KR20160101119A

KR20160101119A - 플래너터리 기어, 플래너터리 기어를 포함하는 풍력 발전기 및 플래너터리 기어의 사용

Info

Publication number: KR20160101119A
Application number: KR1020167019527A
Authority: KR
Inventors: 발렌틴 메이만; 클라우스 피스켈
Original assignee: 아레파 빈트 게엠베하
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-08-24
Also published as: EP2884100A1; JP2017503125A; CN106164484A; KR101775300B1; US20160312771A1; WO2015091406A1; BR112016013784A2; CA2933999A1

Abstract

플래너터리 기어, 플래너터리 기어를 갖는 풍력 발전기 및 플래너터리 기어의 사용이 제공된다. 제1 플래닛 기어들을 갖는 트랜스미션 스테이지에 맞물리는 구동 또는 종동 휠을 가지며, 제1 플래닛 기어들은 제1 플래닛 기어들에 대하여 축방향으로 변위되는 대응하는 수의 제2 플래닛 기어들에 결합되고, 상기 제2 플래닛 기어들이 종동 또는 구동 샤프트에 결합되는 적어도 하나의 썬 휠의 기어에 맞물리는 플래너터리 기어로서, 상기 제2 플래닛 기어들이 축방향으로 서로 이격된 2개의 플레인에 배치되는 기어들의 제1 서브 세트와 제2 서브 세트로 분할되고, 상기 제1 서브 세트의 제1 플래닛 기어들이 제1 샤프트들을 이용하여 그들의 대응하는 제2 플래닛 기어들에 결합되고 제2 서브 세트의 제1 플래닛 기어들이 제2 샤프트들을 이용하여 그들의 대응하는 제2 플래닛 기어들에 결합되고, 상기 제1 샤프트들은 제1 길이를 가지고, 상기 제2 샤프트들은 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이는 상기 제2 길이와 상이한 것을 특징으로 하는 플래너터리 기어.

Description

플래너터리 기어, 플래너터리 기어를 포함하는 풍력 발전기 및 플래너터리 기어의 사용 {PLANETARY GEAR, WIND GENERATOR COMPRISING A PLANETARY GEAR AND USE OF A PLANETARY GEAR}

본 발명은 플래너터리 기어에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 플래너터리 기어를 포함하는 풍력 발전기, 특히 해상 풍력 발전기에 관한 것이다. 끝으로, 본 발명은 플래너터리 기어의 사용에 관한 것이다.

다양한 기술 분야, 특히 높은 토크의 전달을 위하여, 플래너터리 기어가 사용된다. 이러한 유형의 기어는 상대적으로 컴팩트한 사이즈에서 높은 기어 전달 비(gear transmission ratio)를 제공한다. 예를 들어, 요구되는 구조 공간이 항상 이슈가 되는 풍력 발전기에 있어서, 전기 생산을 위한 전기 발전기에 결합되는, 종동 샤프트에 로터를 지지하는 메인 샤프트로부터의 토크의 전달을 위하여 플래너터리 기어들이 종종 적용된다. 높은 기어 전달비가 일반적으로 멀티스테이지 플래너터리 기어들에 의해 제공된다. 예를 들어, 풍력발전기용 2-스테이지 파워 스플릿 플래너터리 기어가 문헌 DE 10 2010 041 474 A에 개시되어 있다. 그러나, 기어 트랜스미션 스테이지의 수가 플래너터리 기어의 길이를 증가시킨다. 원리적으로, 이는 요구되는 컴팩트 사이즈와 모순된다.

높은 토크를 다수의 개별 이 컨택들(tooth contacts)에 분산하기 위하여, 일반적으로 매우 많은 플래닛 기어들이 적용된다. 그러나, 이는 플래닛 기어들의 사이즈를 증가시킨다. 이에 더하여, 구동 기어의 둘레 주위의 구조 공간이 제한되어 있고, 이에 의해 적용가능한 기어들의 수를 제한한다.

높은 토크 강도 및 높은 기어 전달비를 위한 기술적 요구는 일반적으로 플래너터리 기어를 거대하고 무겁게 만든다. 그러나, 풍력 발전기, 특히 해상 풍력 발전기에서의 적용을 위하여, 플래너터리 기어의 사이즈 및 무게가 중요하다. 그러므로, 높은 토크를 베어링하는 능력을 제공하는 동시에 높은 기어 전달비를 가짐에도 불구하고 컴팩트하고, 경량의 기어를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 플래너터리 기어, 플래너터리 기어를 갖는 풍력 발전기 및 플래너터리 기어의 사용을 제공하는 것이고, 이들은 종래 기술에서 알려진 기술적 결함들에 대하여 향상되어야만 한다.

본 발명의 일 양태에 있어서, 트랜스미션 스테이지(transmission stage)에 맞물리는 구동 휠 또는 종동(driven) 휠을 갖는 플래너터리 기어가 제공된다. 트랜스미션 스테이지는 대응하는 수의 제2 플래닛 기어들에 결합되는 제1 플래닛 기어들을 포함한다. 제2 플래닛 기어들은 제1 플래닛 기어들에 대하여 축방향으로 변위되어 있다. 기어 스테이지의 제2 플래닛 기어들은 종동 샤프트 또는 구동 샤프트에 결합되는, 적어도 하나의 썬 휠(sun wheel)의 기어들에 맞물린다. 또한, 하나보다 많은 썬 휠이 될 수 있다. 제2 플래닛 기어들은 2개의 서브세트의 기어들로 분할된다. 이들은 플래너터리 기어의 축방향으로 서로 이격된 2개의 분리된 플레인(plane)에 배치된다. 제1 서브 세트의 제2 플래닛 기어들은 제1 샤프트들을 이용하여 그들의 대응하는 제1 플래닛 기어들(구동 휠과 맞물리는)에 결합된다. 유사하게, 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어들은 제2 샤프트들을 이용하여 그들의 대응하는 제1 플래닛 기어들에 결합된다. 제1 샤프트들은 제1 길이를 가지고 제2 샤프트들은 제2 길이를 갖는다. 이러한 길이들은 기어들의 축방향으로 측정된다. 제1 길이는 제2 길이와 상이할 수 있다. 제1 길이 및 제2 길이는 기어의 축방향으로 측정된다. 이 명세서의 맥락에 있어서 플래너터리 기어의 구동측과 종동측은 교환될 수 있다. 이것은 구동하는 또는 구동 휠이 종동 휠 및 종동 샤프트가 될 수 있고 구동 샤프트가 될 수 있음을 의미한다.

