KR101383425B1

KR101383425B1 - 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치

Info

Publication number: KR101383425B1
Application number: KR1020130010293A
Authority: KR
Inventors: 박문우
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2033-01-30

Abstract

본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로서, 바람에 의해 회전되는 로터 블레이드에 연결되어 상기 로터 블레이드와 일체로 회전하는 로터 축; 상기 로터 축의 후단에 결합되어 상기 로터 블레이드 회전 RPM을 증속하는 제1 기어부; 상기 제1 기어부의 적어도 일부분과 맞물려 연결되며 상기 제1 기어부로부터 전달되는 동력을 분기하는 제2 기어부; 상기 제2 기어부로부터 분기된 동력을 전달받아 가변하는 토크 변환부; 및 상기 제2 기어부로부터 분기된 동력 및 상기 토크 변환부로부터 가변된 동력을 전달받아 발전을 수행하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치는, 전압 변환을 위한 전압 컨버터를 제외하고 토크 컨버터를 구비하여 기구적으로 RPM을 일정하게 유지함으로써, 제조 단가를 낮추고 구성을 단순화하는 동시에 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.

Description

풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치{Variable Speed Drive Train for Wind Turbine}

본 발명은 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치에 관한 것이다.

환경 오염에 대한 관심이 극도로 높아진 현 상황에서, 전 세계의 트렌드는 에너지 사용량 절감 및 친환경 에너지 개발이다. 전자의 경우 에너지의 소모를 절감하거나 연비를 개선하여, 석유 등의 원료 사용량을 줄여서 공해 발생을 감축하기 위한 것이다.

반면 후자의 경우 화력 발전이나 원자력 발전과 같이 매연 또는 폐기물을 발생시키는 발전의 비율을 줄이는 대신, 태양광 발전이나 풍력 발전, 조력 발전 등과 같이 자연 에너지를 통해 무해한 친환경 발전을 이루어냄으로써 환경 파괴를 방지하기 위한 것이다.

이러한 친환경 발전 방식 중에서 풍력 발전의 경우, 자연스럽게 불어오는 바람에 의해 로터 블레이드(Rotor Blade)가 회전되도록 하고, 로터 블레이드의 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 방법을 사용한다.

이를 위해 풍력 발전기는, 바람의 강도가 균일하며 일정 수준 이상인 공간에 설치되어, 전기 발전 공급량이 일정하게 유지되도록 하는 것이 가장 바람직하다. 그러나 현실적으로 어떠한 공간에서든 바람의 강도는 항상 변화하기 때문에, 로터 블레이드의 회전 RPM은 가변될 수밖에 없다.

따라서 종래에는 로터 블레이드의 불규칙적인 회전으로 인해 공급량이 변동하는 것을 방지하기 위해서, 전압 컨버터 등을 사용하여 전기적으로 공급 전압을 유지하는 방식을 사용하였다.

그러나 이 경우 전기적인 전압 변환을 수행하는 전압 컨버터를 구비하여야 하기 때문에, 구성이 복잡해질 수 있다는 문제점이 있고, 또한 제조 단가가 상승한다는 문제점이 있다.

국내 공개특허공보 제10-2011-0084205호(공개일: 2011.07.21.) 국내 공개특허공보 제10-2009-0083468호(공개일: 2009.08.03.) 국내 공개특허공보 제10-2011-0021713호(공개일: 2011.03.04.)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기적인 전압 변환을 수행하지 않음으로써 전압 컨버터를 생략하고, 기구적으로 RPM을 일정하게 유지할 수 있도록 하여 구성을 단순화하고 제조 단가를 낮출 수 있는 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치는, 바람에 의해 회전되는 로터 블레이드에 연결되어 상기 로터 블레이드와 일체로 회전하는 로터 축; 상기 로터 축의 후단에 결합되어 상기 로터 블레이드 회전 RPM을 증속하는 제1 기어부; 상기 제1 기어부의 적어도 일부분과 맞물려 연결되며 상기 제1 기어부로부터 전달되는 동력을 분기하는 제2 기어부; 상기 제2 기어부로부터 분기된 동력을 전달받아 가변하는 토크 변환부; 및 상기 제2 기어부로부터 분기된 동력 및 상기 토크 변환부로부터 가변된 동력을 전달받아 발전을 수행하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치는, 전압 변환을 위한 전압 컨버터를 제외하고 토크 컨버터를 구비하여 기구적으로 RPM을 일정하게 유지함으로써, 제조 단가를 낮추고 구성을 단순화하는 동시에 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치에서 동력이 전달되는 방향을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치에서 동력이 전달되는 방향을 나타내는 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치(1)는, 로터 축(10), 제1 기어부(20), 제2 기어부(30), 토크 변환부(40), 발전기(50)를 포함한다.

