KR20170116719A

KR20170116719A - 고효율 하이브리드 추진시스템

Info

Publication number: KR20170116719A
Application number: KR1020160044641A
Authority: KR
Inventors: 원준희
Original assignee: 주식회사 엘지엠
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-20

Abstract

고효율 하이브리드 추진시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 하이브리드 추진시스템은, 선체; 및 선체에 결합되는 프로펠러를 회전시켜 선체를 추진시키는 하이브리드 추진장치를 포함하며, 하이브리드 추진장치는, 프로펠러와 연결되는 추력축이 관통하여 통과되는 형태로 추력축에 결합되며, 전기에 의해 구동되면서 추력축에 회전동력을 제공하는 전기모터; 전기모터와는 이격된 위치에서 추력축과 연결되며, 내연기관용 연료에 의해 구동되면서 추력축에 회전동력을 제공하는 내연기관 엔진; 및 추력축, 전기모터 및 내연기관 엔진과 연결되며, 전기모터로부터 추력축으로 제공되는 회전동력과 내연기관 엔진으로부터 추력축으로 제공되는 회전동력을 선택적으로 전환시키는 회전동력 전환유닛을 포함한다.

Description

고효율 하이브리드 추진시스템{Driving system with hybrid}

본 발명은, 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전기모터의 동력과 내연기관의 동력을 추진 동력으로 선택 적용할 수 있는 고효율 하이브리드 추진시스템에 관한 것이다.

최근 유가 상승과 더불어 배출가스에 대한 엄격한 규제에 따라 선박 분야에서도 전기모터 추진 또는 하이브리드 추진에 대한 관심이 점차 높아지고 있다.

이에 따라, 선박의 전기모터 추진 비율도 점차 높아지고 있으며, 실제 특수선의 경우 전기모터로 추진을 하고 있다.

그러나, 기존에 제작되어 현재 사용되고 있는 선박(이하 '기존선'이라 함)의 경우에는 내연기관 엔진에 의해 추진되는 것이 대부분으로, 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격한 항해 구간에서는 그 사용이 점차 어려워지고 있는 것이 현실이다.

이는 기존선에서의 추진에 사용되는 내연기관 엔진으로서는 배출가스에 대한 규제가 엄격한 항해 구간에서의 환경 규제를 만족시킬 수 없는 경우가 있기 때문으로, 이를 해결하기 위해서는 내연기관 엔진 자체를 아예 전기모터로 교체하거나 아니면 기존 내연기관 엔진에 전기모터를 추가적으로 탑재하여 개조하는 일명 하이브리드식 엔진으로 개조해야 하는데, 교체 혹은 개조 비용이 만만치 않다.

이에 대하여 보다 상세히 설명하면, 기존선의 모든 내연기관 엔진을 전기모터로 교체하는 것은 기술적으로 어려움이 적지 않고 비용적으로도 큰 손실이 아닐 수 없으며, 내연기관 엔진 외에 전기모터를 추가 탑재하여 하이브리드 엔진을 구현하는 종래 기술에 있어서는 구조가 복잡하거나 설치 공간이 증가하는 문제점이 있다.

따라서 배출가스에 대한 환경 규제의 정도에 따라 내연기관 엔진과 전기모터를 선택하여 사용할 수 있으며,특히 기존선의 내연기관 엔진 외에 전기모터를 추가적으로 탑재하여 하이브리드 엔진으로 개조하려는 경우에도 개조가 용이하고 그 설치 공간도 대폭 늘어나지 않도록 하는 새로운 구조의 하이브리드 추진장치의 개발이 필요한 실정이다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격한 항해 구간에는 전기모터의 동력으로 추진하고, 환경 규제가 없는 지역에서는 내연기관 엔진의 동력으로 추진할 수 있는 등 추진 동력을 선택할 수 있으며, 특히 단순한 구조를 가지기 때문에 효율적으로 설치할 수 있고 내연기관 엔진을 갖는 기존선에 적용 시 개조가 용이한, 고효율 하이브리드 추진시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선체; 및 상기 선체에 결합되는 프로펠러를 회전시켜 상기 선체를 추진시키는하이브리드 추진장치를 포함하며, 상기 하이브리드 추진장치는, 상기 프로펠러와 연결되는 추력축이 관통하여 통과되는 형태로 상기 추력축에 결합되며, 전기에 의해 구동되면서 상기 추력축에 회전동력을 제공하는 전기모터; 상기 전기모터와는 이격된 위치에서 상기 추력축과 연결되며, 내연기관용 연료에 의해 구동되면서 상기 추력축에 회전동력을 제공하는 내연기관 엔진; 및 상기 추력축, 상기 전기모터 및 상기 내연기관 엔진과 연결되며, 상기 전기모터로부터 상기 추력축으로 제공되는 회전동력과 상기 내연기관 엔진으로부터 상기 추력축으로 제공되는 회전동력을 선택적으로 전환시키는 회전동력 전환유닛을 포함하는, 고효율 하이브리드 추진시스템이 제공될 수 있다.

