 자기베어링의 부하용량을 결정하기 위하여 정적부하용량과 동적 부하용량을 고려해야한다. 정적부하용량은 회전체 무게에 의하여 결정되고(안전계수 1.5), 동적 부하용량은 불 평형질량과 회전속도에 의해 결정되는데 본 설계에서 동적 부하용량은 ISO1940에 의거하여 G6.3, 최고속도 30,000[rpm]로 가정하여 계산되었다. 회전체 및 플라이휠 설계를 통하여 회전체의 전체 무게를 대략 32[kg] 정도로 정하였으며 안전계수를 고려한 정적 부하용량은 식 (5)로 표현된다.
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