KR101404337B1 - 회전력 전달장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전력 전달장치에 관한 것으로서, 동력공급수단과; 외주연에 영구자석이 N극과 S극으로 연속 반복되도록 설치되어 있는 다수의 기어쌍으로 이루어져서 상기 동력공급수단에 의해 연속적으로 연동되는 제1기어군; 상기 제1기어군의 최종 기어의 중심축으로부터 편심연결수단에 의해 연결되어 편심 요동되도록 되고, 내주연 전체에 N극 또는 S극에서 선택된 하나의 극성으로서의 영구자석이 설치되어 있는 링기어; 상기 링기어에서 간격을 두고 내접되어 있으며, 양 단부에 N극과 S극의 영구자석이 각각 설치되어 있는 내접기어; 외주연에 영구자석이 N극과 S극으로 연속 반복되도록 설치되어 있는 다수의 기어쌍으로 이루어져서 상기 내접기어의 축으로부터 동력이 전달되도록 된 제2기어군; 을 포함하여 이루어지고, 상기 제2기어군의 최종기어의 출력축으로부터 발전기에 회전력이 전달되도록 함으로써 단순한 구성에 의해 효과적인 회전력의 증대가 이루어질 수 있도록 된 것이다.

Description

회전력 전달장치{Device for increasing torque}

본 발명은 회전력 전달장치에 관한 것으로서 영구자석을 이용한 기어의 변속을 통해 회전력을 효과적으로 발전기에 공급할 수 있도록 된 회전력 전달장치에 관한 것이다.

발전장치는 역학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로 일컬어지며, 수력이나 파력 또는 증기나 디젤기관 등의 원동 수단으로부터 회전 동력을 얻어 원통형의 자성체가 회전되게 하면, 자성체의 주변에 위치하고 있는 철심코어 상에 권선된 코일에 전하가 유도되어 전류가 발생되게 하는 장치이다.

주위에서 쉽게 볼 수 있는 발전장치로는 자전거 라이트용 발전기가 있고, 자동차의 발전기도 마찬가지 원리인데, 이러한 일반적인 발전장치는 비교적 무거운 중량을 갖는 자성체를 회전시켜야 하므로 그에 따른 기동력이나 회전동력이 과다하게 필요한 문제점이 있다.

또한, 종래와 같은 방식의 유도 활성화를 위한 철심 코어는 중앙의 회전 자성체와 서로 잡아당기는 인력이 발생하므로, 상기 인력을 넘어서기 위한 충분한 회전 운동력이 요구되므로 그에 따른 에너지의 소모량이 극심할 뿐만 아니라 상기 인력은 자성체의 회전 저항으로 작용하므로 자성체를 회전시키기 위한 회전동력을 불필요하게 소모하는 결과를 초래하게 된다.

특히, 상기 자성체를 별도의 구동모터의 회전력을 이용하여 강제 회전시키고, 그에 따른 발전장치로부터 생산되는 전기를 변압기 등을 통해 전환하여 사용하고자 하는 경우, 상기의 구동모터 및 발전장치로부터 손실되는 전기 에너지가 막대한 것으로서, 극히 비효율적인 문제가 있었던 것이다.

이와 같이 회전력을 발전기에 공급하기 위한 동력 전달 장치는 동력원의 회전수를 효율적으로 연결하여 발전기에 전달하기 위한 것으로서, 토크나 회전수를 변화시키기 위해서는 복수의 기어를 이용한 기구가 주로 사용되며, 이는 다른 동력 전달 수단보다 용이하게 동력의 전달 및 동력의 변화를 제어할 수 있기 때문이다.

그러나, 이러한 일반적인 기어에 의한 동력의 전달은 기어의 맞물림에 의해 회전력을 전달하게 됨으로써 진동과 소음에 의한 문제가 컸고, 그 마찰에 따른 에너지의 낭비가 매우 심한 문제가 있었다.