로터 축(10)(Rotor Blade Axis shaft)은, 바람에 의해 회전되는 로터 블레이드(도시하지 않음)에 연결되어 로터 블레이드와 일체로 회전한다. 로터 축(10)은, 로터 블레이드의 회전력을 후술할 제1 기어부(20), 제2 기어부(30), 토크 변환부(40)를 통해서 최종적으로 발전기(50)에 전달함으로써, 발전기(50)가 전기를 생산하도록 할 수 있다.

그러나 바람에 의해 회전하는 로터 블레이드는 일정하지 않은 RPM으로 회전하기 때문에, 로터 축(10)이 회전력을 그대로 발전기(50)에 전달하게 되면, 발전기(50)는 원활한 전기 생산을 할 수 없게 된다.

따라서 본 실시예는 로터 축(10)으로부터 발전기(50)로 회전력이 단순히 전달되지 않도록 하고, 후술할 각 구성들을 통해 회전력이 일정한 RPM을 갖도록 할 수 있다.

이와 같은 로터 축(10)은, 로터 플랜지(11)(Flange), 중공 축(12)(Blade Shaft), 제1 링기어(13)(Ring Gear), 로터 베어링(14)(Blade Bearing), 커버부(15)를 포함할 수 있다. 각 구성에 대해서는 이하 자세히 설명하도록 한다.

로터 플랜지(11)는, 로터 블레이드에 결합된다. 이때 로터 블레이드 측에도 별도의 플랜지(도시하지 않음)가 구비되며, 로터 블레이드 측의 플랜지와, 로터 축(10)의 로터 플랜지(11)가 결합됨으로써, 로터 블레이드와 로터 축(10)이 일체로 회전할 수 있다.

이때 로터 축(10)의 로터 플랜지(11)와, 로터 블레이드 측의 플랜지는, 볼트 결합으로 고정될 수 있다. 이를 위해 로터 플랜지(11)에는 볼트 구멍(도시하지 않음)이 형성될 수 있으며, 볼트(도시하지 않음)가 볼트 구멍으로 삽입되어 두 로터 플랜지(11)를 모두 관통하도록 하고, 볼트의 일단에 너트(도시하지 않음)를 설치함으로써 로터 블레이드를 로터 축(10)에 견고히 고정할 수 있다.

중공 축(12)은, 로터 플랜지(11)의 후단에 연결되어 직경이 가변되는 형태를 갖는다. 구체적으로 중공 축(12)은, 로터 플랜지(11)가 연결되는 일단에서 타단으로 갈수록 직경이 상대적으로 커지는 형태일 수 있다. 또한 중공 축(12)에서 직경이 커지는 부분은 일부분에 한정되며, 나머지 부분은 일정한 직경을 갖는 파이프 형태일 수 있다.

중공 축(12)의 후단에는 제1 링기어(13)가 설치될 수 있고, 중공 축(12)은 후술할 로터 베어링(14)에 체결된 상태로 회전될 수 있다. 이때 중공 축(12)에서 제1 링기어(13)가 설치되는 부분은 직경이 최대일 수 있으며, 로터 베어링(14)은 제1 링기어(13)가 설치되는 중공 축(12)의 일부분의 외측에 결합될 수 있다.

제1 링기어(13)는, 중공 축(12)의 후단 내측에 구비된다. 제1 랑기어는 내측에 기어이가 구비되는 형태의 내치차 기어이며, 도면을 기준으로 일단면이 'T'자 또는 뒤집어진 'T'자 형태를 가질 수 있다.

제1 링기어(13)의 상부 단면을 기준으로, 뒤집어진 'T'자에서 하단 부분은 기어이를 의미한다. 물론 본 발명은 제1 링기어(13)의 단면이 'T'자로 형성되는 것을 한정하는 것은 아니며, 다만 기어이의 위치를 용이하게 파악할 수 있도록 단면을 'T'자로 표시하였다. 이는 이하 다른 기어 구성에 대해서도 동일하게 적용된다.

제1 링기어(13)는 중공 축(12)이 회전할 때 함께 회전할 수 있다. 즉 제1 링기어(13)는 중공 축(12)의 후단 내측에 결합되어 있을 수 있고, 제1 링기어(13)와 중공 축(12)은 일체로 구성되어 로터 블레이드의 회전력을 제1 기어부(20)로 전달할 수 있다.

로터 베어링(14)은, 중공 축(12)의 후단 외측에 체결된다. 로터 베어링(14)은 중공 축(12)에 의한 벤딩 모멘트(Bending Moment) 및 추력(Thrust Force) 등을 지지할 수 있다.

로터 베어링(14)은 적어도 하나 이상으로 구성될 수 있으며, 중공 축(12)의 직경이나 로터 블레이드의 RPM 등에 따라 크기가 상이하게 결정될 수 있으며, 진동 및 기타 외력을 일정부분 완충하여 내구성을 증가시킬 수 있다.