본 발명의 양태에 있어서, 제2 길이는 제1 길이보다 클 수 있다.

유리하게는, 제1 및 제 2 서브세트의 제2 플래닛 기어들을 각각 수용하는 2개의 분리된 플레인들은 양자가 구동 휠의 동일 측 상에 배치된다. 즉, 제1 플래닛 기어들에서 시작될 때, 제1 샤프트들 및 제2 샤프트들 양자는 제2 플래닛 기어들을 향하여 동일한 축방향으로 돌출한다.

제2 플래닛 기어들의 수용을 위한 2개의 플레인을 갖는 기어 디자인은, 가능한 구조 공간이 제한되어 있는 경우에도, 구동 휠의 둘레 주위에 많은 수의 플래너터리 기어들이 배치될 수 있는 점에서 유리하다. 2개의 분리된 레벨들에 배치에 기인하여, 전면에서 기어의 메인 축을 따라 관찰될 때 제2 기어들은 오버랩될 수 있다. 즉, 제2 기어들은 기어의 중심축을 따라, 즉 축 방향으로 비틀려 있다. 동시에, 플래너터리 기어가 컴팩트하고 상대적으로 큰 제2 플래닛 기어들이 적용될 수 있다. 이는 기어가 높은 기어 전달비를 갖는 것을 가능하게 한다. 일반적인 플래너터리 기어들과 비교할 때, 기어 스테이지의 수가 감소될 수 있다. 이는 플래너터리 기어의 디자인을 단순화하고 그것의 무게를 감소시킨다. 이에 더하여, 입력 파워가 구동 휠 주위에 배치되는 상대적으로 매우 많은 플래너터리 기어들에 분할될 수 있다. 결과적으로, 인가된 힘이 상당히 많은 이 컨택들에 분배되기 때문에 플래너터리 기어는 높은 토크를 전달할 수 있다. 컴팩트하고 경량의 플래너터리 기어는 해상 풍력 발전기에의 적용에 특히 유리하다.

본 발명의 양태에 있어서, 제1 샤프트들은 제1 비틀림 강도(torsional strength)를 가질 수 있다. 제2 샤프트들은 제2 비틀림 강도를 가질 수 있다. 제1 샤프트들 및 제2 샤프트들의 서로 다른 비틀림 강도는 그들의 상이한 길이(제1 및 제2 길이)에 기인할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 및 제2 비틀림 강도는 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 샤프트들은 제2 샤프트들보다 더 높은 비틀림 강도를 가질 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 샤프트는 제1 비틀림 강도를 가질 수 있고, 제2 샤프트들은 제1 비틀림 강도와 실질적으로 동일한 제2 비틀림 강도를 가질 수 있다. 즉, 제1 샤프트들과 제2 샤프트들은 실질적으로 동일한 비틀림 강도(비틀림 강성(torsional stiffness))를 가질 수 있다.

유리하게는, 제1 샤프들과 제2 샤프트들의 상이한 길이에 기인하여 제2 샤프트들과 비교하여 제1 샤프트들의 상이한 비틀림 강도를 보상하기 위하여, 제1 샤프트들 및 제2 샤프트들은 서로 다른 직경을 가질 수 있다.

유리하게는, 제2 플래닛 기어들 및 썬 휠의 대응하는 기어들은 헬리컬 기어들이다. 제1 서브 세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들의 피치의 방향은 제2 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들의 피치의 방향과 반대이다. 예를 들어, 제1 서브세트는 오른손방향 기어들(right-hand gears)을 포함하고 제2 서브세트는 왼손방향 기어들(left-hand gears)을 가진다. 또한, 피치의 방향이 또한 반대로 될 수 있음이 이해된다. 즉, 기어들의 제1 서브세트는 왼손방향 기어들을 가지고 제2 서브세트는 오른손방향 기어들을 가진다. 반대로 피치된 헬리컬 기어들은 썬 휠이 자동-중심화(self-centering)되는 것을 가능하게 한다. 특히, 썬 휠은 제1 서브세트와 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어들 각각과 맞물리는 반대의 헬리컬 기어들을 포함한다. 유리하게는, 본 발명의 이 실시예에 따른 플래너터리 기어는 썬 휠을 위한 스러스트 베어링(thrust bearing)을 생략할 수 있다.

본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 제1 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들의 경사와 제2 서브세트의 헬리컬 기어들의 경사가 적어도 실질적으로 동일하다. 특히, 두 서브세트들의 기어들의 경사가 동일할 수 있다. 그러나, 이는 경사의 값에 단지 적용되고, 방향에 대해서는 적용되지 않는다. 즉, 헬리컬 기어의 값, 예를 들어 피치나 틸트 각이 그것의 값에 대하여 적어도 실질적으로 동일하다. 헬리컬 기어의 틸트 각은 썬 휠의 자동 중심화 효과가 가능해지도록 충분한 축방향 힘이 생성되는 것으로 설정될 수 있다.

