KR102522500B1 - 전기 항공기 추진 시스템 - Google Patents
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Abstract
항공기의 전기 추진 시스템은 나셀과 전기 기계를 포함한다. 전기 기계는 나셀에 위치결정되는 고정자, 및 나셀을 통한 주 기류 경로에 위치결정되는 회전자 및 팬 조립체를 포함한다. 회전자 및 팬 조립체는, 원통형 팬 슈라우드, 팬 슈라우드의 외부 표면 상에 위치결정되는 복수의 회전자 자석들, 및 하나 이상의 베어링들을 통해 중앙 지지 샤프트 상에 장착되는 팬 허브를 포함한다. 복수의 팬 블레이드들은 팬 슈라우드의 내부 표면과 팬 허브의 외부 표면 사이에서 연장된다. 회전자 자석들은, 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태에 있을 때 반경방향으로 압축시에 로딩될 수 있다. 팬 블레이드들은, 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 프리-스트레스될 수 있다.
Description
[0001] 본 개시내용은 일반적으로 항공기용 추진 시스템들(propulsion systems)에 관한 것으로, 그리고 보다 구체적으로는 항공기용 직접 구동 전기 덕트형 팬 추진 시스템들(direct drive electric ducted fan propulsion systems)에 관한 것이다.
[0002] 항공기를 위한 종래의 추진 시스템은 항공기를 추진하도록 추진 팬을 구동하기 위해 회전 샤프트를 통해 토크를 전달하는 모터를 포함한다. 회전 샤프트는 전형적으로 모터 내부에 수납되거나 모터에 직접적으로 커플링된다.
[0003] 덕트형 팬 추진 시스템들의 경우에, 모터는 전형적으로 덕트 내부에 그리고 팬과 동축으로 (예컨대, 팬의 하류에) 위치된다. 팬 블레이드들은 팬을 구동시키는 모터 샤프트에 연결되는 중앙 허브에 부착된다. 보다 높은 추력을 달성하기 위해, 보다 높은 전력 소요량(power rating)을 갖는 모터가 사용될 수 있다. 그러나, 보다 높은 전력 소요량을 갖는 모터들은 보다 큰 외경들을 가지는 경향이 있으며, 이는, 모터가 덕트 내부에 위치될 때 추진 효율이 감소시킨다. 예를 들어, 보다 큰 모터 직경은 고정식 나셀 직경(fixed nacelle diameter)에 대한 팬의 최적 허브/팁 비율을 초과할 수 있다.
[0004] 팬 블레이드들의 하류에 위치되어 있는 모터로 인한 효율 손실들을 보상하기 위해, 팬 블레이드들의 길이는 필수적인 레벨의 추력을 생성하기 위해 증가될 수 있다. 그러나, 보다 큰 모터 및 보다 큰 팬 블레이드들은 추진 시스템의 중량을 상당히 증가시킬 수 있다. 추가적으로, 추진 시스템의 크기 및 중량이 증가함에 따라, 시스템에 대한 추력 대 중량 비율은 전형적으로 낮아진다. 또한, 이러한 시스템은 보다 번한 유지보수를 필요로 할 수 있는 상당히 증가된 진동들을 겪을 수 있고, 기계적인 고장에 대한 취약성을 증가시키고 그리고/또는 보다 높은 레벨들의 가청 소음을 생성한다.
[0003] 덕트형 팬 추진 시스템들의 경우에, 모터는 전형적으로 덕트 내부에 그리고 팬과 동축으로 (예컨대, 팬의 하류에) 위치된다. 팬 블레이드들은 팬을 구동시키는 모터 샤프트에 연결되는 중앙 허브에 부착된다. 보다 높은 추력을 달성하기 위해, 보다 높은 전력 소요량(power rating)을 갖는 모터가 사용될 수 있다. 그러나, 보다 높은 전력 소요량을 갖는 모터들은 보다 큰 외경들을 가지는 경향이 있으며, 이는, 모터가 덕트 내부에 위치될 때 추진 효율이 감소시킨다. 예를 들어, 보다 큰 모터 직경은 고정식 나셀 직경(fixed nacelle diameter)에 대한 팬의 최적 허브/팁 비율을 초과할 수 있다.
[0004] 팬 블레이드들의 하류에 위치되어 있는 모터로 인한 효율 손실들을 보상하기 위해, 팬 블레이드들의 길이는 필수적인 레벨의 추력을 생성하기 위해 증가될 수 있다. 그러나, 보다 큰 모터 및 보다 큰 팬 블레이드들은 추진 시스템의 중량을 상당히 증가시킬 수 있다. 추가적으로, 추진 시스템의 크기 및 중량이 증가함에 따라, 시스템에 대한 추력 대 중량 비율은 전형적으로 낮아진다. 또한, 이러한 시스템은 보다 번한 유지보수를 필요로 할 수 있는 상당히 증가된 진동들을 겪을 수 있고, 기계적인 고장에 대한 취약성을 증가시키고 그리고/또는 보다 높은 레벨들의 가청 소음을 생성한다.
[0005] 다음의 도입부는 독자에게 뒤따르는 보다 상세한 논의를 소개하기 위해 제공된다. 도입부는 임의의 청구된 또는 아직 청구되지 않은 바와 같은 발명을 제한하거나 규정하도록 의도되지 않는다. 하나 이상의 발명들은 그의 청구항들 및 도면들을 포함하는 이 문헌의 임의의 일부에서 개시되는 요소들 또는 프로세스 단계들의 임의의 조합 또는 하위-조합에 존재할 수 있다.
[0006] 본원에서 개시되는 전기 항공기 추진 시스템에서, 덕트형 팬 블레이드들은 전기 기계에 통합된다. 일반적으로 말하자면, 회전하는 팬 블레이드들은 전기 기계의 회전자 조립체의 부품을 형성한다. 피동식 모터 샤프트에 대한 요건을 제거함으로써, 본원에서 개시되는 전기 추진 시스템들은 전기 기계를 통한 1차 기류을 허용한다. 이는 증가된 추진 효율을 제공할 수 있다.
[0007] 또한, 개시된 전기 추진 시스템들의 토폴로지(topology)는, 전기 기계가 그의 직경과 축방향 길이 사이에 상대적으로 높은 종횡비를 가지는 것을 허용할 수 있다. 이는, 전기 기계가 다상 다극 고정자 권선부들(polyphase multi-polar stator windings)의 세트를 수용하는 것을 허용할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 높은 종횡비는, 전기 기계가 요크에서 또는 고정자의 치형부들에서 자기 포화에 도달하지 않고 보다 높은 출력 전력을 제공하도록 스케일러블(scalable)하는 것을 가능하게 할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 높은 종횡비는 회전자 조립체의 중량 및/또는 회전 관성을 감소시킬 수 있다.
[0008] 본원에 개시되는 시스템들에서, 추진 팬 블레이드들은 내부 허브 및 외부 슈라우드 둘 모두에 고정되며, 이 때 허브, 팬 블레이드들, 및 슈라우드는 전기 기계를 위한 회전자 및 팬 조립체의 일부를 형성한다. 고속 작동 동안 예상되는 원심력들 및/또는 후프 응력들 중 적어도 일부분을 보상하기 위해, 회전자 및 팬 조립체의 적어도 일부 구성요소들은 바람직하게는 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 적어도 일부 구성요소들이 압축 하에 있도록, 이들의 제조 및/또는 조립 동안 (예컨대, 반경방향으로) 프리-로드된다(pre-loaded). 예를 들어, 슈라우드, 슈라우드 및/또는 팬 블레이드들의 외부 표면 상에 위치결정되는 회전자 자석들은 압축시에 프리-로드될 수 있다. 회전자 및 팬 조립체의 구성요소들을 프리-로드함으로써, 회전자 및 팬 조립체의 회전 동안 생성되는 원심력들의 일부분은 사전-압축 응력을 완화함으로써 효과적으로 ‘상쇄'될 수 있으며, 고속 작동 동안 회전자 및 팬 조립체 상에서 적은 순 인장 응력을 초래한다.
[0009] 본 개시내용의 하나의 넓은 양태에 따르면, 항공기용 전기 추진 시스템(electric propulsion system)이 제공되며, 이 시스템은, 나셀(nacelle) ─ 나셀은 나셀의 유입구 단부로부터 나셀의 유출구 단부까지의 주 기류 경로를 규정함 ─ ; 및 전기 기계를 포함하며, 이 전기 기계는, 나셀에 위치결정되고 그리고 하나 이상의 고정자 권선부들(stator windings)을 포함하는 고정자; 및 주 기류 경로에 위치결정되는 회전자 및 팬 조립체를 포함하며, 회전자 및 팬 조립체는, 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 및 외부 표면을 가지는 원통형 팬 슈라우드(cylindrical fan shroud); 팬 슈라우드의 외부 표면 상에 위치결정되고 그리고 하나 이상의 고정자 권선부들과 동심인 복수의 회전자 자석들; 팬 슈라우드의 내부에 동심으로 위치결정되는 팬 허브(fan hub) ─ 팬 허브는 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 외부 표면, 및 회전의 팬 축을 가지고, 팬 허브는 하나 이상의 베어링들을 통해 중앙 지지 샤프트 상에 장착됨 ─ ; 및 팬 슈라우드의 내부 표면과 팬 허브의 외부 표면 사이에서 연장되는 복수의 팬 블레이드들을 포함한다.
[0010] 일부 실시예들에서, 복수의 회전자 자석들은 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 프리-스트레스된다(pre-stressed).
[0011] 일부 실시예들에서, 회전자 및 팬 조립체는 복수의 회전자 자석들을 원통형 팬 슈라우드에 고정시키기 위한 슬리브(sleeve)를 더 포함한다.
[0012] 일부 실시예들에서, 슬리브는 복수의 회전자 자석들에 압축 하중을 가하는 압축 슬리브이다.
[0013] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드의 외부 단부는 팬 슈라우드의 내부 표면에 직접적으로 고정된다.
[0014] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드의 외부 단부는 더브테일 조인트(dovetail joint)를 통해 팬 슈라우드의 내부 표면에 고정된다.
[0015] 일부 실시예들에서, 복수의 팬 블레이들은 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 프리-스트레스된다.
[0016] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드의 내부 단부는 팬 블레이드 베이스를 가지고, 그리고 각각의 팬 블레이드 베이스와 팬 허브 사이에 위치결정되는 적어도 하나의 너트(nut)를 더 포함하며, 적어도 하나의 너트는 팬 블레이드에 반경방향으로 압축 하중을 가한다.
[0017] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드 베이스는 팬 블레이드 베이스의 일 측면 상의 돌출 특징부 및 인접한 팬 블레이드 베이스의 돌출 특징부를 수용하기 위한 팬 블레이드 베이스의 반대 측면 상의 상보적인 오목부를 갖는다.
[0018] 일부 실시예들에서, 복수의 회전자 자석들은 할박(Halbach) 구성으로 위치결정된다.
[0019] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 고정자 권선부들은 다상 내결함성 권선부들(polyphase fault tolerant windings)을 포함한다.
[0020] 일부 실시예들에서, 다상 권선부들은 적어도 3개의 위상들을 포함한다.
[0021] 일부 실시예들에서, 시스템은 축방향의 기류를 향한 나셀에 대한 회전자 및 팬 조립체의 회전으로부터 초래되는 원주방향 기류의 재지향(redirection)을 촉진하기 위해 전기 기계의 하류에 있는 상기 주 기류 경로에 위치결정되는 복수의 안내 베인들(guide vanes)을 더 포함한다.
[0022] 일부 실시예들에서, 복수의 가이드 베인들은 중앙 지지 샤프트에 구조적 지지를 제공한다.
[0023] 일부 실시예들에서, 고정자는 내부 고정자 직경 및 축방향 고정자 길이를 가지며, 그리고 내부 고정자 직경은 축방향 고정자 길이보다 적어도 4배, 적어도 20배 더 크거나, 적어도 20배 더 크다.
[0024] 일부 실시예들에서, 고정자는 내경을 가지고, 그리고 고정자를 수납하기 위한 고정자 인클로저(stator enclosure)를 더 포함하고, 이 고정자 인클로저는: 고정자 주위에 동심으로 위치결정되는 환형 케이싱(annular casing) ─ 환형 케이싱은 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 및 외부 표면, 케이싱 직경을 가짐 ─ ; 환형 케이싱의 제1 단부에 커플링되는 전방 고정자 면 플레이트(front stator face plate) ─ 전방 고정자 면 플레이트는 일반적으로 고정자의 내경과 정렬되는 내경을 가짐 ─ ; 및 환형 케이싱의 제2 단부에 커플링되는 후방 고정자 면 플레이트를 포함하며, 후방 고정자 면 플레이트는 일반적으로 고정자의 내경과 정렬되는 내경을 갖는다.
[0025] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 고정자 권선부들을 위한 전력 전자장치들은 환형 케이싱에 커플링된다.
[0026] 일부 실시예들에서, 환형 케이싱 및 전방 고정자 면 플레이트 및 후방 고정자 면 플레이트 중 적어도 하나는 일체로 형성된다.
[0027] 일부 실시예들에서, 복수의 냉각 핀들은 전방 고정자 면 플레이트의 전방 표면 상에 제공된다.
[0028] 일부 실시예들에서, 시스템은 고정자 인클로저 주위에 위치결정되는 복수의 콘덴서들를 더 포함한다.
[0029] 일부 실시예들에서, 시스템은 복수의 기류 덕트들을 더 포함하며, 각각의 기류 덕트들은 복수의 응축기들 중 하나의 상류 단부 내로 공기를 지향시키도록 위치결정된다.
[0030] 일부 실시예들에서, 시스템은 복수의 콘덴서들 및 하나 이상의 고정자 권선부들 중 적어도 하나와 열적 연통하는 열 파이프들을 더 포함한다.
[0031] 일부 실시예들에서, 회전자 및 팬 조립체는 회전자 냉각 시스템을 더 포함한다.
[0032] 일부 실시예들에서, 회전자 냉각 시스템은, 각각의 복수의 회전자 자석들과 열적 연통하는 적어도 하나의 회전자 열 파이프를 포함하며, 각각의 회전자 열 파이프는 회전자 자석과 주변 공기 사이의 온도 차이에 응답하여 회전자 열 파이프 내에서 유체의 진동 모션(oscillatory motion)을 촉진하도록 구성된다.
[0033] 일부 실시예들에서, 원통형 팬 슈라우드는 축방향 슈라우드 길이를 가지며, 복수의 팬 블레이드들은 축방향 블레이드 길이를 가지며, 그리고 축방향 슈라우드 길이는 축방향 블레이드 길이의 105% 이하이다.
[0034] 일부 실시예들에서, 회전자 및 팬 조립체는 팬 허브의 제1 단부에 커플링된 노즈 콘을 더 포함한다.
[0035] 일부 실시예들에서, 시스템은 회전자 및 팬 조립체의 하류에 위치결정되는 허브 페어링을 더 포함한다.
[0036] 일부 실시예들에서, 시스템은 허브 페어링에 커플링되는 선형 액추에이터(linear actuator)를 더 포함하며, 허브 페어링은, 허브 페어링의 적어도 일부분이 나셀의 출구 노즐에 위치결정되는 연장된 포지션과, 허브 페어링이 팬 허브에 근접한 수축된 포지션 사이에서 선택적으로 이동될 수 있다.
[0037] 이러한 개시내용의 다른 넓은 양태에 따르면, 본원에서 개시된 바와 같은 전기 추진 시스템을 포함하는 항공기가 제공된다.
[0038] 본원에 개시되는 방법 또는 장치가 본원에 포함된 특징들 중 임의의 하나 이상을 구체화할 수 있는 것 그리고 특징들이 임의의 특정한 조합 또는 하위-조합으로 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
[0039] 다양한 실시예들의 이들 및 다른 양태들 및 특징들은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
[0006] 본원에서 개시되는 전기 항공기 추진 시스템에서, 덕트형 팬 블레이드들은 전기 기계에 통합된다. 일반적으로 말하자면, 회전하는 팬 블레이드들은 전기 기계의 회전자 조립체의 부품을 형성한다. 피동식 모터 샤프트에 대한 요건을 제거함으로써, 본원에서 개시되는 전기 추진 시스템들은 전기 기계를 통한 1차 기류을 허용한다. 이는 증가된 추진 효율을 제공할 수 있다.
[0007] 또한, 개시된 전기 추진 시스템들의 토폴로지(topology)는, 전기 기계가 그의 직경과 축방향 길이 사이에 상대적으로 높은 종횡비를 가지는 것을 허용할 수 있다. 이는, 전기 기계가 다상 다극 고정자 권선부들(polyphase multi-polar stator windings)의 세트를 수용하는 것을 허용할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 높은 종횡비는, 전기 기계가 요크에서 또는 고정자의 치형부들에서 자기 포화에 도달하지 않고 보다 높은 출력 전력을 제공하도록 스케일러블(scalable)하는 것을 가능하게 할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 높은 종횡비는 회전자 조립체의 중량 및/또는 회전 관성을 감소시킬 수 있다.
[0008] 본원에 개시되는 시스템들에서, 추진 팬 블레이드들은 내부 허브 및 외부 슈라우드 둘 모두에 고정되며, 이 때 허브, 팬 블레이드들, 및 슈라우드는 전기 기계를 위한 회전자 및 팬 조립체의 일부를 형성한다. 고속 작동 동안 예상되는 원심력들 및/또는 후프 응력들 중 적어도 일부분을 보상하기 위해, 회전자 및 팬 조립체의 적어도 일부 구성요소들은 바람직하게는 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 적어도 일부 구성요소들이 압축 하에 있도록, 이들의 제조 및/또는 조립 동안 (예컨대, 반경방향으로) 프리-로드된다(pre-loaded). 예를 들어, 슈라우드, 슈라우드 및/또는 팬 블레이드들의 외부 표면 상에 위치결정되는 회전자 자석들은 압축시에 프리-로드될 수 있다. 회전자 및 팬 조립체의 구성요소들을 프리-로드함으로써, 회전자 및 팬 조립체의 회전 동안 생성되는 원심력들의 일부분은 사전-압축 응력을 완화함으로써 효과적으로 ‘상쇄'될 수 있으며, 고속 작동 동안 회전자 및 팬 조립체 상에서 적은 순 인장 응력을 초래한다.
