KR20110086001A - 하이브리드 에너지 변환 시스템 - Google Patents

하이브리드 에너지 변환 시스템 Download PDF

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KR20110086001A
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알렌 마틴
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에이알비 그린파워, 엘엘씨
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Abstract

기계적인 부하가 달라지는 조건 하에서 일반적으로 균일한 회전 속도로 기계에너지를 출력하도록 구성되는 구동 엔진을 이용하는 하이브리드 에너지 변환 시스템이 기술된다. 기계에너지는 구동 엔진에 기계적으로 연결되는 전기 발전기를 회전시키기 위해 사용된다. 그리고 나서 전기 발전기로부터의 전기에너지 출력은 기계적인 부하에 연결된 전기 모터에 동력을 공급하기 위해 사용된다.

Description

하이브리드 에너지 변환 시스템{HYBRID ENERGY CONVERSION SYSTEM}
본원은 2008년 9월 26일에 출원된 출원계속 중인 가출원 번호 61/100,521로부터 35 USC §119(e)를 근거로 우선권을 주장하는 정규출원이다. 본원은 또한 2007년 4월 20일에 출원되어 출원종료된 가출원 번호 60/913,245와도 관련이 있다. 앞서 언급한 가출원 전체는 참조로써 도입된다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 에너지 변환 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로 추진 및 다른 구현에 적합한 에너지 변환 시스템에 관한 것이다.
종래의 에너지 변환 시스템은 일반적으로 화학에너지를 기계에너지로 변환하는 화석연료 엔진에 의존한다. 화석연료가 가지고 있는 화학에너지를 방출하기 위해, 연료는 일반적으로 연소실 내에서, 조절되는 조건 하에서 연소된다. 연소 공정은, 화학에너지를 열과 압력(상기 열과 압력은 사용 가능한 기계에너지로 변환됨)으로 방출하는 화석연료 및 산소가 결합된 공기-연료 혼합물에 의존한다. 화석연료를 사용하는 에너지 변환에는 다수의 단점들이 있는데, 몇 가지 예로써 화학에너지에서 기계에너지로의 변환 효율이 낮은 점, 독성 화학 부산물이 생산되는 점 및 온실가스가 생산되는 점이 포함되지만 이에 제한되지 않는다.
손쉽게 사용할 수 있는 화석연료의 공급이 감소함에 따라, 화석연료만 사용하는 것을 대신할 대안을 찾고 있다. 예를 들면, 화석연료는 스모그 및 온실 가스 생산의 주범인 자동차에 광범위하게 사용되고 있다. 스모그, 온실 가스의 방출 그리고 화석연료 사용의 의존도를 줄이기 위해, 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 하이브리드 추진 시스템이 개발되고 있다. 하이브리드 추진 시스템은 더 큰 에너지 변환 효율을 제공하고 상당히 적은 독성 부산물 및 온실 가스를 방출한다.
따라서, 매우 다양한 운송수단 및 다른 구현에 적용될 수 있는 하이브리드 에너지 변환 시스템은, 운송수단이 아닌 다른 수요를 위해 사용 가능한 화석연료의 비축량을 보존하고 세계 환경을 보호하기 위해 아주 바람직하며 꼭 필요하다.
본 발명은 하이브리드 에너지 변환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
하이브리드 에너지 변환 시스템은 기계적인 부하가 달라지는 조건 하에서 일반적으로 균일한 회전 속도로 기계에너지를 출력하도록 구성되는 구동 엔진을 이용하는 것으로 설명된다. 기계에너지는 구동 엔진에 기계적으로 연결되는 전기 발전기의 회전자를 회전시키기 위해 사용된다. 전기 발전기의 회전자를 회전시키기 위해 사용되는 구동 엔진은 어떠한 타입의 구동 엔진이든 사용될 수 있다. 예를 들어, 증기기관, 전기 모터, 내연기관, 윈드 터빈, 터빈 엔진, 공압식 엔진, 또는 유체 봉입식 엔진이 특별한 설계 목적을 달성하기 위해 사용될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
전기 발전기는 전기 발전기의 고정자 권선 내에 전기에너지의 흐름을 유도하기 위해, 구동 엔진에 의해 회전되는 회전자에 방사상으로 그리고 균일하게 부착되는 다수의 희토류 자석이 이용된다. 희토류 자석은 일반적으로 네오디뮴(neodymium) 또는 사마륨(samarium)의 합금으로 구성된다. 각각의 희토류 자석은 적어도 5,000 가우스(gauss)의 표면 전계를 생성한다. 전기 발전기로부터의 전기에너지 출력은 일반적으로 약 10 킬로와트(kilowatt)지만, 특별한 설계 목적을 수용하기 위해 더 작거나 큰 규모가 될 수 있다.
