KR102328977B1 - 선박용 다중 구동 가변추진장치 - Google Patents

선박용 다중 구동 가변추진장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박의 프로펠러를 구동시키는 추진장치에 관한 것으로서, 특히 복수의 모터들을 이용하여 추진력을 발생시킴에 있어 조건에 따라 연속적인 속도변화가 가능하도록 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박용 다중 구동 가변추진장치는 복수의 모터에 장착된 구동기어들과 치합되어 회전하는 피동기어를 구비하며 선체 내부에 위치하는 구동부와, 선체 외부에 위치하며 일단에는 프로펠러가 장착되며 피동기어에서 연장된 축이 진입한 기어 하우징과, 기어 하우징 내부에 장착되며 피동기어에서 연장된 축으로부터 동력을 입력받아 프로펠러에 연결된 출력축으로 동력을 전달하는 유성기어세트를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

선박용 다중 구동 가변추진장치{A multi-drive variable propulsion system for ships}
본 발명은 선박의 프로펠러를 구동시키는 추진장치에 관한 것으로서, 특히 복수의 모터들을 이용하여 추진력을 발생시킴에 있어 조건에 따라 연속적인 속도변화가 가능하도록 구성한 것이다.
선박의 선미 하단에는 추력을 발생시키는 프로펠러가 장착되며, 프로펠러에 연결된 축이 선박 내에 장착된 엔진에 연결된다. 따라서 엔진의 가동에 따라 프로펠러가 회전하며 그에 따라 선박이 운항하게 된다.
통상적으로 선박의 추진장치는 엔진에 연결된 축의 끝단에 프로펠러가 장착되고 엔진에서 발생한 동력에 의해 프로펠러가 회전하면서 추력을 발생시키는 구조를 갖는다. 이런 구조의 추력장치의 경우 대형 선박일수록 대형 엔진과 대형 프로펠러가 장착되어야 한다.
한편, 종래와 같이 통상적인 추력장치를 구비한 선박의 경우, 프로펠러를 회전시키는 엔진 또는 모터에 이상이 발생하여 작동되지 않을 경우 선박의 추력을 상실하게 되어 운항이 불가능하게 되는 문제점이 있다.
또한, 보다 큰 출력이 필요로 할 경우 추진장치 전체를 교체하거나 변경하여야 하는 문제점이 있다.
한편, 고속의 구동체(엔진 또는 모터)에 연결된 프로펠러를 저속으로 회전시키기 위해서는 복잡한 구조의 CPP(Controllable Pitch Propeller) 또는 고가의 VFD(Variable Frequency Drive)를 사용해야 하는 문제점이 있으며, 감속기를 사용할 경우에는 감속기의 내부에 장착된 기어들의 치수에 따른 정수비로만 속도비가 결정되기에 연속적인 속도변화를 구현하기 어렵다는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0099684호(공개일; 2012.09.11.)
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 최대 추력에 비해 작은 동력을 생성하는 복수의 구동체를 결합하여 프로펠러의 연속적인 속도변화가 가능한 선박용 다중 구동 가변추진장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박용 다중 구동 가변추진장치는 복수의 모터에 장착된 구동기어들과 치합되어 회전하는 피동기어를 구비하며 선체 내부에 위치하는 구동부와, 선체 외부에 위치하며 일단에는 프로펠러가 장착되며 피동기어에서 연장된 축이 진입한 기어 하우징과, 기어 하우징 내부에 장착되며 피동기어에서 연장된 축으로부터 동력을 입력받아 프로펠러에 연결된 출력축으로 동력을 전달하는 유성기어세트를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 구동기어는 제1베벨기어이고 피동기어는 제2베벨기어로서, 복수의 수평형 모터에 의해 구동하는 제1베벨기어들에 의해 피동기어인 제2베벨기어가 회전한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 구동기어는 제1평기어이고 피동기어는 제2평기어로서, 복수의 수직형 모터에 의해 구동하는 제1평기어들에 의해 피동기어인 제2평기어가 회전한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 피동기어에서 기어 하우징 내부로 연장된 축의 단부에는 제3베벨기어가 고정되고, 제3베벨기어에 치합된 제4베벨기어에 고정된 축은 유성기어세트의 링기어에 고정되어 링기어를 회전시킨다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유성기어세트는 중심에 위치하는 태양기어와, 제4베벨기어의 축이 연결된 링기어와, 태양기어의 외주면과 링기어의 내주면에 치합되어 태양기어의 둘레를 공전 및 자전하는 유성기어들과, 복수의 유성기어들을 연결하며 중심에 축이 고정된 캐리어를 포함하며, 태양기어는 브레이크 디스크를 구비한 전기적 장치에 의해 회전속도가 제어된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 캐리어에 고정된 축과 프로펠러의 축에 각각 고정되며 상호 치합된 기어를 더 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박용 다중 구동 가변추진장치는 복수의 구동체들이 결합되어 추력을 발생시킴에 따라 어느 구동체에 이상 및 유지 보수가 발생하여 동력을 발생하지 못하더라도 나머지 구동체의 동력에 의해 추력을 발생시켜 저속의 운항이 가능하여 안전성이 높다는 장점이 있다.
