KR101569302B1 - 변속시스템을 구비한 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 톱니를 갖는 제1 기어(20); 제1 기어(20)의 외부 톱니와 맞물리고, 모터 또는 발전기로서 설계되어 있는 전기기계(90)에 각각 연결되어 있는 복수의 피니언(80); 제1 기어(20)에 동축상으로 연결되고 외부 톱니를 갖는 제2 기어(30); 제2 기어(30)와 맞물리고 외부 톱니를 가지며 외부 톱니를 갖는 제4 기어(50)에 각각 동축상으로 연결되어 있는 복수의 제3 기어(40); 및 제4 기어(50)와 맞물리고, 구동 또는 출력 샤프트(70)에 연결되어 있고, 외부 톱니를 갖는 제5 기어(60)를 포함하며, 상기 제1 기어(20) 및 구동 또는 출력 샤프트(70)가 동축상으로 배치되어 있는 변속시스템(10)에 관한 것이다.

Description

변속시스템을 구비한 구동장치{DRIVE WITH TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 변속시스템(transmission system)에 관한 것이다.
변속시스템은 예를 들면, 풍력 터빈, 자동차의 경우에 있어서, 그리고 압연기(rolling mill)에 있어서는, 유성변속시스템으로 설계되는 경우가 많다. 여기에서 이미 알려진 유성변속시스템은 내부 톱니(inner toothing)를 갖고, 내측에는 유성 캐리어(planet carrier)에 부착되는 적어도 2개의 유성기어가 맞물려 있고, 외부 톱니(outter toothing)를 갖고 태양기어에 대한 변속비를 생성하는 링기어(ring gear)를 가지며, 이 태양기어는 링기어에 대하여 동축상으로(coaxially) 배치되며 외부 톱니를 갖는다.
미국특허 제1,459,964호는, 입력 샤프트가 출력 샤프트와 동심(concentric)상에 있고, 모든 기어가 외부 톱니를 갖는 변속시스템을 개시하고 있다. 국제공개공보 WO 00/65 708 A1은 전기기계(electric machine)에 연결되는 복수의 피니언이 제1 기어와 맞물리는 변속시스템을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은, 컴팩트한 구조와 함께 엄격한 공차(tight tolerance) 범위 내에서 제조가 가능하고 매우 조용한 운전(quiet run)과 함께 마모가 거의 없는 변속시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 변속시스템에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 유리한 설계구조(design)를 특정한 것이다.
본 발명에 있어서, 제1 단(stage)의 기어, 즉 제1 기어, 및 제3 단의 기어, 즉 제5 기어는 동심상으로 배치되어 있고, 제1 및 제3 단의 기어와 맞물리는 기어, 즉 제3 및 제4 기어는 제1 및 제3 단의 상술한 기어들의 축과 등간격으로 배치되어 있고 이등변 삼각형(isosceles triangle)을 이룬다.
제3 및 제4 기어의 축은 전기기계의 복수의 피니언의 축과 동심상에 있으며, 제3 및 제4 기어의 축은 각각의 경우에서 복수의 피니언의 축 사이에서 각의 이등분선(angle bisector)으로 배치되어 있다.
여기에서, 제3 기어, 및 제3 기어에 동축상으로 연결되는 제4 기어는, 제3 기어가 제2 기어와 맞물리고 제4 기어가 제5 기어와 맞물리도록 배치되어 있다.
단(stage)(2, 3)의 변속비는 5.40:1 이하로 선택되며, 전체 변속비의 조정(adaptation)은 축간격(axis spacing)에 관계없이 설정될 수 있는 제1 단을 통하여 실시될 수 있다.
바람직하게는, 복수의 기어가 나선형 톱니 모양으로 되도록 설계되고 특히 바람직하게는, 제1 및 제2 기어가 한편으로는 하우징 벽에 장착되고 다른 한편으로는 제5 기어에 지지되어 배치되는 상태로 장착되면, 변속시스템에 대해 좋지않은 효과를 미치는 힘을 회피할 수 있다.
특히, 제1 및 제3 단의 기어들, 즉 전기기계의 피니언에 의해 형성됨과 함께 제1 기어, 제3 기어와 맞물리는 제2 기어 및 제5 기어와 맞물리는 제4 기어에 의해 형성되는 기어군(群)은 기어들의 나선형 톱니(helical toothing)에 기인하는 축방향 힘이 서로 소멸(cancel)되도록 하는 역회전 나선형 톱니(counter-rotating helical tooting)를 갖는다는 것이 제공되어 있다.
