KR100687964B1 - 용량이 다른 두 개의 구동 모터를 구비한, 선박용 구동 장치 - Google Patents

용량이 다른 두 개의 구동 모터를 구비한, 선박용 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 프로펠러에 대해 두 개의 매우 상이한 작동 범위를 가지는 선박용 구동 장치의 에너지 균형을 최적화하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 컨버터 공급부를 구비한 다중 위상 교류 모터의 형태로 구성되는 두 개의 구동 모터(10, 20)가 구동축에 배치된다. 상기 구동 모터는 적어도 20 : 1의 비율에 따라 명목적 성능이 상이하다. 유용하게는, 두 개의 구동 모터(10, 20)의 회전자(12, 22)는 회전자의 어느 한 측부에 배치된 두 개의 베어링 조립체(16, 26)에 서로 장착된다.

Description

용량이 다른 두 개의 구동 모터를 구비한, 선박용 구동 장치{DRIVING DEVICE WITH TWO DRIVING MOTORS OF DIFFERENT CAPACITY FOR A VESSEL}
본 발명은 전기적으로 구동되는 운송 수단(electrically driven vehicles)의 구동 분야에 관한 것이며 특히 선박용 추진 장치(propulsion device for a ship)의 구조적 및 설계적 실시예를 위해 이용되는데, 이러한 선박용 추진 장치는 구동 축을 통한 직류 모터 구동부를 가지는 프로펠러에 대해 필수적으로 두 개의 작동 범위, 즉 정격 회전 속도(rated rotational speed)의 약 30% 까지의 프로펠러 회전 속도에 대한 제 1 작동 범위와 이러한 속도를 넘어 정격 회전 속도까지 연장되는 프로펠러 회전 속도에 대한 제 2 작동 범위를 가진다.
이러한 타입의 공지된 추진 장치는 잠수함과 같은 군함(naval ship)의 추진용으로 사용되며 해상 함정(surface ship)의 경우에도 적용될 수 있다. 추진 장치는 회전자 및 여기에 분배된 다중 위상 회전자 권선(distributed multiphase stator winding)을 구비한 동기 모터(synchronous motor)를 가지며 회전자는 영구 자석에 의하여 여기되며, 분배된 다중 위상 회전자 권선에서 각각의 위상 권선은 자체의 정적 컨버터(static converter)에 의하여 공급된다. 정적 컨버터 공급원(static converter supply)을 구비한 이러한 다중 위상 교류 모터(multiphase alternating current motor)는 프로펠러를 지지하는 구동축에 직접 결합되며, 결합 수단에 의해서도 가능하다. 모터의 회전 속도는 전 동력 범위에 걸쳐 무 단계적으로(steplessly) 조절될 수 있으며, 잠수함 구동부(submarine drive)는 최소 노이즈-제한 선박 속도(minimum noise-limiting vessel speed) 및 순항 속도(cruising speed)에 대한 정격 회전 속도의 30% 까지 낮은 회전 속도 범위(lower rotational speed range)에서 및 높은 선박 속도에 대한 정격 회전 속도의 약 50 내지 100%의 높은 회전 속도 범위(upper rotational speed range)에서 필수적으로 작동된다. 낮은 회전 속도 범위에서의 작동은 주요 작동 타입이다[잡지(Journal) "Jahrbuch der schiffsbautechnischen Gesellschaft 81"(1987. 221 쪽 내지 227 쪽 및 229 쪽 내지 234 쪽)]. 이러한 장치에서, 모터에 대한 구동 에너지는 전기 에너지 저장부(배터리) 및/또는 전기 에너지 발생기, 예를 들면, 디젤-발전기 세트(diesel-generator set) 또는 연료 셀 설비(fuel cell installation)로부터 얻는다. 이러한 추진 장치의 효율을 최적화하기 위해, 다중 위상 회전자 권선 구성의 개별적인 권선 부분은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 이것은 특히 추진 장치의 전체 효율이 종래의 구동부의 경우에서의 전체 효율보다 최하 허용 연속 회전 속도(the lowest permissible continuous rotational speed)로 더 많이 낮아진다. 낮은 회전 속도에서, 효율만이 비현실적인 정도로 높은 회전 속도에서 최적 값 약간 아래에 놓인다.