또한, 복수의 구동체가 결합됨에 따라 작은 추력이 요구될 경우 일부의 구동체의 작동으로 필요한 추력을 발생시킬 수 있어 종래와 같이 대형 엔진을 구동시키는 것에 비해 경제적이다.
또한, 전기가변(electrical continuously variable transmission)을 통해 속도변동에 따른 연속적인 토크 전달이 가능하며, 더 큰 추력이 필요할 경우에 종래에는 엔진 전체를 교체하여야 하였지만, 별도의 구동체(모터 또는 엔진)를 추가 설치하여 추력을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박용 다중 구동 가변추진장치를 나타낸 개념도이고,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 구동체의 예들을 나타낸 사시도이며,
도 3은 도 1에 도시된 유성기어세트의 한 예를 나타낸 단면도이고,
도 4는 도 3에 도시된 유성기어세트의 동력 전달관계를 설명하기 위한 개념도이다.
아래에서는 본 발명에 따른 선박용 다중 구동 가변추진장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 1은 본 발명에 따른 선박용 다중 구동 가변추진장치를 나타낸 개념도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 구동체의 예들을 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 유성기어세트의 한 예를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 유성기어세트의 동력 전달관계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 선박용 다중 구동 가변추진장치의 구동부(110)는 선체 내부에 위치하고, 구동부(110)에 의해 회전하는 축(R2)은 선미 하부에 위치한 프로펠러(150)에 연결된다.
아래에서는 선박용 다중 구동 가변추진장치의 구동부(110)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2a에 보이듯이, 구동부(110)는 선체(1) 내부에 위치한다.
구동부(110)는 복수의 수평형 모터(111)들과, 각 수평형 모터(111)에 장착된 구동기어인 제1베벨기어(G1)와, 복수의 제1베벨기어(G1)의 회전에 의해 회전하는 피동기어인 제2베벨기어(G2)를 포함하며, 제2베벨기어(G2)에 연결된 회전축(S1)이 선체(1) 외부로 연장된다.
여기에서 제1베벨기어(G1)와 제2베벨기어(G2)는 상호 치합되어 동력을 전달하며, 제2베벨기어(G2)에 치합된 4개의 제1베벨기어(G1)에는 각각의 수평형 모터(111)가 장착되어 설정된 회전속도로 회전한다.
따라서 4개의 수평형 모터(111)의 회전속도에 따라 일정 속도로 제2베벨기어(G2)가 회전하게 되고, 그에 따라 선체(1) 외부로 연장된 회전축(S1) 또한 일정 속도로 회전하게 된다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이 구동부(110)는 수직형 모터(111)를 구비할 수 있다. 이 경우 구동기어는 제1평기어(미도시)가 되고, 피동기어는 제2평기어(미도시)가 되며, 회전축(S1)이 피동기어인 제2평기어에 장착되는 구조를 갖게 된다.
