KR101694924B1 - 풍력발전기용 요 드라이브의 캐리어 지지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기에서 요 드라이브에 내장된 다수의 유성치차 감속기 중에서 최종단 캐리어를 정위치에 지지하는 지지장치를 제안한다. 본 발명의 지지장치는, 풍력발전기용 요 드라이브에 내장되는 다수의 유성치차 감속기 중에서, 최종단에 설치되고, 중심축(100)에 의하여 지지되는 태양기어(110)와; 상기 태양기어에 외접하고, 그 외측의 링기어에 내접하여, 공전 및 자전이 이루어지는 다수의 유성기어(112)와; 상기 유성기어와 베어링을 개재한 상태로 핀연결되는 캐리어핀(114); 상기 캐리어핀과 연결되어 회전하는 캐리어(120); 상기 캐리어의 저면 내주면과 스플라인 치형을 통하여 결합되고, 요 드라이브에서 최종 감속된 출력을 발생시키는 출력축(130); 그리고 상기 태양기어와 출력축 사이에 개재되고, 상기 태양기어의 저면에만 접촉하는 내륜(124a)과, 상기 출력축(130)의 상면에만 접촉하는 외륜(124b)을 구비하는 볼베어링(124)으로 구성된다. 그리고 출력축(130)의 상부에 성형되는 적어도 하나의 탭공(132)과 상기 탭공에 나사 결합되는 무두렌치볼트(134)를 더 포함하고, 상기 무두렌치볼트의 외측 단부가 캐리어(120)의 내측면에 성형된 지지홈(132)에 결합되는 것에 의하여, 외력에 의한 캐리어의 상승이 방지된다.

Description

풍력발전기용 요 드라이브의 캐리어 지지장치{Device for supporting carrier in yaw drive for wind power generation}

본 발명은 풍력발전기용 요 드라이브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 요 드라이브의 내부에서 감속을 위하여 다단으로 설치되는 유성치차 감속기의 캐리어를정확한 위치에서 유지할 수 있도록 지지하는 지지장치에 관한 것이다.

풍력발전기는 바람의 힘으로 부터 회전력을 발생시키고, 이러한 회전력을 전기 에너지로 변환하는 발전장치라고 할 수 있다. 이러한 풍력발전기는, 지면에서 일정한 높이로 설치되는 타워와, 이러한 타워의 상단부에 결합되어 발전장치가 내장되는 너셀(Nacelle), 그리고 상기 너셀의 전방에 설치되어 바람에 의하여 회전하는 다수의 블레이드로 구성되고 있다. 이러한 풍력발전기에서, 피치 드라이브는 풍력 발전을 위한 적절한 회전수를 가질 수 있도록 블레이드를 조절하는 것이고, 요 드라이브는 너셀이 바람에 대한 정확한 방향을 설정할 수 있도록 설치되는 것이다.

요 드라이브의 개략적인 구성을 보인 도 1에 도시한 바와 같이, 요 드라이브는 저속이면서도 큰 토오크를 발생시키기 위하여 다단으로 배치된 유성치차 감속기를 이용하고 있다. 즉 도시된 바와 같이, 제1유성치차 감속기(2), 제2유성치차 감속기(4), 제3유성치가 감속기(6), 그리고 제4유성치차 감속기(8)를 이용하여 저속 및 고토크의 출력을 출력 피니언(10)에 발생시키게 된다.

제1유성치차 감속기(2)는, 구동모터(M)의 출력을 입력축(2a)으로 전달받아서, 태양기어, 유성기어, 그리고 캐리어를 통하여 다음 단의 태양기어로 전달하는 구성을 가지고 있다. 이와 같은 유성치차 감속기 자체의 구성 및 동작 원리는 공지된 것이어서 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

여기서 각 유성치차 감속기(2,4,6,8)의 구성 및 동작 원리는 동일한 것이어서 이에 대한 자세한 설명은 생략하고, 각각의 유성치차 감속기(2,4,6,8)에서의 동력 전달 계통에 대해서 살펴보기로 한다. 도 1에서 두 번째의 유성치차 감속기(4)의 구조를 통하여 살펴보면, 태양기어(12)의 외측면에는 다수의 유성기어(14)가 맞물려 있고, 유성기어(14)는 하나의 링기어(18)에 내접하고 있다.

