KR20110044976A - 압축성 매체용 로터리 모터 - Google Patents

압축성 매체용 로터리 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 임펠러(1)와 적어도 하나의 고정자(2)를 포함하고 이들이 밀폐덮개(6)가 구비된 고정자(2)의 챔버(21)내에 배치된 로터리 피스턴(12)이 착설되는 임펠러(1)의 구동축(11)의 양측으로 연장된 두 측부를 조절가능하게 착설할 수 있도록 하는 두개의 대향되게 배치된 베어링판(3) 사이에 착설되는 압축성 매체용 로터리 모터에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 타원형 단면의 로터리 피스턴(12)이 만곡형 정점부(211)를 갖는 대칭형의 삼각형 챔버(21)내에 착설되고, 이들 각 정점부에는 압축성 매체의 흡입 및 토출을 위한 적어도 하나의 포트(214)가 구비되어 있으며, 로터리 피스턴(12)의 길이방향 축선(op)은 이심률(e)을 가지고 고정자(2)의 챔버(21)의 길이방향 축선(os)에 대하여 이동되고, 일측 베어링판(3)에서 구동축(11)에 선기어(7)가 착설되어 있으며, 그 둘레에는 등간격을 두고 3개의 유성기어(8)가 배치되고, 이들 유성기어는 베어링판(3)에 회전가능하게 착설되어 고정자(2)에 결합된 펙(81)에 착설됨을 특징으로 한다.

Description

압축성 매체용 로터리 모터 {ROTARY MOTOR FOR COMPRESSIBLE MEDIA}
본 발명은 압축성 매체용 로터리 모터, 특히, 압축성의 기체 또는 유체에 의하여 구동되는 로터리 모터에 관한 것이다.
전형적인 공기 또는 유체용 모터의 현재 알려진 구성은 크랭크기구와 왕복동피스턴을 포함하고 있는 바, 그 결점은 피스턴의 방향전환시에 에너지손실이 크다는 점이다. 유사한 구성의 모터로서 크랭크기구가 경사판(skew plate)으로 대체된 것이 있다. 또한 특수한 크랭크기구를 갖는 특허문헌 EP 1084334에 따른 구성이 알려진 바 있는데, 이는 상사점 중심에서 피스턴의 지연이 이루어질 수 있도록 하여 압축성 공기가 피스턴의 전방으로 방출되어 압축성 공기가 팽창으로 피스턴의 운동이 역전될 수 있도록 한다. 이러한 방식은 기술적으로 매우 어려우며 모터는 낮은 효율을 보인다.
로터리 에어 모터의 다른 알려진 구성으로서는 특허문헌 US 5174742, JP 11173101 또는 JP 7247949 에 기술된 바와 같이 편심되게 착설된 임펠러와 가동형의 밀폐박판을 이용하는 것이 있다. 이러한 구성은 전체 회전운동이 에너지로 전환될 수 없어 효율이 낮다. 이들 구성의 다른 결점은 밀폐박막의 마모가 심하여 이들의 윤활이 필요하고 특수물질을 사용할 필요가 있어 생산가가 높아진다.
끝으로 예를 들어 특허문헌 JP 6017601. CS 173441, CZ 296486 또는 US 4797077 에 따른 구성과 같이 회전시에 가변형 작동공간을 형성하는 둘 이상의 임펠러를 갖는 로터리 에어 모터의 구성이 알려져 있다. 이들 구성 역시 전체 회전운동이 에너지 전환에 이용될 수 없다. 다른 결점이 있다면 밀폐가 필요한 면적이 커서 모터의 전체 무게가 커지고 생산가가 높아지는 것이다.
본 발명의 과제는 기계적인 분할을 필요로 하지 않는 소량의 가동부품이 사용되고 제작이 간단하며 작업효율과 신뢰성이 높고 친환경적인 간단한 구성의 로터리 모터를 제공하는데 있다.