이러한 점에 착안하여 외주연에 연속 반복적인 영구자석을 설치하여 극성의 반복적인 인력과 척력의 작용으로 회전력을 전달하게 되는 자석 기어를 활용한 동력 전달장치도 사용된 바 있는데, 기어비에 의해서만 충분한 회전력을 얻기 위해서는 너무 많은 기어가 필요하게 되고 그에 따른 부피의 증대와 비용의 증가로 인해 비효율적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 매우 간단한 구성에 의해 회전력을 증대시킬 수 있고, 기어의 마찰이 없도록 하여 소음과 진동을 최소화할 수 있도록 함으로써 에너지의 소모를 줄이고 효율적인 회전력의 전달이 이루어질 수 있도록 된 회전력 전달장치의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 전원의 공급으로 동작되는 동력공급수단과; 외주연에 영구자석이 N극과 S극으로 연속 반복되도록 설치되어 있는 다수의 기어쌍으로 이루어져서 상기 동력공급수단에 의해 연속적으로 연동되는 제1기어군; 상기 제1기어군의 최종 기어의 중심축으로부터 편심연결수단에 의해 연결되어 편심 요동되도록 되고, 내주연 전체에 N극 또는 S극에서 선택된 하나의 극성으로서의 영구자석이 설치되어 있는 링기어; 상기 링기어에서 간격을 두고 내접되어 있으며, 양 단부에 N극과 S극의 영구자석이 각각 설치되어 있는 내접기어; 외주연에 영구자석이 N극과 S극으로 연속 반복되도록 설치되어 있는 다수의 기어쌍으로 이루어져서 상기 내접기어의 축으로부터 동력이 전달되도록 된 제2기어군; 을 포함하여 이루어지고, 상기 제2기어군의 최종기어의 출력축으로부터 발전기에 회전력이 전달되도록 되는 특징이 있다.

이에 따라, 마찰이 없는 자석의 극성에 의한 회전이 이루어지면서 상기 링기어의 편심 요동과 이에 연동하는 내접기어의 회전에 의해 보다 큰 회전력으로의 변환이 이루어지고 이로부터 다시 제2기어군에 의한 회전수의 증가로 증대된 회전력을 발전기에 제공할 수 있게 된다.

바람직하기로 상기 편심연결수단은, 상기 링기어의 외주연에 다수의 리브가 돌출되고, 각 리브에는 핀에 의해 링크가 회전 가능하게 각각 연결되어 있으며, 각 링크에는 상기 핀과 이격된 위치에 회전중심축이 설치되어 링기어를 편심되게 지지하고, 상기 회전중심축 중 하나의 회전중심축은 상기 제1기어군의 최종 기어축으로 이루어질 수 있다.

상기 제1기어군은 동력공급수단으로서의 모터축으로부터 제1기어 내지 제4기어로 이루어지되, 제2기어와 제3기어는 동일축에서 회전하게 되고, 마주 근접하여 연동되는 각 기어쌍은 원동기어보다 종동기어 측이 큰 직경으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제2기어군은 내접기어로부터 제7기어 내지 제12기어로 이루어지되, 제8기어와 제9기어 및 제10기어와 제11기어는 동일축에서 회전하게 되고, 마주 근접하여 연동되는 각 기어쌍은 원동기어보다 종동기어 측이 작은 직경으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징은 상기 제1기어군 및 제2기어군에는 일반 평기어로 맞물리는 기어쌍이 포함되는 것이다.

상기 동력공급수단은 모터가 적용될 수 있으며, 다르게는 자전거용 페달이나 수차가 적용될 수도 있다.

