KR101096780B1

KR101096780B1 - 에너지 수확방식 승강장치

Info

Publication number: KR101096780B1
Application number: KR1020100073125A
Authority: KR
Inventors: 장선준; 정형조; 박정수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2011-12-21

Abstract

본 발명에 따른 에너지 수확방식 승강장치는, 구동부(120)와 발전기(200) 사이에 변속기(400)가 설치되며, 제어부(300)는 순환체인(130)이 하향이동할 때에 장력 게이지(110)로부터 입력되는 장력 상승치가 미리 설정된 상승 기준치를 초과하는 경우 구동부(120)측보다 발전기(200)측의 기어가 더 작아서 고기어비가 되도록 변속기(400)를 제어하고, 순환체인(130)이 하향이동할 때에 장력 게이지(110)로부터 입력되는 장력 하락치가 미리 설정된 하락 기준치를 초과하는 경우에는 구동부(120)측보다 발전기(200)측의 기어가 더 커서 저기어비가 되도록 변속기(400)를 제어한다. 본 발명에 의하면, 장력측정을 통해서 구동부와 발전기 사이의 기어비를 제어하여 잉여 회전력을 발전기로 전달함으로써 에너지의 수확을 이룰 수 있게 된다.

Description

에너지 수확방식 승강장치{Escalators able to harvest electric energy}

본 발명은 에너지 수확방식 승강장치에 관한 것으로서, 특히 탑승자에 작용하는 중력을 승강장치의 구동에 이용하고 나아가서는 이를 전기에너지로 전환하여 승강장치의 운용에 이용할 수 있도록 하는 에너지 수확방식 승강장치에 관한 것이다.

에스컬레이터와 엘리베이터 등의 승강장치는 현대 도시건물에 있어서 필수적인 시설로서 대용량 모터를 이용하기 때문에 많은 전기에너지를 소모한다. 승강장치의 하향 운전시에 승강장치로부터 회생된 전류는 보통 인버터 회로에서 허비되며, 이러한 전류는 종종 회로를 과열시키는 등의 문제를 야기시킨다.

따라서 최근 회생전류를 재사용하여 승강장치의 전력 소모량을 줄이고 에너지를 절약하고자 하는 시도들이 있어왔다. 그러나 승강장치로부터 에너지를 얻기 위하여 인버터 회로를 개발하거나 태양전지 등의 신에너지를 이용하여 전기 에너지의 소모를 줄이려는 시도가 대부분이었을 뿐 승강장치 자체의 개선을 고려하려는 시도는 드물었다.

도 1은 종래의 에스컬레이터를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 에스컬레이터(100)는 구동부(120), 순환체인(130), 스텝(140)을 포함하여 이루어지며, 승객의 수에 따라 변동하는 에스컬레이터(100)의 유효질량을 M(t), 구동부(120)의 관성모멘트를 I(t), 구동부(120)의 각가속도를 α_r 라 할 때, 순환체인(130)의 장력(T)은 아래의 수학식 1과 같다.

에스컬레이터(100)에 탑승객이 있는 경우에는 순환체인(130)에 작용하는 장력(T)이 증가하는데 비하여 구동부(120)의 관성모멘트(I(t))는 큰 변화가 없으므로 특별한 속도조절장치가 없는 경우에는 구동부(120)의 각가속도(α_r)가 상승한다. 반대로 에스컬레이터(100)로부터 탑승객이 이탈하는 경우에는 균형을 이루며 회전하고 있던 순환체인(130)의 장력(T)이 감소하는데 비하여 구동부(120)의 관성모멘트(I(t))는 큰 변화가 없으므로 특별한 속도조절장치가 없는 경우에는 구동부(120)의 각가속도(α_r)가 줄어든다.

즉, 탑승자의 몸무게에 의한 전체질량의 변화를 고려하지 않는 경우에는 이러한 탑승자의 탑승 및 이탈에 따른 장력변화로 인해 에스컬레이터의 하강 가속도가 변화되므로 구동부(120)가 일정한 회전속도로 회전하도록 에너지를 사용하여 조절해 주어야 하는 등 에너지 낭비의 원인이 된다.

