에너지 저장 장치용 다층링 플라이휠 로터의 최적설계 및 제작

Abstract

플라이휠 에너지 저장 시스템은 플라이휠 로터의 고속회전에 의해 관성에너지를 저장시키는 장치이다. 특히, 고에너지 효율, 무공해, 반영구적인 수명 등의 특징으로 인해 선진국에서 많은 연구 및 개발이 이루어 지고 있다. 마그네틱 베어링과 같은 비접촉, 저마찰 방식의 지지베어링에 의해서 부양되어 회전하는 플라이휠 회전체부는 복합재 로터, 축, 그리고 로터와 축을 연결하는 허브로 크게 구성된다. 플라이휠 로터는 에너지 저장밀도를 높이기 위해서 비강도와 비강성이 우수한 복합재료를 사용한다. 그러나 반경방향의 취약한 강도는 고속회전시 로터의 층간분리 현상을 발생시켜 최대 회전수를 제한한다. 또한, 복합재 로터는 실제 운전시 파손에 의한 안전사고를 유발할 수 있으므로 이의 설계 및 제작에 있어 세심한 주의가 요구된다. 본 연구에서는 회전시 복합재 로터의 내부응력을 저하시켜 층간분리 현상을 방지하기 위해 간섭량을 갖는 다층링 하이브리드 복합재 플라이휠 로터를 제안 하였다. 제안하는 복합재 로터의 단위 질량당 저장 에너지를 최대로 하는 목적함수로 최적 설계를 수행하여 로터의 성능을 극대화 하였다. 이때 설계 변수로는 각 로터 링의 두께, 재료 구성비, 간섭량 이며, 구속 조건으로는 최대 회전 상태와 억지끼원 맞춤 조립 상태에서 간섭량으로 로터의 파손을 방지하기 위해 각 로터 링에서 발생되는 응력이 각 재료의 강도를 넘지 않도록 하였다. 하이브리드 복합재료의 물성은 카본 화이버와 글래스 파이버 및 각 파이버의 형상을 유지시키는 에폭시의 체적비율에 따른 혼합법칙(ROM)을 이용하였다. 에너지 저장 장치용 플라이휠 로터의 회전체는 크게 관성 에너지 저장을 담당하는 로터와 회전 토크를 전달하는 구동축 그리고 축과 로터를 연결하는 허브로 구성된다. 따라서 플라이휠 로터를 설계할때는 로터뿐 아니라 축과 허브의 설계도 동시에 이루어 져야 한다. 고속회전시 허브가 로터보다 강성이 크면, 원심력에 의한 로터의 반지름 방향 변형보다 허브의 변형이 적으므로 높은 인장응력이 발생하여 로터와 허브의 이탈을 유발한다. 반면에, 허브의 강성이 작으면 로터에서의 응력을 낮출 수 있지만, 전체 회전체의 공진 주파수가 함께 떨어져 로터 회전수를 높일 수 없게 된다. 고속 회전시 변형량이 작은 회전 축과 변형량이 큰 복합재 로터를 연결하는 허브는 그 구조적 특성상 응력이 매우 크게 발생된다. 이와 같이 크게 발생되는 응력을 낮출 수 있는 응력 저감형 허브로서 고강도 알루미늄으로 이루어진 스플릿 허브(split hub) 와 복합재료로 이루어진 U type 허브를 각각 제안하고, 각 허브의 특성을 파악하기 위해 유한 요소 해석을 수행하였다. 응력해석을 통해 고속으로 회전하는 플라이휠 로터의 안전성(safety)를 검토하였고, 모드해석을 통하여 플라이휠 로터의 동역학적인 안정성(stability)을 검토하였다. 또한, 금속 허브와 복합재 허브의 성능을 비교하여 실제 플라이휠 로터에 적용 가능성에 대하여 검토하였다. 본 연구에서는 10 kWh급 에너지 저장용량을 갖는 플라이휠 로터를 설계하였다. 회전체인 플라이휠 로터는 크게 축, 허브 및 복합재 로터로 구성된다. 구동 회전축은 중공축 타입이며 구동 모터가 축 내측에 위치할 수 있게 하였다. 에너지 저장을 담당하는 복합재 로터는 간섭량을 갖는 하이브리다 다층링 로터이며, 3개의 링으로 구성된다. 구동축과 복합재 로터의 연결은 U type 복합재 허브가 적용되어 플라이휠 로터의 고속 회전을 가능하게 하였다. 설계된 플라이휠 로터의 총 무게가 약 560 kg 이며, 동적 특성을 나타내는 Ip/It 값은 약 1.5이다. 본 연구에서는 설계된 하이브리드 다층링 복합재 로터 및 U type 허브를 제작하였으며, 각 회전체 부품들을 억지끼워 맞춤 방식으로 조립하여 고속회전시 볼트 조립부 에서 발생될 수 있는 응력 집중현상을 최소화 하였다. 설계된 하이브리드 다층링 복합재 로터 및 허브의 성능을 평가하기 위해서 고속 회전시험(spin test)을 수행 하였다. 고속 회전시험을 수행하기 위해 5 kWh 플라이휠 로터를 설계 제작 하였다. 구동 축과 복합재 로터의 연결을 금속 스플릿 허브(metallic split hub)를 이용하였다. 고속 회전체의 변형량을 실시간으로 측정 하기위해 무선통신 시스템(wireless telemetry system)을 이용하였다. 고속 회전시험을 통해서 얻은 로터의 변형량과 미리 예측한 로터의 변형량을 비교 분석하여 설계된 복합재 로터의 성능을 검증 하였다.