상기 전기모터는, 외관을 형성하며, 상기 선체에 부분적으로 결합되는 모터 하우징; 상기 모터 하우징의 내부에 마련되는 모터 권선형 고정자; 상기 모터 권선형 고정자의 반경 방향 내측에 마련되어 상기 모터 권선형 고정자와의 상호 작용에 의한 전자기유도에 의해 회전되는 모터 영구자석 회전자; 및 상기 추력축이 통과되는 중공홀이 상기 추력축의 길이 방향을 따라 중앙 영역에 형성되며, 상기 모터 영구자석 회전자의 반경 방향 내측에서 상기 모터 영구자석 회전자와 연결되어 상기 모터 영구자석 회전자와 동회전되는 모터 중공 회전축부를 포함할 수 있다.

상기 모터 중공 회전축부와, 상기 내연기관 엔진에 연결된 내연기관 엔진축부는 동축상에 배치될 수 있다.

상기 전기모터는, 상기 모터 중공 회전축부의 일측으로부터 상기 모터 하우징의 외측으로 노출되게 연장되는 연장부; 및 상기 연장부의 단부에서 상기 추력축의 길이 방향에 교차되는 방향으로 절곡되는 모터 출력 플랜지를 더 포함할 수 있다.

상기 회전동력 전환유닛은, 상기 추력축 및 상기 전기모터와 연결되어 상기 전기모터로부터의 회전동력을 상기 추력축으로 제공하는 제1 회전동력 전환유닛; 및 상기 추력축 및 상기 내연기관 엔진과 연결되어 상기 내연기관 엔진으로부터의 회전동력을 상기 추력축으로 제공하는 제2 회전동력 전환유닛을 포함할 수 있다.

상기 제1 회전동력 전환유닛은, 중앙의 몸체는 상기 추력축에 연결되어 상기 추력축과 동회전되며, 둘레 영역은 상기 모터 출력 플랜지와 나란하게 이격 배치되는 제1 회전동력 전달용 플랜지; 상기 모터 출력 플랜지와 상기 제1 회전동력 전달용 플랜지 사이에 배치되는 제1 클러치판; 및 상기 제1 회전동력 전달용 플랜지와 연결되어 상기 제1 회전동력 전달용 플랜지를 상기 추력축의 길이 방향을 따라 이동시키는 제1 액추에이터를 포함할 수 있다.

상기 제1 회전동력 전환유닛은, 상기 제1 액추에이터와 상기 제1 회전동력 전달용 플랜지 사이에 배치되는 제1 릴리즈 베어링; 및 상기 모터 출력 플랜지, 상기 제1 클러치판 및 상기 제1 회전동력 전달용 플랜지의 외관을 형성하는 제1 클러치 하우징을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 회전동력 전달용 플랜지의 몸체가 상기 추력축의 길이 방향을 따라 이동될 수 있도록, 상기 제1 회전동력 전달용 플랜지의 몸체와 상기 추력축은 상호간 스플라인 결합될 수 있다.

상기 제2 회전동력 전환유닛은, 중앙의 몸체는 상기 추력축에 연결되어 상기 추력축과 동회전되며, 둘레 영역은 상기 모터 출력 플랜지와 나란하게 이격 배치되는 제2 회전동력 전달용 플랜지; 상기 내연기관 엔진과 연결되는 엔진 출력 플랜지와 상기 제2 회전동력 전달용 플랜지 사이에 배치되는 제2 클러치판; 및 상기 제2 회전동력 전달용 플랜지와 연결되어 상기 제2 회전동력 전달용 플랜지를 상기 추력축의 길이 방향을 따라 이동시키는 제2 액추에이터를 포함할 수 있다.

