KR102399108B1 - 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체 - Google Patents

자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각 풍력발전모듈 간의 토크 편차로 인한 토크 충돌이 발생되지 않도록 하면서 토크를 제너레이터로 전달 할 수 있는 동력전달장치를 갖추고, 동일 극성의 자력에 의한 척력을 이용하여 낮은 풍력에도 발전할 수 있으며, 또한 풍차의 회전 소음과 회전저항을 최소화할 수 있는 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체에 관한 것이다.

Description

자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체{Wind turbine assembly with magnetic levitation function}
본 발명은 동일 극성의 마그네틱 척력에 의해 부양되는 풍력 발전기 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 풍력발전모듈 간의 토크 편차로 인한 토크 충돌이 발생되지 않도록 하면서 토크를 제너레이터로 전달 할 수 있는 동력전달장치를 갖추고, 동일 극성의 자력에 의한 척력을 이용하여 낮은 풍력에도 발전할 수 있으며, 또한 풍차의 회전 소음과 회전저항을 최소화할 수 있는 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체에 관한 것이다.
풍력 발전장치는, 특허출원 10-2010-0028665 "풍력 발전기"가 있는데, 전술한 특허출원 10-2010-0028665는 제너레이터의 로터와 연결되는 연결축과 연결축에 결합되는 풍차의 회전축을 포함하고, 이를 상하로 결합하되, 각 연결축을 서로 연결하고 연결축의 말단을 제너레이터의 로터와 연결된 풍력 발전기를 제안한 것에 특징이 있으나, 전술한 종래의 발전장치는 연결축을 통해서 상대적으로 빠르게 회전되는 특정 풍차의 회전축이 상대적으로 느리게 회전되는 풍차의 회전축으로 전달되는 문제가 있을 뿐 아니라 풍차가 역회전하는 경우, 동력전달계통에 내재된 토크와 충돌하면서 동력전달계통이 손상되는 뚜렷한 문제가 있다.
통상, 풍차는 바람이 불어오는 방향을 향해 설치되지만 갑작스럽게 부는 돌풍이나 시시각각 변하는 풍향으로 인해 각 풍력발전모듈에서 토크의 편차가 생긴다.
이러한 토크 편차로 인해 상대적으로 빠르게 회전되는 토크는 상대적으로 더 느리게 회전되는 동력전달계통으로 전달되면서 해당 풍차가 역회전하거나 각 모듈과 제너레이터 사이에 결합된 동력전달계통이 심각한 손상되거나 토크의 회전저항을 유발하는 뚜렷한 문제가 생긴다.
이로 인해 풍력 발전 시스템에 대한 발전효율과 신뢰성을 확보하는 것이 어려워진다.
전술한 종래 기술 이외에도 등록특허 10-0946198(모듈형 멀티 풍력 발전기 시스템)도 공지되어 있다.
전술한 종래의 등록특허 10-0946198는 수직 또는 수평으로 풍력모듈을 설치함으로써 적은 풍력으로 대량의 전기를 발전하고, 발전된 전류를 컨버터를 통해 취합하는 기술을 제안한 것이다.
그러나, 전술한 등록특허 10-0946198는 각 풍력 발전모듈마다 제너레이터를 장착해야 하므로 제조 비용과 설치 비용이 매우 높은 단점으로 실제 상용화가 어려운 문제가 있다.
앞서 설명한 것처럼, 복수의 풍력발전모듈의 생성 토크를 제너레이터로 통합하여 발전하는 모듈형 풍력 발전기 시스템은 설치 비용이 저렴한 장점이 있는 반면에 입력측과 출력측의 양 토크간에 충돌이 발생되면서 동력전달계통이 손상되거나 제너레이터로 입력되는 토크 값이 저하되는 단점을 가지고 있다.
반면에 각 모듈에서 발전된 전압을 컨버터로 취합하는 모듈형 풍력 발전기 시스템에서는 동력전달계통이 손상되는 문제가 발생되지 않는 장점이 있으나 발전설비에 따른 제조 및 설치비용이 높다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안하기에 이르렀고 괄목할 만한 성과가 있어 이를 본 발명을 통해 제안하고자 한다.
본 발명은 각 풍력발전모듈의 토크 편차로 인한 동력전달계통에서 토크 충돌이 발생되지 않도록 하는 동력전달장치를 갖추고, 동일 극성의 척력에 의해 회전가능하게 지지함으로써 풍차발전효율을 높이고 회전 소음과 회전저항을 최소화함으로써 낮은 풍력으로도 발전할 수 있는 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체를 제공하려는 것이다.
