KR20110116574A - 풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기 - Google Patents

풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기에 있어서, 특히 풍력발전기의 수평축을 일정각도 수평회전시키되 일정 속도로 감속된 상태로 안정적으로 풍력발전기 타워가 회전될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기에 관한 것으로,
풍력발전용 수직축과, 풍력발전용 수평축과, 풍력발전용 날개로 이루어지는 풍력 발전기에 있어서, 상기 풍력발전용 수직축에 수직한 방향으로 적어도 2개 설치되어 풍력발전용 날개를 수평한 방향으로 회전시키는 수평축 감속장치와; 상기 풍력발전용 수직축에 설치되며 수평축 감속장치에 내접되어 수평축 감속장치의 회전에 따라서 수평축을 수평방향으로 회전시키는 수평축용 회전링기어를 포함하여 이루어지는 것이 특징이며;
본 발명은, 바람의 방향에 따라서 발전기의 수평축을 회전할 수 있도록 하되 풍력발전기에 감속기어와 싸이클로이드 디스크를 조합하여 설치함으로서 적절한 감속비율로 수평축이 움직이도록하여 바람의 방향에 따라서 안정적으로 풍력발전기를 운용할 수 있는 효과가 있다.

Description

풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기{A Reduction Gear of Cycloid for a Wind Power Generator}
본 발명은 풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기에 관한 것으로, 특히 풍력발전기의 수평축을 일정각도 수평회전시키되 일정 속도로 감속된 상태로 안정적으로 풍력발전기 타워가 회전될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력발전장치는 날개의 회전축이 놓인 위치에 따라 수평축 및 수직축으로 구분되어 제공되는 것으로 자연의 바람으로 풍차를 돌리고 이것을 기어기구 등을 이용하여 발전기를 돌리는 방식이며, 상기의 풍력발전장치는 자연상태의 무공해 에너지원으로서 화석연료를 대체하는 대체 에너지원 중에서 가장 경제성이 높은 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
그런데, 우리나라의 기후환경은 외국의 기후환경과는 달리 바람의 방향이 수시로 바뀔뿐만 아니라 바람이 부는 각 공간상 즉, 각 공간의 상부 및 하부에서도 부는 각 바람의 방향이 다른 경우가 많을 뿐만 아니라 바람의 세기 또한 미풍이어서 우리나라에 적용되는 풍력발전장치는 풍력에 의한 발전효율을 향상시키는 방향으로 개량되고 있는 실정이다.
일례로 선등록(등록번호 20-0019653호)는 종래의 수직축 풍력발전장치의 경우 세워진 수직축을 따라 풍차날개를 적층 고정하여 제공함으로서 바람이 부는 상하부의 공간상에 수직적층된 풍차날개가 회전할 수 있게 제공한다.
그런데, 우리나라의 기후환경은 외국의 기후환경과는 달리 바람의 방향이 수시로 바뀔뿐만 아니라 바람이 부는 각 공간상 즉, 각 공간의 상부 및 하부에서 부는 각 바람의 방향이 서로 다른 경우가 많을 뿐만 아니라 바람의 세기 또한 미풍이다.
이로 인해, 수직축을 따라 적층 설치된 각 풍차날개 중 수직축의 상부에 설치된 풍차날개와 수직축의 하부에 설치된 풍차날개에 전달되는 바람의 방향이 다른 경우 각 풍차날개는 수직축에 고정설치된 상태이기 때문에 풍차 날개의 회전을 반감시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로,
본 발명은 바람의 방향에 따라서 발전기의 수평축을 회전할 수 있도록 하되 풍력발전기에 감속기어와 싸이클로이드 디스크를 조합하여 설치함으로서 적절한 감속비율로 수평축이 움직이도록하여 바람의 방향에 따라서 안정적으로 풍력발전기를 운용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,
본 발명은 풍력발전용 수직축(100)과, 풍력발전용 수평축(200)과, 풍력발전용 날개(300)로 이루어지는 풍력 발전기에 있어서,
상기 풍력발전용 수직축에 수직한 방향으로 적어도 2개 설치되어 풍력발전용 날개를 수평한 방향으로 회전시키는 수평축 감속장치(400)와; 상기 풍력발전용 수직축에 설치되며 수평축 감속장치에 내접되어 수평축 감속장치의 회전에 따라서 수평축을 수평방향으로 회전시키는 수평축용 회전링기어(500)를 포함하여 이루어지는 것이 특징이다.