커버부(15)는, 로터 베어링(14)의 외측에 구비된다. 커버부(15)는 로터 베어링(14)을 외부로부터 보호하는 구성이며, 다만 상부 단면과 하부 단면의 형태가 상이할 수 있다. 이는 하부의 경우 지면에 연결되기 위한 구조가 설치됨에 따라 높은 강도가 요구될 수 있기 때문이다.

제1 기어부(20)는, 로터 축(10)의 후단에 결합되어 로터 블레이드 회전 RPM을 증속한다. 제1 기어부(20)는 기어비를 이용하여 로터 블레이드 회전 RPM을 높여서 발전기(50)에 전달할 수 있다. 바람에 의해 회전하는 로터 블레이드는 회전이 불규칙적일 뿐만 아니라 높은 RPM을 갖지 못하여, 로터 블레이드 RPM을 그대로 활용하여 발전할 경우 발전 효율이 대폭 떨어질 수 있기 때문이다.

이러한 제1 기어부(20)는, 제1 플래닛기어(21)(Planet Gear), 제1 캐리어부(22), 제1 베어링(23)을 포함할 수 있다. 이하 각 구성에 대해 자세히 설명하도록 한다.

제1 플래닛기어(21)는, 로터 축(10)의 후단에 맞물린다. 구체적으로 제1 플래닛기어(21)는 로터 축(10)의 제1 링기어(13)에 맞물릴 수 있다. 이때 제1 플래닛 기어는, 제1 링기어(13)의 내치차에 맞물리는 외치차를 가질 수 있고, 제1 링기어(13)보다 상대적으로 작은 직경을 가질 수 있다.

이를 통해 제1 플래닛기어(21)는, 제1 링기어(13)와 맞물려 회전될 때 회전 RPM을 상승시킬 수 있다. 이때 RPM의 상승폭은, 제1 링기어(13)와 제1 플래닛기어(21)의 직경비, 즉 기어이 비율에 의해 결정될 수 있다.

제1 플래닛기어(21)의 회전축은 제1 링기어(13)와 상이할 수 있다. 도면을 토대로 살펴보면, 제1 플래닛기어(21)는 후술할 제1 캐리어부(22)에 고정될 수 있고, 제1 캐리어부(22)에 설치된 고정축(부호 미도시)을 기준으로 제1 플래닛기어(21)가 회전될 수 있다. 이때 제1 플래닛기어(21)와 고정축 사이에는 베어링(부호 미도시)이 설치될 수 있다.

제1 캐리어부(22)는, 제1 플래닛기어(21)를 고정한다. 제1 캐리어부(22)는 로터 블레이드의 회전과 무관하게 일정 위치에 고정되어 있을 수 있으며, 중공 축(12)의 후단과는 후술할 제1 베어링(23)을 두고 설치될 수 있다.

제1 캐리어부(22)는 제1 플래닛기어(21)의 전방 및 후방을 모두 감싸는 형태를 갖되, 제1 링기어(13)의 배치를 위해 일측과 타측이 단절된 형태일 수 있고, 또한 후술할 제2 기어부(30)의 제1 선기어(31)가 관통될 수 있는 형태를 가질 수 있다.

제1 캐리어부(22)에는 고정축이 구비될 수 있고, 고정축에는 제1 플래닛기어(21)가 결합되어, 제1 플래닛기어(21)는 고정축을 기준으로 회전할 수 있다. 이때 고정축은 회전되지 않으며, 고정축에 구비된 베어링을 통해 제1 플래닛기어(21)만 회전되도록 할 수 있다.

제1 베어링(23)은, 제1 캐리어부(22)의 외측과 로터 축(10)의 내측 사이, 구체적으로는 제1 캐리어부(22)의 외측과 중공 축(12)의 후단 내측 사이에 배치될 수 있다. 제1 베어링(23)은, 제1 캐리어부(22)가 로터 축(10)의 내측에서 회전되지 않도록 하는 구성이며, 중공 축(12)이 제1 베어링(23) 상에서 회전되도록 하되, 제1 캐리어부(22)는 고정되도록 할 수 있다.

제1 링기어(13)의 배치를 위해서 제1 캐리어부(22)가 일부 단절된 형태를 가질 때, 제1 베어링(23)은 적어도 하나 이상으로 구비되어, 제1 플래닛기어(21)의 전방에 위치한 제1 캐리어부(22)의 외측과, 제1 플래닛기어(21)의 후방에 위치한 제1 캐리어부(22)의 외측에 각각에 배치될 수 있다.

제2 기어부(30)는, 제1 기어부(20)의 적어도 일부분과 맞물려 연결되며 제1 기어부(20)로부터 전달되는 동력을 분기한다. 제2 기어부(30)는 제1 기어부(20)로부터 전달되는 동력을 일부 발전기(50)로 전달하고, 일부 토크 변환부(40)로 전달할 수 있으며, 이를 통해 RPM을 일정하게 유지시킬 수 있다.