본 발명의 목적을 구현하기 위한 해결수단은,
풍차를 포함하는 회전축을 그 축선방향으로 척력이 작용하도록 동일 극성의 마그네틱이 결합되고, 상기 회전축과 연동하여 회전되는 마찰클러치를 포함하는 복수의 풍력발전모듈과;
전술한 마찰클러치의 출력축과 제너레이터 사이에 연결되어 각 풍력발전 모듈에서 발생되는 토크를 전술한 제너레이터로 전달하는 동력전달계통을 포함하는 풍력발전기 조립체에 의해 구현될 수 있다.
전술한 마찰클러치의 바람직한 실시 예로는, 청구항 1에 정의된 바와 같이
제너레이터(도면에는 미도시)와 연결되는 동력전달계통과 연결되는 출력측 샤프트(209)와;
상기한 출력측 샤프트(209)와 체인 기어(201)를 통해 결합되는 환형 디스크(202)와;
상기 출력측 샤프트(204b)와 환형 디스크(202) 사이에 위치되는 플랜지(204b)를 갖추고, 풍차(10)의 회전축(10)과 연결되는 입력측 샤프트(204a)의 체결부(210)와;
순차적으로, 상기 디스크(202)의 양면에 접하도록 상기 체결부(210)의 외경에 결합되는 마찰패드(203a, 203b)와;
상기 마찰패드(203b)의 후면에 접해지도록 상기 체결부(210)의 외경에 조립되는 분배판(205)과;
상기 분배판(205)이 플랜지(204b)쪽으로 밀착되도록 상기 체결부(210)의 외경에 조립되는 접시 스프링(206)과;
전술한 접시 스프링(206)의 후면에 위치되도록 상기 체결부(210)의 외경에 나선 체결되는 체결너트(207)로 이루어진 마찰클러치(200)로 구성되는 것에 특징이 있다.
전술한 마찰클러치는 입력측 샤프트에 내재된 토크는 제너레이터로 전달하고, 반대로 제너레이터와 연결되는 동력전달계통에 내재된 토크는 입력측 샤프트로 전달되지 않도록 토크를 차단하는 일방향성 디스크를 포함한다.
본 발명에 의하면, 풍차가 결합된 회전축은 동일 극성에 의한 척력에 의해 축받이부에 대해 부양된 상태로 회전하게 되므로 적은 바람에도 쉽게 회전할 수 있으므로 제너레이터에서 발전을 할 수 있고, 또한 회전축에서 발생된 회전동력은 마찰클러치를 통해 제너레이터로 전달로 전달할 수 있고, 반대로 특정 풍력발전 모듈의 회전력이 특정 풍력발전모듈의 회전력보다 큰 경우 일방향성 디스크에 의해 차단할 수 있다.
그러므로, 각 풍력발전모듈의 토크 편차에 대응하여 각 풍력발전모듈을 보호할 수 있을 뿐 아니라 동력을 제너레이터로 효과적으로 전달 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기 모듈의 요부를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 축받이부의 요부를 확대하여 도시한 확대단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 마찰클러치를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 마찰클러치의 결합상태를 도시한 요부 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이면 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
그러나, 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
예컨대, 실시 예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니기 때문에 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 않된다.
본 명세서에서, 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 사전적 의미에 제한되지 않으며, 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 정의되거 기술된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
일반적으로, 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석되서는 않된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기 모듈(1)을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기 모듈(1)의 요부를 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 축받이부(100a)의 요부를 확대하여 도시한 확대단면도로, 본 발명에 따른 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체(100)는,
복수의 풍차(11)가 결합된 회전축(10)과, 전술한 회전축(10)과 제너레이터(도면에는 미도시) 사이에 동력을 전달하는 동력전달계통(220)와 연결되는 마찰클러치(100)를 포함하는 복수의 풍력발전모듈(1)을 포함한다.
전술한 풍력발전모듈(1)들은 동일 구성이므로 도 1을 대표적 실시 예로 설명한다.
전술한 회전축(10)은 전술한 축받이부(100a)에 회전가능하게 결합되는데, 회전축(10)과 축받이부(100a)의 사이에 동일 극성의 마그네틱(101)이 서로 대향되게 결합되어 있다.
상기 마그네틱(101) 중 일측의 마그네틱은 회전축(10)의 하부에 부착된 마운터(12)에 일정간격으로 결합되어 있고, 타측 마그네틱은 축받이부(100a)의 상부에 설치된 마운터(12)에 일정간격으로 결합되어 있다.
전술한 축받이부(100a)는 각 풍력발전모듈(1)의 바닥(20, 도 1)에 고정되면서 전술한 회전축(10)을 축선방향으로 유격될 수 있고 회전가능하게 지지한다.