그리고 나서, 전기 발전기로부터의 전기에너지 출력은 일반적으로 균일한 기계적인 부하 하에서 동작하는 전기 모터에 동력을 공급하기 위해 사용된다. 전기 모터의 유형은 직류 전류 직권(series wound) 모터, 영구 자석 직류 전류 모터 또는 3상 교류 전류 유도 모터일 수 있다.
전기에너지 저장 유닛은 전기 발전기의 출력단과 병렬 연결된다. 전기에너지 저장 유닛은, 전기 모터의 전기에너지 수요가 전기 발전기로부터의 전기에너지 출력을 초과하는 경우, 일시적인 전기에너지 부족량을 보상하기에 충분한 전기에너지의 저장소를 제공하도록 구성되는 용량성 에너지 저장 셀을 포함한다. 전기에너지 저장 유닛은 하나 이상의 배터리를 포함할 수도 있다. 전기에너지 생성이 전기 모터의 전기에너지 수요를 초과하는 경우에는, 전기 발전기에 의해 전기에너지 저장 유닛이 충전될 수 있다. 전기에너지 저장 유닛의 충전은 일반적으로 기계적인 부하가 감소하는 조건 동안 일어난다.
전기 컨트롤러는 전기 발전기 및/또는 전기에너지 저장 유닛으로부터 전기 모터까지의 전기에너지의 흐름을 조절하도록 제공된다. 전기 레귤레이터는 전기에너지 저장 유닛으로 전달되고 그로부터 전달받는 전기에너지의 흐름을 조절하도록 제공된다. 전기 레귤레이터는 전기에너지 저장 유닛의 충전 및 방전의 비율을 제어한다. 전기 레귤레이터는 전기 발전기, 전기에너지 저장 유닛 또는 전기 컨트롤러의 회로에 도입될 수 있다.
사용되는 모터의 유형에 따라, 하이브리드 에너지 변환 시스템은 교류 전류를 3상 교류 전류 유도 모터에 제공하도록 구성되는 직류 전류-교류 전류 인버터를 포함할 수도 있다.
본 발명의 특징들과 이점들은 도면을 참조하여 이어지는 발명의 상세한 설명에 의해 명백해질 것이다. 가능하면 동일한 숫자 및 기호는 특징, 소자, 구성요소 또는 서브시스템 등을 표시하기 위해 사용된다. 점선 안에 도시된 구성요소는 추가적인 장치 또는 발명의 실시예를 도시하기 위해 사용된다. 청구항에 의해 이론적으로 정의되는 본 발명의 실시예의 진정한 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 변경 및 변형이 다양하게 수행될 수 있도록 의도된다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 일반화된 개략도를 도시한다.
도 1a는 예시적인 실시예에 따른 전기 발전기의 일반화된 개략도를 도시한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 차량 구현을 도시한다.
도 3a는 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 모터 보트 구현을 도시한다.
도 3b는 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 다른 모터 보트 구현을 도시한다.
도 4a는 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 정지 상태 구현을 도시한다.
도 4b는 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 다른 정지 상태 구현을 도시한다.
