KR20120058626A - 전기 구동 샤프트와 이 전기 구동 샤프트를 포함하는 운송 수단 - Google Patents

전기 구동 샤프트와 이 전기 구동 샤프트를 포함하는 운송 수단 Download PDF

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라이너 하르티히
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 가변 진폭 가변 주파수 전압을 생성하기 위한 하나 이상의 속도 가변형 발전기(11)와, 상기 전압을 공급받는 속도 가변형 구동 모터(12)를 포함하는 전기 구동 샤프트(10)에 관한 것으로, 본원의 전기 구동 샤프트에서는 발전기(11)가 초전도체 권선, 특히 고온 초전도체(HTS) 권선을 포함함으로써, 부하 충격 시 전압에 미치는 영향과 그에 따라 전압을 안정화하기 위한 제어의 복잡성이 감소될 수 있다.

Description

전기 구동 샤프트와 이 전기 구동 샤프트를 포함하는 운송 수단{ELECTRIC DRIVE SHAFT AND VEHICLE COMPRISING SUCH AN ELECTRIC DRIVE SHAFT}
본 발명은 특허 청구항 제1항의 전제부에 따른 전기 구동 샤프트뿐 아니라 특허 청구항 제7항에 따른 상기 유형의 전기 구동 샤프트를 포함하는 운송 수단에 관한 것이다.
선박(예: 완전 전기 선박)의 전기 구동 시스템은 통상적으로 각각의 추진 유닛(예: 프로펠러)을 구동하기 위한 하나 이상의 전기 구동 모터를 포함하며, 이들 전기 구동 모터는 각각의 인버터를 통해서 선박의 전기 회로망(종종 "추진 회로망"으로도 지칭됨)으로부터 전기를 공급받는다. 전기 회로망은 다시 하나 이상의 디젤 발전기로부터 전기를 공급받는다. 이 경우 전기 회로망은 고정되어 사전 설정된 진폭 및 주파수를 갖는 전압, 예컨대 60Hz의 정격 주파수 조건에서 6.6kV의 정격 전압을 갖는 중압(medium voltage)을 보유한다. 경우에 따라 인버터와 회로망 사이에 추가로 변압기가 접속된다. 인버터는 (경우에 따라 강하된) 정격 전압을, 구동 모터들의 작동을 위해 필요하고 정격 전압과 다른 진폭 및 주파수를 갖는 전압으로 변환한다.
선박 내의 저전압 부하 장치(low-voltage load device)(예: 항해 및 제어 장치, 스피커 시스템, 조명 장치)는, 통상적으로 50Hz의 정격 주파수 조건에서 400V의 정격 전압, 또는 60Hz의 정격 주파수 조건에서 440V의 정격 전압을 갖는 독립된 선박 전기 시스템에 의해 전기를 공급받는다. 선박 전기 시스템은 추진 회로망과 독립되어 자체의 전기 시스템 발전기들로부터 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 대체되는 방식으로 선박 전기 시스템은 선박 전기 시스템 인버터를 통해 추진 회로망으로부터 전기를 공급받을 수도 있다. 선박 전기 시스템 인버터는 추진 회로망의 전압을 선박 전기 시스템의 진폭 및 주파수를 갖는 전압으로 변환한다.
상기 해결 방법의 큰 장점은, 인버터가 상응하게 크게 설계된 경우, [예컨대 격랑(heavy sea) 상태에서 프로펠러가 수면 위로 노출되었다가 다시 수중으로 잠길 때] 부하 충격(load shock)으로 인한 추진 회로망에 대한 영향이 상기 인버터에 의해서 방지될 수 있다는 점에 있다. 그러나 수많은 또 다른 장점 외에도, 상기 구동 컨셉은, 상응하는 공간 수요 및 비용을 수반하는, 추진 회로망 내에서의 전압 변환을 위한 더 많은 개수의 인버터를 필요로 한다는 단점이 있다.
상기 유형의 인버터 없이도 그런대로 작동이 이루어지는 공지된 전기 구동 해결 방법 중 하나로, 중간에 접속되는 인버터 없이 발전기들과 구동 모터들을 서로 연결하는 방법이 있다. 상기 유형의 구동 해결 방법의 경우, 하나 이상의 속도 가변형 구동 모터는 중간에 접속되는 인버터 없이 직접, 하나 이상의 속도 가변형 발전기에 의해 생성되고 "가변 진폭 가변 주파수 전압"으로 작동된다.