이러한 과제는 적어도 하나의 임펠러와 적어도 하나의 고정자를 포함하고 이들이 밀폐덮개가 구비된 고정자 챔버내에 배치된 로터리 피스턴이 착설되는 임펠러의 구동크랭크의 양측으로 연장된 두 측부를 조절가능하게 착설할 수 있도록 하는 두개의 대향되고 평행하게 배치된 베어링판 사이에 착설되는 본 발명의 압축성 매체용 로터리 모터에 의하여 해결된다. 본 발명의 요지는 타원형 단면의 로터리 피스턴이 만곡형 정점부를 갖는 대칭형의 삼각형 챔버내에 착설되고, 이들 각 정점부에는 압축성 매체의 흡입 및 토출을 위한 적어도 하나의 포트가 구비되어 있으며, 로터리 피스턴의 길이방향 축선은 이심률을 가지고 고정자의 챔버의 길이방향 축선에 대하여 이동되고, 일측 베어링판에서 크랭크에 선기어가 착설되어 있으며, 그 둘레에는 등간격을 두고 3개의 유성기어가 배치되고, 이들 유성기어는 베어링판에 회전가능하게 착설되어 고정자에 결합된 펙(peg)에 착설되는 것이다.
본 발명의 다른 요지는 로터리 피스턴이 타원의 장축(a)과 단축(b) 그리고 이심률(e) 사이가 다음과 같은 관계를 가지고,
a = b + 2e
챔버의 부분적으로 만곡된 정점부는 상호 120°의 각도를 이루고 고정자 챔버의 축선(os)으로부터의 거리(vv)는 다음과 같은 값을 가지며,
vv = a + e
챔버의 정점부의 곡률은 로터리 피스턴의 곡률과 같으며 정점부에 대향된 챔버의 벽까지의 거리(vs)는 내접원의 반경과 같고 다음의 값을 가지고,
vs = b + e
정점부와 벽 사이의 챔버 벽면의 전이부는 운동하는 로터리 피스턴이 만들어내는 포락곡선(envelope curve)을 이룬다.
끝으로 본 발명의 요지는 유성기어의 톱니수는 선기어의 톱니수의 반이고 유성기어의 펙은 펙 베어링을 통하여 베어링판에 착설되며 각 펙의 외측전면에는 이심률(e)의 값으로 오프셋트된 크기의 고정공이 형성되어 있고, 각 고정공에는 유성기어의 간격과 동일한 간격을 두고 고정자에 착설되는 구동핀을 착설하기 위한 가이드 베어링이 착설되는 것이다.
이러한 구성의 다른 이점은 가동부품들이 정확하게 작동하고 공시적으로 지향된 운동이 용이하게 이루어질 수 있도록 베어링에 착설됨으로서 로터리 피스턴과 소정자 사이에 최소간극이 유지될 수 있는 것이다. 그리고 로터리 피스턴은 고정자에 내접하지 않고 회전할 수 있어 모터의 전체 효율 및 작동수명이 증가한다. 이로써 접촉영역의 윤활필요성이 없어 특히 유체를 이용한 운전에 유리하다.크랭크에 하나 이상의 로터리 피스턴을 부가하고 기어셋트와 이들의 구동핀과 같은 동기화 기구를 갖는 주어진 고정자를 결합하는 것만으로 고정자 회전운동의 동적인 평형이 이루어질 수 있도록 한다. 동시에 모터는 바이패스 밸브의 타이밍을 간단히 변경함으로서 회전방향을 용이하게 역전시킬 수 있다. 환경적인 관점에서 이러한 구성은 다른 이점을 가지며 모터의 소음이 비교적 낮고 운전중에 배기가스의 발생이 없다.자기윤활형 베어링과 플라스틱 기어를 사용할 때 모터는 오일없이 완벽하게 작동할 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 수직단면도.
도 2는 선기어측에서 본 모터의 측면도.
