KR20210104728A - 영구 자석을 강제로 자기 소거하는 장치를 구비하는 전기 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고정자 및 상기 고정자에 대해 회전할 수 있는 회전자를 포함하며, 상기 회전자 또는 고정자는 복수의 영구 자석을 포함하는, 항공기용 전기 기계에 있어서, 상기 전기 기계는, 일시적으로 온도가 상승하는 동안에 영구 자석에 의해 생성된 익사이터 자속을 제한하기 위해, 영구 자석의 일시적인 온도 상승을 구현하기에 적당한, 영구 자석의 자속을 제거하는 장치를 포함하는 전기 기계에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 전기 기계 및 전기 기계의 자속 제거 장치에 고온 유체를 전달하기에 적합한 고온 유체 소스를 포함하는 어셈블리에 관한 것이다. 고온 유체 소스는 터보 엔진의 가스 스트림일 수 있다.

Description

영구 자석을 강제로 자기 소거하는 장치를 구비하는 전기 기계

본 발명은 항공기, 특히 헬리콥터 형태, 수직 이착륙 또는 VTOL 유형, 단거리 이착륙 또는 STOL 유형, 또는 전기 추진을 갖는 항공기의 에너지 생성 또는 동력화에 사용되는 전기 기계 분야에 관한 것이다.

전기 또는 하이브리드 열/전기 추진 장치가 있는 항공기에 전기 기계를 탑재하는 것이 현재 관행이다. 하이브리드 전기 아키텍처에서, 가스 터빈 유형의 열 발전 시스템에 의해 전기 제너레이터가 구동될 수 있다.

탑재된 전체 질량을 줄이기 위해, 이러한 응용 분야에 선호되는 전기 기계는 단위 질량 당 전력 밀도가 높은 영구 자석이 있는 동기식 기계이다.

도 1은 예를 들어 헬리콥터에 탑재되는, 영구 자석이 있는 동기식 기계의 횡단면을 도시한다. 여기서 방사형 자속 유형의 기계는 축 A가 있는 전반적으로 원통형의 형상이다. 회전자(2)가 축 A를 중심으로 회전하고, 고정된 고정자(4) 내부에 위치한다. 여기서, 동기식 기계는 4개의 영구 자석(3)을 포함한다.

이 예에서, 자석(3)은 회전자 위에 위치하며, 고정자의 내주에 위치하는 권선을 향하고 있다.

자석(3)은 두 쌍의 남/북 자극을 형성한다. 또한 4쌍 이상의 자극을 갖는 전기 기계도 공지되어 있다. 전기 기계의 발전기 작동에서, 권선에 대한 자석의 강제 회전은 익사이터(exciter) 자속을 생성하고, 이는 궁극적으로 권선 단자에서 역기전력을 생성한다.

도 1의 전기 기계에서, 권선에서 단락이 발생하거나 권선의 임피던스가 급격히 감소하는 다른 상황이 발생한 경우, 영구 자석이 계속 회전하기 때문에, 권선의 단자에서 전압이 저항률만큼 급격하게 떨어지지 않는다.

따라서 권선에서 순환하는 전류의 강도가 매우 빠르게 증가하여, 권선이 과열될 위험, 절연체의 융합 등의 위험에 노출된다. 이러한 위험은 장비의 높은 수준의 신뢰성이 필요한 항공 분야에서는 허용되지 않는다.

따라서 권선의 단락이 발생하는 동안, 영구 자석 동기식 기계의 권선을 보호하기 위한 솔루션이 모색되고 있다.

권선에 구리 덩어리를 추가하거나 및/또는 절연을 보강하여, 회로가 고강도 전류를 견딜 수 있도록 권선의 전기 회로 치수를 지정하는 것이 제안되었다. 그러나 이 솔루션은 전기 기계의 질량에 미치는 영향을 증대시키고, 권선 제조를 더 복잡하게 만든다.

또 다른 기존 솔루션은 전기 기계의 회전자와, 회전자를 구동하는 열 기계의 동력 축 사이에 일시적인 기계적 분리(decoupling)를 수행하는 것이다. 기계적 분리는 예를 들어 클러치 또는 클로 커플링에 의해 구현되어 회전자 회전의 비상 정지를 허용한다. 이러한 유형의 솔루션 중 하나가 본 출원인의 이름으로 특허 출원된 FR 3 057 029호에 설명되어 있다. 특히 도 2에, 전기 제너레이터와 프로펠러 샤프트 사이에 배치된 디커플링 장치(23)가 도시되어 있다. 그러나 이러한 유형의 장치는 방대하고(massive) 항공기의 운반 가능한 유용한 하중을 감소시킨다.

