KR20130062834A - 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시스템 구성이 단순하면서 반응속도가 신속하고, 작동의 신뢰성이 높은 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구에 관한 것이다.
본 발명에 따른 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구는, 전기에너지의 인가에 의해 자화되는 전자석유닛(10);상기 전자석유닛(10)의 자화에 의해 직선방향으로 직접 이동하는 구동체(20); 및 블레이드(18)의 기초부에 장착되고, 상기 구동체(20)의 직선 이동에 의해 회전하는 피동회전체(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구{BLADE PITCH DRIVE SYSTEM FOR WIND TURBIN}

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시스템 구성이 단순하면서 반응속도가 신속하고, 작동의 신뢰성이 높은 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구에 관한 것이다.

풍력발전장치는 풍차 블레이드로 바람이 가진 에너지를 변환하여 변속기어 등을 거쳐 발전기에 전달함으로써 얻은 발전전력을 전력계통에 송전하도록 구성된다.

풍력은 풍속의 3승에 비례하여 증가하기 때문에 풍속이 높은 경우에는 풍차에서 그 에너지를 빼돌릴 필요가 잇다. 즉, 발전출력이 정격출력에 도달하는 풍속 이상에서는 출력을 제한하는 장치가 필요하다. 이러한 출력제한의 방식으로는 피치(pitch) 제어와 스톨(stall) 제어 2종류가 있다.

스톨(stall) 제어는 블레이드 설계를 정격풍속 이상에서 발전기 출력이 증가하지 않고 정지풍속에서 스톨이 발생하도록 설계하는 방식이고, 피치 제어는 블레이드의 깃각제어를 통하여 정격풍속 이상에서는 일정한 출력이 발생하도록 제어하며, 정지풍속에서는 블레이드를 페더링(Feathering) 함으로써 발전기가 정지하도록 제어하는 방식이다.

이러한 블레이드의 피치제어를 위한 피치구동기구가 너셀의 허브 내에 설치되어 있으며, 블레이드 피치구동기구는 유압식, 전기식 등이 있다.

유압식 피치구동기구는 너셀 내의 유압공급장치로부터 유압관로를 통해 공급되는 유압에 의해 블레이드의 피치가 제어되도록 구성된다. 하지만, 유압식은 유압손실이 발생한 가능성이 있어 전기식에 비해 신뢰성이 낮고, 유압유를 사용하기 때문에 오염이나 열화 등의 위험이 발생하는 단점이 있다. 또한, 유압식 피치구동기구는 유압유의 누설, 펌프 및 모터로 인한 소음, 필터 및 오일의 주기적 교환 등으 인해 그 유지 및 보수가 매우 까다로운 단점이 있었다.

그리고, 전기식 피치구동기구는 유압식 피치구동기구에 비해 시스템 구성이 간단하고, 진동 및 외란에 대한 영향이 작기 때문에 높은 신뢰성을 가고 있지만, 기어의 사용으로 인한 백러시(backlash)가 발생하고, 모터 및 기어에 의해 잦은 유지 및 보수가 요구되며, 허브 내의 협소한 작업공간으로 인한 교체 및 수리가 용이하지 못한 단점이 있었다.

본 발명은 종래의 유압식 및 전기식 피치구동기구의 여러 단점을 극복하기 위하여 안출한 것으로, 시스템 구성이 단순하면서 반응속도가 신속하고, 작동의 신뢰성이 높은 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면, 전기에너지의 인가에 의해 자화되는 전자석유닛(10);상기 전자석유닛(10)의 자화에 의해 직선방향으로 직접 이동하는 구동체(20); 및 블레이드(18)의 기초부에 장착되고, 상기 구동체(20)의 직선 이동에 의해 회전하는 피동회전체(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구를 제공한다.

상기 피동회전체(30)와 연결되는 상기 구동체(20)의 일단에는 구동피니언(25)이 회전가능하게 설치되며, 상기 피동회전체(30)는 상기 구동피니언(25)의 회전에 의해 회전하는 것;을 특징으로 한다.

