• Journal of Power Electronics
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• 제12권5호
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• pp.758-768
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• 2012

This paper presents the modeling and position-sensorless vector control of a dual-airgap axial flux permanent magnet (AFPM) machine optimized for use in flywheel energy storage system (FESS) applications. The proposed AFPM machine has two sets of three-phase stator windings but requires only a single power converter to control both the electromagnetic torque and the axial levitation force. The proper controllability of the latter is crucial as it can be utilized to minimize the vertical bearing stress to improve the efficiency of the FESS. The method for controlling both the speed and axial displacement of the machine is discussed. An inherent speed sensorless observer is also proposed for speed estimation. The proposed observer eliminates the rotary encoder, which in turn reduces the overall weight and cost of the system while improving its reliability. The effectiveness of the proposed control scheme has been verified by simulations and experiments on a prototype machine.

• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2007년도 춘계학술대회A
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• pp.963-967
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• 2007

Flywheel energy storage systems (FESS) have advantages over other types of energy storage methods due to their infinite charge/discharge cycles and environmental friendliness. The system has two radial bearings and one hybrid-thrust bearing. Thrust hybrid-type bearing use permanent magnet to relieve gravity load. The radial bearings were designed to provide sufficient force slew rate considering the unbalance disturbance at the operating speeds. In this paper, we will derive dynamic model of hybrid-type bearing using permanent magnet for thrust bearing and present simulation and stability of the model.

• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
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• 한국소음진동공학회 2000년도 춘계학술대회논문집
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• pp.1071-1077
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• 2000

Recently, several attempts have been made to apply high Tc superconductor bearings of thrust type to flywheel energy storage system (FESS) throughout the world. Radial type superconductor bearings, however, have never been tried to the real FESS. KEPRI has developed its own radial type bearings and is now currently applying them to a FESS designed by KIMM, for the first time. In this paper preliminary test results of bearing performance and dynamic behavior of the flywheel rotor system mounted on them are presented. The dynamic properties, i.e, stiffness and damping, of the superconductor bearings were experimentally estimated using the static loading test as well as the impact test. The test revealed that stiffness value of the present superconductor bearings is about 67,700N/m and the damping value 29Ns/m. It was also found out that these bearings have some levitation drift problems due to excessive vibrations encountered while passing through the critical speeds. With recommend backup bearings to limit the vibration amplitudes of the rotor it is predicted that the flywheel rotor will show stable operations in the design speed range.

• 대한기계학회논문집A
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• 제34권3호
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• pp.283-289
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• 2010

친환경기술과 신재생 에너지 자원에 대한 세계적인 관심이 증가하면서, 플라이휠 에너지 저장 장치는 화학전지나 연료전지와 같은 기존의 에너지 저장 시스템의 대안 중 하나로 부상하고 있다. 플라이휠 에너지 저장장치의 에너지 저장 용량은 극질량 관성모멘트와 회전속도의 제곱에 비례하기 때문에, 가능한 높은 회전속도와 높은 극질량 관성모멘트를 갖도록 설계하는 것이 중요하다. 하지만, 시스템의 운전안정성 확보가 최적설계의 구속조건으로 작용할 수 있다. 본 논문에서는 에너지 저장 용량을 최대화하고 운전안정성 및 외란에 대한 강인성을 확보하는 플라이휠 시스템의 최적설계를 제안한다. 그리고, 기존의 PD 제어에 비교하여 교차궤환제어법이 자이로스코프효과를 줄이고, 에너지 저장밀도를 높이는데 필수적임을 확인하였다.

• 한국소음진동공학회논문집
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• 제20권8호
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• pp.717-726
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• 2010

For the application into a 1 kWh flywheel energy storage system(FESS), this paper presents the design scheme of radial and axial hybrid magnetic bearings which use bias fluxes generated by permanent magnets. In particular, the axial hybrid magnetic bearing is newly proposed in this paper, in which a permanent magnet is arranged in axial direction so that it can support the rotor weight as well as provide a bias flux for axial magnetic bearing. Such hybrid magnetic bearings consume very low power, compared with conventional electromagnetic bearings. In this paper, to stably support a 140 kg flywheel rotor without contact, design process is explained in detail, and magnetic circuit analysis and three-dimensional finite element analysis are carried out to determine the design parameters and predict the performance of the magnetic bearings.