그리고 다수의 유성기어(14)는 캐리어핀(16)을 통하여 캐리어(20)와 연결되어 있다. 상기 유성기어(14)는 태양기어(12)에 외접하여 회전함과 동시에 링기어(18)와 내접하여 회전하기 때문에 실질적으로 자전과 공전을 동시에 수행하고 있다. 여기서 유성기어(14)의 공전이 감속된 출력으로 나타나기 때문에, 다수개의 유성기어(14)는 하나의 캐리어(20)와 캐리어핀(16)에 의하여 연결되어 있다.

이러한 요 드라이브에서 캐리어(20)는, 캐리어핀(16)에 의하여 다수의 유성기어(14)와 연결되어 있기 때문에, 실질적으로 유성기어(14)의 공전 회전과 같이 회전하게 된다. 그리고 상기 캐리어(20)의 하단부는 다음단의 태양기어와 연결되어 그 이후 단에서의 입력으로 이용되도록 구성되고 있다.

이와 같이 유성기어(14)와 그 하부의 태양기어의 회전력 전달을 위한 캐리어는 정해진 위치를 유지해야 하는데, 제1유성치차 감속기(2,4,6)의 캐리어는 상하 방향으로 유동을 방지하기 위한 스냅링의 구성을 적용하고 있다. 그리고 제4유성치차 감속기(8)는 실질적으로 최종단이기 때문에, 캐리어가 하방으로는 더 이상 처지지 않도록 지지되고 있기 때문에, 상방으로의 이동만을 방지하는 것으로 충분하다.

도 2에 도시한 바와 같이, 제4유성치차 감속기(8)에서의 태양기어(110)는, 외접하고 있는 유성기어(112)로 동력을 전달한다. 상기 유성기어(112)는 링기어(36)에 내접하면서 공전하고 있기 때문에, 이러한 공전은 캐리어핀(114)을 통하여 캐리어(20)로 전달된다. 그리고 캐리어(20)는 최종 감속된 출력을 최종 출력축(110)으로 전달하게 된다.

여기서 알 수 있는 바와 같이 최종단의 캐리어(20)는 하방으로는 지지구조가 있기 때문에, 회전에 의하여 상방으로 이동하지 않도록 하는 지지구조가 필요하다. 이를 위하여, 종래에는 태양기어(110)와 최종 출력축(110) 사이에 트러스트 플레이트(Thrust plate)(22)를 설치하고 있다. 상기 트러스트 플레이트(22)는 출력축(110) 보다 큰 것이기 때문에 외측으로 돌출되는 부분이 실질적으로 캐리어(20)의 내측면 상부에 걸리게 된다. 따라서 캐리어(20)는 회전에 의하여 어떠한 형태의 외력이 작용하더라도 트러스트 플레이트(22)에 걸려서 상부로의 이동은 규제된다.

여시서 상기 트러스트 플레이트(22)는 상하에서 마찰력이 작용하게 되기 때문에, 가능하면 표면에 걸리는 마찰력을 줄이면서 마찰에 의하여 이물질이 생성되는 것을 방지하기 위하여, 질화 열처리를 통한 표면 처리를 수행하는 것이 일반적이다. 그러나 이와 같은 종래의 구조에 의하면 여러 가지 단점이 지적될 수 있다.