그러므로 모터 및 그와 더불어 추진 유닛의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어는 발전기를 구동하기 위한 내연기관의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어에 의해 간접적으로 이루어진다. 이때, 구동 모터는 발전기와 견고하게 전기 연결되며, 다시 말하면 발전기의 회전 운동은 전기 구동 모터의 상응하는 비례 회전 운동을 야기한다. 그에 따라 기계식 샤프트의 기능이 전기 기계에 의해 재현된다. 상기 유형의 구동 해결 방법은 종종 "전기 샤프트"로서 지칭된다.
또한, 선박 전기 시스템 인버터를 통해 전기 샤프트로부터 전기 에너지를 분리하는 점도 공지되었다. 다시 말하면 선박 전기 시스템 인버터가 발전기(들)에 의해 생성되고 가변 진폭 가변 주파수 전압을 선박 전기 시스템을 위한 "정진폭 정주파 전압"으로 변환한다.
그러나 여기서 문제점은, 추진 회로망 내 부하 충격이 전기 샤프트에, 그에 따라 선박 전기 시스템 인버터에 전압 및 주파수 변동으로서 직접적으로 영향을 미치는 점에 있다. 그 결과로 한편으로 구동 모터들 또는 추진 유닛의 속도(또는 전압 및 주파수)를 안정화하기 위해 전기 샤프트의 복잡한 제어가 필요하게 된다. 다른 한편으로 이는 선박 전기 시스템 전압의 허용되지 않는 변동을 야기할 수 있다. 따라서 선박 전기 시스템 변압기는 상기 허용되지 않는 변동에 대해 안전 차단으로 반응함으로써 선박 전기 시스템의 가용성이 감소되거나, 상기 선박 전기 시스템 변압기가 부하 충격에 의해 야기되는 추진 회로망 변동을 보상할 수 있는 방식으로 대형화되어야 한다.
본 발명의 목적은 전술한 단점들이 방지될 수 있게 하는 전기 구동 샤프트를 제공하는 것이다.
상기 목적의 해결 방법은 특허 청구항 제1항에 따른 전기 구동 샤프트에 의해 달성된다. 전기 구동 샤프트의 바람직한 구현예들은 특허 청구항 제2항 내지 제6항의 대상이다. 상기 유형의 전기 구동 샤프트를 장착한 운송 수단, 특히 선박은 특허 청구항 제7항의 대상이다. 운송 수단의 바람직한 구현예들은 특허 청구항 제8항 및 제9항의 대상이다.
본 발명에 따른 전기 구동 샤프트는 가변 진폭 가변 주파수 전압을 생성하기 위한 하나 이상의 속도 가변형 발전기와 상기 전압을 공급받는 하나 이상의 속도 가변형 구동 모터를 포함한다. 그 외에도 하나 이상의 발전기는 초전도체 권선, 특히 고온 초전도체(HTS) 권선을 포함한다. 초전도체 권선은 발전기의 스테이터 권선일 수 있거나, 회전 로터 권선일 수 있다.
초전도체 권선을 포함하는 발전기는 통상적으로 초전도체 권선을 포함하지 않은 종래의 발전기에 비해서 로터와 스테이터 사이에 훨씬 더 큰 자기 에어 갭을 포함한다. 이에 대한 원인은 특히, 초전도체가 진공 저온 유지 장치 또는 유사한 냉각 장치에 의해 냉각되며 이 장치의 벽부가 에어 갭 내에서 연장되는 데 있다. 상대적으로 큰 자기 에어 갭에 의해서는, 발전기가 종래의 발전기보다 훨씬 낮은 동기 리액턴스를 나타낸다. 그 결과로, 전기 출력이 동일할 때 HTS 발전기는 종래의 발전기에 비해서 확실히 더 안정적인 전류-전압 특성 곡선을 갖는다. 그럼으로써 부하 급증 또는 부하 충격 시에 발전기에 의해 생성된 전압의 강하는 발생하지 않게 된다. 그럼으로써 전기 샤프트 내 전압 및 주파수 변동은 감소될 수 있다. 그에 따라 추진 회로망의 전압 및 구동 모터 또는 추진 유닛의 속도를 안정화하기 위한 전기 샤프트의 복잡한 제어가 불필요하게 된다.
