KR101375847B1 - 풍력발전기용 유성기어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기용 유성기어장치에 관한 것으로, 풍력발전기의 프로펠라가 장착된 주축으로서의 입력축(101)에 결합된 링기어(102) 내측에 복수개의 전단 유성기어(103)들이 링기어와 함께 회전하도록 치합되어 있고, 후단 유성기어(105)들은 태양기어(107)에 외접하여 치합되어 있고, 상기 태양기어(107)는 출력축(109)에 일체로 연결되며, 상기 출력축(109)은 발전기의 로터축에 일체로 연결되어 바람에 의한 회전력을 통해 발전기의 로터축으로 전달되어 발전하도록 된 풍력발전기용 유성기어장치에 있어서, 상기 전단 유성기어(103)와 링기어(102)의 조립오차에 따라 증대되는 치합하중을 탄성변형으로 흡수하여 감소시키도록 상기 각각의 유성기어(103)들은 가요성의 유연축부(104)를 통하여 후단 유성기어(105)들이 장착된 상대적으로 경한 유성기어축(106)과 일체로 연결되게 구성함으로써, 조립오차에 따른 치합하중의 증대를 상기 유연축부의 탄성변형에 의해 흡수하여 유성기어간 하중 분산을 향상시키고, 설계하중을 감소시킬 수 있으며, 설계하중 감소를 통해 기어박스의 중량과 부피를 줄일 수 있어 풍력발전기의 경량화 및 유지 보수성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

풍력발전기용 유성기어장치{Planetary gears unit for a wind power generator}

본 발명은 풍력발전기용 유성기어장치에 관한 것으로, 특히 프로펠러가 설치되는 주축과 발전기 사이에 설치되는 기어박스에서 주축의 회전속도와 토크를 발전에 적합하게 변환하도록 제공되는 유성기어들간의 하중분산기능이 개선된 풍력발전기용 유성기어장치에 관한 것이다.

풍력발전기는 바람에 의해 프로펠러가 회전되고 그 프로펠러가 고정된 주축의 회전으로 발전기의 로터를 회전시켜 발전하며, 상기 주축과 발전기 사이에는 기어박스가 제공되어 주축의 회전속도와 토크를 발전에 적합하게 변환한다.

현재 화석에너지의 고갈에 대한 대비와 자연환경의 파괴를 방지하기 위하여 그린에너지로서 태양광 발전과 함께 풍력발전이 점차 증대되고 있으며, 이러한 풍력발전기는 점점 대형화되어 가고 있는 추세로 풍력발전기 주요 구성품을 포함하여 너셀의 무게 및 부피를 줄이는데 설계의 초점을 맞추고 있다.

이를 위해 일부 풍력 발전기용 동력전달계는 복합 유성기어열(compound planetary stage)로 불리우는 유성기어장치를 사용하는 기어박스와 다수의 폴(pole)을 갖는 영구자석 동기 발전기를 조합이 사용되고 있다. 복합 유성기어열을 적용한 기어박스는 저속의 로터 회전수를 전기 생산에 맞도록 회전속도를 15~30배 증가시키는 역할을 수행한다.

이러한 복합 유성 기어열은 일반적인 유성 기어열과는 달리 유성기어가 교번 굽힘(reverse bending)을 받지 않도록 설계되어 있고 한 축상에 전.후 2개의 유성기어가 연결되어 있으며 전단 유성기어는 링기어와 후단 유성기어는 태양기어와 기어 물림으로 구성되어 1단의 기어열이 2단의 증속비를 낼 수 있도록 설계되어 있다.

기존의 일반적인 유성 기어열은 유연핀(flexible pin) 적용을 통해 하중 분산(load distribution)를 균등하게 할 수 있어 설계하중을 줄이도록 하고 있고, 또한 설계 하중 감소에 의해 기어박스의 무게 및 부피를 줄일 수 있다.

그러나, 복합 유성기어열을 사용하는 경우, 유성기어(planet)와 링기어(ring gear)간의 치합과 유성기어(planet)와 태양기어(sun gear)와의 치합이 서로 분리 되어 있어 유연핀 적용을 통한 하중 분산효과의 향상을 기대할 수 없다.