본 발명의 양태에 있어서, 썬 휠과 구동 또는 종동 샤프트 사이에 클러치 기어링이 배치될 수 있다. 이 클러치 기어링 또는 기어는 제1 샤프트의 제1 길이들과 제2 샤프트들의 제2 길이들의 함수로서 위치가 정해질 수 있다. 클러치 기어링 또는 클러치 기어는 또한 제1 샤프트들의 제1 비틀림 강도와 제2 샤프트들의 비틀림 강도의 함수로서 위치가 정해질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 샤프트들의 서로 다른 비틀림 강도들은 (더 긴 샤프트들에 기인하여) 더 낮은 비틀림 강도를 갖는 제2 플래너터리 기어들의 플레인을 향하여 클러치 기어링을 더 가깝게 위치시키는 것에 의해 보상될 수 있다. 그러면 썬 휠의 이러한 측면 상에서 썬 휠과 종동 샤프트간의 연결이 더 단단해진다. 따라서, 제1 샤프트들과 제2 샤프트들을 통과하는 서로 다른 영상 경로들(cinematic paths)이 고려되어 지고, 이에 따라 제1 샤프트들, 제2 샤프트들 및 클러치 기어링 위치가 배열되고 치수화된다. 제1 샤프트들의 (길이 및/또는 직경 및/또는 재질 및/또는 구조에 관한) 특징들 및 제2 샤프트들의 (길이 및/또는 직경 및/또는 재질 및/또는 구조에 관한) 특징들이 주어지면 썬 휠 및 종동(또는 구동) 샤프트에 따라 상대적인 클러치 기어링의 위치가 정해진다.

제1 및 제2 샤프트들의 제2 비틀림 강도가 실질적으로 동일한 실시예에서, 클러치 기어링이 썬 휠의 기어링들 사이의 가운데에 배치될 수 있다. 제2 플래너터리 기어들의 두 플레인에 대하여, 클러치 기어링은 두 플레인들의 실질적으로 가운데에 있는 플레인에 위치될 수 있다.

제1 및 제2 샤프트들의 비틀림 강도가 상이한 다른 실시예에서, 클러치 기어링이 썬 휠의 기어링들 간의 중심에 대하여 옵셋(또는 위에 정의된 가운데 플레인으로부터 떨어져) 배치될 수 있다. 즉, 썬 휠과 종동 샤프트 사이의 클러치 기어링이 제1 및 제2 서브세트의 플래닛 기어들 각각과 맞물리는 기어링들 간의 중심에 대하여 옵셋 배치될 수 있다. 클러치 기어링의 중심에서 벗어난 배치는 제1 및 제2 샤프트들의 상이한 비트림 강도들을 적어도 부분적으로 보상할 수 있다. 특히, 플래닛 기어들의 제1 및 제2 서브세트들이 서로 다른 비틀림 강도들을 갖는 샤프트들을 통하여 결합됨에도 불구하고 썬 휠이 자동-중심화로 디자인될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 플래너터리 기어는 단지 하나의 단일의 기어 트랜스미션 스테이지를 갖는다. 이는 플래너터리 기어를 특히 컴팩트하게 만든다.

본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 구동 휠은 인터널 기어를 포함한다. 특히, 제2 플래닛 기어의 외주면이 반지름 방향으로 구동 기어의 외부 레벨을 넘어서 부분적으로 돌출한다. 플래닛 기어들은 구동 휠의 외주면을 넘어 확장될 수 있다. 제2 플래닛 기어들은 비교적 높은 반경을 갖도록 디자인되고 이에 의해 높은 기어 전달비를 제공한다. 제2 플래닛 기어들이 분리된 플레인들 또는 레벨들에 배치되기 때문에, 이는 플래닛 기어의 컴팩트한 디자인을 의심하지 않는다.

본 발명의 다른 양태에서, 본 발명의 양태들에 따른 플래너터리 기어를 포함하는 풍력 발전기가 제공된다. 특히, 이것은 해상 풍력 발전기이다. 유리하게는, 풍력 발전기는 높은 기어 전달비로 높은 토크를 전달할 수 있는 컴팩트하고 경량의 플래너터리 기어를 포함한다. 컴팩트한 디자인 및 감소된 중량은 풍력 발전기를 더욱 경제적으로 만든다. 예를 들어, 사이즈의 감소는 나셀이 보다 컴팩트하고 덜 거대하게 디자인되는 것을 가능하게 한다. 이것은 또한 더 낮은 부하 베어링 능력(load bearing capability)을 갖도록 디자인될 수 있는, 예를 들어 타워 및 기초(foundation)와 같은 지지 구조물을 수반한다. 풍력 발전기, 특히 해양 풍력 발전기의 이러한 전체적인 크기와 무게의 감소는, 건설 사이트에 대한 수송을 보다 경제적으로 만든다. 유사한 장점들이 또한 육상 풍력 발전기들에 적용된다.

본 발명은 또한 본 발명의 양태들 및/또는 실시예들에 따른 플래너터리 기어를 포함하는 풍력 발전기의 구동 트레인을 제공한다.

본 발명의 유리한 실시예에서, 플래너터리 기어는 풍력 발전기의 파워 트레인의 일부를 형성한다. 특히, 풍력 발전기의 로터에 결합되는 메인 구동 샤프트는 플래너터리 기어의 구동 휠에 결합된다. 종동 샤프트는 전기 생산을 위한 전기 발전기에 결합될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명의 양태들에 따른 플래너터리 기어의 유리한 사용이 제공된다. 플래너터리 기어는 유리하게는 풍력 발전기, 특히 해상 풍력 발전기에 사용될 수 있다. 그러므로 본 발명은 또한 본 발명의 양태들 및 실시예들에 따른 플래너터리 기어를 포함하는 풍력 발전기, 해상 풍력 발전기 및 풍력 발전 단지를 제공한다.