[0009] 본 개시내용의 하나의 넓은 양태에 따르면, 항공기용 전기 추진 시스템(electric propulsion system)이 제공되며, 이 시스템은, 나셀(nacelle) ─ 나셀은 나셀의 유입구 단부로부터 나셀의 유출구 단부까지의 주 기류 경로를 규정함 ─ ; 및 전기 기계를 포함하며, 이 전기 기계는, 나셀에 위치결정되고 그리고 하나 이상의 고정자 권선부들(stator windings)을 포함하는 고정자; 및 주 기류 경로에 위치결정되는 회전자 및 팬 조립체를 포함하며, 회전자 및 팬 조립체는, 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 및 외부 표면을 가지는 원통형 팬 슈라우드(cylindrical fan shroud); 팬 슈라우드의 외부 표면 상에 위치결정되고 그리고 하나 이상의 고정자 권선부들과 동심인 복수의 회전자 자석들; 팬 슈라우드의 내부에 동심으로 위치결정되는 팬 허브(fan hub) ─ 팬 허브는 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 외부 표면, 및 회전의 팬 축을 가지고, 팬 허브는 하나 이상의 베어링들을 통해 중앙 지지 샤프트 상에 장착됨 ─ ; 및 팬 슈라우드의 내부 표면과 팬 허브의 외부 표면 사이에서 연장되는 복수의 팬 블레이드들을 포함한다.
[0010] 일부 실시예들에서, 복수의 회전자 자석들은 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 프리-스트레스된다(pre-stressed).
[0011] 일부 실시예들에서, 회전자 및 팬 조립체는 복수의 회전자 자석들을 원통형 팬 슈라우드에 고정시키기 위한 슬리브(sleeve)를 더 포함한다.
[0012] 일부 실시예들에서, 슬리브는 복수의 회전자 자석들에 압축 하중을 가하는 압축 슬리브이다.
[0013] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드의 외부 단부는 팬 슈라우드의 내부 표면에 직접적으로 고정된다.
[0014] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드의 외부 단부는 더브테일 조인트(dovetail joint)를 통해 팬 슈라우드의 내부 표면에 고정된다.
[0015] 일부 실시예들에서, 복수의 팬 블레이들은 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 프리-스트레스된다.
[0016] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드의 내부 단부는 팬 블레이드 베이스를 가지고, 그리고 각각의 팬 블레이드 베이스와 팬 허브 사이에 위치결정되는 적어도 하나의 너트(nut)를 더 포함하며, 적어도 하나의 너트는 팬 블레이드에 반경방향으로 압축 하중을 가한다.
[0017] 일부 실시예들에서, 각각의 팬 블레이드 베이스는 팬 블레이드 베이스의 일 측면 상의 돌출 특징부 및 인접한 팬 블레이드 베이스의 돌출 특징부를 수용하기 위한 팬 블레이드 베이스의 반대 측면 상의 상보적인 오목부를 갖는다.
[0018] 일부 실시예들에서, 복수의 회전자 자석들은 할박(Halbach) 구성으로 위치결정된다.
[0019] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 고정자 권선부들은 다상 내결함성 권선부들(polyphase fault tolerant windings)을 포함한다.
[0020] 일부 실시예들에서, 다상 권선부들은 적어도 3개의 위상들을 포함한다.
[0021] 일부 실시예들에서, 시스템은 축방향의 기류를 향한 나셀에 대한 회전자 및 팬 조립체의 회전으로부터 초래되는 원주방향 기류의 재지향(redirection)을 촉진하기 위해 전기 기계의 하류에 있는 상기 주 기류 경로에 위치결정되는 복수의 안내 베인들(guide vanes)을 더 포함한다.
[0022] 일부 실시예들에서, 복수의 가이드 베인들은 중앙 지지 샤프트에 구조적 지지를 제공한다.
[0023] 일부 실시예들에서, 고정자는 내부 고정자 직경 및 축방향 고정자 길이를 가지며, 그리고 내부 고정자 직경은 축방향 고정자 길이보다 적어도 4배, 적어도 20배 더 크거나, 적어도 20배 더 크다.
[0024] 일부 실시예들에서, 고정자는 내경을 가지고, 그리고 고정자를 수납하기 위한 고정자 인클로저(stator enclosure)를 더 포함하고, 이 고정자 인클로저는: 고정자 주위에 동심으로 위치결정되는 환형 케이싱(annular casing) ─ 환형 케이싱은 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 및 외부 표면, 케이싱 직경을 가짐 ─ ; 환형 케이싱의 제1 단부에 커플링되는 전방 고정자 면 플레이트(front stator face plate) ─ 전방 고정자 면 플레이트는 일반적으로 고정자의 내경과 정렬되는 내경을 가짐 ─ ; 및 환형 케이싱의 제2 단부에 커플링되는 후방 고정자 면 플레이트를 포함하며, 후방 고정자 면 플레이트는 일반적으로 고정자의 내경과 정렬되는 내경을 갖는다.
[0025] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 고정자 권선부들을 위한 전력 전자장치들은 환형 케이싱에 커플링된다.
[0026] 일부 실시예들에서, 환형 케이싱 및 전방 고정자 면 플레이트 및 후방 고정자 면 플레이트 중 적어도 하나는 일체로 형성된다.
[0027] 일부 실시예들에서, 복수의 냉각 핀들은 전방 고정자 면 플레이트의 전방 표면 상에 제공된다.
[0028] 일부 실시예들에서, 시스템은 고정자 인클로저 주위에 위치결정되는 복수의 콘덴서들를 더 포함한다.
[0029] 일부 실시예들에서, 시스템은 복수의 기류 덕트들을 더 포함하며, 각각의 기류 덕트들은 복수의 응축기들 중 하나의 상류 단부 내로 공기를 지향시키도록 위치결정된다.
[0030] 일부 실시예들에서, 시스템은 복수의 콘덴서들 및 하나 이상의 고정자 권선부들 중 적어도 하나와 열적 연통하는 열 파이프들을 더 포함한다.
[0031] 일부 실시예들에서, 회전자 및 팬 조립체는 회전자 냉각 시스템을 더 포함한다.
[0032] 일부 실시예들에서, 회전자 냉각 시스템은, 각각의 복수의 회전자 자석들과 열적 연통하는 적어도 하나의 회전자 열 파이프를 포함하며, 각각의 회전자 열 파이프는 회전자 자석과 주변 공기 사이의 온도 차이에 응답하여 회전자 열 파이프 내에서 유체의 진동 모션(oscillatory motion)을 촉진하도록 구성된다.
[0033] 일부 실시예들에서, 원통형 팬 슈라우드는 축방향 슈라우드 길이를 가지며, 복수의 팬 블레이드들은 축방향 블레이드 길이를 가지며, 그리고 축방향 슈라우드 길이는 축방향 블레이드 길이의 105% 이하이다.
[0034] 일부 실시예들에서, 회전자 및 팬 조립체는 팬 허브의 제1 단부에 커플링된 노즈 콘을 더 포함한다.
[0035] 일부 실시예들에서, 시스템은 회전자 및 팬 조립체의 하류에 위치결정되는 허브 페어링을 더 포함한다.
[0036] 일부 실시예들에서, 시스템은 허브 페어링에 커플링되는 선형 액추에이터(linear actuator)를 더 포함하며, 허브 페어링은, 허브 페어링의 적어도 일부분이 나셀의 출구 노즐에 위치결정되는 연장된 포지션과, 허브 페어링이 팬 허브에 근접한 수축된 포지션 사이에서 선택적으로 이동될 수 있다.
[0037] 이러한 개시내용의 다른 넓은 양태에 따르면, 본원에서 개시된 바와 같은 전기 추진 시스템을 포함하는 항공기가 제공된다.
[0038] 본원에 개시되는 방법 또는 장치가 본원에 포함된 특징들 중 임의의 하나 이상을 구체화할 수 있는 것 그리고 특징들이 임의의 특정한 조합 또는 하위-조합으로 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
[0039] 다양한 실시예들의 이들 및 다른 양태들 및 특징들은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
[0040] 설명된 실시예들의 보다 양호한 이해를 위해 그리고 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지 보다 명확하게 나타내기 위해, 이제 예로써, 첨부 도면들에 대한 참조가 이루어질 것이다.
[0041] 도 1은 일 실시예에 따른 항공기용 전기 추진 시스템의 사시도이다.
[0042] 도 2는 도 1의 전기 추진 시스템의 다른 사시도이다.
[0043] 도 3은 도 1의 전기 추진 시스템의 부분 분해 부분 단면도이다.
[0044] 도 4는 도 1의 전기 추진 시스템의 단면도이다.
[0045] 도 5는 도 1의 전기 추진 시스템의 사시 단면도이다.
[0046] 도 6은 도 1의 전기 추진 시스템의 회전 팬 조립체의 사시도이다.
[0047] 도 7은 도 6의 회전 팬 조립체의 부분 분해 사시도이다.
[0048] 도 8a는 도 6의 회전 팬 조립체의 중앙 허브와 팬 블레이드들 사이의 연결들의 사시도이다.
[0049] 도 8b는 도 8a의 중앙 허브 및 팬 블레이드들의 단부도이다.
[0050] 도 9는 항공기용 전기 추진 시스템의 회전 팬 및 정적 가이드 베인 조립체에 대한 기류 거동의 모델이다.
[0051] 도 10은 도 1의 전기 추진 시스템의 고정자 인클로저의 사시도이다.
[0052] 도 11은 응축기들에 걸쳐 기류를 지향시키기 위해 오목한 덕트들과 함께, 도 10의 고정자 인클로저의 부분 분해 사시도이다.
[0053] 도 12는 도 1의 전기 추진 시스템의 영구 자석 모터의 부분 단면사시도이다.
[0054] 도 13은 일 실시예에 따른, 오목한 덕트의 사시 랜더링(perspective rendering)이다.
[0055] 도 14는 도 13의 오목한 덕트에 대한 기류 거동의 모델이다.
[0056] 도 15는 일 실시예에 따른, 콘덴서의 사시 랜더링이다.
[0057] 도 16은 도 15의 응축기에 대한 기류 거동의 모델이다.
[0058] 도 17은 일 실시예에 따른, 고정자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0059] 도 18은 도 17의 고정자 냉각 시스템의 일부분의 사시도이다.
[0060] 도 19는 다른 실시예에 따른, 고정자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0060] 도 20은 도 19의 고정자 냉각 시스템의 다른 사시도이다.
[0062] 도 21은 도 19의 고정자 냉각 시스템의 일부분의 사시도이다.
[0063] 도 22는 다른 실시예에 따른, 고정자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0064] 도 23은 명확성을 위해 재키팅(jacketing)의 부분들이 제거된 상태에서, 도 22의 고정자 냉각 시스템의 다른 사시도이다.
[0065] 도 24는 일 실시예에 따른, 회전자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0066] 도 25는 도 24의 회전자 냉각 시스템의 일부분의 사시도이다.
[0067] 도 26은 전기 추진 시스템들을 위한 예시적인 장착 위치들을 도시하는 항공기의 사시도이다.
[0068] 도 27은, 허브 페어링이 수축된 포지션에 있는 경우, 다른 실시예에 따른, 항공기용 전기 추진 시스템의 사시 단면도이다.
[0069] 도 28은 허브 페어링이 연장된 포지션에 있는 경우, 도 27의 전기 추진 시스템의 다른 사시단면도이다.
[0070] 도 29는 다른 실시예에 따른, 팬 허브 및 팬 블레이드 조립체의 부분 분해 사시도이다.
[0071] 도 30은 도 29의 팬 허브 및 팬 블레이드 단부들의 단부사시도이다.
[0072] 도 31은 도 29의 실시예의 웨지 링의 전방 단부사시도이다.
[0073] 도 32는 도 31의 웨지 링의 후방 단부사시도이다.
[0074] 본원에서와 함께 포함된 도면들은 본 출원서에서의 교시의 물품들, 방법들 및 장치들의 다양한 예들을 예시하기 위한 것이고 그리고 임의의 방식으로 교시되는 것의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
[0041] 도 1은 일 실시예에 따른 항공기용 전기 추진 시스템의 사시도이다.
[0042] 도 2는 도 1의 전기 추진 시스템의 다른 사시도이다.
[0043] 도 3은 도 1의 전기 추진 시스템의 부분 분해 부분 단면도이다.
[0044] 도 4는 도 1의 전기 추진 시스템의 단면도이다.
[0045] 도 5는 도 1의 전기 추진 시스템의 사시 단면도이다.
[0046] 도 6은 도 1의 전기 추진 시스템의 회전 팬 조립체의 사시도이다.
[0047] 도 7은 도 6의 회전 팬 조립체의 부분 분해 사시도이다.
[0048] 도 8a는 도 6의 회전 팬 조립체의 중앙 허브와 팬 블레이드들 사이의 연결들의 사시도이다.
[0049] 도 8b는 도 8a의 중앙 허브 및 팬 블레이드들의 단부도이다.
[0050] 도 9는 항공기용 전기 추진 시스템의 회전 팬 및 정적 가이드 베인 조립체에 대한 기류 거동의 모델이다.
[0051] 도 10은 도 1의 전기 추진 시스템의 고정자 인클로저의 사시도이다.
[0052] 도 11은 응축기들에 걸쳐 기류를 지향시키기 위해 오목한 덕트들과 함께, 도 10의 고정자 인클로저의 부분 분해 사시도이다.
[0053] 도 12는 도 1의 전기 추진 시스템의 영구 자석 모터의 부분 단면사시도이다.
[0054] 도 13은 일 실시예에 따른, 오목한 덕트의 사시 랜더링(perspective rendering)이다.
[0055] 도 14는 도 13의 오목한 덕트에 대한 기류 거동의 모델이다.
[0056] 도 15는 일 실시예에 따른, 콘덴서의 사시 랜더링이다.
[0057] 도 16은 도 15의 응축기에 대한 기류 거동의 모델이다.
[0058] 도 17은 일 실시예에 따른, 고정자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0059] 도 18은 도 17의 고정자 냉각 시스템의 일부분의 사시도이다.
[0060] 도 19는 다른 실시예에 따른, 고정자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0060] 도 20은 도 19의 고정자 냉각 시스템의 다른 사시도이다.
[0062] 도 21은 도 19의 고정자 냉각 시스템의 일부분의 사시도이다.
[0063] 도 22는 다른 실시예에 따른, 고정자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0064] 도 23은 명확성을 위해 재키팅(jacketing)의 부분들이 제거된 상태에서, 도 22의 고정자 냉각 시스템의 다른 사시도이다.
[0065] 도 24는 일 실시예에 따른, 회전자 냉각 시스템의 사시도이다.
[0066] 도 25는 도 24의 회전자 냉각 시스템의 일부분의 사시도이다.
[0067] 도 26은 전기 추진 시스템들을 위한 예시적인 장착 위치들을 도시하는 항공기의 사시도이다.
[0068] 도 27은, 허브 페어링이 수축된 포지션에 있는 경우, 다른 실시예에 따른, 항공기용 전기 추진 시스템의 사시 단면도이다.
[0069] 도 28은 허브 페어링이 연장된 포지션에 있는 경우, 도 27의 전기 추진 시스템의 다른 사시단면도이다.
[0070] 도 29는 다른 실시예에 따른, 팬 허브 및 팬 블레이드 조립체의 부분 분해 사시도이다.
[0071] 도 30은 도 29의 팬 허브 및 팬 블레이드 단부들의 단부사시도이다.
[0072] 도 31은 도 29의 실시예의 웨지 링의 전방 단부사시도이다.
[0073] 도 32는 도 31의 웨지 링의 후방 단부사시도이다.
[0074] 본원에서와 함께 포함된 도면들은 본 출원서에서의 교시의 물품들, 방법들 및 장치들의 다양한 예들을 예시하기 위한 것이고 그리고 임의의 방식으로 교시되는 것의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
[0075] 청구된 각각의 본 발명의 실시예의 예를 제공하기 위해, 다양한 장치들, 방법들 및 구성들이 아래에 설명된다. 아래에서 설명되는 실시예는 임의의 청구된 발명을 제한하며 그리고 임의의 청구된 발명은 아래에 설명되는 것들과 상이한 장치들 및 방법들을 커버할 수 있다. 청구된 발명들은 아래에서 설명되는 임의의 하나의 장치, 방법 또는 구성의 모든 특징들을 가지는 장치들, 방법들 및 구성들에 또는 아래에서 설명되는 장치들, 방법들 또는 구성들 중 다수 또는 모두에 대해 공통적인 특징들에 제한되지 않는다. 아래에 설명되는 장치, 방법 또는 구성이 임의의 청구된 발명의 실시예가 아닌 것이 가능하다. 이러한 문헌에 청구되지 않은 아래에 설명되는 장치, 방법 또는 구성에 개시된 임의의 발명은, 다른 보호 인스트루먼트, 예를 들어, 연속 특허 출원의 청구 대상일 수 있으며, 및 출원인(들), 발명자(들), 및/또는 소유자(들)은 이 문헌에서의 그의 개시에 의해 공개적인 임의의 이러한 발명을 포기, 부인 또는 헌납하는 것으로 의도하지 않는다.
[0076] 더욱이, 예시의 단순성과 명확성을 위해 적합한 것으로 간주되는 경우, 도면 부호들이 대응하는 또는 유사한 요소들을 표시하기 위해 도면들 사이에 반복될 수 있는 것이 이해될 것이다. 게다가, 다수의 특정한 세부사항들이 본원에서 설명되는 참조 번호가 예시적인 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 본원에서 설명되는 예시적인 실시예들은 이러한 특정한 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 다른 예들에, 주지된 방법들, 절차들 및 구성요소들은 본원에 설명되는 예시적인 실시예들을 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않았다. 또한, 설명은 본원에서 설명되는 예시적인 실시예의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않을 것이다.
[0077] 본원에 개시된 장치 및 방법들이 고정익 항공기에 관련하여 그리고 고정익 항공기와의 사용에서 구체적으로 설명되지만, 장치 및 방법들이 대안적으로 다른 유형들의 항공기 및/또는 다른 유형들의 차량들(예컨대, 호버크래프트들(hovercrafts), 헬리콥터들(helicopters), 하이퍼루프 포드들(hyperloop pods))과 함께 사용될 수 있는 것이 이해될 것이다. 또한, 장치 및 방법들이 비-1차 추력(예컨대, VTOL(vertical take-off and landing) 적용들에서, 헬리콥터 테일 회전자로서, 및/또는 예컨대 헬리콥터들의 자동-회전과 유사한 논(non)-VTOL 항공기에 대한 비상 제동)을 제공하는데 사용될 수 있는 것이 또한 이해될 것이다. 장치 및 방법들이 대안적으로 다른 적용들(예컨대, 축방향 압축기들, 환기 팬들)에서 사용될 수 있는 것이 또한 이해될 것이다.
