KR100207992B1

KR100207992B1 - 선형 전동기 및 그 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기

Info

Publication number: KR100207992B1
Application number: KR1019970019368A
Authority: KR
Inventors: 김경돈; 현동석; 윤상백
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 1999-07-15
Also published as: KR19980083884A; JPH10336994A; CN1199951A

Abstract

본 발명은 왕복동형 압축기의 구동원으로 사용되는 선형 전동기(linear motor) 및 그 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기에 관한 것으로, 내측 중간부에 티스(teeth)가 형성되고 그 티스를 중심으로 양측에 코어 슬로트(core slot)가 각각 형성된 아웃터 코어(outer core)와, 상기 아웃터 코어의 양 코어 슬로트에 각각 권선되는 제1, 2코일(coil)과, 상기 티스에 아웃터 코어의 내측면과 동일한 폭으로 고정되는 마그네트(magnet)와, 상기 아웃터 코어의 내부에 아웃터 코어 및 티스와 소정의 간극이 유지되도록 지지되고 축 중심선을 따라 왕복이동되는 이동자(mover)인 인너 코어(inner core)를 포함하여 구성하여, 자속의 루프(loof)가 1쌍의 공극만을 갖도록 하여 자속 누설을 방지함으로써 선형 전동기의 고효율을 실현하고, 공극수의 감소에 따른 조립성을 향상시킴과 아울러 신뢰성의 향상에 기여하며, 또한 그 선형 전동기를 왕복동형 압축기에 적용하여 왕복동형 압축기의 전체적인 성능 및 생산성 향상에 크게 기여하도록 한 것이다.

Description

선형 전동기 및 그 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기

본 발명은 왕복동형 압축기(linear compressor)의 구동원으로 사용되는 선형 전동기(linear motor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자속의 루프(loof)가 1쌍의 공극만을 갖도록 하여 자속 누설을 방지함으로써 고효율을 실현하고, 공극수의 감소에 따른 조립성을 향상시킴과 아울러 신뢰성의 향상에 기여할 수 있게 한 선형 전동기 및 그 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기에 관한 것이다.

제1도는 무빙 마그네트 타입(moving magnet type)의 선형 전동기가 적용된 일반적인 왕복동형 압축기의 구성을 보인 측단면도로서, 그 전체적인 구성을 살펴보면, 소정의 형상을 갖는 밀폐 용기(1)와, 상기 밀폐 용기(1)의 내부에 바닥면으로부터 소정의 높이를 두고 설치되는 플랜지(2)와, 상기 플랜지(2)의 내부에 설치되는 실린더(3)와, 상기 플랜지(2)의 내주면에 고정되는 아웃터 코어(outer core)(4)와, 상기 아웃터 코어(4)의 내부에 건선되는 코일(coil)(5)과, 상기 실린더(3)의 외주면에 아웃터 코어(4) 및 코일(5)와 소정의 간격이 유지되도록 고저되는 인너코어(inner core)(6)와, 상기 플랜지(2)의 하측에 고정 설치되는 피스톤 스프링(7)과, 상기 피스톤 스프링(7)의 중앙부에 고정되는 피스톤 홀더(8)와, 상기 피스톤 홀더(8)의 내측 중앙부에 고정되어 실린더(3)의 내부에서 직선 왕복 이동하는 피스톤(9)과, 상기 피스톤 홀더(8)의 외주연부에 고정되어 아웃터 코어(4) 및 인너 코어(6)의 사이에서 피스톤 홀더(8) 및 피스톤(9)과 함께 상하 방향으로 직선 왕복운동하는 마그네트(10)('이동자(mover)'라고도 함)와, 상기 피스톤 스프링(7)과 밀폐 용기(1)의 사이에 연결 설치되어 피스톤 스프링(7)을 탄력 지지하는 수개의 마운팅 스프링(11), 상기 플랜지(2)의 일측면 중간부에 고정 설치되는 밸브 조립체(12)와, 상기 밸브 조립체(12)의 양측에 설치되는 흡입측 소음기(13) 및 토출측 소음기(14)로 구성되어 있다.

상기와 같은 왕복동형 압축기에 적용되는 무빙 마그네트 타입의 선형 전동기는, 제2도 및 제3도에 도시한 바와 같이, 이동자(mover)를 마그네트(10)로 하면서 인너 코어(6)와 아웃터 코어(4)의 사이를 움직이는 공극(C1)(C2)이 두개인 구조이다.