도 1은 경한(rigid) 축을 사용한 기존의 유성기어장치의 복합 유성기어열을 보여주며, 도면에서 바람에 의해 발생된 동력은 프로펠라에 연결된 주축으로서의 입력축(1)을 통해 기어박스에 전달된다.

입력축(1)에는 링기어(2)가 고정되어 있고, 링기어(2)는 전단 유성기어(3)과 치합(기어물림)되어 회전력을 전달하며, 전단 유성기어(3)는 경한 유성기어 축(6)을 통해 후단 유성기어(5)로 회전력을 전달하고, 후단 유성기어(5)는 태양기어(7)와 맞물려 태양기어축(9)을 통해 회전력을 발전기로 전달한다. 축 베어링은(21,22)(23,24) 축마다 2개의 베어링이 사용되고 축의 양 끝단에 설치된다. 즉, 일반적으로 축상 기어는 양 베어링 사이에 위치하게 된다.

이러한 복합 유성기어는 통상 3개 이상의 유성기어 집합체(3,5)를 사용하며, 이러한 종래의 복합 유성기어열은 단단한 회전축(6,9)를 적용하고 있어 복합 유성기어열의 제작시, 축의 조립 위치가 조금만 틀리게 가공되어도 하중분산은 급격하게 나빠지게 되므로, 기존의 복합 유성기어열은 유성기어간 하중분산을 균등하게 할 수 없어 4개 이상의 유성기어 집합체(3,5)를 일반적으로 사용하지 않으며, 이를 보다 도 2와 도 3을 참고하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 4개의 전단 유성기어를 채용한 유성기어 집합체의 제작 및 조립 위치 오차 발생에 의한 하중 분산을 보여주며, 도면에서 좌측부분은 제작 및 조립 오차 없이 복합 유성 기어열이 제작된 경우 링기어(2)와 전단 유성기어간의 하중 분포를 개략적으로 보여주고 있고, 제작 및 조립 오차가 없는 경우 하중 분산이 균등하게 발생함을 알 수 있다. 도2의 우측부분은 유성기어 조립시 전단 유성기어의 예를들어 2번째(3-2)와 3번째(3-3) 유성기어 집합체의 조립시 필연적으로 발생되는 제작 및 조립 위치 오차가 있는 경우의 하중분산을 개략적으로 보여주며, 이로부터 2번째 전단 유성기어(3-2)와 링기어(2) 간에 과다한 치합이 발생하여 하중이 급격히 증가하는 반면, 3번째 전단 유성기어(3-3)의 경우 치합이 감소하여 하중이 급격히 감소함을 알 수 있다.

도 3은 유성기어 집합체의 제작 및 조립 위치 오차 발생에 의한 후단 유성기어와 태양기어간 하중 분산을 보여준다. 도 3의 좌측부분은 이론적으로 제작 및 조립 오차없이 복합 유성 기어열이 제작된 경우의 후단 유성기어(5-1~5-4)와 태양기어(7)간의 하중 분포를 개략적으로 보여주고 있으며, 제작 및 조립 오차가 없는 경우 하중 분산이 균등하게 발생함을 알 수 있다. 이에 대하여 실제 복수개의 유성기어들의 제작시 제작 및 조립오차가 필연적으로 수반되며, 예를들어 2번째(5-2) 3번째(5-3) 유성기어 집합체의 조립 위치 오차가 발생한 경우 하중분산을 보여준다. 도면에서 보는 바와 같이, 2번째 전단 유성기어(5-2)와 태양기어(7) 간에 치합이 감소하여 하중이 급격히 감소함을 알 수 있고, 또한 3번째 후단 유성기어(5-3)의 경우 과다한 치합이 발생하여 하중이 급격히 증가함을 알 수 있다.