[0078] 도 1 내지 도 5는 일반적으로 1000으로 지칭되는, 항공기용 전기 추진 시스템의 예시적인 실시예를 예시한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 전기 추진 시스템(1000)은 나셀(100)에 위치결정되는 전기 기계를 포함한다. 전기 기계는 나셀에 장착된 고정자 및 고정자에 의해 구동될 수 있는 팬 조립체 및 회전자를 포함한다. 회전자 및 팬 조립체의 회전을 유도하기 위해, 전기 전력은 하나 이상의 고정자 권선부들로 공급될 수 있다. 회전될 때, 회전자 및 팬 조립체의 팬 블레이드들은 나셀을 통한 공기 유동을 촉진하여, 이에 의해 기계적 추력을 생성한다. 이에 따라, 전기 추진 시스템(1000)은 덕트형 축방향 팬 추진 시스템으로서 특징화될 수 있다. 또한, 팬 블레이드들 주위에 위치결정되는 고정자로부터 회전자 및 팬 조립체에 토크가 가해짐에 따라, 전기 추진 시스템(1000)은 부가적으로 또는 대안적으로 림-구동식 추진 시스템으로서 특징화될 수 있다.
[0079] 나셀(100)은 전기 기계를 위한 공기역학적 인클로저를 제공한다. 예를 들어, 나셀(100)은 공기역학적 항력을 감소시키기 위해 비행 표면으로서 작용할 수 있다. 예시된 예에서, 나셀(100)은 고정자 인클로저(아래에서 더 논의됨)에 걸쳐 기류를 지향함으로써 고정자로부터 열을 분산시키는 것을 보조하기 위해 선택적인 냉각 덕트들(500)을 포함한다. 예를 들어, 유입구 공기는 나셀(100)의 전방 단부(102)에 위치되는 하나 이상의 냉각 덕트들(500)을 통해 지향될 수 있으며, 그리고 유출구 공기는 나셀(100)의 후방 단부(104) 근처에 위치되는 유출구(194)에서 축출될 수 있다.
[0080] 나셀(100)의 일부 또는 전부는 섬유-강화된 열가소성 수지와 같은 복합 재료들로 형성될 수 있다. 이러한 재료들의 사용은 나셀(100)의 감소된 나셀 중량 및/또는 증가된 구조적 성능을 초래할 수 있다.
[0081] 도 3 내지 도 5를 참조하면, 전기 추진 시스템(1000)은 나셀(100)을 통해 1차 공기 유입구(112)로부터 1차 공기 유출구(114)까지 연장되는 1차 공기 유동 경로(160)를 둘러싸는 일반적으로 200으로 지칭되는 고정자를 포함한다. 공기 유동 경로(160)를 규정하는 나셀(100)의 내부 윤곽부들(120)은 기계적 추력의 생성을 지지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유출구(114)에 인접하게 제공되는 (출구 노즐(124)로 특징화될 수 있는) 나셀(100)의 고물 섹션(aft section)(124)은 주 기류 경로(160)를 나가는 기류와의 혼합을 보조하기 위해 냉각 시스템을 나가는 기류을 위한 디퓨저 노즐(diffuser nozzle)로서 작용할 수 있다.
[0082] 축(105)을 중심으로 고정자(200)에 의해 회전되도록 구성되는, 회전자 및 팬 조립체(일반적으로 300으로 지칭됨)가 고정자(200)의 내부에 위치결정된다. 회전자 및 팬 조립체(300)의 (팬 허브(310)로서 지칭될 수 있는) 허브(310)는 하나 이상의 베어링들(307)을 통해 중앙 지지 샤프트(150) 상에 장착된다. 예시된 예에서, 중앙 지지 샤프트(150)는 전기 기계 회전자 및 팬 조립체(300)의 하류에 위치결정되는 비회전 가이드 베인 조립체(400)의 중앙 허브(405)로부터 연장된다.
[0083] 가이드 베인 조립체(400)는 허브(405)로부터 나셀(100)까지 연장되는 복수의 공기역학적 가이드 베인들(420)을 포함한다. 바람직하게는, 가이드 베인들(420)은 중앙 허브(405)에 대한 구조적 지지를 제공하여, 이에 의해 중앙 지지 샤프트(150)에 대한 구조적 지지를 제공한다. 다시 말하자면, 가이드 베인 조립체(400)는 회전자 및 팬 조립체(300)가 회전하는 샤프트 및 베어링 시스템에 대한 지지부로서 작용한다.
[0084] 가이드 베인(420)은 바람직하게는 축방향 기류을 향한 나셀에 대한 회전자 및 팬 조립체의 회전으로부터 초래되는 원주 방향 기류의 재지향(redirection)을 촉진하도록 구성된다. 예를 들어, 가이드 베인들(420)은 회전하는 회전자 및 팬 조립체(300)에 의해 부여되는 스월(swirl) 손실의 일부를 회복하고 그리고 전체 추진 효율을 증가시킬뿐만 아니라 모터 하중 토크를 감소시키기 위해 기류을 직선화하도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가이드 베인들(420)의 스위프(sweep) 각도는, 회전자 및 팬 조립체(300)의 출구 가스 각도가 가이드 베인(420)의 유입구 각도와 정렬하여, 이에 의해, 유동이 회전자 및 팬 조립체(300)의 축 방향과 정렬할 때까지 베인 코드들에 걸쳐 회전시키도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가이드 베인들(420)의 반경방향 외측 단부들(428)은 덕트형 팬의 하류에서 생성된 원주방향 유동을 축방향 유동으로 수정하기 위해 나셀(100)로 통합될 수 있다.
[0085] 가이드 베인들(420)은 탄소 섬유 강화된 복합재들과 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 합성 가이드 베인들이, 예컨대, 가이드 베인들의 강성을 증가시키기 위해, 그리고/ 또는 중앙 지지 샤프트(150)에 부가적인 구조적 지지를 제공하기 위해 하나 이상의 기계적 첨가물들을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다.
[0086] 하나 이상의 베어링들(307)에 대해, 상이한 베어링 토폴로지들이 채택될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 이중 각도 접촉 볼 베어링들은, 높은 반경방향, 추력 및/또는 동적 하중들을 견디면서 낮은 주행 마찰을 제공하는데 사용될 수 있다. 이중 각도 접촉 볼 베어링들은, 이중 각도 접촉 볼 베어링들이 전형적으로 회전자에 의해 부여되는 베어링 응력들을 감소시킬 수 있는 오정렬을 견딜 수 있기 때문에 고속 작동에 대해 또한 적합할 수 있다. 이중 각도 접촉 볼 베어링들은 또한 다중 베어링 시스템과 하중에 대한 유사한 응답을 제공할 수 있으며, 이는 유리한 것으로 고려될 수 있다. 일부 예들에서, 가압된 모세관 베어링들은 회전자를 밸런싱하는데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 능동형 자기 베어링 시스템은 회전자를 밸런싱하는는데 사용될 수 있다.
[0087] 선택적으로, 공기는 베어링들(307)에 대해 수동 냉각을 제공하기 위해 허브(310)를 통해 (예컨대, 노즈 콘(390)을 통해) 지향될 수 있다.
[0088] 도 6 내지 도 8b는 예시적인 회전자 및 팬 조립체(300)를 예시한다. 도 7을 참조하면, 회전자 및 팬 조립체(300)는 원통형 팬 슈라우드(cylindrical fan shroud)(340), 팬 허브(fan hub)(310), 및 팬 슈라우드(340)와 팬 허브(310) 사이에서 연장되는 복수의 팬 블레이드들(320)을 포함한다.
[0089] 예시된 예에서, 각각의 팬 블레이드(320)의 반경방향 외부 단부들(328)은 더브테일 배열을 사용하여 슈라우드(340)의 내부 표면(346)에 고정되며, '핀들'(329)은 슈라우드(340)의 슬롯 또는 '테일'(347)에서 수용되는 각각의 팬 블레이드(320)의 외부 단부들(328)로부터 연장된다. 일단 블레이드들이 슈라우드(340)에 커플링됐다면, 하나 이상의 잠금 핀들(미도시)이 블레이드들의 축방향 움직임을 억제하거나 방지하도록 제공될 수 있다.
[0090] 대안적으로, 핀들(329) 및 슬롯들(347)은 전나무 형상일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0091] 예시된 예에서, 각각의 팬 블레이드(320)의 반경방향 내부 단부(326)는 팬 블레이드 베이스(330)를 갖는다. 팬 블레이드 베이스들(330)은, 스레드형 카운터보어 볼트들(335)과 같은 하나 이상의 기계적 패스너들을 사용하여 허브(310)의 외부 표면(318)에 고정된다.
[0092] 예시된 예에서, 각각의 팬 블레이드 베이스(330)는, 인접한 팬 블레이드 베이스(330)의 돌출 특징부(333)를 수용하기 위해 일측 상의 돌출 특징부(333) 및 반대측 상의 상보적 오목부(337)를 갖는다. 이러한 배열은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 돌출부들(133)은, 설치 프로세스 동안 팬 블레이드들(320)을 치수적으로 위치시키기 위해 슬립 평면으로서 작용할 수 있다. 돌출부들(133)은 또한, 예컨대 회전자 및 팬 조립체(300)에 걸쳐 전단 응력들을 분산시키기 위해 인접한 팬 블레이드들 사이에 일부 구조적 지지를 제공할 수 있으며, 이에 의해 국부화된 응력 상승기들의 효과를 감소시킨다.
[0093] 별도의 팬 블레이드들(320)을 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 개별 팬 블레이드들(320)은, 예컨대 손상된다면, 제거 및/또는 교체될 수 있다.
[0094] 예시된 예에서, 회전자 및 팬 조립체(300)는 15개의 팬 블레이드들(320)을 포함한다. 하나 이상의 대안적인 실시예들에서, 보다 많거나 보다 적은 팬 블레이드들(320)이 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0095] 팬 블레이드들(320)은 아음속(subsonic) 대 천음속(transonic) 유동 레짐들(regimens)에서의 사용을 위한 저압비 터보기계 블레이드들일 수 있다. 팬 블레이드들(320)의 스위프된 에어포일 프로파일은 회전자 및 팬 조립체(300)의 팁 속도 및 압력비를 최대화하도록 설계될 수 있다. 이러한 예들에서, 팬 블레이드들(320)의 코드(즉, 각각의 블레이드의 리딩 에지에서 트레일링 에지까지의 축방향 길이)는 회전자 및 팬 조립체(300)에 안정성 및 효율성을 제공하기에 충분히 넓을 수 있다. 블레이드 코드 길이와 블레이드 항력 사이에 트레이드오프(tradeoff)가 존재하는 것이 이해될 수 있다.
[0096] 팬 블레이드들(320)은, CFRP(carbon fiber reinforced polymer) 또는 금속성 합금(예컨대, 티타늄 또는 알루미늄 합금)과 같은, 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다.
[0097] 예시된 예에서, 회전자 및 팬 조립체(300)는 노즈 콘(390)을 포함한다. 바람직하게는, 노즈 콘(390)은 전기 추진 시스템(1000) 내로 유입되는 공기의 일부분을 사전-스월하기(pre-swirl) 위해 허브(310)와 함께 회전한다. 또한, 회전하지 않는 선택적 허브 페어링(490)이 예시된다.
[0098] 위에서 논의된 바와 같이, 허브(310)는 바람직하게는 하나 이상의 베어링들(307)을 통해 중앙 지지 샤프트(150) 상에 장착된다. 바람직하게는, 베어링들(307)은 회전자 동심도를 촉진하기 위해 하나 이상의 각도 접촉 베어링들을 포함한다.
[0099] 선택적으로, 노즈 콘(390)은 베어링들(307)을 위한 수동 냉각을 제공하기 위해 허브(310)를 통해 공기를 지향하도록 구성될 수 있다.
[0100] 회전자 및 팬 조립체(300)는 또한, 팬 슈라우드(340)의 외부 표면(348) 상에 위치결정되는 복수의 회전자 자석들(350)을 포함한다. 예시된 예에서, 자석들(350)은 압축 슬리브(360)를 사용하여 고정된다. 대안적으로, 회전자 자석들(350)은 슈라우드(340)의 외부 표면에 고정될 수 있거나, 또는 슈라우드(340) 내부에 부분적으로 또는 완전히 매립될 수 있다.
[0101] 회전자 및 팬 조립체(300)는 바람직하게는 고정자(200)에 의해 비교적으로 높은 속도들로 회전하도록 구성된다. 예를 들어, 회전자 및 팬 조립체(300)는 약 7,000RPM(revolutions per minute)의 작동 속도 및 약 8,500RPM의 최대 속도를 가질 수 있다. 이러한 속도들에서, 팬 블레이드들에 대한 원심력들 및/또는 슈라우드(340) 및 자석 슬리브(360) 상의 후프 응력이 상당할 수 있다. 이러한 힘들과 응력들은, 전기 기계가 상대적으로 높은 종횡비(즉, 회전자 직경과 회전자의 축방향 길이 사이의 비율)를 가질 때 특히 중요할 수 있다. 예를 들어, 전기 추진 시스템(1000)의 실시예들은 7,000RPM에서 약 290m/s의 회전자 팁 속도, 8,500에서 약 350m/s의 회전자 팁 속도를 가질 수 있다.
[0102] 원심력 및/또는 후프 응력의 적어도 일부분을 보상하기 위해, 회전자 자석들(350)은, 회전자와 팬 조립체가 정지 상태일 때 압축시에 반경방향으로 로드될 수 있다. 압축시에 회전자 자석들(350)을 사전-로드함으로써, 회전자 자석들의 최대 인장 하중이 이에 의해 증가될 수 있다. 이는 회전자 및 팬 조립체(300)에 대한 증가된 최대 인장 하중을 초래할 수 있고, 이는 회전자 조립체의 최대 회전 속도 및/또는 전기 추진 시스템(1000)의 추력 출력을 증가시킬 수 있다.
[0103] 예를 들어, 자석들(350)은 전형적으로 75MPa 내지 80MPa의 항복 강도를 가지는 네오디뮴(NdFeB) 자석들일 수 있다. 압축시에 회전자 자석(350)을 미리 로딩함으로써, 회전자 및 팬 조립체(300)의 회전 동안 생성되는 후프 응력들의 일부분은, 인장력들이 지배적이고 그리고 회전자 자석들(350)의 항복 또는 파손을 유발시키기 전에 슬리브(360)로부터 부여되는 압축력들을 완화하도록 지향될 수 있어, 이에 의해 자석들(350) 상의 보다 높은 안전한 작동 후프 응력들을 초래한다. 다시 말해, 회전자 및 팬 조립체(300)의 회전 중에 생성된 원심력들의 일부분은 사전-압축 응력을 완화함으로써 효과적으로 '상쇄'될 수 있으며, 회전자 자석들(350) 상의 적은 순 인장 응력을 초래한다.
[0104] 보다 높은 최대 작동 후프 응력의 효과는 실제적으로 회전자 및 팬 조립체(300)의 보다 높은 최대 회전 속도이며, 이는 전기 추진 시스템(1000)의 최대 추력 출력을 증가시킬 수 있다.
[0105] 압축력은 임의의 적절한 방식으로 자석들(350)에 가해질 수 있다. 예를 들어, 사전-압축 응력들은 회전자 및 팬 조립체(300)의 조립 동안 압축 슬리브(360)를 통해 가해질 수 있다. 압축 슬리브(360)는 대안적으로 억지 끼워맞춤 슬리브(interference fit sleeve)로서 특징화될 수 있다. 바람직하게는, 압축 슬리브(360)는 회전자와 팬 조립체가 정지 상태일 때 자석들(350)에 상당한 압축력을 가한다.
[0106] 압축 슬리브(360)는 높은 비강성을 가지는 재료(예컨대, 탄소 섬유 강화된 복합재, 티타늄 또는 알루미늄 합금 등)로 제조될 수 있다.
[0107] 부가적으로 또는 대안적으로, 팬 블레이드들(320)은 자석(350) 상에서 외부 압축력을 제공하기 위해, 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 압축시에 로드될 수 있다. 압축시에 팬 블레이드들(320)를 사전-로드함으로써, 블레이드들(320) 및/또는 슈라우드(340)는 자석들(350)의 내부 표면 상에 반경방향 바깥쪽의 힘을 가할 수 있어, 자석들(350) 상에 압축 하중을 초래한다(자석들이 예컨대, 압축 슬리브(360)를 통해 제자리에 리테이닝됨(retained)).
[0108] 예를 들어, 프리-스트레스된(pre-stressed) 팬 블레이드들(320)은 회전자 자석들(350) 상에서 압축력들을 증가시킬 수 있으며, 이는 보다 얇은 슬리브(360)가 사용되는 것을 허용할 수 있다. 이는 유리하게는 전기 추진 시스템(1000)의 토크/출력 밀도를 증가시킬 수 있는, 전기 기계에 대한 보다 작은 에어 갭을 용이하게 할 수 있다.
[0109] 팬 블레이드들(320)이 임의의 적합한 방법을 사용하여 반경방향으로 압축시에 로드될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 8a 및 도 8b에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 너트들(331)이 팬 블레이드들 상에서 사전-압축 응력을 가하기 위해 각각의 팬 블레이드 베이스(330)와 허브(310) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 일단 패스너들(335)이 설치됐다면, 너트들(331)은 블레이드(320) 상에서 사전-응력을 제공하기 위해 회전할 수 있다. 대안적으로, 너트들(331)은, 패스너들(335)이 (예컨대, 카운터싱크형(countersunk) 배열을 통해) 조여짐에 따라 압축 로딩을 증가시키도록 구성될 수 있다.
[0110] 대안적으로, 하나 이상의 환형 웨지들은 팬 블레이드들 상에서 사전-압축 응력을 가하기 위해 팬 블레이드들과 팬 허브 사이에 위치결정될 수 있다. 도 29 내지 도 32에 예시된 예에서, 한 쌍의 웨지 링들(380)은 더브테일 배열을 사용하여 팬 블레이드 베이스들(330)에 맞물리도록 구성된다. 도 31 및 도 32로부터 아마도 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 웨지 링들(380)은 일반적으로 원통형인 내부 표면(386) 및 테이퍼진 외부 표면(388)을 갖는다. 이에 따라, 웨지 링들(380)은 팬 블레이드 베이스들(330)과 팬 허브(310)의 외부 표면(318) 사이에 삽입됨에 따라, 웨지 링들은 팬 블레이드들(320) 상에서 바깥쪽의 압축력을 가할 수 있다.
[0111] 일부 실시예들에서, 압축 슬리브(360)는 자석들(350)에 충분한 압축력을 제공할 수 있으며, 그리고 블레이드들(320)의 사전-압축은 요구되지 않을 수 있다.
