[논문]전력변환기를 포함한 초소형 플라이휠 에너지 저장 시스템의 설계

전력변환기를 포함한 초소형 플라이휠 에너지 저장 시스템의 설계
Design of Flywheel Energy Storage System Including Power Convertor 원문보기

강민우 (충남대학교 BK21 메카트로닉스사업단) , 이학인 (전력연구원) , 노명규 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

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본 논문에서는 영구자석 베어링과 보이스 코일 구동기로 지지되어 고속 회전이 가능한 플라이휠 에너지 저장 시스템을 제안하였다. 각각의 요소들은 에너지 밀도를 최대화하도록 최적화 되었다.
이전 논문에서는 초소형 플라이휠 시스템의 에너지 저장 용량과 관계가 깊은 임계속도를 최대로 높일 수 있는 요소설계에 대한 방법을 제시하였다[2]. 본 논문에서는 요소설계를 바탕으로 하여 시스템 단위의 최적화된 초소형 플라이휠 시스템을 제시하고, 플라이휠의 변화하는 속도에서 일정한 전기에너지를 출력할 수 있는 전기회로를 제시하고자 한다.

수동형 자기베어링은 반경 방향 안정성을 제공하지만 축 방향 불안정성을 야기 시킨다. 그러므로 모든 방향의 자기부상 제어를 위해 넓은 주파수 대역과 신형적인 특징을 가지는 보이스 코일 구동기를 사용하였다. Fig.
각각의 요소들은 에너지 밀도를 최대화하도록 최적화 되었다. 또한 변화하는 속도에도 일정한 전원을 전력 변환기를 설계하였다. 추후 과제로는 실험을 통한 설계의 검증이 남아있다.

회전자와 고정자의 자기베어링은 환형의 영구자석으로 구성되어 있으며 서로 척력 내도록 자화되어 있다. 수동형 영구자석의 설계와 분석은 [2]에서 참조하였고 축 방향의 제어를 위해서 보이스코일 구동기를 사용하였다. 모터/발전기는 환형권선 브러시리스 직류전동기 사용하며 회전자의 자석과 고정자의 코일 사이에서 회전력이 발생한다 발전 시에는 자석의 회전으로 생성되는 전기적인 힘은 변환 회로를 통하여 직류 전압으로 변환된다.

고유 주파수 이하에서의 진동은 영구자석에 의한 작은 감쇠로도 안전하다. 또한 강체모드를 넘어 갈수 있다면 더 높은 속도로 플라이휠의 회전이 가능 할 것이다. 본 논문에서는 회전 속도 범위를 첫 번째 강체모드 이하로 정하고 다음과 같이 나타 낼 수 있다.
또한 변화하는 속도에도 일정한 전원을 전력 변환기를 설계하였다. 추후 과제로는 실험을 통한 설계의 검증이 남아있다.

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