플래너터리 기어에 대하여 및 풍력 발전기에 대하여 언급된 유사한 장점들은, 또한 동일 또는 유사한 방식으로 풍력 발전기에서 플래너터리 기어의 사용에 적용된다.

본 발명의 추가의 양태들 및 특징들은 첨부된 도면을 참조로 아래의 본 발명의 바람직한 실시예의 설명으로부터 찾아진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, 단순화된 해상 풍력 발전기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 메인 축을 따라 플래너터리 기어의 종방향 단면을 나타내는 단순화된 개략도이다.
도 3은 도 2의 플래너터리 기어의 메인 축을 따라 단순화된 전면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메인 축을 따라 플래너터리 기어의 종방향 단면을 나타내는 단순화된 개략도이다.

도 1은 간단하게 도시된 풍력 발전기(2)의 사시도이다. 예시적인 방식으로, 풍력 발전기(2)는 해상 풍력 발전기이다. 이는 로터 블레이드(6)를 지지하는 로터 허브(4)를 포함한다. 지지 구조물(8), 예를 들어 타워는 나셀(보이지 않음)을 지지하고 그리고 바다(10)에 있는 적합한 수중 기초를 기반으로 한다.

로터 허브(4)에 의해 구동되는 풍력 발전기(2)의 메인 샤프트는 스텝-업(step-up) 또는 스텝-다운(step-down) 기어가 될 수 있는 플래너터리 기어에 결합된다. 이는 메인 샤프트 상에 적용되는, 전기 생산을 위한 전기 발전기에 추가로 결합되는 종동 샤프트에 토크를 결합하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 풍력 발전기(2)에는 도 2에 도시된, 플래너터리 기어(20)가 갖추어져 있다. 도면에서, 메인축(A)을 따라 종방향 단면으로 플래너터리 기어(20)를 단순하게 나타내고 있다. 본 발명의 이 실시예에 따르면, 플래너터리 기어(20)는 다수의 제1 플래닛 기어들(24, 26)과 맞물리는 인터널 기어를 갖는 구동 휠(22)을 포함한다. 구동 휠(22)은 로터에 의해 구동되는, 풍력 발전기의 메인 샤프트에 결합될 수 있다. 샤프트(100)는 점선으로 표시된 바와 같이 구동 또는 종동 휠에 결합될 수 있다.

예시적 방식으로, 플래너터리 기어(20)는 6개의 제1 플래닛 기어들(24, 26)을 포함한다. 이는 도 3의 단순화된 전면도에 도시되어 있다. 뷰(view) 방향은 메인 축(A)에 평행하다. 각각의 제1 플래닛 기어(24, 26)는, 대응하는 제1 플래닛 기어(24, 26)에 대하여 축방향으로 변위되는 제2 플래닛 기어(28, 30)에 결합된다. 참조 번호 24, 28 및 26, 30을 갖는 2세트의 기어들에 대하여, 도 2에 도시되어 있다.

즉, 축방향(AX)으로 제1 플래닛 기어들(24, 26)과 제2 플래닛 기어들(28, 30) 사이에는 간격이 있다. 제2 플래닛 기어들(28, 30)은 클러치 기어링(36)을 통하여 종동 샤프트(34)에 결합되는 썬 휠(32)과 맞물린다. 종동 샤프트(34)는 풍력 발전기(2)에서 전기의 생산을 위한 전기 발전기에 결합될 수 있다.

제2 플래닛 기어들(28, 30)은 기어들의 제1 서브세트와 기어들의 제2 서브세트로 분할된다. 참조 번호 28을 갖는 제2 플래닛 기어들은 제1 서브세트를 형성한다. 참조 번호 30으로 주어진 제2 플래닛 기어들은 제2 서브세트를 형성한다. 기어들(28)의 제1 서브세트는 제1 플레인(E1)에 배치된다. 이것은 기어들(30)의 제2 서브세트를 수용하는 제2 플레인(E2)로부터 떨어져 있다. 두 플레인들(E1, E2)은 축방향(AX)으로 돌출하는, 거리(D) 만큼 축방향으로 이격되어 있다.

도 3의 단순화된 전면도에서, 제1 플레인(E1)에 배치되는 제2 플래너터리 기어들(28)은 점선으로 도시되어 있다. 제2 서브세트를 형성하는 제2 플래닛 기어들(30)은 실선으로 도시되어 있다. 이것은 플래닛 기어들(28, 30)이 축방향(AX)을 따라 비틀려져 있다는 것을 의미하고, 제1 서브세트의 플래닛 기어들(28)은 제2 서브세트의 플래닛 기어들(30)의 뒤에 배치된다. 도 3의 단순화된 전면도에서, 제2 플래닛 기어들(28, 30)은 서로 오버랩된다. 그렇지만 그들의 축방향 변위에 기인하여, 그들은 서로 접촉하지 않는다.

참조 번호 24로 주어진 제1 플래닛 기어들은 제1 샤프트들(38)을 통하여 제1 서브세트의 제2 플래닛 기어들(28)에 결합된다. 유사하게, 26으로 표시된 제1 플래닛 기어들은 제2 샤프트들(40)을 통하여 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어들(30)에 결합된다. 제1 샤프트들(38)은 제1 길이(L1)를 가지고 제2 샤프트들(40)은 더 큰 제2 길이(L2)를 갖는다. 제1 및 제2 길이(L1, L2)는 제1 및 제2 플레인(E1, E2) 사이에서 축방향 변위만큼 상이한데, 즉 그들은 거리(D)만큼 상이하다. 제1 샤프트들(38)과 제2 샤프트들(40) 간의 길이 차이는 제1 샤프트들(38)이 제2 샤프트들(40)과 상이한 비틀림 강도를 갖는 것을 수반한다. 특히, 더 짧은 제1 샤프트들(38)은 제2 샤프트들(40)보다 더 큰 비틀림 강도를 갖는다.