상기 아웃터 코어(4)는 전동기 축중심선을 기준으로 방사형으로 적층되어 있으며, 인너 코어(6)도 전동기 축중심선을 기준으로 방사형으로 적층되어 있다.

또한, 상기 마그네트(10)는 전동기 축중심선을 기준으로 내측 및 외측이 동일 극성을 가지고 있다.

제2도 및 제3도에서 B는 자속 밀도, F는 힘(FORCE)를 각각 보인 것이다.

상기와 같은 일반적인 무빙 마그네트 타입 선형 전동기기 적용된 왕복동형 압축기는, 코일(5)에 흐르는 전류와, 아웃터 코어(4)와 인너 코어(6)의 사이에서 직선 왕복 이동되는 마그네트(10)의 자속에 의한 상호 작용과, 피스톤 스프링(7)의 관성 에너지 및 탄성 에너지에 의하여 피스톤(9)이 실린더(3)의 내부에서 상항 방향으로 지속적인 진선 왕복 운동을 하면서 냉매를 흡입하고, 압축한 후, 토출시키는 동작을 반복적으로 수행하게 된다.

상기 코일(5)에 흐르는 전류와, 마그네트(10)의 자속에 의한 선형 전동기의 작용을 상세하게 설명하면, 아웃터 코어(4)에 권선된 코일(5)에 교류 전원을 인가함에 따라 마그네트(10)가 구비된 피스톤 홀더(8)가 상하 방향으로 직선 왕복 운동을 하게 된다.

즉, 코일(5)의 전류 방향이 나오는 방향이고, 마그네트(10)의 자속 방향이 축중심을 향하는 방향이면, 제2a도 내지 제2c도에 도시한 바와 같이, 아웃터 코어(4)로부터 나오는 자속의 패스(path)가 공극(C1)→ 마그네트(10)→공극(C2)→인너 코어(6)→마그네트(10)→공극(C1)→아웃터 코어(4)에 들어가게 되므로 마그네트(10)는 릴럭턴스(reluctance)가 작은 하방향으로 이동하게 된다.

한편, 상기 코일(5)에 흐르는 전류는 교류이므로 전류의 방향이 들어가는 방향으로 바뀌게 되면, 제3도의 a내지 c에 도시한 바와 같이, 아웃터 코어(4)에 흐르는 자속 방향이 바뀌게 되고, 마그네트(10)의 자속 방향으로 릴럭턴스가 상측이 작게 됨으로써 마그네트(10)가 상방향으로 이동하게 된다.

상기와 같이, 코일(5)의 교류가 교번되게 흐르게 되어, 힘도 상하 방향으로 교번되게 작용하게 되며, 따라서 마그네트(10)가 구비된 피스톤 홀더(8)의 지속적인 직선 왕복 이동으로 선형 전동기의 제기능을 수행하게 된다.

그러나, 상기와 같은 일반적인 무빙 마그네트 타입의 선형 전동기에 있어서는, 자속의 패스를 살펴보면, 자속의 루프가 항상 2개의 공극쌍을 갖고 있으므로 자속 누설이 심하게 발생되고, 이는 선형 전동기의 효율을 저하시키는 요인으로 작용하는 단점이 있었으며, 또한 공극(C1)(C2)이 2개로서 조립성이 저하될 뿐만 아니라, 선형 전동기의 신뢰성을 저하시키는 등의 여러 문제점이 있었다.

본 발명의 주 목적은 자속의 루프가 1쌍의 공극만을 갖도록 하여 자속 누설을 방지함으로써 선형 전동기의 고효율을 실현할 수 있도록 한 선형 전동기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 공극수의 감소에 따른 조립성을 항샹시킴과 아울러 신뢰성의 향상에 기여할 수 있도록 한 선형 전동기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 목적으로 제조된 선형 전동기를 왕복 동형 압축기에 적용하여 그 전체적인 성능 및 생산성 향상을 향상시킬 수 있도록 한 왕복동형 압축기를 제공함에 있다.

제1도는 기존의 무빙 마그네트 타입 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기의 구성을 보인 측단면도.

제2도 및 제3a도 내지 제3c도는 기존의 무빙 마그네트 타입 선형 전동기의 작용을 설명하기 위한 것으로,

제2a도 내지 제2c도는 이동자의 하강 상태를 설명하기 위한 작용도.