상기 전자석유닛(10)은 전기에너지의 인가에 의해 자력을 발생하는 코일부(11)를 가지고, 상기 코일부(11)의 중공부에는 자성체(15)가 배치되어 상기 코일부(11)의 자화에 의해 이동하며, 상기 구동체(20)의 타단은 상기 자성체(15)에 연결되는 것;을 특징으로 한다.

상기 피동회전체(30)에는 링기어(31)가 형성되고, 상기 구동피니언(25)과 상기 피동회전체(30)의 링기어(31)가 치합됨에 따라 상기 구동체(20)의 직선이동이 피동회전체(30)의 회전으로 변환되는 것;을 특징으로 한다.

상기 코일부(11) 측에는 배터리(41)가 접속되고, 상기 배터리(41)와 상기 코일부(11) 사이에는 입출력 제어부(42) 및 정류기(43)가 설치되며, 상기 배터리(41) 측에는 충전기(44)가 접속되는 것;을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기에너지의 인가에 의해 자화되는 전자석유닛(10)에 의해 자성체(15)가 움직임으로써 자성체(15)에 연결된 구동체(20)가 직선운동하고, 상기 구동체(20)의 직선운동은 회전운동으로 변환되어 블레이드의 피치각을 조절하는 것;을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구를 제공한다.

본 발명에 의하면, 전자석에 의해 구동체 및 피동회전체를 구동시킴으로써 시스템 구성을 매우 단순화할 수 있고, 특히 본 발명은 기존의 유압식 또는 전기식에 비해 트랜듀서, 모터, 기어 등과 같은 중간전달매체가 없이 전자석에 의해 구동체를 직접적으로 직선이동시킴에 따라 그 반응속도가 매우 빠르고, 이를 통해 작동의 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 화살표 A부분을 확대하여 도시한 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구는 전기에너지의 인가에 의해 자화되는 전자석유닛(10), 전자석유닛(10)의 자화에 의해 직선방향으로 이동하는 구동체(20), 및 구동체(20)에 의해 회전하는 피동회전체(30)를 포함한다.

구동체(20)는 블레이드(18)의 기초부에 장착되고 구동체(20)의 직선이동에 의해 회전하는 피동회전체와 연결되며, 피동회전체와 연결되는 구동체(20)의 일단에는 구동피니언(25)이 회전가능하게 설치되고, 피동회전체(30)는 구동피니언(25)의 회전에 의해 회전하게 된다.

전자석유닛(10)은 내부에 중공부가 형성된 코일 형태의 코일부(11)를 가진다. 이 코일부(11)에는 전기에너지를 인가하는 전원공급회로(40)가 설치되고, 전원공급회로(40)는 코일부(11)측으로 전기에너지를 인가하는 배터리(41), 배터리(41)와 코일부(11) 사이에 설치되는 입출력 제어부(42) 및 정류기(43), 배터리(41)측에 전기적으로 접속되는 충전기(44)를 가진다.

코일부(11)의 중공부에는 자성체(15)는 배치되고, 코일부(11) 측에 전기에너지가 인가됨에 따라 자성체(15)는 코일부(11)의 중공부 내에서 직선방향으로 이동하게 된다.

구동체(20)는 길이방향으로 길게 연장된 비자성체 재질로 구성되고, 구동체(20)의 타단에는 자성체(15)가 결합된다.

자성체(15)가 코일부(11)의 자화에 의해 이동하면 자성체에 연결된 구동체가 직선운동하게 되어 구동체(20)의 일단에 형성되는 구동피니언(25)이 회전하게 되고, 구동피니언(25)의 회전에 의해 블레이드(18)의 기초부에 결합된 피동회전체(30)와 함께 블레이드(18)도 회전하게 되어 블레이드(18)의 피치각이 적절하게 조절되게 된다.

한편, 피동회전체(30)는 블레이드(18)의 기초부에 결합되는 피치 베어링으로 구성될 수 있고, 피동회전체(30)의 내주 또는 외주에는 내치기어 또는 외치기어 등과 같은 링기어(31)가 구비되어 있다. 이에, 구동체(20)의 구동피니언(25)이 피동회전체(30)의 링기어(31)에 치합됨으로서 구동체(20)의 직선이동이 피동회전체(30)의 회전운동으로 변환된다. 이러한 피동회전체(30)의 회전에 의해 블레이드(18)의 피치각이 개별적으로 조절된다.