모든 플래닛 기어들(24, 26, 28, 30)은 구동 휠(22)의 동일측에 배치된다. 특히, 제1 및 제2 서브세트의 제2 기어들(28, 30)이 각각 배치되는 양 플레인들(E1, E2)은 구동 휠(22)의 동일측 상에 위치한다. 이 기술적 개념의 다른 설명은 제1 플래닛 기어들(24, 26)에서 시작시, 이 제1 샤프트(38) 뿐만 아니라 제2 샤프트들(40)이, 그들의 제2 플래닛 기어들(28, 30)을 향하여 동일 축방향(AX)으로 돌출한다는 것이다.

구동 휠(22)의 인터널 기어는 스트레이트 기어가 될 수 있다. 이것은 제1 플래닛 기어들(24, 26)의 기어들이 또한 스트레이트 기어들이라는 것을 수반한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 플래닛 기어들(28, 30)의 기어들 및 대응하는 썬 휠(32)의 기어들은 헬리컬 기어들이다. 제1 플레인(E1)에 배치되는 제1 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들(28)의 피치의 방향과 기어들의 제2 서브세트를 형성하는 제2 플레인(E2)에 배치되는 헬리컬 제2 플래닛 기어들(30)의 피치의 방향은 반대일 수 있다. 제1 서브세트의 헬리컬 기어들(28)의 피치 각 및 제2 서브세트의 기어들(30)의 그것들은 값이나 양에 대하여 적어도 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 이것은 단지 경사의 값에 적용되는 것이고 방향에는 적용되지 않는다. 즉, 헬리컬 기어들(28, 30)의 예를 들어 피치나 틸트 각과 같은 값은 그것의 값에 대하여 적어도 실질적으로 동일하다. 그러나, 틸트 각은 반대 방향으로 측정된다.

단지 예시적 방법으로, 도 2의 실시예에 따르면, 제1 서브세트의 헬리컬 제2 기어들(28)은 오른손방향 기어들이다. 이것은 제2 플래닛 기어(28)에서 오름 이중 라인에 의해 표시된다. 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어들(30)은 왼손방향 기어들이다. 이것은 제2 플래닛 기어(30)에서 내림 이중 라인을 이용하여 도시되어 있다. 제1 및 제2 서브세트의 제2 기어들(28, 30)과 각각 맞물리는 썬 휠(32) 상의 기어들은 그들의 맞물림 대상에 대하여 반대로 컷팅되어 있다. 도 2의 실시예에서, 제1 서브세트의 제2 플래닛 기어(28)와 맞물리는 썬 휠(32)의 왼쪽 기어는 왼손방향 기어이다. 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어(30)와 맞물리는 오른쪽에 있는 썬 휠(32)의 기어는 오른손방향 기어이다.

그러나, 헬리컬 기어들의 경사가 반대로 될 수 있다는 것이 이해된다.

썬 휠(32)과 종동 샤프트(34) 사이에 있는 클러치 기어링(36)은 제1 및 제2 플레인(E1, E2)에 배치되는, 제1 및 제2 서브세트의 플래닛 기어들과 공동작동하는, 기어들에 대하여 중심에서 벗어나 배치된다. 즉, 클러치 기어링(36)은 두 플레인들(E1, E2) 간의 기하학적 중심에 대하여 변위된다. 이는 제1 및 제2 샤프트(38, 40)의 상이한 비틀림 강도를 보상한다.

도 2의 실시예에서, 더 작은 길이(L1)을 갖는 제1 샤프트들(38)은 상대적으로 더 큰 제2 길이(L2)를 갖는 제2 샤프트들(40)에 비교될 때(샤프트들(38, 40)이 기본적으로 동일한 직경을 갖고, 동일한 재질로 제조되고 동일한 구조/아키텍쳐에 따르는 가정 하에서), 더 높은 비틀림 강도를 제공한다. 클러치 기어링(36)은 중심에서 벗어나 배치되고 제1 플레인(E1)에서 떨어진 간격은 제2 플레인(E2)에서 떨어진 간격보다 더 크다. 일반적으로 말해서, 클러치 기어링(36)은 더 높은 비틀림 강도를 갖는 샤프트들을 통하여 결합되는, 플래닛 기어들을 수용하는 플레인에 근접하여 위치한다. 도 2의 실시예에서, 이것은 제2 플레인(E2)이다.

샤프트(40)의 강성이 (더 큰 길이(L2)에 기인하여) L1의 강성보다 더 낮음에 따라(더 짧은 길이(L1)에 기인하여, 그리고 그들이 동일한 직경을 갖는다면) 클러치 기어링(36)은 더 오른쪽에 있게 된다. 그러면 샤프트(40)로부터의 토크의 유입점으로부터 클러치 기어링(36)을 통한 토크의 출구점으로의 썬 휠(32)의 강성은 샤프트(38)에서 썬 휠(32)로 토크의 유입점으로부터 토크의 출구점으로의 강성보다 더 높다. 이에 따라, 도 2는 높은 강성 부분과 결합된 샤프트(40)의 낮은 강성, 그리고 낮은 강성 부분과 결합된 높은 강성의 샤프트(38)를 나타낸다. 36을 더 오른쪽에 놓는 것에 따라, 샤프트(38)(L1)를 통과하거나 샤프트(40)(L2)를 통과하는 것 중 하나로, 양 영상 경로에 대한 높고/낮은 강성의 조합이 있다.