도 3 내지 도 5는 타원형 임펠러, 고정자의 삼각형 챔버 및 고정자 챔버의 커버곡선의 형상을 얻기 위한 임펠러와 고정자의 구조를 보인 설명도.
도 6은 작동중인 모터의 어느 특정 상태를 보인 설명도.
로터리 모터는 임펠러(1)와 고정자(2)로 구성되고, 이들은 주변에 일정한 간격을 두고 배치된 볼트와 같은 스페이서(4)에 의하여 서로 결합된 두개의 베어링판(3) 사이에 착설된다. 베어링판(3)의 중앙에는 축베어링(5)이 착설되고 이에 양측으로 연장된 임펠러(1)의 구동축(11)이 착설되며, 이러한 구동축에는 타원형 단면을 갖는 로터리 피스턴(12)이 축방향으로 정렬되게 착설되고, 여기에서 타원은 장축 a 과 단축 b 그리고 이심률 e 는 다음의 관계를 가진다.
a = b + 2e
로터리 피스턴(12)은 링형인 고정자(2)의 삼각형 챔버(21)내에 착설되고 고정자의 양측면(22)에는 구동축(11)이 통과할 수 있는 중심공(61)이 구비된 밀폐덮개(6)가 볼트로 체결되어 있다. 고정자(2)의 챔버(21)의 형상은 120°의 간격을 두고 배치된 3개의 대칭형 부분인 만곡형의 정점부(211)로 구성되고, 고정자(2)의 챔버(21)의 종축선 os 로부터 정점부까지의 거리 vv 는 다음의 값을 갖는다.
vv = a + e
한편, 챔버(21)의 정점부(211)의 곡률은 로터리 피스턴(12)의 곡률과 일치한다. 정점부(211)를 향하는 챔버(21)의 벽(212)은 내접원의 반경과 일치하는 거리 vs 를 두고 있으며 그 값은 다음과 같다.
vs =b + e
정점부(211)와 벽(212) 사이의 챔버(21)의 전이부(213)는 로터리 피스턴(12)의 포락곡선으로 이루어지고, 도 3 내지 도 5에서 명확히 보인 바와 같이 로터리 피스턴의 종축선 op 은 이심률 e 의 크기로 고정자(2)의 챔버(21)의 종축선 os 에 대하여 떨어져 있다. 모든 정점부(211)에는 작동유체의 흡입과 토출을 위한 적어도 하나의 포트(214)가 형성되어 있다.
일측 베어링판(3)의 외측으로부터 구동축(11)에는 선기어(7)가 착설되어 있고 그 둘레에 120°의 간격을 두고 3개의 유성기어(8)가 배치되어 있으며 유성기어(8)의 톱니수는 선기어(7)의 톱니수의 반이다. 유성기어(8)는 펙(81)에 고정되어 있으며 이들 펙은 피봇 베어링(82)을 통하여 베어링판(3)에 회전가능하게 착설된다. 각 펙(81)의 외면(811)에는 이심률 e 의 값으로 오프셋트된 크기를 갖는 고정공(812)이 형성되어 있다. 각 고정공(812)에는 구동핀(23)을 고정하기 위한 가이드 베어링(813)이 착성되며, 구동핀은 예를 들어 유성기어(8)의 간격과 동일한 간격을 두고 고정자(2)의 내측에 삽입착설되어 고정자(2)의 회전운동을 크랭크(11)에 전달하는 역할을 한다.
이상의 설명에서 로터리 모터는 외견상으로만 설명하였으며 달리 관련되었으나 예시하지 않은 구성부분, 즉 바이패스 밸브, 이들의 제어수단, 유입구, 윤활구조, 냉각구조, 평형휠 등에 대하여서는 이들이 본 발명의 요지에 영향을 주지 않으므로 설명하지 않았다.