예를 들면 대형 컨테이너 수송 선박의 형태인 해상 함정에 대해 추진 장치가 자체적으로 공지되는데, 추진 장치에는 소 동력의 전기 모터가 대 동력의 디젤 엔진에 부가하여 제공된다. 모터 및 엔진은 프로펠러의 구동 축에 직렬로 연결된다. "부스터 구동부(booster drive)"로서 설계되고 2 내지 15 MW의 정격 출력을 가지는 전기 모터는 특별한 이동 상황, 예를 들면 시작 단계, 가속 단계, 중간 속도 범위 및 풀 로드 단계(full-load phase)에서의 단점을 보상하도록 지지 목적을 위해 디젤 엔진과 연결되는데, 이러한 정격 출력은 디젤 엔진의 정격 출력의 적어도 10%가 된다. 이것의 단점은 이러한 작동 상태에서 디젤 엔진의 특성이다.[Siemens AG의 소책자(brochure) "전기 부스터 구동부(Electrical Booster Drive)" 1 쪽 내지 9 쪽; US 4417878 A, DE 4432483 A1]
청구항 1의 전제부의 특징을 갖는 추진 장치를 기초로 하여, 본 발명은 특히 낮은 회전 속도 범위에서 더 나은 효율을 얻을 수 있는 방식으로 추진 장치를 구성하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 정적 컨버터 공급원을 구비한 다중 위상 교류 모터로서 구성되는 제 2 전기 모터가 구동 축에 배치되며, 두 개의 전기 모터는 출력비가 20 : 1 이상이 되는 방식으로 정격 출력이 상이한 본 발명에 따른 설비(provision)가 제공된다.
본 발명에 따라 구성된 추진 장치에서, 최대 구동 동력의 1/20 보다 작은 구동 동력이 작은 회전 속도 범위에 대해 정격 회전 속도의 약 30%까지 필요하다는 것이 고려된다. 소 동력의 구동 모터는 이러한 회전 속도 범위에 대해 특별히 대응되게 제공되며, 이러한 구동 모터는 낮은 선박 속도에서 작동할 때 군함의 특성인, 고려되는 타입의 기계적, 전기적 및 음향학적 경계 조건(the mechanical, electrical and acoustic boundary conditions) 모두를 만족하여야 한다. 다른 한편으로는, 대 동력 구동 모터는 높은 선박 속도를 위해 설계되는데, 높은 선박 속도 동안에는 낮은 선박 속도에 대해 존재하는 노이즈를 만족시키는 엄격한 구조 조건(the extreme structure-carried noise requirements)이 더 이상 필요치 않는다. 따라서 음향학적 및 전기적 요구조건의 증가는 소형 구동 모터의 경우에서만 현실화되는 반면, 대형 구동 모터에서는 이들 요구조건을 보다 덜 만족시켜도 된다.
전체 효율은 소형 구동 모터를 최적화함으로써 소 동력 범위에서 개선된다. 이러한 장점은 높은 선박 속도에 대해 동력 필요조건이 더 커질 때 따라서 50 : 1 이상의 두 개의 구동 모터 사이의 동력 비율, 즉 예를 들면 8 MW/150 kW가 현실화될 때 더 중요하게 된다.