제2 기어부(30)는, 제1 선기어(31)(Sun Gear), 제2 캐리어부(32), 제2 플래닛기어(33)(Planet Gear), 제2 링기어(34)(Ring Gear), 제2 베어링(35)(Bearing), 내측 고정부(36)를 포함할 수 있다. 이하 각 구성에 대해서 자세히 설명하도록 한다.

제1 선기어(31)는, 제1 기어부(20)의 적어도 일부분에 맞물린다. 구체적으로 제1 선기어(31)는 외치차를 갖는 형태의 기어이며, 제1 플래닛기어(21)와 맞물릴 수 있다. 이때 제1 선기어(31)의 직경은 도면에 도시된 바와 같이 제1 플래닛기어(21)의 직경보다 상대적으로 작을 수 있고, 이로 인해 제1 플래닛기어(21)에서 제1 선기어(31)로 동력이 전달될 때 RPM이 상승할 수 있다.

제1 선기어(31)는, 제1 플래닛기어(21)와 맞물리는 일단에서 후방으로 연장되는 형상을 가지며, 제1 선기어(31)의 후단에는 후술할 제2 캐리어부(32)가 연결될 수 있다. 이때 제1 선기어(31)와 제2 캐리어부(32)는 일체로 회전될 수 있다.

제2 캐리어부(32)는, 제1 선기어(31)의 후단에 연결된다. 제2 캐리어부(32)는 후술할 제2 플래닛기어(33)가 연결되며, 제2 플래닛기어(33)의 전방 및 후방 각각에 배치될 수 있다.

제2 캐리어부(32)에는 제1 캐리어부(22)와 유사하게 고정축(부호 미도시)과 베어링(부호 미도시)이 배치되어, 제2 캐리어부(32)와 상이한 방향으로 제2 플래닛기어(33)가 회전되도록 할 수 있다.

제2 플래닛기어(33)는, 제2 캐리어부(32)에 연결되어 제2 캐리어부(32)와 반대 방향으로 회전한다. 제1 플래닛기어(21)로부터 제1 선기어(31)에 동력이 전달되면, 제2 캐리어부(32)는 제1 선기어(31)와 동일한 방향으로 회전하게 된다. 이때 베어링으로 제2 캐리어부(32)에 연결된 제2 플래닛기어(33)는, 제2 캐리어부(32)의 회전 시 제2 캐리어부(32)에 결착된 것이 아니므로, 반대방향으로 회전하게 된다.

이때 제2 플래닛기어(33)는, 후술할 발전기(50)의 발전 샤프트(52a)에 일측이 연결되고, 타측이 후술할 제2 링기어(34)에 연결될 수 있다. 이때 제2 링기어(34)는 토크 변환부(40)에 연결되므로, 제2 플래닛기어(33)가 회전하면, 제2 플래닛기어(33)에 맞물린 발전 샤프트(52a)와 제2 링기어(34)가 함께 회전함에 따라, 제1 기어부(20)로부터 전달된 동력은 발전기(50)와 토크 변환부(40)로 분기되어 전달될 수 있다.

즉 제2 플래닛기어(33)는 동력을 분할하여 발전기(50) 및 토크 변환부(40)에 각각 전달하는 구성이며, 이를 통해 본 실시예는 RPM을 증속하면서도 발전기(50)에 전달되는 RPM이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.

제2 링기어(34)는, 제2 플래닛기어(33)와 맞물린다. 제2 링기어(34)는 제2 플래닛기어(33)보다 상대적으로 큰 직경을 가질 수 있으므로 RPM을 감속시킬 수 있으며, 제2 플래닛기어(33)로부터 전달되는 동력을 토크 변환부(40)에 공급할 수 있다.

도면을 토대로 설명하면, 제2 링기어(34)의 기어이에는 제2 플래닛기어(33)와 토크 변환부(40)의 일부분이 함께 맞물려 있을 수 있다. 구체적으로 제2 링기어(34)는 제2 플래닛기어(33) 및 후술할 토크 변환부(40)의 피니언기어(41)와 맞물려 회전한다.

이때 제2 플래닛기어(33)와 피니언기어(41)는 제2 링기어(34)를 통해 간접 연결되므로 동일한 방향으로 회전할 수 있으며, 제2 링기어(34)는 제2 플래닛기어(33)와 피니언기어(41)의 원활한 연결을 위해, 제2 플래닛기어(33)의 두께와 피니언기어(41)의 두께를 합산한 것보다 상대적으로 큰 두께를 가질 수 있다.

제2 링기어(34)는 후술할 내측 고정부(36)와 제2 베어링(35)을 통해 결합될 수 있고, 제2 링기어(34)가 회전되더라도 내측 고정부(36)는 제2 베어링(35)에 의해 고정된 위치에 놓여 있도록 할 수 있다.

제2 베어링(35)은, 제2 링기어(34)의 외측에 배치된다. 제2 베어링(35)은 제2 링기어(34)가 회전되더라도 내측 고정부(36)가 회전되지 않도록 하는 동시에 제2 링기어(34)가 원활히 회전되도록 하는 구성이다.

