KR20230086255A - 수중 작업용 추진 장치 - Google Patents

Abstract

이 발명의 수중 추진 장치는 추진동력을 제공하는 모터부; 모터부의 출력축을 감싸는 공동부와 공동부 후방으로 돌출되는 고정축이 마련되어 출력축과 동축상으로 고정 결합되는 커버; 커버의 공동부 외면을 감싸도록 설치되며 출력축의 회전에 따라 회전되는 전방로터; 고정축을 통해 삽입되어 전방로터와 연결되어 회전되는 입력기어; 입력기어와 맞물리는 다수의 반전기어가 마련되어 회전력을 전달하는 반전기어모듈; 고정축을 통해 삽입되며 반전기어와 맞물리어 회전력을 전달받게 되는 출력기어; 출력기어와 연결되어 전방로터와 역방향으로 회전되는 후방로터; 전방로터와 후방로터가 내부에 위치되도록 모터부에 결합되는 덕트를 포함하여 구성되는 것이다.

Description

수중 작업용 추진 장치{Propulsor Devices for Submarine Works}

이 발명은 수중에서 추진되는 추진 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 수중에서 다양한 작업의 목적으로 작동하는 로봇이나 수중 추진 무기 등에 사용될 수 있는 수중 추진 장치에 관한 것이다.

각종 해양자원의 이용 및 개발은 21세기 고도 산업사회 건설과 지속적인 경제 발전에 필수적이며, 다양한 해양공간 이용 및 개발관련 산업으로 발전할 수 있는 무한한 성장 가능성이 있는 분야이다. 이와 같은 해양 산업을 활성화 할 수 있는 핵심적인 분야 중의 하나가 수중 작업 장비이며, UUV(Unmanned underwater vehicle) 등과 같은 것이 요구된다.

수중로봇을 포함하는 다양한 수중 작업장비의 핵심기술로는 모터 기반의 수중 추진체라 할 수 있다. 하지만 현재 국내에서 사용되는 수중 추진체들은 대부분 고가로 외국으로부터 수입하여 사용되고 있는 실정이다. 수중 추진체는 보통 스크류, 구동모터, 컨트롤러, 방수시스템 등으로 구성된다.

대표적인 종래 기술로 대한민국 등록특허 제308180호의 기술이 알려져 있으며 도 1은 이에 대한 단면도를 보여준다. 종래 기술에 따른 수중 추진장치는 물입구(5) 및 물 출구(7)를 갖는 원통형 보호판(3)과, 원통형 보호판(3)의 회전 축선을 따라 물 입구(5)와 물 출구(7) 사이에 배치되는 축 조립체(9)와, 원통형 보호판(3)내에 축 조립체(9)를 장착하기 위한 복수개의 베인 부재(11a,11b)와, 축 조립체(9)에 회전가능하게 장착되는 분리된 프로펠러 허브(15a,15b)를 각기 포함하는 제1 및 제2프로펠러(13a,13b)로서, 제2프로펠러(13b)는 제1프로펠러(13a)의 하류에 위치되는 제1 및 제2프로펠러와, 제1 및 제2프로펠러(13a,13b)를 개별적으로 회전시키기 위한 것으로, 제1 및 제2프로펠러의 외주둘레에 장착되는 회전자(23a,23b)와, 회전자의 둘레에서 원통형 보호판(3)에 장착되는 고정자(25a,25b)를 각기 구비하는 제1 및 제2전기모터(24a,24b)와, 제1 및 제2프로펠러의 프로펠러 허브(15a,15b)와 축 조립체(9)의 사이에 배치되는 주 스러스트 베어링(38)을 각기 구비한 제1 및 제2베어링 조립체(17a,17b)를 포함하고, 제1 및 제2베어링 조립체와 관련된 주 스러스트 베어링(38)은 양자가 축 조립체(9)의 양쪽 단부에 위치되는 것을 특징으로 하는 기술이었다.