[0112] 고속 회전 동안, 슈라우드(340)에서의 전체 폰 미제스(von Mises) 응력(특히, 반경방향 응력)이 높을 수 있다. 따라서, 슈라우드(340)는 바람직하게는, 회전자 변형을 억제하거나 방지하기 위해 높은 비강성 값을 가지는 재료로 제조된다. 위에서 논의된 바와 같이, 각각의 팬 블레이드(320)의 반경방향 외부 단부들(328)은 슈라우드(340)의 내부 표면(346)에 고정될 수 있다. 팬 블레이드들(320)을 슈라우드(340)에 직접적으로 커플링하는 것은, 회전자 및 팬 조립체(300)의 전체 강성을 증가시킬 수 있으며, 이는 전기 추진 시스템(1000)에 대한 보다 큰 작동 엔벨로프(envelope)(예컨대, 더 높은 속도/더 양호한 안전 계수/보다 낮은 회전자 변형)로 이어질 수 있다.
[0113] 블레이드들(320)의 사전-압축이 요구되지 않은 실시예들에서(예컨대, 압축 슬리브(360)가 자석(350)에 충분한 압축력을 제공하는 경우), 팬 블레이드들(320)은 회전자 및 팬 조립체(300)의 변형을 더 감소시키기 위해 인장시에(예컨대, 슈라우드(340)를 허브(310)를 향해 반경방향으로 당김) 또는 압축시에(예컨대, 슈라우드(340)를 허브(310)로부터 반경방향으로 멀리 푸시함) 프리-스트레스될 수 있다 예를 들어, 너트들(331)이 제공되지 않을 수 있으며, 그리고 조임 패스너들(335)이 블레이드들(320)을 프리-스트레스할 수 있다.
[0114] 예시된 예에서, 외부 표면(348) 및 내부 표면(346)은 대략 동일한 프로파일을 갖는다. 다시 말하자면, 슈라우드(340)는 실질적으로 일정한 반경방향 두께를 갖는다. 외부 표면(348) 및 내부 표면(346)이 하나 이상의 대안적인 실시예들에서 상이한 프로파일들을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0115] 본원에 설명되는 바와 같이 회전자 및 팬 조립체(300)를 전기 추진 시스템(1000)에 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 팬 블레이드(320)이 내부 허브(310) 및 외부 슈라우드(340) 둘 모두에 고정되기 때문에, 각각의 팬 블레이드는, 전기 추진 시스템(1000)이 상당한 유입구 기류 비틀림을 다루는 기체 장착된 BLI(Boundary Layer Ingestion) 시스템의 부품으로서 사용되는 것을 용이하게 하기 위해 동적 하중 하에서 충분한 강성 및/또는 충분한 신뢰성을 가질 수 있다.
[0116] 다른 예로서, 각각의 팬 블레이드가 슈라우드(340)에 연결되기 때문에, 팬 블레이드들의 팁들과 나셀(100)을 통한 주 기류 경로를 규정하는 구조물 사이에 갭이 존재하지 않으며, 이는 통상적인 샤프트-피동식 덕트형 팬 추진 시스템들과 비교할 때 감소된 가청 소음을 초래할 수 있다.
[0117] 도 9는 팬 블레이드들(320), 가이드 베인들(420), 및 전기 추진 시스템(1000)을 통해 취해진 주 기류 경로의 모델로부터의 출력을 도시한다. 스트림라인들(streamlines)(90)은 회전하는 팬 블레이드들(320)에 의해 스월되고 있고 그리고 하류 가이드 베인들(420)에 의해 축방향으로 재정렬되어 있는 공기를 표시한다.
[0118] 나셀(100) 내부의 유동 거동을 예측하기 위해, 과도 회전자-가이드 베인 상호작용들이 해결되는 시뮬레이션이 수행되었다. 모델링은, (집합적으로 고정 블레이드 열로서 특징화될 수 있는) 가이드 베인들(420)이 출구 기류를 직선화하고 그리고 이에 따라 회전 속도로 손실되는 운동 에너지의 적어도 일부를 추력으로 회복하도록 작용하는 것을 제안한다.
[0119] 유사한 시스템들으로부터의 예비적인 모델링 및 데이터 추정(extrapolation)은, 샤프트 피동식 터보팬들에 대한 비교가능한 추력 성능을 예측한다. 예를 들어, 전기 추진 시스템(1000)은, 상대적으로 높은 바이패스 유동으로 인해, 유사한 전력 출력의 샤프트 피동식 터보팬과 비교하여 약 80% 이상의 추력을 제공할 수 있다.
[0120] 도 10 내지 도 12는 예시적인 고정자(200)를 예시한다. 도 11을 참조하면, 고정자(200)는 복수의 권선부들(210)을 포함한다. 권선부들(210)은 구리, 구리 합금들, 또는 다른 적합한 재료들로 제조될 수 있다.
[0121] 도 12를 참조하면, 회전자 슈라우드(340) 및 회전자 자석들(350)은 고정자(200) 내에 동심으로 안착하도록 치수가 정해진다. 예시된 구성에서, 고정자(200) 및 회전자 그리고 팬 조립체(300)는 림 피동식 영구 자석 전기 기계 또는 림 피동식 영구 자석 모터로서 특징화될 수 있다.
[0122] 고정자 권선부들(210)은 임의의 적합한 구성으로 배열될 수 있다. 바람직하게는, 권선부들(210)은 다상 다중-극성 고정자 권선부들(210)의 세트로서 배열된다. 예를 들어, 고정자(200)의 상대적으로 큰 직경은, 부가된 고장허용한계(fault tolerance)를 위한 여분의 권선부들과 함께, 3개 이상의 위상들에 대한 권선부들을 장착하기에 충분한 수의 고정자 슬롯들(205)을 제공할 수 있다. 고정자 권선부들(210)은 스타 또는 델타 구성으로 연결될 수 있다.
[0123] 회전자 자석들(350)은 임의의 적합한 구성으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 자석들(350)은 할박(Halbach) 구성으로 분극될 수 있다. 다른 구성들(예컨대, 평행, 반경방향)이 하나 이상의 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다.
[0124] 예시된 예들에서, 회전자 및 팬 조립체(300)의 슈라우드(340)는 회전자의 '백 아이언(back iron)'으로 특징화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 슈라우드(340)는 하나 이상의 자기 적층부들을 가질 수 있고, 그리고/또는 금속성 또는 복합 합금들로 제조될 수 있다. 대안적으로, 슈라우드(340)는 자기 구성요소들이 실질적으로 없을 수 있다(예컨대, 강이 거의 없거나 또는 전혀 없음). 이러한 구성들(즉, '백 아이언'이 실질적으로 없음)은 '공기 코어' 전기 기계들로서 특징화될 수 있다.
[0125] 바람직하게는, (고정자(200) 및 회전자 및 팬 조립체(300)를 포함하는) 전기 기계는 그의 직경과 그의 축방향 길이 사이에 비교적으로 높은 종횡비를 갖는다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 고정자(200)의 내경(Dstator)은 고정자(200)의 제1 단부(202)와 제2 단부(204) 사이의 축방향 길이(Lstator)보다 적어도 4배, 적어도 10배, 또는 적어도 20배 더 클 수 있다.
[0126] 높은 종횡비를 갖는 전기 기계를 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 이는, 요크에서 또는 고정자의 치형부들에서 자기 포화(magnetic saturation)에 도달하지 않고 보다 높은 기계적 출력을 제공하기 위해 더 높은 전기 기계가 스케일 업되는 것을 용이하게 할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상대적으로 작은 축방향 길이는 회전자 및 팬 조립체(300)의 감소된 중량 및/또는 관성을 촉진할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상대적으로 작은 축방향 길이는 나셀(100)의 아웃보드 표면의 경계 층 형성과 연관된 표피 항력(skin drag)을 감소시킬 수 있다.
[0127] 도 10 및 도 11은 대안적으로 고정자 하우징(220)으로서 특징화될 수 있는 예시적인 고정자 인클로저(220)를 예시한다. 예시된 예에서, 고정자 인클로저(220)는 고정자(200) 주위에 동심으로 위치결정되는 환형 케이싱(230), 환형 케이싱(230)의 제1 단부(232)에 커플링되는 전방 고정자 면 플레이트(240), 및 환형 케이싱(230)의 제2 단부(234)에 커플링되는 후방 고정자 면 플레이트(250)를 포함한다. 별도의 구성요소들로서 예시되지만, 환형 케이싱(230) 및 적어도 하나의 전방 고정자 면 플레이트(240) 및 후방 고정자 면 플레이트(250)가 일체로 형성될 수 있는 것이 이해될 것이다.
[0128] 고정자 인클로저(220)는 전기 추진 시스템(1000)의 구조적 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 인클로저(220)는 외부 연결들을 위한 다양한 장착 및 부착 지점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 환형 케이싱(230)은 고정자 냉각 시스템에 사용되는 하나 이상의 응축기들을 지지하기 위한 다수의 반경방향 핀들(fins) 또는 플랜지들(flanges)(235)을 가질 수 있다.
[0129] 예시된 예에서, 전방 고정자 면 플레이트(240)들은 전방 표면(242)으로부터 돌출하는 복수의 냉각 핀들(245)을 포함한다. 냉각 핀들(245)은 (예컨대, 단부 권선 전도 냉각을 용이하게 함으로써) 고정자(200)에 대한 개선된 열적 관리를 제공할 수 있다. 냉각 핀들(245)이 (예컨대, CNC 밀링을 통해) 면 플레이트(240)에 용접되거나 일체로 형성될 수 있는 것이 이해될 것이다. 핀들(245)은 알루미늄 합금과 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다.
[0130] 선택적으로, 개스킷(미도시)이 전방 고정자 면 플레이트(240)와 환형 케이싱(230)의 제1 단부(232) 사이에 제공될 수 있다. 예를 들어, 이러한 개스킷은 전방 고정자 면 플레이트(240)과 환형 케이싱(230) 사이에 수밀 밀봉을 제공할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 개스킷(도시되지 않음)은 후방 고정자 면 플레이트(250)와 환형 케이싱(230)의 제2 단부(234) 사이에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 전체 고정자 인클로저(220)는 IP65 이상의 진입 보호 코드 등급(Ingress Protection Code rating)을 가질 수 있다.
[0131] 고정자 인클로저(220)의 구성요소들(예컨대, 환형 케이싱(230))은 예를 들어, 사면체 격자 충전재를 갖는 쉘을 3D 프린트함으로써 (또는 다른 적합한 적층 제조 방법에 의해) 그리고 후속하여 (예컨대, 수밀 밀봉의 제공을 용이하게 하기 위해) 높은 공차들이 요구되는 섹션들로부터 재료를 제거함으로써 (예를 들어, 그라인딩, 폴리싱에 의해) 구성될 수 있다. 이러한 구조는 바람직한 성능/중량 특성들을 가질 수 있다.
[0132] 다른 예로서, 고정자 인클로저(220)의 구성요소들은 완전한 원주방향 구성요소들을 생성하도록 결합되는 (예컨대, 알루미늄 합금의) 구부러진 압출 섹션들로부터 구성될 수 있다. 대안적으로, 고정자 인클로저(220)의 구성요소들은 섹션들에서 다이 캐스트될(die cast) 수 있다(예컨대, 고압 알루미늄 합금 캐스팅들). 이러한 구조들은 바람직한 성능/비용 특성들을 가질 수 있다.
[0133] 전기 기계를 위한 전력 제어 전자장치(미도시)는 임의의 적합한 위치에 제공될 수 있다. 예를 들어, 전력 제어 전자장치는 고정자 인클로저(220) 내에 또는 나셀(100) 내의 어느 곳에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고정자(200)의 큰 직경으로 인해, 전력 전자장치는 환형 케이싱(230)의 외부 표면(238) 상에 직접적으로 부착될 수 있다. 이러한 위치는 전원 리드들의 길이를 감소시키거나 최소화할 수 있다. 상대적으로 짧은 전력 리드들(예컨대, 1m 미만)을 제공하는 것은 보다 높은 입력 전기 주파수들(예컨대, 1kHz 초과) 및/또는 보다 높은 입력 전압들(예컨대, 800V 이상)으로의 작동을 용이하게 할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 고정자(200)에 바로 근접하게 전력 전자장치를 제공하는 것은, 고정자 냉각 시스템이 전력 전자 냉각을 위해 또한 사용되는 것을 허용할 수 있다. 대안적으로, 전력 전자장치는 나셀(100)의 어느 곳에서 그리고/또는 전기 추진 시스템(1000)이 장착되는 항공기의 동체(fuselage) 내에 위치결정될 수 있다.
[0134] 도 13은 스테이터(200)의 열 조정을 보조하기 위해 나셀(100)에 걸쳐 통과하는 공기를 응축기들 내로 끌어오기 위한 냉각 덕트(500)의 예를 예시한다. 바람직하게는, 냉각 덕트(500)는 낮은-항력 공기 유입구이며, 예컨대, 냉각 덕트는 NACA 덕트로 특징화될 수 있다.
[0135] 예시된 예에서, 필렛형 에지들(filleted edges)(520)은 경계 층 공기를 편향시키도록 그리고 자유 스트림 공기를 나셀(100) 내부에 위치결정되는 응축기의 유입구로 끌어오도록 구성된다. 도 14는 예상되는 국부적 기류 속도들을 나타내는 구배 구역들과 함께 냉각 덕트(500)를 통한 기류의 모델로부터의 출력을 도시한다.
[0136] 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 냉각 덕트들(500)은 바람직하게는 나셀(100)의 외부 표면과 실질적으로 같은 높이로 장착된다.
[0137] 냉각 덕트들(500)은 임의의 적합한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 덕트들(500)은 열가소성 재료를 몰딩하거나 3D 프린트함으로써 형성될 수 있다. 조립 동안, 덕트들(500)은 나셀(100)의 컷아웃들에 고정될 수 있고 그리고 제자리에 접착될(예컨대, 에폭시접착될(epoxied)) 수 있다. 별도의 구성요소들로서 예시되지만, 덕트들(500)은 나셀(100)의 외부 표면과 일체로 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 15는 냉각 덕트(500)에 의해 고정자 냉각 시스템으로부터 응축기를 통해 지향되는 공기로 열을 전달하기 위한 응축기(600)의 예를 예시한다. 예시된 예에서, 응축기(600)는 교차 유동 응축기이다. 대안적인 실시예들에서, 다른 콘덴서 토폴로지들이 채택될 수 있는 것이 이해될 것이다.
[0139] 바람직하게는, 응축기(600)는 높은 속도의 열 소산을 용이하게 하고, 강제된 공기 대류를 위한 효율적인 유동 경로를 제공하고, 그리고 예상된 하중 조건들에 대해 충분한 구조적 무결성을 갖는다. 이러한 설계 목표들을 해결하기 위해, 응축기에 걸쳐 압력 강하를 낮추기 위해 기류과 접촉하는 표면적을 최소화하는 것과 열 전달 속도를 증가시키기 위해 기류과 접촉하는 표면적을 최대화하는 것 사이의 균형을 결정하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이러한 경쟁 목표들 사이의 충분한 또는 바람직하게는 최적의 균형을 제공하기 위해, 다양한 설계 매개변수들이 반복될 수 있다.
[0140] 예시된 예에서, 응축기(600)는 핀들(620)에 의해 분리되는 일련의 플레이트들(610)을 포함한다. 이러한 배열은 유리하게는, 열이 3차원의 전도를 통해 퍼지는 것을 허용한다.
[0141] 예시된 예에서, 핀들(620)은 타원형 단면 프로파일을 갖는다. 타원형 핀들(620)을 제공하는 것은 안정된 난류를 촉진할 수 있고, 이는 상대적으로 높은 속도의 열 전달을 초래할 수 있다.
[0142] 도 16은 콘덴서(600)의 CFD(computational fluid dynamics) 모델로부터 출력된 속도 플롯(plot)을 도시한다. 스트림라인들(80)은 플레이트(610)에 걸친 국부적 공기 속도를 표시한다. 특히, 응축기(600)의 유입구 단부(602)를 따른 핀들(620)의 열(row)(605)은 응축기(600) 내로 기류을 안내하는 것을 보조한다.
[0143] 콘덴서(600)는 임의의 적합한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 플레이트들(610) 및/또는 핀들(620)은 예컨대, 3D 프린트함으로써 또는 다른 적합한 적층 제조 방법에 의해 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다.
[0144] 도 17 및 도 18은 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 고정자 권선부들(210)로부터 열을 전달하기 위한 고정자 냉각 시스템의 예를 예시한다. 예시된 구성에서, 다수의 개별 열 파이프들(710)은 고정자 권선부(210)으로부터 콘덴서들(600)로 열 에너지를 전달하도록 제공된다. 이러한 시스템은 수동 고정자 냉각 시스템으로 특징화될 수 있다.
[0145] 예시된 예에서, 각각의 열 파이프(710)의 일부분(715)은 적어도 하나의 고정자 권선부(210)에 접하는 고정자 슬롯(205)에 위치결정된다. 각각의 열 파이프(710)의 제1 단부(712)는 콘덴서(600)의 제1 단부(602)에 커플링되며, 그리고 각각의 열 파이프(710)의 제2 단부(714)는 콘덴서(600)의 제2 단부(604)에 커플링된다. 작동 시에, 열 파이프(710) 내의 유체는 부분(715)과 응축기(600) 사이의 열 구배로 인해 응축기(600)와 부분(715) 사이에서 순환한다. 예를 들어, 열 파이프들(710)은 상대적으로 높은 플럭스(flux)에서 열을 전달하기 위해 내부 열역학적 사이클을 사용하는 열사이펀 파이프들(thermosiphon pipes)일 수 있다.
[0146] 예시된 예에서, 열 파이프들(710)은 일반적으로 평탄한 측면들을 갖는다. 열 파이프들(710)은 대안적인 형상들(예컨대, 타원형, 원형)을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0147] 별도의 열 파이프들(710)을 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 개별 파이프들(710)은 예컨대, 일상적인 유지보수 동안 제거되고 그리고/또는 교체될 수 있다.
[0148] 열 파이프들(710)은 임의의 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 파이프들(710)은 증발기 성능을 개선시킬 수 있는 상대적으로 복잡한 내부 '심지(wick)' 구조로 3D 프린트될 수 있다. 대안적으로, 인발되거나 압출된 배관은 파이프들(710)을 형성하기 위해 절단되고, 구부러지고, 그리고 캡핑될(capped) 수 있다. 선택적으로, 소결된 금속 분말 심지는 캡핑 전에 삽입될 수 있다.
[0149] 도 19 및 도 21은 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 고정자 권선부들(210)로부터 열을 전달하기 위한 고정자 냉각 시스템의 다른예를 예시한다. 예시된 구성에서, 다수의 고정자 슬롯들(205)을 통과하는 다수의 유체 도관들(720)은 한 세트의 응축기들(600)과 유체 연통하도록 직렬로 배열된다. 작동시, 유체는 각각의 도관(720) 및 도관(720)이 커플링되는 응축기들(600)을 통해 펌핑된다. 이러한 시스템은 하이브리드 힘 공기-액체 능동 고정자 냉각 시스템으로서 특징화될 수 있다.