결과적으로, 전체 변속시스템과 또한 변속시스템의 하우징은 기어들의 장착에 대하여 보다 작은 치수로 설치될 수 있다.
도 1A는 본 발명에 따른 변속시스템을 나타내는 평면도이다.
도 1B는 도 1Aa에 도시한 변속시스템을 나타내는 단면도이다.
본 발명에 대하여는, 도 1에 도시한 바와 같이, 특히 바람직한 구조의 대표적인 실시형태를 이용하여 더 상세히 설명한다.
변속시스템(10)은 중앙에 장착된 제1 기어(20)를 갖고, 이 제1 기어(20)는 제1 기어(20) 뒤쪽에 배치된 제2 기어에 견고하게 연결되어 있으므로, 작동 시에, 제1 및 제2 기어(20, 30)는 동일한 속도로 회전된다. 제2 기어(30)는 특히, 제1 기어(20)보다 작은 직경을 갖는다.
제2 기어(30)는 가상의 이등변 삼각형으로 배치되어 있되 각각 제4 기어(50)에 견고하게 연결되어 있는 3개의 제3 기어(40)와 맞물려 있고 상기 제 4기어(50)는 다른 기어들에 대하여 작게 형성되어 있으므로, 작동 시에, 제3 및 제4 기어(40, 50)는 동일한 속도로 회전된다.
마지막으로, 또 다른 변속은 제4 기어(50)로부터, 제1 기어(20)에 동축상으로 배치되어 있되 샤프트(70)에 견고하게 연결되어 있는 제5 기어(60)까지 실행되며, 샤프트(70)는 구동 또는 출력 샤프트(70)로서 배치되는 것이 가능하다.
샤프트(70)가 예를 들면, 풍력 터빈용 구동 샤프트(70)로서 사용되는 경우에는, 즉 구동 샤프트(70)가 풍력 터빈의 로터 샤프트에 상당하거나 적어도 그 로터 샤프트에 연결되는 경우에는, 구동 샤프트(70)의 회전운동은 상술한 순서와는 반대방향으로 제1 기어(20)로 전달된다.
본 발명에 따르면, 제1 기어(20) 상에는, 각각 전기를 생성하기 위해 이용될 수 있는 발전기(90)로서 설계되는 하나의 전기기계의 3개의 피니언(80)이 가상의 이등변 삼각형의 모양으로 배치되어 있다. 기본적으로는, 힘 전달은 구동 샤프트(70)로부터 3개의 출력 샤프트, 즉 3개의 발전기(90)의 구동장치까지 실행된다.
그러나, 전기기계(90)가 모터(9)로서 설계되어 있는 경우에는, 모터(90)는 제1 기어(20)를 구동하고, 이에 따라 출력 샤프트(70)를 구동하는데 사용된다. 기본적으로는, 본 명세서에서, 힘 전달은 3개의 구동 샤프트, 즉 3개의 모터(90)로부터 출력 샤프트(70)까지 실행된다.
그러나, 원칙적으로는, 상술한 힘 전달은, 3개의 모든 발전기가 각각의 시점에서 동시에 동작된다는 것을 의미하지는 않는다. 오히려, 발전기를 스위칭하거나 모터를 온/오프할 수 있는 제어시스템에는, 본 발명에 따른 변속시스템을 갖는 기계가 구비되어 있다.
풍력 터빈에 있어서는, 풍량에 따라, 1개, 2개 또는 3개의 발전기가 그리드(grid)에 전기를 공급하도록 제공되어도 좋다. 역으로, 예를 들면, 샤프트(70)가 출력 샤프트로서 사용되는 기계인 경우에는, 1개, 2개 또는 3개의 모터가 그 기계의 비전력(specific power)을 달성하도록 구동하는데 사용된다.
3개의 전기기계(80) 및 제3 및 제4 기어(40, 50)에 의해 형성되는 기어 쌍이 부하 배분(load distribution)에 의해 특히 유리한 점이 있더라도, 제1 기어(20) 와 협동하는 또 다른 전기기계 및/또는 제3 기어(30)와 맞물리는 또 다른 기어 쌍을 생각할 수 있다.