종래의 유압식 및 전기식의 경우에는 트랜듀서, 기어박스, 모터 등과 같은 중간전달매체를 통해 블레이드의 피치를 제어하여야 함에 따라 그 반응속도가 상대적으로 느려 작동의 신뢰성이 낮은 단점이 있었다. 이에 반해, 본 발명은 상술하였듯이 전기에너지의 인가에 의해 자화되는 전자석유닛(10)에 의해 자성체(15)가 움직임으로써 자성체(15)에 연결된 구동체(20)가 직선운동하고, 구동체(20)의 직선운동은 회전운동으로 변환되어 블레이드의 피치각을 조절하는 것을 특징으로 하므로 중간전달매체 없이 전자석유닛(10)을 이용하여 구동체(20)를 직접적으로 직선이동시킴에 따라 그 반응속도가 매우 빠르게 진행되어 작동의 신뢰성이 향상되는 장점이 있다.

한편, 블레이드의 피치를 제어하기 위해서는 최대 10°/초의 회전력이 요구되므로 순간적으로 큰 힘으로 물체를 가속할 수 있어야 한다. 본 발명의 전자석유닛(10)은 사인파 형태의 펄스전류를 미분하면 코사인 형태의 전류가 코일부(11) 측으로 유도되므로 전류가 흐르기 시작하는 순간에 가장 큰 힘이 발생하고, 이에 따라 초기의 짧은 순간에 큰 힘으로 블레이드의 피치 제어를 효과적으로 가속할 수 있다.

또한, 본 발명은 중간전달매체 없이 직접적으로 구동함에 따라 휨과 백러시 등이 없어져 강성이 향상되고, 고속응답이 용이하여 고속가공 시에 그 정밀도가 대폭 향상되는 장점이 있었다. 그리고, 고속 시에 발생하는 고유진동수를 회피할 수 있기 때문에 강성이 상승하는 장점이 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

10: 전자석유닛 11: 코일부
15: 자성체 20: 구동체
25: 구동피니언 30: 피동회전체
31: 링기어 40: 전원공급회로

Claims (6)

1. 전기에너지의 인가에 의해 자화되는 전자석유닛(10);
   상기 전자석유닛(10)의 자화에 의해 직선방향으로 직접 이동하는 구동체(20); 및
   블레이드(18)의 기초부에 장착되고, 상기 구동체(20)의 직선 이동에 의해 회전하는 피동회전체(30);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 피동회전체(30)와 연결되는 상기 구동체(20)의 일단에는 구동피니언(25)이 회전가능하게 설치되며, 상기 피동회전체(30)는 상기 구동피니언(25)의 회전에 의해 회전하는 것;
   을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전자석유닛(10)은 전기에너지의 인가에 의해 자력을 발생하는 코일부(11)를 가지고, 상기 코일부(11)의 중공부에는 자성체(15)가 배치되어 상기 코일부(11)의 자화에 의해 이동하며,
   상기 구동체(20)의 타단은 상기 자성체(15)에 연결되는 것;
   을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 피동회전체(30)에는 링기어(31)가 형성되고, 상기 구동피니언(25)과 상기 피동회전체(30)의 링기어(31)가 치합됨에 따라 상기 구동체(20)의 직선이동이 피동회전체(30)의 회전으로 변환되는 것;
   을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 코일부(11) 측에는 배터리(41)가 접속되고, 상기 배터리(41)와 상기 코일부(11) 사이에는 입출력 제어부(42) 및 정류기(43)가 설치되며, 상기 배터리(41) 측에는 충전기(44)가 접속되는 것;
   을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구.
6. 전기에너지의 인가에 의해 자화되는 전자석유닛(10)에 의해 자성체(15)가 움직임으로써 자성체(15)에 연결된 구동체(20)가 직선운동하고, 상기 구동체(20)의 직선운동은 회전운동으로 변환되어 블레이드의 피치각을 조절하는 것;
   을 특징으로 하는 풍력발전장치의 블레이드 피치구동기구.

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