도 2와 3으로부터 기존의 복합유성기어열에 있어서 4개 이상의 유성기어열을 채용하는 경우 유성기어들이 대향되게 배치되므로, 유성기어들의 제작 및 조립시 필연적으로 발생되는 오차에 의한 유성기어열과 태양기어들에서의 하중분산의 불균일은 유성기어와 축의 조기손상 및 소음을 초래하게 되므로, 이로 인해 설계시 높은 하중 분산 계수를 사용하게 되면 기어박스의 중량과 부피가 증가하게 되는 문제가 발생되며, 또한 제작 및 조립 오차는 기어박스의 하중 분산에 민감한 영향을 미쳐 균질한 제품 생산 및 관리가 어려워지는 문제가 있었다.

본 발명은 풍력발전기에 적용되는 복합유성기어열에 있어서의 제작 및 조립 오차에 의한 치합하중의 증대에 따라 탄성변형에 의해 흡수하여 전체적으로 하중분산이 안정되고 허용가능한 수준으로 이루어질 수 있도록 복합 유성 기어열에서 유성기어들을 연결하는 축부분과 유성기어와 태양기어를 연결하는 축부분에 가요성의 유연축부(flexible shaft)를 갖는 풍력발전기용 유성기어장치의 제공을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 풍력발전기용 유성기어장치는, 풍력발전기의 프로펠라가 장착된 주축으로서의 입력축에 결합된 링기어 내측에 복수개의 전단 유성기어들이 링기어와 함께 회전하도록 치합되어 있고, 후단 유성기어들은 태양기어에 외접하여 치합되어 있고, 상기 태양기어는 출력축에 일체로 연결되며, 상기 출력축은 발전기의 로터축에 일체로 연결되어 바람에 의한 회전력을 통해 발전기의 로터축으로 전달되어 발전하도록 구성되는 풍력발전기용 유성기어장치에 있어서, 상기 전단 유성기어와 링기어의 조립오차에 따라 증대되는 치합하중을 탄성변형으로 흡수하여 감소시키도록 상기 각각의 유성기어들은 가요성의 유연축부를 통하여 후단 유성기어들이 장착된 상대적으로 경한 유성기어축과 일체로 연결되는 것을 특징으로 하여 구성된다.

상기 후단 유성기어와 태양기어의 조립오차에 따라 증대되는 치합하중을 탄성변형으로 흡수하여 감소시키도록 상기 태양기어는 가요성의 유연축부를 통하여 상대적으로 경한 출력축에 일체로 연결될 수 있다.

상기 후단 유성기어를 지지하는 경한 유성기어축은 전후측 단부에 각각 베어링들이 배치되어 지지되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라, 복합 유성 기어열에서 전단 유성기어를 후단 유성기어의 상대적으로 경한 축에 가요성의 유연축부로 연결함으로써 조립오차에 따른 치합하중의 증대를 상기 유연축부의 탄성변형에 의해 흡수하여 유성기어간 하중 분산을 향상시키고, 설계하중을 감소시킬 수 있으며, 설계하중 감소를 통해 기어박스의 중량과 부피를 줄일 수 있어 풍력발전기의 경량화 및 유지 보수성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 풍력발전기용 유성기어장치의 구성을 보여주는 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 유성기어장치에서 4개의 전단 유성기어를 채용한 유성기어 집합체의 제작 및 조립시 이론적인 상태와 오차 발생에 의한 하중 분산 상태를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 유성기어 집합체의 제작 및 조립 위치 오차 발생에 의한 후단 유성기어와 태양기어간 하중 분산을 개략적으로 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따라 유연축부를 구비한 유성기어장치의 개략적인 구성도.
도 5는 도 4의 유성기어장치에서의 전단 유성기어에 연결된 유연축에 의한 하중 분산의 개선을 개략적으로 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따라 유연축부를 구비한 태양기어에 연결된 유연축에 의한 하중분산 개선을 개략적으로 보여주는 도면.
도 7은 도 6에서 점선으로 표시된 유성기어와 태양기어 사이의 하중 분산효과를 보여주는 확대도.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 4와 도 5에 있어서, 4개의 유성기어(103)들이 풍력발전기의 프로펠라가 장착된 주축으로서의 입력축(101)에 결합된 링기어(102) 내측에 서로 대향되게 링기어와 함께 회전하도록 치합되어 있고, 상기 각각의 유성기어(103)들은 유연축부(104)를 통하여 후단 유성기어(105)들이 장착된 경한 유성기어축(106)과 일체로 연결되고, 상기 경한 유성기어축(106)은 전후측 단부에 각각 베어링(121,122)들이 배치되어 지지된다. 상기 후단 유성기어(105)들은 태양기어(107)에 외접하여 치합되어 있고, 상기 태양기어(107)는 유연축부(108)를 통하여 경한 출력축(109)에 일체로 연결되며, 상기 출력축(109)은 두개의 축베어링(123,124)들에 의해 지지되어 미도시된 발전기의 로터축에 일체로 연결되어 바람에 의한 회전력이 입력축, 링기어, 전후단의 유성기어들과 태양기어를 통해 발전기의 로터축으로 전달되어 발전하게 된다.