종래 기술에서는 두개의 프로펠러를 각기 구동시키기 위해 2개의 전기모터를 마련하기 때문에 구조가 복잡해지고 사이즈가 크게 되는 등의 문제점이 있었다.

문헌 1: 대한민국 등록특허번호 제308180호

이 발명은 하나의 모터로 2개의 로터가 회전되도록 하고 2개의 로터는 서로 반대방향으로 회전되는 동축반전구조를 갖는 수중 추진 장치를 제공하려는 것이다. 그리고 이 발명은 보다 확실한 씰링이 이루어질 수 있는 새로운 형태의 수중 추진장치를 제공하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 이 발명의 수중 추진장치는, 추진동력을 제공하는 모터부; 모터부의 출력축을 감싸는 공동부와 공동부 후방으로 돌출되는 고정축이 마련되어 출력축과 동축상으로 고정 결합되는 커버; 커버의 공동부 외면을 감싸도록 설치되며 출력축의 회전에 따라 회전되는 전방로터; 고정축을 통해 삽입되어 전방로터와 연결되어 회전되는 입력기어; 입력기어와 맞물리는 다수의 반전기어가 마련되어 회전력을 전달하는 반전기어모듈; 고정축을 통해 삽입되며 반전기어와 맞물리어 회전력을 전달받게 되는 출력기어; 출력기어와 연결되어 전방로터와 역방향으로 회전되는 후방로터; 전방로터와 후방로터가 내부에 위치되도록 모터부에 결합되는 덕트;를 포함하여 구성되어 수중에서 사용되는 것임을 특징으로 한다.

바람직하게 이 발명에서 반전기어모듈은, 중심부에 마련되는 센터홀을 통해 고정축에 끼워지는 브라켓; 센터홀을 사이에 두고 상하 마주보게 브라켓에 형성되는 설치홀; 고정축과 교차되면서 고정축을 관통하며 설치홀을 지나게 되는 중심축; 각 설치홀에 위치되며 중심축에 대해 회전되게 결합되는 반전기어들;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 이 발명에서 반전기어모듈은, 브라켓에 대칭적으로 2개 이상의 보조축과 설치홀이 더 마련되며 각 보조축에는 반전기어들이 결합되어 회전될 수 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 이 발명에서 입력기어는, 전방로터의 후단부에 마련되는 요입홈에 삽입되어 볼트로 고정되며, 출력기어는 후방로터의 후단부에 마련되는 요입홈에 삽입되어 볼트로 고정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 이 발명의 수중 추진장치는, 커버의 공동부 외면 전단부에 제 1부시가 마련되어 전방로터의 전단부가 지지되며, 전방로터의 후단 외면에는 제 2부시가 마련되어 후방로터의 전단부가 지지되고, 후방로터의 후단부는 고정축에 결합되는 제 3부시에 의해 지지되어 전방로터와 후방로터가 회전되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 이 발명의 수중 추진장치는, 출력축의 회전력이 자력을 통해 전방로터로 전달되어 회전되는 것임을 특징으로 한다.

바람직하게 이 발명의 수중 추진장치는, 공동부 내부에 출력축과 연결되며 외주면에 자석이 결합되어 회전되는 구동드라이브; 공동부 외면에 설치되되 전방로터의 내경면에 결합되며 자석을 포함하여 이루어지는 종동드라이브; 구동드라이브와 공동부의 내경면 및 종동드라이브와 공동부의 외경면 사이에 마련되는 자기유체씰(magnetic seal);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게 이 발명에서 모터부의 출력축은, 모터의 회전축과 연결되는 감속기어 박스의 출력축이 되는 것을 특징으로 한다.