이와 같이 구동부(110)는 도 2a에 도시된 바와 같이 수평형 모터 또는 도 2b에 도시된 바와 같이 수직형 모터를 구비할 수 있으며, 아래에서는 수평형 모터 및 수직형 모터를 모터(111)로 통칭하며 도 1 및 도 2a에 도시된 구성을 기준으로 하여 구체적으로 설명한다.
한편, 선체(1) 외부로 연장된 회전축(S1)은 선미에 장착된 기어 하우징(120)을 관통해 기어 하우징(120) 내부로 연장된다.
기어 하우징(120)의 내부에는 회전축(S1)의 끝단에 고정되어 회전축(S1)과 같은 회전속도로 회전하는 제3베벨기어(G3)와, 제3베벨기어(G3)와 치합되어 회전하는 제4베벨기어(G4)를 포함하며, 제4베벨기어(G4)에는 연속적인 속도변화가 가능한 유성기어세트(130)가 장착된다.
그리고 유성기어세트(130)에 연결된 출력축(S4)이 기어 하우징(120)을 관통해 외부로 연장되며, 출력축(S4)의 단부에는 프로펠러(150)가 장착된다.
여기에서 유성기어세트(130)는 내주면에 기어가 형성된 링기어(131)가 위치하고, 중심에 태양기어(133)가 위치하며, 링기어(131)의 내주면과 태양기어(133)의 외주면에 치합되어 태양기어(133)를 중심으로 공전 및 자전 가능한 복수의 유성기어(135)들을 포함하며, 유성기어(135)들은 캐리어(137)로 연결되고, 캐리어(137)에 축(S3)이 고정된 구조이며, 제4베벨기어(G4)의 축(S2)은 링기어(131)에 연결되어 링기어(131)를 회전시킨다.
그리고 유성기어세트(130)에는 브레이크 디스크를 포함한 전기적 장치(EM; electrical machine)(140)이 장착되어 태양기어(133)의 회전속도를 제어한다. 전기적 장치(140)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 태양기어(133)에 둘레에 고정된 회전자(141)와 기어 하우징(120) 내주면에 고정되며 상기 회전자(141)와 간격을 두고 위치하는 고정자(143)를 포함한다.
또한 캐리어(137)에 고정된 축(S3)과 프로펠러(150)의 출력축(S4)은 평기어(R5)들로 연결되어 캐리어(137)의 축(S3)이 회전함에 따라 프로펠러(150)의 출력축(S4)이 회전하면서 추력을 발생시킨다.
이와 같이 구성된 선박용 다중 구동 가변추진장치의 작동관계에 대해 설명한다.
선체(1) 내부에 위치한 구동부(110) 즉 모터(111)들이 작동하면 모터(111)에 연결된 제1베벨기어(G1)가 회전하게 되고, 제1베벨기어(G1)에 치합된 제2베벨기어(G2)가 회전한다. 이때 모터(111)의 회전속도에 따른 제2베벨기어(G2)의 회전은 제1베벨기어(G1)와 제2베벨기어의 기어비에 의해 결정된다.
한편, 제3베벨기어(G3)는 제2베벨기어(G2)의 회전과 함께 회전하며, 제4베벨기어(G4)에 동력을 전달하고, 제4베벨기어(G4)의 축(S2)에 고정된 링기어(131)가 회전하면, 링기어(131)의 회전에 따라 유성기어(135)와 태양기어(133)가 회전하게 되는데, 태양기어(133)의 회전속도를 제어하는 전기적 장치(140)의 제어에 의해 태양기어(133)의 회전속도가 제어된다.
이와 같이 태양기어(133)의 회전속도가 제어됨에 따라 태양기어(133)의 둘레를 회전하는 유성기어(135)의 회전속도가 제어되고, 복수의 유성기어(135)를 연결하는 캐리어(137)의 회전속도가 제어되며, 결국 캐리어(137)에 고정된 축(S3)의 회전속도가 제어된다.
