KR20230004782A - 모터 구동 시스템 - Google Patents

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KR20230004782A
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motor drive
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사이먼 테일러
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쥐케이엔 에어로스페이스 서비시즈 리미티드
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Abstract

본 발명은 모터 구동 시스템에 관한 것으로서, 모터 구동 시스템은 연료 전지; 연료 전지에 전기적으로 연결된 모터; 및 사용 시, 극저온제를 수용하도록 배열된 극저온 시스템을 포함하고, 연료 전지는 모터에 전류를 출력하도록 배열되고, 극저온 시스템은 사용 시 극저온 시스템으로부터 연료 전지로 극저온제를 연통하도록 배열된다.

Description

모터 구동 시스템
본 발명은 모터 구동 시스템에 관한 것이다. 모터 구동 시스템의 효율은 비효율적인 구동 시스템의 환경 영향으로 인해 관심사가 된다. 모터 구동 시스템은 육상 차량 및 비행 차량의 운송 수단 모두의 작동에서 이용될 수 있다.
대부분의 추정에 따르면, 항공기 교통은 15년마다 두 배로 증가되어 공중 모터 구동 시스템의 작동에 상당한 증가를 제공한다. 비효율적인 구동 시스템으로 인해, 비효율적인 시스템을 고려하는데 요구되는 구동을 발생시키기 위해 자원을 더 많이 사용하게 된다. 이와 같이, 자원(등유 등)의 사용은 더 효율적인 시스템의 개발에 의해 감소될 수 있다. 많은 구동 시스템으로부터의 배출물은 지면에서 생성되든 상공에서 생성되든 유해한 것으로 알려져 있다.
대체 연료의 사용이 알려져 있고, 이는 현재 연료에 비해 이점을 제공하지만, 개선될 수 있는 모터 구동 시스템의 영역이 존재한다. 가장 단순한 모터 구동 시스템 내에도 다수의 요소가 있기 때문에, 모터 구동 시스템의 효율을 개선하기 위한 임의의 시도는 다수의 잠재적인 시작 옵션을 가진다.
따라서, 모터 구동 시스템의 효율 개선에 있어서의 많은 진보에도 불구하고, 더욱 효율적인 시스템이 여전히 요구되고 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 발명의 발명자들은, 본 명세서에서 설명된 이전에는 이용할 수 없는 넓은 범위의 이점을 가지는 모터 구동 시스템을 생성하였다.
본 발명의 양태는 첨부된 청구범위에 기재되어 있다.
제1 양태에 따르면, 모터 구동 시스템이 제공되며, 모터 구동 시스템은 연료 전지; 연료 전지에 전기적으로 연결된 모터; 및 사용 시 극저온제(cryogen)를 수용하도록 배열된 극저온 시스템을 포함하고, 연료 전지는 모터에 전류를 출력하도록 배열되고, 극저온 시스템은 사용 시 극저온 시스템으로부터 연료 전지로 극저온제를 연통하도록 배열된다.
제2 양태에 따르면, 제1 양태의 모터 구동 시스템을 포함하는 항공기가 제공된다.
제3 양태에 따르면, 모터 작동 방법이 제공되며, 이 방법은 연료 전지를 제공하는 단계; 모터를 제공하는 단계; 연료 전지와 모터 사이에 전기적 연결을 제공하는 단계; 연료 전지에 극저온제를 제공하는 단계; 연료 전지에 극저온제를 제공하는 단계; 및 연료 전지로부터 모터로 직접 전력을 출력하는 단계를 포함한다.
제4 양태에 따르면, 항공기 추진 장치가 제공되며, 항공기 추진 장치는, 사용 시 공기 중에서의 회전 시 추력을 발생시키도록 배열된 프로펠러; 및 사용 시 프로펠러의 회전을 유발하도록 배열된 모터 구동 시스템을 포함하고, 모터 구동 시스템은: 연료 전지; 연료 전지에 전기적으로 연결된 모터; 및 사용 시 극저온제를 수용하도록 배열된 극저온 시스템을 포함하고, 연료 전지는 모터에 전류를 출력하도록 배열되고, 극저온 시스템은 사용 시 극저온 시스템으로부터 연료 전지로 극저온제를 연통하도록 배열된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 단지 예로서 그리고 후속하는 도면을 참조하여 이제 설명될 것이다:
도 1은 모터 구동 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템용 모터의 일부의 개략도를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템용 모터의 일부의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템용 모터의 일부의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템의 개략적인 배열을 도시한다.
도 6은 항공기의 일부 내에 배열된 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템의 개략도를 도시한다.
본 명세서에서 종래 기술 문헌에 대한 임의의 참조는 이러한 종래 기술이 광범위하게 알려져 있거나 관련 분야의 통상적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 것의 용인으로서 간주되어서는 안된다. 본 명세서에서 사용될 때, 단어 "포함한다", "포함하는" 및 유사한 단어는 배타적인 또는 포괄적 개념으로 해석되어서는 안 된다. 즉, 이들은 "포함하지만 이에 제한되지는 않는"을 의미하도록 의도된다. 본 발명은 후속하는 예를 참조하여 더 설명된다. 청구된 발명은 이러한 예에 의해 어떠한 방식으로도 제한되도록 의도되지 않았다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 발명은 본 명세서에 설명된 개별 실시예 뿐만 아니라 실시예의 조합도 커버한다는 것이 인식될 것이다.