내측 고정부(36)는, 제2 베어링(35)이 고정 설치된다. 내측 고정부(36)는 제1 캐리어부(22)와 고정 연결될 수 있고, 제1 캐리어부(22)와 마찬가지로 동력 전달 과정에서 회전되지 않고 일정 위치에 고정되어 있을 수 있다.

내측 고정부(36)의 내면에는 제2 베어링(35)이 설치되며 제2 베어링(35)에는 제2 링기어(34)가 연결된다. 제2 링기어(34)가 회전되더라도 제2 베어링(35)이 설치되어 있으므로, 제2 링기어(34)의 회전력은 내측 고정부(36)에 전달되지 않을 수 있다.

내측 고정부(36)에는 제2 링기어(34) 외에도, 후술할 토크 변환부(40)의 피니언기어(41)가 설치될 수 있으며, 피니언기어(41) 역시 제2 링기어(34)와 마찬가지로 베어링(부호 미도시)을 통해 간접적으로 내측 고정부(36)에 연결될 수 있다. 따라서 내측 고정부(36)는 고정되어 있되, 제2 링기어(34)와 피니언기어(41)는 각각 회전할 수 있으며, 이때 제2 링기어(34)와 피니언기어(41)는 맞물려 회전할 수 있다.

내측 고정부(36)의 외면에는, 토크암(37)(Torque Arm)이 설치될 수 있다. 토크암(37)은 동력이 전달될 때 비틀림이 발생되는 것을 방지하는 댐퍼 역할을 수행할 수 있다. 도면을 참고하면 토크암(37)은 내측 고정부(36)보다 상대적으로 작은 형태를 가질 수 있으나, 토크암(37)의 크기는 비틀림이 나타나는 정도에 따라 달라질 수 있다.

토크 변환부(40)는, 제2 기어부(30)로부터 분기된 동력을 전달받아 가변한다. 토크 변환부(40)는 피니언기어(41), 휠(42), 토크 컨버터(43)를 포함하여 구성될 수 있고, 이하 각 구성에 대해 설명하도록 한다.

피니언기어(41)는, 제2 기어부(30)와 맞물리며, 구체적으로 제2 링기어(34)와 맞물릴 수 있다. 피니언기어(41)는 내측 고정부(36)에 베어링으로 연결될 수 있으며, 일단과 타단에 각각 외치차가 형성될 수 있다. 이때 일단의 외치차와 타단의 외치차는 기어비가 상이할 수 있으며, 이를 통해 RPM이 조정될 수 있다.

피니언기어(41)는 앞서 설명한 바와 같이 제2 플래닛기어(33)와 함께 제2 링기어(34)에 맞물려 회전할 수 있고, 제2 플래닛기어(33)와 동일한 방향으로 회전할 수 있다. 다만 피니언기어(41)는 제2 플래닛기어(33)와 상이한 직경을 가질 수 있으므로, 제2 플래닛기어(33)의 회전속도와 피니언기어(41)의 회전속도는 다를 수 있다.

휠(42)은, 피니언기어(41)에 맞물려 회전한다. 피니언기어(41)는 일단이 제2 링기어(34)에 맞물리고, 타단이 휠(42)에 맞물릴 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 피니언기어(41)의 일단과 타단의 기어비가 상이하므로, 휠(42)에 전달되는 RPM은 감속 또는 증속될 수 있다.

휠(42)은 토크 컨버터(43)에 연결될 수 있고, 피니언기어(41)의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가짐에 따라 RPM이 감속되도록 할 수 있다. 물론 본 발명은 RPM의 증속이 필요할 경우 휠(42)의 직경이 피니언기어(41)의 직경보다 상대적으로 작도록 할 수 있으나, 이 경우 휠(42)은 발전 샤프트(52a)와의 간섭을 방지하기 위해 다수 개로 나뉘어져 발전 샤프트(52a)의 상측 및 하측에 각각 구비될 수 있다.

토크 컨버터(43)는, 휠(42)로부터 전달되는 동력을 가변하여 발전기(50)에 전달한다. 토크 컨버터(43)는 도면을 기준으로 우측이 입력단이며, 하측이 출력단이다. 토크 컨버터(43)는 유체를 제어하여 동력이 가변되도록 하는 구성으로서, 일반적인 토크 컨버터(43)와 동일한 구조를 가지므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

토크 변환부(40)는, 토크 컨버터(43)에 오일을 공급하는 오일 공급부(44)를 더 포함할 수 있다. 오일 공급부(44)는, 토크 컨버터(43)에 오일을 원활히 공급함으로써, 토크 컨버터(43)가 오일 등과 같은 유체를 사용하여 동력을 가변시키도록 할 수 있다.

오일 공급부(44)는 후술할 발전기(50)의 일측에 구비될 수 있고, 오일 공급관(도시하지 않음) 등을 통해 토크 컨버터(43)에 연결될 수 있다. 오일 공급부(44)를 발전기(50)의 일측에 배치하는 것은 각 기어와의 간섭을 회피하기 위함이다.