이러한 극단적인 경우에, 회전자를 구동하는 열 기계를 완전히 정지시킬 수도 있다. 그러나 상기 열 기계가 헬리콥터 프로펠러의 움직임을 보장한다면, 비행 중에 그것을 멈추는 것은 실용적이지 않다.

또한, 영구 자석 동기식 기계를 권선형 회전자 기계로 대체하는 것이 고려되어 왔는데, 권선형 회전자 기계는 회전자의 권선에 대한 전원 공급을 차단함으로써 익사이터 회전 자속을 신속하게 제거할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 회전자에 슬립 링이 있으면 회전자의 속도가 제한된다. 그렇기 때문에 권선형 회전자 기계의 단위 질량 당 전력 밀도는 영구 자석 기계의 전력과 비교할 수 없다.

따라서, 권선 결함 이벤트가 권선을 손상 위험에 노출시키지 않는 항공기에 탑재되는 것으로 의도되는 전기 기계가 필요하다.

특히 권선이 단락된 경우, 유도 전류의 강도가 과도하게 증가하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

희망하는 기계는 항공 분야의 특정 제약 조건을 충족해야 하므로, 항공기 무게와 부피에 미치는 영향을 최소로 해야 한다.

원하는 솔루션은 또한 항공기 내에서 유용하게 운송 가능한 하중에 최소한의 영향을 미쳐야 한다.

이러한 이유로, 본 발명의 제1 목적은 고정자 및 상기 고정자에 대해 이동할 수 있는 회전자를 포함하며, 상기 회전자 또는 고정자는 복수의 영구 자석을 포함하는, 항공기용 전기 기계에 있어서,

상기 전기 기계는, 일시적으로 온도가 상승하는 동안에 영구 자석에 의해 생성된 익사이터 자속을 제한하기 위해, 영구 자석의 일시적인 온도 상승을 구현하기에 적당한, 영구 자석의 자속을 제거하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계이다.

본 발명에 따른 전기 기계는 자석의 온도를 증가시켜, 자석에 의해 생성된 익사이터 자속을 급격히 감소시킬 수 있는 자기 소거 장치를 포함한다. 온도가 상승하는 동안에 자성 재료의 자기 소거의 고유 특성이 유리하게 사용된다. "자기 소거(demagnetization)"는 자석의 자기 유도의 상쇄(cancellation)를 의미한다.

특히 퀴리 온도로 불리는 임계 온도는 영구 자석의 자기 유도를 상쇄한다.

따라서 권선 결함의 경우에 자석에 의해 생성되는 자속은 급속하게 감소될 수 있다. 권선에 결함이 있는 동안, 권선 단자의 역기전력이 높게 유지되는 경과 시간이 상당히 감소한다.

바람직하게는, 전기 기계의 각각의 영구 자석은, 자석의 총 자속의 급속한 감소를 허용하기 위해, 자기 소거 장치와 관련된다.

본 발명의 전기 기계의 선택적 및 비-제한적 특징은 다음과 같으며, 이들은 단독으로 또는 기술적으로 조합될 수 있다.

- 자속 제거 장치는 영구 자석 근방에서 또는 영구 자석 내에서 고온의 유체를 순환시키도록 구성된다.

- 자속 제거 장치는 덕트를 포함하고, 상기 덕트의 종말 부분은 영구 자석 표면으로 또는 영구 자석의 내부 용적 내로 이어진다.

이 변형 예의 이점은 덕트의 무게가 작다는 것으로, 운반 가능한 유용 하중에 미치는 영향을 줄일 수 있다는 것이다.

- 덕트의 일부분은 전기 기계의 외부로부터 고정자의 내부 표면까지 회전자 샤프트의 축을 따라 연장한다.

- 덕트의 일부분은 회전자의 샤프트의 축을 따라 연장하되, 덕트의 종말 부분은 회전자 내에서 영구 자석의 상기 부분으로부터 연장한다.

- 전기 기계는 방사상 플럭스 유형이고, 회전자는 원통형이다.

- 전기 기계는 축 방향 플럭스 유형이고, 회전자는 원반형이다.

- 영구 자석은 퀴리 온도를 가지고, 자기 소거 장치는 퀴리 온도를 넘어 영구 자석의 일시적 온도 상승을 구현하기에 적당하다.

- 전기 기계는 권선을 추가로 포함하되, 회전자가 회전하는 중에 영구 자석에 의해 생성된 익사이터 자속의 영향 아래에서, 유도 전류가 권선 내에서 순환하도록 상기 권선이 배치되고,

전기 기계는 권선 오류 센서를 추가로 포함하고, 자기 소거 장치는 권선 오류가 검출될 때 영구 자석의 온도 상승을 구현하도록 구성되어 있다.