이 발명에 의한 수중 추진장치는 수중에서도 성능에 지장을 주지 않도록 확실한 씰링이 되면서 두 개의 로터가 동축 반전 회전될 수 있기 때문에 비교적 간명한 구조로 소형이면서 우수한 성능을 발휘할 수 있는 수중 추진장치를 제공할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 수중 추진 장치의 단면도이다.
도 2는 이 발명의 실시예에 따라 구성되는 수중 추진 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2에 대한 분해 단면도이다.
도 4는 반전기어모듈에 대한 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4의 분해 사시도이다.
도 6는 도 4에서 A-A선 단면도이다.
도 7은 도 4에서 B-B선 단면도이다.

도 2는 이 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 구성되는 수중 추진 랑장치에 대한 개략적인 단면도이며, 도 3은 도 2에 대한 분해 단면도이고, 도 4는 반전기어모듈에 대한 개략적인 사시도를 나타낸 것이며, 도 5는 도 4의 분해사시도이고, 도 6는 도 4에서 A-A선 단면도이고, 도 7은 도 4에서 B-B선 단면도이다.

도시된 바와 같이 이 발명에 의한 수중 추진장치는 크게 모터부(100), 커버(200), 전방로터(300), 입력기어(400), 반전기어모듈(500), 출력기어(600), 후방로터(700) 및 덕트(800)를 포함하여 구성되며, 모터부(100)에서 제공되는 추진동력에 의해 전방로터(300)가 회전되고 전방로터(300)와 연결되는 후방로터(700)는 전방로터(300)와 반대방향으로 회전되는 특성을 가진다.

도시된 바와 같이 모터부(100)는 전기 공급에 의해 추진동력을 발생시키게 되며 모터케이싱(110)에 의해 완전히 밀폐된다. 바람직하게는 모터(120)의 회전력은 모터축(121)과 동축상으로 연결되는 감속기어 박스(130)를 거쳐서 제공되도록 하며, 따라서 모터부(100)의 출력축은 감속기어 박스(130)의 출력축(131)이 되는 것으로 한다. 모터케이싱(110)과 감속기어박스 케이싱(140)은 상호 동축상으로 배치되어 다수의 씰링재(s)를 이용하여 수밀구조가 되도록 연결된다.

모터부(100)의 출력축(131)(감속기어 박스의 출력축을 의미함)은 커버(200)가 감싸면서 결합되며 씰링재(s)에 의해 수밀구조가 달성된다. 본 실시예에서 커버(200)는 감속기어 박스 케이싱(140)과 결합되며 회전되지 않는 고정부위가 된다.

커버(200)는 공동부(210)와 고정축(220) 두 부분으로 구분될 수 있으며 공동부(210)와 고정축(220)은 일체로 이루어지는 것으로 함이 바람직하다. 도시된 것처럼 커버(200)의 공동부(210)는 고정축(220)에 비교하여 외경이 크며 고정축(220)은 공동부(210)로부터 길게 연장된다.

감속기어 박스 케이싱(140)과 마주보는 공동부(210)는 내부가 비어 있으며 출력축(131)을 감싸게 되고 공동부(210) 외면에 전방로터(300)가 회전될 수 있게 설치된다. 전방로터(300)는 출력축(131)의 회전에 따라 회전되도록 구성되며 본 실시예의 경우 자력에 의해 전방로터(300)가 회전되도록 한다.

즉, 이 발명에서는 모터(120)로부터 발생되는 회전력이 출력축(131)을 통해 전방로터(300)로 전달되게 하되, 직접적인 기계적 연결이 아닌 간접적인 자력을 통해 이루어지도록 한다는 점에 특징이 있다.

보다 구체적으로 커버(200)의 공동부(210) 내부에는 출력축(131)과 직접 연결되어 회전하는 구동드라이브(D1)가 마련되며, 구동드라이브(D1)의 외주면에는 자석이 결합된다. 그리고 커버(200)의 공동부(210) 외면에는 전방로터(300)가 설치되며 전방로터(300)의 내경면에도 자석이 결합된다. 전방로터(300)의 내경면에 마련되는 자석을 종동드라이브(D2)라 부르도록 한다.