발전기(50)는, 제2 기어부(30)로부터 분기된 동력 및 토크 변환부(40)로부터 가변된 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 발전기(50)는 동기 발전기(Sync. Generator)로서, 일정한 RPM의 동력이 공급되어야 원활히 발전을 수행하는 발전기(50)일 수 있다.

그러나 바람에 의해 회전하는 로터 블레이드는 일정한 RPM을 생성하지 못하므로, 본 실시예는 앞서 설명한 제1 기어부(20)와 제2 기어부(30) 빛 토크 변환부(40)를 통해 RPM을 일정하게 유지하여, 충분한 발전 성능을 확보할 수 있다.

발전기(50)는, 발전몸체(51), 발전 샤프트(52a), 커플링(53), 제동 캘리퍼(54a), 외측 고정부(55), 몸체 지지부(56)를 포함할 수 있고, 각 구성에 대해서는 이하 도면을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.

발전몸체(51)는, 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 발전몸체(51)에 전달되는 동력은 회전력이며, 회전력을 통해 전기를 생성하는 구조는 널리 공지된 것이므로, 발전몸체(51)에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.

발전 샤프트(52a)는, 발전몸체(51)의 외측에 돌출되며 제2 기어부(30) 및 토크 변환부(40)의 적어도 일부분과 맞물려 회전한다. 발전 샤프트(52a)는 구체적으로 제2 기어부(30)의 제2 플래닛기어(33)와 맞물릴 수 있도록 전단에 외치차가 형성될 수 있고, 또한 일정 지점에 토크 변환부(40)의 토크 컨버터(43)의 출력단이 연결될 수 있다.

이를 통해 발전 샤프트(52a)는, 제2 플래닛기어(33)로부터 동력을 전달받는 동시에, 토크 컨버터(43)로부터도 동력을 전달받을 수 있다. 이와 같이 본 실시예는 동력을 분기하여 발전 샤프트(52a)에 전달함으로써, 발전 샤프트(52a)가 일정한 속도로 회전되도록 할 수 있다.

커플링(53)은, 발전몸체(51)의 외측에서 발전 샤프트(52a)에 구비된다. 커플링(53)은 발전몸체(51)의 전단에 노출될 수 있고, 발전 샤프트(52a)의 회전이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다. 커플링(53)은 일반적으로 사용하는 구성이므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.

제동 캘리퍼(54a)는, 발전 샤프트(52a)의 회전을 정지시킨다. 제동 캘리퍼(54a)는 커플링(53)의 전방에 위치할 수 있고, 후술할 외측 고정부(55)에 일면이 선택적으로 접촉하여, 마찰에 의해 발전 샤프트(52a)의 회전을 멈출 수 있다.

외측 고정부(55)는, 제2 기어부(30) 및 토크 변환부(40)를 감싸 보호한다. 외측 고정부(55)는 내측 고정부(36)의 외면에 연결될 수 있고, 발전 샤프트(52a)가 관통되는 샤프트 구멍(부호 미도시)이 형성된 원통 형태일 수 있다.

외측 고정부(55)의 후면에는 제동 캘리퍼(54a)의 일면이 접촉하여, 제동 캘리퍼(54a)와 외측 고정부(55)의 후면 사이에 발생되는 마찰력을 통해, 제동 캘리퍼(54a)가 발전 샤프트(52a)의 회전을 정지시키도록 할 수 있다.

몸체 지지부(56)는, 발전몸체(51)의 일측에 배치되어 발전몸체(51)를 지지한다. 몸체 지지부(56)는 적어도 하나 이상으로 구비될 수 있고, 도면을 기준으로 발전몸체(51)의 하단에 수직 연결되어 발전몸체(51)의 하중을 떠받들 수 있다.

몸체 지지부(56)는 일부분이 발전몸체(51)의 진동을 흡수하는 재질로 구성되어, 발전몸체(51)의 흔들림을 감쇄시켜 발전이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다. 이때 진동을 흡수하는 재질은 일반적인 고무 등과 같은 탄성 재질 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치(1)는, 베드 플레이트(60)(Bed Plate)를 더 포함할 수 있다. 베드 플레이트(60)는, 제1 기어부(20), 제2 기어부(30), 토크 변환부(40), 발전기(50)를 지지한다.

특히 베드 플레이트(60)의 상면에는 커버부(15)의 하부가 지지되며, 발전몸체(51)를 지지하는 몸체 지지부(56)가 고정될 수 있다. 이때 베드 플레이트(60)는 전단에서 후단으로 연장되는 형태을 갖되, 두께에 단차가 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치에서 동력이 전달되는 방향을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치(1)에서 동력은 로터 블레이드의 회전에 의해 중공 축(12)에 전달된다. 이때 중공 축(12)의 회전으로 인해 중공 축(12) 후단 내측에 구비된 제1 링기어(13)와 맞물린 제1 플래닛기어(21)가 회전하게 되며, 제1 플래닛기어(21)와 맞물린 제1 선기어(31)가 회전하고 제2 플래닛기어(33)의 회전을 통해 제2 플래닛기어(33)와 맞물린 발전 샤프트(52a)가 회전하여 발전이 이루어질 수 있다.