본 발명의 제2 목적은 전기 기계의 자기 소거 장치에 고온의 유체를 공급하기에 적합한 고온의 유체 소스뿐만 아니라 위에 정의되어 있는 전기 기계를 포함하는 어셈블리이다.

이 어셈블리의 가능한 그리고 비-제한적인 특징은 다음과 같으며, 이들은 단독으로 또는 임의로 조합될 수 있다.

- 어셈블리는 가스/가스 또는 가스/액체 열교환기를 더 포함하고, 열교환기는 고온의 유체 소스와 전기 기계 사이에 위치한다.

- 어셈블리는 터보기계를 포함하되, 터보기계는 터보기계가 작동하는 중에 고온의 유체 소스로 작용하는 가스 스트림을 갖고, 가스 스트림에 고온의 가스 추출 요소를 포함한다.

- 추출 요소는 터보 기계의 축에 수직으로 정의된 추출 평면에서 고온의 가스를 허용하는 데 적합하며, 추출 평면은 다음 중에서 선택된다.

터보기계의 연소실 바로 상류에 위치하는 터보기계의 최종 압축기 스테이지의 출구 위로 연장되는, 평면 P3라고 불리는 평면;

최종 압축기 스테이지와는 다른 터보기계의 압축기 스테이지의 출구 위로 연장되는 평면 P2.5라고 불리는 평면.

- 추출 요소는 터보기계의 배기 노즐에 위치한 추출 지점에서 고온의 가스를 유입시키기에 적합하다.

- 어셈블리는 추출 요소 근방에 흡입 장치를 더 포함한다.

- 터보기계는 어셈블리의 전기 기계의 회전자를 구동하기에 적합하다.

본 발명은 또한 위에 정의된 어셈블리를 포함하는 항공기에 관한 것으로, 항공기는 일반적으로 헬리콥터 또는 하이브리드 열/전기 발전 항공기이다.

본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 다음의 설명으로부터 명백할 것이다. 아래의 설명은 순전히 예시적이고 제한적이지 않으며, 이미 위에서 제시된 도 1과 함께 다음과 같이 첨부된 도면을 포함한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 동기식 영구 자석 기계의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 도 2의 동기식 기계의 자기 소거 장치에 고온 가스를 공급하기 위해, 도 2의 동기식 기계의 회전자를 구동하도록 구성된 헬리콥터 터보기계의 종단면을 도시한 도면이다.
도 4는 특정 영구 자석의 자기 소거의 특성 곡선으로, 횡축으로 자기 소거 장을, 세로축에서 영구 자석의 유도를 보여준다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 동기식 영구 자석 기계의 개략적인 종단면도이다.

아래의 설명은, 영구 자석이 회전자에 위치하고, 고정자에 대해 회전 구동되는 동기식 영구 자석 기계의 예시들을 설명한다.

이후의 예시들은 발전기 모드의 동기식 기계에 관한 것으로, 회전자는 회전 구동되어 고정자와 상호 작용하여 전기 에너지를 생성한다. 또한, 이하에서는 회전자가 전체적으로 원통형이고, 고정자 내부에 위치하는 방사상 자속 동기 기계에 대해 설명한다.

그러나 본 발명은 영구 자석이 고정자에 고정 및 위치되는 기계의 경우 및/또는 전기 기계가 축 방향 자속을 갖는 경우에도 동일한 이점을 가지고 적용된다. 보다 일반적으로, 본 발명은 임의의 수량의 자석을 포함하는 임의의 전기 기계에 적용될 수 있다.

또한, 이하의 예시에서 권선 결함 상황에서 주로 자기 소거 장치가 활성화되는 경우, 자석에 의해 생성된 자속의 급속한 감소를 필요로 하는 다른 이벤트에서 자기 소거 장치를 트리거하는 것을 상정할 수 있다.

이후의 설명과 첨부된 도면에서, 유사한 요소는 동일한 문자 숫자식 참조부호로 지정된다.

도 2에는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 동기식 영구 자석 기계(1)가 도시되어 있다. 여기서, 기계(1)는 헬리콥터용 발전기(electric generator)로 사용된다. 그러나 다른 유형의 항공기, 특히 하이브리드 열/전기 발전기가 있는 항공기에서도 사용할 수 있다. 도 2에서, 기계(1)는 회전자(2) 샤프트의 축 A를 통과하는 평면의 종단면으로 도시되어 있다.

도면을 더 잘 이해하기 위해, 축 A에 수직인 단면 C가 도시된다. 단면 C의 횡단면도(첨부된 도면에 도시되지 않음)는 종래 기술의 기계를 보여주는 도 1의 것과 유사한 일반적인 구조를 제공할 것이다.

