KR101465599B1 - 증속기 일체형 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 케이스와 상부커버 및 하부커버로 이루어진 하우징 내에 유성기어를 사용한 증속기와 회전자의 회전에 의해 발전이 이루어지는 발전기를 일체로 구성하여 동력손실을 줄이고 회전축의 회전속도가 떨어지는 발전장치에서도 발전기 정격속도를 증속하여 더욱 많은 전력을 생산할 수 있도록 한 증속기 일체형 발전기이다.

Description

증속기 일체형 발전기{A generator with speed increaser}

본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 케이스와 상부커버 및 하부커버로 이루어진 하우징 내에 유성기어를 사용한 증속기와 회전자의 회전에 의해 발전이 이루어지는 발전기를 일체로 구성하여 동력손실을 줄이고 회전축의 회전속도가 떨어지는 발전장치에서도 발전기 정격속도를 증속하여 더욱 많은 전력을 생산할 수 있도록 한 증속기 일체형 발전기이다.

일반적으로 발전기는 회전자의 회전, 즉, 기계적 에너지를 이용해 전기로 변환시켜주는 기기로서, 전자기 유도작용에 의해 전기를 발생시킨다. 이러한 발전기는 풍력발전기나 수력발전기 등에 사용되고 있는데, 회전축의 회전속도가 낮은 경우 전력의 생산량이 급격히 저하되게 된다. 특히, 소형발전기의 경우 회전체의 증속이 되지 않으면 발전량이 무의미할 정도로 적어지고 이로써 기존에 설치되어 있던 발전기에 증속기를 추가로 설치해야하는 문제가 있었다.

발전기에 사용될 수 있는 종래의 증속기로서는 공개특허공보 제10-2011-0085615호에 제안되어 있는 수직축 풍력발전기용 증속기가 있으며 도 4에 도시되어 있다.

도 4에 도시되어 있는 증속기는 풍차의 수직회전축에 축결합되며, 제1원동기어가 축결합된 제1회전축; 상기 제1원동기어에 치합되어 상기 제1회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제1종동기어와 제2원동기어가 축결합된 제2회전축; 상기 제2원동기어에 치합되어 상기 제2회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제2종동기어와 제3원동기어가 축결합된 제3회전축; 상기 제3원동기어에 치합되어 상기 제3회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제3종동기어가 축결합됨과 동시에 회전축의 일단부가 발전기에 결합된 제4회전축; 및 상기 제1회전축, 상기 제2회전축, 상기 제3회전축 및 상기 제4회전축이 내설되는 케이스; 을 포함하며, 상기 제1원동기어에서 상기 제3원동기어로 갈수록 직경이 작게 형성되며, 기어의 배열이 수직축으로 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 증속기이다.

이러한 증속기는 풍차에 의해 회전되는 수직회전축과 발전기를 가동시키기 위해 케이스을 거쳐 최종적으로 출력되는 제4회전축의 축심이 서로 어긋나 있어 설치공간에 많은 제약이 따르고, 증속에 따른 토크 증가로 인해 풍차의 회전이 원활하지 않다.

즉, 풍차가 회전하기 위해서는 풍속이 어느 정도 이상 유지되어야 하나, 풍속이나 풍향은 일정하지 않은 대신 무리하게 증속하다 보니 회전에 필요한 토크가 증가할 수밖에 없고 이로써 풍차가 발전에 필요한 속도로 회전될 수 없어 발전이 어렵게 된다.

유성기어를 이용한 증속기로서는 등록특허 제10-0397640호에 개시되어 있는 감속기 겸용 증속기가 있으며 도 5에 도시되어 있다.

상기 감속기 겸용 증속기는 입력축 상에 태양기어가 형성되고, 상기 태양기어와 기어물림되는 입출력 유성기어와, 상기 입출력 유성기어와 기어물림되는 입출력 내치기어로 이루어지는 주지의 유성기어식 감속기에 있어서; 상기 입력축상에는 전후로 2개의 태양기어를 일체로 각각 형성하고, 상기 태양기어와 상호 기어물림되는 전후 유성기어를 2개소 이상 각각 축핀으로 전후 내치기어와 기어물림될 수 있도록 캐리어상에 축설치하며, 상기 캐리어에는 보스가 형성되어 입력축과 보스 상간 및 내치기어가 형성된 입출력 케이싱의 축공 상간에는 부시 또는 베어링이 각각 설치되고, 상기 입력부에 형성되는 태양기어, 유성기어, 내치기어와 출력부에 형성되는 태양기어, 유성기어, 내치기어의 모듈(Module)이 동일하거나 서로 상이하게 조합이 되고, 기어의 중심거리가 동일하거나 서로 다르게 설정하며, 태양기어, 유성기어, 내치기어의 치수(齒數)는 임의로 변경이 가능하여 다양한 감속비 및 증속비를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 감속기 겸용 증속기이다.