기계적인 부하가 달라지는 조건 하에서 일반적으로 균일한 회전 속도로 기계에너지를 출력하도록 구성되는 구동 엔진을 이용하는 하이브리드 에너지 변환 시스템이 기술된다. 기계에너지는 구동 엔진에 기계적으로 연결된 전기 발전기의 회전자를 회전시키기 위해 사용된다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 에너지 변환 시스템의 일반화된 개략도가 예시적인 실시예에 따라 도시된다. 실시예에서, 구동 엔진(5)은 전기 발전기(10)의 회전자(10b)에 기계적으로 연결되도록 도시된다. 구동 엔진(5)은 전기 발전기(10)의 회전자(10b)를 회전시키기 위해 사용된다. 전기 발전기(10)의 회전자(10b)를 회전시키기 위해 사용되는 구동 엔진(5)의 유형은 어떠한 유형이든 가능하다. 예를 들어, 증기기관, 전기 모터, 내연기관, 윈드 터빈, 터빈 엔진, 공압식 엔진, 또는 유체 봉입식 엔진이 특별한 설계 목적을 달성하기 위해 사용될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 전기 발전기(10)가 최대 출력 용량으로 동작하는 경우, 구동 엔진(5)은 일반적으로 일정한 회전 속도로 동작하도록 구성된다. 일반적인 4기통 4행정 내연 기관에서, 회전 속도는 일반적으로 약 3,000 rpm이다. 구동 엔진(5)의 실제 회전 속도는 다른 구동 엔진 유형의 동작을 수용 및/또는 최적화하기 위해 달라질 수 있다. 전기 발전기(10)의 회전자(10b)를 회전시키기 위해 사용되는 구동 엔진(5)을 선택하기 위해, 연료 소비, 엔진 듀티 사이클, 엔진 효율 및 원치 않는 연소 부산물의 생산의 최소화와 관련하여 해당되는 사항을 고려해야 한다.
전기 발전기(10)는 복수의 정지된 고정자 권선(10a) 및 회전자(10b)에 부착된 복수의 희토류 자석(10c)을 더 포함한다. 고정자 권선(10a)은 차량 추진을 구현하기 위해 사용되는 경우, 연속적으로 적어도 100 암페어(ampere)의 전류를 전달하도록 점증적으로 치수가 형성된다. 고정자 권선(10a)의 와이어게이지는 직류 전류보다 3상 교류 전류를 바탕으로 치수가 형성되기 때문에, 전기 발전기(10)의 전체 무게 및 비용은 감소한다.
희토류 자석(10c)은 회전자(10b)가 구동 엔진(5)에 의해 회전되는 경우, 전기 발전기(10)의 고정자 권선(10a) 내에 전기에너지의 흐름(전류 흐름)이 유도되도록 구성된다. 희토류 자석(10c)은 일반적으로 현대의 차량용 교류기에서 전자석을 형성하기 위해 사용되는 직류 전류 계자권선(field winding)을 대신한다. 이와 같이 희토류 자석(10c)의 사용으로 전기 발전기(10)가 자기-여기(self-exciting) 될 수 있다.
일 실시예에서, 유도된 전기에너지의 흐름은 내부적으로 발생되는 3상 교류 전류(AC)를 직류 전류(DC)로 변환하는 복수의 정류기에 의해 정류된다. 정류 장치는 현대의 교류기 설계와 동등하고, 차량 추진 구현을 위해 연속적으로 100 암페어를 출력하도록 치수가 결정된다. 전기 발전기 출력 전압은 일반적으로 100 내지 150 볼트(volt) DC 영역에 해당한다.
전기 발전기(10)로부터의 전기에너지 출력은 전기 컨트롤러(25)에 의해 조절된다. 전기 컨트롤러(25)는 기계적인 부하(45)를 구동하기 위해 사용되는 전기 모터(40)까지의 전기에너지의 흐름을 조절한다. 일 실시예에서, 스로틀(throttle)(30)은 전기 컨트롤러(25)에 전기적으로 연결된다. 스로틀(30)은 사용자가 전기 컨트롤러(25)로부터 전기 모터(40)까지의 전기에너지의 흐름을 제어할 수 있도록 구성된다. 스로틀(30)은 전기 모터(40)까지의 에너지의 흐름을 제어하도록 가스 페달, 레벨 또는 다이얼로 구성될 것이다. 상업적으로 제조된 적합한 컨트롤러는 Cloud Electric Vehicles, 204 Ellison St, Clarkesville, GA 30523(예컨대, Controller Curtis 1231C-8601), Kelly Controllers, www.kellycontroller.com(예컨대, kdh14650b); EV Source LLC, 695 West 1725 N, Logan, UT 84321(예컨대, Zilla Z1K)에서 제조한 제품으로 이용 가능하다. 상업적으로 제조되는 많은 전기 컨트롤러는 다양한 전기 컨트롤러 파라미터의 설정 및/또는 동작 중 다양한 컨트롤러 기능의 자동 제어를 가능하게 하는 컴퓨터 통신 인터페이스를 제공한다.