제3a도 내지 제3c도는 이동자의 상승 상태를 설명하기 위한 작용도.

제4도는 본 발명의 무빙 아이론 타입 선형 전동기의 주요부 구성을 보인 반단면도.

제5도 및 제6a도 내지 제6c도는 본 발명에 의한 무빙 아이론 타입 선형 전동기의 작용을 설명하기 위한 것으로,

제5a도 내지 제5c도는 이동자의 하강 상태를 설명하기 위한 작용도.

제6a도 내지 제6c도는 이동자의 상승 상태를 설명하기 위한 작용도.

제7도는 본 발명의 무빙 아이론 타입 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기의 구성을 보인 측단면도.

제8도는 본 발명에 의한 선형 전동기의 인가성 전압에 따른 전류 및 변위 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 티스 22, 23 : 코어 슬로트

24 : 아웃터 코어 25, 26 : 제1, 2코일

27 : 마그네트 28 : 축 중심선

29 : 인너 코어 30 : 기준선

31 : 밀폐 용기 32 : 플랜지

33 : 실린더 34 : 피스톤 스프링

35 : 피스톤 홀더 36 : 피스톤

37 : 마운팅 스프링 38 : 밸브 조립체

39 : 흡입측 소음기 40 : 토출측 소음기

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 내측 중간부에 티스가 형성되고, 그 이스를 중심으로 양측에 코어 슬로트가 각각 형성된 아웃터 코어와, 상기 아웃터 코어의 양 코어 슬로트에 각각 권던되는 제1, 2코일과, 상기 티스에 아웃터 코어의 내측면에 동일한 폭으로 고정되는 마그네트와, 상기 아웃터 코어의 내부에 아웃터 코어 및 티스와 소정의 간즉이 유지되도록 지지되고 축 중심선을 따라 왕복 이동되는 이동자인 인너 코어를 포함하여 구성은 것을 특징으로 하는 선형 전동기와, 그 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 선형 전동기 및 그 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기를 첨부 도면에 도시한 실시예에 따라서 설명하면 다음과 같다.

제4도는 본 발명의 무빙 아이론 타입(moving iron type) 선형 전동기의 주요부 구성을 보인 반단면도로서, 이에 도시한 바와 같이, 본발명에 의한 선형 전동기는, 내측 중간부에 티스(teeth)(21)가 형성되고 그 티스(21)를 중심으로 양측에 코어 슬로트(core slot)(22)(23)가 각각 형성되어 전동기 몸체의 소정 부위에 고정되는 아웃터 코어(24)와, 상기 아웃터 코어(24)의 양 코어 슬로트(22)(23)에 각각 권선되는 제1, 2코일(25)(26)과, 상기 티스(21)에 아웃터 코어(24)의 내측면과 동일한 폭으로 고정는 마그네트(27)와, 상기 아웃터 코어(24)의 내부에 아웃터 코어(24) 및 티스(21)와 소정의 간극(C)이 유지되도록 지지되어 축 중심선(28)를 따라 왕복 이동되는 이동자(mover)인 인너 코어(29)를 포함하여 구성한 것이다.

상기 아웃터 코어(24)는 전기강판 재질로서, 선형 전동기의 축 중심선(28)을 기준으로 동심을 이루며 방사형으로 적층되어 있으며, 상기 아웃터 코어(24)의 티스(21) 부분은 릴럭턴스 힘(reluctance force)을 보다 용이하게 이용할 수 있도록 제1, 2코일(25)(26)을 감싸는 구조로 형성되어 있다.

상기 아웃터 코어(24)의 코어 슬로트(22)(23)에는 제1, 2코일(25)(26)가 선형 전동기의 축 중심선(28)을 중심으로 아웃터 코어(24)의 적층 방향과 수직되게 권선되어 있으며, 동일한 방향의 교변 전류를 흐르도록 구성되어 있다.

상기 마그네트(27)는 축 중심선(28)을 중심으로 링(ring) 형상으로 형성되어 아웃터 코어(24)의 티스(21)에 고정되어 있으며, 내측, 또는 외측이 동일 극성을 띠는 구조로 되어 있다. 즉, 마그네트(27)의 극성은 축 중심선(28)의 측면으로는 동일 극이 되도록 구성되어 있다.