로터리 피스턴(12)의 타원형 형상과 고정자(2)의 삼각형 챔버의 형상을 얻기 위하여, 로터리 모터의 크기를 결정할 수 있는 주요 파라메타는 이심률 e 의 값, 즉, 로터리 피스턴(12)의 축선 op 에 대한 고정자(2)의 삼각형 챔버(21)의 축선 os 까지의 거리를 선택하는 것이다. 최적한 선택의 경우 로터리 피스턴(12)의 단면은 타원형으로서 그 타원의 장축 a 는 이심률 e 의 값 보다 5~6 배 크고, 단축 b 는 로터리 피스턴(12)이 90°회전하여 삼각형 챔버(21)에 접촉한 위치의 크기이고 이심률 e 의 크기의 두배 값 보다 작다. 내접원에 의하여 크기가 특정되는 만곡형 정점부(211)와 벽(212) 사이의 전이곡선이 이심률 e 를 반경으로 하여 동시에 반대방향으로 회전하는 고정자(2)의 속도 보다 두배 빠른 속도로 회전하는 로터리 피스턴(12)의 포락곡선을 형성하는 형태로 삼각형 챔버(21)가 형성된다. 로터리 피스턴(12)과 고정자(2)의 복합적인 운동은 고정자(2)가 고정되어 있고 로터리 피스턴(12)이 행성운동을 하도록 하는 구성으로 대체될 수 있으며, 타원의 중심이 주어진 각도에서 이심률 e 를 반경으로 하는 원과 동시에 타원의 축선 op 를 따라 이동할 때, 도 5에서 보인 바와 같이, 로터리 피스턴(12)이 반대방향으로 각도의 반 정도만 회전한다. 이와 같이 함으로서 타원의 가장 원격한 접촉점을 찾을 수 있고, 이에 의하여 만곡형 정점부(211)와 만나는 접선은 로터치 피스턴(12)의 타원의 측부와 접촉하는 반대측인 포락곡선이 시작할 수 있도록 한다.
모터의 작동은 로터리 피스턴(12)의 위치로부터 알 수 있으며, 이는 고정자(2)의 한 정점부(211)의 한 아치형 부분에 이르러 압축성 매체의 흡입이 이루어지는 포트(214)를 폐쇄하는 반면에, 양측면은 고정자(2)의 벽(212)에 대칭으로 접촉한다. 로터리 피스턴(12)이 도 6에서 보인 바와 같이 회전하였을 때, 양측 벽(212)과의 접촉점은 분리되기 시작하여 챔버(21)내에서 작동공간(215)이 시작되도록 하고 인접한 포트(214)의 바이패스 밸브(도시하지 않았음)를 통하여 작동매체가 흡입되어 그 팽창으로 로터리 피스턴(12)이 90°회전된 위치인 최대용적에 이르는 위치로 로터리 피스턴(12)을 회전시킨다. 동시에 로터리 피스턴(12)의 반대측 부분에서는 제2정점부(211)에 의하여 작동공간(215)의 작동싸이클이 이미 완성되어 포트(214)를 통한 배기가 이루어진다. 배기가 이루어진 후 정점부(211)에 인접한 로터리 피스턴(12)은 원위치로 복귀하여 상기 언급된 과정이 반복된다. 그리고 삼각형 형상의 챔버(21)는 로터리 피스턴(12)이 60°회전시마다 압축성 매체의 흡입이 이루어져 로터리 피스턴(12)의 1회전시에 6번의 흡입이 이루어지도록 한다. 특정 작동싸이클이 해당된 정점부(211)의 작동공간(215)에서 실행될 수 있고 이들 작동공간은 동일한 크기의 공간임을 알 수 있으며, 작동 피스턴이 90°회전하였을 때 작동공간(215)이 최대가 되나 60°회전하였을 때 이미 인접한 정점부(211)에 의하여 다음의 작동싸이클이 시작된다.
이상으로 설명된 구성에서 로터리 모터는 그 크기와 요구된 부하에 따라서 각 정점부에 압축성 매체의 흡입과 토출을 위하여 각각 하나씩 두개의 포트(214)가 배치될 수 있으며 또한 베어링판(3)의 구조와 결합은 임펠러(1)와 고정자(2)의 특별한 구조에 따라서 달라질 수 있다.