영구 자석 여기 회전자(permanent magnet excitation rotor)를 구비한 동기 모터는 특히 소 동력 구동 모터에 대해 고려될 수 있다. 그러나, 또한 직류에 의해 여기된 무브러시 돌극기(brushless salient pole machine)를 적용하는 것이 가능하다. 대 동력 구동 모터가 소 동력 구동 모터보다 요구조건이 적기 때문에, 또한 동기 모터로서 구성될 수 있다. 직류에 의하여 여기된 비 돌극 회전자(non-salient pole rotor) 또는 돌극 회전자(salient-pole rotor)를 구비한 동기 모터는 증가된 요구조건을 만족하고, 최대 요구조건의 경우, 영구 자석 여기 회전자를 구비한 동기 모터가 또한 고려될 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 추진 장치에서, 두 개의 구동 모터는 구조적 유닛을 형성할 수 있으며, 두 개의 구동 모터의 축이 플랜지 연결에 의해 서로 단단히 연결되는 경우, 구조적 유닛은 치밀하고 양호한 비용(favorable cost)으로 제조 및 조립될 수 있다. 이러한 장치에서, 구동 모터의 두 개의 회전자는 회전자의 양 단부에 배치되는 두 개의 베어링으로 연결 지지되는 것이 편리하다. 수 냉각 시스템(water cooling system)이 소 동력 구동 모터에 대해서만 제공되고 공기 냉각 시스템(air cooling system)이 대 동력 구동 모터와 관련되는 경우 추가적인 비용면에서의 장점이 달성될 수 있다. 유사한 장점은 두 개의 구동 모터 각각이 두 개의 구동 모터 각각과 관련된 자체적인 전력 전자 유닛(power electronics unit)을 가진다.
새로운 추진 장치의 두 개의 전형적인 실시예가 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된다.
도 1은 추진 장치를 보여주는 도면으로서, 추진 장치내에서 소 동력 구동 모터의 회전자가 대 동력 구동 모터의 회전자 축에 매다는 방식으로 결합되어 있는 상태를 보여주는 도면이며,
도 2는 추진 장치를 보여주는 도면으로서, 추진 장치내에서 두 개의 구동 모터의 회전자들이 두 개의 베어링 사이에서 연결 지지되어 있는 상태를 보여주는 도면이다.
도 1은 추진 장치를 보여주는데, 이러한 추진 장치에는 제 1의 대 동력 전기적 구동 모터(a first, higher power electrical drive motor; 10)와, 그리고 제 2의 소 동력 전기적 구동 모터(a second, lower power electrical drive motor; 20)가 서로 매우 인접하게 배치되어 있다. 이를 위해, 구동 모터의 두 개의 고정자 케이싱(11 및 21)이 서로 연결되어 있다. 게다가, 회전자(22)가 배치되는 구동 모터(20)의 축(23)은 결합 플랜지(14 및 24)에 의해 회전자(12)가 배치되는 구동 모터(10)의 축(13)에 플랜지 결합된다. 모터에 대해 동심으로 배치되고 환형 공간(2)을 형성하는 케이싱(1)은 소 동력 구동 모터(20)와 관련된다. 냉각 펌프 및 구동 모터(20)를 작동시키기 위해 필요한 다른 유닛과 함께 전력 전자 유닛이 이러한 고리형 공간내에 배치될 수 있다.
구동 모터(10) 및 구동 모터(20) 둘다 정적 컨버터 공급원을 구비한 다중 위상 교류 모터로서 구성되며, 소 동력 구동 모터(20)는 영구적 여기 회전자(permanently excited rotor)를 구비한 동기 모터이며, 대 동력 구동 모터(10)는 비동기 모터로서 구성된다. 구동 모터(10)는 예를 들면 약 45 내지 150 rpm의 회전 속도 범위에 있는 4MW의 정격 출력(rated power)을 가진다. 한편으로는, 구동 모터(20)는 예를 들면 0 내지 46rpm의 회전 속도 범위에 있는 약 150kW의 정격 출력을 가진다.
구동 모터(20)에 대한 전력 전자 유닛 보다 상당히 더 많은 공간을 차지하는 구동 모터(10)에 대한 전력 전자 유닛은 별도의 스위치-기어 설비(switch-gear installation)에 편리하게 설치되며, 이 설비는 모터(10) 다음에 세워질 수 있다.