• 전력전자학회논문지
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• 제12권3호
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• pp.267-275
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• 2007

본 논문은 현재 청정에너지의 개념으로 대두되고 있는 에너지원 가운데 기계적인 에너지로 저장하여 필요 시 꺼내어 사용할 수 있는 플라이휠 에너지 저장장치에 대한 에너지 입, 출력 모델링 및 PWM 인버터 시스템의 해석 및 제어에 관한 논문으로서, 플라이휠 저장장치 특성 및 시스템 모델링에 관해 논의한다. 재질에 따른 플라이휠의 특성과 플라이휠 에너지 저장장치의 속도 특성에 따른 전압과 전류의 변화량을 수식으로 간략화 하여 분석하고, 시뮬레이션을 통하여 플라이휠의 에너지 저장상태를 분석하였다. 또한, 부하측 전원의 이상유무에 관계없이 에너지를 공급할 수 있는 Online UPS로 사용하기 위해 PDFF 제어기법을 이용하여 전압제어 및 전류제어의 이중루프 제어로 구성된 단상 PW방식의 인버터 시스템 제작하였으며, 실험을 통하여 실제로 0.1[p.u], 1[p.u]에서의 제어되는 전압, 전류제어파형 및 THD 특성에 관하여 평가한다.

• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
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• 한국소음진동공학회 2009년도 추계학술대회 논문집
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• pp.258-263
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• 2009

This paper describes an analysis of the stability and performance of a large-capacity flywheel energy storage system (FESS) supported by active magnetic bearings. We designed and manufactured the system that can store up to 5kWh of usable energy at the maximum speed of 18,000 rpm. In order to analyze the stability of the systems accurately, we derived a rigid body rotor model, flexible rotor model using finite-element method, and a reduced-order model using modal truncation. The rotor model is combined with those of active magnetic bearings, amplifiers, and position sensors, resulting in a system simulation model. This simulation model is validated against experimental measurements. The stability of the system is checked from the pole locations of the closed-loop transfer functions. We also investigated the sensitivity function to quantify the robustness of the systems to the disturbances such as mass imbalance and sensor noises.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.79.2-79.2
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• 2011

플라이 휠 에너지 저장장치(Flywheel Energy Storage System: FESS)는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하였다가 필요시 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 재사용 가능한 에너지 저장장치 이다. 최근 전력 변환 기술의 발전으로 인하여 플라이휠 에너지 저장 장치의 에너지 입출력 속도가 빨라지고 대용량의 에너지를 저장할 수 있게 되었다. 본 논문에서는 이러한 플라이휠 에너지 저장 장치의 전력 입출력 특성을 이용하여 전력 시스템에서 발생하는 저주파 진동(Low frequency oscillation)을 억제하는 방안을 제시 하여 안정도를 향상 시키고자 하였다. 전력 시스템은 발전조건, 전송조건, 부하조건에 따라 동작 조건이 지속적으로 변하고 있다. 이러한 동작 환경 변화는 전력 시스템에 대한 수학적인 표현과 실제 전력계통간의 차이가 발생하기 때문에 정확한 제어 목적을 달성하기가 힘들다. 따라서 본 논문에서는 제어기 설계 단계에서 전력 계통의 불확실성을 고려할 수 있는 $H_{\infty}$ 제어 기법을 이용하여 플라이휠 에너지 저장장치를 위한 강인 제어기를 설계 하였다. 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 강인 제어기의 유용성을 입증하기 위하여 1기 무한대 모선에 적용한 결과를 비선형 시뮬레이션을 통하여 다양한 외란이 발생한 경우에 외란 억제 성능과 강인성에 대하여 고찰 하였으며, 제안한 방식이 기존의 전력계통 안정화 장치(Power system stabilizer: PSS) 보다 효율적이며 전력계통의 안정도 향상에 크게 기여함을 보이고자 하였다.

• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
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• 한국소음진동공학회 2011년도 추계학술대회 논문집
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• pp.760-761
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• 2011

• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
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• 한국소음진동공학회 1997년도 춘계학술대회논문집; 경주코오롱호텔; 22-23 May 1997
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• pp.283-289
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• 1997

A 500Wh class high-speed Flywheel Energy Storage System (FESS) driven by a built-in BLDC motor/generator has been designed, which runs from 30000 to 60000rpm nominally. Due to the motor/generator inside, the flywheel rotor made of composites supported by PM/EM hybrid bearing system has a shape of bell or pendulum and thus requires accurate rotordynamic analyses and prediction of its dynamic behavior to secure the operating reliability. Rotordaynamic analyses of the flywheel rotor-bearing system revealed that the bell shaped rotor has two conical rigid-body modes in the system operating range and the first conical mode, of which nodal point lies in the radial EM bearing position, can adversely affect the dynamic response of the rotor at the corresponding critical speed. To eliminate the possibility of wild behavior of the rotor, two guide bearings are adopted at the upper end of the rotor and motor/generator. It was also revealed that the EM bearing stiffness of 0.5~1.0E+6 N/m and damping of 2000 Ns/m are favorable for smooth operation of the system around the 2nd critical speed.