본 발명에 따른 로터리 모터는 생태적으로 친화적인 기계장치, 차량 및 다른 장치와 같은 여러 산업 및 운송분야에 사용될 수 있다.
1: 임펠러, 2: 고정자, 3: 베어링판, 4: 스페이서, 5: 축베어링, 6: 밀폐덮개, 7: 선기어, 8: 유성기어, 11: 구동축, 12: 로터리 피스턴, 21: 삼각형 챔버, 22: 전면, 23: 구동핀, 61: 중앙공, 81: 펙, 82: 피봇 베어링, 211: 만곡형 정점부, 212: 벽, 213: 전이부, 214: 포트, 215: 작동공간, 811: 외면, 812: 고정공, 813: 가이드 베어링.

Claims (3)

  1. 적어도 하나의 임펠러(1)와 적어도 하나의 고정자(2)를 포함하고 이들이 밀폐덮개(6)가 구비된 고정자(2)의 챔버(21)내에 배치된 로터리 피스턴(12)이 착설되는 임펠러(1)의 구동축(11)의 양측으로 연장된 두 측부를 조절가능하게 착설할 수 있도록 하는 두개의 대향되게 배치된 베어링판(3) 사이에 착설되는 압축성 매체용 로터리 모터에 있어서, 타원형 단면의 로터리 피스턴(12)이 만곡형 정점부(211)를 갖는 대칭형의 삼각형 챔버(21)내에 착설되고, 이들 각 정점부에는 압축성 매체의 흡입 및 토출을 위한 적어도 하나의 포트(214)가 구비되어 있으며, 로터리 피스턴(12)의 길이방향 축선(op)은 이심률(e)을 가지고 고정자(2)의 챔버(21)의 길이방향 축선(os)에 대하여 이동되고, 일측 베어링판(3)에서 구동축(11)에 선기어(7)가 착설되어 있으며, 그 둘레에는 등간격을 두고 3개의 유성기어(8)가 배치되고, 이들 유성기어는 베어링판(3)에 회전가능하게 착설되어 고정자(2)에 결합된 펙(81)에 착설됨을 특징으로 하는 압축성 매체용 로터리 모터.
  2. 제1항에 있어서, 로터리 피스턴(12)이 타원의 장축(a)과 단축(b) 그리고 이심률(e) 사이가 다음과 같은 관계를 가지고,
    a = b + 2e
    챔버(21)의 부분적으로 만곡된 정점부(211)는 상호 120°의 각도를 이루고 고정자(2)의 챔버(21)의 축선(os)으로부터의 거리(vv)는 다음과 같은 값을 가지며,
    vv = a + e
    챔버(21)의 정점부(211)의 곡률은 로터리 피스턴(12)의 곡률과 같으며 정점부(211)에 대향된 챔버(21)의 벽(212)까지의 거리(vs)는 내접원의 반경과 같고 다음의 값을 가지고,
    vs = b + e
    정점부(211)와 벽(212) 사이의 챔버(21) 벽면의 전이부(213)는 운동하는 로터리 피스턴(12)이 만들어내는 포락곡선을 이룸을 특징으로 하는 압축성 매체용 로터리 모터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유성기어(8)의 톱니수가 선기어(7)의 톱니수의 반이고 유성기어의 펙(81)은 피봇 베어링(82)을 통하여 베어링판(3)에 착설되며 각 펙(81)의 외측전면에는 이심률(e)의 값으로 오프셋트된 크기의 고정공(812)이 형성되어 있고, 각 고정공(812)에는 유성기어(8)의 간격과 동일한 간격을 두고 고정자(2)에 착설되는 구동핀(23)을 착설하기 위한 가이드 베어링(813)이 착설됨을 특징으로 하는 압축성 매체용 로터리 모터.
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