전기 모터(40)는 DC 직권 모터, 영구 자석 DC 모터 또는 3상 AC 유도 모터일 것이다. 차량 구현을 위해, 전기 모터는 100 내지 150 볼트 영역의 전압에서 동작한다. 3상 AC 유도 모터가 이용되는 실시예에서, 인버터(35)는 전기 발전기(10)로부터의 정류된 DC 전압 출력을 3상 AC로 변환하도록 제공된다. 상업적으로 제조된 적합한 컨트롤러는 Meric Mind Corporation, 9808 SE Derek Court, Happy Valley, OR 97086에서 제조한 제품으로 이용 가능하다. 3상 AC 유도 모터 이용의 한가지 이점은 차량 구현에서 회생 제동(regenerative braking)을 제공하는 것이다. AC 유도 전기 모터(40)는 차량 제동 중 추가적인 전기 발전기로서 작동한다. AC 유도 모터 사용의 다른 이점은 전기에너지를 전기 모터(40)로 전달하기 위해 필요한 와이어 게이지가 감소하는 것이다.
상업적으로 제조된 적합한 모터는 D&D Morot Systems, inc., 215 Park Avenue Syracuse, NY 13204(예를 들면, ES-31B, ES-63); Cloud Electric Vehicles, 204 Ellison St, Clarkesville, GA 30523(예를 들면, Advanced DC FB1-4001A); EV Source LLC, 695 West 1725 N, Logan UT 84321(예를 들면, TransWarp 9)에서 제조한 제품으로 이용 가능하다. 차량 구현을 위해서, 10 내지 100의 마력(HP)을 갖는 전기 모터(40)가 일반적으로 적합하다.
일 실시예에서, 전기에너지 저장 유닛(20)은 전기 발전기(10) 및 전기 모터(40)와 전기적으로 병렬로 연결된다. 전기에너지 저장 유닛(20)은 전기 발전기(10)의 전기에너지 출력 용량이 일시적으로 초과되는 경우, 전기 모터(40)에 추가적인 전기에너지를 공급한다. 레귤레이터(15)는 전기에너지 저장 유닛(20)으로부터의 전기 충전 및 방전을 조절하도록 전기에너지 저장 유닛(20)에 전기적으로 연결된다. 레귤레이터(15)는 전기 발전기(10), 전기에너지 저장 유닛(20) 또는 전기 레귤레이터(25)와 관련된 회로에 직접적으로 도입될 수 있다. 상업적으로 제조된 적합한 레귤레이터는 American Power Design, Inc., 3 Industrial Drive, Windham, NH 03087에서 제조한 제품으로 이용 가능하다.
일 실시예에서, 전기에너지 저장 유닛(20)은 용량성 저장장치(20a)로 구성된다. 다른 실시예에서, 전기에너지 저장 유닛(20)은 용량성 저장장치(20a)와 병렬로 연결된 배터리 저장장치(20b)를 더 포함한다. 적합하고 상업적으로 이용 가능한 전기에너지 저장 유닛은 Xstatic Corporation, LLC, 9540 West US 84, Newton, AL 36352(예를 들면, BATCAP 2000); Maxwell Technologies, 9244 Balboa Avenue San Diego, CA 92123(예를 들면, BoostCap HTM series)에 의해 제조된다. 모터 차량 구현을 위해, 전기에너지 저장 유닛(20)은 적어도 25 킬로와트의 피크값으로 전기에너지를 제공해야 한다.
일 실시예에서, 전기 발전기(10)는 100 내지 150 암페어의 연속적인 전류에서 100 내지 150 볼트의 출력(22.5 kW)이 발생된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 전기 발전기(10)의 사이즈는 기계적인 부하(45)에 의해 발생되는 예상 수요량에 의해 결정된다. 통상의 기술자는 하이브리드 전기에너지 변환 시스템에 포함되는 다양한 부품이 특별한 설계 목적을 만족하도록 사이즈가 조절될 수 있음을 인식할 것이다.
일 실시예에서, 희토류 자석(10c)은 네오디뮴 또는 사마륨으로 만들어지고 적어도 5000 가우스의 표면 자기장 세기를 생성한다. 희토류 자석(10c)은 패스너(fastener)를 사용하여 회전자에 부착된다. 희토류 자석(10c) 각각은 더 부서지기 쉬운 희토류 자석 합금을 보호하기 위해 오스테나이트계 피복재 또는 코팅을 포함할 것이다.
일 실시예에서, 열네 개의 희토류 자석(10c)이 회전자(10b)를 형성하는 샤프트 상에 방사상으로 그리고 균일하게 배치된다. 통상의 기술자는 희토류 자석(10c)의 수는 특별한 설계 목적을 수용하기 위해 달라질 수 있음을 인식할 것이다.