본 명세서에 설명된 다양한 실시예는 단지 청구된 특징을 이해하고 교시하는 것을 보조하기 위해서만 제시된다. 이들 실시예는 단지 실시예의 대표적인 샘플로서만 제공되고, 포괄적이고 및/또는 배타적인 것은 아니다. 본 명세서에 설명된 이점, 실시예, 예, 기능, 특징, 구조 및/또는 다른 양태는 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범주에 대한 제한 또는 청구범위의 등가물에 대한 제한으로 간주되지 않아야 하고, 청구된 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 다른 실시예가 이용될 수도 있고 수정이 이루어질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예는, 예컨대 개시된 요소, 구성요소, 특징, 부분, 단계, 수단, 본 명세서에 구체적으로 설명된 것들 이외의 것들의 적절한 조합을 적절하게 포함하거나, 그러한 조합으로 구성되거나, 본질적으로 그러한 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 본 개시내용은 현재 청구되지 않았지만 미래에 청구될 수도 있는 다른 발명을 포함할 수도 있다.
본 발명은 모터 구동 시스템에 관한 것이고, 구체적으로 전류 효율을 개선할 수 있는 항공기 모터 구동 시스템에 관한 것이다.
도 1은 모터 구동 시스템(10)의 개략도를 도시한다. 현대의 모터 구동 시스템(100)은 전력을 생성하는 전기 공급원(12)을 가질 수 있을 것이다. 전력은 전기 도관(14)을 따라 통과된다. 전기 도관(14)은 양쪽 단부(전기 공급원(12) 단부 및 모터(20) 단부)에 배열되는 변압기(16, 18)를 갖는다. 전력은 전기 도관(14)의 길이를 따른 전력의 손실을 감소시키도록 변환된다. 이러한 손실은 와전류 등에 기인할 수 있다. 실제로, 변압기(16, 18)는 고전류의 전달과 연관된 줄 효과(joule effect)로 인한 손실을 감소시키고, 종래의 시스템(10)에서는 고전압이 고전류보다 바람직하다.
전기 공급원(12)으로부터의 전력은 전기 도관(14)을 따라 이동하기 전에 제1 변압기(16)에 의해 승압된다(전압이 증가되고 전류가 저하됨). 이러한 이동 스테이지는 비교적 큰 거리를 가로지를 수 있고 그에 따라 이러한 거리를 따라 이동하기 전에 전류를 저하시키는 것은 전기 손실을 감소시킨다. 이후에 전력은 모터(20)에 공급되기 전에 제2 변압기(18)에 의해 강압된다(전압이 저하되고 전류가 증가됨). 도시된 모터(20)는 고정자(22) 및 회전자(24)를 포함한다.
이 시스템(10)은 추진력이 발생될 수 있도록 모터(20)에 전력이 공급될 수 있게 한다. 일 예에서, 전기 공급원(12)은 연료 전지일 수 있다. 구체적인 예에서, 도 1에 도시된 시스템(10)은 전기 도관(14), 변압기(16, 18) 및 모터(20)를 포함하는 시스템 부분(11)을 가질 수 있다. 이 시스템 부분(11)은 평가될 수 있는 효율을 갖는다. 전기 도관(14)은 전형적으로 약 98%의 효율을 갖고, 변압기(16, 18)는 전형적으로 약 98%의 효율을 갖고, 모터는 전형적으로 97%의 효율을 갖는다. 따라서, 이 시스템 부분(11)은 약 92%의 전체 효율을 갖는다.
변압기(16, 18) 대신에, 이 배열(10)은 상기 줄 가열(joule heating)을 회피하기 위해 충분히 낮은 전류를 생성하도록 배열된 연료 전지(12)를 가질 수 있지만, 이는 연료 전지(12)가 우선적으로 고전류를 생성하기 때문에 전체 시스템 효율을 여전히 감소시킨다. 이 배열(10)은 출력부에서의 일부 전력 조절 및 플랜트 제어기(plant controller)의 조화를 이용할 수 있다. 이러한 전력 조절은 배터리 등과 같은 중간 전기 저장 요소를 사용하여 부분적으로 제어될 수 있다. 이러한 특징을 포함하는 것 역시 시스템 부분(11)의 전체 효율을 감소시킨다.
도 2a는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 도시된 모터 구동 시스템(100)은 전기 공급원(110)을 갖는다. 전기 공급원(110)은 연료 전지(110)일 수 있다. 모터 구동 시스템(100)은 연료 전지(110)에 전기적으로 연결되는 모터(120)를 갖는다. 모터 구동 시스템(100)은 사용 시 극저온제를 수용하도록 배열되는 극저온 시스템(130)을 갖는다. 사용 시, 극저온 시스템(130)은 극저온 시스템(130)으로부터 연료 전지(110)로 극저온제를 연통하도록 배열된다. 이러한 극저온제는 연료 전지(110)의 온도를 감소시킬 수 있다.
도시된 모터 구동 시스템(100)은 또한 연료 전지(110)를 모터(120)에 전기적으로 연결하기 위한 전기 도관(140)을 갖는다. 도시된 모터 구동 시스템(100)은 또한, 연료 전지(110)와 모터(120) 사이의 전기적 연결을 제어 가능하게 그리고 가역적으로 차단할 수 있는, 전기 도관(140) 상에 배열된 스위치(150)를 갖는다. 모터 구동 시스템(100)은 복수의 스위치(150)를 가질 수 있을 것이다. 스위치(150)는 안전을 위해 시스템(100)을 차단하는데 이용될 수 있다. 스위치(150)는 일 예에서 접촉기일 수 있다. (도 2a 및 도 2b에 도시된) 상이한 아키텍처가 상이한 방식으로 안전을 가능하게 하는 상이한 배열을 도시한다. 도 2b에서, 연료 전지(110)와 모터(120) 사이에 인버터(118)가 도시된다.