헬리콥터 구조의 한 예에서, 기계(1)는 PAGB 또는 "Power Accessories Gear Box"에 통합되어 있다. 예를 들어, 기계(1)는 본 출원인의 이름으로 특허 출원된 FR 3 057 029호에 설명된 아키텍처에 따라 항공기에 배치될 수 있다.

기계(1)는 고정자(4) 및 고정자(4)에 대해 이동하는 회전자(2)를 포함한다. 회전자(2)의 샤프트는 헬리콥터 내에 위치한 터보기계의 동력 샤프트에 의해 회전 구동된다. 기계(1)는 방사상 자속을 갖고, 회전자(2)는 전체적으로 원통형으로, 고정자(4) 내부에 위치한다. 회전자와 고정자는 전기 기계를 한정하는 하우징(7)에 위치한다. 대안으로서, 기계는 축 방향 자속을 가질 수 있고, 회전자(2)는 원반형(discoidal)일 수 있다.

하나의 가능한 구성에서, 전기 기계(1)의 회전자(2)의 샤프트는 가스 터빈에 의해 구동된다. 기계(1)는 가스 터빈의 주축에 연결된 동력 인출 샤프트에 의해 구동되는 변속기 케이스에 장착된다.

회전자는 복수의 영구 자석(3)을 포함한다. 여기서, 회전자는 2개의 정반대 북극 자석 및 2개의 정반대 남극 자석을 포함하는 4개의 자석을 포함한다.

여기서 자석(3)은 회전자 샤프트의 중앙 부분(22) 위의 표면에 규칙적으로 분포되어 있으며, 두 개의 연속된 자석은 90°로 분리되어 있다. 회전자의 샤프트의 중앙 부분은 샤프트의 단부 부분(21)에 대해 반경이 더 크다. 도 2에서, 자석(3a)(상부) 및 3b(하부)를 볼 수 있다.

방사형 또는 직교-방사형 자석, 매립형 자석, 비동기식 시동을 위해 농형(squirrel cage) 구성에 삽입된 자석과 같이 자석의 다른 형상이 고려될 수 있음을 이해할 수 있다.

방사상 플럭스를 갖는 기계, 고정자(4)는 중공 실린더의 일반적인 형상을 갖는다. 고정자의 내부 표면에 규칙적으로 분포된 자극은 회전자의 방향으로 연장된다. 예를 들어 구리 와이어를 포함하는 권선이 각 자극 주위에 감겨 있다. 전류는 각 권선 내부에서 순환할 수 있다.

원통형 칼라(30)는 자석을 유지하기 위해 각 자석의 표면에 위치한다. 에어 갭이라고 불리는 거리 E는 칼라의 외부 표면과 고정자(4)의 극들의 내주를 분리한다. 바람직하게는, 에어 갭(E)은 0.5㎜와 10㎜ 사이로 구성된다. 여기에는 슬립 링이 없다.

도 2에 도시된 회전자의 각 위치(angular position)에서, 자석(3a)은 권선(5a)에 근접하고, 자석(3b)은 권선(5b)에 근접하여 위치된다.

하우징(7)은 전반적으로 원통형이다. 회전자(2)의 삽입을 위해 축 A를 따라 천공되어 있다. 고정자(4)는 하우징(7)에 통합되어 있다. 회전자(2)는 고정자(4)와 하우징(7)에 의해 형성된 어셈블리에 대해 회전하는 베어링(8)에 의해 지지된다.

본 발명에 따라, 기계(1)는 영구 자석(3a)의 자기를 제거하기 위한 장치를 포함한다. 자기 소거 장치의 기능은, 명령에 따라, 영구 자석(3a)의 일시적인 온도 상승을 구현하는 것이다. 일시적인 온도 상승은 운동 중인 자석(3a)의 자기장과 고정자 권선의 자기장 사이의 상호 작용에 의해 생성되는 익사이터 자속을 제한한다.

실제로, 자석(3a)의 온도 상승은 자석의 보자력 또는 자기 유도를 상쇄하는 자기 소거 장의 수준을 감소시킨다. 자석의 퀴리 온도를 넘어서는 자석의 자기 유도는 자기 소거 장이 없는 경우에도 상쇄(cancel)된다.

"자기 유도(magnetic induction)"는 자석의 자기 거동의 자기 모멘트 특성의 체적 밀도를 의미하며, 이는 자석과 고정자의 상대 이동에 의해 생성되는 익사이터 자속에 의존한다. "자기 소거 장(demagnetizing field)"은 자기 유도를 상쇄하기 위해 자석에 적용되는 자기장이다.