반대로 컷팅된 헬리컬 제2 플래닛 기어들(28, 30)과 썬 휠(32) 상에 대응하는 헬리컬 기어들을 갖는 플래너터리 기어(20)의 디자인은, 썬 휠(32)이 축방향으로 자유롭게 지지되는 것을 가능하게 한다. 유리하게는, 플래너터리 기어(20)는 썬 휠(32)을 위한 스러스트 베어링을 생략할 수 있다. 이는 디자인을 단순화한다.

제1 및 제2 플래닛 기어들(24, 26 및 28, 30)은 본 발명의 실시예에 따른, 플래너터리 기어(20)의 중심축(A) 주위에 동일하게 및 대칭적으로 배치된다. 이는 도 3의 전면도에 도시되어 있다. 점선(42)은 서로 간에 동일한 각을 포함하는, 대칭의 축을 나타낸다. 제1 기어들(24, 26) 및 제2 기어들(28, 30)을 결합하는 샤프트들(38, 40)은 대칭의 축을 컷팅하도록 배치된다.

실시예들에 따른 플래너터리 기어(20)는 제1 및 제2 플레인(E1, E2)에서 제2 플래닛 기어들(28, 30)의 비틀린 배치에 기인하여, 특히 컴팩트하다. 이에 더하여, 플래너터리 기어(20)는 단지 단일 트랜스미션 스테이지를 가지도록 디자인될 수 있다. 이는 높은 반지름을 갖는 상대적으로 큰 제2 플래닛 기어들(28, 30)의 적용에 기인한다. 제1 및 제2 플래닛 기어들(24, 26 및 28, 30)을 포함하는 이러한 단일 스테이지의 전달비는 15까지 올라갈 수 있다. 제2 플래닛 기어들(28, 30)은 미리 결정된 거리(F)에 의해 구동 휠(22)의 외주면얼 넘어 돌출한다. 단일 스텝 기어 전달은, 멀티 기어 스테이지들을 갖는 기어들에 비교될 때, 기어의 전체적인 무게에 대하여 유리하다. 더욱이, 단일 스텝 기어, 특히 비틀어진 제2 기어들(28, 30)을 갖는 플래너터리 기어(20)는 높은 파워 밀도를 갖도록 매우 컴팩트하게 디자인될 수 있다.

본 발명의 양태들에 따른 플래너터리 기어(20)는 특히 해상 풍력 발전기(2)에 유리하다. 이는 풍력 발전기(2)의 지지 구조물(8)이 더 낮은 부하 베어링 능력을 갖도록 디자인될 수 있는 것을 수반하는 무게의 감소 때문이다. 이는 현저한 비용 절감으로 매우 쉽게 이어질 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 풍력 발전기(2)에는 메인 축(A)을 따라 종방향 단면으로 플래너터리 기어(20)를 단순하게 도시하는 도 4에 도시된 플래너터리 기어(20)가 구비되어 있다. 본 발명의 이 실시예에 따른 플래너터리 기어(20)는 다수의 제1 플래닛 기어들(24, 26)에 맞물리는, 인터널 기어를 갖는 구동 휠(22)을 포함한다. 구동 휠(22)는 로터에 의해 구동되는, 풍력 발전기의 메인 샤프트에 결합될 수 있다. 샤프트(100)는 점선으로 표시된 구동 또는 종동 휠에 결합될 수 있다.

예시적인 방법으로, 플래너터리 기어(20)는 6개의 제1 플래닛 기어들(24, 26)을 포함한다. 이것은 도 3의 단순화된 전면도에 도시되어 있고, 위의 설명이 도 4의 실시예에 또한 적용된다.

뷰 방향은 메인 축(A)에 평행하다. 각각의 제1 플래닛 기어(24, 26)은, 대응하는 제1 플래닛 기어(24, 26)에 대하여 축방향으로 변위된, 제2 플래닛 기어(28, 30)에 결합된다. 참조 번호 24, 28 및 26, 30을 갖는 두 세트의 기어들에 대하여, 도 4에 도시되어 있다.

즉, 축방향(AX)으로 제1 플래닛 기어들(24, 26)과 제2 플래닛 기어들(28, 30) 사이에 간격이 있다. 제2 플래닛 기어들(28, 30)은 클러치 기어링(36)을 통하여 종동 샤프트(34)에 결합되는, 썬 휠(32)과 맞물린다, 종동 샤프트(34)는 풍력 발전기(2)에서 전기 생산을 위한 전기 발전기에 결합될 수 있다.

제2 플래닛 기어들(28, 30)은 기어들의 제1 서브세트와 기어들의 제2 서브세트로 분할된다. 참조 번호 28을 갖는 제2 플래닛 기어들은 제1 서브세트를 형성한다. 참조 번호 30으로 주어진 제2 플래닛 기어들은 제2 서브세트를 형성한다. 기어들(28)의 제1 서브세트는 제1 플레인(E1)에 배치된다. 이 플레인은 기어들(30)의 제2 서브세트를 수용하는, 제2 플레인(E2)로부터 떨어져 있다. 두 플레인들(E1, E2)는 축방향(AX)으로 돌출하는, 거리(D)만큼 축방향으로 이격되어 있다.

참조 번호 24로 주어진 제1 플래닛 기어들은 제1 샤프트들(38)을 통하여 제1 서브세트의 제2 플래닛 기어들(28, 30)에 결합된다. 유사하게, 26으로 표시된 제1 플래닛 기어들은 제2 샤프트들(40)을 통하여 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어들(30)에 결합된다. 제1 샤프트들(38)은 제1 길이(L1)를 갖고 제2 샤프트들(40)은 더 큰 제2 길이(L2)를 갖는다. 제1 및 제2 길이(L1, L2)는 제1 및 제2 플레인(E1, E2) 사이의 축방향 변위만큼 상이, 즉 그들은 거리(D)만큼 상이하다. 그러나, 이 실시예에서, 상이한 길이들(L1, L2)의 샤프트들(38, 40)의 비틀림 강도 또는 비틀림 강성은 실질적으로 같다.