커버(200)는 고정되어 있으며 공동부(210) 내부의 구동드라이브(D1)와 공동부(210) 외면을 감싸면서 전방로터(300)의 내경면에 결합된 종동드라이브(D2)의 관계로 인해 구동드라이브(D1)가 회전하면 전방로터(300)는 자력에 의해 회전하게 된다. 구동드라이브(D1)와 종동드라이브(D2)는 N극과 S극이 교대로 배치되어 있기 때문에 구동드라이브(D1)가 회전되면 종동드라이브(D2) 및 전방로터(300)는 함께 회전하게 된다.

더 나아가 구동드라이브(D1)와 공동부(210)의 내경면 및 종동드라이브(D2)와 공동부(210)의 외경면 사이에는 자기유체씰(magnetic seal)(MS)을 마련해 두는 것으로 한다. 자기유체씰(MS)은 자속에 의해 자기유체가 링을 형성하여 밀봉이 될 수 있도록 하는 것이며, 자기유체는 자성을 갖는 미세 입자를 액체에 혼합한 콜로이드 상태의 유체를 의미한다.

바람직하게 전방로터(300)의 원활한 회전을 위해 커버(200)의 공동부(210) 외면 전단부에는 제 1부시(B1)를 마련하여 전방로터(300)의 전단부가 지지되도록 한다. 후술할 후방로터(700)의 전단부는 전방로터(300)의 후단 외면에 결합되는 제 2부시(B2)에 의해 지지되어 회전되며, 후방로터(700)의 후단부는 고정축(220)의 말단부 근처에 마련되는 제 3부시(B3)에 의해 지지된다.

회전되는 전방로터(300)의 회전력을 전달하기 위해 전방로터(700)의 후단측에 입력기어(400)가 연결되며, 입력기어(400)는 고정축(220)을 통해 삽입되되 고정축(220)과는 연결되지 않고 전방로터(300)에 구속되어 회전된다. 보다 구체적으로 전방로터(300)의 후단부에 요입홈(G)을 마련하여 요입홈(G)에 입력기어(400)가 삽입되도록 하고 볼트(B)와 같은 것을 이용하여 입력기어(400)와 전방로터(300)를 결합시키도록 한다.

입력기어(400)로 전달된 회전력을 후방로터(700)로 전달하기 위한 매개체로서 반전기어모듈(500)이 사용되며, 반전기어모듈(500)은 출력기어(600)와 연결되고 후방로터(700)는 전방로터(300)와는 반대방향으로 회전될 수 있도록 구성된다.

반전기어모듈에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 4 내지 도 7을 참조하면 반전기어모듈(500)은 도시된 것처럼 브라켓(510), 중심축(520), 보조축(530) 및 반전기어(540)들로 이루어지며, 브라켓(510)은 원판형태이고 그 중심부에 센터홀(511)이 마련되어 고정축(220)이 끼워지게 된다. 그리고 센터홀(511) 주위로 90도 각도로 네개의 설치홀(512)이 마련되어 설치홀(512)에 하나씩의 반전기어(540)가 결합된다.

브라켓(510)에 반전기어(540)들이 회전되도록 결합시키기 위해 브라켓(510)의 수직축(V)과 수평축(H)을 따라 하나의 중심축(520)과 두개의 보조축(530)을 결합시키도록 하는데, 중심축(520)은 수직축(V)을 따라 삽입되며 보조축(530)들은 수평축(H)을 따라 삽입된다. 특히, 중심축(520)의 경우 브라켓(510)에 수직축(V)을 따라 형성되는 수직홀(V1)에 삽입되되 중심축(520)은 고정축(220)과 교차되면서 관통된다. 물론 고정축(220)에는 중심축(520)이 지나가도록 상하로 개구된 교차홀(221)이 마련된다.