일 실시예에서, 인버터(118)(및/또는 컨버터)는 연료 전지(110)로부터의 출력의 전압 또는 전류를 변경하는데 사용될 수 있다. 이 출력은 모터(120)에 제공될 수 있다. 고정자 코일 또는 모터(120)를 위한 인버터(118)(또는 전력 전자 장치)는 동일한 유닛에 내장될 수 있을 것이다. 예를 들어, 인버터(118)는 모터(120)에 통합되거나 내장될 수 있다. 인버터(118)가 모터(120)에 내장되는 예에서, 인버터(118) 및 고정자 권선부는 동일한 극저온 회로를 공유할 수 있다. 극저온 회로(cryocircuit)는 극저온 냉각되는 회로일 수 있거나, 구성요소의 극저온 냉각을 허용하기 위해 극저온제를 운반하는 도관의 배열일 수 있다. 그러한 구성요소는 예를 들어 모터, 인버터 및 고정자 권선부일 수 있다. 인버터(118)는 모터(120) 내의 자기장을 제어 가능하게 변경시킬 수 있다. 스위치(150) 및/또는 인버터(118)는 고정자 코일들로부터 역기전력(back EMF)을 절연하도록 작용할 수 있다. 이는 유리하게는 시스템 내로 재차 진입하는 에너지에 대한 안전 기능을 제공한다.
극저온 시스템(130)은 극저온제를 수용하도록 배열될 수 있다. 극저온제는 액체 또는 기체일 수 있다. 극저온제는 액체 수소(LH2) 또는 액체 질소(LN) 또는 액체 헬륨(LHE) 또는 액체 천연 가스(LNG) 등 중 임의의 것일 수 있다. 극저온 시스템(130)은 전력의 생성을 위해 액체 극저온제를 연료 전지(110)에 공급할 수 있다. 다양한 요소에 극저온제를 "공급한다", "제공한다" 또는 "연통한다"는 것은, 본 명세서에서, 극저온제가 해당 요소와 열적 연통 상태가 되도록 해당 요소의 일부 근접부 내로 이동되거나 이동하게 허용되어, 해당 요소로부터 극저온제로의 열 에너지의 전달을 초래하는 것을 의미한다. 해당 요소로의 극저온제의 이러한 연통은 요소의 온도의 감소를 유발한다.
본 명세서에서 "극저온제", "극저온 물질" 및 "극저온 공급원"과 같은 용어가 극저온 온도를 갖는 실제 물질을 지칭하기 위해 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 이러한 물질은 대부분의 배열에서 탱크 또는 용기 등 내에 수용될 것이다. 극저온 온도는 명백히 해당 물질에 좌우되지만, 극저온 거동이 -50℃까지 물질에서 관찰되었다. 따라서, 극저온 온도는 -50℃미만의 온도를 지칭하는 것으로 본 명세서에서 취해진다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 극저온 공급원 또는 극저온제는 비제한적인 용어로 간주되고, 따라서 액체 수소, 액체 천연 가스, 액체 질소, 액체 헬륨 등 중 임의의 것을 지칭할 수 있다. 극저온제는 반드시 상기 리스트 중 하나일 필요는 없다. 일 예에서, H2는 연료 공급원으로서 사용될 수도 있고, 반면에 극저온 냉각은 예를 들어 액체 질소에 의해 공급된다.
전력이 연료 전지(110)로부터 모터(120)로 전도되는 전기 도관(140)은 전달 손실을 감소시키기 위해 극저온 시스템(130)에 의해 공급되는 극저온제에 의해 과냉각될 수 있다. 스택의 동결을 회피하는 것이 유리할 수 있다. 동결을 방지하기 위한 하나의 옵션은 시스템 내에서 방출된 열을 이용하고 동결을 방지하기 위해서 이 열을 경로를 따라 전달(routing)하는 것이다. 물의 온도는 형성된 물이 이슬점보다 낮지만 동결점보다 높도록 제어될 수 있다. 이는 표면과 접촉시 물의 동결을 방지할 것이다. 동결을 방지하기 위한 다른 방법은 물이 접촉할 수 있는 임의의 표면을 물의 동결점보다 높게 배열하는 것을 포함한다. 시스템의 열전 설계는, 시스템 내에서 생성된 열이 동결을 방지하기 위해 전지 및 스택 내에서 경로를 따라 전달되는 것을 보장하도록 제어될 수 있다.
추가적인 기술은 시스템 내의 공기의 팽창뿐만 아니라 유입구 성질을 제어하는 것을 포함한다. 이러한 팽창은 벽의 온도를 강하시킬 수 있고, 이는 저온 표면 상에서의 물의 동결을 초래할 수 있다. 따라서, 공기 팽창이 제어되고 제한되어야 한다. 수소 및 산소가 연료 전지(110)의 플레이트를 통과하는 것이 허용되는 방법에 대해 제어가 정확하게 수행되어야 한다. 이러한 제어는 시스템 내의 공기 유동을 제어하기 위한 일련의 밸브 및 도관 등에 의해 제공될 수 있다.