또한, 상기 수평축 감속장치(400)는,
외부에서 전기를 공급받아 일정속도로 회전되며 전면에 돌출 설치된 회전축을 회전시키는 구동모터(1)와; 상기 구동모터의 회전축에 결합되며 외주연에 기어가 형성되어 동력 전달용 기어부(10)와; 상기 동력전달용 기어부에 기어 결합되며 외주연에 동력전달용 기어부에 비해서 더 많은 갯수의 기어가 구비되어 동력전달용 기어부의 기어에 맞물려 회전하면서 구동모터의 구동속도를 1차 감속시키는 스퍼 기어부(20)와; 상기 스퍼 기어부의 중심에 축 결합되며 몸체에 다단 편심캠이 형성되어 이루어지며 스퍼 기어부의 회전에 상응하여 회전이 이루어지는 샤프트(30)와; 내측에 결합홀을 형성하고 외측에 기어를 형성하여 샤프트를 내측에 결합하되 편심캠의 회전작용으로 편심캠의 회전속도보다 저감된 속도로 회전하는 싸이클로이드 디스크(40)와; 상기 싸이클로이드 디스크의 외측기어가 결합되는 링기어를 설치하되 싸이클로이드 디스크의 기어 갯수보다 더 많은 갯수로 형성하여 링기어를 따라 싸이클로이드 디스크가 회전시에 감속용 기어부 샤프트의 회전 속도를 감속시켜 구동모터의 구동속도를 2차 감속시키는 링기어부(50)와; 상기 싸이클로이드 디스크에 결합되어 싸이클로이드 디스크의 회전에 상응하여 동일한 속도로 회전하는 선기어(61)와, 상기 선기어의 외측에 결합되어 자전운동 및 공전운동을 하는 아이들 기어(62)와, 상기 아이들기어의 외측에 설치되어 아이들기어가 회전되도록 하는 링기어(63)와, 상기 아이들기어의 중심축에 설치되어 아이들기어의 공전 속도로 회전하는 동력전달용 핀(64)으로 이루어져 구동 속도를 3차 감속시키는 유성기어부와; 상기 동력전달용 핀에 결합되어 동력 전달용 핀의 회전력을 전달하기 위한 클리퍼(70)와; 상기 클리퍼를 외주연에 결합하여 클리퍼의 회전에 상응하여 회전되는 출력축과, 출력측의 끝단부에 결합되고, 출력축의 속도에 맞추어 회전되며 하부 주행체의 기어부에 맞물려 회전하면서 상부 회전체가 하부 주행체를 중심으로 회전운동을 하도록 하는 피니언 기어(3)를 포함하여 이루어지는 것이 특징이다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 바람의 방향에 따라서 발전기의 수평축을 회전할 수 있도록 하되 풍력발전기에 감속기어와 싸이클로이드 디스크를 조합하여 설치함으로서 적절한 감속비율로 수평축이 움직이도록하여 바람의 방향에 따라서 안정적으로 풍력발전기를 운용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 풍력발전기 구성도.
도 2는 본 발명의 전체 구성도.
도 3은 본 발명의 감속장치 구성도.
도 4는 본 발명의 감속장치 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 적용되는 풍력발전기 구성도.
도 2는 본 발명의 전체 구성도.
도 3은 본 발명의 감속장치 구성도.
도 4는 본 발명의 감속장치 단면도로서,
본 발명의 구성요소는 크게 풍력발전용 수직축(100)과, 풍력발전용 수평축(200)과, 풍력발전용 날개(300)와, 상기 풍력발전용 수직축에 수직한 방향으로 적어도 2개 설치되어 풍력발전용 날개를 수평한 방향으로 회전시키는 수평축 감속장치(400)와, 상기 풍력발전용 수직축에 설치되며 수평축 감속장치에 내접되어 수평축 감속장치의 회전에 따라서 수평축을 수평방향으로 회전시키는 수평축용 회전링기어(500)를 포함하여 이루어진다.
상기 수평축 감속장치(400)의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 수평축 감속장치는 구동모터(1)와, 동력전달용 기어부(10)와, 스퍼 기어부(20)와, 샤프트(30)와, 싸이클로이드 디스크(40)와, 링기어부(50)와, 선기어(61)와 아이들기어(62)와 링기어(63) 및 동력전달용 핀(64)을 결합한 유성기어부와, 클리퍼(70)와, 피니언기어(3)로 이루어진다.