상기 인너 코어(29)는 전기강판 재질로서, 선형 전동기의 축 중심선(28)을 기준으로 동심을 이루며 방사형으로 적층되어 있으며, 축방향의 길이가 릴럭턴스힘을 보다 용이하게 사용하도록 아웃터 코어(24)의 축길이에 비하여 짧게 형성되어 있다.

도면중 미설명 부호 30은 아웃터 코어(24)의 중심선을 보인 것이며, 종래의 기술 구성과 동일한 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하였다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 선형 전동기는, 아웃터 코어(24)에 자속이 흐를 때, 이동자인 인너 코어(29)와 릴럭턴스(자기 저항)의 차이에 의한 구동방식을 적용한 것으로, 그 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

제6a도에 도시한 바와 같이, 아웃터 코어(24)의 코어 슬로트(22)(23)에 각각 권선된 제1, 2코일(25)(26)에 전류를 동일한 방향, 즉 전류가 나오는 방향으로 인가함에 따라 아웃터 코어(24)에 자속이 생성된다. 이 때, 마그네트(27)의 자극 방향에 따라 자속의 자로는 도면에 도시한 바와 같으며, 따라서 아웃터 코어(24)와 인너 코어(29)의 릴럭턴스 차이로, 즉 아웃터 코어(24)에서 나오는 자속 크기와 마그네트(27)에서 나오는 자속 크기의 극중심이 아웃터 코어(24)에 들어가는 자속의 극중심보다 중심선(30)에 근접하게 되므로 이동자인 인너 코어(29)가 릴럭턴스가 작은 아래쪽으로 이옹하여, 제6b도와 같이, 이동자의 중심이 아웃터 코어(24)의 중심이 되는 위치에 오지만 릴럭턴스의 차이는 하탄부가 작기 때문에 이동자는 릴럭턴스가 작은 하단부로 이동하고, 다음 단계로 제6c도와 같이, 릴럭턴스가 작은 하단부로 더 이동하게 되는 것이다.

한편, 이동자가 목표로 하고 있는 하사점에 올 때, 제1, 2코일(25)(26)에 흐르는 전류의 방향을 들어가는 방향으로 바꾸면, 제7a도와 같이, 자속과 자로의 방향도 바뀌게 된다.

이 때는 아웃터 코어(24)와 인너 코어(29)의 릴럭턴스 차이에 따라 인너 코어(29)가 상측으로 이동하게 된다. 그 동작 순서 및 원리는 인너 코어(29)가 하강 할 때 와 동일하여, 제7b도, 제7c도와 같이, 릴럭턴스가 아웃터 코어(24)의 상단부쪽이 작기 때문에 인너 코어(29)가 상측으로 이동하게 되는 것이다.

제8도는 본 발명에 의한 선형 전동기의 인가성 전압에 따른 전류 및 변위 파형도를 보인 것으로, 이동자의 중심 위치가 아웃터 코어(24)의 중심 위치에 있을 때를 영점으로 하고, 상사점을 Dis ma, 하사점을 Dis min으로 하며, 전압을 교류 파형으로 입력할 때, 전류 파형을 보면, 전류가 0일 때에는 이동자의 변위는 상사점, 하사점이다. 즉, 전류의 방향이 바뀔 때 이동자의 운동 방향도 바뀌게 되므로 앞에서 설명한 동작원리와 일치됨을 알 수 있다.