상기 제2 회전동력 전환유닛은, 상기 제2 액추에이터와 상기 제2 회전동력 전달용 플랜지 사이에 배치되는 제2 릴리즈 베어링; 및 상기 엔진 출력 플랜지, 상기 제2 클러치판 및 상기 제2 회전동력 전달용 플랜지의 외관을 형성하는 제2 클러치 하우징을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 회전동력 전달용 플랜지의 몸체가 상기 추력축의 길이 방향을 따라 이동될 수 있도록, 상기 제2 회전동력 전달용 플랜지의 몸체와 상기 추력축은 상호간 스플라인 결합될 수 있다.

상기 전기모터는, 상기 모터 중공 회전축부와 상기 추력축 사이에 결합되는 중공 모터축 베어링; 및 상기 모터 영구자석 회전자와 상기 모터 중공 회전축부 사이에 결합되는 모터 베어링을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격한 항해 구간에는 전기모터의 동력으로 추진하고,환경 규제가 없는 지역에서는 내연기관 엔진의 동력으로 추진할 수 있는 등 추진 동력을 선택할 수 있으며,특히 단순한 구조를 가지기 때문에 효율적으로 설치할 수 있고 내연기관 엔진을 갖는 기존선에 적용 시 개조가 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 추진장치를 구비하는 [0022] 선박의 개략적인 측면 구조도이다.
도 2는 도 1의 A 영역에 대한 확대도로서 하이브리드 추진장치가 전기모터에 의해 동작되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 하이브리드 추진장치가 내연기관 엔진에 의해 동작되는 상태를 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 하이브리드 추진시스템의 개략적인 측면 구조도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 선박은, 선체(10)와, 선체(10)의 후미에 결합되는 프로펠러(12)를 회전시켜 선체(10)를 추진시키는 하이브리드 추진장치(20, 도 1의 A 영역 참조)를 포함한다.

도 1에 도시된 선박은 상선, 군함, 어선, 드릴쉽 및 특수 작업선, 해양구조물 등 어떠한 것이 될 수 있다.

선체(10)의 일측에는 스러스터(14, thruster)가 마련될 수 있다. 모든 종류의 선박에 스러스터(14)가 마련되는 것은 아니지만 스러스터(14)가 마련되면 선박의 정지 또는 항해 시 조정 성능을 향상시키고 선박의 오퍼레이션(operation)을 용이하게 한다. 도 1처럼 선체(10)의 일측, 특히 선수부(13)에 마련되는 스러스터(14)를 바우 스러스터(bow thruster)라 부르기도 한다.

하이브리드 추진장치(20)의 주변 선체(10)의 후미에는 러더(15, rudder)가 결합된다. 러더(15)는 운항 중인 선체(10)의 방향을 조절하는 조타장치의 일종이다. 선박에 따라 하나의 러더(15)가 적용된 경우에서부터 다수의 러더(15)가 적용된 것에 이르기까지 다양하다.

한편, 앞서 기술한 바와 같이, 선박은 대표적인 운송수단으로서 내연기관 엔진(30, 도 2 및 도 3 참조)에 의해 프로펠러(12)를 회전시켜 추진되는 것이 보편적이나 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격한 항해 구간에서는 그 사용이 점차 어려워지고 있는 것이 현실이다.

때문에 본 실시예에서는 후술하는 것처럼 내연기관 엔진(30, 도 2 및 도 3 참조)에 전기모터(40, 도 2 및 도3 참조)를 부가한 하이브리드 방식을 제안하여, 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격한 항해 구간에는 전기모터(40)의 동력으로 추진하고, 환경 규제가 없는 지역에서는 내연기관 엔진(30)의 동력으로 추진할 수 있다.

특히, 본 실시예의 경우, 종래 기술의 하이브리드 방식에 비하여 간단하고도 단순한 구조를 가지기 때문에 이미 내연기관 엔진(30)이 탑재되어 사용되고 있는 기존선의 개조 탑재가 쉬울 뿐만 아니라 설치 공간도 대폭줄일 수 있도록 하고 있다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시예에 대해 자세히 살펴보도록 한다.

도 2는 도 1의 A 영역에 대한 확대도로서 하이브리드 추진장치가 전기모터에 의해 동작되는 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 하이브리드 추진장치가 내연기관 엔진에 의해 동작되는 상태를 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 선박에 적용되는 하이브리드 추진장치(20)는, 전기에 의해 구동되면서 프로펠러(12)와 연결되는 추력축(16)에 회전동력을 제공하는 전기모터(40)와, 예컨대 경유 등의 내연기관용 연료에 의해 구동되면서 추력축(16)에 회전동력을 제공하는 내연기관 엔진(30)과, 전기모터(40)로부터 추력축(16)으로 제공되는 회전동력과 내연기관 엔진(30)으로부터 추력축(16)으로 제공되는 회전동력을 선택적으로 전환시키는 회전동력 전환유닛(60,70)을 포함한다.