따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 장력 상승 또는 하강시 일정한 가속도를 유지하기 위하여 에너지를 소모하는 대신 다양한 기어비를 통하여 잉여 회전력을 발전기로 전달함으로써 오히려 에너지의 수확이 가능한 에너지 수확방식 승강장치를 제공하는데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 수확방식 승강장치는, 탑승자를 승하강시키는 순환체인; 상기 순환체인을 구동시키는 구동부; 상기 순환체인의 장력을 측정하도록 상기 순환체인의 근방에 설치되는 장력게이지; 상기 구동부와 연결되도록 설치되는 발전기; 상기 구동부와 발전기 사이에 설치되어 상기 구동부와 발전기 사이의 기어비를 제어하는 변속기; 및 상기 순환체인이 하향이동할 때에 상기 장력 게이지로부터 입력되는 장력 상승치가 미리 설정된 상승 기준치를 초과하는 경우 상기 구동부측보다 상기 발전기측의 기어가 더 작아서 고기어비가 되도록 상기 변속기를 제어하고, 상기 순환체인이 하향이동할 때에 상기 장력 게이지로부터 입력되는 장력 하락치가 미리 설정된 하락 기준치를 초과하는 경우에는 상기 구동부측보다 상기 발전기측의 기어가 더 커서 저기어비가 되도록 상기 변속기를 제어하는 제어부; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 장력게이지, 변속기, 제어부가 별도로 독립적으로 구비되지 않고, 상기 장력게이지, 변속기, 제어부의 기능이 하나의 수동시스템인 무단변속기에 의해서 수행되는 것도 포함한다.

일반적인 감속기는 동력발생기로부터 공급되는 회전수를 감속시킴과 동시에 토크를 증가시켜 출력하게 되나, 출력축에 가해지는 부하가 출력축의 출력토크보다 클 경우 부하가 동력발생원인 모터나 엔진에 역으로 작용하여 동력발생기의 수명을 단축시키며 이로 인해 원하는 출력을 출력축으로 공급하지 못하는 경우가 발생한다.

이를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제858910호(무단변속장치, 신용철, 2008.09.10.일자 등록)에서는, 출력축의 부하가 증가하는 토크변화에 대응하여 구동체의 랙 기어가 변위되고, 구동체의 회전중심축선에서 레버 크랭크의 회전판과 랙 기어를 연결하는 회전핀의 편심거리가 조절되어 회전판의 회전반경이 변화되어 이에 따라 아암의 선회 요동변위가 변화됨으로써 출력축으로 전달되는 토크가 자동으로 조절되어 동력부가 외부 부하에 의한 과부하를 받지 않고 안정적으로 운전되는 무단변속기가 제안되었다.

본 발명은 이렇게 상기 등록특허 제858910호에서와 같이 본 발명의 장력게이지, 변속기, 제어부의 기능이 하나의 수동시스템인 무단변속기에 의해서 수행되는 경우도 포함한다.

상기 발전기 또는 구동부의 회전에 대한 물리적 저항력을 제어하도록 상기 발전기 또는 구동부에 감쇄기가 연결 설치되는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 감쇄기가 상기 발전기 또는 구동부에 연결되는 여부는 상기 제어부를 통해서 결정되도록 할 수 있으며, 이 경우 상기 제어부는 평상시에는 상기 감쇄기를 상기 발전기 또는 구동부에 연결시키지 않고 있다가 상기 변속기에 준비된 기어비 내에서 회전력을 상쇄시킬 수 없는 경우에 연결되도록 제어한다.

본 발명에 의하면, 장력측정을 통해서 구동부와 발전기 사이의 기어비를 제어하여 잉여 회전력을 발전기로 전달함으로써 에너지의 수확을 이룰 수 있게 된다.

도 1은 종래의 에스컬레이터를 설명하기 위한 도면;
도 2는 본 발명에 따른 에스컬레이터를 설명하기 위한 도면;
도 3은 도 2의 제어부(300)의 기능을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 2는 본 발명에 따른 에스컬레이터(100)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에스컬레이터(100)는 장력게이지(110), 구동부(120), 순환체인(130), 스텝(140), 발전기(200), 제어부(300), 변속기(400)를 포함하여 이루어진다.

순환체인(130)은 스텝(140)과 체결되어 스텝(140)을 레일을 따라 순환시킨다. 장력게이지(110)는 순환체인(130)의 장력을 측정하도록 순환체인(130)의 주변에 설치된다. 장력게이지(110)에서 측정된 장력은 제어부(300)로 전송된다.