특별한 설계 목적을 만족시킬 필요가 있는 경우, 하나 이상의 추가적인 전기 발전기(10), 전기에너지 저장 유닛(20), 전기 컨트롤러(25) 및/또는 전기 모터(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 기본적인 하이브리드 에너지 변환 시스템에 병렬로 제공될 수 있다. 유사하게, 다수의 세트의 희토류 자석(10c)이 일반적인 회전자(10b) 및 다수의 병렬 고정자(10a)에 부착될 수 있는 전기 발전기(10)의 집단 구성은 특별한 설계 목적을 수용하도록 제공된다. 전기 발전기(10)의 집단 구성의 예가 도 1a에 도시된다. 통상의 기술자는 더 적거나 더 많은 회전자 및 고정자 조립체가 특별한 설계 목적을 수용하기 위해 제공될 수 있음을 인식할 것이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 에너지 변환 시스템의 차량 구현이 예시적인 실시예에 따라 도시되어 있다. 일 실시예에서는, 내연기관(5)이 전기 발전기(10)를 돌리기 위해 사용된다. 전기 발전기(10)로부터의 전기에너지 출력은 전기 컨트롤러(25)를 통해 공급된다. 전기에너지의 흐름은 가스 페달로 구성되는 스로틀(30)을 갖는 전기 컨트롤러(25)에 의해 조절된다. 가스 페달은 차량(200)의 운전자가 전기 모터(40)까지의 전기에너지의 흐름을 제어할 수 있게 한다. 내연기관(5)의 정격 마력은 최대의 기계적인 부하 조건 하에서 전기 발전기(10)의 회전자(10b)(도 1)를 회전시키기 위해 필요한 마력과 동일하거나 더 클 것이다.
이러한 차량의 실시예에서, 전기 모터(40)는, 전기 모터(40)에 의해 출력되는 기계에너지를 차량의 기계적인 부하(바퀴)(45)로 전달하는 변속기(205)에 기계적으로 연결된다. 변속기(205)는 표준 모터 차량의 수동 또는 자동 변속기 유형일 수 있다. 대안적으로, Toyota, Honda, Mazda, Ford, GMC, BMW 및 DaimlerChrysler에 의해 현재 제조되는 무단 변속기도 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 내연기관(5)은 다른 구동 엔진 유형으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 전기에너지 저장 유닛(20)을 유지시키기 위해 충전 전원이 공급되는 특정 차량 구현에는 전기 모터(미도시)가 사용될 수 있다. 이 예에서는, 전기에너지 저장 유닛(20)을 충전하고 유지하도록 태양전지판의 집합체가 제공될 수 있다.
전기에너지 저장 유닛(20)의 배치는 차량(200) 후미에 임의로 도시되어있다. 통상의 기술자는 하이브리드 에너지 변환 시스템 부품의 물리적 배치가 특별한 설계 목적을 충족시키기 위해 달라질 수 있음을 인식할 것이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 모터 보트 구현이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 내연기관(5)을 이용하는 하이브리드 에너지 변환 시스템은 일반적인 팬벨트(fan-belt) 장치를 통해 발전기(10)의 회전자(10b)를 회전시키기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 전기 발전기(10)로부터 출력되는 전기에너지는 전술한 바와 같이 전기 컨트롤러(25)를 통해 공급된다. 전기에너지의 흐름은 레버(30)로 구성되는 스로틀(30)을 갖는 전기 컨트롤러(25)에 의해 제어된다. 레버(30)는 모터 보트(300)의 운전자가 전기 모터(40)까지의 전기에너지의 흐름을 제어하게 하고, 따라서 모터보트의 속도를 제어할 수 있게 한다.
모터보트 실시예에서, 전기 모터(40)는, 전기 모터(40)에 의해 제공되는 기계에너지 출력을 기계적인 부하(45)로 전달하는 변속기(305)에 기계적으로 연결된다. 도 3a에서 기계적인 부하(45)는 모터 보트(300)를 나아가게 하기 위해 사용되는 프로펠러이다. 도 3b에서 기계적인 부하(45)는 고압 워터제트(water jet)의 방출에 의해 모터 보드(300)를 나아가게 하는 제트 스러스트(jet thrust)이다. 통상의 기술자는, 프로펠러(45)(도 3a) 또는 제트 드라이브(45)(도 3b)를 구동하는 샤프트에 전기 모터(40)가 직접적으로 연결되는 직접적인 구동 구현에서, 변속기(305)가 선택적으로 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 에너지 변환 시스템의 정지 상태 구현을 도시하고 있다. 도 1에 도시된 하이브리드 에너지 변환 시스템의 주요 부품(예를 들면, 전기에너지 저장 유닛(20), 전기 컨트롤러(35), 전기 모터(40))은 블록(100) 내에 포함되어 있다고 가정한다.