전기모터(40)는 프로펠러(12)에 인접된 위치에서 프로펠러(12)와 연결되는 추력축(16)에 직접 결합된다. 즉 본 실시예의 경우, 전기모터(40)는 프로펠러(12)와 내연기관 엔진(30) 사이의 추력축(16)에 결합된다.

이때, 전기모터(40)는 추력축(16)이 관통하여 통과되는 형태로 추력축(16)에 결합되기 때문에, 다른 여타의 하이브리드 방식에 비해 구조가 간단하다.

나아가 후술하겠지만 본 실시예에서 전기모터(40)의 모터 중공회전축부(44)[0037] 와 내연기관 엔진(30)의 내연기관엔진 회전축부(33)는 동축적으로 배치되기 때문에, 내연기관 엔진(30)만을 가지고 있던 기존선을 일부 개조하여 전기모터(40)를 추가로 탑재시키는 개조 탑재 작업이 용이하다. 뿐만 아니라 도면에 도시된 것처럼 효율적으로 설치할 수도 있고 설치 공간도 대폭 줄일 수 있다.

이러한 전기모터(40)는 모터 하우징(41) 내에 추력축(16)의 회전운동을 유도하는 부품으로서 모터 권선형 고정자(42), 모터 영구자석 회전자(43) 및 모터 중공 회전축부(44)가 마련된 간단하고도 단순한 구조를 갖는다.

모터 하우징(41)은 전기모터(40)의 외관을 형성한다. 강성이 있으면서도 내부식성이 우수한 스테인리스 스틸(stainless steel) 등의 금속 재질로 제작될 수 있으며, 선체(10)에 부분적으로 결합된다.

모터 권선형 고정자(42)는 모터 하우징(41)의 내부에서 가장 바깥쪽에 배치된다. 모터 권선형 고정자(42)는 코어(core)에 다수의 코일(coil)이 감긴 구조를 가지며, 외부로부터 전원이 공급된다.

모터 영구자석 회전자(43)는 모터 하우징(41) 내에서 모터 권선형 고정자(42)의 반경 방향 내측에 모터 권선형 고정자(42)와 이격되어 배치된다. 또한 모터 권선형 고정자(42)와 달리 영구자석이 적용되며, 모터 권선형 고정자(42)와의 상호 작용에 의한 전자기유도에 의해 회전된다.

모터 중공 회전축부(44)는 모터 하우징(41) 내에서 모터 영구자석 회전자(43)의 반경 방향 내측에 위치되면서 모터 영구자석 회전자(43)와 연결된다. 따라서 모터 영구자석 회전자(43)가 회전될 때 모터 중공 회전축부(44) 역시 동회전된다. 이러한 모터 중공 회전축부(44)의 중앙 영역에는 추력축(16)이 통과되는 중공홀(44a)이 추력축(16)의 길이 방향을 따라 형성된다.

이처럼 모터 중공 회전축부(44)에 중공홀(44a)이 형성되고 추력축(16)이 모터 중공 회전축부(44)의 중공홀(44a)에 삽입되어 통과되는 형태로 전기모터(40)가 탑재되기 때문에, 전술한 바와 같이 기존선의 개조 탑재가 용이해질 수 있게 되는 것이다.

모터 중공 회전축부(44)와 추력축(16) 사이에는 중공 모터축 베어링(B1)이, 그리고 모터 영구자석 회전자(43)와 모터 중공 회전축부(44) 사이에는 모터 베어링(B2)이 결합된다. 이들 베어링(B1,B2)은 해당 위치에서 회전운동을 보다 원활하게 진행시키는 역할을 한다. 볼 베어링 등의 다양한 베어링이 적용될 수 있다.