상기 구동모터(1)는 외부에서 전기를 공급받아 일정속도로 회전되며 전면에 돌출 설치된 회전축을 회전시킨다.
상기 동력 전달용 기어부(10)는 구동모터(1)의 회전축에 결합되며 외주연에 기어가 형성되어 이루어진다. 즉, 동력 전달용 기어부(10)는 구동모터(1)에 축 결합되기 때문에 구동모터(1)의 회전속도와 동일한 속도로 회전하게 된다.
상기 스퍼 기어부(20)는 동력전달용 기어부(10)에 기어 결합되며 외주연에 동력전달용 기어부(10)에 비해서 더 많은 갯수의 기어가 구비되어 제 1 동력전달용 기어부(10)의 기어에 맞물려 회전하면서 구동모터(1)의 구동속도를 1차 감속시킨다.
상기 샤프트(30)는 스퍼 기어부의 중심에 축 결합되며 몸체에 다단 편심캠(32)이 형성되어 이루어지며 스퍼 기어부의 회전에 상응하여 회전이 이루어진다.
상기 싸이클로이드 디스크(40)는 내측에 결합홀을 형성하고 외측에 기어를 형성하여 샤프트(30)를 베어링(31)을 통해 결합하되 편심캠의 회전작용으로 편심캠(32)의 회전속도보다 저감된 속도로 회전한다. 이때 샤프트(30)는 싸이클로이드 디스크(40)의 회전에 따라서 공전운동이 이루어지며, 결국 샤프트(30)는 자전운동 및 공전운동이 동시에 이루어지게 된다.
상기 샤프트(30)의 회전으로 편심캠(32)이 회전시에 360도 회전하면 싸이클로이드 디스크(40)가 링기어부(50)의 기어에 맞물리면서 1기어 피치만큼 역회전한다.
상기 링기어부(50)는 싸이클로이드 디스크(40)의 외측기어가 결합되는 링기어를 설치하되 싸이클로이드 디스크(40)의 기어 갯수보다 더 많은 갯수로 형성하여 링기어를 따라 싸이클로이드 디스크(40)가 회전시에 샤프트(30)의 회전 속도를 감속시켜 구동모터(1)의 구동속도를 2차 감속시키는 역할을 한다. 즉, 링기어부(50)의 갯수가 싸이클로이드 디스크(80)의 갯수보다 더 많게 형성되기 때문에 링기어부(50)에 싸이클로이드 디스크(40)의 기어가 맞물릴때 한개 적게 맞물리게 되어 결과적으로 싸이클로이드 디스크(40)가 링기어부(50)에 역회전이 이루어지면서 이 피치만큼의 비율로 감속이 이루어지게 된다.
즉, 상기 샤프트(30)의 회전으로 편심캠(32)이 회전시에 360도 회전하면 싸이클로이드 디스크(40)가 회전하게 되며, 이때 링기어부(50)의 기어에 싸이클로이드 디스크(40)의 기어가 순차적으로 맞물리면서 결과적으로 1기어 갯수만큼 차이가 있다면 1기어 피치만큼 역회전하게 되는 것이다.
상기 유성 기어부는 싸이클로이드 디스크에 결합되어 싸이클로이드 디스크의 회전에 상응하여 동일한 속도로 회전하는 선기어(61)와, 상기 선기어의 외측에 결합되어 자전운동 및 공전운동을 하는 아이들기어(62)와, 상기 아이들기어의 외측에 설치되어 아이들기어가 회전되도록 하는 링기어(63)와, 상기 아이들기어의 중심축에 설치되어 아이들기어의 공전 속도로 회전하는 동력전달용 핀(64)으로 이루어져 구동 속도를 3차 감속시킨다.
상기 클리퍼(70)는 유성기어부의 동력전달용 핀(64)의 외주연에 결합되어 동력 전달용 핀의 회전력을 전달한다.
상기 피니언 기어(3)는 클리퍼를 외주연에 결합하여 클리퍼의 회전에 상응하여 회전되는 출력축(2)과, 출력측의 끝단부에 결합되고, 출력축의 속도에 맞추어 회전되며 하부 주행체의 기어부에 맞물려 회전하면서 상부 회전체가 하부 주행체를 중심으로 회전운동 하도록 한다.
