무차원 구조해석법을 이용한 하이브리드 플라이휠 로터의 설계

소개글

무차원 구조해석법을 이용한 하이브리드 플라이휠 로터의 설계

목차

1. 서 론

2. 무차원 구조해석법
2.1 해석모델
2.2 무차원 응력하에서 로터의 크기-회전속도의 관계
2.2 무차원 응력하에서 로터의 크기-온도의 관계
2.3 무차원 응력하에서 로터의 크기-간섭량의 관계
2.4 로터의 크기-고유진동수의 관계

3. 해석이론 검증
3.1 유한요소해석
3.2 해석결과

4. 무차원 구조해석법을 이용한

5. 결 론

본문내용

1. 서 론

플라이휠 에너지 저장장치는 전기에너지를 이용하여 모터를 회전시킨 후 부착된 로터의 관성에너지를 저장하고, 필요시 다시 전기에너지로 전환하여 사용하는 시스템이다[1-3.] 플라이휠 시스템은 하이브리드 전기자동차 등 차세대 자동차의 보조 동력원, 태양열 또는 풍력 발전소의 불규칙한 청정에너지 저장장치, 병원, 공장 등의 비상전원, 인공위성 또는 우주정거장의 에너지 저장 및 자세제어 장치, 핵융합 발전, 레일건 등의 펄스파워 발생용 보조전원 등 산업용, 민수용, 그리고 군수용의 다양한 용도로 활용될 수 있다[4-9].
플라이휠 시스템에서 로터는 고속회전을 하면서 관성에너지를 저장하는 역할을 하며, 전체 시스템의 성능과 용량을 결정하는 핵심부품이다. 최근 로터의 에너지밀도를 높이기 위해서 비강도 및 비강성이 우수한 복합재료가 사용되고 있으며, 각각의 용량에 따라 적합한 재료와 회전속도, 크기를 갖도록 설계된다[10-14]. 이렇게 한 번 설계된 로터는 용도 또는 용량이 바뀔 때 마다 반복된 설계 작업이 필요하며, 재설계에 따른 많은 시간과 비용이 요구된다. 따라서 최적설계된 로터의 데이터를 이용하여 설계자가 원하는 용량과 크기를 가진 로터를 보다 쉽고 빠르게 설계할 수 있는 방법이 필요하다.
본 연구에서는 무차원 구조해석 이론에 근거한 상사법칙을 도입하여 다양한 사양을 갖는 플라이휠 로터를 쉽고 빠르게 설계할 수 있는 방법을 제안하였다. 이를 위해서 축대칭 플라이휠 로터의 지배방정식을 풀어 변위를 구한 후 발생하는 응력을 계산하고, 이를 무차원화 하였다. 그리고 로터의 내부응력이 일정한 상태에서 회전속도, 온도, 간섭량과 로터의 크기에 대한 상관관계를 유도하였으며, 고유진동수와 로터의 크기에 대한 관계를 살펴보았다. 무차원 구조해석법을 이용한 설계예로서 분산전력용 에너지 저장 장치 플라이휠 로터의 설계에 반영하여 설계자가 형상비례함수를 조절함으로서 원하는 크기와 용량의 로터를 쉽게 개발할 수 있도록 하였다. 또한 대형 플라이휠 로터 개발시 안전성과 안정성 확보를 위해서 필요한 스핀테스트(spin test), 동적충격시험(dynamic impact test) 등 일련의 시험은 무차원 구조해석 이론에 의하여 축소된 모델을 사용함으로서 제작 및 시험에 따르는 비용의 절감을 가져올 수 있다.

참고 자료

1. Christoper, D.A. and Beach, R. Flywheel Technology Development Program for Aerospace Application, IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, 1998. 13(6): p.9-14.
2. Khan, A.A. Maximization of flywheel Performance, M.S. Thesis, University of Maryland. 1984.
3. Jerfferson, C.M. and Ackerman, M.A. Flywheel Variator Energy Storage System, Energy Conversion & Management, 1996. 37(10): p.1481-1491.
4. Ashley, S. 1996. Designing Safer Flywheels, Mechanical Engineering, Nov., pp.88-91
5. Rodriguez, G.E., Studer, P.A. and Baer, D.A. Assessment of Flywheel Energy Storage for Space Craft Power System, NASA Technical Memorandom 85062. 1983.
6. Ginter, S. Gisler, G. Hanks, J. Havenhill, D. Robinson, W. and Spina, L. Space Craft Energy Storage Systems, IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, 1998. 13(5): p.27-32.
7. Post, R.F. Fowler, T.K. and Post, S.F. A High-Efficiency Electromechanical Battery, Proceedings of IEEE, 1993. 81(3): p.462-474.
8. Bitterly, J.G. Flywheel Technology Past, Present, and 21st Century