이에, 모터 권선형 고정자(42)에 교류전원이 공급되면 전자기유도에 의해 자기장이 변화한다. 이때 모터 영구자석 회전자(43)에서 변화되는 자기장에 의해 유도전류가 생기고 토크(torque)에 의해 모터 영구자석 회전자(43)가 회전된다. 모터 영구자석 회전자(43)는 모터 중공 회전축부(44)와 연결되어 있고, 모터 중공 회전축부(44)는 추력축(16)과 결합되어 있기 때문에 모터 영구자석 회전자(43)의 회전운동이 직접 추력축(16)의 회전운동으로 이어진다. 보통은 50~60Hz의 교류전원을 사용하지만, 높은 회전속도를 얻고자 할 때에는 수백 Hz에 이르는 높은 주파수의 교류전원을 사용하기도 한다.

도 2 및 도 3을 참조하여 위에서 설명한 전기모터(40)의 구조는 통상 AC 모터라 불리는 전기모터(40)에 해당한다. 하지만, 본 실시예의 권리범위가 이에 제한되지 않는다. 즉 본 실시예에 적용되고 있는 전기모터(40)는 AC 모터를 비롯하여, DC 모터, BLDC 모터 등에도 충분히 적용될 수 있다.

한편, 모터 권선형 고정자(42)와 모터 영구자석 회전자(43)가 모터 하우징(41) 내에 마련되어 있는데 반해,모터 중공 회전축부(44)는 그 일부분이 모터 하우징(41) 의 외부로 노출되게 마련된다.

즉 모터 중공 회전축부(44)에는 그 일측에서 모터 하우징(41)의 외측으로 연장부(45)가 추력축(16)과 나란하게 연장되어 있고, 연장부(45)의 단부에 추력축(16)의 길이 방향에 교차되는 방향으로 모터 출력 플랜지(46)가 절곡되어 있다. 모터 출력 플랜지(46)는 제1 회전동력 전환유닛(60)과 상호 작용한다.

내연기관 엔진(30)은 전기모터(40)와는 이격된 위치에서 추력축(16)과 연결되며, 내연기관용 연료에 의해 구동되면서 추력축(16)에 회전동력을 제공하는 역할을 한다.

이러한 내연기관 엔진(30)으로는 디젤 엔진 또는 가스터빈 엔진 등이 적용될 수 있는데, 대형 선박의 경우에는 열효율이 뛰어나고 토크가 큰 2행정 디젤 엔진이 적용될 수도 있다. 내연기관 엔진(30)은 널리 적용되고 있는 일반적인 사항이므로 도면에는 단순하게 박스(box) 형태로만 도시하였다.

내연기관 엔진(30)에는, 내연기관 엔진 회전축부(33)와, 내연기관 엔진 회전축부(33)로부터 반경방향으로 연장되어 마련되는 엔진 출력 플랜지(31)가 연결된다. 전술한 바와 같이 본 실시예에서 전기모터(40)의 모터 중공개특허 공 회전축부(44)와 내연기관 엔진(30)의 내연기관 엔진 회전축부(33)는 동축적으로 배치된다. 또한 본 실시예에서 엔진 출력 플랜지(31)는 전술한 모터 출력 플랜지(46)와 나란한 상태로 배치되어 제2 회전동력 전환유닛(70)과 상호 작용한다.

한편, 회전동력 전환유닛(60,70)은 전기모터(40)로부터 추력축(16)으로 제공되는 회전동력과 내연기관 엔진(30)으로부터 추력축(16)으로 제공되는 회전동력을 선택적으로 전환시키기 위해 마련된다.

이러한 회전동력 전환유닛(60,70)은, 전기모터(40)의 구동을 위한 회전동력 전환유닛으로 제1 회전동력 전환유닛(60)과, 내연기관 엔진(30)의 구동을 위한 회전동력 전환유닛으로 제2 회전동력 전환유닛(70)을 포함한다.

제1 회전동력 전환유닛(60)은 추력축(16)과 전기모터(40)에 부분적으로 연결되어 전기모터(40)로부터의 회전동력을 추력축(16)으로 제공하는 역할을 한다.

이러한 제1 회전동력 전환유닛(60)은, 중앙의 몸체(61a)는 추력축(16)에 연결되어 추력축(16)과 동회전되며,둘레 영역은 모터 출력 플랜지(46)와 나란하게 이격 배치되는 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)와, 모터 출력 플랜지(46)와 제1 회전동력 전달용 플랜지(61) 사이에 배치되는 제1 클러치판(62)과, 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)와 연결되어 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)를 추력축(16)의 길이 방향을 따라 이동시키는 제1 액추에이터(63)를 구비한다.