원칙적으로, 도 2에 따른 추진 장치는 도 1에 따른 추진 장치와 유사하게 구성된다. 본질적인 차이는 두 개의 베어링(16 및 26)으로된 장치로 이루어진다. 도 1에 따른 예시적인 실시예로부터 알 수 있듯이, 여기서는 구동 모터(20)의 회전자(22)에 매달린 지지부가 결합 플랜지(14 및 24)에 의하여 제공되지만, 이러한 경우 두 개의 구동 모터의 회전자의 축(17 및 27)은 이들 축이 하나의 축계(shafting)의 연결 부재를 형성하는 방식으로 서로에 대해 매칭되어 있으며, 이 부재는 두 개의 회전자의 양 단부에 있는 두 개의 베어링(16 및 26)내에 연결 지지되어 있다.
도 2에 따른 전형적인 실시예에서, 회전 속도 모니터링 컴퓨터와 같은 전자적 유닛 및 냉각 펌프와 함께 전력 전자 유닛은 구동 모터에 배치되는 케이싱(28)에 수용되며, 냉각 장치(18)는 대 동력 구동 모터에 배치되며, 냉각 장치(18)는 필수적으로 팬 및 공기/물 재냉각 유닛으로 이루어진다.
수 냉각 시스템(water cooling system)이 소 동력 구동 모터의 고정자를 냉각하기 위해 제공되며, 대응하는 냉각 연결부(29)가 개략적으로 도시되었다. 소 동력 구동 모터의 회전자에는 고정자의 권선 헤드의 냉각부를 지지하는 팬 날개(30)가 부가적으로 제공된다.

Claims (12)

  1. 구동 축을 통한 직류 모터 구동부를 가지는 프로펠러에 대해 필수적으로 두 개의 작동 범위, 즉 정격 회전 속도의 약 30% 까지의 프로펠러 회전 속도에 대한 제 1 작동 범위와 이러한 속도를 넘어 정격 회전 속도 까지 연장되는 프로펠러 회전 속도에 대한 제 2 작동 범위를 가지며, 정적 컨버터 공급원을 구비한 다중 위상 교류 모터가 구동 모터(10)로서 제공되는, 선박용 추진 장치에 있어서,
    정적 컨버터 공급원을 구비한 다중 위상 교류 모터로서 구성되는 제 2 전기 모터(20)가 구동 축(13, 23)에 배치되며, 상기 두 개의 전기 모터(10, 20)는 상기 출력비가 20 : 1 이상이 되는 방식으로 정격 출력이 상이한 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터중 소 동력 구동 모터(20)는 직류에 의하여 여기되는 돌극기로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소 동력 구동 모터(20)는 영구 자석 여기부를 구비한 회전자를 가지는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대 동력 구동 모터(10)는 비동기 모터로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대 동력 구동 모터(10)는 영구적으로 여기되는 회전자를 구비한 동기 모터로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대 동력 구동 모터(10)는 비 돌극 회전자 또는 직류에 의하여 여기되는 돌극 회전자를 구비한 동기 모터로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 구동 모터 사이의 출력비가 50 : 1 보다 더 큰 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 구동 모터(10, 20)의 축(13, 23)은 플랜지 연결부(14, 24)에 의하여 서로 단단하게 연결되는 것을 특징으로 하는,
    추진 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 모터의 두 개의 회전자(12, 22)는 상기 회전자의 양단부에 배치되는 두 개의 베어링(16, 26)내에 연결 지지되는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소 동력 구동 모터(20)는 수 냉각 시스템(29)을 포함하며, 상기 수 냉각 시스템은 상기 선박의 담수 냉각 회로로부터 공급되며, 공기 냉각 시스템(18)은 상기 대 동력 구동 모터(10)와 관련되어 있는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 구동 모터(10, 20) 각각은 상기 구동 모터 각각과 관련된 자체 전력 전자 유닛을 가지는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 소 동력 구동 모터(20)의 전력 전자 유닛은 상기 구동 모터의 케이싱(1, 28)내에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는,
    선박용 추진 장치.
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