도 2의 예에서, 자기 소거 장치는 영구 자석(3a)에 근접하여 고온의 유체를 순환시키도록 구성된다. 보다 정확하게는, 자기 소거 장치는 덕트(60)를 포함하고, 덕트는 복수의 종말 부분(61)으로 이어지며, 복수의 종말 부분은 각각이 서로 평행한 축 B1, B2 및 B3을 갖는다. 각각의 덕트 종말 부분은 자석(3a)의 내부 용적 내로 이어진다.

자석(3a)의 내부 용적은 덕트(60)의 좌측 단부와 유체 연통한다. 따라서, 덕트(60) 및 종말 부분(61)은 전기 기계 외부의 소스로부터 고온의 유체, 일반적으로 고온의 공기를 수용하기 위한 통로를 제공하고, 이 고온의 유체를 자석에 가깝게 가져온다.

덕트 어셈블리는 고온의 유체의 유동을 가능한 한 자석(3a)에 가깝게 할 수 있게 한다.

도 2의 예에서, 덕트(60)는 회전자 샤프트의 축(A)을 따라 연장된다. 덕트의 좌측 단부는 도 2의 회전자 샤프트의 좌측 단부를 통과한다. 덕트는 회전자(2)의 샤프트 중앙 부분(22)의 우측 단부 근처의 평면까지 계속된다.

전술한 덕트 세트는 영구 자석(3a)을 위한 강제 자기 소거 장치를 구성한다.

하나의 유리한 변형에서, 영구 자석(3a)은 하나 이상의 내부 채널을 구비하고, 유체 예를 들어 열 전달 유체가 그 내부 채널을 통해 흐르기에 적당하다. 따라서 자석의 내부 체적에서 열 교환이 가능하여, 자기 소거 장치에 의해 공급되는 열에 대한 자석의 응답 시간이 감소한다. 이로 인해 자기 소거가 가속화된다. 이러한 내부 채널은 예를 들어 자석의 내부 체적에서 축 A에 실질적으로 평행한 방향인 길이 방향으로 연장된다.

또한, 고정자에서의 자속의 작용에 의해 자기 소거 장치의 작용을 완료하여 자기 소거 장을 생성하는 것이 가능하다는 점에 유의할 것이다.

바람직하게는, 밸브(63)가 덕트(60)의 좌측 단부에 위치하여 고온 유체의 유입을 제어한다. 밸브(63)는 예를 들어 헬리콥터에 탑재된 온-보드 컴퓨터에 의해 전자적으로 제어될 수 있다. 밸브(63)는 온/오프 유형의 밸브 또는 비례 밸브일 수 있다.

고온의 유체가 덕트(60)에 의해 유입될 때, 이 고온의 유체는 자석의 온도 상승을 유발하기 위해 자석(3a)의 내부 용적에 열을 전달한다.

하우징(7) 내부에서 고온의 유체를 배출하기 위해, 배출 덕트(70)를 배치하는 것이 유리하다. 배출 덕트(70)의 제1 단부는 하우징의 내부 용적 내로 이어지고, 제2 단부는 하우징 밖으로 이어진다. 배출 동작은 헬리콥터의 컴퓨터에 연결된 배출 밸브(71)에 의해 제어될 수 있다. 덕트(70)는 하우징(7) 내부가 과압되지 않도록 한다.

발전기가 작동할 때, 유도 전류는 자석들, 특히 자석(3a)의 익사이터 자속의 영향으로 권선(5a)에서 순환한다. 권선(5a)의 단락이 발생하는 경우, 자석이 계속 회전하면(이에 따라 자속을 계속 생성하면), 수백 암페어에 도달할 수 있는 권선의 손상 임계 값보다 큰 매우 높은 강도의 유도 전류가 권선에서 순환할 수 있다.

유리하게는, 기계(1)는 권선 손상 센서(50)를 포함한다. 센서(50)는 헬리콥터의 컴퓨터에 데이터를 전달할 수 있다. 권선 손상 위험이 있는 경우, 예를 들어 단락이 발생한 경우, 자기 소거 장치는 (밸브(63)를 통해) 영구 자석(3a)의 온도 상승을 유발하도록 구성된다. 이에 따라서 단락된 권선을 보호할 수 있다.

바람직한 구성에서, 기계(1)의 각각의 영구 자석(3)은 자기 소거 장치에 의해 가열될 수 있다. 예를 들어, 덕트(60)는 각각의 영구 자석의 근방으로 이어지는 특히 영구 자석(3b)의 근방으로 이어지는 다른 종말 부분(도시되지 않음)으로 계속해서 이어질 수 있다.