제1 회전동력 전달용 플랜지(61)는 제1 클러치판(62)에 의해 모터 출력 플랜지(46)와 상호 작용하는 부분으로서 모터 출력 플랜지(46)와 나란한 상태를 유지한다. 제1 액추에이터(63)가 동작되지 않는 한 모터 출력 플랜지(46)와 모터 출력 플랜지(46), 그리고 제1 클러치판(62)은 상호 분리된 상태를 유지한다(도 3 참조).

이때, 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)의 몸체(61a)는 추력축(16)의 길이 방향을 따라서는 상대 이동이 가능하되 추력축(16)의 원주 방향을 따라서는 상대 이동, 즉 헛도는 현상이 방지되어야 한다. 이를 위해, 즉 제1회전동력 전달용 플랜지(61)의 몸체(61a)가 추력축(16)의 길이 방향을 따라 이동되되 추력축(16)의 원주 방향을 따라서는 헛돌지 않도록, 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)의 몸체(61a)와 추력축(16)은 상호간 스플라인결합(S)된다.

제1 회전동력 전달용 플랜지(61)의 몸체(61a)와 제1 액추에이터(63) 사이에는 제1 릴리즈 베어링(64)이 배치된다. 그리고 모터 출력 플랜지(46)와 모터 출력 플랜지(46), 그리고 제1 클러치판(62)은 제1 클러치 하우징(65)에 의해 보호되어 있다.

제1 액추에이터(63)는 유압, 공압, 혹은 유공압 복합 실린더 중에서 어느 하나가 적용될 수 있는데, 본 실시예의 경우, 유압 실린더를 적용하고 있다.

도면에는 도시하지 않았지만, 제1 액추에이터(63)는 조정실의 전기모터용 클러치 핸들이나 발판 등에 연결되어 선장이 조정실의 전기모터용 클러치 핸들이나 발판 등을 동작시킬 때에 작동된다.

동작을 살펴보면, 선장이 조정실의 전기모터용 클러치 핸들이나 발판 등을 동작시킨 경우, 도 2처럼 제1 액추에이터(63)가 동작되어 제1 릴리즈 베어링(64)을 통해 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)를 가압한다. 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)의 몸체(61a)는 추력축(16)과 스플라인 결합(S)되어 있으므로 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)는 프로펠러(12) 쪽으로 가압되며, 이러한 동작에 기인하여 모터 출력 플랜지(46), 제1 클러치판(62)및 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)가 붙어 하나의 몸체를 이룬다. 이러한 상태에서 모터 권선형 고정자(42)에 교류전원이 공급되면 전자기유도에 의해 자기장이 변화하게 된다. 모터 영구자석 회전자(43)에서는 변화되는 자기장에 의해 유도전류가 생기고, 토크(torque)에 의해 모터 영구자석 회전자(43)가 회전하게 됨으로써 모터 영구자석 회전자(43)와 연결된 모터 중공 회전축부(44)의 회전을 유도하게 되며, 이로써 한 몸체를 이루고 있는 모터 출력 플랜지(46), 제1 클러치판(62) 및 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)가 회전하면서 결과적으로 추력축(16)을 회전시키게 된다.

한편, 제2 회전동력 전환유닛(70)은 추력축(16)과 내연기관 엔진(30)에 부분적으로 연결되어 내연기관 엔진(30)으로부터의 회전동력을 추력축(16)으로 제공하는 역할을 한다. 제2 회전동력 전환유닛(70) 역시 제1 회전동력 전환유닛(60)과 유사한 구성을 갖는다.

제2 회전동력 전환유닛(70)은, 중앙의 몸체(71a)는 추력축(16)에 연결되어 추력축(16)과 동회전되며, 둘레 영역은 모터 출력 플랜지(46)와 나란하게 이격 배치되는 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)와, 내연기관 엔진(30)과 연결되는 엔진 출력 플랜지(31)와 제2 회전동력 전달용 플랜지(71) 사이에 배치되는 제2러치판(72)과, 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)와 연결되어 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)를 추력축(16)의 길이 방향을 따라 이동시키는 제2 액추에이터(73)를 구비한다.

제2 회전동력 전달용 플랜지(71)는 제2 클러치판(72)에 의해 엔진 출력 플랜지([0064] 31)와 상호 작용하는 부분으로서 엔진 출력 플랜지(31)와 나란한 상태를 유지한다. 제2 액추에이터(73)가 동작되지 않는 한 엔진 출력 플랜지(31)와 엔진 출력 플랜지(31), 그리고 제2 클러치판(72)은 상호 분리된 상태를 유지한다(도 2 참조).