이하에서 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 풍력발전용 수평축(200)을 회전시키는 경우를 살펴보면, 수평축 감속장치(400)를 구동하면 수평축 감속장치(400)가 회전하고 이에 따라 수평축용 회전링기어(500)가 회전하여 풍력발전용 수평축(200)이 일정한 각도로 회전한다.
즉, 수평축 감속장치(400)는 수평축 회전링기어(500)에 내접하되 2개 이상 설치되므로 수평축 회전링기어(500)를 감속시켜 회전시키면서 서서히 회전시켜 원하는 각도만큼 회전이 이루어지는 것이다.
이하에서 수평축 감속장치의 동작을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
구동모터(1)에 전기적 신호를 인가하면 일정 속도로 회전한다.
상기 구동모터(1)가 회전하면 회전축에 결합된 동력전달용 기어부(10)가 회전하며 이때 동력전달용 기어부(10)는 구동모터(1)의 회전속도와 동일한 속도로 회전하게 된다.
그리고, 동력전달용 기어부(10)가 회전하게 되면 외주연에 기어 결합된 스퍼 기어부(20)가 회전하며, 이때 스퍼 기어부(20)가 동력전달용 기어부(10)에 비해서 더 많은 갯수의 기어가 구비되어 동력전달용 기어부(10)의 기어에 맞물려 회전하면서 구동모터(1)의 구동속도를 1차 감속시킨다.
즉, 동력 전달용 기어부(10)의 기어 갯수에 비해서 스퍼 기어부(20)의 기어 갯수가 더 많기 때문에 동력전달용 기어 갯수/ 스퍼 기어부의 기어 갯수 만큼 저감된 속도로 회전하게 된다.
즉, 동력전달용 기어부(10)의 기어 갯수가 10개이고 스퍼 기어부(20)의 기어 갯수가 40개라면 1/4의 속도로 저감되어 회전하게 되고, 이에 따라 구동모터(1)의 회전력은 1/4만큼의 비율로 저감된 속도로 회전하게 되는 것이다.
이후의 동작을 살펴보면, 상기 스퍼 기어부(20)가 회전하게 되면 스퍼 기어부(20)의 중심축에 축 결합된 샤프트(30)가 회전하게 되며, 이때 샤프트(30)는 스퍼 기어부(20)의 회전 속도와 동일한 속도로 회전하게 된다.
한편, 샤프트(30)는 몸체에 다단 편심캠(32)이 형성되어 있고, 상기 몸체는 싸이클로이드 디스크(40)의 내측 결합홀에 베어링(31)을 통해 삽입 결합되어 회전하게 된다.
이때, 싸이클로이드 디스크(40)의 기어는 링기어부(50)의 기어에 일측이 맞물리도록 설계되어 있으므로 샤프트(30)가 회전하면서 싸이클로이드 디스크(40)는 링기어부(50)에 맞물리면서 회전하게 되며, 싸이클로이드 디스크(40)의 기어 갯수에 비해서 링기어부(50)의 기어 갯수가 더 많도록 설계되기 때문에 (링기어의 개수 - 디스크 기어의 개수) / 디스크 기어 개수의 비율로 속도가 저감된다.
즉, 싸이클로이드 디스크(40)의 기어 갯수가 12개이고 링기어(90)의 기어 갯수가 13개이면 1/12의 비율로 속도가 저감된다.
결국, 링기어부(50)를 따라 싸이클로이드 디스크(40)가 회전시에 샤프트(30)의 회전 속도를 감속시켜 구동모터(1)의 구동속도를 2차 감속시키게 되는 것이다.
이후 동작을 살펴보면, 싸이클로이드 디스크(40)가 회전하게 되면 싸이클로이드 디스크에 결합된 선기어(61)가 회전하게 되고, 선기어(61)가 회전하게 되면 외측에 기어 결합된 아이들 기어(62)가 회전하게 되며, 아이들 기어(62)는 링기어부(50)의 기어에 맞물리면서 회전하게 된다.
이때, 아이들 기어(62)는 자전 및 공전이 이루어지며 공전 속도만큼 싸이클로이드 디스크(40)의 속도를 저감시키게 되므로 3차 감속이 이루어지게 된다.