캐리어(137)의 축(S3)과 프로펠러(150)의 출력축(S4)은 평기어(R5)로 연결되어 있어 평기어(R5)들의 기어비에 따라 출력축(S4)이 회전하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 선박용 다중 구동 가변추진장치는 구동부(110)가 복수의 모터(111)들로 구성됨에 따라 복수의 모터(111)들 중 어느 한 개 또는 두 개가 정지하더라도 나머지 다른 모터의 동력에 의해 프로펠러(150)는 회전하게 된다. 즉 정지한 모터(111)가 발생함에 따라 추력은 감소하게 되지만, 선박은 정지하지 않고 지속적으로 운항 가능한 상태를 유지하면서 모터(111)의 정비 및 교체 등의 필요한 시간을 확보할 수 있다.
한편, 제4베벨기어(G4)의 축(S2)으로부터 전달된 동력은 유성기어세트(130)의 기어비 및 전기적 장치(140)의 제어에 의해 연속적인 속도 및 토크 변화로 프로펠러(150)의 출력축(S4)으로 출력할 수 있게 된다. 따라서 종래와 같이 감속기의 기어비에 한정되는 출력 범위에서 벗어나 다양한 속도 및 토크 변화가 가능하다는 장점이 있다.
또한, 추력을 증대시키고자 할 경우 별도의 모터를 추가하면 됨에 따라 추력의 증가 및 감소가 용이하다는 장점이 있다.
1 : 선체
110 : 구동부
111 : 모터
120 : 기어 하우징
130 : 유성기어세트
131 : 링기어
133 : 태양기어
135 : 유성기어
137 : 캐리어
140 : 전기적 장치
141 : 회전자
143 : 고정자
150 : 프로펠러
S1 ~ S4 : 축
G1 ~ G5 : 기어

Claims (6)

  1. 선체(1) 내부에 위치하는 복수의 모터에 장착된 구동기어들과 치합되어 회전하는 피동기어를 구비하며 선체 내부에 위치하는 구동부(110)와,
    선체(1) 외부에 위치하며 일단에는 프로펠러(150)가 장착되며 피동기어에서 연장된 축이 진입한 기어 하우징(120)과,
    기어 하우징(120) 내부에 장착되며 피동기어에서 연장된 축으로부터 동력을 입력받아 프로펠러(150)에 연결된 출력축으로 동력을 전달하는 유성기어세트(130)를 포함하며,
    피동기어에서 기어 하우징(130) 내부로 연장된 축의 단부에는 제3베벨기어(G3)가 고정되고, 제3베벨기어(G3)에 치합된 제4베벨기어(G4)에 고정된 축은 유성기어세트(130)의 링기어(131)에 고정되어 링기어(131)를 회전시키는 것을 특징으로 하는 선박용 다중 구동 가변추진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    구동기어는 제1베벨기어(G1)이고 피동기어는 제2베벨기어(G2)로서, 복수의 수평형 모터에 의해 구동하는 제1베벨기어(G1)들에 의해 피동기어인 제2베벨기어(G2)가 회전하는 것을 특징으로 하는 선박용 다중 구동 가변추진장치.
  3. 제1항에 있어서,
    구동기어는 제1평기어이고 피동기어는 제2평기어로서, 복수의 수직형 모터에 의해 구동하는 제1평기어들에 의해 피동기어인 제2평기어가 회전하는 것을 특징으로 하는 선박용 다중 구동 가변추진장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    유성기어세트(130)는 중심에 위치하는 태양기어(133)와, 제4베벨기어(G4)의 축이 연결된 링기어(131)와, 태양기어(133)의 외주면과 링기어(131)의 내주면에 치합되어 태양기어(133)의 둘레를 공전 및 자전하는 유성기어(135)들과, 복수의 유성기어(135)들을 연결하며 중심에 축이 고정된 캐리어(135)를 포함하며, 태양기어(133)는 브레이크 디스크를 구비한 전기적 장치에 의해 회전속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 선박용 다중 구동 가변추진장치.
  6. 제5항에 있어서,
    캐리어(135)에 고정된 축과 프로펠러(150)의 축에 각각 고정되며 상호 치합된 기어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 다중 구동 가변추진장치.
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