또한 제2 플래닛기어(33)는 제2 링기어(34)와 맞물려 회전하므로, 제2 링기어(34)와 맞물린 피니언기어(41)가 회전하게 되며, 피니언기어(41)와 맞물린 휠(42)이 회전하여 동력이 토크 컨버터(43)에 전달될 수 있다.

이때 토크 컨버터(43)에 의해 가변된 동력은 발전 샤프트(52a)에 전달되며, 따라서 발전 샤프트(52a)는 제2 플래닛기어(33) 또는 토크 컨버터(43)로부터 동력을 각각 전달받아 회전하여 발전몸체(51)에 전달할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 기구적인 기어 연결을 통해서 바람에 의해 회전하는 로터 블레이드의 RPM을 일정하게 가변하여 발전기(50)에 전달함으로써, 발전 성능을 충분히 확보할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치의 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치(2)는, 로터 축(10), 제1 기어부(20), 제2 기어부(30), 토크 변환부(40), 발전기(50)를 포함한다. 이때 발전기(50)를 제외한 각 구성은 도 1 및 도 2를 통해 설명한 일 실시예에서의 구성과 실질적으로 동일하므로, 상기 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.

바람에 의해 회전하는 로터 블레이드는 일정한 RPM을 생성하지 못하므로, 본 실시예는 앞서 설명한 제1 기어부(20)와 제2 기어부(30) 빛 토크 변환부(40)를 통해 RPM을 일정하게 유지하여, 충분한 발전 성능을 확보할 수 있다.

발전기(50)는, 발전몸체(51), 발전 샤프트(52b), 제동 캘리퍼(54b), 외측 고정부(55)를 포함할 수 있고, 각 구성에 대해서는 이하 도면을 참고하여 자세히 설명하도록 한다. 다만 발전몸체(51)와 외측 고정부(55)는 앞서 도 1 및 도 2에서 설명한 구성과 동일하므로, 상기 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.

본 실시예에서의 발전기(50)는, 앞서 설명한 일 실시예에서의 발전기(50)와 대비할 때, 발전기(50)가 토크 변환부(40)에 근접 배치될 수 있고, 오일 공급부(44)에 의해 지지될 수 있다. 이를 통해 본 실시예는 전후 전체 길이를 감축하여 발전기(50)의 후방에 일정 공간을 확보할 수 있고, 이 공간은 각 구성을 후방으로 인출하여 유지 보수할 수 있도록 하는 공간으로 활용될 수 있다. 또한 베드 플레이트(60)의 길이를 감축할 수 있으므로 제조 단가를 절감할 수 있다.

발전 샤프트(52b)는, 발전몸체(51)를 관통하여 설치되며 제2 기어부(30) 및 토크 변환부(40)의 적어도 일부분과 맞물려 회전한다. 발전 샤프트(52b)는 구체적으로 제2 기어부(30)의 제2 플래닛기어(33)와 맞물릴 수 있도록 전단에 외치차가 형성될 수 있고, 또한 일정 지점에 토크 변환부(40)의 토크 컨버터(43)의 출력단이 연결될 수 있다.

발전 샤프트(52b)가 본 발명의 일 실시예에서의 발전 샤프트(52a)와는 다르게, 발전몸체(51)를 관통하게 설치되는 것은, 제동 캘리퍼(54b)를 발전몸체(51)의 후단에 설치하기 위함이다. 이에 대해서는 제동 캘리퍼(54b)를 설명하는 과정에서 자세히 언급하도록 한다.

제동 캘리퍼(54b)는, 발전 샤프트(52b)의 회전을 정지시킨다. 제동 캘리퍼(54b)는 발전몸체(51)의 후면에 위치할 수 있고, 발전몸체(51)에 일면이 선택적으로 접촉하여, 마찰에 의해 발전 샤프트(52b)의 회전을 멈출 수 있다. 제동 캘리퍼(54b)가 발전몸체(51)의 후면에 위치함에 따라, 발전몸체(51)는 외측 고정부(55)에 밀착 설치될 수 있으며, 이를 통해 본 실시예는 발전몸체(51)의 후단에 충분한 공간이 확보되도록 할 수 있다.

이때 본 실시예는, 발전몸체(51)의 수리를 위해서 제동 캘리퍼(54b)를 제거하고 발전몸체(51)의 후면을 개방하여 내부 구성들을 인출하여 유지 보수할 수 있고, 발전몸체(51)의 내부 구성이 인출되었을 시 발전몸체(51)는 토크 변환부(40), 제2 기어부(30), 제1 기어부(20) 등이 인출될 수 있는 공간을 형성할 수 있다.