하나 이상의 구동 모터가 초전도체 권선, 특히 고온 초전도체(HTS) 권선을 포함하여도, 상기 구동 모터는 작은 제조 규격에서도 매우 높은 출력 및 토크를 갖는 방식으로 형성될 수 있으며, 이런 점은 특히 빙해 지역에서 선박을 이용하기 위해 중요하다.
초전도체 권선은 회전하는 로터 권선인 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 로터 권선의 경우 냉각할 표면이 초전도체 스테이터 권선에서보다 더 작게 유지될 수 있기 때문이다.
특히 바람직하게는, 전기 구동 샤프트가 하나 이상의 선박 전기 시스템 인버터를 포함하며, 상기 선박 전기 시스템 인버터는 속도 가변형 발전기에 의해 생성되고 가변 진폭 가변 주파수 전압을 공급받으며, 상기 전압을 선박 전기 시스템을 위한 정진폭 정주파 전압으로 변환한다. 또한, 발전기(들)의 특성 곡선의 안정성을 바탕으로 전기 샤프트에서 전압 및 주파수 변동을 방지하는 것을 통해, 선박 전기 시스템 인버터에 의해 생성되는 전압의 허용되지 않는 변동과, 그에 따른 선박 전기 시스템 인버터의 안전 차단 또는 선박 전기 시스템 인버터의 대형화가 방지될 수 있다.
또한, 가변 진폭 및 가변 주파수를 갖는 각각의 전압을 생성하기 위한 속도 가변형 발전기가 복수 개 제공되는 경우, 전기 샤프트는 발전기들에 의해 생성된 전압의 진폭, 주파수 및 위상을 동기화하기 위한 발전기-동기화 장치를 포함한다.
추가의 바람직한 구현예에 따라, 전기 구동 샤프트는, 하나 이상의 발전기에 의해 생성되는 전압이 사전 설정된 최소 진폭 및 최소 주파수를 초과하면, 선박 전기 시스템의 전압의 진폭, 주파수 및 위상으로 선박 전기 시스템 인버터의 출력 전압의 진폭, 주파수 및 위상을 동기화하기 위한 선박 전기 시스템 동기화 장치도 포함한다.
본 발명에 따른 운송 수단, 특히 예컨대 쇄빙선이나 빙해 항해 선박과 같은 선박은 운송 수단을 구동하기 위한 앞서 설명한 전기 구동 샤프트를 구비한 하나 이상의 동력 전달 계통(power train)과, 운송 수단 내 전기 부하 장치들에 전기를 공급하기 위한 선박 전기 시스템을 포함한다.
또한, 전기 샤프트가 전원 차단된 상태로 항구에서 선박 전기 시스템에 전압을 공급하는 경우, 불변 진폭 및 주파수를 갖는 전압을 선박 전기 시스템에 공급하기 위해, 추가의 항내 발전기(harbor generator), 바람직하게는 후위 접속된 인버터가 제공될 수도 있다.
특히 바람직한 한 구현예에 따라, 운송 수단은 구동 모터와 연결되며 자체의 동력 출력과 관련하여 가변적인 추진 유닛, 특히 가변 피치 프로펠러를 포함하며, 이때 하나 이상의 발전기에 의해 생성된 전압이 사전 설정된 최소 진폭 및 최소 주파수를 하회하면 추진 유닛은 제로 추력(zero thrust)으로 조정될 수 있다.
본 발명 및 종속항들의 특징들에 따른 본 발명의 추가의 바람직한 구현예들은 하기에서 도면들에 도시된 실시예들에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 구동 샤프트를 장착한 선박을 도시한 개략도이다.
도 2는 부하 급증 시 HTS 발전기의 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 1에는 선박을 구동하기 위한 2개의 동력 전달 계통(2)과 선박 내 전기 부하 장치들에 전기를 공급하기 위한 선박 전기 시스템(3)을 포함하는 선박(1), 예컨대 쇄빙선이 도시되어 있다. 동력 전달 계통들(2) 각각은 전기 구동 샤프트(10)를 포함하며, 이 전기 구동 샤프트는 복수의 속도 가변형 추진 회로망 발전기(11) 및 전기 추진 모터(12)를 포함한다. 발전기들(11) 각각은 각각 하나의 내연기관(13), 예컨대 디젤 엔진에 의해 구동된다. 추진 모터(12)와는 가변 피치 프로펠러(14) 형태의 추진 유닛이 기계적으로 연결된다. 발전기(11)와 이 발전기를 구동하는 내연기관(13) 사이, 그리고 가변 피치 프로펠러(14)와 이 가변 피치 프로펠러를 구동하는 추진 모터(12) 사이에는 추가로 기계식 변속기가 더 연결될 수 있다.