극저온 시스템(130)은 또한 극저온제를 모터(120)에 연통하여 모터(120)를 냉각시킬 수 있다. 모터(120)의 냉각은 모터(120)의 온도를 저하시키기 위해 모터(120)의 열적 연통부 내에 극저온제를 통과시키는 것을 수반할 수 있다. 특히 극저온제는 고정자 코일/권선부를 냉각시키기 위해 모터(120)의 열적 연통부 내에서 통과할 수 있다. 극저온제는 일부 열이 모터(120) 및/또는 전기 도관(140)으로부터 제거되면, 극저온제의 재순환을 가능케 하도록 도관 등 내에서 통과될 수 있다. 극저온제가 가열됨에 따라, 일부 극저온제는 연료 전지에서 연료로서 사용하기에 적합해질 수 있다. 이는 냉각 및 연료 전지(110)에 대한 연료를 제공하는 효율적인 방법이다.
도 2에 도시된 배열에서, 연료 전지(110)의 작동은 전력을 발생시키며, 전력은 후속하여 모터(120)의 고정자(122)에 구동을 제공한다. 도시된 예에서, 연료 전지(110)는 전력을 제공하도록 작동한다. 이러한 전력은 고전류 상태이고, 고전류 상태에서 전기 도관(140)을 따라 모터(120)로 이동한다. 상당하였을 그리고 그에 따라 본 방법을 도 1의 시스템에서 사용하여 방자할 수 있는 손실이 전기 도관(140)으로 연통되는 극저온제로 인해 완화된다. 전기 도관(140)은 극저온 시스템(130)에 의한 전기 도관(140)으로의 극저온제의 연통에 의해 초전도성이 될 수 있다. 전기 도관(140)은 전기 버스일 수 있다.
배열(100) 내의 모터(120)는 전하의 이동(전류)을 통해 연료 전지(110)로부터의 전기 에너지를 자기장으로 변환하며, 전류 밀도는 자기장 강도 및 그에 따른 토크에 대한 제한 인자(limiting factor)이다. 토크를 증가시키기 위해, 전류 밀도 및 그에 따라 냉각이 증가된다. 따라서, 전기 버스(140)를 더 많이 냉각하면, 더 효율적인 배열(100)이 제공된다. 일 실시예에서, 전압은 매우 낮고 전류는 매우 높다. 전압은 장을 변조하는데 사용될 수 있다. 이는 전기 버스(140)의 극저온 냉각 또는 고온 초전도 배열에 의해 지지될 수 있다.
전기 버스(140)는 연료 전지(110)로부터 생성된 고전류 전력의 통과를 허용하도록 고전력 전기 버스(140)일 수 있다. 전기 버스(140)는 매우 높은 전류 밀도, 즉 연료 권선부로 직접 송출되는 단위 면적당 높은 수의 암페어를 운반해야 할 수 있다. 시스템(100)은 모터(120)의 활성화 및 불활성화를 제어할 수 있도록 모터(120)의 계자 권선부에 대한 전압 제어의 형태를 이용할 수 있다. 전기 버스를 위해 사용될 수 있는 재료는 구리, 알루미늄, 그래핀 또는 초전도성(및 고온 초전도성) 버스 바아, 케이블, 와이어 또는 릿츠(litz), 예를 들어 붕화 마그네슘(MgB2) 등과 같은 전도성 요소를 포함한다.
도 2에 도시된 시스템(100)은 연료 전지(110) 및 모터(120)의 기능을 상승작용 방식으로 조합한다. 이는 연료 전지(110)의 고전류 출력이 모터(120)의 계자 권선부로 직접 공급될 수 있도록 한다. 또한, 사용 중에, 극저온 시스템(130) 내에 수용된 극저온제가 연료 전지(110), 모터(120) 및 전기 버스(140)로 연통될 수 있어, 전기 효율 등을 개선한다. 연료 전지(110)에 의해 생성된 전력을 승압 또는 강압시키기 위한 변압기가 필요하지 않다.
따라서, 연료 전지(110)에 의해 생성 또는 출력되는 전류는 모터(120)에 진입하거나 모터(120)에 입력되는 전류와 사실상 동일하다. 또한, 연료 전지(110)에 의해 생성되거나 출력되는 전류는 전기 버스(140)를 따라서 운반되는 전류와 사실상 동일하다.
전기 버스는 실제로 완벽하게 초전도성이 아닐 수 있고 오히려 일 예에서 전기 버스(140) 내의 임의의 결함은 전기 버스(140)의 길이를 따르는 열 손실의 형태로 전류의 일부 저하(비록 미소할지라도)를 초래할 수 있기 때문에, "사실상"이 여기에 사용되었다. 이러한 결함은 예를 들어 제조 시 결점 또는 불순물 등에 기인할 수 있다. 다른 예에서, 극저온 시스템(130) 및 극저온제의 전달에서의 결함은 전기 버스(140)가 그 사용의 전체 지속 시간 동안 완벽하게 초전도성이 되지 않게 할 수 있다. 따라서, 이들 미소한 손실로 인해 연료 전지(110)와 모터(120) 사이에서 실제로 전류에 일부 작은 낮은 레벨 변화가 발생할 수 있다. 그러나, "사실상"은 전기 도관(140)을 따라 통과하기 전에 전류를 변경하는 (예컨대, 변압기를 거친)능동 단계를 수반하는 현대의 시스템과 대조적으로 해석되어야 한다. 그러한 능동적 변경 단계는, 일 예에서, 본 명세서에서 개시된 신규한 배열로 인해서 불필요하게 되었다. 일 예에서, 인버터(118)가 연료 전지(110)와 모터(120) 사이에 위치될 수 있다(도 2b 참조).