[0150] 예시된 예에서, 각각의 유체 도관(720)은, 지그재그 패턴(zig-zag pattern)으로 다수의 고정자 슬롯(205)을 통과하여, 유체 도관이 통과하는 각각의 슬롯(205)에서 적어도 하나의 고정자 권선부(210)에 접한다. 각각의 도관(720)의 유입구 단부(722)는 유체 펌프(미도시)와 유체 연통한다. 각각의 도관(720)의 유출구 단부(724)는 예컨대, 중간 배관(730)을 통해 하나 이상의 응축기들(600)과 유체 연통한다. 작동시, 유체는 도관(720)을 통해 펌핑되며, 여기서 도관은 도관 벽을 통한 전도를 통해 고정자 권선부(210)로부터 열적 에너지를 수용할 수 있다. 그 후, (지금 가열되는) 유체는, 유체로부터 응축기들을 통과하는 공기로 그리고 그 후 유출구(734)를 통해 다시 펌프(미도시)로 열을 전달하기 위해 하나 이상의 응축기들(600)를 통해 펌핑된다.
[0151] 예시된 예에서, 유입구들(722a, 722b, 722c) 및 유출구들(734a, 734b, 734c)를 갖는, 3개의 냉각 '루프들'이 존재한다. 1, 2, 또는 4개 이상의 냉각 '루프들'이 대안적인 실시예들에서 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0152] 도관(720)은 임의의 적절한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 인발된, 압연된 또는 압출된 배관이 도관(720)을 형성하기 위해 구부러질 수 있다. 바람직하게는, 고정자 슬롯들(205)의 전도체들과 접촉하는 도관(720)의 부분들은 증가된 접촉 면적을 제공하기 위해 평탄해진다.
[0153] 도 22 및 도 23은 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 고정자 권선부들(210)로부터 열을 전달하기 위한 고정자 냉각 시스템의 다른예를 예시한다. 예시된 구성에서, 응축기들(600) 및 냉각 덕트들(500)은 제공되지 않는다. 대신에, 고정자 인클로저(220)를 위한 유체 재킷이 제공된다. 이러한 시스템은 능동 고정자 냉각 시스템으로서 특징화될 수 있다.
[0154] 도 23에 도시된 바와 같이, 유체 재킷(800)은 복수의 냉각 도관들(820)이 제공되는 유체 재킷 본체(810)를 포함한다. 냉각 도관(820)은 유입구 및/또는 유출구 단부들(822) 사이에서 연장되고, 그리고 냉각 재킷 본체(810)를 통한 냉각 유체의 순환을 허용하도록 구성된다. 예시된 예에서, 복수의 슬롯들(830)은 유체 재킷 본체(810)를 통해 반경방향으로 연장된다. 슬롯들(830)은 전기적 위상 연결들을 위한 와이어링(wiring)을 수용하는데 그리고/또는 고정자 인클로저(220)와 나셀(100) 사이의 구조적 연결들을 수용하는데 사용될 수 있다.
[0155] 냉각 재킷(800)을 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 냉각 재킷(800)은 가혹한 작동 조건들 및/또는 환경들에서 작동하도록 구성될 수 있다. 이러한 점에서, 냉각 덕트들(500)의 사용을 요구하지 않는 냉각 시스템은 고정자 인클로저(220)의 수밀 무결성을 유지하는 것을 보다 쉽게 만들 수 있다.
[0156] 도 24 및 도 25는 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 회전자 자석들(350)로부터 열을 전달하기 위한 회전자 냉각 시스템의 예를 예시한다. 예시된 구성에서, 다수의 개별 회전자 열 파이프들(760)이 회전자 자석들(350)로부터 열 에너지를 전달하기 위해 제공된다. 이러한 시스템은 수동 회전자 냉각 시스템으로 특징화될 수 있다.
[0157] 도시된 예에서, 각각의 회전자 열 파이프(760)의 일부분은 적어도 하나의 회전자 자석(350)과 접한다. 예를 들어, 회전자 열 파이프들(760)은 팬 슈라우드(340)의 외부 표면에 내장될 수 있다. 각각의 회전자 파이프(760)는 열 에너지를 전달하기 위해 물-글리콜 또는 암모니아와 같은 작동 유체로 적어도 부분적으로 충전될 수 있다. 작동 시, 자석들(350)으로부터의 열은 회전자 열 파이프(760) 내의 작동 유체로 전달되어, 증기 '슬러그들'이 형성되고 그리고 회전자 파이프(760)를 따라 팽창하는 것을 유발시킨다. 이러한 증기 '슬러그들'은, 자석들(350)로부터 멀리 있는 회전자 파이프의 부분들(762)로 자석들(350)에 대해 수직으로 이동하며, 부분들이 회전하는 공기 사이의 온도 구배는 '슬러그들'을 다시 유체 상태로 응축시킨다. 이는 회전자 열 파이프(760) 내부에서 진동 유체 모션을 초래한다. 유사한 '맥동(pulsating)' 열 파이프들은 높은 관성력들로의 적용(예컨대, 전투기용)에서 검사되어 있다.
[0158] 예시된 예에서, 회전자 열 파이프(760)는 일반적으로 '개 뼈(dog bone)' 형상을 가지며, 이 때 자석들(350)로부터 멀리 있는 부분(762)은 둥근 형상을 갖는다. 회전자 열 파이프들(760)이 임의의 적합한 형상(예를 들어, 타원형, 원형)을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0159] 예시된 예에서, 자석(350) 당 2개의 회전자 열 파이프들(760)이 존재한다. 대안적인 실시예들에서, 각각의 자석(350)에 대해 1개, 3개, 또는 4개 이상의 회전자 열 파이프들(760)이 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0160] 회전자 열 파이프들(760)은 임의의 적합한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 파이프들(760)은 열적 성능을 개선시킬 수 있는 상대적으로 복잡한 내부 '심지' 구조 및 다공도로 3D 프린트될 수 있다. 대안적으로, 인발되거나 압출된 배관은 파이프들(760)을 형성하기 위해 절단되고, 구부러지고, 그리고 캡핑될 수 있다. 선택적으로, 소결된 금속 분말 심지는 캡핑 전에 삽입될 수 있다.
[0161] 도 26은 다양한 가능한 위치들에 장착되는 전기 추진 시스템(1000)을 갖는 전방 비행 항공기(10)를 예시한다. 예를 들어, 전기 추진 시스템들(1000a 및 1000b)은 윙아래(underwing) 위치들에 도시된다. 추진 시스템들(1000a, 1000b)은 파일런들(12a, 12b)에 의해 윙(15)에 고정된다.
[0162] 전기 추진 시스템(1000c)은 동체의 본체에 장착된다.
[0163] 전기 추진 시스템(1000d)은 기체의 후방에 장착되고, 그리고 BLI(Boundary Layer Ingestion) 추진 시스템으로서 작용하도록 동체 내로 통합되는 것으로 특징화될 수 있다.
[0164] 전기 추진 시스템들(1000)의 수 및 이들의 장착 위치들이 항공기의 전체 설계에 따라 변할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0165] 1차 추력을 제공하는 것 이외에도 또는 이에 대한 대안예로서, 전기 추진 시스템(1000)의 콤팩트한 프로파일은 항공기 추력 또는 양력 특성의 치명적인 고장의 경우에 보조 비상 착륙 모터로서의 그의 사용을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 전기 추진 시스템(1000)은 (예컨대, 윙 상의 양력을 회복하기 위해 항공기의 속도를 높이는데 사용되기 위해) 비상 추력으로서 및/또는 비상 VTOL 착륙 디바이스로서 작동하도록 구성될 수 있다.
[0166] 도 27 및 도 28은 조정가능한 고물 페어링(aft fairing)의 예를 예시한다. 이 예에서, 허브 페어링(490)은 (예컨대, 도 27에 도시된 바와 같은) 수축된 포지션과 (예컨대, 도 28에 도시된 바와 같은) 연장된 포지션 사이에서 이동될 수 있다. 예시된 예에서, 허브 페어링(490)은 축방향으로 선택적으로 연장될 수 있고 그리고 수축될 수 있는 선형 액추에이터(450)(예컨대, 선형 전기 모터, 유압 액추에이터)에 연결된다.
[0167] 허브 페어링(490)을 선택적으로 재위치결정함으로써, 출구 유동 노즐(124)의 단면적은, 예컨대, 다양한 조건들에 대해 팬의 서지 마진(surge margin)을 개선하고 그리고 효율성을 개선하기 위해 조절될 수 있다. 예를 들어, 저압력비들(즉, 1.5)을 갖는 높은 바이패스 비율 팬들(bypass ratio fans)은 전형적으로 추진 효율을 증가시키기 위해 낮은 공기 가속들 및 높은 질량 유량들로 작동한다. 그러나, 설계에 대해 고유한, 이러한 저압 비율로 인해, 팬은 엔진의 시동을 끄는 것을 회피하기 위해 팬 속도를 낮춤으로써 압력 비율이 감소되어야 하는 이륙(takeoff) 동안과 같은 특정 시나리오들에서 서지 조건들에 가깝게 작동한다.
[0168] 가변 영역 출구 노즐을 제공하는 것은 팬 속도과는 독립적인 팬 압력비를 변경하기 위해 부가의 제어 인자를 초래할 수 있다. 이의 결과는, 팬이 광범위한 비행 조건들에 대해 팬과 추진 효율들의 개선된, 또는 바람직하게는 최적의 균형에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 이륙 동안, 페어링(490)은 출구 노즐을 개방하기 위해 (예컨대, 도 27에 도시된 바와 같은) 수축된 포지션에 위치될 수 있으며, 이에 의해 팬을 서지 조건들로부터 더 멀리 그리고 임의의 요구되는 추력에 대한 최대 효율을 향해 작동시킬 수 있다. 순항 상태 동안, 페어링(490)은, 출구 노즐을 폐쇄하여 이에 의해 팬의 효율을 증가시키기 위해 (예컨대, 도 28에 도시된 바와 같은) 연장된 포지션으로 이동될 수 있다. 보다 넓은 서지 마진을 제공하는 다른 가능한 이점은, 보다 적은 블레이드 플러터(blade flutter)/피로 순환이 존재한다는 점이며, 이는 보다 가벼운 팬 블레이드들이 사용되는 것을 허용할 수 있다.
[0169] 위에서 논의된 바와 같이, 전기 추진 시스템(1000)의 고정자(200) 및 회전자 및 팬 조립체(300)는 전기 모터로서 작동될 수 있으며, 전력은 기계적 추력을 생성하기 위해 팬 블레이드들(320)을 회전시키도록 적용된다.
[0170] 대안적으로, 전기 추진 시스템(1000)의 고정자(200) 및 회전자 및 팬 조립체(300)는 발전기로서 작동될 수 있다. 예를 들어, 항공기의 하강 또는 착륙 동안, 고정자(200)는 회전자 및 팬 조립체(300)의 회전에 대한 저항을 발생시키도록 작동될 수 있다. 이는, 전기 추진 시스템(1000)에 의해 제공되는 감소된 순 추력을 초래할 수 있으며, 항공기의 속도에서의 감소를 이어진다. 이는 또한, 예컨대, 항공기에 탑재된 하나 이상의 전력 소스들(예컨대, 전기화학 배터리들)을 충전하는데 사용될 수 있는 전기 전력의 생성을 초래할 수 있다.
[0171] 전기 추진 시스템(1000)은 VTOL 항공기에 대한 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 전기 추진 시스템(1000)은 (직경 및/또는 길이에서) 매우 콤팩트한 프로파일을 가질 수 있고 그리고 이에 따라, 예컨대, 다른 중앙 허브 피동식 전기 덕트형 팬들과 비교할 때 상대적으로 낮은 항력을 가질 수 있다. 전기 추진 시스템(1000)이 기체에 대해 조종(예컨대, 선회)하기에 상대적으로 쉬울 수 있고 그리고 또한 다른 중앙 허브 피동식 전기 덕트형 팬들보다 더 적은 항력을 생성할 수 있기 때문에, 이러한 콤팩트한 프로파일은 전기 추진 시스템(1000)을 e-VTOL 적용들에 대해 특히 적합하게 만들 수 있다.
[0172] 본원에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 “포괄적인 - 또는(inclusive - or)”을 표시하도록 의도된다. 즉, "X 및/또는 Y"는 예를 들어, X 또는 Y 또는 둘 모두를 의미하는 것으로 의도된다. 추가의 예로서, "X, Y, 및/또는 Z"는 X 또는 Y 또는 Z 또는 이의 임의의 조합을 의미하는 것으로 의도된다.
[0173] 위의 설명은 예시적인 실시예들의 특징들을 설명하지만, 설명된 실시예들의 일부 특징들 및/또는 기능들이 설명된 실시예들의 작동의 사상 및 원리들로부터 벗어나지 않고 수정될 수 있는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 예시된 실시예들 또는 예들에 의해 설명된 다양한 특성들은 서로 선택적으로 조합될 수 있다. 이에 따라, 위에서 설명된 것은 청구된 개념을 예시하는 것으로 의도되고 그리고 비제한적이다. 본원에 첨부된 청구항들에서 규정된 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 변형들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 청구항들의 범주는 바람직한 실시예들 및 예들에 의해 제한되지 않아야 하지만, 전체적으로 설명과 일치하는 가장 광범위한 해석으로 제공되어야 한다.
[0076] 더욱이, 예시의 단순성과 명확성을 위해 적합한 것으로 간주되는 경우, 도면 부호들이 대응하는 또는 유사한 요소들을 표시하기 위해 도면들 사이에 반복될 수 있는 것이 이해될 것이다. 게다가, 다수의 특정한 세부사항들이 본원에서 설명되는 참조 번호가 예시적인 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 본원에서 설명되는 예시적인 실시예들은 이러한 특정한 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 다른 예들에, 주지된 방법들, 절차들 및 구성요소들은 본원에 설명되는 예시적인 실시예들을 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않았다. 또한, 설명은 본원에서 설명되는 예시적인 실시예의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않을 것이다.
[0077] 본원에 개시된 장치 및 방법들이 고정익 항공기에 관련하여 그리고 고정익 항공기와의 사용에서 구체적으로 설명되지만, 장치 및 방법들이 대안적으로 다른 유형들의 항공기 및/또는 다른 유형들의 차량들(예컨대, 호버크래프트들(hovercrafts), 헬리콥터들(helicopters), 하이퍼루프 포드들(hyperloop pods))과 함께 사용될 수 있는 것이 이해될 것이다. 또한, 장치 및 방법들이 비-1차 추력(예컨대, VTOL(vertical take-off and landing) 적용들에서, 헬리콥터 테일 회전자로서, 및/또는 예컨대 헬리콥터들의 자동-회전과 유사한 논(non)-VTOL 항공기에 대한 비상 제동)을 제공하는데 사용될 수 있는 것이 또한 이해될 것이다. 장치 및 방법들이 대안적으로 다른 적용들(예컨대, 축방향 압축기들, 환기 팬들)에서 사용될 수 있는 것이 또한 이해될 것이다.
[0078] 도 1 내지 도 5는 일반적으로 1000으로 지칭되는, 항공기용 전기 추진 시스템의 예시적인 실시예를 예시한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 전기 추진 시스템(1000)은 나셀(100)에 위치결정되는 전기 기계를 포함한다. 전기 기계는 나셀에 장착된 고정자 및 고정자에 의해 구동될 수 있는 팬 조립체 및 회전자를 포함한다. 회전자 및 팬 조립체의 회전을 유도하기 위해, 전기 전력은 하나 이상의 고정자 권선부들로 공급될 수 있다. 회전될 때, 회전자 및 팬 조립체의 팬 블레이드들은 나셀을 통한 공기 유동을 촉진하여, 이에 의해 기계적 추력을 생성한다. 이에 따라, 전기 추진 시스템(1000)은 덕트형 축방향 팬 추진 시스템으로서 특징화될 수 있다. 또한, 팬 블레이드들 주위에 위치결정되는 고정자로부터 회전자 및 팬 조립체에 토크가 가해짐에 따라, 전기 추진 시스템(1000)은 부가적으로 또는 대안적으로 림-구동식 추진 시스템으로서 특징화될 수 있다.
[0079] 나셀(100)은 전기 기계를 위한 공기역학적 인클로저를 제공한다. 예를 들어, 나셀(100)은 공기역학적 항력을 감소시키기 위해 비행 표면으로서 작용할 수 있다. 예시된 예에서, 나셀(100)은 고정자 인클로저(아래에서 더 논의됨)에 걸쳐 기류를 지향함으로써 고정자로부터 열을 분산시키는 것을 보조하기 위해 선택적인 냉각 덕트들(500)을 포함한다. 예를 들어, 유입구 공기는 나셀(100)의 전방 단부(102)에 위치되는 하나 이상의 냉각 덕트들(500)을 통해 지향될 수 있으며, 그리고 유출구 공기는 나셀(100)의 후방 단부(104) 근처에 위치되는 유출구(194)에서 축출될 수 있다.
[0080] 나셀(100)의 일부 또는 전부는 섬유-강화된 열가소성 수지와 같은 복합 재료들로 형성될 수 있다. 이러한 재료들의 사용은 나셀(100)의 감소된 나셀 중량 및/또는 증가된 구조적 성능을 초래할 수 있다.
[0081] 도 3 내지 도 5를 참조하면, 전기 추진 시스템(1000)은 나셀(100)을 통해 1차 공기 유입구(112)로부터 1차 공기 유출구(114)까지 연장되는 1차 공기 유동 경로(160)를 둘러싸는 일반적으로 200으로 지칭되는 고정자를 포함한다. 공기 유동 경로(160)를 규정하는 나셀(100)의 내부 윤곽부들(120)은 기계적 추력의 생성을 지지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유출구(114)에 인접하게 제공되는 (출구 노즐(124)로 특징화될 수 있는) 나셀(100)의 고물 섹션(aft section)(124)은 주 기류 경로(160)를 나가는 기류와의 혼합을 보조하기 위해 냉각 시스템을 나가는 기류을 위한 디퓨저 노즐(diffuser nozzle)로서 작용할 수 있다.
[0082] 축(105)을 중심으로 고정자(200)에 의해 회전되도록 구성되는, 회전자 및 팬 조립체(일반적으로 300으로 지칭됨)가 고정자(200)의 내부에 위치결정된다. 회전자 및 팬 조립체(300)의 (팬 허브(310)로서 지칭될 수 있는) 허브(310)는 하나 이상의 베어링들(307)을 통해 중앙 지지 샤프트(150) 상에 장착된다. 예시된 예에서, 중앙 지지 샤프트(150)는 전기 기계 회전자 및 팬 조립체(300)의 하류에 위치결정되는 비회전 가이드 베인 조립체(400)의 중앙 허브(405)로부터 연장된다.