본 발명은 영구자석으로 이루어진 기어군의 조합으로 이루어지면서 편심 요동되는 링기어와 그 내주연에 접하는 내접기어가 역시 영구자석의 자력에 의해 동력이 전달되도록 함으로써 간단한 구성에 의해 효율적으로 회전력을 전달시킬 수 있고, 자력을 이용한 동력의 전달에 의해 마찰과 소음을 최소화하여 에너지의 손실을 최소화할 수 있는 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 회전력 전달장치의 연결 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 기어의 접속 상태를 나타낸 일부 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 링기어와 내접기어의 구성을 나타내는 분리사시도.
도 4는 본 발명에 따른 링기어와 내접기어의 구성을 나타내는 평면도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 링기어의 작용 상태를 나타내는 평면도.

본 발명의 구체적인 내용을 첨부된 실시예로서의 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 회전력 전달장치의 연결 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 기어의 접속 상태를 나타낸 일부 평면도로서 이를 참조하면, 본 발명에 따른 회전력 전달장치는 동력공급수단으로서의 모터(M)와, 이 모터(M)로부터 연동하는 다수의 기어쌍으로 이루어진 제1기어군(100)과, 상기 제1기어군(100)으로부터 편심 연동하는 링기어(G5)와, 상기 링기어(G5)의 내측에서 링기어(G5)의 동작에 따라 회전하게 되는 내접기어(G6)와, 다수의 기어쌍으로 이루어져서 상기 내접기어(G6)의 회전력을 전달받아서 연동하는 제2기어군(200)을 포함하고 있다.

모터(M)는 본 발명에 따른 동력공급수단의 일실시예에 해당하는 것으로서, 전원이나 배터리 등의 전기적 에너지를 공급받아서 동작하는 것으로서, 모터축(M1)에는 원동기어로서의 제1기어(G1)가 설치되어 있다.

제1기어군(100)은 상기 제1기어(G1)를 포함하여 제4기어(G4)까지 연결되어 있는데, 제1기어(G1)와 제2기어(G2), 그리고 제3기어(G3)와 제4기어(G4)는 서로 측면이 근접한 상태로 설치되고, 제2기어(G2)와 제3기어(G3)는 축1(S1)에 의해 동일축상에 설치되어 있다.

제1기어 내지 제4기어는 모두 외주연에 영구자석이 설치된 기어로 이루어지는데, 각 기어의 외주연에는 영구자석의 N극과 S극이 연속 반복적으로 배치되어 있다.

그리고, 제2기어(G2)는 제1기어(G1)보다 큰 직경을 가지며, 제3기어(G3)는 제2기어(G2)와 동일축상에 있으면서 더 작은 직경으로 되고, 제4기어(G4)는 제3기어(G3)보다 큰 직경을 갖도록 되어 있는데, 이는 모터(M)로부터 출력되는 회전수를 감속하기 위한 것으로서, 서로 접하는 기어의 자석비율은 1:4로 구성하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 제1기어(G1)의 외주연에 구성된 N극과 S극의 수가 10개일 경우 제2기어(G2)의 외주연에 구성된 N극과 S극의 수는 40개로 이루어지는 것이다.

주연부가 자석으로 이루어져 있으므로 연동하는 각 기어는 직접적으로 접촉되어 있지 않아도 자력에 의해 연동될 수 있으며, 각 기어의 간격(d)은 기어에 설치되는 자력에 따라 설정된다.

도 3은 본 발명에 따른 링기어와 내접기어의 구성을 나타내는 분리사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 링기어와 내접기어의 구성을 나타내는 평면도로서 이들 도면을 참조하면, 링기어(G5)는 링 형태로 되어 내주연 전체가 영구자석의 N극 또는 S극에서 선택된 단일의 극성으로 이루어지고(도면에서는 N극으로 도시됨), 상기 제1기어군의 최종 기어 즉, 제4기어(G4)의 중심축인 축2(S2)로부터 편심연결수단에 의해 연결되어 편심 요동되도록 되어 있다.

도면에서는 편심연결수단으로서 링크가 적용되어 있는데, 이를 살펴보면 링기어(G5)의 외측면에 다수의 리브(20)가 형성되어 있고, 이 리브(20)에 수직으로 핀(30)이 설치되어 각각 링크(10)와 회전 가능하게 연결되어 있다.