이러한 방식으로, 도 1에 도시된 현재의 배열(10)에 비해, 그 예가 도 2에 도시되어 있는 본 발명은 일련의 이점을 제공한다. 특히, 개시된 배열(100)은 이들 요소를 포함하는 복잡성 및 비용을 감소시킨다. 또한, 이는 다시 시스템(100)의 신뢰성 및 효율을 개선한다.
연료 전지(110)는 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택(110)일 수 있다. 스택 내의 복수의 연료 전지(110)는 고전류 전달을 위해 최적화될 수 있고 모터 고정자(122) 하우징과 동일한 구조를 공유할 수 있다(즉, 그것과 통합될 수 있다). 연료 전지 스택(110)의 출력은 DC일 수 있고, 계자 권선부는 DC일 수도 있다.
모터(120)는 인버터와 같은 기계를 제어하기 위한 제어기인 전력 전자 모터 구동부를 가질 수 있어, 고정자 코일 내에 투입되는 전류(많거나 적거나 전무 등)의 제어를 허용한다. 샤프트 출력은 환경 제어 시스템의 부분으로서 압축기 및/또는 터빈 등을 구동하거나 전기 추진을 위해 사용될 수 있다. 모터(120)의 고정자(122)가 저온 고정자(cryostator)일 수 있을 것이다. 이는 극저온 냉각식 고정자 코일 또는 권선부, 또는 전체적인 고정자의 냉각에 기인할 수 있다. 코일만을 냉각시키는 것의 이점은 냉각을 제공하기 위한 극저온제의 감소된 사용이다. 따라서, 사용되는 극저온제의 양의 절감이 있다. 또한, 냉각된 코일들은 극저온 냉각된 코일 세트를 유지하기 위한 극저온제의 요건을 더 감소시키기 위해 예를 들어, 회전자로부터 열적으로 격리될 수 있다. 모터(120)의 회전자(124)는 영구 자석일 수 있는데, 이는 이것이 도 2에 도시된 배열(100)을 생성하는 비용 효과적인 방식일 수 있기 때문이다. 다른 예에서, 자석은 초전도성 자석(극저온 시스템(130)에 의해 제공된 극저온제를 가짐) 또는 정상 자석(예를 들어, 희토류 또는 페라이트 코어 등)일 수 있다.
도 3a는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템용 모터의 일부(200)의 개략도를 도시한다. 특히, 도 3a는 고정자(210)와 회전자(220)의 축대칭 배열을 도시하고 있다. 회전자(220)는 외부 회전자(220)이다. 고정자(210)는 외부 회전자(220)의 내측에 배열된다. 극저온 시스템 내의 극저온제는 모터의 회전자(220) 상의 펌핑 장치에 의해 펌핑될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템용 모터의 일부(200)의 개략도를 도시한다. 도 3b는 특히 고정자(230)와 회전자(240)의 축대칭 배열을 도시한다. 회전자(240)는 내부 회전자(240)이다. 내부 회전자(240)는 고정자(230)의 내측에 배열된다. 내부 회전자(240)의 회전 방향이 화살표 A로 도시된다. 극저온 시스템 내의 극저온제는 모터의 회전자(240) 상의 펌핑 장치에 의해 펌핑될 수 있다.
본 발명은 도 3a 및 도 3b의 배열 중 어느 하나와 함께 사용될 수 있지만, 도 3b(림 구동형(rim-driven))와 함께 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 중공 및 원통형 구조 등으로 작동될 수 있다. 도시되지 않은 다른 배열에서, 단일 회전자 및 복수의 고정자가 존재한다. 일 예에서, 회전자는 외부 고정자의 내측에 그리고 내부 고정자의 외측에 배열된다. 다른 배열에서는, 도 3a 및 도 3b에 도시된 배열의 연장부에, 일련의 고정자의 내측 및 외측에 배열된 일련의 회전자가 존재할 수 있다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템용 모터의 일부(300)의 개략도를 도시한다. 특히, 도 4는 고정자(310)와 회전자(320)의 비대칭 배열을 도시한다. 도 4의 배열은 림 구동형 모터(300)이다. 회전자(320)는 내부 회전자(320)이다. 고정자(310)는 내부 회전자(320)의 외측에 배열된다. 또한, 도 4에는 림 구동형 팬의 블레이드(330)가 도시되어 있다.
본 명세서에서 설명된 모터 구동 시스템 배열은 기화된 액체 극저온제를 액체 극저온제로 다시 응축하기 위해서 열 교환을 수행하기 위한 극저온 냉각기를 선택적으로 가질 수 있을 것이다. 극저온 냉각기의 사용은 특정 비행 동안 궁극적으로 손실되는 극저온제의 양을 감소시킬 수도 있고, 이와 같이 배열의 가동 비용을 감소시킬 수 있다. 극저온 냉각기가 존재하지 않는 배열의 예에서, 기화된 극저온제는 액체 형태로 다시 응축되도록 벌크 공급원으로 복귀될 수 있다. 이는 대안적으로 또는 부가적으로 연료 전지를 위한 연료로서 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템(400)의 개략적인 배열을 도시한다. 도시된 모터 구동 시스템(400)은 연료 전지(410), 분기 전기 버스(또는 일련의 전기 버스)(420, 422, 424, 426) 및 복수의 모터(442, 444, 446)를 갖는다. 연료 전지로부터 돌출한 전기 버스(420)는 3 개의 상이한 분기부(또는 상이한 버스)(422, 424, 426)로 분기된다. 이들 분기부(422, 424, 426) 각각은 각각의 모터(442, 444, 446)와 결합된다. 이러한 배열에서, 연료 전지(410)는 복수의 모터(442, 444, 446)에 전력을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 이 모터 구동 시스템(400)이 배열되어 있는 차량 내의 다수의 상이한 위치에서 추진이 발생될 수 있다. 이는 추진의 효율적인 분포를 가능하게 하여 더 효율적인 추진을 가능하게 할 수 있으며, 결국 추진을 발생시키기 위해 연료 전지에 제공되는 자원에 대한 요건을 낮출 수 있다.