[0083] 가이드 베인 조립체(400)는 허브(405)로부터 나셀(100)까지 연장되는 복수의 공기역학적 가이드 베인들(420)을 포함한다. 바람직하게는, 가이드 베인들(420)은 중앙 허브(405)에 대한 구조적 지지를 제공하여, 이에 의해 중앙 지지 샤프트(150)에 대한 구조적 지지를 제공한다. 다시 말하자면, 가이드 베인 조립체(400)는 회전자 및 팬 조립체(300)가 회전하는 샤프트 및 베어링 시스템에 대한 지지부로서 작용한다.
[0084] 가이드 베인(420)은 바람직하게는 축방향 기류을 향한 나셀에 대한 회전자 및 팬 조립체의 회전으로부터 초래되는 원주 방향 기류의 재지향(redirection)을 촉진하도록 구성된다. 예를 들어, 가이드 베인들(420)은 회전하는 회전자 및 팬 조립체(300)에 의해 부여되는 스월(swirl) 손실의 일부를 회복하고 그리고 전체 추진 효율을 증가시킬뿐만 아니라 모터 하중 토크를 감소시키기 위해 기류을 직선화하도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가이드 베인들(420)의 스위프(sweep) 각도는, 회전자 및 팬 조립체(300)의 출구 가스 각도가 가이드 베인(420)의 유입구 각도와 정렬하여, 이에 의해, 유동이 회전자 및 팬 조립체(300)의 축 방향과 정렬할 때까지 베인 코드들에 걸쳐 회전시키도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가이드 베인들(420)의 반경방향 외측 단부들(428)은 덕트형 팬의 하류에서 생성된 원주방향 유동을 축방향 유동으로 수정하기 위해 나셀(100)로 통합될 수 있다.
[0085] 가이드 베인들(420)은 탄소 섬유 강화된 복합재들과 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 합성 가이드 베인들이, 예컨대, 가이드 베인들의 강성을 증가시키기 위해, 그리고/ 또는 중앙 지지 샤프트(150)에 부가적인 구조적 지지를 제공하기 위해 하나 이상의 기계적 첨가물들을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다.
[0086] 하나 이상의 베어링들(307)에 대해, 상이한 베어링 토폴로지들이 채택될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 이중 각도 접촉 볼 베어링들은, 높은 반경방향, 추력 및/또는 동적 하중들을 견디면서 낮은 주행 마찰을 제공하는데 사용될 수 있다. 이중 각도 접촉 볼 베어링들은, 이중 각도 접촉 볼 베어링들이 전형적으로 회전자에 의해 부여되는 베어링 응력들을 감소시킬 수 있는 오정렬을 견딜 수 있기 때문에 고속 작동에 대해 또한 적합할 수 있다. 이중 각도 접촉 볼 베어링들은 또한 다중 베어링 시스템과 하중에 대한 유사한 응답을 제공할 수 있으며, 이는 유리한 것으로 고려될 수 있다. 일부 예들에서, 가압된 모세관 베어링들은 회전자를 밸런싱하는데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 능동형 자기 베어링 시스템은 회전자를 밸런싱하는는데 사용될 수 있다.
[0087] 선택적으로, 공기는 베어링들(307)에 대해 수동 냉각을 제공하기 위해 허브(310)를 통해 (예컨대, 노즈 콘(390)을 통해) 지향될 수 있다.
[0088] 도 6 내지 도 8b는 예시적인 회전자 및 팬 조립체(300)를 예시한다. 도 7을 참조하면, 회전자 및 팬 조립체(300)는 원통형 팬 슈라우드(cylindrical fan shroud)(340), 팬 허브(fan hub)(310), 및 팬 슈라우드(340)와 팬 허브(310) 사이에서 연장되는 복수의 팬 블레이드들(320)을 포함한다.
[0089] 예시된 예에서, 각각의 팬 블레이드(320)의 반경방향 외부 단부들(328)은 더브테일 배열을 사용하여 슈라우드(340)의 내부 표면(346)에 고정되며, '핀들'(329)은 슈라우드(340)의 슬롯 또는 '테일'(347)에서 수용되는 각각의 팬 블레이드(320)의 외부 단부들(328)로부터 연장된다. 일단 블레이드들이 슈라우드(340)에 커플링됐다면, 하나 이상의 잠금 핀들(미도시)이 블레이드들의 축방향 움직임을 억제하거나 방지하도록 제공될 수 있다.
[0090] 대안적으로, 핀들(329) 및 슬롯들(347)은 전나무 형상일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0091] 예시된 예에서, 각각의 팬 블레이드(320)의 반경방향 내부 단부(326)는 팬 블레이드 베이스(330)를 갖는다. 팬 블레이드 베이스들(330)은, 스레드형 카운터보어 볼트들(335)과 같은 하나 이상의 기계적 패스너들을 사용하여 허브(310)의 외부 표면(318)에 고정된다.
[0092] 예시된 예에서, 각각의 팬 블레이드 베이스(330)는, 인접한 팬 블레이드 베이스(330)의 돌출 특징부(333)를 수용하기 위해 일측 상의 돌출 특징부(333) 및 반대측 상의 상보적 오목부(337)를 갖는다. 이러한 배열은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 돌출부들(133)은, 설치 프로세스 동안 팬 블레이드들(320)을 치수적으로 위치시키기 위해 슬립 평면으로서 작용할 수 있다. 돌출부들(133)은 또한, 예컨대 회전자 및 팬 조립체(300)에 걸쳐 전단 응력들을 분산시키기 위해 인접한 팬 블레이드들 사이에 일부 구조적 지지를 제공할 수 있으며, 이에 의해 국부화된 응력 상승기들의 효과를 감소시킨다.
[0093] 별도의 팬 블레이드들(320)을 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 개별 팬 블레이드들(320)은, 예컨대 손상된다면, 제거 및/또는 교체될 수 있다.
[0094] 예시된 예에서, 회전자 및 팬 조립체(300)는 15개의 팬 블레이드들(320)을 포함한다. 하나 이상의 대안적인 실시예들에서, 보다 많거나 보다 적은 팬 블레이드들(320)이 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0095] 팬 블레이드들(320)은 아음속(subsonic) 대 천음속(transonic) 유동 레짐들(regimens)에서의 사용을 위한 저압비 터보기계 블레이드들일 수 있다. 팬 블레이드들(320)의 스위프된 에어포일 프로파일은 회전자 및 팬 조립체(300)의 팁 속도 및 압력비를 최대화하도록 설계될 수 있다. 이러한 예들에서, 팬 블레이드들(320)의 코드(즉, 각각의 블레이드의 리딩 에지에서 트레일링 에지까지의 축방향 길이)는 회전자 및 팬 조립체(300)에 안정성 및 효율성을 제공하기에 충분히 넓을 수 있다. 블레이드 코드 길이와 블레이드 항력 사이에 트레이드오프(tradeoff)가 존재하는 것이 이해될 수 있다.
[0096] 팬 블레이드들(320)은, CFRP(carbon fiber reinforced polymer) 또는 금속성 합금(예컨대, 티타늄 또는 알루미늄 합금)과 같은, 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다.
[0097] 예시된 예에서, 회전자 및 팬 조립체(300)는 노즈 콘(390)을 포함한다. 바람직하게는, 노즈 콘(390)은 전기 추진 시스템(1000) 내로 유입되는 공기의 일부분을 사전-스월하기(pre-swirl) 위해 허브(310)와 함께 회전한다. 또한, 회전하지 않는 선택적 허브 페어링(490)이 예시된다.
[0098] 위에서 논의된 바와 같이, 허브(310)는 바람직하게는 하나 이상의 베어링들(307)을 통해 중앙 지지 샤프트(150) 상에 장착된다. 바람직하게는, 베어링들(307)은 회전자 동심도를 촉진하기 위해 하나 이상의 각도 접촉 베어링들을 포함한다.
[0099] 선택적으로, 노즈 콘(390)은 베어링들(307)을 위한 수동 냉각을 제공하기 위해 허브(310)를 통해 공기를 지향하도록 구성될 수 있다.
[0100] 회전자 및 팬 조립체(300)는 또한, 팬 슈라우드(340)의 외부 표면(348) 상에 위치결정되는 복수의 회전자 자석들(350)을 포함한다. 예시된 예에서, 자석들(350)은 압축 슬리브(360)를 사용하여 고정된다. 대안적으로, 회전자 자석들(350)은 슈라우드(340)의 외부 표면에 고정될 수 있거나, 또는 슈라우드(340) 내부에 부분적으로 또는 완전히 매립될 수 있다.
[0101] 회전자 및 팬 조립체(300)는 바람직하게는 고정자(200)에 의해 비교적으로 높은 속도들로 회전하도록 구성된다. 예를 들어, 회전자 및 팬 조립체(300)는 약 7,000RPM(revolutions per minute)의 작동 속도 및 약 8,500RPM의 최대 속도를 가질 수 있다. 이러한 속도들에서, 팬 블레이드들에 대한 원심력들 및/또는 슈라우드(340) 및 자석 슬리브(360) 상의 후프 응력이 상당할 수 있다. 이러한 힘들과 응력들은, 전기 기계가 상대적으로 높은 종횡비(즉, 회전자 직경과 회전자의 축방향 길이 사이의 비율)를 가질 때 특히 중요할 수 있다. 예를 들어, 전기 추진 시스템(1000)의 실시예들은 7,000RPM에서 약 290m/s의 회전자 팁 속도, 8,500에서 약 350m/s의 회전자 팁 속도를 가질 수 있다.
[0102] 원심력 및/또는 후프 응력의 적어도 일부분을 보상하기 위해, 회전자 자석들(350)은, 회전자와 팬 조립체가 정지 상태일 때 압축시에 반경방향으로 로드될 수 있다. 압축시에 회전자 자석들(350)을 사전-로드함으로써, 회전자 자석들의 최대 인장 하중이 이에 의해 증가될 수 있다. 이는 회전자 및 팬 조립체(300)에 대한 증가된 최대 인장 하중을 초래할 수 있고, 이는 회전자 조립체의 최대 회전 속도 및/또는 전기 추진 시스템(1000)의 추력 출력을 증가시킬 수 있다.
[0103] 예를 들어, 자석들(350)은 전형적으로 75MPa 내지 80MPa의 항복 강도를 가지는 네오디뮴(NdFeB) 자석들일 수 있다. 압축시에 회전자 자석(350)을 미리 로딩함으로써, 회전자 및 팬 조립체(300)의 회전 동안 생성되는 후프 응력들의 일부분은, 인장력들이 지배적이고 그리고 회전자 자석들(350)의 항복 또는 파손을 유발시키기 전에 슬리브(360)로부터 부여되는 압축력들을 완화하도록 지향될 수 있어, 이에 의해 자석들(350) 상의 보다 높은 안전한 작동 후프 응력들을 초래한다. 다시 말해, 회전자 및 팬 조립체(300)의 회전 중에 생성된 원심력들의 일부분은 사전-압축 응력을 완화함으로써 효과적으로 '상쇄'될 수 있으며, 회전자 자석들(350) 상의 적은 순 인장 응력을 초래한다.
[0104] 보다 높은 최대 작동 후프 응력의 효과는 실제적으로 회전자 및 팬 조립체(300)의 보다 높은 최대 회전 속도이며, 이는 전기 추진 시스템(1000)의 최대 추력 출력을 증가시킬 수 있다.
[0105] 압축력은 임의의 적절한 방식으로 자석들(350)에 가해질 수 있다. 예를 들어, 사전-압축 응력들은 회전자 및 팬 조립체(300)의 조립 동안 압축 슬리브(360)를 통해 가해질 수 있다. 압축 슬리브(360)는 대안적으로 억지 끼워맞춤 슬리브(interference fit sleeve)로서 특징화될 수 있다. 바람직하게는, 압축 슬리브(360)는 회전자와 팬 조립체가 정지 상태일 때 자석들(350)에 상당한 압축력을 가한다.
[0106] 압축 슬리브(360)는 높은 비강성을 가지는 재료(예컨대, 탄소 섬유 강화된 복합재, 티타늄 또는 알루미늄 합금 등)로 제조될 수 있다.
[0107] 부가적으로 또는 대안적으로, 팬 블레이드들(320)은 자석(350) 상에서 외부 압축력을 제공하기 위해, 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 압축시에 로드될 수 있다. 압축시에 팬 블레이드들(320)를 사전-로드함으로써, 블레이드들(320) 및/또는 슈라우드(340)는 자석들(350)의 내부 표면 상에 반경방향 바깥쪽의 힘을 가할 수 있어, 자석들(350) 상에 압축 하중을 초래한다(자석들이 예컨대, 압축 슬리브(360)를 통해 제자리에 리테이닝됨(retained)).
[0108] 예를 들어, 프리-스트레스된(pre-stressed) 팬 블레이드들(320)은 회전자 자석들(350) 상에서 압축력들을 증가시킬 수 있으며, 이는 보다 얇은 슬리브(360)가 사용되는 것을 허용할 수 있다. 이는 유리하게는 전기 추진 시스템(1000)의 토크/출력 밀도를 증가시킬 수 있는, 전기 기계에 대한 보다 작은 에어 갭을 용이하게 할 수 있다.
[0109] 팬 블레이드들(320)이 임의의 적합한 방법을 사용하여 반경방향으로 압축시에 로드될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 8a 및 도 8b에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 너트들(331)이 팬 블레이드들 상에서 사전-압축 응력을 가하기 위해 각각의 팬 블레이드 베이스(330)와 허브(310) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 일단 패스너들(335)이 설치됐다면, 너트들(331)은 블레이드(320) 상에서 사전-응력을 제공하기 위해 회전할 수 있다. 대안적으로, 너트들(331)은, 패스너들(335)이 (예컨대, 카운터싱크형(countersunk) 배열을 통해) 조여짐에 따라 압축 로딩을 증가시키도록 구성될 수 있다.
[0110] 대안적으로, 하나 이상의 환형 웨지들은 팬 블레이드들 상에서 사전-압축 응력을 가하기 위해 팬 블레이드들과 팬 허브 사이에 위치결정될 수 있다. 도 29 내지 도 32에 예시된 예에서, 한 쌍의 웨지 링들(380)은 더브테일 배열을 사용하여 팬 블레이드 베이스들(330)에 맞물리도록 구성된다. 도 31 및 도 32로부터 아마도 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 웨지 링들(380)은 일반적으로 원통형인 내부 표면(386) 및 테이퍼진 외부 표면(388)을 갖는다. 이에 따라, 웨지 링들(380)은 팬 블레이드 베이스들(330)과 팬 허브(310)의 외부 표면(318) 사이에 삽입됨에 따라, 웨지 링들은 팬 블레이드들(320) 상에서 바깥쪽의 압축력을 가할 수 있다.
[0111] 일부 실시예들에서, 압축 슬리브(360)는 자석들(350)에 충분한 압축력을 제공할 수 있으며, 그리고 블레이드들(320)의 사전-압축은 요구되지 않을 수 있다.
[0112] 고속 회전 동안, 슈라우드(340)에서의 전체 폰 미제스(von Mises) 응력(특히, 반경방향 응력)이 높을 수 있다. 따라서, 슈라우드(340)는 바람직하게는, 회전자 변형을 억제하거나 방지하기 위해 높은 비강성 값을 가지는 재료로 제조된다. 위에서 논의된 바와 같이, 각각의 팬 블레이드(320)의 반경방향 외부 단부들(328)은 슈라우드(340)의 내부 표면(346)에 고정될 수 있다. 팬 블레이드들(320)을 슈라우드(340)에 직접적으로 커플링하는 것은, 회전자 및 팬 조립체(300)의 전체 강성을 증가시킬 수 있으며, 이는 전기 추진 시스템(1000)에 대한 보다 큰 작동 엔벨로프(envelope)(예컨대, 더 높은 속도/더 양호한 안전 계수/보다 낮은 회전자 변형)로 이어질 수 있다.
[0113] 블레이드들(320)의 사전-압축이 요구되지 않은 실시예들에서(예컨대, 압축 슬리브(360)가 자석(350)에 충분한 압축력을 제공하는 경우), 팬 블레이드들(320)은 회전자 및 팬 조립체(300)의 변형을 더 감소시키기 위해 인장시에(예컨대, 슈라우드(340)를 허브(310)를 향해 반경방향으로 당김) 또는 압축시에(예컨대, 슈라우드(340)를 허브(310)로부터 반경방향으로 멀리 푸시함) 프리-스트레스될 수 있다 예를 들어, 너트들(331)이 제공되지 않을 수 있으며, 그리고 조임 패스너들(335)이 블레이드들(320)을 프리-스트레스할 수 있다.
[0114] 예시된 예에서, 외부 표면(348) 및 내부 표면(346)은 대략 동일한 프로파일을 갖는다. 다시 말하자면, 슈라우드(340)는 실질적으로 일정한 반경방향 두께를 갖는다. 외부 표면(348) 및 내부 표면(346)이 하나 이상의 대안적인 실시예들에서 상이한 프로파일들을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0115] 본원에 설명되는 바와 같이 회전자 및 팬 조립체(300)를 전기 추진 시스템(1000)에 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 팬 블레이드(320)이 내부 허브(310) 및 외부 슈라우드(340) 둘 모두에 고정되기 때문에, 각각의 팬 블레이드는, 전기 추진 시스템(1000)이 상당한 유입구 기류 비틀림을 다루는 기체 장착된 BLI(Boundary Layer Ingestion) 시스템의 부품으로서 사용되는 것을 용이하게 하기 위해 동적 하중 하에서 충분한 강성 및/또는 충분한 신뢰성을 가질 수 있다.
[0116] 다른 예로서, 각각의 팬 블레이드가 슈라우드(340)에 연결되기 때문에, 팬 블레이드들의 팁들과 나셀(100)을 통한 주 기류 경로를 규정하는 구조물 사이에 갭이 존재하지 않으며, 이는 통상적인 샤프트-피동식 덕트형 팬 추진 시스템들과 비교할 때 감소된 가청 소음을 초래할 수 있다.
[0117] 도 9는 팬 블레이드들(320), 가이드 베인들(420), 및 전기 추진 시스템(1000)을 통해 취해진 주 기류 경로의 모델로부터의 출력을 도시한다. 스트림라인들(streamlines)(90)은 회전하는 팬 블레이드들(320)에 의해 스월되고 있고 그리고 하류 가이드 베인들(420)에 의해 축방향으로 재정렬되어 있는 공기를 표시한다.
[0118] 나셀(100) 내부의 유동 거동을 예측하기 위해, 과도 회전자-가이드 베인 상호작용들이 해결되는 시뮬레이션이 수행되었다. 모델링은, (집합적으로 고정 블레이드 열로서 특징화될 수 있는) 가이드 베인들(420)이 출구 기류를 직선화하고 그리고 이에 따라 회전 속도로 손실되는 운동 에너지의 적어도 일부를 추력으로 회복하도록 작용하는 것을 제안한다.