기어(20, 30, 40, 50, 60) 끼리의 맞물림 및/또는 전기기계(90)의 피니언(80)과의 기어(20, 30, 40, 50, 60)의 맞물림은 나선형 톱니로서 실행되는 것이 바람직하고, 기어(20, 30, 40, 50, 60) 및/또는 피니언(80)은 나선형 톱니를 갖도록 설계되어 있는 것이 특히 바람직하다.
도시된 대표적인 실시형태는 제1 변속단을 장착하기 위해서, 즉 제1 및 제2 기어(20, 30)를 장착하기 위해서 특히 바람직한 것이다. 제1 기어(20) 및 이에 견고하게 연결되는 제2 기어(30)는 제1 기어(20) 및 제2 기어(30)의 일측상에, 변속시스템의 벽(도시하지 않음) 측에 배치되어 있고 또한 제1 기어(20) 및 제2 기어(30)의 타측상에, 제5 기어에 배치된 베어링(*로 표시) 측에 배치되어 있다. 제1 및 제2 기어(20, 30)는, 제1 및 제2 기어(20, 30) 및 제5 기어(60) 및/또는 구동 또는 출력 샤프트(70)가 서로 독립적으로 회전될 수 있는 방식으로 제5 기어(60)에 장착되어 있다.
이러한 설계구조의 이점은, 기어 톱니의 정렬 불량(misalignment) 또는 균일하지 않게 발생되는 부하를 조정함으로써 제작 공차(manufacturing tolerance)가 지나치게 큰 마모 위험 없이 이용될 수 있다는 것이다.
바람직한 설계구조의 또 다른 실시형태에 있어서는, 가상의 이등변 삼각형을 형성하고 전기기계(90)의, 제1 기어(20)의 외부 톱니와 맞물리는 3개의 피니언(80)은 가상의 이등변 삼각형을 이루고 제2 기어(30)와 맞물리는 3개의 제3 기어(40)에 대하여, 옵셋(offset)된 상태로 배치, 특히 60°로 회전되어 배치되어 있다. 이러한 설계구조는 변속시스템의 조용한 동기성(synchronism)을 제공한다.
본 발명에 따른 변속시스템은 다른 기계에서 활용될 수 있다. 그래서, 예를 들면, 풍력 터빈 또는 공작기계에 사용되는 것도 생각할 수 있다.

Claims (4)

  1. 변속시스템의 벽(transmission-system wall)과 복수의 외부 톱니형 기어를 가진 변속시스템(10)으로서, 복수의 외부 톱니형 기어는,
    제1 기어(20) 및
    발전기 또는 모터로서 설계되는 전기기계(90)에 각각 연결되고 또한 제1 기어(20)와 맞물리는 복수의 피니언(80)이며,
    제1 기어(20)에 동축 상으로 견고하게 연결되는 제2 기어(30)가 설치되고,
    가상의 이등변 삼각형을 형성하는, 제2 기어(30)와 맞물리는 3개의 제3 기어(40)가 설치되며,
    제3 기어(40)들 중 하나에 동축 상으로 각각 견고하게 연결되는 3개의 제4 기어(50)가 설치되고,
    제4 기어(50)들과 맞물리며 또한 구동 또는 출력 샤프트(70)에 연결되는 제5 기어(60)가 설치되며,
    제1 기어(20)와 제2 기어(30) 및 제4 기어(60)와 구동 및/또는 출력 샤프트(70)가 동축 상으로 배치되고,
    피니언(80)들은 제3 기어(40)들에 대해 60°로 옵셋(offset)되어 배치되며,
    제3 및 제4 기어들의 축은 전기기계의 피니언들의 축과 동심이고, 제3 및 제4 기어들의 축은 피니언들의 축 사이의 각의 이등분선(angle bisector)에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 변속시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 내지 제5 기어들과 피니언들은 나선형 톱니인 것을 특징으로 하는 변속시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    기어들(20, 30)은 변속시스템의 벽의 제1 기어(20)의 위치와, 제5 기어(60)에 배치된 베어링(*)의 제2 기어(30)의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 변속시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    변속시스템은 풍력 터빈의 변속시스템인 것을 특징으로 하는 변속시스템.
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