또한, 전기 버스(420, 422, 424, 426)에 제공된 극저온제는 높은 전기 손실을 초래하지 않고 전력이 긴 거리에 걸쳐 반송될 수 있는 것을 보장한다. 이로 인해, 운송 수단 내의 유리한 위치에 분포되는 복수의 모터(442, 444, 446)와 나란하며 이들 모터에 전력을 제공하기 위한 하나의 연료 전지(410)를 사용할 수 있다. 따라서, 이는 복수의 연료 전지를 사용하는 비용을 감소시키고, 전체적으로 시스템의 신뢰성을 증가시킨다.
일 예에서, 각각의 버스 부분(420, 422, 424, 426)은 전력의 통과를 제어하기 위한 스위치를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 버스 부분(420, 422, 424, 426)의 일부 조합은 특정 모터(442, 444, 446) 또는 모터(442, 444, 446)의 특정 조합으로의 전력의 통과를 제어하기 위한 스위치를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 모터는 요구된 추진을 기반으로 선택적으로 그리고 제어가능하게 활성화될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 모든 모터에 걸쳐 최대 전력(full power)이 제공되는 것을 필요로 할 수 있고 따라서 모든 스위치가 폐쇄되도록 선택할 수 있다. 그러나, 더욱 정밀한 이동을 위해서, 사용자는 특정 모터만이 활성화되게 선택할 수 있는데, 이는 그러한 특정 모터의 특정 위치로부터 추진이 발생될 것이기 때문이다.
특정 예에서, 본 명세서에 개시된 모터 구동 시스템은 항공기에 사용될 수 있다. 도 6은 항공기(500)의 일 부분 내에 배열된 본 발명의 예에 따른 모터 구동 시스템의 개략도를 도시한다. 항공기(500)의 해당 부분은 나셀(560)의 부분 및 중심 스팅(centre sting)일 수 있는 내부 샤프트(570)를 포함한다. 모터 구동 시스템은, 상세하게 전술한 바와 같이, 연료 전지(510), 모터(520), 극저온 시스템(530) 및 전기 버스(540)를 갖는다. 모터 구동 시스템 구성요소들은 사실상 이전의 예에서 설명된 바와 같이 상호 작용한다. 연료 전지(510)는 나셀 내에 그리고 가스 경로로부터 멀리 위치되는데, 이는 이것이 연료 전지(510)에 열적으로 유리한 위치이기 때문이다. 화살표 B로 표시된 기류는 나셀을 위로 통과하여 상이한 온도 위치로 이어지는데, 이는 본 명세서에 설명된 모터 구동 시스템의 요소를 위치시키는데 유리하게 사용될 수 있다.
전기 버스(540)는 가이드 베인(552)을 통과하는 것으로 도시되어 있다. 전기 버스(540)는 나셀(560) 내의 복수의 가이드 베인(552, 554) 중 임의의 것을 통과할 수 있다. 도시된 특정 배열에서, 극저온으로 냉각된 전기 버스(540)는 나셀을 통과할 수 있는 배기 가스로부터 유출구 가이드 베인을 냉각시킬 수 있다. 유사한 방식으로, 동결이 발생하는 것을 방지하기 위한 열 제어는 유출구 가이드 베인을 통한 물 채널의 형태로 제공될 수 있고, 물은 상기 채널을 통해 유동한다. 제빙 기능이 또한 이러한 물 채널에 의해 제공될 수도 있다.
모터(520)에는 극저온 시스템(530)으로부터 극저온제가 공급될 수 있다. 따라서, 모터(520)는 완전 초전도 모터일 수 있다. 전술한 바와 같이, 이는 사용 중에 모터(520)의 효율을 개선할 수 있다.
도 6의 예에서, 연료 전지(510)는 나셀(560) 내에 배치된다. 연료 전지(510)는 또한 항공기의 동체 내에 배열될 수 있다. 연료 전지(510)로부터 나셀(560) 자체에 열이 입력될 수 있으므로, 나셀(560) 내에 연료 전지(510)를 배치하는 것이 유리할 수 있다. 이는 열 교환기 등을 통할 수 있다. 이는 공기 유동의 열역학적 에너지를 증가시킬 수 있고 그에 따라 나셀(560)로부터의 더 많은 추력을 제공할 수 있다. 이 열 에너지는 또한 또는 대안적으로 노즈(nose)의 제빙 등을 위해 사용될 수 있다. 또한, 나셀(560)의 압력 분포에 유리한 영향이 있을 수 있으며, 이는 또한 연료 전지(510)로부터의 낮은 품질 열의 사용을 제공한다.
연료 전지는 그 대신에 중심 본체(570) 내에 위치될 수 있다. 팬 블레이드 뒤에 연료 전지(510)를 위치시키는 것이 유리할 수 있고, 이는 노이즈 출력을 제한하고, 동체 내에서의 사용에 비해 공기역학을 개선한다.