먼저 마찰력의 문제로 인하여 트러스트 플레이트(22) 자체의 표면 처리에 드는 비용도 바람직하지 못함은 물론이지만, 트러스트 플레이트(22)의 두께에 해당하는 정도로 전체적인 높이가 높아지거나, 높이를 줄이려면 캐리어와 출력축이 결합되는 스플라인의 길이가 줄어들게 된다. 따라서 종래의 구조에 의하면, 트러스트 플레이트 자체의 문제와, 이로 인한 전체적인 부피 또는 결합구조의 강성의 문제가 대두될 수 있음을 알 수 있다.
그리고 한국 특허 공개 10-2010-0097564호에서 공개하고 있는 기술에서도 동일한 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 단점을 해소하기 위한 것으로, 마찰력의 발생을 억제하면서 최종단의 캐리어를 정해진 위치에 유지할 수 있도록 구성되는 풍력발전기의 요 드라이브의 캐리어 지지장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 트러스트 플레이트의 구성을 생략함으로써, 이에 대응하는 정도의 높이를 줄일 수 있는 풍력발전기의 요 드라이브 캐리어 지지장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 트러스트 플레이트의 구성을 생략함으로써, 이에 대응하는 정도의 스플라인 결합 길이(높이)를 크게 하여 구조적으로 견고한 동력전달이 가능한 풍력발전기의 요 드라이브 캐리어 지지장치를 제공하는 것에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캐리어 지지장치는, 풍력발전기용 요 드라이브에 내장되는 다수의 유성치차 감속기 중에서, 최종단에 설치되고, 중심축에 의하여 지지되는 태양기어(와; 상기 태양기어에 외접하고, 그 외측의 링기어에 내접하여, 공전 및 자전이 이루어지는 다수의 유성기어와; 상기 유성기어와 베어링을 개재한 상태로 핀연결되는 캐리어핀; 상기 캐리어핀과 연결되어 회전하는 캐리어; 상기 캐리어의 저면 내주면과 스플라인 치형을 통하여 결합되고, 요 드라이브에서 최종 감속된 출력을 발생시키는 출력축; 그리고 상기 태양기어와 출력축 사이에 개재되고, 상기 태양기어의 저면에만 접촉하는 내륜과, 상기 출력축의 상면에만 접촉하는 외륜을 구비하는 볼베어링으로 구성되어, 캐리어와 출력축이 볼베어링에 의하여 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시례에 의하면, 상기 출력축의 상부에 성형되는 적어도 하나의 탭공과 상기 탭공에 나사 결합되는 무두렌치볼트를 더 포함하고, 상기 무두렌치볼트의 외측 단부가 캐리어의 내측면에 성형된 지지홈에 결합되는 것에 의하여, 외력에 의한 캐리어의 상승이 방지되고 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 가장 기본적으로 종래의 트러스트 플레이트에 대신하여 볼베어링을 이용하여 최종단의 태양기어와 최종 출력축 사이의 회전을 지지하고 있음을 알 수 있다. 따라서 종래의 트러스트 플레이트에서 발생하는 마찰이 발생하지 않게 되어 마찰과 관련된 여러 가지 문제점이 해결될 수 있는 작용 효과를 기대할 수 있다.

그리고 본 발명에서는 출력축의 측면에 설치되는 무두렌치볼트가 캐리어 내측면의 지지홈에 결합되도록 구성함으로써, 캐리어의 상승을 방지하고 있음을 알 수 있다. 따라서 종래의 트러스트 베어링의 구성이 불필요하게 되어 그에 대응하는 정도로 높이를 축소 설계하는 것이 가능하게 된다. 또는 불필요한 트러스트 베어링의 높이 만큼 캐리어와 출력축의 스플라인을 길게 성형하여 동력 전달구조을 견고하게 설계하는 것도 가능할 것으로 기대된다.

도 1은 종래의 요 드라이브의 구성을 보인 예시도.
도 2는 종래의 캐리어 지지장치를 보인 예시도.
도 3은 도 2에 대응하는 본 발명의 연결장치를 보인 예시도.

다음에는 도 3에 도시한 실시례에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다. 도 3은 본 발명에 따라서 풍력발전기의 최종단 유성치차 감속기 주변의 구성을 도시한 것이고, 이하에서는 이에 기초하여 본 발명의 캐리어 지지장치에 대하여 자세히 살펴보기로 한다.