브라켓(510)에 형성되는 4개의 설치홀(512) 중 수직축(V)을 따라 형성되는 것을 상하 설치홀(512a)이라 하며, 수평축(H)을 형성되는 것을 좌우 설치홀(512b)이라 부르도록 한다. 중심축(520)은 상하 설치홀(512a)에 마련되는 반전기어(540)의 중심을 지나게 되고 반전기어(540)들은 중심축(520)에 대해 회전하게 된다.

본 실시예에서는 수평축(H)을 따라 2개의 보조축(530)을 설치하도록 하며 이를 위해 브라켓(510)에는 수평축(H)을 따라 수평홀(H1)이 마련되도록 한다. 보조축(530)의 경우에는 고정축(220)을 관통하지 않으며, 각 보조축(530)에는 하나씩의 반전기어(540)가 결합된다. 즉, 설치홀(512) 중 좌우 설치홀(512b)에 마련되는 각 반전기어(540)들은 보조축(530)에 끼워져 회전될 수 있는 구조를 이루게 된다.

본 실시예에서는 4개의 설치홀(512)이 마련되고 중심축(520)과 보조축(530)이 함께 사용되는 것을 보여주고 있으나, 보조축(530) 없이 중심축(520)만 있고 설치홀도 중심축(520)이 관통되는 2개의 설치홀(512)만을 두는 형태로 반전기어모듈(500)을 구성할 수도 있다.

이 발명의 반전기어모듈(500) 자체는 고정축(220)처럼 회전되지 않지만, 브라켓(510)에 마련된 반전기어(540)들이 중심축(520) 및 보조축(530)에 끼워져 회전 동작 됨으로써 입력기어(400)의 회전력을 출력기어(600)로 전달시키게 된다.

출력기어(600)는 고정축(220)을 통해 삽입되며 반전기어모듈(500)을 중심으로 입력기어(400)의 반대측에 마주보게 설치되고 반전기어(540)들과 맞물리어 회전력을 전달받게 된다. 그리고 출력기어(600)는 고정축(220)과는 연결되지 않으며 후술할 후방로터(700)와 연결되어 후방로터(700)를 회전시키게 된다.

후방로터(700)는 고정축(220)에 삽입되어 반전기어모듈(500)을 감싸는 형태로 설치되고 전방로터(300)의 후단부에 마련되는 제 2부시(B2)에 의해 후방로터(700)의 전단부가 지지되며 후방로터(700)의 후단부는 제 3부시(B3)에 의해 지지된다. 제 3부시(B3)는 고정축(220) 상에 결합된다. 그리고 출력기어(600)는 후방로터(700)의 후단부에 마련되는 요입홈(G)에 삽입되어 볼트(B)와 같은 수단을 통해 후방로터(700)와 구속 결합된다.

그리고 이 발명을 구성하는 또 하나의 요소로 덕트(800)가 마련되며 덕트(800)는 전방로터(300)와 후방로터(700)가 내부에 위치되도록 이들을 감싸는 형태로 결합된다. 바람직하게 덕트(800)는 모터부(100) 외면과 연결되는 스트럿(810)을 통해 고정되도록 하며 덕트의 전방으로 물이 유입되어 후방으로 유출되는 구조이다.

이 발명의 설명에서 당업자 수준에서 당연히 요구되는 회전을 위한 베어링이나 고정을 위한 너트나 와셔와 같은 요소들에 대한 설명은 생략되었다.

이 발명의 수중 추진장치는 전방로터(300)와 후방로터(700)가 동축반전되는 구조이며, 커버(200)가 모터부(100)의 출력축(131)을 감싸면서 고정 설치되기 때문에 모터부(100)는 완전한 씰링이 유지될 수 있고 모터의 회전력은 자력에 의한 간접적인 연결에 의해 전방로터(300)가 회전된다. 그리고 전방로터(300)의 설치구조에는 자기유체씰(MS)에 의한 수밀이 이루어질 수 있도록 구성된다는 특징이 있다.