일 실시예에서, 구동 엔진(5)은 터빈 엔진으로 구성된다. 터빈 엔진은 기계적인 부하(45)를 구동하기 위해 필요한 기계에너지가 일반적으로 일정하게 유지되는 실시예, 예컨대 펌핑 및/또는 관개(irrigation)에 관한 실시예에 적합한 것으로 고려된다. 도 4b에서는, 윈드 터빈이 전기 발전기(10)의 회전자(10b)를 회전시키는 구동 엔진(5)으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 변속기(405)는 윈드 터빈(5)에 의해 생성되는 기계에너지를 전기 발전기(10)로 전달하기 위해 사용될 것이다. 대안적으로, 윈드 터빈(5)은 전기 발전기(10)의 회전자(10b)를 회전시키기 위해 사용되는 모터-발전기 세트(미도시)에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 예시적인 실시예는 예 및 설명으로서 제공된다. 본 발명의 다양하고 신규한 실시에는 전술한 실시예에 설명된 어느 특정한 형태 및 구조로 제한되지 않는다. 특히, 기능적인 구현은 전기 발전기(10), 레귤레이터(15), 전기에너지 저장 유닛(20)(도 1), 전기 컨트롤러(25)(도 1), 또는 전기 모터(40)(도 1)를 포함하는 하이브리드 에너지 변환 시스템의 호환가능한 타입의 구성요소를 사용하여 수행될 수 있다. 특별한 설계 목적을 달성하기 위해 사용되는 특정 구성요소의 배치, 특정 타입의 구성요소의 배치 또는 구성요소의 수는 특별히 제한되지 않는다. 상기에 언급된 내용에 비추어 다른 변화 및 다른 실시예가 가능하며, 본 발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예의 범위를 제한하지 않으며, 오히려 본 발명의 실시예의 범위는 이어지는 청구항에 의해 결정된다.
5: 구동 엔진 10: 전기 발전기
10a: 고정자 권선 10b: 회전자
10c: 희토류 자석 15: 레귤레이터
20: 전기에너지 저장 유닛 25: 전기 컨트롤러
30: 스로틀 35: 인버터
40: 전기 모터 45: 기계적인 부하
205, 305: 변속기

Claims (20)

  1. 기계적인 부하가 달라지는 조건 하에서 일반적으로 균일한 회전 속도로 기계에너지를 출력하도록 구성되는 구동 엔진;
    상기 구동 엔진에 기계적으로 연결되는 전기 발전기로서, 상기 전기 발전기는 상기 전기 발전기의 회전자에 부착되는 복수의 희토류 자석을 포함하고, 상기 복수의 희토류 자석은, 상기 회전자가 상기 구동 엔진에 의해 회전되는 경우, 일반적으로 균일한 기계적인 부하 하에서 동작하는 전기 모터에 동력을 공급하기에 충분한 전기에너지의 흐름을, 상기 전기 발전기의 고정자 내에 유도하도록 구성되는 전기 발전기;
    상기 전기 발전기의 출력단과 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 전기 발전기로부터의 전기에너지 출력의 부족량 중 적어도 일부를 보상하기에 충분한 전기에너지 저장 용량을 제공하도록 구성되는 용량성 에너지 저장 셀을 갖는 전기에너지 저장 유닛; 및
    상기 전기에너지 저장 유닛 및 상기 전기 발전기의 출력단과 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 전기 모터까지의 전기에너지의 흐름을 제어하도록 구성되는 전기 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동 엔진은 증기기관, 전기 모터, 내연기관, 윈드 터빈, 터빈 엔진, 공압식 엔진 및 유체 봉입식 엔진으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 희토류 자석은 네오디뮴(neodymium) 또는 사마륨(samarium)의 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 저장 유닛은 하나 이상의 배터리 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장 유닛은, 기계적인 부하가 감소하는 조건 동안, 상기 전기 발전기에 의해 생성된 전기에너지의 초과량을 사용하여 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장 유닛으로 전달되고 그로부터 전달받는 전기에너지의 흐름을 조절하기 위한 전기 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전기 레귤레이터는, 상기 기계적인 부하의 조건 변화에 따라 상기 전기에너지 저장 유닛으로 전달되고 그로부터 전달받는 전기에너지의 충전 및 방전 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 모터는 직류 전류 직권(series wound) 모터, 영구 자석 직류 전류 모터 및 3상 교류 전류 유도 모터로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 3상 교류 전류 유도 모터를 위해 충분한 전기에너지를 제공하도록 구성되는 직류 전류-교류 전류 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전기에너지 발전기는 적어도 10 킬로와트(kilowatt)의 전기에너지 출력용량을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 희토류 자석 각각은 적어도 5,000 가우스(gauss)의 표면 전계를 생성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  12. 