이 변형 예의 한 가지 장점은, 권선의 모든 영구 자석들에 의해 생성된 유도 전류를 완전히 상쇄하여 제한할 수 있다는 것이다.

전기 기계의 각 권선에는, 단락의 경우 각 권선을 보호할 수 있도록 손상 센서가 있는 것이 바람직하다.

하나의 가능한 변형 예(도면에 도시되지 않음)에서, 자기 소거 장치는 가스/가스 또는 가스/액체 열교환기에 연결될 수 있는데, 가스는 예를 들어 공기이고, 액체는 예를 들어 오일, 연료 또는 물이다. 열 교환기는 고온 유체 소스(이후 예에서는 가스 터빈 엔진)와 전기 기계 사이에 배치된다. 열교환기는 외부 열원에서 전기 기계로 유입되는 유체의 입력 온도를 제어하고 조정할 수 있다.

도 3은 헬리콥터 가스 터빈 엔진(10)의 개략적인 단면도이다. 가스 터빈 엔진(10)은 도 2의 전기 기계(1)의 회전자(2)를 구동하는 축 D를 갖는 회전자를 포함한다. 이 예에서, 가스 터빈 엔진(10)은 복수 스테이지 및 원심 압축기를 구비하는 가스 터빈 엔진이다.

가스 터빈 엔진은, 가스 터빈 엔진이 작동 중일 때 공기가 흐르는 순서대로 공기 유입구(11), 제1 원심 압축기(12), 제2 원심 압축기(13), 연소실(14), 가스 발생기 터빈(15) 및 자유 터빈(16)을 포함한다.

여기서, 가스 터빈 엔진(10)은 이중 스풀을 갖는다. 이것은 자유 터빈(16)에 대응하는 제1 스풀(17) 및 압축기와 가스 발생기 터빈에 대응하는 제2 스풀(18)을 포함한다.

가스 터빈 엔진(10)은 자유 터빈(16)의 출구에서 배기 노즐(미도시)까지 유입구(11)로 유입되는 공기에 대한 유동 경로를 형성하는 가스 스트림을 포함한다.

매우 유리하게는, 가스 터빈 엔진이 작동하는 동안, 가스 스트림은 영구 자석(3a)을 탈자 하기 위한 장치에 고온의 유체를 공급하기 위한 고온 유체의 공급원으로서 작용한다.

도 3의 예에서, 가스 추출 요소(64)가 가스 터빈 엔진(10)의 가스 스트림에 위치하여, 가스 스트림에서 고온 가스를 추출하고, 이를 덕트(60)에 공급한다. 요소(64)는 일 단부에 직렬로 위치한다. 여기서 요소(64)는 한편으로는 가스 터빈 엔진(10)의 가스 스트림의 일부에 연결되고, 다른 한편으로는 도 2에 도시된 덕트(60)에 연결된 덕트이다.

복수의 가스 터빈 엔진에 의해 이전에 압축된 고온의 공기를 회수할 수 있도록, 요소(64)는 가스 터빈 엔진(10)의 압축기의 출구에 배치되는 것이 바람직하다.

도 3의 예에서, 요소(64)는 축 D에 수직이고 제2 원심 압축기(13)의 출구를 통과하는 평면(일반적으로 "평면 P3"라고 함)에서 가스 터빈 엔진(10)의 스트림으로 이어진다. 제2 원심 압축기(13)는 연소실(14)의 바로 상류에 위치하기 때문에, 이러한 구성의 한 가지 장점은 매우 높은 온도에서 가스를 회수한다는 것이다.

대안으로서 또는 조합하여, 축 D에 수직이고 제1 원심 압축기(12)의 출구를 통과하는 평면(일반적으로 "평면 P2 또는 P2.5"라고 함)에서 및/또는 터보 머신의 배기 노즐(평면 P5 및/또는 P6)에서 가스 추출이 수행될 수 있다. 선택적으로, 요소(64)에 근접한 가스 추출 지점에 흡입 장치가 추가된다. 흡입 장치는, 고온 가스가 저압에서 예를 들어 배기 노즐에서 추출되는 경우에 특히 유리하다.

대안으로, 가스 추출은 영구 자석의 자기 소거 장치에 공급하기 위해 다른 유형의 터보 기계의 스트림에서 수행될 수 있다.

자기 소거 장치의 열원으로 헬리콥터의 터보기계를 사용하는 것이 유리한데, 이는 이 열원은 자기 소거 장치가 없는 경우에도 이미 존재하기 때문이다. 따라서 전기 기계의 회전자를 구동하는 기능과, 자석의 강제 자기 소거 기능 사이에 시너지 효과가 얻어진다. 또한 터보기계에서 고온의 가스를 추출하면 추진 어셈블리의 총 질량과 신뢰성에 영향을 미치지 않는다.