상기 다수의 링크(10) 중 어느 하나의 링크는 제4기어(G4)의 중심축인 축2(S2)에 연결되어 고정되어 있는데, 여기서 상기 링크(10)에 연결되는 두 지점 즉, 축2(S2)의 연결점과 핀(30)의 연결점은 이격되어 편심(t)되어 있으면서 서로의 연결 방향이 상측과 하측으로 다르고, 상기 핀(30)은 링크(10)와 회전 가능하게 연결되어 있는 반면, 축2(S2)는 링크(10)와 고정된 상태로 연결되어 있다.

따라서 축2(S2)의 회전력은 링크(10)를 회전시키게 되고, 이에 따라 핀(30)은 축2(S2)를 회전 중심으로 하여 그 주위를 회전하는 형태가 된다.

축2(S2)와 연결되는 링크를 제외한 나머지의 링크들 역시 핀(30)과 축2(S2)의 이격된 간격만큼 이격된 위치에서 지지축(40)에 회전 가능하게 지지되어 있으며, 각 지지축(40)은 별도의 프레임(도면에 도시안됨)에 설치된다.

이렇게 구성되는 편심연결수단은 다른 형태로 캠 방식이나 기어 방식 등에 의해서도 이루어질 수 있으며, 상기 링크(10)의 형상은 다양하게 변경 적용될 수 있을 것이다.

상기 링기어(G5)의 내측으로는 내접기어(G6)가 설치되는데, 이 내접기어(G6)는 링기어(G5)의 편심 요동에도 직접적인 접촉이 이루어지지 않는 범위의 직경으로 이루어지고, 외주연의 대향하는 두 지점에는 영구자석으로서 N극과 S극이 각각 설치되어 있다.

한편, 제2기어군(200)은 상기 내접기어(G6)로부터 축3(S3)으로 연결되는 제7기어(G7)를 포함하여 제12기어(G12)까지 연결되어 있는데, 그 중에서 제7기어(G7)와 제8기어(G8), 그리고 제9기어(G9)와 제10기어(G10) 및 제11기어(G11)와 제12기어(G12)는 서로 측면이 근접한 상태로 설치되고, 제8기어(G8)와 제9기어(G9) 및 제10기어(G10)와 제11기어(G11)는 각각 축4(S4) 및 축5(S5)에 의해 동일축상에 설치되어 있다.

제2기어군(200)의 각 기어들은 제1기어군(100)의 기어와 마찬가지로 모두 외주연에 영구자석이 설치된 기어로 이루어지는데, 각 기어의 외주연에는 영구자석의 N극과 S극이 연속 반복적으로 배치되어 있다.

그리고, 제8기어(G8)는 제7기어(G7)보다 작은 직경을 가지며, 제9기어(G9)는 제8기어(G8)와 동일축상에 있으면서 보다 큰 직경을 갖도록 되어 있고, 다시 제10기어(G10)는 제9기어(G9)보다 작은 직경을 가지며, 제11기어(G11)는 제10기어(G10)와 동일축상에서 더 큰 직경으로 되어 있고, 제12기어(G12)는 제11기어(G11)보다 작은 직경으로 이루어져 있다.

이는 상기 제1기어군(100)의 배열과는 반대로 원동기어보다 종동기어를 작게 함으로써 더 큰 회전수를 얻도록 하기 위한 것이며, 서로 접하는 기어의 자석비율은 제1기어군과 마찬가지로 1:4로 구성하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 제7기어(G7)의 외주연에 구성된 N극과 S극의 수가 40개일 경우 제8기어(G8)의 외주연에 구성된 N극과 S극의 수는 10개로 이루어지는 것이다.

제2기어군(200) 역시 제1기어군(100)과 마찬가지로 주연부가 자석으로 이루어져 있으므로 연동하는 각 기어는 직접적으로 접촉되어 있지 않아도 자력에 의해 연동될 수 있으며, 각 기어의 간격(d)은 기어에 설치되는 자력에 따라 설정된다.