이때, 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)의 몸체(71a)는 추력축(16)의 길이 방향을 따라서는 상대 이동이 가능하되 추력축(16)의 원주 방향을 따라서는 상대 이동, 즉 헛도는 현상이 방지되어야 한다. 이를 위해, 즉 제2회전동력 전달용 플랜지(71)의 몸체(71a)가 추력축(16)의 길이 방향을 따라 이동되되 추력축(16)의 원주 방향을 따라서는 헛돌지 않도록, 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)의 몸체(71a)와 추력축(16)은 상호간 스플라인결합(S)된다.

제2 회전동력 전달용 플랜지(71)의 몸체(71a)와 제2 액추에이터(73) 사이에는 제2 릴리즈 베어링(74)이 배치된다. 그리고 엔진 출력 플랜지(31)와 엔진 출력 플랜지(31), 그리고 제2 클러치판(72)은 제2 클러치 하우징(75)에 의해 보호되어 있다.

제2 액추에이터(73) 역시 유압, 공압, 혹은 유공압 복합 실린더 중에서 어느 하나가 적용될 수 있는데, 본 실시예의 경우, 유압 실린더를 적용하고 있다.

도면에는 도시하지 않았지만, 제2 액추에이터(73)는 조정실의 내연기관 엔진용 클러치 핸들이나 발판 등에 연결되어 선장이 조정실의 내연기관 엔진용 클러치 핸들이나 발판 등을 동작시킬 때에 작동된다.

동작을 살펴보면, 선장이 조정실의 내연기관 엔진용 클러치 핸들이나 발판 등을 동작시킨 경우, 도 3처럼 제2액추에이터(73)가 동작되어 제2 릴리즈 베어링(74)을 통해 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)를 가압한다. 제2회전동력 전달용 플랜지(71)의 몸체(71a)는 추력축(16)과 스플라인 결합(S)되어 있으므로 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)는 내연기관 엔진(30) 쪽으로 가압되며, 이러한 동작에 기인하여 엔진 출력 플랜지(31), 제2 클러치판(72) 및 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)가 붙어 하나의 몸체를 이룬다. 이때 전기모터(40)는 동작하고 있지 않은 상태이므로 결과적으로 내연기관 엔진(30)으로부터의 출력은 하나의 몸체를 이루고 있는 엔진 출력플랜지(31), 제2 클러치판(72) 및 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)를 통해 추력축(16)을 회전시키게 된다.

이러한 구성을 갖는, 하이브리드 추진장치(20)를 구비하는 선박의 작용에 대해 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예에서는, 일반적으로 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격하지 않은 항해 구간을 지날 때에는 연료 대비 출력이 큰 내연기관 엔진(30)을 동작시킴으로써 선박이 운항하게 된다. 그러다가 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격한 항해 구간을 지나게 되면, 제1 및 제2 회전동력 전환유닛(60,70)의 동작을 제어하여 내연기관 엔진(30)의 동작을 정지시키고 전기모터(40)를 동작시켜 전기모터(40)에 의해 선박이 운항되도록 한다.

이에 대해 자세히 살펴보면, 선장이 조정실의 전기모터용 클러치 핸들이나 발판 등을 동작시키면 도 2처럼 유압 실린더인 제1 액추에이터(63)가 동작되어 제1 릴리즈 베어링(64)을 통해 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)를 가압한다.

제1 회전동력 전달용 플랜지(61)의 몸체(61a)는 추력축(16)과 스플라인 결합(S)되어 있으므로 제1 회전동력전달용 플랜지(61)는 프로펠러(12) 쪽으로 추력축(16)의 길이 방향을 따라 이동하면서 제1 클러치판(62)을 가압한다. 그러면 이러한 유기적인 동작에 기인하여 모터 출력 플랜지(46), 제1 클러치판(62) 및 제1 회전동력전달용 플랜지(61)가 붙어 하나의 몸체를 이룬다.

이러한 상태에서 모터 권선형 고정자(42)에 교류전원이 공급되면 전자기유도에 의해 자기장이 변화하게 된다.

모터 영구자석 회전자(43)에서는 변화되는 자기장에 의해 유도전류가 생기고, 토크(torque)에 의해 모터 영구자석 회전자(43)가 회전하게 됨으로써 모터 영구자석 회전자(43)와 연결된 모터 중공 회전축부(44)의 회전을 유도하게 되며, 이로써 한 몸체를 이루고 있는 모터 출력 플랜지(46), 제1 클러치판(62) 및 제1 회전동력 전달용 플랜지(61)가 회전하면서 결과적으로 추력축(16)을 회전시키게 된다.