그러므로, 풍차(11)와 연동하여 회전축(10)이 회전될 때, 회전축(10)은 양 마그네틱(101) 간에 작용하는 척력에 의해 부양된 채로 회전되므로 낮은 풍력에도 풍차(11)가 회전할 수 있을 뿐 아니라 풍차(11)의 회전저항을 최소화할 수 있다.
도 3에서 도면부호 10은 회전축으로, 회전축(10)은 스플라인 축 방식으로 후술하는 마찰클러치(200, 도 4)의 입력측 샤프트(204a, 도 4)와 결합되어 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 도 4는 도 2에 도시된 마찰클러치(200)를 분해하여 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 마찰클러치(200)의 결합상태를 도시한 요부 단면도로, 전술한 마찰클러치(200)은
제너레이터(도면에는 미도시)와 연결되는 동력전달계통(220)과 연결되는 출력측 샤프트(209)와;
상기한 출력측 샤프트(209)와 체인 기어(201)를 통해 결합되는 환형 디스크(202)와;
상기 출력측 샤프트(204b)와 환형 디스크(202) 사이에 위치되는 플랜지(204b)를 갖추고, 풍차(10)의 회전축(10)과 연결되는 입력측 샤프트(204a)의 체결부(210)와;
순차적으로, 상기 디스크(202)의 양면에 접하도록 상기 체결부(210)의 외경에 결합되는 마찰패드(203a, 203b)와;
상기 마찰패드(203b)의 후면에 접해지도록 상기 체결부(210)의 외경에 조립되는 분배판(205)과;
상기 분배판(205)이 플랜지(204b)쪽으로 밀착되도록 상기 체결부(210)의 외경에 조립되는 접시 스프링(206)과;
전술한 접시 스프링(206)의 후면에 위치되도록 상기 체결부(210)의 외경에 나선 체결되는 체결너트(207)를 포함한다.
전술한 출력측 샤프트(209)는 그 외경에 스프로킷(도면부호 미표기)이 마련되어 있고, 각 풍력발전모듈에서 발생되는 동력을 제너레이터와 연결되는 동력전달계통(220)과 결합되어 있다.
전술한 출력측 샤프트(209)에 내재된 토크는 동력전달계통(220)을 통해 제너레이터로 전달된다.
전술한 환형 디스크는 전술한 체결부의 외경에 베어링(도 5, 도면번호 미표기)에 으해 회전가능하게 결합되어 있고, 그 외경에 마련된 스프로킷(도 5, 도면번호 미표기)을 포함한다.
전술한 출력측 샤프트(209)와 환형 디스크(202)는 양 스프로킷에 체인 기어(201)를 통해 결합되어 있다. 따라서 환형 디스크(202)는 출력측 샤프트(209)의 회전시 함께 회전될 수 있다.
전술한 환형 디스크(202)는 동일 반경으로 이루어지고 점진적으로 깊게 패인 장공(202a)과, 상기 장공(202a)내에 삽입되는 구형 볼(202b)을 포함하는 일방향 회전수단을 더 포함한다.
전술한 일방향 회전수단은 도 3에 도시된 바와 같이 회전방향에 따라 토크를 차단 및 전달하기 위한 수단을 포괄하는 용어로 사용되는 것으로, 일방향 회전수단은 환형 디스크(202)의 양 면 또는 어느 일측 면에 일정각도로 분할되도록 복수개로 설치될 수 있다.
전술한 마찰패드(203a, 203b)는 전술한 환형 디스크(202)의 표면에 밀착되므로 입력측 샤프트(204a)로 전달되는 토크는 출력측 샤프트(209)로 전달되게 된다.
전술한 분배판(205)은 마찰패드(203b)가 환형 디스크(202)의 표면에 균일하게 밀착되도록 접시 스프링(206)의 탄성을 분배한다.
전술한 접시 스프링(206)은 환형 디스크(202)의 표면에 마찰패드(203b)가 탄력적으로 밀착되도록 탄성력을 부여한다.
전술한 체결너트(207)은 접시 스프링(206)의 후면에 지지하도록 체결부에 나선 결합되는데, 체결너트(207)의 체결 깊이에 따라 접시 스프링(206)의 탄성을 조절할 수 있다.
따라서, 전술한 마찰패드(203a, 203b), 분배판(205), 접시 스프링(206)는 체결부(210)에서 분리되지 않도록 체결부(210)에 고정된다.
한편, 전술한 마찰패드(203a, 203b), 분배판(205), 접시 스프링(206)은 체결부(210)와 키(도면부호 미표기) 결합되어 체결부(210)와 함께 회전되게 된다.
전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 풍력발전기 조립체의 작동 예를 설명한다.