최종적으로 제12기어(G12)에 연결된 축6(S6)은 출력축으로서 발전기에 연결토록 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 실시예의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 적용되는 영구자석 기어들은 N극과 S극이 연속 반복적으로 외주연에 형성된 것으로서 인접한 두 기어는 동일 극 끼리는 밀어내고, 다른 극 끼리는 당기는 기본적인 자석의 성질에 의해 인력과 척력이 반복적으로 작용하면서 회전력이 전달되는 것에 기초한다.

따라서 회전하지 않고 정지된 상태에서의 인접한 두 기어는 서로 다른 극의 자력이 대응되는 상태가 된다.

배터리 등에 의한 전원 공급에 의해 모터(M)가 동작하면 원동기어로서의 제1기어(G1)가 회전하고, 이로부터 제4기어(G4)까지 연속적으로 회전이 전달되는데, 각 기어들은 자석의 극성에 따른 자력의 인력과 척력의 연속 작용으로 회전하게 되고, 기어비에 따른 연결에 의해 충분히 감속된 상태로 제4기어(G4)에 전달된다.
여기서 각 기어는 서로 근접한 상태로 분리된 상태에서 자력에 의해 회전력이 전달되므로 모터에 의한 원동력은 최초로 접촉하는 기어에 그 회전력이 충분히 전달되기 어려우며, 더욱이 회전력을 키우기 위하여 제1기어군에서는 회전속도를 충분히 감속시키게 된다.

제4기어(G4)의 출력축에 해당하는 축2(S2)의 회전은 링크(10)를 회전시키게 되며, 링크(10)의 회전은 링기어(G5)를 요동시키게 된다.

도 5a 내지 도 5d에서 링기어(G5)의 작용상태가 도시되어 있는데, 링기어(G5)는 외주연에 돌출된 리브(20)가 핀(30)에 의해 지지되어 있고, 이 핀(30)과 이격된 위치에서 회전중심을 갖는 축2(S2) 및 지지축(40)들로 구성되어 있어서, 상기 축2(S2) 및 각 지지축(40)을 중심으로 일정 변위만큼 회동을 하게 된다.

따라서 링기어(G5)의 내주연은 내접기어(G6)의 외주연과 순차적인 접근과 이격을 반복하게 된다.

이에 따라 링기어(G5) 내주연의 N극 또는 S극에서 선택된 단일 극성과 내접기어(G6)의 대향된 두 극성이 접근 또는 이격을 반복하면서 링기어(G5)의 요동 방향으로 내접기어(G6)가 회전하게 된다.

즉, 도면에서와 같이 링기어(G5)가 N극으로 되어 있는 경우 링기어의 회전에 따라 내접기어(G6)의 S극 부분이 지속적으로 링기어(G5)와 인력이 작용하여 결국 내접기어(G6)가 회전하게 되는 것이다.

링기어(G5)는 자체적인 회전이 이루어지지 않고도 단순히 요동에 의해 내접기어(G6)를 회전시키게 되며, 동일한 크기의 단순한 기어에 비하여 보다 강한 토크를 발휘하게 되며, 링기어의 크기가 커지게 됨에 따라 그에 따른 토크는 비례적으로 증대된다.

내접기어(G6)의 회전은 축3(S3)에 의해 제2기어군(200)에 전달되는데, 제7기어(G7)는 보다 작은 직경의 제8기어(G8)에 회전력이 전달되고, 증대된 회전력은 제9기어(G9) 내지 제12기어(G12)를 통해 출력축인 축6(S6)을 통해 출력되어 발전기로 공급된다.

이상에서와 같이 적은 기어의 조합만으로도 충분히 회전력을 전달할 수 있어서 공급되는 동력 에너지의 손실을 최소화할 수 있게 된다.