도 4는 자성 재료의 온도에 따른 자석(3a)의 자성 재료의 자기 유도 특성 곡선이다. 이 예에서 자성 재료는 Nd₂Fe₁₄B이다. 여기서 미터 당 킬로암페어로 주어진 자기 소거 장 H의 절대 값이 증가함에 따라, 여기서 킬로 가우스 단위로 주어진 자기 유도 J.B는 감소한다. 온도가 상승함에 따라, 자기 유도는 점점 더 작은 자기 소거 장의 절대 값이 작아지도록 상쇄된다(100℃에서 약 1380 kA/m, 210℃에서 약 360 kA/m).

위에서 언급한 바와 같이, 자석의 퀴리 온도를 넘어서는, 자기 소거 장이 없어도 자기 유도가 상쇄된다.

예를 들어, 여러 자성 재료의 퀴리 온도는 다음과 같다. NdFeB의 경우 140℃ 내지 220℃, SmCo₅의 경우 280℃, Sm₂Co₁₇의 경우 350℃ 내지 550℃, l'AlNiCo의 경우 550℃, 스트론튬 계열 페라이트의 경우 250℃, 바륨 계열 페라이트의 경우 100℃ 내지 240℃이다.

전기 기계(1)의 자기 소거 장치는 자석의 퀴리 온도의 함수로서 결정된 온도를 넘어서, 관련된 영구 자석의 온도 상승을 구현하기에 적합한 것이 바람직하다.

예를 들어, 자기 소거 장치는 자석의 자기 유도를 강력하게 제한하기 위해, 자석이 그 자석의 퀴리 온도의 95%에서 105% 사이에 포함되는 온도에 도달하도록 구성된다.

자기 소거 장치는 자석이 그 자석의 자기 유도를 상쇄시키는 퀴리 온도에 도달할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

실제로, 자석이 퀴리 온도의 100%에 있는 경우, 외부 자기 소장 장이 없는 상태에서 영구 자석의 자기 소거를 최적으로 수행할 수 있다.

따라서 자기 소거 장치는, 자석이 계속 회전하더라도 자석의 회전에 의해 발생하는 자속을 일시적으로 그리고 급속하게 상쇄하는 수단을 제공한다. 따라서 단락이 발생하는 중에도, 권선을 보호할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 영구 자석 동기 기계(1')의 종단면도이다. 단면 평면은 회전자(2)의 샤프트의 축 A를 통과한다.

기계(1')의 내부 구조, 특히 회전자(2) 및 고정자의 배열은 도 2의 기계(1)와 관련하여 위에서 설명한 것에 부합된다.

덕트(60) 대신에, 기계(1')는 복수의 덕트(62)를 포함한다. 덕트(60)와 같이, 덕트(62)들은 영구 자석(3a)에 근접하게 위치된 체적과 유체 연통하는 고온의 유체 소스를 전기 기계 외부에 배치한다. 여기서, 덕트(62)는 회전자의 샤프트의 축 A에 수직인 서로 평행한 축 B1, 축 B2, 축 B3을 따라 각각 연장된다.

각각의 덕트(62)는 하우징(7)의 외부로부터 하우징(7) 및 고정자(4)를 관통해 고정자(4)의 내부 표면으로 연장된다. 덕트(62)들은 개구(40)들을 통해 고정자(4)를 통과한다.

따라서 덕트(62)의 단부는 영구 자석(3a)의 표면 위로 이어진다.

밸브(63)는 이러한 덕트를 통한 고온의 유체의 유입을 제어하기 위해 덕트(62)의 외측 단부에 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 덕트는 예를 들어 헬리콥터의 온-보드 컴퓨터에 의해 전자적으로 제어할 수 있다.

대안적으로, 단일 덕트(62) 또는 임의의 수의 덕트를 사용하는 것이 가능하다.

종말 부분(61)을 갖는 덕트(60) 대신 또는 종말 부분(61)을 갖는 덕트(60)의 보완물로서 덕트(62)를 사용할 수 있다. 두 배향의 덕트를 결합한 구조는 더 많은 양의 고온 유체 유동이 영구 자석(들)과 근접하게 하며, 이는 온도 상승을 가속화 한다.

따라서 고온 가스의 제트는 회전자 샤프트의 축 A에 대해 축 방향 및/또는 반경 방향으로 달성될 수 있다.

보다 일반적으로, 자기 소거 장치의 덕트의 형상과 배열은 전기 기계의 구조, 질량 및 벌크 제약 조건 또는 자석의 온도 상승 필요성에 따라 조정될 수 있다.