예를 들어, 샤프트들(38, 40)의 직경은 상이한 길이에 기인하는 상이한 비틀림 강도를 보상하기 위하여 서로 다르게 될 수 있다. 길이(L2)의 더 긴 샤프트(40)의 직경은 길이(L1)의 더 짧은 샤프트(38)의 직경보다 더 크게 될 수 있다.

더욱이, 더 긴 샤프트(40)을 위해 사용된 재질 및/또는 구조가 더 짧은 샤프트(38)에 사용된 재질 및/또는 구조보다 더 높은 비틀림 강도 또는 비틀림 강성을 본질적으로 제공할 수 있다.

더욱이, 비틀림 강성의 실질적으로 동일한 비틀림 강도를 갖도록 서로 다른 길이의 양 샤프트들(38, 40)을 배치하는데 재질, 직경 또는 다른 구조적 값의 조합이 사용될 수 있다.

더욱이, 제1 샤프트들(38) 및 제2 샤프트들(40) 및 클러치 기어링(36)을 관통하는 영상 경로가 고려되어 지고 샤프트의 치수(예를 들어 직경 등)와 클러치 기어링(36)의 위치가 서로 다른 비틀림 강도를 보상하기 위해 맞춰질 수 있다.

도 2와 비교할 때, 샤프트(40)를 통과하는 경로의 결합된 강성이 샤프트(38)를 통과하는 경로를 따르는 결합된 강성과 대략 동일함에 따라 클러치 기어(36)는 그러면 보다 중심 위치 또는 심지어는 완전히 중심 위치에 배치될 수 있다. 즉, 클러치 기어(36)는 플레인 또는 2세트의 플래너터리 기어들의 두 플레인(E1, E2) 간의 가운데에 있는 플레인 주위 중심에 위치될 수 있다.

도 2에 도시된 실시예와 유사하게, 모든 플래닛 기어들(24, 26, 28, 30)은 구동 휠(22)의 동일측 상에 배치된다. 특히, 제1 및 제2 서브세트의 제2 기어들(28, 30)이 각각 배치되는 양 플레인들(E1, E2)은 구동 휠(22)의 동일측 상에 위치된다. 이 기술적 개념의 다른 설명은 제1 샤프트들(38) 뿐만 아니라 제2 샤프트들(40)이, 제1 플래닛 기어들(24, 26)에서 출발하면서, 그들의 제2 플래닛 기어들(28, 30)을 향하여 동일 축방향(AX)으로 돌출한다는 것이다.

구동 휠(22)의 인터널 기어는 또한 스트레이트 기어가 될 수 있다. 이는 또한 제1 플래닛 기어들(24, 26)의 기어들이 스트레이트 기어가 되는 것을 수반한다. 제2 플래닛 기어들(28, 30)의 기어들과 썬 휠(32)의 대응하는 기어들은 헬리컬 기어들이 될 수 있다. 제1 플레인(E1)에 배치되는 제1 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들(28, 30)의 피치의 방향과 기어들의 제2 서브세트를 형성하는 제2 플레인(E2)에 배치되는 헬리컬 제2 플래닛 기어들(30)의 피치의 방향은 반대가 될 수 있다. 제1 서브세트의 헬리컬 기어들(28)의 피치 각과 제2 서브세트의 기어들(30)의 그것은 값 또는 양에 대하여 적어도 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 이는 단지 경사의 값에 적용되며 방향에 대하여는 적용되지 않는다. 즉, 헬리컬 기어들(28, 30)의 예를 들어 피치나 틸트 각과 같은 값이 그것의 값에 대하여 적어도 실질적으로 동일하다. 그러나, 틸트 각은 반대 방향으로 측정된다.

제1 서브세트의 헬리컬 제2 기어들(28)은 또한 오른손방향 기어들이 될 수 있다. 이는 제2 플래닛 기어(28)에서 오름 이중 라인에 의해 표시된다. 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어들(30)은 또한 왼손방향 기어들이 될 수 있다. 이는 제2 플래닛 기어(30)에서 내림 이중 라인을 이용하여 도시되어 있다. 제1 및 제2 서브세트의 제2 기어들(28, 30)과 각각 맞물리는 썬 휠(32) 상의 기어들은, 그들의 맞물리는 상대에 대하여 반대로 컷팅된다. 도 2의 실시예에서, 제1 서브세트의 제2 플래닛 기어(28)와 맞물리는 썬 휠(32)의 왼쪽 기어는 왼손방향 기어이다. 제2 서브세트의 제2 플래닛 기어(30)와 맞물리는 오른쪽에 있는 썬 휠(32)의 기어는 오른손방향 기어이다. 그러나, 헬리컬 기어들의 경사가 반대로 될 수 있음이 이해된다.

썬 휠(32)과 종동 샤프트(34) 사이에 있는 클러치 기어링(36)은 중심에(기어들에 대하여 즉 기어들 간의 가운데에) 배치되고, 제1 및 제2 플레인(E1, E2)에 배치되는 제1 및 제2 서브세트의 플래닛 기어들과 함께 작동한다. 즉, 클러치 기어링(36)은 두 플레인(E1, E2) 사이의 기하학적 중심에 대하여 변위되지 않는다. 제1 및 제2 샤프트(38, 40)의 상이한 비틀림 강도들은 다른 상이한 구조적 측정들의 서로 다른 재질의 서로 다른 직경에 의해 보상된다.