따라서 본 실시예는, 도 1 및 도 2를 통해 설명한 일 실시예와는 달리, 발전몸체(51)의 후면에 일정한 공간이 확보되도록 하고, 상기 공간으로 각 구성이 인출될 수 있도록 함으로써, 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치에서 동력이 전달되는 방향을 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치(2)에서 동력은 로터 블레이드의 회전에 의해 중공 축(12)에 전달된 후, 제1 링기어(13), 제1 플래닛기어(21), 제1 선기어(31), 제2 플래닛기어(33), 발전 샤프트(52b)를 통해 전달될 수 있다.

또는 제1 링기어(13), 제1 플래닛기어(21), 제1 선기어(31), 제2 플래닛기어(33), 제2 링기어(34), 피니언기어(41), 휠(42), 토크 컨버터(43)를 통해 발전 샤프트(52b)에 동력이 전달될 수 있다. 본 실시예에서의 동력 전달 과정은, 앞서 일 실시예에서 설명한 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

이와 같이 본 실시예는, 기구적인 기어 결합으로 RPM을 일정하게 조절하여 발전기(50)에 전달하는 동시에, 발전기(50)의 설치 부분을 개선하여 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치(2)의 전체 전후 길이를 감축시켜 발전기(50) 후방에 여유 공간이 확보되도록 함으로써, 유지 보수가 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1,2: 풍력 발전용 가변속 동력 전달 장치 10: 로터 축
11: 로터 플랜지 12: 중공 축
13: 제1 링기어 14: 로터 베어링
15: 커버부 20: 제1 기어부
21: 제1 플래닛기어 22: 제1 캐리어부
23: 제1 베어링 30: 제2 기어부
31: 제1 선기어 32: 제2 캐리어부
33: 제2 플래닛기어 34: 제2 링기어
35: 제2 베어링 36: 내측 고정부
37: 토크암 40: 토크 변환부
41: 피니언기어 42: 휠
43: 토크 컨버터 44: 오일 공급부
50: 발전기 51: 발전몸체
52a,52b: 발전 샤프트 53: 커플링
54a,54b: 제동 캘리퍼 55: 외측 고정부
56: 몸체 지지부 60: 베드 플레이트

Claims

바람에 의해 회전되는 로터 블레이드에 연결되어 상기 로터 블레이드와 일체로 회전하는 로터 축;
상기 로터 축의 후단에 결합되어 상기 로터 블레이드 회전 RPM을 증속하는 제1 기어부;
상기 제1 기어부의 적어도 일부분과 맞물려 연결되며 상기 제1 기어부로부터 전달되는 동력을 분기하는 제2 기어부;
상기 제2 기어부로부터 분기된 동력을 전달받아 가변하는 토크 변환부; 및
상기 제2 기어부로부터 분기된 동력 및 상기 토크 변환부로부터 가변된 동력을 전달받아 발전을 수행하는 발전기를 포함하되,
상기 로터 축은,
상기 로터 블레이드에 결합되는 로터 플랜지;
상기 로터 플랜지의 후단에 연결되어 직경이 가변되는 블레이드 샤프트;
상기 블레이드 샤프트의 후단 내측에 구비되는 제1 링기어; 및
상기 블레이드 샤프트의 후단 외측에 체결되는 로터 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 제1 기어부는,
상기 로터 축의 후단에 맞물리는 제1 플래닛기어;
상기 제1 플래닛기어를 고정하는 제1 캐리어부; 및
상기 제1 캐리어부의 외측과 상기 로터 축의 내측 사이에 구비되는 제1 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 기어부는,
상기 제1 기어부의 적어도 일부분에 맞물리는 제1 선기어;
상기 제1 선기어의 후단에 연결되는 제2 캐리어부;
상기 제2 캐리어부에 연결되어 상기 제2 캐리어부와 반대 방향으로 회전하는 제2 플래닛기어;
상기 제2 플래닛 기어와 맞물리는 제2 링기어;
상기 제2 링기어의 외측에 배치되는 제2 베어링; 및
상기 제2 베어링이 고정 설치되는 내측 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 토크 변환부는,
상기 제2 기어부와 맞물리는 피니언기어;
상기 피니언 기어에 맞물리는 휠; 및
상기 휠로부터 전달되는 동력을 가변하여 상기 발전기에 전달하는 토크 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 토크 변환부는,
상기 토크 컨버터에 오일을 공급하는 오일 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 발전기는,
발전몸체;
상기 발전몸체의 외측에 돌출되며 상기 제2 기어부 및 토크 변환부의 적어도 일부분과 맞물려 회전하는 발전 샤프트;
상기 발전몸체의 외측에서 상기 발전 샤프트에 구비되는 커플링; 및
상기 발전 샤프트의 회전을 정지시키는 제동 캘리퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 발전기는,
상기 발전몸체의 일측에 배치되어 상기 발전몸체를 지지하는 몸체 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.