자기 소거 장치의 열원으로 고온의 유체가 반드시 사용되어야 하는 것은 아니다. 다양한 유형의 열원이 고려될 수 있다. 특히 덕트(60)를 자속이 상쇄되어야 하는 영구 자석에 근접하게 위치하는 전기 레지스터로 대체하는 것이 가능하다.

Claims (15)

1. 고정자(4) 및 상기 고정자(4)에 대해 회전할 수 있는 회전자(2)를 포함하며, 상기 회전자 또는 고정자는 복수의 영구 자석을 포함하는, 항공기용 전기 기계에 있어서,
   상기 전기 기계는, 일시적으로 온도가 상승하는 동안에 영구 자석(3a)에 의해 생성된 익사이터 자속을 제한하기 위해, 영구 자석의 일시적인 온도 상승을 구현하기에 적당한, 영구 자석의 자속을 제거하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 자속 제거 장치는 영구 자석(3a) 근방에서 또는 영구 자석 내에서 고온의 유체를 순환시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
3. 제2항에 있어서,
   상기 자속 제거 장치는 덕트(60)를 포함하고, 상기 덕트의 종말 부분(61)은 영구 자석(3a) 표면으로 또는 영구 자석(3a)의 내부 용적 내로 이어지는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
4. 제3항에 있어서,
   덕트(60)의 일부분은 회전자(2) 샤프트의 축 A를 따라 연장하고, 회전자(2)에서 상기 덕트의 종말 부분(61)은 상기 덕트(60)의 일부분으로부터 영구 자석(3a)으로 연장하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
5. 제3항에 있어서,
   덕트(60)의 일부분(62)은, 전기 기계의 외부로부터 고정자(4)의 내부 표면까지, 회전자(2)의 샤프트의 축 A와 수직으로 연장하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 기계는 방사상 플럭스 유형이고, 상기 회전자(2)는 원통형인 것을 특징으로 하는 전기 기계.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 기계는 축 방향 플럭스 유형이고, 상기 회전자(2)는 원반형인 것을 특징으로 하는 전기 기계.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   영구 자석은 퀴리 온도를 가지고, 자기 소거 장치는 퀴리 온도를 넘어 영구 자석(3a)의 일시적 온도 상승을 구현하기에 적당한 것을 특징으로 하는 전기 기계.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   권선(5a)을 추가로 포함하되, 회전자(2)가 회전하는 중에 영구 자석(3a)에 의해 생성된 익사이터 자속의 영향 아래에서, 유도 전류가 권선(5a) 내에서 순환하도록 상기 권선(5a)이 배치되고,
   상기 전기 기계는 권선 오류 센서(50)를 추가로 포함하고, 자기 소거 장치는 권선 오류가 검출될 때 영구 자석의 온도 상승을 구현하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기 기계.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전기 기계(1) 및 고온의 유체 소스를 포함하는 어셈블리에 있어서, 상기 고온의 유체 소스는 전기 기계의 자기 소거 장치로 고온의 유체를 공급하기에 적당한 것을 특징으로 하는 어셈블리.
11. 제10항에 있어서,
    가스/가스 교환기 또는 가스/액체 열교환기를 추가로 포함하고, 상기 열교환기는 상기 고온의 유체 소스와 전기 기계 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    터보기계(10)를 포함하되, 상기 터보기계는 터보기계가 작동하는 중에 고온의 유체 소스로 작용하는 가스 스트림을 포함하고, 상기 가스 스트림에 고온의 가스 추출 요소(64)를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
13. 제12항에 있어서,
    상기 추출 요소는 터보기계의 축 D에 수직으로 정의되는 추출 평면으로부터 고온의 가스를 유입시키기에 적당하고, 상기 추출 평면은,
    - 터보기계의 연소실(14)의 바로 상류에 위치하는 터보기계의 최종 압축기 스테이지(13)의 출구를 지나 연장하는 평면 P3으로 호칭되는 평면,
    - 최종 압축기 스테이지와 다른 터보기계의 압축기 스테이지(12)의 출구를 지나 연장하는 평면 P2.5로 호칭되는 평면,
    중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
14. 제12항에 있어서,
    상기 추출 요소는 터보기계의 배기 노즐에 위치하는 추출 지점으로부터 고온의 가스를 유입시키기에 적당한 것을 특징으로 하는 어셈블리.
15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 어셈블리를 포함하는 항공기로, 상기 항공기는 예를 들어 헬리콥터 또는 하이브리드 열/전기 발전 항공기인 것을 특징으로 하는 항공기.

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