추진 모터(12)는 중간에 접속된 인버터 없이 발전기들(11)에 의해 생성되고 가변 진폭 가변 주파수 전압으로 작동된다. 그럼으로써 추진 모터(12)와 그에 따른 가변 피치 프로펠러(14)의 속도의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어는 발전기들(11)을 구동하기 위한 내연기관(13)의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어에 의해 간접적으로 이루어진다. 그에 따라 내연기관(13) 또는 발전기들(11)의 회전 운동은 그에 상응하게 비례하는 추진 모터(12)의 회전 운동을 야기한다. 그에 따라 기계식 샤프트의 기능이 전기 기계에 의해 재현된다.
전기 구동 샤프트(10)의 발전기들(11)에 의해 생성되고 가변 진폭 가변 주파수 전압에 의해서는 추가로 각각의 선박 전기 시스템 인버터(15)가 작동되며, 이 선박 전기 시스템 인버터는 상기 가변 전압을 선박 전기 시스템(3)을 위한 정진폭 정주파 전압으로 변환한다. 선박 전기 시스템(3)으로부터는 상세하게 도시되어 있지 않은 선박의 저압 부하 장치들(예: 항해 및 제어 장치, 스피커 시스템, 조명 장치)에 전기가 공급된다. 선박 전기 시스템(3)은 통상적으로 50Hz의 정격 주파수 조건에서 400V의 정격 전압을 갖거나, 60Hz의 조건에서 440V를 갖는다.
마찬가지로 내연기관(13)에 의해 구동되는 추가의 항내 발전기(16)는, 바람직하게는 상세하게 도시되어 있지 않은, 후위 접속된 인버터를 통해서, 전기 샤프트(10)가 전원 차단된 상태에서, 예컨대 선박이 항구에 정박해 있으면서 구동 출력을 필요로 하지 않을 때, 정진폭 정주파 전압을 선박 전기 시스템(3)에 공급하는 역할을 한다.
이 경우, 발전기들(11)은 회전하는 HTS 계자 권선(즉, 로터 내 HTS 권선)을 포함하는 동기 기계로서 형성된다. 상기 유형의 기계는 낮은 동기 리액턴스 및 그로 인한 자체 전류-전압 특성 곡선에서의 높은 안정성을 나타낸다. 이에 대한 예시로서 도 2에는 영(0)에서 380kW로 이루어지는 완전 부하 급증의 경우 400kW의 출력을 가지면서 회전하는 HTS 계자 권선을 구비한 동기 발전기의 특성 곡선이 도시되어 있다. 상기 유형의 기계는 예컨대 직축 동기 리액턴스(xd = 0.15)를 갖는다. 전류 곡선(I) 및 전압 곡선(U)의 파형으로부터 알 수 있듯이, 시점(tz)에 부하가 접속될 때 전압(U)은 강하되지 않는다. 이는 극한의 부하 변동 하에서도 상기 유형의 기계의 작동 거동이 극히 안정적임을 보여준다.
그에 따라 선박(1)의 경우, [예컨대 격랑의 상태에서 프로펠러(14)의 수면 위 노출과 수중 잠김에 의해 야기되는 것과 같은] 프로펠러 측의 부하 충격 시 선박 전기 시스템 인버터들(15)과 관련하여 그 입력 전압에 대한 어떠한 영향도 감지되지 않는다. 그에 따라 선박 전기 시스템 인버터들(15)은 동력 전달 계통들(2)에서 HTS 권선을 포함하지 않은 종래의 동기 기계들을 발전기들로서 이용하는 경우에 훨씬 더 작은 동적 저장 공간을 구비하여 구성될 수 있다. 또한, 동력 전달 계통들(2)에서는 각각의 추진 모터(12) 또는 프로펠러(14)의 속도(또는 전압 및 주파수)를 안정화하기 위한 복잡한 제어가 배제될 수 있다.
바람직하게는, 추진 모터들(12)도 회전하는 HTS 계자 권선(즉, 로터 내 HTS 권선)을 포함하는 고 출력 및 고 토크의 동기 기계로서 형성된다.