연료 전지는 항공기의 동체 내에 위치될 수 있다. 이는 연료 전지(510)와 모터(520)의 완전한 통합의 이익을 제공하기 때문에 유리할 수 있다. 이는 전달 손실을 감소시킬 수도 있지만, 이어서 유체를 하나로부터 다른 하나로 전달할 필요가 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 나셀과 관련하여, 연료 전지의 동체 내의 위치에 의해 유사한 이점을 얻을 수 있다. 예를 들어, 경계 층 내로의 열 교환은 공기역학적 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 경계 층 흡입기(boundary layer ingestor)와 같은 하류 추진기에서 추가된 효율로 이어질 수 있다.
연료 전지는 보관을 위해 비교적 큰 체적량을 필요로 하기 때문에, 연료 전지는 유리하게는 연료 전지를 수용하기 위한 큰 체적이 있는 나셀 또는 큰 동체 영역 또는 날개 내에 배치될 수 있다.
설치 장소 부근에 물이 쌓이는 것을 방지하기 위해 항공기 내에 위치된 밸러스트 탱크가 존재할 수 있다. 따라서, 밸러스트 탱크 내에 물을 보유하는 것은 물을 밸러스트 탱크 내에 저장하고 방출하지 않는 옵션을 가능하게 한다. 물의 방출은 항공기로부터 적절하게 제거되도록 제어 가능하게 선택될 수 있다.
본 명세서에 설명된 예에서, 모터의 계자 권선부는 극저온 냉각식인 종래의 또는 고온 초전도성인 비동기식 기계의 부분일 수 있다. 이는 고가의 자석을 필요로 하지 않는 이점을 가지고 또한 극저온 또는 고온 초전도성 권선부의 높은 자기장 밀도 능력을 사용한다. 따라서, 모터의 고정자는 상이한 연료 전지 작동 조건을 반영하는 일정한 또는 (전력 수요에 따른) 단계적 전류 밀도에서 구동될 수도 있다. 이러한 조건은 예를 들어 이륙을 제외한 모든 조건에 대한 공칭 전력(nominal power) 또는 이륙 또는 하나의 엔진 비작동(OEI) 조건을 위한 비상 전력일 수도 있다. 가변 주파수 구동부를 갖는 비동기식 기계의 사용은 회전자 토크 및 속도 벡터가 차량 수요에 적합하도록 수정될 수 있음을 의미한다. 이는 또한 에너지 회수 및 역방향 속력 작동(reverse speed operation)을 지지할 수 있다. 따라서 이 배열은 본 명세서에 개시된 모터 구동 시스템의 사용자에게 상당한 양의 제어를 제공한다.
본 해결책에서, 스택을 위한 공기 냉각의 사용보다는, 산화제가 냉각 메커니즘으로서 사용된다. 이는 덜 복잡하고, 더 작고 더 가벼운 스택을 초래한다. 산화제가 냉각제 메커니즘으로서 사용되기 때문에, 추진 가스 경로는 차단되지 않고, 따라서 배열은 더 높은 효율로 작동한다. 극저온 연료는, 반응물(극저온 연료로부터의 가스)과 산화제 중 하나 또는 모두가 냉각 기능을 제공할 수 있도록 하기 위해 사용된다.
본 해결책에서, 스킨 열 교환기는 열을 유동 내로 소산시키기 위해 카울링에 대한 가스 경로의 경계 상에서 사용된다. 이는 어떠한 관련 공기역학적 손실도 없이 유동 에너지를 증가시키는 효과를 가질 것이다. 극저온제가 본 명세서에 개시된 모터 구동 시스템의 다양한 요소들을 냉각시키는 것으로부터 가열되면, 결과로 생기는 비극저온제는 연료 전지(또는 연료 전지 스택)를 위한 연료로서 사용될 수 있다. 이는 배열의 전체 효율을 더 증가시킨다.
도 1의 배열에서의 92%와 대조적으로, 본 명세서에 설명된 바와 같은 시스템에 의해 제공된 효율은 99.8% 정도로 높다. 따라서, 이는 현재 시스템에 대한 상당한 개선이다. 이는 직접적으로 추진을 생성하기 위해 필요한 자원의 절감을 초래하고, 따라서, 모터 구동 시스템이 통과하는 환경에 대한 직접적인 개선을 갖는다. 마찬가지로, 도시된 배열은 모터 구동 시스템의 사용자에게 상당한 재정적 이익을 갖는다.
이와 같이, 모터 구동 시스템이 본 명세서에서 제공되고, 그러한 모터 구동 시스템은: 연료 전지; 연료 전지에 전기적으로 연결된 모터; 및 극저온제를 수용하도록 배열된 극저온 시스템을 포함하고, 연료 전지는 모터에 전류를 출력하도록 배열되고, 극저온 시스템은, 사용 시, 극저온 시스템에 수용된 극저온제를 연료 전지에 제공하도록 배열된다.
시스템의 구성요소는 항공기의 다양한 위치에 배열될 수 있다. 예를 들어, 구동 시스템의 동결을 회피하는 것이 유리하다. 따라서, 구동 시스템의 요소의 위치는 동결을 방지하도록 고려되어야 한다.
항공기 내의 모터 구동 시스템의 배열로 인해, 항공기의 고온 열 영역 및 저온 열 영역과 같은 다른 효과가 취해지는 이점이 가능할 수 있다. 예를 들어, 고온 영역이 시스템의 일부에(예를 들어, 동결을 회피하기 위해서 연료 전지에) 열 에너지를 제공하기 위해 이용될 수 있는 한편, 저온 영역이 시스템으로부터 열 에너지를 제거하기 위해(예를 들어, 전자 구성요소를 냉각시키는데 도움을 주어 효율을 증가시키기 위해) 이용될 수 있다.