상기 특허의 구성을 살펴보면, 감속기 겸용 증속기로 사용할 수 있는 것으로 설명되어 있으나, 실제 증속의 경우 후측케이싱으로 입력된 구동력이 전후 유성기어를 구동시키고 이 중 전유성기어가 고정되어 있는 전측케이싱을 따라 회전되면서 태양기어를 통해 입력축으로 증속하여 출력되게 된다.

그러나, 이러한 경우 후측케이싱을 통해 들어오는 구동력이 후유성기어를 회전시키고 이러한 후유성기어와 고정되어 회전되는 전유성기어를 회전시키는 구조이므로 결국 두 개의 유성기어가 별도로 필요치 않다.

또한, 풍력이나 수력발전기의 경우 충분한 회전수가 나오지 않을 경우 증속기를 사용하는데, 이러한 감속기 겸용 증속기의 경우 내치기어가 형성된 후측케이싱을 회전시켜 최초 동력을 전달해야 하므로 큰 토크가 필요하고 이에 더해 유성기어가 세트로 형성되어 오히려 기어접촉에 따른 손실이 더 크게 발생하여 증속기로 사용하기에는 부적절하다.

상술한 증속기들을 사용할 경우 발전장치의 회전축에 입력축을 결합하고 증속기의 출력축을 다시 발전기 축에 연결해야하는 불편함이 있으며 축과 축의 연결에 따른 동력손실이 발생하고, 증속기와 발전기가 각각 별개의 구성으로 외부로 노출됨으로써 유지보수에 많은 어려움이 따른다.

더군다나, 회전축의 회전속도가 양호하여도 발전량이 떨어질 경우 증속기의 문제인지, 발전기의 문제인지를 한 번에 파악할 수가 없어 문제해결에 많은 시간이 소요된다.

따라서, 본 발명은 회전축의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기를 제공하되, 상기 발전기와 증속기를 일체로 구성하여 회전축의 회전속도와 관계없이 항상 증속된 상태에서 발전이 이루어지는 증속기 일체형 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 증속기를 유성기어로 사용하여 발전장치의 회전축과 증속기의 중심축을 일치하도록 하여 설치공간을 줄이고 컴팩트한 구조로서 높은 증속비를 얻을 수 있으며, 하나의 하우징 내에 발전기와 증속기가 일체로 구성됨으로써 유지보수가 편리한 증속기 일체형 발전기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 의한 증속기 일체형 발전기는 케이스와, 상기 케이스 내에 형성되어 고정되는 코일과, 상기 코일의 중심에서 회전되는 회전자를 포함하여 구성하며, 상기 케이스 내에는 입력축을 형성하고, 상기 입력축의 하부에는 캐리어를 형성하며, 상기 캐리어에는 유성기어가 결합되고, 상기 유성기어는 링기어와 선기어에 각각 치합되며, 상기 선기어는 회전자와 결합되어, 상기 입력축을 통해 입력된 회전력이 캐리어, 유성기어, 선기어 및 회전자를 회전시켜 전기를 생산하도록 구성한다.

본 발명에 의한 증속기 일체형 발전기는 회전축의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기를 제공하되, 상기 발전기와 증속기를 일체로 구성하여 회전축의 회전속도와 관계없이 항상 증속된 상태에서 발전이 이루어지며, 상기 증속기를 유성기어로 사용하여 발전장치의 회전축과 증속기의 중심축을 일치하도록 하여 설치공간을 줄이고 컴팩트한 구조로서 높은 증속비를 얻을 수 있으며, 하나의 하우징 내에 발전기와 증속기가 일체로 구성됨으로써 유지보수가 편리하다.