이 경우, 전기 구동 샤프트들(10) 각각은 발전기들(11)에 의해 생성된 전압의 진폭, 주파수 및 위상을 동기화하기 위한 발전기 동기화 장치(20)를 추가로 더 포함한다.
또한, 선박 전기 시스템 인버터들(15) 각각에는, 각각의 전기 샤프트(10)의 발전기들(11)에 의해 생성된 전압이 사전 설정된 최소 진폭 및 최소 주파수를 초과하면, 선박 전기 시스템(3)의 전압의 진폭, 주파수 및 위상으로 선박 전기 시스템 인버터(15)의 출력 전압의 진폭, 주파수 및 위상을 동기화하기 위한 선박 전기 시스템 동기화 장치(21)가 할당된다.
바람직하게는 가변 피치 프로펠러들(14) 각각은, 할당된 전기 샤프트(10)의 발전기들(11)에 의해 생성되는 전압이 사전 설정된 최소 진폭 및 최소 주파수를 하회하면, 제로 추력(즉, 추력 없음)으로 조정될 수 있는 방식으로 형성된다. 그럼으로써 발전기 출력의 감소 시에도 선박 전기 시스템(3)에 대한 가능한 한 오랜 전기 공급이 보장된다. 제로 추력을 조정하는 또 다른 가능성 중 하나로, 클러치를 통해 프로펠러(14)를 제로 추력으로 전환할 수도 있다.
항구에서 전기 샤프트들(10)이 전원 차단된 경우 선박 전기 시스템(3)은 항내 발전기(16) 대신에 배터리나 연료 전지에 의해 전기를 공급받을 수도 있다.

Claims (9)

  1. 가변 진폭 가변 주파수 전압을 생성하기 위한 하나 이상의 속도 가변형 발전기(11)와,
    상기 전압을 공급받는 하나 이상의 속도 가변형 구동 모터(12)를 포함하는 전기 구동 샤프트(10)에 있어서,
    상기 발전기(11)는 초전도체 권선, 특히 고온 초전도체(HTS) 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 구동 샤프트(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 구동 모터(12)도 마찬가지로 초전도체 권선, 특히 고온 초전도체(HTS) 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 구동 샤프트(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초전도체 권선은 회전하는 계자 권선인 것을 특징으로 하는, 전기 구동 샤프트(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가변 진폭 가변 주파수 전압을 공급받으며, 상기 전압을 선박 전기 시스템(3)을 위한 정진폭 정주파 전압으로 변환하는 선박 전기 시스템 인버터(15)를 특징으로 하는, 전기 구동 샤프트(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가변 진폭 가변 주파수 전압을 생성하기 위한 복수의 속도 가변형 발전기(11)와, 이들 발전기(11)에 의해 생성된 전압의 진폭, 주파수 및 위상을 동기화하기 위한 발전기 동기화 장치(20)를 특징으로 하는, 전기 구동 샤프트(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 발전기(11)에 의해 생성된 전압이 사전 설정된 최소 진폭 및 최소 주파수를 초과하면, 상기 선박 전기 시스템(3)의 전압의 진폭, 주파수 및 위상으로 상기 선박 전기 시스템 인버터(15)의 출력 전압의 진폭, 주파수 및 위상을 동기화하기 위한 선박 전기 시스템 동기화 장치(21)를 특징으로 하는, 전기 구동 샤프트(10).
  7. 운송 수단(1), 특히 선박이며,
    운송 수단(1)을 구동하기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 전기 구동 샤프트(10)를 구비한 하나 이상의 동력 전달 계통(2)과, 상기 운송 수단(1) 내의 전기 부하 장치들에 전기를 공급하기 위한 선박 전기 시스템(3)을 포함하는, 운송 수단(1).
  8. 제7항에 있어서, 전기 샤프트(10)가 전원 차단된 상태에서 정진폭 정주파 전압을 상기 선박 전기 시스템(3)에 공급하기 위한 추가의 선박 전기 시스템 발전기(16)를 특징으로 하는, 운송 수단(1).
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 운송 수단은 구동 모터(12)와 연결되며 그 동력 출력과 관련하여 가변적인 추진 유닛(14), 특히 가변 피치 프로펠러를 포함하며, 이때 하나 이상의 발전기(11)에 의해 생성된 전압이 사전 설정된 최소 진폭 및 최소 주파수를 하회하면, 상기 추진 유닛(14)은 제로 추력으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 운송 수단(1).
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