전방로터(300)와 동축상으로 배치되는 후방로터(700)는 반전기어모듈(500)과 연결되는 출력기어(600)와 연결되어 회전되며, 반전기어모듈(500)은 커버(200)의 고정축(220)에 고정 설치되어 회전력의 전달이 이루어지도록 한다.

이상 설명한 바와 같은 이 발명의 수중 추진장치는 주요한 구성요소들이 하나의 축상을 따라 배치되고 하나의 모터만으로 전방로터와 후방로터를 서로 다른 방향으로 회전되게 할 수 있는 바, 비교적 소형으로 제작이 가능하고 확실한 수밀을 달성하여 내구성을 높일 수 있다. 그리고 동축반전되는 수중 추진장치는 선박이나 수중 이동체의 진행을 보다 정밀하게 컨트롤할 수 있도록 해줄 수 있다.

전술한 이 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 이 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

이 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 이 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 모터부 110 : 모터케이싱
120 : 모터 121 : 모터축
130 : 감속기어박스 131 : 출력축
140 : 감속기어박스 케이싱 200 : 커버
210 : 공동부 220 : 고정축
221 : 교차홀 300 : 전방로터
400 : 입력기어 500 : 반전기어모듈
510 : 브라켓 511 : 센터홀
512 : 설치홀 512a: 상하설치홀
512b: 좌우설치홀 520 : 중심축
530 : 보조축 540 : 반전기어
600 : 출력기어 700 : 후방로터
800 : 덕트 810 : 스트럿

Claims (3)

1. 수중에서 사용되는 수중 추진장치에 있어서 :
   추진동력을 제공하는 모터부;
   모터부의 출력축을 감싸는 공동부와 공동부 후방으로 돌출되는 고정축이 마련되어 출력축과 동축상으로 고정 결합되는 커버;
   커버의 공동부 외면을 감싸도록 설치되며 출력축의 회전에 따라 회전되는 전방로터;
   고정축을 통해 삽입되어 전방로터와 연결되어 회전되는 입력기어;
   입력기어와 맞물리는 다수의 반전기어가 마련되어 회전력을 전달하는 반전기어모듈;
   고정축을 통해 삽입되며 반전기어와 맞물리어 회전력을 전달받게 되는 출력기어;
   출력기어와 연결되어 전방로터와 역방향으로 회전되는 후방로터;
   전방로터와 후방로터가 내부에 위치되도록 모터부에 결합되는 덕트;를 포함하여 구성되며,
   반전기어모듈은, 중심부에 마련되는 센터홀을 통해 고정축에 끼워지는 브라켓, 센터홀을 사이에 두고 상하 마주보게 브라켓에 형성되는 설치홀, 고정축과 교차되면서 고정축을 관통하며 설치홀을 지나게 되는 중심축, 각 설치홀에 위치되며 중심축에 대해 회전되게 결합되는 반전기어들을 포함하여 구성되는 것인 수중 추진 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   반전기어모듈은 브라켓에 대칭적으로 2개 이상의 보조축과 설치홀이 더 마련되며 각 보조축에는 반전기어들이 결합되어 회전될 수 있고,
   입력기어는 전방로터의 후단부에 마련되는 요입홈에 삽입되어 볼트로 고정되며,
   출력기어는 후방로터의 후단부에 마련되는 요입홈에 삽입되어 볼트로 고정되는 것인 수중 추진 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   커버의 공동부 외면 전단부에 제 1부시가 마련되어 전방로터의 전단부가 지지되며, 전방로터의 후단 외면에는 제 2부시가 마련되어 후방로터의 전단부가 지지되고, 후방로터의 후단부는 고정축에 결합되는 제 3부시에 의해 지지되어 전방로터와 후방로터가 회전되는 것인 수중 추진 장치.
   

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