구동부(120)로부터 전달되는 회전력에 의하여 순환체인(130)이 회전한다. 구동부(120)의 회전축과 발전기(200)의 회전축은 벨트 등에 의하여 서로 연결된다. 발전기(200)는 회전에 의하여 전력을 발생하는 장치이면 어떠한 종류의 발전기를 사용하더라도 무관하며, 발전기(200)와 구동부(120) 사이에는 다양한 회전비를 갖도록 변속기(400)가 설치된다. 제어부(300)는 에스컬레이터(100)의 일반적인 제어 이외에 변속기(400)를 제어하여 구동부(120)와 발전기(200) 사이의 기어비를 조절하는 기능을 갖는다.

구동부(120)와 발전기(200) 사이가 저기어비일 때 즉, 구동부(120)의 기어보다 발전기(200)의 기어가 더 클 때에는 구동부(120)의 일정한 회전에 대하여 발전기(200)에 전달되는 회전력은 상승하지만 발전기(200)가 더 적은 회전을 하게 되고, 반대로 고기어비 즉, 구동부(120)의 기어가 발전기(200)의 기어보다 더 클 때에는 발전기(200)에 전달되는 회전력은 떨어지지만 발전기(200)의 회전수가 더 많아진다.

도 3은 제어부(300)의 기능을 설명하기 위한 순서도이다. 도 3을 참조하면, 순환체인(130)이 하향이동시 탑승자가 탑승하면 순환체인(130)의 장력이 상승하게 되는데(S10), 이 때 제어부(300)는 장력 상승이 미리 설정해 둔 상승 기준치를 초과하는 경우(S20), 구동부(120)측보다 발전기(200)측의 기어가 더 작아서 고기어비가 되도록 변속기(400)를 제어한다(S30). 이렇게 고기어비가 되면 발전기(200)에서 바라본 관성모멘트가 감소하게 되어 발전기(200)의 회전수가 증가하게 되므로 보다 많은 전력을 생산할 수 있다.

반대로 탑승자가 에스컬레이터(100)로부터 이탈하는 경우에는 순환체인(130)의 장력이 하강하게 되는데(S10), 이 때 제어부(300)는 장력 하락치가 미리 설정해 둔 하락 기준치를 초과하는 경우(S20), 구동부(120)측보다 발전기(200)측의 기어가 더 커서 저기어비가 되도록 변속기(400)를 제어한다(S30). 이렇게 저기어비가 되면 발전기(200)에서 바라본 관성모멘트는 증가하게 되므로 발전기(200)의 회전수가 감소하게 되고 발전량이 줄어들지만 발전기(200)에서 발생하는 저항토크가 감소하여 장력과 균형을 이루며 일정한 하강속도를 유지하게 된다.

발전기(200) 또는 구동부(120)에 사이에 MR 댐퍼, EMI-MR 댐퍼, 유압식 댐퍼와 같은 감쇄기(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 감쇄기는 변속기(400)를 통해 기어가 변환되어 회전력의 변동이 있더라가 회전방향에 대하여 일정한 물리적 저항이 전달되도록 하여 회전속도가 점진적으로 변화하도록 하기 위한 것이다. 따라서 상기 감쇄기의 설치를 통해서 승객이 탑승하거나 벗어나는 등의 진동이나 충격을 최대한 감쇄시키고 급격한 속도의 변동을 방지할 수 있게 된다.

상기 감쇄기를 별도로 설치하여 두었다가 특이 상황이 발생하였을 때 제어부(300)를 통해서 기어 방식 등으로 상기 감쇄기가 발전기(200) 혹은 구동부(120)에 연결되도록 제어하면 비정상적인 진동이나 충격 또는 급격한 속도 변화시에 이를 일정부분 흡수할 수 있게 되며, 기준치 이상의 회전력이 발생하는 경우에도 이를 흡수하여 속도 조절이 가능하게 된다.

즉, 제어부(300)는 변속기(400)의 기어비 내에서 탑승자의 무게에 따라 힘의 균형을 맞추게 되는데, 탑승자에 의한 무게가 준비된 기어비를 초과하거나 긴급상황 같이 기어비 내에서 회전력을 상쇄시킬 수 없는 경우에는, 상기 감쇄기가 발전기(200) 또는 구동부(120)의 회전력을 흡수할 수 있도록 이격되어 있던 상기 감쇄기를 발전기(200) 또는 구동부(120)의 회전축에 기어 등을 이용하여 기계적으로 연결시킨다.

유압댐퍼는 구조가 간단하고 시공이 간편하며 추후에 고장날 우려가 없는 점에서 바람직하지만, 수동 감쇠기에 속하기 때문에 효과적인 진동감쇠에는 불리한 점이 있다.