풍력발전기용 요 드라이브에서 최종단의 유성치차 감속기는, 그 이전단의 유성치차 감속기의 출력을 받아 회전하는 태양기어(110)와, 상기 태양기어(110)의 외측에 맞물리는 다수의 유성기어(112)를 포함하고 있다. 상기 유성기어(112)는 링기어(118)에 내접함으로써, 공전 및 자전을 동시에 수행하고 있다.

다수의 유성기어(112)는 캐리어핀(114)에 의하여 하나의 캐리어(120)와 연결되어 있어서, 유성기어(112)의 공전이 캐리어(120)에게 전달된다. 상기 캐리어핀(114)은 베어링(116)을 개재한 상태로 유성기어(112)와 연결되고 있다. 그리고 상기 캐리어(120)는, 그 하부 내측면에서 최종 출력축(110)이 맞물려 있다.

본 발명에 의하면, 상기 태양기어(110)의 중심축(100)의 하단부에는 볼베어링(124)이 지지되고 있는데, 예를 들면 상기 볼베어링(124)은 중심축(110)의 하단플랜지부(102)에 의하여 지지되고 있다. 그리고 상기 태양기어(110)의 하단부는 직경이 작은 원형을 가지도록 가공되어 실질적으로 볼베어링(124)의 내륜(124a) 상부에만 접촉하도록 설치되어 있다. 따라서 상기 태양기어(110)가 회전하게 되면 볼베어링(124)의 내륜(124a)도 같이 회전하게 됨을 알 수 있다.

그리고 상기 태양기어(110) 및 중심축(100)의 하부에 설치되는 출력축(130)은 상기 볼베어링(120)의 외륜(124b)에만 접촉하도록 구성된다. 예를 들면 출력축(130)의 상면 중앙에 홈을 가공하는 등에 의하여 외측 테두리부분을 상부에 남겨서 볼베어링(124)의 외륜(124b)에 접촉하도록 구성하는 것으로 충분하다. 이렇게 구성되면 볼베어링(124)의 외륜(124b)은 출력축(130)에만 접촉하게 된다.

이러한 볼베어링(124)의 상하부 구성에 의하면, 출력축(130)의 자유로운 회전이 가능하게 됨을 알 수 있고, 이러한 출력축(130)의 회전은 어떠한 주변 부재와 마찰을 발생하지 않게 된다. 그리고 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 중심축(100)은 최종단의 태양기어(110)의 중심을 지지하는 축이라고 할 수 있고, 이러한 중심축(100)은 그 윗단의 태양기어(90)와 상술한 출력축(130) 사이에서 지지되고 있음을 알 수 있다.

그리고 상기 출력축(130)과 캐리어(120)는, 스플라인치형(S)을 매체로 동력 전달이 가능하도록 결합되어 있다. 즉 캐리어(120)의 하부 내주면에도 스프라인 치형이 가공되어 있고, 출력축의 외측면에도 스플라인 치형이 가공되어 있어서, 양자 스프라인 치형(S)이 맞물리도록 구성되어 있는 것이ㄷ.

본 발명에서, 회전하는 캐리어(120)의 상승을 방지하기 위하여, 출력축(130)의 외측면으로 돌출한 무두렌치볼트(134)를 이용한다. 출력축(130)의 상단부분 외측면에는 무두렌치볼트(134)가 나사결합되어 있다. 즉, 출력축(130)의 상단부분에 내주연 탭(나사) 가공된 탭공(132)이 형성되고, 이러한 탭공(132)에는 무두렌치볼트(134)가 나사 결합되어 있는 것이다.

그리고 상기 무두렌치볼트(134)의 위치에 대응하는 캐리어(120)의 내측면에는, 전체 내주면에 걸쳐 지지홈(128)이 성형되어 있다. 상기 무두렌치볼트(134)의 외측단부는 실질적으로 상기 지지홈(128)에 걸릴 수 있는 정도로 외측으로 돌출 상태로 조립되어 있다. 그리고 상기 출력축(130)은 실질적으로 상하 방향에 대해서는 움직이지 못하는 상태로 지지되고 있어서, 상기 무두렌치볼트(134)도 같이 상하 위치는 고정된 상태이다. 그리고 상기 무두렌치볼트(134)가 지지홈(128)에 걸리기 때문에, 결과적으로 캐리어(120)도 상방으로 이동하는 것은 불가능하게 된다.