[0119] 유사한 시스템들으로부터의 예비적인 모델링 및 데이터 추정(extrapolation)은, 샤프트 피동식 터보팬들에 대한 비교가능한 추력 성능을 예측한다. 예를 들어, 전기 추진 시스템(1000)은, 상대적으로 높은 바이패스 유동으로 인해, 유사한 전력 출력의 샤프트 피동식 터보팬과 비교하여 약 80% 이상의 추력을 제공할 수 있다.
[0120] 도 10 내지 도 12는 예시적인 고정자(200)를 예시한다. 도 11을 참조하면, 고정자(200)는 복수의 권선부들(210)을 포함한다. 권선부들(210)은 구리, 구리 합금들, 또는 다른 적합한 재료들로 제조될 수 있다.
[0121] 도 12를 참조하면, 회전자 슈라우드(340) 및 회전자 자석들(350)은 고정자(200) 내에 동심으로 안착하도록 치수가 정해진다. 예시된 구성에서, 고정자(200) 및 회전자 그리고 팬 조립체(300)는 림 피동식 영구 자석 전기 기계 또는 림 피동식 영구 자석 모터로서 특징화될 수 있다.
[0122] 고정자 권선부들(210)은 임의의 적합한 구성으로 배열될 수 있다. 바람직하게는, 권선부들(210)은 다상 다중-극성 고정자 권선부들(210)의 세트로서 배열된다. 예를 들어, 고정자(200)의 상대적으로 큰 직경은, 부가된 고장허용한계(fault tolerance)를 위한 여분의 권선부들과 함께, 3개 이상의 위상들에 대한 권선부들을 장착하기에 충분한 수의 고정자 슬롯들(205)을 제공할 수 있다. 고정자 권선부들(210)은 스타 또는 델타 구성으로 연결될 수 있다.
[0123] 회전자 자석들(350)은 임의의 적합한 구성으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 자석들(350)은 할박(Halbach) 구성으로 분극될 수 있다. 다른 구성들(예컨대, 평행, 반경방향)이 하나 이상의 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다.
[0124] 예시된 예들에서, 회전자 및 팬 조립체(300)의 슈라우드(340)는 회전자의 '백 아이언(back iron)'으로 특징화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 슈라우드(340)는 하나 이상의 자기 적층부들을 가질 수 있고, 그리고/또는 금속성 또는 복합 합금들로 제조될 수 있다. 대안적으로, 슈라우드(340)는 자기 구성요소들이 실질적으로 없을 수 있다(예컨대, 강이 거의 없거나 또는 전혀 없음). 이러한 구성들(즉, '백 아이언'이 실질적으로 없음)은 '공기 코어' 전기 기계들로서 특징화될 수 있다.
[0125] 바람직하게는, (고정자(200) 및 회전자 및 팬 조립체(300)를 포함하는) 전기 기계는 그의 직경과 그의 축방향 길이 사이에 비교적으로 높은 종횡비를 갖는다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 고정자(200)의 내경(Dstator)은 고정자(200)의 제1 단부(202)와 제2 단부(204) 사이의 축방향 길이(Lstator)보다 적어도 4배, 적어도 10배, 또는 적어도 20배 더 클 수 있다.
[0126] 높은 종횡비를 갖는 전기 기계를 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 이는, 요크에서 또는 고정자의 치형부들에서 자기 포화(magnetic saturation)에 도달하지 않고 보다 높은 기계적 출력을 제공하기 위해 더 높은 전기 기계가 스케일 업되는 것을 용이하게 할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상대적으로 작은 축방향 길이는 회전자 및 팬 조립체(300)의 감소된 중량 및/또는 관성을 촉진할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상대적으로 작은 축방향 길이는 나셀(100)의 아웃보드 표면의 경계 층 형성과 연관된 표피 항력(skin drag)을 감소시킬 수 있다.
[0127] 도 10 및 도 11은 대안적으로 고정자 하우징(220)으로서 특징화될 수 있는 예시적인 고정자 인클로저(220)를 예시한다. 예시된 예에서, 고정자 인클로저(220)는 고정자(200) 주위에 동심으로 위치결정되는 환형 케이싱(230), 환형 케이싱(230)의 제1 단부(232)에 커플링되는 전방 고정자 면 플레이트(240), 및 환형 케이싱(230)의 제2 단부(234)에 커플링되는 후방 고정자 면 플레이트(250)를 포함한다. 별도의 구성요소들로서 예시되지만, 환형 케이싱(230) 및 적어도 하나의 전방 고정자 면 플레이트(240) 및 후방 고정자 면 플레이트(250)가 일체로 형성될 수 있는 것이 이해될 것이다.
[0128] 고정자 인클로저(220)는 전기 추진 시스템(1000)의 구조적 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 인클로저(220)는 외부 연결들을 위한 다양한 장착 및 부착 지점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 환형 케이싱(230)은 고정자 냉각 시스템에 사용되는 하나 이상의 응축기들을 지지하기 위한 다수의 반경방향 핀들(fins) 또는 플랜지들(flanges)(235)을 가질 수 있다.
[0129] 예시된 예에서, 전방 고정자 면 플레이트(240)들은 전방 표면(242)으로부터 돌출하는 복수의 냉각 핀들(245)을 포함한다. 냉각 핀들(245)은 (예컨대, 단부 권선 전도 냉각을 용이하게 함으로써) 고정자(200)에 대한 개선된 열적 관리를 제공할 수 있다. 냉각 핀들(245)이 (예컨대, CNC 밀링을 통해) 면 플레이트(240)에 용접되거나 일체로 형성될 수 있는 것이 이해될 것이다. 핀들(245)은 알루미늄 합금과 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다.
[0130] 선택적으로, 개스킷(미도시)이 전방 고정자 면 플레이트(240)와 환형 케이싱(230)의 제1 단부(232) 사이에 제공될 수 있다. 예를 들어, 이러한 개스킷은 전방 고정자 면 플레이트(240)과 환형 케이싱(230) 사이에 수밀 밀봉을 제공할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 개스킷(도시되지 않음)은 후방 고정자 면 플레이트(250)와 환형 케이싱(230)의 제2 단부(234) 사이에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 전체 고정자 인클로저(220)는 IP65 이상의 진입 보호 코드 등급(Ingress Protection Code rating)을 가질 수 있다.
[0131] 고정자 인클로저(220)의 구성요소들(예컨대, 환형 케이싱(230))은 예를 들어, 사면체 격자 충전재를 갖는 쉘을 3D 프린트함으로써 (또는 다른 적합한 적층 제조 방법에 의해) 그리고 후속하여 (예컨대, 수밀 밀봉의 제공을 용이하게 하기 위해) 높은 공차들이 요구되는 섹션들로부터 재료를 제거함으로써 (예를 들어, 그라인딩, 폴리싱에 의해) 구성될 수 있다. 이러한 구조는 바람직한 성능/중량 특성들을 가질 수 있다.
[0132] 다른 예로서, 고정자 인클로저(220)의 구성요소들은 완전한 원주방향 구성요소들을 생성하도록 결합되는 (예컨대, 알루미늄 합금의) 구부러진 압출 섹션들로부터 구성될 수 있다. 대안적으로, 고정자 인클로저(220)의 구성요소들은 섹션들에서 다이 캐스트될(die cast) 수 있다(예컨대, 고압 알루미늄 합금 캐스팅들). 이러한 구조들은 바람직한 성능/비용 특성들을 가질 수 있다.
[0133] 전기 기계를 위한 전력 제어 전자장치(미도시)는 임의의 적합한 위치에 제공될 수 있다. 예를 들어, 전력 제어 전자장치는 고정자 인클로저(220) 내에 또는 나셀(100) 내의 어느 곳에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고정자(200)의 큰 직경으로 인해, 전력 전자장치는 환형 케이싱(230)의 외부 표면(238) 상에 직접적으로 부착될 수 있다. 이러한 위치는 전원 리드들의 길이를 감소시키거나 최소화할 수 있다. 상대적으로 짧은 전력 리드들(예컨대, 1m 미만)을 제공하는 것은 보다 높은 입력 전기 주파수들(예컨대, 1kHz 초과) 및/또는 보다 높은 입력 전압들(예컨대, 800V 이상)으로의 작동을 용이하게 할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 고정자(200)에 바로 근접하게 전력 전자장치를 제공하는 것은, 고정자 냉각 시스템이 전력 전자 냉각을 위해 또한 사용되는 것을 허용할 수 있다. 대안적으로, 전력 전자장치는 나셀(100)의 어느 곳에서 그리고/또는 전기 추진 시스템(1000)이 장착되는 항공기의 동체(fuselage) 내에 위치결정될 수 있다.
[0134] 도 13은 스테이터(200)의 열 조정을 보조하기 위해 나셀(100)에 걸쳐 통과하는 공기를 응축기들 내로 끌어오기 위한 냉각 덕트(500)의 예를 예시한다. 바람직하게는, 냉각 덕트(500)는 낮은-항력 공기 유입구이며, 예컨대, 냉각 덕트는 NACA 덕트로 특징화될 수 있다.
[0135] 예시된 예에서, 필렛형 에지들(filleted edges)(520)은 경계 층 공기를 편향시키도록 그리고 자유 스트림 공기를 나셀(100) 내부에 위치결정되는 응축기의 유입구로 끌어오도록 구성된다. 도 14는 예상되는 국부적 기류 속도들을 나타내는 구배 구역들과 함께 냉각 덕트(500)를 통한 기류의 모델로부터의 출력을 도시한다.
[0136] 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이, 냉각 덕트들(500)은 바람직하게는 나셀(100)의 외부 표면과 실질적으로 같은 높이로 장착된다.
[0137] 냉각 덕트들(500)은 임의의 적합한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 덕트들(500)은 열가소성 재료를 몰딩하거나 3D 프린트함으로써 형성될 수 있다. 조립 동안, 덕트들(500)은 나셀(100)의 컷아웃들에 고정될 수 있고 그리고 제자리에 접착될(예컨대, 에폭시접착될(epoxied)) 수 있다. 별도의 구성요소들로서 예시되지만, 덕트들(500)은 나셀(100)의 외부 표면과 일체로 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 15는 냉각 덕트(500)에 의해 고정자 냉각 시스템으로부터 응축기를 통해 지향되는 공기로 열을 전달하기 위한 응축기(600)의 예를 예시한다. 예시된 예에서, 응축기(600)는 교차 유동 응축기이다. 대안적인 실시예들에서, 다른 콘덴서 토폴로지들이 채택될 수 있는 것이 이해될 것이다.
[0139] 바람직하게는, 응축기(600)는 높은 속도의 열 소산을 용이하게 하고, 강제된 공기 대류를 위한 효율적인 유동 경로를 제공하고, 그리고 예상된 하중 조건들에 대해 충분한 구조적 무결성을 갖는다. 이러한 설계 목표들을 해결하기 위해, 응축기에 걸쳐 압력 강하를 낮추기 위해 기류과 접촉하는 표면적을 최소화하는 것과 열 전달 속도를 증가시키기 위해 기류과 접촉하는 표면적을 최대화하는 것 사이의 균형을 결정하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이러한 경쟁 목표들 사이의 충분한 또는 바람직하게는 최적의 균형을 제공하기 위해, 다양한 설계 매개변수들이 반복될 수 있다.
[0140] 예시된 예에서, 응축기(600)는 핀들(620)에 의해 분리되는 일련의 플레이트들(610)을 포함한다. 이러한 배열은 유리하게는, 열이 3차원의 전도를 통해 퍼지는 것을 허용한다.
[0141] 예시된 예에서, 핀들(620)은 타원형 단면 프로파일을 갖는다. 타원형 핀들(620)을 제공하는 것은 안정된 난류를 촉진할 수 있고, 이는 상대적으로 높은 속도의 열 전달을 초래할 수 있다.
[0142] 도 16은 콘덴서(600)의 CFD(computational fluid dynamics) 모델로부터 출력된 속도 플롯(plot)을 도시한다. 스트림라인들(80)은 플레이트(610)에 걸친 국부적 공기 속도를 표시한다. 특히, 응축기(600)의 유입구 단부(602)를 따른 핀들(620)의 열(row)(605)은 응축기(600) 내로 기류을 안내하는 것을 보조한다.
[0143] 콘덴서(600)는 임의의 적합한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 플레이트들(610) 및/또는 핀들(620)은 예컨대, 3D 프린트함으로써 또는 다른 적합한 적층 제조 방법에 의해 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다.
[0144] 도 17 및 도 18은 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 고정자 권선부들(210)로부터 열을 전달하기 위한 고정자 냉각 시스템의 예를 예시한다. 예시된 구성에서, 다수의 개별 열 파이프들(710)은 고정자 권선부(210)으로부터 콘덴서들(600)로 열 에너지를 전달하도록 제공된다. 이러한 시스템은 수동 고정자 냉각 시스템으로 특징화될 수 있다.
[0145] 예시된 예에서, 각각의 열 파이프(710)의 일부분(715)은 적어도 하나의 고정자 권선부(210)에 접하는 고정자 슬롯(205)에 위치결정된다. 각각의 열 파이프(710)의 제1 단부(712)는 콘덴서(600)의 제1 단부(602)에 커플링되며, 그리고 각각의 열 파이프(710)의 제2 단부(714)는 콘덴서(600)의 제2 단부(604)에 커플링된다. 작동 시에, 열 파이프(710) 내의 유체는 부분(715)과 응축기(600) 사이의 열 구배로 인해 응축기(600)와 부분(715) 사이에서 순환한다. 예를 들어, 열 파이프들(710)은 상대적으로 높은 플럭스(flux)에서 열을 전달하기 위해 내부 열역학적 사이클을 사용하는 열사이펀 파이프들(thermosiphon pipes)일 수 있다.
[0146] 예시된 예에서, 열 파이프들(710)은 일반적으로 평탄한 측면들을 갖는다. 열 파이프들(710)은 대안적인 형상들(예컨대, 타원형, 원형)을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0147] 별도의 열 파이프들(710)을 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 개별 파이프들(710)은 예컨대, 일상적인 유지보수 동안 제거되고 그리고/또는 교체될 수 있다.
[0148] 열 파이프들(710)은 임의의 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 파이프들(710)은 증발기 성능을 개선시킬 수 있는 상대적으로 복잡한 내부 '심지(wick)' 구조로 3D 프린트될 수 있다. 대안적으로, 인발되거나 압출된 배관은 파이프들(710)을 형성하기 위해 절단되고, 구부러지고, 그리고 캡핑될(capped) 수 있다. 선택적으로, 소결된 금속 분말 심지는 캡핑 전에 삽입될 수 있다.
[0149] 도 19 및 도 21은 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 고정자 권선부들(210)로부터 열을 전달하기 위한 고정자 냉각 시스템의 다른예를 예시한다. 예시된 구성에서, 다수의 고정자 슬롯들(205)을 통과하는 다수의 유체 도관들(720)은 한 세트의 응축기들(600)과 유체 연통하도록 직렬로 배열된다. 작동시, 유체는 각각의 도관(720) 및 도관(720)이 커플링되는 응축기들(600)을 통해 펌핑된다. 이러한 시스템은 하이브리드 힘 공기-액체 능동 고정자 냉각 시스템으로서 특징화될 수 있다.
[0150] 예시된 예에서, 각각의 유체 도관(720)은, 지그재그 패턴(zig-zag pattern)으로 다수의 고정자 슬롯(205)을 통과하여, 유체 도관이 통과하는 각각의 슬롯(205)에서 적어도 하나의 고정자 권선부(210)에 접한다. 각각의 도관(720)의 유입구 단부(722)는 유체 펌프(미도시)와 유체 연통한다. 각각의 도관(720)의 유출구 단부(724)는 예컨대, 중간 배관(730)을 통해 하나 이상의 응축기들(600)과 유체 연통한다. 작동시, 유체는 도관(720)을 통해 펌핑되며, 여기서 도관은 도관 벽을 통한 전도를 통해 고정자 권선부(210)로부터 열적 에너지를 수용할 수 있다. 그 후, (지금 가열되는) 유체는, 유체로부터 응축기들을 통과하는 공기로 그리고 그 후 유출구(734)를 통해 다시 펌프(미도시)로 열을 전달하기 위해 하나 이상의 응축기들(600)를 통해 펌핑된다.
[0151] 예시된 예에서, 유입구들(722a, 722b, 722c) 및 유출구들(734a, 734b, 734c)를 갖는, 3개의 냉각 '루프들'이 존재한다. 1, 2, 또는 4개 이상의 냉각 '루프들'이 대안적인 실시예들에서 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0152] 도관(720)은 임의의 적절한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 인발된, 압연된 또는 압출된 배관이 도관(720)을 형성하기 위해 구부러질 수 있다. 바람직하게는, 고정자 슬롯들(205)의 전도체들과 접촉하는 도관(720)의 부분들은 증가된 접촉 면적을 제공하기 위해 평탄해진다.
[0153] 도 22 및 도 23은 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 고정자 권선부들(210)로부터 열을 전달하기 위한 고정자 냉각 시스템의 다른예를 예시한다. 예시된 구성에서, 응축기들(600) 및 냉각 덕트들(500)은 제공되지 않는다. 대신에, 고정자 인클로저(220)를 위한 유체 재킷이 제공된다. 이러한 시스템은 능동 고정자 냉각 시스템으로서 특징화될 수 있다.
[0154] 도 23에 도시된 바와 같이, 유체 재킷(800)은 복수의 냉각 도관들(820)이 제공되는 유체 재킷 본체(810)를 포함한다. 냉각 도관(820)은 유입구 및/또는 유출구 단부들(822) 사이에서 연장되고, 그리고 냉각 재킷 본체(810)를 통한 냉각 유체의 순환을 허용하도록 구성된다. 예시된 예에서, 복수의 슬롯들(830)은 유체 재킷 본체(810)를 통해 반경방향으로 연장된다. 슬롯들(830)은 전기적 위상 연결들을 위한 와이어링(wiring)을 수용하는데 그리고/또는 고정자 인클로저(220)와 나셀(100) 사이의 구조적 연결들을 수용하는데 사용될 수 있다.
[0155] 냉각 재킷(800)을 제공하는 것은 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 냉각 재킷(800)은 가혹한 작동 조건들 및/또는 환경들에서 작동하도록 구성될 수 있다. 이러한 점에서, 냉각 덕트들(500)의 사용을 요구하지 않는 냉각 시스템은 고정자 인클로저(220)의 수밀 무결성을 유지하는 것을 보다 쉽게 만들 수 있다.