반대 위치에 컷팅된 헬리컬 제2 플래닛 기어들(28, 30)을 갖는 플래너터리 기어(20) 및 썬 휠(32) 상의 대응하는 헬리컬 기어들의 디자인은 썬 휠(32)이 축방향으로 자유롭게 지지되는 것을 가능하게 한다. 유리하게는, 플래너터리 기어(20)는 썬 휠(32)을 위한 스러스트 베어링들을 생략할 수 있다. 이는 디자인을 단순화한다.

본 발명의 상술한 실시예들 및 양태들에서, 복수의 기어들을 갖는 단일 썬 휠(32)을 사용하는 것을 대신하여 복수의 썬 휠들이 또한 사용될 수 있다. 개념들 또한 대체로 복수의 썬 휠들에 적용될 수 있다.

상술된 실시예들 및 양태들은 도한 플래닛 기어들의 멀티 플레인들 및 대응하는 썬 휠들에 확장될 수 있다.

설명된 실시예들에서, 플래너터리 기어의 구동측 및 종동측은 교환될 수 있다. 이건은 구동 또는 구동 휠이 종동 휠 및 종동 샤프트가 될 수 있고 구동 샤프트가 될 수 있음을 의미한다.

본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이들 실시예에 한정되지 않고 의심의 여지없이 추가의 대안들이 본 발명의 청구된 범주 내에 있는 당업자들에게 발생할 것이다.

Claims

제1 플래닛 기어들을 갖는 트랜스미션 스테이지에 맞물리는 구동 또는 종동 휠을 가지며, 제1 플래닛 기어들은 제1 플래닛 기어들에 대하여 축방향으로 변위되는 대응하는 수의 제2 플래닛 기어들에 결합되고, 상기 제2 플래닛 기어들이 종동 또는 구동 샤프트에 결합되는 적어도 하나의 썬 휠의 기어에 맞물리는 플래너터리 기어로서, 상기 제2 플래닛 기어들이 축방향으로 서로 이격된 2개의 분리된 플레인에 배치되는 기어들의 제1 서브 세트와 제2 서브 세트로 분할되고, 상기 제1 서브 세트의 제1 플래닛 기어들이 제1 샤프트들을 이용하여 그들의 대응하는 제2 플래닛 기어들에 결합되고 제2 서브 세트의 제1 플래닛 기어들이 제2 샤프트들을 이용하여 그들의 대응하는 제2 플래닛 기어들에 결합되고, 상기 제1 샤프트들은 제1 길이를 가지고, 상기 제2 샤프트들은 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이는 상기 제2 길이와 상이한 것을 특징으로 하는 플래너터리 기어.
제1항에 있어서,
상기 제2 길이는 상기 제1 길이보다 큰, 플래너터리 기어.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 샤프트들은 제1 비틀림 강도를 가지며 상기 제2 샤프트들은 상기 제1 비틀림 강도와는 다른 제2 비틀림 강도를 갖는, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
상기 제1 샤프트들은 상기 제2 샤프트들보다 높은 비틀림 강도를 갖는, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
상기 제1 샤프트들은 제1 비틀림 강도를 가지며 상기 제2 샤프트들은 상기 제1 비틀림 강도와 실질적으로 동일한 제2 비틀림 강도를 갖는, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서,
제1 샤프트들 및 제2 샤프트들의 서로 다른 길이에 기인하여 제2 샤프트들과 비교하여 제1 샤프트들의 서로 다른 비틀림 강도를 보상하기 위하여, 상기 제1 샤프트들 및 제2 샤프트들은 서로 다른 직경을 갖는, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
상기 2개의 분리 플레인들은 모두 상기 구동 휠의 동일측에 배치된, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서,
상기 제2 플래닛 기어들 및 썬 휠의 대응하는 기어들은 헬리컬 기어들이고, 제1 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들의 피치의 방향이 제2 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들의 피치의 방향과 반대인, 플래너터리 기어.
제8항에 있어서,
상기 썬 휠은, 썬 휠의 축방향으로 자유로운 지지를 제공하도록, 제1 서브세트 및 제2 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들 각각과 맞물리는, 반대로 컷팅된 헬리컬 기어들을 포함하는, 플래너터리 기어.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제1 서브세트 및 제2 서브세트의 헬리컬 제2 플래닛 기어들의 경사가 그들의 경사값에 대하여 적어도 실질적으로 동일한, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제10항 중 한 항에 있어서,
상기 종동 또는 구동 샤프트와 상기 썬 휠 사이에 있는 클러치 기어링이 제1 샤프트들의 제1 길이들과 제2 샤프트들의 제2 길이들의 함수에 의해 위치가 정해지는, 플래너터리 기어.
제11항에 있어서,
상기 클러치 기어링은 상기 썬 휠의 기어링들 사이의 중심에 대하여 옵셋 배치되는, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제12항 중 한 항에 있어서,
상기 기어는 단지 하나의 단일 기어 트랜스미션 스테이지를 포함하는, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제13항 중 한 항에 있어서,
상기 구동 또는 종동 휠은 인터널 기어를 포함하고, 특히 제2 플래닛 기어들의 외주면이 구동 또는 종동 휠의 외주면의 레벨을 넘어서 반지름 방향으로 부분적으로 돌출되는, 플래너터리 기어.
제1항 내지 제14항 중 한 항에 따른 플래너터리 기어를 포함하는, 풍력 발전기, 특히 해상 풍력 발전기.
제1항 내지 제14항 중 한 항에 따른 플래너터리 기어를 포함하는 풍력 터빈용 구동 트레인.
풍력 발전기, 특히 해상 풍력 발전기에서 청구항 제1항 내지 제14항 중 한 항에 따른 플래너터리 기어의 사용.