본 실시례에서, 캐리어(120)의 내주면과 출력축(130)의 외주면은 스플라인치형(S)으로 서로 맞물린 상태를 유지하고 있다. 그리고 상술한 무두렌치볼트(134) 및 지지홈(128)의 위치는 실질적으로 상술한 스플라인치형(S)이 성형된 구간이라고도 할 수 있다. 또는 상기 무두렌치볼트(134) 및 지지홈(128)이 성형된 부분에만 일정한 높이에 걸쳐 스플라인치형(S)의 성형을 생략하는 것도 고려될 수는 있을 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 종래에 사용하는 트러스트 플레이트의 구성을 생략하고, 출력축(130)에 고정될 수 있는 무두렌치볼트(134)를 이용하여 캐리어(120)가 상승하는 것을 방지하도록 구성하는 것에 기본적인 기술적 사상을 두고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 기술적 의미가 있다고 생각된다.

먼저 종래의 트러스트 플레이트의 구성을 생략함으로써 실질적으로 전체적인 높이를 그 만큼 줄일 수 있을 것이다. 또는 종래와 동일한 높이로 요 드라이브를 구성하게 되면, 실질적으로 출력축(130)과 캐리어(120) 사이의 스플라인 결합 구조를 길게 함으로써 더욱 견고하면서도 확실한 동력 전달이 가능하게 될 수 있을 것이다. 그리고 본 발명에서는, 볼베어링을 이용하여 회전을 지지하고 있기 때문에, 종래와 같이 큰 면적에서 마찰이 발생하지 않는, 요 드라이브 내부에서 마찰에 기인하는 이물질의 발생 등의 문제를 해결하는 기본적인 장점이 있음은 당연하다고 할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 여러 가지 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 보호범위는 첨부한 특허 청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

100 ..... 중심축
110 ..... 태양기어
112 ..... 유성기어
114 ..... 캐리어핀
116 ..... 베어링
118 ..... 링기어
120 ..... 캐리어
128 ..... 지지홈
130 ..... 출력축
132 ..... 탭공
134 ..... 무두렌치볼트

Claims (2)

1. 풍력발전기용 요 드라이브에 내장되는 다수의 유성치차 감속기 중에서, 최종단에 설치되고, 중심축(100)에 의하여 지지되는 태양기어(110)와;
   상기 태양기어에 외접하고 외측의 링기어에 내접하여, 공전 및 자전이 이루어지는 다수의 유성기어(112);
   상기 유성기어와 베어링을 개재한 상태로 핀연결되는 캐리어핀(114);
   상기 캐리어핀과 연결되어 회전하는 캐리어(120);
   상기 캐리어의 저면 내주면과 스플라인 치형을 통하여 결합되고, 요 드라이브에서 최종 감속된 출력을 발생시키는 출력축(130); 그리고
   상기 태양기어와 출력축 사이에 개재되고, 상기 태양기어의 저면에만 접촉하는 내륜(124a)과, 상기 출력축(130)의 상면에만 접촉하는 외륜(124b)을 구비하는 볼베어링(124)을 포함하고;
   캐리어와 출력축이 볼베어링에 의하여 회전 가능하게 지지되고;
   상기 출력축(130)의 상부에 성형되는 적어도 하나의 탭공(132)에는, 무두렌치볼트(134)가 나사 결합되고, 상기 무두렌치볼트의 외측 단부가 캐리어(120)의 내측면에 성형된 지지홈(128)에 결합되는 것에 의하여, 외력에 의한 캐리어의 상승이 방지되는 풍력발전기용 요 드라이브의 캐리어 지지장치.
   
   
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