도 1은 본 발명의 전체구성도
도 2는 본 발명의 분리구성도
도 3은 도 1의 A-A섹션 단면도
도 4는 종래 수직축 풍력발전기용 증속기의 구성도
도 5는 종래 감속기 겸용 증속기의 구성도

본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 케이스와 상부커버 및 하부커버로 이루어진 하우징 내에 유성기어를 사용한 증속기와 회전자의 회전에 의해 발전이 이루어지는 발전기를 일체로 구성하여 동력손실을 줄이고 회전축의 회전속도가 떨어지는 발전장치에서도 발전기 정격속도를 증속하여 더욱 많은 전력을 생산할 수 있도록 한 증속기 일체형 발전기이다.

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 전체구성도이고, 도 2는 본 발명의 분리구성도이며, 도 3은 도 1의 A-A섹션 단면도로서, 본 발명에 의한 증속기 일체형 발전기는 회전자의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기에 있어서, 상기 발전기는 케이스(1)와, 상기 케이스(1) 내에 형성되어 고정되는 코일(22)과, 상기 코일(22)의 중심에서 회전되는 회전자(21)를 포함하여 구성되며, 상기 케이스(1) 내에는 입력축(5)이 형성되고, 상기 입력축(5)의 하부에는 캐리어(11)가 형성되며, 상기 캐리어(11)에는 유성기어(12)가 결합되고, 상기 유성기어(12)는 링기어(13)와 선기어(14)에 각각 치합되고, 상기 링기어(13)는 케이스(1)에 고정되되, 상기 선기어(14)는 회전자(21)와 결합되어, 상기 입력축(5)을 통해 입력된 회전력이 핀(5)을 통해 캐리어(11)로 전달되고, 상기 캐리어(11)로 전달된 동력은 유성기어(12)로 전달되며, 상기 유성기어(12)로 전달된 동력은 기어로 맞물려 있는 선기어(14)를 회전시켜 상기 선기어(14)와 결합된 회전자(21)를 회전시킴으로써 전기를 생산하게 되는 것이 특징이다.

본 발명에 사용되는 발전기는 통상적으로 사용되는 직류발전기 또는 교류발전기를 모두 사용할 수 있는데, 도시된 경우는 교류발전기로서 회전자(21)를 중심으로 회전자(21)의 외부에 코일(22) 및 자석(23)이 형성되어 있어 회전자(21)가 회전하게 되면 코일(22)을 통해 전기가 생산된다.

상기 케이스(1)는 대략 원통 형상이며 상기 케이스(1)에는 볼트 등의 체결부재로서 상부커버(2) 및 하부커버(3)가 결합된다. 상기 상부커버(2)는 중심부가 관통되어 있고 관통되어 있는 홀로 입력축(5)이 돌출되어 있으며 입력축(5)과 상부커버의 홀 사이에는 오일씰(4)이 삽입되어 외부의 불순물이 케이스 내로 들어오는 것을 방지한다. 돌출된 입력축(5)은 발전장치의 회전축(도시하지 않음)과 직결되거나 커플링 등에 의해 체결된다.

상기 입력축(5)의 하단부에는 캐리어(11)가 형성되며, 상기 캐리어(11)에는 유성기어(12)가 결합되는데 도시된 실시예는 캐리어(11)가 상판(11a)과 하판(11b)으로 나누어 구성되고 상, 하판 사이에는 복수의 유성기어(12)가 형성되며, 상기 유성기어(12)는 케이스(1)에 고정되어 있는 링기어(13)와 캐리어(11)의 회전축과 동일축선상에 위치한 선기어(14)와 각각 치합된다. 또한, 입력축(5)과 캐리어(11)는 핀(15)에 의해 고정 결합되어 있어 입력축(5)이 발전장치의 회전축에 의해 회전하게 되면 상기 핀(15)에 의해 캐리어(11) 쪽으로 회전력이 전달되고 캐리어(11)의 회전력은 유성기어(12)를 거쳐 선기어(14) 쪽으로 전달되게 된다. 상기 선기어(14)의 회전수는 유성기어(12)와 선기어(14)의 잇수비에 따라 입력축(5)의 회전수보다 대략 4~12배 정도 증속된 상태로 회전되게 된다.