또한, 전력을 제공하기 위한 연료 전지의 사용은 표준 연소 엔진에 의해 생성된 유해한 가스 배출물과 달리, H2O의 배출물만을 초래한다. 이러한 H2O는 항공기 내에서 포획되어 휴대용 또는 비휴대용 H2O로서 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 배열은 추력을 발생시키기 위해 예를 들어 프로펠러 또는 프로펠러 배열 등을 포함할 수도 있는 항공기 추진 장치의 부분일 수도 있다.

Claims (28)

  1. 모터 구동 시스템이며,
    연료 전지;
    연료 전지에 전기적으로 연결된 모터; 및
    사용 시 극저온제를 수용하도록 배열된 극저온 시스템을 포함하고,
    연료 전지는 모터에 전류를 출력하도록 배열되고,
    극저온 시스템은 사용 시 극저온 시스템으로부터 연료 전지로 극저온제를 연통하도록 배열되는, 모터 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 극저온 시스템은 사용 시 모터의 온도 감소를 유발하기 위해 극저온제를 모터에 연통하도록 배열되는, 모터 구동 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모터는 전기 버스에 의해 연료 전지에 전기적으로 연결되고, 극저온 시스템은 사용 시 전기 버스의 온도 감소를 유발하기 위해 극저온제를 전기 버스로 연통하도록 배열되는, 모터 구동 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 전기 버스는 적어도 하나의 스위치 및/또는 적어도 하나의 인버터를 포함하는, 모터 구동 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 전기 버스는 변압기를 포함하지 않는, 모터 구동 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지에 의해 출력된 전류는 모터에 입력된 전류와 사실상 동일한, 모터 구동 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 연료 전지에 의해 출력된 전류는 전기 버스를 따르는 전류와 사실상 동일한, 모터 구동 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 모터는 고정자 및 회전자를 포함하는, 모터 구동 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 고정자는 저온 고정자인, 모터 구동 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 모터는,
    영구 자석; 및,
    유도 모터 중 적어도 하나를 포함하는, 모터 구동 시스템.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 모터는 내부 회전자 및 외부 회전자를 포함하며, 내부 회전자는 고정자의 내측에 배열되며 고정자는 외부 회전자의 내측에 배열되는, 모터 구동 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 모터를 포함하며, 연료 전지는 복수의 모터 각각에 전류를 출력하도록 배열되는, 모터 구동 시스템.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연료 전지를 포함하며, 각각의 연료 전지는 모터의 하나 이상의 코일에 전류를 출력하도록 배열되는, 모터 구동 시스템.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 모터와 복수의 연료 전지를 포함하며, 각각의 연료 전지는 복수의 모터 중 하나 이상의 하나 이상의 코일에 전류를 출력하도록 배열되는, 모터 구동 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 모터 구동 시스템을 포함하는, 항공기.
  16. 제15항에 있어서, 연료 전지는 동체 내에 배열되는, 항공기.
  17. 제15항에 있어서, 연료 전지는 나셀 내에 배열되는, 항공기.
  18. 제15항에 있어서, 연료 전지는 동체 및 나셀 내에 배열되는, 항공기.
  19. 모터 작동 방법이며, 상기 방법은:
    연료 전지를 제공하는 단계;
    모터를 제공하는 단계;
    연료 전지와 모터 사이에 전기적 연결을 제공하는 단계;
    연료 전지에 극저온제를 제공하는 단계;
    연료 전지에 극저온제를 제공하는 단계; 및,
    연료 전지로부터 모터로 직접 전력을 출력하는 단계를 포함하는, 모터 작동 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    모터에 극저온제를 제공하는 단계를 더 포함하는, 모터 작동 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 모터는 고정자 및 회전자를 포함하고, 고정자는 저온 고정자인, 모터 작동 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 전류 값에서 연료 전지로부터 전력을 출력하는 단계;
    사실상 제1 전류 값에서 전기적 연결을 따라 전력을 통과시키는 단계; 및,
    사실상 제1 전류 값에서 전력을 모터에 입력하는 단계를 더 포함하는, 모터 작동 방법.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 전지와 모터 사이의 전기적 연결을 위한 전기 버스를 제공하는 단계를 더 포함하는, 모터 작동 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    전기 버스에 극저온제를 제공하는 단계를 더 포함하는, 모터 작동 방법.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지로부터 복수의 모터로 전력을 출력하는 단계를 더 포함하는, 모터 작동 방법.
  26. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연료 전지로부터 모터로 전력을 출력하는 단계를 더 포함하는, 모터 작동 방법.
  27. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 연료 전지 각각으로부터 복수의 모터 중 하나 이상으로 전력을 출력하는 단계를 더 포함하는, 모터 작동 방법.
  28. 항공기 추진 장치이며,
    사용 시 공기 중에서의 회전 시 추력을 발생시키도록 배열된 프로펠러; 및
    사용 시 프로펠러의 회전을 유발하도록 배열된 모터 구동 시스템을 포함하고, 모터 구동 시스템은:
    연료 전지;
    연료 전지에 전기적으로 연결된 모터; 및
    사용 시 극저온제를 수용하도록 배열된 극저온 시스템을 포함하고,
    연료 전지는 모터에 전류를 출력하도록 배열되고,
    극저온 시스템은 사용 시 극저온 시스템으로부터 연료 전지로 극저온제를 연통하도록 배열되는, 항공기 추진 장치.
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