[0156] 도 24 및 도 25는 전기 추진 시스템(1000)의 작동 동안 회전자 자석들(350)로부터 열을 전달하기 위한 회전자 냉각 시스템의 예를 예시한다. 예시된 구성에서, 다수의 개별 회전자 열 파이프들(760)이 회전자 자석들(350)로부터 열 에너지를 전달하기 위해 제공된다. 이러한 시스템은 수동 회전자 냉각 시스템으로 특징화될 수 있다.
[0157] 도시된 예에서, 각각의 회전자 열 파이프(760)의 일부분은 적어도 하나의 회전자 자석(350)과 접한다. 예를 들어, 회전자 열 파이프들(760)은 팬 슈라우드(340)의 외부 표면에 내장될 수 있다. 각각의 회전자 파이프(760)는 열 에너지를 전달하기 위해 물-글리콜 또는 암모니아와 같은 작동 유체로 적어도 부분적으로 충전될 수 있다. 작동 시, 자석들(350)으로부터의 열은 회전자 열 파이프(760) 내의 작동 유체로 전달되어, 증기 '슬러그들'이 형성되고 그리고 회전자 파이프(760)를 따라 팽창하는 것을 유발시킨다. 이러한 증기 '슬러그들'은, 자석들(350)로부터 멀리 있는 회전자 파이프의 부분들(762)로 자석들(350)에 대해 수직으로 이동하며, 부분들이 회전하는 공기 사이의 온도 구배는 '슬러그들'을 다시 유체 상태로 응축시킨다. 이는 회전자 열 파이프(760) 내부에서 진동 유체 모션을 초래한다. 유사한 '맥동(pulsating)' 열 파이프들은 높은 관성력들로의 적용(예컨대, 전투기용)에서 검사되어 있다.
[0158] 예시된 예에서, 회전자 열 파이프(760)는 일반적으로 '개 뼈(dog bone)' 형상을 가지며, 이 때 자석들(350)로부터 멀리 있는 부분(762)은 둥근 형상을 갖는다. 회전자 열 파이프들(760)이 임의의 적합한 형상(예를 들어, 타원형, 원형)을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0159] 예시된 예에서, 자석(350) 당 2개의 회전자 열 파이프들(760)이 존재한다. 대안적인 실시예들에서, 각각의 자석(350)에 대해 1개, 3개, 또는 4개 이상의 회전자 열 파이프들(760)이 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0160] 회전자 열 파이프들(760)은 임의의 적합한 유형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 파이프들(760)은 열적 성능을 개선시킬 수 있는 상대적으로 복잡한 내부 '심지' 구조 및 다공도로 3D 프린트될 수 있다. 대안적으로, 인발되거나 압출된 배관은 파이프들(760)을 형성하기 위해 절단되고, 구부러지고, 그리고 캡핑될 수 있다. 선택적으로, 소결된 금속 분말 심지는 캡핑 전에 삽입될 수 있다.
[0161] 도 26은 다양한 가능한 위치들에 장착되는 전기 추진 시스템(1000)을 갖는 전방 비행 항공기(10)를 예시한다. 예를 들어, 전기 추진 시스템들(1000a 및 1000b)은 윙아래(underwing) 위치들에 도시된다. 추진 시스템들(1000a, 1000b)은 파일런들(12a, 12b)에 의해 윙(15)에 고정된다.
[0162] 전기 추진 시스템(1000c)은 동체의 본체에 장착된다.
[0163] 전기 추진 시스템(1000d)은 기체의 후방에 장착되고, 그리고 BLI(Boundary Layer Ingestion) 추진 시스템으로서 작용하도록 동체 내로 통합되는 것으로 특징화될 수 있다.
[0164] 전기 추진 시스템들(1000)의 수 및 이들의 장착 위치들이 항공기의 전체 설계에 따라 변할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0165] 1차 추력을 제공하는 것 이외에도 또는 이에 대한 대안예로서, 전기 추진 시스템(1000)의 콤팩트한 프로파일은 항공기 추력 또는 양력 특성의 치명적인 고장의 경우에 보조 비상 착륙 모터로서의 그의 사용을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 전기 추진 시스템(1000)은 (예컨대, 윙 상의 양력을 회복하기 위해 항공기의 속도를 높이는데 사용되기 위해) 비상 추력으로서 및/또는 비상 VTOL 착륙 디바이스로서 작동하도록 구성될 수 있다.
[0166] 도 27 및 도 28은 조정가능한 고물 페어링(aft fairing)의 예를 예시한다. 이 예에서, 허브 페어링(490)은 (예컨대, 도 27에 도시된 바와 같은) 수축된 포지션과 (예컨대, 도 28에 도시된 바와 같은) 연장된 포지션 사이에서 이동될 수 있다. 예시된 예에서, 허브 페어링(490)은 축방향으로 선택적으로 연장될 수 있고 그리고 수축될 수 있는 선형 액추에이터(450)(예컨대, 선형 전기 모터, 유압 액추에이터)에 연결된다.
[0167] 허브 페어링(490)을 선택적으로 재위치결정함으로써, 출구 유동 노즐(124)의 단면적은, 예컨대, 다양한 조건들에 대해 팬의 서지 마진(surge margin)을 개선하고 그리고 효율성을 개선하기 위해 조절될 수 있다. 예를 들어, 저압력비들(즉, 1.5)을 갖는 높은 바이패스 비율 팬들(bypass ratio fans)은 전형적으로 추진 효율을 증가시키기 위해 낮은 공기 가속들 및 높은 질량 유량들로 작동한다. 그러나, 설계에 대해 고유한, 이러한 저압 비율로 인해, 팬은 엔진의 시동을 끄는 것을 회피하기 위해 팬 속도를 낮춤으로써 압력 비율이 감소되어야 하는 이륙(takeoff) 동안과 같은 특정 시나리오들에서 서지 조건들에 가깝게 작동한다.
[0168] 가변 영역 출구 노즐을 제공하는 것은 팬 속도과는 독립적인 팬 압력비를 변경하기 위해 부가의 제어 인자를 초래할 수 있다. 이의 결과는, 팬이 광범위한 비행 조건들에 대해 팬과 추진 효율들의 개선된, 또는 바람직하게는 최적의 균형에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 이륙 동안, 페어링(490)은 출구 노즐을 개방하기 위해 (예컨대, 도 27에 도시된 바와 같은) 수축된 포지션에 위치될 수 있으며, 이에 의해 팬을 서지 조건들로부터 더 멀리 그리고 임의의 요구되는 추력에 대한 최대 효율을 향해 작동시킬 수 있다. 순항 상태 동안, 페어링(490)은, 출구 노즐을 폐쇄하여 이에 의해 팬의 효율을 증가시키기 위해 (예컨대, 도 28에 도시된 바와 같은) 연장된 포지션으로 이동될 수 있다. 보다 넓은 서지 마진을 제공하는 다른 가능한 이점은, 보다 적은 블레이드 플러터(blade flutter)/피로 순환이 존재한다는 점이며, 이는 보다 가벼운 팬 블레이드들이 사용되는 것을 허용할 수 있다.
[0169] 위에서 논의된 바와 같이, 전기 추진 시스템(1000)의 고정자(200) 및 회전자 및 팬 조립체(300)는 전기 모터로서 작동될 수 있으며, 전력은 기계적 추력을 생성하기 위해 팬 블레이드들(320)을 회전시키도록 적용된다.
[0170] 대안적으로, 전기 추진 시스템(1000)의 고정자(200) 및 회전자 및 팬 조립체(300)는 발전기로서 작동될 수 있다. 예를 들어, 항공기의 하강 또는 착륙 동안, 고정자(200)는 회전자 및 팬 조립체(300)의 회전에 대한 저항을 발생시키도록 작동될 수 있다. 이는, 전기 추진 시스템(1000)에 의해 제공되는 감소된 순 추력을 초래할 수 있으며, 항공기의 속도에서의 감소를 이어진다. 이는 또한, 예컨대, 항공기에 탑재된 하나 이상의 전력 소스들(예컨대, 전기화학 배터리들)을 충전하는데 사용될 수 있는 전기 전력의 생성을 초래할 수 있다.
[0171] 전기 추진 시스템(1000)은 VTOL 항공기에 대한 하나 이상의 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 전기 추진 시스템(1000)은 (직경 및/또는 길이에서) 매우 콤팩트한 프로파일을 가질 수 있고 그리고 이에 따라, 예컨대, 다른 중앙 허브 피동식 전기 덕트형 팬들과 비교할 때 상대적으로 낮은 항력을 가질 수 있다. 전기 추진 시스템(1000)이 기체에 대해 조종(예컨대, 선회)하기에 상대적으로 쉬울 수 있고 그리고 또한 다른 중앙 허브 피동식 전기 덕트형 팬들보다 더 적은 항력을 생성할 수 있기 때문에, 이러한 콤팩트한 프로파일은 전기 추진 시스템(1000)을 e-VTOL 적용들에 대해 특히 적합하게 만들 수 있다.
[0172] 본원에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 “포괄적인 - 또는(inclusive - or)”을 표시하도록 의도된다. 즉, "X 및/또는 Y"는 예를 들어, X 또는 Y 또는 둘 모두를 의미하는 것으로 의도된다. 추가의 예로서, "X, Y, 및/또는 Z"는 X 또는 Y 또는 Z 또는 이의 임의의 조합을 의미하는 것으로 의도된다.
[0173] 위의 설명은 예시적인 실시예들의 특징들을 설명하지만, 설명된 실시예들의 일부 특징들 및/또는 기능들이 설명된 실시예들의 작동의 사상 및 원리들로부터 벗어나지 않고 수정될 수 있는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 예시된 실시예들 또는 예들에 의해 설명된 다양한 특성들은 서로 선택적으로 조합될 수 있다. 이에 따라, 위에서 설명된 것은 청구된 개념을 예시하는 것으로 의도되고 그리고 비제한적이다. 본원에 첨부된 청구항들에서 규정된 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 변형들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 청구항들의 범주는 바람직한 실시예들 및 예들에 의해 제한되지 않아야 하지만, 전체적으로 설명과 일치하는 가장 광범위한 해석으로 제공되어야 한다.
Claims (30)
- 항공기용 전기 추진 시스템(electric propulsion system)으로서,
상기 시스템은,
항공기의 나셀(nacelle) ─ 상기 나셀은 상기 나셀의 유입구 단부로부터 상기 나셀의 유출구 단부까지의 주 기류 경로(primary air flow path)를 규정함 ─ ; 및
전기 기계를 포함하며, 상기 전기 기계는,
상기 나셀에 위치결정되고 그리고 하나 이상의 고정자 권선부들(stator windings)을 포함하는 고정자; 및
상기 주 기류 경로에 위치결정되는 회전자 및 팬 조립체를 포함하며,
상기 회전자 및 팬 조립체는,
일정한 반경방향 두께, 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 및 외부 표면을 가지는 일체형 원통형 팬 슈라우드(one-piece cylindrical fan shroud);
상기 팬 슈라우드의 외부 표면에 커플링되고 그리고 상기 하나 이상의 고정자 권선부들과 동심인 복수의 회전자 자석들;
상기 팬 슈라우드의 내부에 동심으로 위치결정되는 팬 허브(fan hub) ─ 상기 팬 허브는 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 외부 표면, 및 회전의 팬 축을 가지고, 상기 팬 허브는 하나 이상의 베어링들을 통해 중앙 지지 샤프트 상에 장착됨 ─ ; 및
상기 팬 슈라우드와 상기 팬 허브 사이에서 연장되는 복수의 팬 블레이드들(fan blades)을 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 회전자 자석들은, 상기 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 압축시에 로딩되는(loaded),
항공기용 전기 추진 시스템. - 제2 항에 있어서,
상기 회전자 및 팬 조립체는 상기 복수의 회전자 자석들을 상기 원통형 팬 슈라우드에 고정시키기 위한 슬리브(sleeve)를 더 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제3 항에 있어서,
상기 슬리브는 상기 복수의 회전자 자석들에 압축 하중을 가하는 압축 슬리브인,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
각각의 팬 블레이드의 외부 단부는 상기 팬 슈라우드의 내부 표면에 직접적으로 고정되는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 팬 블레이드들은, 상기 회전자 및 팬 조립체가 정지 상태일 때 반경방향으로 프리-스트레스되는(pre-stressed),
항공기용 전기 추진 시스템. - 제6 항에 있어서,
각각의 팬 블레이드의 내부 단부는 팬 블레이드 베이스(fan blade base)를 가지고, 그리고 상기 시스템은 각각의 팬 블레이드 베이스와 상기 팬 허브 사이에 위치결정되는 적어도 하나의 너트(nut)를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 너트는 상기 팬 블레이드에 반경방향으로 압축 하중을 가하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제7 항에 있어서,
각각의 팬 블레이드 베이스는 상기 팬 블레이드 베이스의 일 측면 상의 돌출 특징부 및 인접한 팬 블레이드 베이스의 상기 돌출 특징부를 수용하기 위한 상기 팬 블레이드 베이스의 반대 측면 상의 상보적인 오목부를 가지는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 회전자 자석들은 할박(Halbach) 구성으로 위치결정되는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 고정자 권선부들은 다상 내결함성 권선부들(polyphase fault tolerant windings)을 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제10 항에 있어서,
상기 다상 내결함성 권선부들은 적어도 3개의 위상들을 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
축방향의 기류를 향한 상기 나셀에 대한 상기 회전자 및 팬 조립체의 회전으로부터 초래되는 원주방향 기류의 재지향(redirection)을 촉진하기 위해 상기 전기 기계의 하류에 있는 상기 주 기류 경로에 위치결정되는 복수의 안내 베인들(guide vanes)을 더 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 복수의 가이드 베인들은 상기 중앙 지지 샤프트에 구조적 지지를 제공하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 고정자는 내부 고정자 직경 및 축방향 고정자 길이를 가지며, 그리고 상기 내부 고정자 직경은 상기 축방향 고정자 길이보다 적어도 4배 더 큰,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제14 항에 있어서,
상기 내부 고정자 직경은 상기 축방향 고정자 길이보다 적어도 10배 더 크거나, 상기 축방향 고정자 길이보다 적어도 20배 더 큰,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 고정자는 내경을 가지고, 그리고 상기 시스템은 상기 고정자를 수납하기 위한 고정자 인클로저(stator enclosure)를 더 포함하고, 상기 고정자 인클로저는:
상기 고정자 주위에 동심으로 위치결정되는 환형 케이싱(annular casing) ─ 상기 환형 케이싱은 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 및 외부 표면, 케이싱 직경을 가짐 ─ ;
상기 환형 케이싱의 제1 단부에 커플링되는 전방 고정자 면 플레이트(front stator face plate) ─ 상기 전방 고정자 면 플레이트는 상기 고정자의 내경과 정렬되는 내경을 가짐 ─ ; 및
상기 환형 케이싱의 제2 단부에 커플링되는 후방 고정자 면 플레이트를 포함하며, 상기 후방 고정자 면 플레이트는 상기 고정자의 내경과 정렬되는 내경을 가지는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제16 항에 있어서,
상기 하나 이상의 고정자 권선부들을 위한 전력 전자장치들은 상기 환형 케이싱에 커플링되는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제16 항에 있어서,
상기 환형 케이싱, 그리고 상기 전방 고정자 면 플레이트 및 상기 후방 고정자 면 플레이트 중 적어도 하나는 일체로 형성되는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제16 항에 있어서,
복수의 냉각 핀들은 상기 전방 고정자 면 플레이트의 전방 표면 상에 제공되는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제16 항에 있어서,
상기 고정자 인클로저 주위에 위치결정되는 복수의 콘덴서들을 더 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제20 항에 있어서,
복수의 기류 덕트들(air flow ducts)을 더 포함하며, 상기 기류 덕트들 각각은 복수의 응축기들 중 하나의 상류 단부 내로 공기를 지향시키도록 위치결정되는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제20 항에 있어서,
상기 복수의 콘덴서들과, 그리고 상기 하나 이상의 고정자 권선부들 중 적어도 하나와 열적 연통하는 열 파이프들(heat pipes)을 더 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 회전자 및 팬 조립체는 회전자 냉각 시스템을 더 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제23 항에 있어서,
상기 회전자 냉각 시스템은, 상기 복수의 회전자 자석들 각각과 열적 연통하는 적어도 하나의 회전자 열 파이프를 포함하며, 각각의 회전자 열 파이프는 상기 회전자 자석과 주변 공기 사이의 온도 차이에 응답하여 상기 회전자 열 파이프 내에서 유체의 진동 모션(oscillatory motion)을 촉진하도록 구성되는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 회전자 및 팬 조립체는 상기 팬 허브의 제1 단부에 커플링되는 노즈 콘(nose cone)을 더 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 회전자 및 팬 조립체의 하류에 위치결정되는 허브 페어링(hub fairing)을 더 포함하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 제26 항에 있어서,
상기 허브 페어링에 커플링되는 선형 액추에이터(linear actuator)를 더 포함하며, 상기 허브 페어링은, 상기 허브 페어링의 적어도 일부분이 상기 나셀의 출구 노즐에 위치결정되는 연장된 포지션과, 상기 허브 페어링이 상기 팬 허브에 근접한 수축된 포지션 사이에서 선택적으로 이동될 수 있는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 나셀 ─ 상기 나셀은 상기 나셀의 유입구 단부로부터 상기 나셀의 유출구 단부까지의 주 기류 경로를 규정함 ─ ; 및
전기 기계를 포함하며, 상기 전기 기계는,
상기 나셀에 위치결정되고 그리고 하나 이상의 고정자 권선부들(stator windings)을 포함하는 고정자; 및
상기 주 기류 경로에 위치결정되는 회전자 및 팬 조립체를 포함하며,
상기 회전자 및 팬 조립체는,
일정한 반경방향 두께, 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 및 외부 표면을 가지는 일체형 원통형 팬 슈라우드;
상기 팬 슈라우드의 외부 표면에 커플링되고 그리고 상기 하나 이상의 고정자 권선부들과 동심인 복수의 회전자 자석들;
상기 팬 슈라우드의 내부에 동심으로 위치결정되는 팬 허브 ─ 상기 팬 허브는 제1 단부, 제2 단부, 내부 표면, 외부 표면, 및 회전의 팬 축을 가지고, 상기 팬 허브는 하나 이상의 베어링들을 통해 중앙 지지 샤프트 상에 장착됨 ─ ; 및
상기 팬 슈라우드와 상기 팬 허브 사이에서 연장되는 복수의 팬 블레이드들을 포함하는,
항공기. - 제16 항에 있어서,
상기 나셀은, 작동 중일 때 상기 주 기류 경로로부터의 공기가 상기 고정자에 접촉하는 것을 제한하는,
항공기용 전기 추진 시스템. - 삭제
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