추력축(16)이 회전됨에 따라 프로펠러(12)가 회전되어 결과적으로 선박은 전기모터(40)에 의해 추진된다. 물론, 도 2처럼 전기모터(40)에 의해 선박이 추진될 때는 내연기관 엔진(30)의 동작은 정지된다.

다음, 배출가스에 대한 환경 규제가 없는 지역에서는 큰 동력을 제공하기 위해 내연기관 엔진(30)의 동력으로 선박이 추진된다.

이때는 제1 회전동력 전환유닛(60)에 의해 전기모터(40)의 동작은 정지되며, 도 3처럼 제2 회전동력 전환유닛(70)에 의해 내연기관 엔진(30)이 동작된다.

즉 선장이 조정실의 내연기관 엔진용 클러치 핸들이나 발판 등을 동작시킨 경우, 도 3처럼 제2 액추에이터(73)가 동작되어 제2 릴리즈 베어링(74)을 통해 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)를 가압한다.

제2 회전동력 전달용 플랜지(71)의 몸체(71a)는 추력축(16)과 스플라인 결합(S)되어 있으므로 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)는 내연기관 엔진(30) 쪽으로 가압되며, 이러한 동작에 기인하여 엔진 출력 플랜지(31), 제2 클러치판(72) 및 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)가 붙어 하나의 몸체를 이룬다.

이때 전기모터(40)는 동작하고 있지 않은 상태이므로 결과적으로 내연기관 엔진(30)으로부터의 출력은 하나의 몸체를 이루고 있는 엔진 출력 플랜지(31), 제2 클러치판(72) 및 제2 회전동력 전달용 플랜지(71)를 통해 추력축(16)을 회전시키게 된다. 추력축(16)이 회전됨에 따라 프로펠러(12)가 회전되어 결과적으로 선박은 전기모터(40)에 의해 추진될 수 있게 된다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 배출가스에 대한 환경 규제가 엄격한 항해 구간에는 전기모터(40)의 동력으로 추진하고, 환경 규제가 없거나 엄격하지 않은 지역에서는 내연기관 엔진(30)의 동력으로 추진할 수 있는 등 추진 동력을 필요에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 특히 간단하고도 단순한 구조를 가지기 때문에 기존선의 개조 탑재가 쉬울 뿐만 아니라 설치 공간도 대폭 줄일 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 선체 12 : 프로펠러
14 : 스러스터 15 : 러더
16 : 추력축 30 : 내연기관 엔진
31 : 엔진 출력 플랜지 40 : 전기모터
41 : 모터 하우징 42 : 모터 권선형 고정자
43 : 모터 영구자석 회전자 44 : 모터 중공 회전축부
44a : 중공홀 45 : 연장부
46 : 모터 출력 플랜지 60 : 제1 회전동력 전환유닛
61 : 제1 회전동력 전달용 플랜지 61a : 몸체
62 : 제1 클러치판 63 : 제1 액추에이터
64 : 제1 릴리즈 베어링 65 : 제1 클러치 하우징
70 : 제2 회전동력 전환유닛 71a : 몸체
72 : 제2 클러치판 73 : 제2 액추에이터
74 : 제2 릴리즈 베어링 75 : 제2 클러치 하우징

Claims

선체; 및
상기 선체에 결합되는 프로펠러를 회전시켜 상기 선체를 추진시키는 하이브리드 추진장치를 포함하며,
상기 하이브리드 추진장치는,
상기 프로펠러와 연결되는 추력축이 관통하여 통과되는 형태로 상기 추력축에 결합되며, 전기에 의해 구동되면서 상기 추력축에 회전동력을 제공하는 전기모터;
상기 전기모터와는 이격된 위치에서 상기 추력축과 연결되며, 내연기관용 연료에 의해 구동되면서 상기 추력축에 회전동력을 제공하는 내연기관 엔진; 및
상기 추력축, 상기 전기모터 및 상기 내연기관 엔진과 연결되며, 상기 전기모터로부터 상기 추력축으로 제공되는 회전동력과 상기 내연기관 엔진으로부터 상기 추력축으로 제공되는 회전동력을 선택적으로 전환시키는 회전동력 전환유닛을 포함하는, 고효율 하이브리드 추진시스템.