기계적인 부하가 달라지는 조건 하에서 일반적으로 일정한 회전 속도로 기계에너지를 출력하도록 구성되는 내연기관;
    상기 내연기관에 기계적으로 연결되는 전기 발전기로서, 상기 전기 발전기는 상기 전기 발전기의 회전자에 부착되는 복수의 희토류 자석을 포함하고, 상기 복수의 희토류 자석은, 상기 회전자가 상기 내연기관에 의해 회전되는 경우, 일반적으로 일정한 기계적인 부하 조건 하에서 동작하는 전기 모터에 동력을 공급하기에 충분한 전기에너지의 흐름을, 상기 전기 발전기의 고정자 내에 유도하도록 구성되는 전기 발전기;
    상기 전기 발전기의 출력단과 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 전기 모터의 기계적인 부하가 달라지는 조건에 있는 경우, 상기 전기 발전기로부터의 전기에너지 출력의 부족량 중 적어도 일부를 보상하기에 충분한 전기 저장용량을 제공하도록 구성되는 용량성 에너지 저장 셀을 갖는 전기에너지 저장 유닛; 및
    상기 전기에너지 저장 유닛 및 상기 전기 발전기의 출력단과 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 전기 모터까지의 전기에너지의 흐름을 제어하도록 구성되는 전기 컨트롤러를 포함하고,
    상기 전기 모터는 기계적인 부하에 기계에너지를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 기계적인 부하는 바퀴, 프로펠러 또는 제트 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 기계적인 부하는 변속기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장 유닛은 적어도 25 킬로와트의 피크값으로 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 전기 모터는 적어도 20 마력으로 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  17. 기계적인 부하가 달라지는 조건 하에서 일반적으로 일정한 회전 속도로 기계에너지를 출력하도록 구성되는 내연기관;
    상기 내연기관에 기계적으로 연결되는 전기 발전기로서, 상기 전기 발전기는 상기 전기 발전기의 회전자에 부착되는 복수의 네오디뮴 합금 자석을 포함하고, 상기 복수의 네오디뮴 합금 자석은, 상기 회전자가 상기 내연기관에 의해 회전되는 경우, 일반적으로 일정한 기계적인 부하 조건 하에서 동작하는 전기 모터에 동력을 공급하기에 충분한 전기에너지의 흐름을, 상기 전기 발전기의 고정자 내에 유도하도록 구성되는 전기 발전기;
    상기 전기 발전기의 출력단과 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 전기 모터의 기계적인 부하가 달라지는 조건에 있는 경우, 상기 전기 발전기로부터의 전기에너지 출력의 부족량 중 적어도 일부를 보상하기에 충분한 전기 저장 용량을 제공하도록 구성되는 용량성 에너지 저장 셀을 갖는 전기에너지 저장 유닛;
    상기 전기에너지 저장 유닛 및 상기 전기 발전기의 출력단과 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 전기 모터까지의 전기에너지의 흐름을 제어하도록 구성되는 전기 컨트롤러; 및
    상기 전기 모터에 기계적으로 연결되고, 상기 전기 모터로부터 적어도 하나의 차량 바퀴까지 기계적인 출력을 전달하도록 구성되는 변속기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 전기 발전기는 적어도 열네 개의 네오디뮴 또는 사마륨 합금 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 전기 모터는 직류 전류 직권 모터, 영구 자석 직류 전류 모터 및 3상 교류 전류 유도 모터로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장 유닛은 적어도 25 킬로와트의 피크값으로 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 변환 시스템.
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