본 명세서에서 사용한 유성기어장치는 단지 유성기어들만을 지칭하는 것이 아니고 복수의 유성기어들과 태양기어가 결합된 기어장치를 지칭하는 것으로 이해되어야 함을 밝혀둔다.

본 발명에 따른 유성기어장치에서는 도 1의 종래 유성기어장치와 링기어에 내접하여 치합된 4개의 전단 유성기어와, 전단 유성기어들에 각각 연결된 후단 유성기어들과 치합된 태양기어의 배열 구조 자체는 동일하지만, 이와 구조상 차이점은 4개의 대향 배치되는 전단 유성기어들 각각은 후단 유성기어를 지지하는 각각의 경한 유성기어축(106)들에 유연축부(104)에 의해 연결되어 있음과, 각각의 후단 유성기어의 경한 유성기어축(106)만 전후 양단부에서 베어링에 의해 지지되는 점 및태양기어(107) 또한 유연축부(108)에 의해 출력축(109)에 연결되어 있는 점에서 차이가 있고, 이로써 전단 유성기어(102)들은 경한 유성기어축(106)에 대하여 그리고 태양기어(107)는 경한 출력축(109)에 대하여 가요성의 유연축부(104,108)를 통하여 연결됨으로써 마치 외팔보와 같이 전단 유성기어와 태양기어에 작용하는 하중에 의해 굽힘성 또는 가요성을 갖게 될 수 있고, 이로써 기어와 축의 제작시 공차와 조립 위치의 오차로 인하여 전단 유성기어와 태양기어에 작용하게 되는 하중에 따라 순응하여 탄성 변형될 수 있게 되어 그러한 오차를 수용할 수 있게 된다.

도 5의 좌측부분에서 볼 수 있듯이, 링기어(102)에 대향되게 내접하여 치합되는 4개의 전단 유성기어(103-1, 103-2, 103-3, 103-4)들이 이론적인 설계와 같이 제작되고 이상적으로 조립된 경우에는 화살표로 표시한 바와 같이 동일한 치합하중을 받게 되지만, 실제로는 제조상의 허용 공차와 조립상의 오차로 인하여 도 2의 우측부분에서 예를들어 유성기어(103-2)(3-3)들에서 조립오차가 발생되는 경우 증대된 치합하중은 유성기어(102)가 연결된 가요성의 유연축부(104)의 탄성 변형에 의해 흡수되고 유성기어(103-2)는 점선의 위치에서 실선의 위치로 변화되며, 유성기어(103-3)의 치합하중은 감소하게 된다. 따라서, 전단 유성기어들에서 조립오차가 발생되더라도 그에 의한 치합하중의 증가분은 가요성의 유연축부(104)에서의 탄성변형으로 흡수되어 전체적으로 4개의 전단 유성기어들에서 후단 유성기어들의 축으로 전달되는 하중은 도 2의 기존 기어박스의 하중분산에 비해 도 5의 우측에서 같은 크기의 화살표로 표시된 바와 같이 하중분산이 향상된다.