상기 선기어(14)는 회전자(21)와 고정 결합되어 있어 회전자(21)를 회전시키고, 상기 회전자(21)의 주위에는 코일(22)과 자석(23)이 형성되어 있어 회전자(21)의 회전에 따라 전기가 생산된다.

일반적인 유성기어를 사용한 증속기의 경우 입력축(구동축)의 동력이 유성기어의 중심축을 직접 회동(공전)시키는데, 상기 유성기어의 축을 통해 동력이 직접적으로 전달됨으로써 회전을 위한 최초 구동시 유성기어가 선기어를 중심으로 공전에 대한 힘을 상대적으로 많이 받고 이로써 유성기어의 기어가 선기어의 기어 쪽으로 강한 압력으로 밀게 되어 유성기어의 자전을 방해하는 문제가 있다.

증속기는 유성기어의 자전에 따라 선기어나 링기어가 회전되면서 증속이 이루어지는데, 이러한 유성기어의 자전이 아닌 공전에 동력이 소모될 경우 상대적으로 자전을 위한 동력손실이 발생함은 당연하고 이로써 증속의 효과가 저하될 수밖에 없다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 입력축(5)의 동력은 핀(15)을 통해 캐리어(11)로 전달되고 상기 캐리어(11)에는 유성기어(12)가 결합되어 있어 캐리어(11)에 의해 유성기어(12)가 회전되므로 유성기어(12)와 선기어(14) 및 링기어(13) 간에 강한 기어접촉에 따른 동력손실이 없다. 또한, 유성기어(12)는 별도의 입력축과 직접적으로 체결되지 않아 링기어(13)와 선기어(14) 간에 셀프얼라이먼트(self-alignment)가 이루어지므로 동력전달이 부드럽게 이루어진다.

상기 캐리어(11)의 일측에는 돌출부(19)가 형성되어 베어링(17, 18)의 내륜을 지지해주므로 별도의 스페이서나 링 없이도 베어링의 위치고정이 가능하다.

미설명부호는 스페이서(6)로써 베어링 간의 간격을 유지시켜준다.

1. 케이스 2. 상부커버 3. 하부커버
4. 오일씰 5. 입력축 6. 스페이서
11. 캐리어 11a. 상판 11b. 하판
12. 유성기어 13. 링기어 14. 선기어
15. 핀 16. 베어링 17. 베어링
18. 베어링 19. 돌출부
21. 회전자 22. 코일 23. 자석

Claims (3)

1. 회전자의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기에 있어서,
   상기 발전기는 케이스(1)와, 상기 케이스(1) 내에 형성되어 고정되는 코일(22)과, 상기 코일(22)의 중심에서 회전되는 회전자(21)를 포함하여 구성되며, 상기 케이스(1) 내에는 입력축(5)이 형성되고, 상기 입력축(5)의 하부에는 캐리어(11)가 형성되며, 상기 캐리어(11)에는 유성기어(12)가 결합되고, 상기 유성기어(12)는 링기어(13)와 선기어(14)에 각각 치합되고, 상기 링기어(13)는 케이스(1)에 고정되되,
   상기 캐리어(11)는 상판(11a)과 하판(11b)으로 나누어 구성되고, 상기 입력축(5)과 캐리어(11)는 핀(15)에 의해 고정 결합되어 있으며, 상기 선기어(14)는 회전자(21)와 결합되어, 상기 입력축(5)을 통해 입력된 회전력이 핀(15)을 통해 캐리어(11)로 전달되고, 상기 캐리어(11)로 전달된 동력은 유성기어(12)로 전달되며, 상기 유성기어(12)로 전달된 동력은 기어로 맞물려 있는 선기어(14)를 회전시켜 상기 선기어(14)와 결합된 회전자(21)를 회전시킴으로써 전기를 생산하게 됨으로써 유성기어(12)와 선기어(14) 및 링기어(13) 간에 강한 기어접촉에 따른 동력손실이 없고, 상기 유성기어(12)는 별도의 입력축과 직접적으로 체결되지 않아 링기어(13)와 선기어(14) 간에 셀프얼라이먼트(self-alignment)가 이루어지므로 동력전달이 부드럽게 이루어지는 것이 특징인 증속기 일체형 발전기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 발전기는 코일(22)과 함께 자석(23)이 부가 형성되어 있는 것이 특징인 증속기 일체형 발전기
   

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