상기의 실시예에서 도시되고 설명한 기어군의 조합은 얼마든지 변경 구성할 수 있는 것으로서 자석의 비율과 기어의 조합 수는 필요에 따라 달리 할 수 있으며, 위 실시예에서는 모든 기어에 영구자석이 적용되었으나, 일부의 기어를 일반적인 평기어로 적용할 수도 있으며, 동력의 전달 방향의 전환 등을 위해서 베벨기어 등이 적용될 수도 있다.

본 발명에 적용되는 동력공급수단은 알려진 다양한 수단들이 적용될 수 있는데, 예를 들면 자전거 페달과 같은 장치가 적용될 수도 있고, 수차나 풍차 등과 같은 자연적인 에너지를 공급수단으로 적용할 수도 있을 것이다.

이상에서 설명하고 도시한 바와 같은 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다. 예를 들면, 본 발명에서 적용되는 각종 기어나 축, 링크 등의 구성요소들은 그 형상이나 크기 등을 필요에 따라 얼마든지 변경 실시할 수 있을 것이고, 조립되는 위치 또한 임의대로 변경 조절될 수 있을 것이다.

100 ; 제1기어군 200 ; 제2기어군
10 ; 링크 20 ; 리브
30 ; 핀 40 ; 지지축
G1~G12 ; 기어 S1~S6 ; 축
M ; 모터

Claims (5)

1. 동력공급수단과;
   외주연에 영구자석이 N극과 S극으로 연속 반복되도록 설치되어 있는 다수의 기어쌍으로 이루어져서 상기 동력공급수단에 의해 연속적으로 연동되는 제1기어군;
   상기 제1기어군의 최종 기어의 중심축으로부터 편심연결수단에 의해 연결되어 편심 요동되도록 되고, 내주연 전체에 N극 또는 S극에서 선택된 하나의 극성으로서의 영구자석이 설치되어 있는 링기어;
   상기 링기어에서 간격을 두고 내접되어 있으며, 양 단부에 N극과 S극의 영구자석이 각각 설치되어 있는 내접기어;
   외주연에 영구자석이 N극과 S극으로 연속 반복되도록 설치되어 있는 다수의 기어쌍으로 이루어져서 상기 내접기어의 축으로부터 동력이 전달되도록 된 제2기어군;
   을 포함하여 이루어지고, 상기 제2기어군의 최종기어의 출력축으로부터 발전기에 회전력이 전달되도록 된 것을 특징으로 하는 회전력 전달장치.
2. 제 1 항에 있어서 상기 편심연결수단은,
   상기 링기어의 외주연에 다수의 리브가 돌출되고, 각 리브에는 핀에 의해 링크가 회전 가능하게 각각 연결되어 있으며, 각 링크에는 상기 핀과 이격된 위치에 회전중심축이 설치되어 링기어를 편심되게 지지하고, 상기 회전중심축 중 하나의 회전중심축은 상기 제1기어군의 최종 기어축으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전력 전달장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1기어군은 동력공급수단으로서의 모터축으로부터 제1기어 내지 제4기어로 이루어지되, 제2기어와 제3기어는 동일축에서 회전하게 되고, 연동되는 각 기어쌍에서 종동기어에 해당하는 제2기어 및 제4기어는 각각 제1기어 및 제3기어보다 큰 직경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전력 전달장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2기어군은 내접기어로부터 제7기어 내지 제12기어로 이루어지되, 제8기어와 제9기어 및 제10기어와 제11기어는 동일축에서 회전하게 되고, 마주 근접하여 연동되는 각 기어쌍에서 종동기어에 해당하는 제8기어와 제10기어 및 제12기어는 각각 제7기어와 제9기어 및 제11기어보다 작은 직경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전력 전달장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1기어군 및 제2기어군에서 마주 근접하여 연동되는 각 기어쌍들은 작은 직경의 기어와 큰 직경의 기어의 각 외주연에 설치된 영구자석 수의 비율이 1:4 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전력 전달장치.

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