도 6의 좌측부분에서 후단 유성기어(105-1, 105-2, 105-3, 105-4)들이 외접하는 태양기어(107)에 이상적으로 조립되는 경우에 후단 유성기어들에 의해 태양기어에 작용하게 되는 하중은 동일하지만, 도 6의 우측부분과 도 7에서 표시된 바와같이 후단 유성기어(105-2,105-3)가 조립위치의 오차가 발생되는 경우에 점선으로 표시된 태양기어(107)의 위치에서 치합하중에 의해 유연축부(108)의 탄성변형에 의해 태양기어가 실선으로 표시된 위치로 이동하게 되고 도 3의 기존 기어박스에 비해 화살표로 표시된 바와같이 균일한 하중 분산효과를 얻게 된다.

상기한 전단 유성기어들과 후단 유성기어들 각각을 연결하는 부분에 탄성변형의 가요성의 유연축부를 형성하고, 후단 유성기어들과 치합하는 태양기어와 출력축을 연결하는 부분에 탄성변형의 가요성을 갖는 유연축부를 형성함으로써 후단 유성기어 또는 태양기어의 조립오차에 의한 치합하중을 유연축부의 탄성변형으로 흡수하여 전체적으로 축 하중 분산 효과를 갖게 된다.

상기한 유연축부의 가요성, 즉 탄성변형 정도는 발전용량에 따른 유성기어장치의 크기와, 유성기어와 태양기어의 조립시 오차에 따라 축에 작용하는 치합하중의 크기등을 감안하여 설계되어야 하며, 이러한 탄성변형을 위하여 유연축부의 재질과 유성기어의 축과 발전기의 로터 축에 비하여 직경을 감안하여 유연축부의 직경 감소율의 선택 및 중공부를 형성하는 등의 형상으로 적정하게 설계함으로써 조립오차에 의한 치합하중 증대를 탄성변형으로 수용할 수 있으며, 이러한 것은 단순 설계사항으로 당업자에 의해 용이하게 실시될 수 있을 것이다.

본 발명은 유성기어장치에서의 조립오차에 따른 치합하중의 증대에 따른 축 직경을 증대시키지 않고도 전단 유성기어와 후단 유성기어를 연결하는 축 부분에 조립오차에 따른 치합하중 증대를 탄성변형으로 흡수하여 전체적으로 축하중이 분산되도록 가요성을 갖는 유연축부를 적용함으로써 예를들어 풍력발전기의 대형화, 경량화를 위하여 적용할 수 있다.

101 : 입력축 102 : 링기어
103 : 전단 유성기어 104, 108 : 유연축부
105 : 후단 유성기어 106 : (유성기어) 축
107 : 태양기어 109 : 출력축
121.122 : (유성기어) 축 베어링
123,124 : (태양기어) 축 베어링

Claims (3)

1. 풍력발전기의 프로펠라가 장착된 주축으로서의 입력축(101)에 결합된 링기어(102) 내측에 복수개의 전단 유성기어(103)들이 링기어와 함께 회전하도록 치합되어 있고, 후단 유성기어(105)들은 태양기어(107)에 외접하여 치합되어 있고, 상기 태양기어(107)는 출력축(109)에 일체로 연결되며, 상기 출력축(109)은 발전기의 로터축에 일체로 연결되어 바람에 의한 회전력을 통해 발전기의 로터축으로 전달되어 발전하도록 구성되는 풍력발전기용 유성기어장치에 있어서,
   상기 전단 유성기어(103)와 링기어(102)의 조립오차에 따라 증대되는 치합하중을 탄성변형으로 흡수하여 감소시키도록 상기 각각의 유성기어(103)들은 가요성의 유연축부(104)를 통하여 후단 유성기어(105)들이 장착된 상대적으로 경한 유성기어축(106)과 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 유성기어장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 후단 유성기어(105)와 태양기어(107)의 조립오차에 따라 증대되는 치합하중을 탄성변형으로 흡수하여 감소시키도록 상기 태양기어(107)는 가요성의 유연축부(108)를 통하여 상대적으로 경한 출력축(109)에 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 유성기어장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 후단 유성기어를 지지하는 경한 유성기어축(106)은 전후측 단부에 각각 베어링(121,122)들이 배치되어 지지되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 유성기어장치.

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