그리고, 아이들 기어(62)에는 동력전달용 핀(64)이 결합되어 있어 상기 동력전달용 핀이 아이들 기어의 공전 속도에 상응하여 회전하게 되고, 동력 전달용 핀에 클리퍼가 결합되어 있으므로 클리퍼(70)는 동력 전달용 핀의 회전속도에 상응한 속도로 회전하게 된다.
상기 출력축(2)은 클리퍼에 결합되어 클리퍼의 회전속도와 동일하게 회전되고, 상기 피니언 기어(3)는 출력축(2)에 결합되어 출력축(2)의 속도에 맞추어 회전하기 때문에 풍력발전기용 수평축 또는 풍력발전용 날개는 구동모터(1)의 속도에 비해 3차로 저감된 속도로 서서히 회전하게 된다.
1: 구동모터
2: 출력축
3: 피니언 기어
10: 동력 전달용 기어부
20: 스퍼 기어부
30: 샤프트
40: 싸이클로이드 디스크
50: 링기어부
61: 선기어
62: 아이들 기어
63: 링기어
64: 동력전달용 핀
70: 클리퍼
100: 풍력발전용 수직축
200: 풍력발전용 수평축
300: 풍력발전용 날개
400: 수평축 감속장치
500: 수평축용 회전링기어

Claims (2)

  1. 풍력발전용 수직축(100)과, 풍력발전용 수평축(200)과, 풍력발전용 날개(300)로 이루어지는 풍력 발전기에 있어서,
    상기 풍력발전용 수직축에 수직한 방향으로 적어도 2개 설치되어 풍력발전용 날개를 수평한 방향으로 회전시키는 수평축 감속장치(400)와;
    상기 풍력발전용 수직축에 설치되며 수평축 감속장치에 내접되어 수평축 감속장치의 회전에 따라서 수평축을 수평방향으로 회전시키는 수평축용 회전링기어(500)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평축 감속장치(400)는,
    외부에서 전기를 공급받아 일정속도로 회전되며 전면에 돌출 설치된 회전축을 회전시키는 구동모터(1)와;
    상기 구동모터의 회전축에 결합되며 외주연에 기어가 형성되어 동력 전달용 기어부(10)와;
    상기 동력전달용 기어부에 기어 결합되며 외주연에 동력전달용 기어부에 비해서 더 많은 갯수의 기어가 구비되어 동력전달용 기어부의 기어에 맞물려 회전하면서 구동모터의 구동속도를 1차 감속시키는 스퍼 기어부(20)와;
    상기 스퍼 기어부의 중심에 축 결합되며 몸체에 다단 편심캠이 형성되어 이루어지며 스퍼 기어부의 회전에 상응하여 회전이 이루어지는 샤프트(30)와;
    내측에 결합홀을 형성하고 외측에 기어를 형성하여 샤프트를 내측에 결합하되 편심캠의 회전작용으로 편심캠의 회전속도보다 저감된 속도로 회전하는 싸이클로이드 디스크(40)와;
    상기 싸이클로이드 디스크의 외측기어가 결합되는 링기어를 설치하되 싸이클로이드 디스크의 기어 갯수보다 더 많은 갯수로 형성하여 링기어를 따라 싸이클로이드 디스크가 회전시에 감속용 기어부 샤프트의 회전 속도를 감속시켜 구동모터의 구동속도를 2차 감속시키는 링기어부(50)와;
    상기 싸이클로이드 디스크에 결합되어 싸이클로이드 디스크의 회전에 상응하여 동일한 속도로 회전하는 선기어(61)와, 상기 선기어의 외측에 결합되어 자전운동 및 공전운동을 하는 아이들 기어(62)와, 상기 아이들기어의 외측에 설치되어 아이들기어가 회전되도록 하는 링기어(63)와, 상기 아이들기어의 중심축에 설치되어 아이들기어의 공전 속도로 회전하는 동력전달용 핀(64)으로 이루어져 구동 속도를 3차 감속시키는 유성기어부와;
    상기 동력전달용 핀에 결합되어 동력 전달용 핀의 회전력을 전달하기 위한 클리퍼(70)와,
    상기 클리퍼를 외주연에 결합하여 클리퍼의 회전에 상응하여 회전되는 출력축과, 출력측의 끝단부에 결합되고, 출력축의 속도에 맞추어 회전되며 하부 주행체의 기어부에 맞물려 회전하면서 상부 회전체가 하부 주행체를 중심으로 회전운동을 하도록 하는 피니언 기어(3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 타워 회전용 싸이클로이드 감속기.
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