상기한 마찰클러치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 풍력발전모듈(1)의 바닥(20)에 회전가능하게 스러스트 베어링(도면부호 미표기)을 통해 회전가능하게 결합되어 있다.
어느 풍력발전모듈(1)에서의 발생 토크가 다른 풍력발전모듈의 발생 토크 보다 큰 경우, 상대적으로 더 큰 토크는 회전축(10)을 통해 입력측 샤프트(204a)로 전달되고, 양 마찰패드(203a,203b) 사이에 위치된 환형 디스크(202)를 통해 출력측 샤프트(209)로 전달되게 된다.
반대로, 어느 풍력발전모듈(1)에서 발생된 토크가 다른 풍력발전모듈에서 발생된 토크보다 느린 경우, 출력측 사프트(209)의 토크는 입력측 샤프트(204a)쪽으로 전달되게 되지만, 이 경우 일방향 회전수단에 의해 입력측 샤프트(204a)쪽으로는 토크가 전달되지 않는다.
다시 말해서, 입력측 샤프트(204a)의 토크값 보다 출력측 샤프트의 토크값이 더 큰 경우, 깊은 장공(202a) 쪽에 위치된 볼(202b)이 낮은 장공(202a)쪽으로 이동되면서 마찰패드와 환형 디스크사이가 벌어지게 되고, 볼(202b)은 해당 장공 내에서 회전되게 된다.
따라서, 출력측 샤프트(209)의 토크는 입력측 샤프트(204a) 쪽으로 전달되지 않도록 차단함으로써 입력측 샤프트(204a)에 내재된 토크는 마찰패드가 볼(202b)에 접촉된 상태로 회전될 뿐 내재된 토크는 출력측 샤프트(209)로 전달되지 않는다.
본 발명에서는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 본 발명을 더 넓은 관점에서, 본 발명을 기초로 다양한 변경 예나 응용 예를 도출할 수 있으나 그러한 변경 예나 응용 예는 이하의 특허청구범위에서 정의된 권리범위와 본 발명자가 의도하는 진정한 의미의 기술적 사상에 포함된다는 것을 미리 밝혀두는 바이다.
1: 풍력발전모듈 10: 회전축
11: 풍차 12: 마운트
20: 풍력발전모듈의 바닥 30: 출력측 샤프트
100: 마찰클러치 101: 마그네틱
200: 마찰클러치 201: 체인기어
202: 환형 디스크 203a, 203b: 마찰패드
204a: 입력측 샤프트 204b: 플랜지
205: 분배판 206: 접시 스프링
207: 체결너트 209: 출력측 샤프트
210: 체결부

Claims (2)

  1. 풍차(11)를 포함하는 회전축(10)을 그 축선방향으로 척력이 작용하도록 동일 극성의 마그네틱(101)이 결합되고, 상기 회전축(10)과 연동하여 회전되는 마찰클러치(100)를 포함하는 복수의 풍력발전모듈(1)로서, 상기 마찰클러치(100)는
    동력전달계통(220)과 결합되는 출력측 샤프트(209)와;
    상기 출력측 샤프트(209)와 체인 기어(201)를 통해 결합되는 환형 디스크(202)와;
    상기 출력측 샤프트(209)와 환형 디스크(202) 사이에 위치되는 플랜지(204b)를 갖추고, 풍차(10)의 회전축(10)과 연결되는 입력측 샤프트(204a)를 포함하는 체결부(210)와;
    순차적으로, 상기 디스크(202)의 양면에 접하도록 상기 체결부(210)의 외경에 결합되는 마찰패드(203a, 203b)와;
    상기 마찰패드(203b)의 후면에 접해지도록 상기 체결부(210)의 외경에 조립되는 분배판(205)과;
    상기 분배판(205)이 플랜지(204b)쪽으로 밀착되도록 상기 체결부(210)의 외경에 조립되는 접시 스프링(206)과;
    상기 접시 스프링(206)의 후면에 위치되도록 상기 체결부(210)의 외경에 나선 체결되는 체결너트(207)로 구성된 것을 특징으로 하는 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 디스크는 그 양 면 또는 어느 일 면에 점진적으로 깊게 패인 장공(202a)과, 상기 장공(202a)내에 삽입되는 구형 볼(202b)을 포함하는 일방향 회전수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 부양기능을 갖춘 풍력발전기 조립체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013121268A (ja) * 2011-12-08 2013-06-17 Winpro Co Ltd 非接触磁気結合増速駆動式の同軸反転発電機、該同軸反転発電機を使用した多段連結駆動ユニット及び該多段連結駆動ユニットを使用した風力発電装置
KR20130107464A (ko) * 2012-03-22 2013-10-02 김창헌 비대칭 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치

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