MR댐퍼는 MR유체를 이용한 감쇠장치로써, 유체에 자장을 가하면 점성이 높아지는 것을 이용하여, 감쇠장치 내에서 유체의 이동시 유체의 마찰력을 상승시켜 외부에서 입력된 에너지를 소산시키는 장치이다.

MR유체(자기유변유체, Magnetorheological fluid)란 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론 크기의 자성을 가질 수 있는 입자들을 분산 시킨 비콜로이드 용액으로, 자기장이 부하되지 않은 경우는 분산 입자가 뉴튼 유체 성질을 띠지만 자기장이 부하되면 분산 입자가 분극화을 일으켜 부하된 자기장과 평행한 방향으로 섬유질이 형성되어 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가지는 유체이다.

MR댐퍼를 사용하는 경우에는 유압댐퍼보다 진동감쇠능은 향상되나, MR댐퍼에 계속적으로 자장을 가할 수 있는 부가적인 장치가 필요하다. 이러한 이유로 MR댐퍼를 대신하여 전자기유도(Electromagnetic Induction; EMI)를 이용한 EMI-MR댐퍼를 사용하는 것이 바람직하다.

EMI-MR댐퍼는 MR댐퍼에 전자기유도부를 설치한 것으로, MR댐퍼를 사용하는 경우에 외력에 의하여 진동이 MR 댐퍼에 공급되므로, 이 진동의 변위를 이용하여 전자기 유도현상을 통해 전류를 발생시키고, 이 전류를 MR댐퍼에 공급하는 감쇠기이다. EMI-MR댐퍼를 사용하는 경우에는 외부로부터 자기장을 공급하기 위한 장비를 설치할 필요가 없이 외부진동에 의해 자체적으로 전기를 생산하여 MR댐퍼에 공급할 수 있게 된다. 또한, 진동의 파형이 그대로 전자기유도에 의해 같은 파형의 전기를 만들어 낼 수 있으므로, 위상지연을 통하여 실제 진동의 파형과 역상의 파형을 가지는 전기를 공급하여 능동제어가 가능하다.

이러한 EMI-MR댐퍼를 본 발명의 감쇄기로 사용하는 것이 전기공급이 어려운 경우에도 유리하며, 전기공급을 위한 설비의 보수의 곤란성이 없어 바람직하다.

100: 에스컬레이터
110: 장력게이지
120: 구동부
130: 순환체인
140: 스텝
200: 발전기
300: 제어부
400: 변속기

Claims

탑승자를 승하강시키는 순환체인;
상기 순환체인을 구동시키는 구동부;
상기 순환체인의 장력을 측정하도록 상기 순환체인의 근방에 설치되는 장력게이지;
상기 구동부와 연결되도록 설치되는 발전기;
상기 구동부와 발전기 사이에 설치되어 상기 구동부와 발전기 사이의 기어비를 제어하는 변속기; 및
상기 순환체인이 하향이동할 때에 상기 장력 게이지로부터 입력되는 장력 상승치가 미리 설정된 상승 기준치를 초과하는 경우 상기 구동부측보다 상기 발전기측의 기어가 더 작아서 고기어비가 되도록 상기 변속기를 제어하고, 상기 순환체인이 하향이동할 때에 상기 장력 게이지로부터 입력되는 장력 하락치가 미리 설정된 하락 기준치를 초과하는 경우에는 상기 구동부측보다 상기 발전기측의 기어가 더 커서 저기어비가 되도록 상기 변속기를 제어하는 제어부; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확방식 승강장치.
제1항에 있어서, 상기 발전기 또는 구동부의 회전에 대한 물리적 저항력을 제어하도록 상기 발전기 또는 구동부에 감쇄기가 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확방식 승강장치.
제2항에 있어서, 상기 감쇄기의 동작여부는 상기 제어부를 통해서 결정되며, 상기 제어부는 평상시에는 상기 감쇄기를 동작시키지 않다가 상기 변속기에 준비된 기어비 내에서 회전력을 상쇄시킬 수 없는 경우에 상기 감쇄기가 동작되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확방식 승강장치.
제2항에 있어서, 상기 감쇄기가 MR 댐퍼 또는 EMI-MR 댐퍼인 것을 특징으로 하는 에너지 수확방식 승강장치.
제1항에 있어서, 상기 장력 게이지, 변속기, 및 제어부의 기능이 하나의 무단변속기에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확방식 승강장치.