한편, 제7도는 제4도에 도시한 본 발명의 무빙 아이론 타입 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기의 구성을 보인 측단면도로서, 그 구성을 살펴보면, 소정의 형상을 갖는 밀페 용기(31)와, 상기 밀폐 용기(31)의 내부에 바닥면으로부터 소정의 높이를 두고 설치되는 플랜지(32)와, 상기 플랜지(32)의 내부에 설치되는 실린더(33)와, 상기 플랜지(32)의 내주면에 고정되고 내측 중간부에 형성된 티스(21)의 양측에 코어 슬로트(22)(23)가 각각 형성된 아웃터 코어(24)와, 상기 아웃터 코어(24)의 양 코어 슬로터(22)(23)에 각각 권선되는 제1, 2코일(25)(26)와, 상기 티스(21)에 아웃터 코어(24)의 내측면에 동일한 폭으로 고정되는 마그네트(27)와, 상기 플랜지(32)의 하측에 고정 설치되는 피스톤 스프링(34)과, 상기 피스톤 스프링(34)의 중앙부에 고정되는 피스톤 홀더(35)와, 상기 피스톤 홀더(35)의 내측 중앙부에 고정되어 실린더(33)의 내부에서 직선 왕복 이동하는 피스톤(36)과, 피스톤 홀더(35)의 외주연부에 아웃터 코어(24) 및 티스(21)와 소정의 간극이 유지되도록 고정되어 축방향으로 왕복 이동되는 이동자인 인너 코어(29)와, 상기 피스톤 스프링(34)과 밀폐 용기(31)의 사이에 연결 설치되어 피스톤 스프링(34)을 탄력 지지하는 수개의 마운팅 스프링(37), 상기 플랜지(32)의 일측면 중간부에 고정 설치되는 밸브 조립체(38)와, 상기 밸브 조립제(38)의 양측에 설치되는 흡입측 소음기(39) 및 토출측 소음기(40)로 구성되어 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 왕복동형 압축기에 의하면, 전동기구부의 구성을 제4도에 도시한 선형 전동기로 적용함으로써 그 선형 전동기의 작용과, 피스톤 스프링(34)의 관성 에너지 및 탄성 에너지에 의하여 피스톤(36)이 실린더(33)의 내부에서 상하 방향으로 지속적인 직선 왕복 운동을 하면서 냉매를 흡입하고, 압축한 후, 토출시키는 동작을 반복적으로 수행하여 왕복동형 압축기의 제 기능을 수행하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 선형 전동기는, 내측 중간부에 티스가 형성되고 그 티스를 중심으로 양측에 코어 슬로트가 각각 형성된 아웃터 코어와, 상기 아웃터 코어의 양 코어 슬로트에 각각 권선되는 제1, 2코일과, 상기 티스에 아웃터 코어의 내측면과 동일한 폭으로 고정되는 마그네트와, 상기 아웃터 코어의 내부에 아웃터 코어 및 티스와 소정의 간극이 유지되도록 지지되고 축 중심선을 따라 왕복 이동되는 이동자인 인너 코어를 포함하여 구성하여, 자속의 루프가 1쌍의 공극만을 갖도록 하여 자속 누설을 방지함으로써 선형 전동기의 고효율을 실현하고, 공극수의 감소에 따른 조립성을 향상시킴과 아울러 신뢰성의 항상에 기여하며, 또한 그 선형 전동기를 왕복동형 압축기에 적용하여 왕복동형 압축기의 전체적인 성능 및 생산성 향상에 크게 기여하는 등의 효과가 있다.

Claims

내측 중간부에 티스가 형성되고 그 티스를 중심으로 양측에 코어 슬로트가 각각 형성된 아웃터 코어와, 상기 아웃터 코어의 양 코어 슬로트에 각각 권선되는 제1, 2코일과, 상기 티스에 아웃터 코어의 내측면과 동일한 폭으로 고정되는 마그네트와, 상기 아웃터 코어의 내부에 아웃터 코어 및 티스와 소정의 간극이 유지되도록 지지되고 축 중심선을 따라 왕복 이동되는 이동자인 인너 코어를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
제1항에 있어서, 상기 아웃터 코어는 선형 전동기의 축 중심선을 기준으로 동심을 이루며 방사형으로 적층된 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 아웃터 코어의 양측 코어 슬로트에 제1, 2코일이 선형 전동기의 축 중심선을 중심으로 아웃터 코어의 적층 방향과 수직되게 권선된 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
제3항에 있어서, 상기 제1, 2코일은 축 중심선을 기준으로 동일한 방향의 교번 전류가 흐르도록 권선된 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
제1항에 있어서, 상기 인너 코어는 선형 전동기의 축 중심선을 기준으로 동심을 이루며 방사형으로 적층된 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
제1항 있어서, 상기 인너 코어는 아웃터 코어보다 축길이가 짧게 형성된 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
소정의 형상을 갖는 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기의 내부에 바닥면으로부터 소정의 높이를 두고 설치되고 내부에 실린더가 형성된 플랜지와, 상기 플랜지의 내주면에 고정되고 내측 중간부에 형성된 티스의 양측에 코어 슬로트가 각각 형성된 아웃터 코어와, 상기 아웃터 코어의 양 코어 슬로트에 각각 권선되는 제1, 2코일과, 상기 티스에 아웃터 코어의 내측면과 동일한 폭으로 고정되는 마그네트와, 상기 플랜지의 하측에 고정 설치되는 피스톤 스프링과, 상기 피스톤 스프링의 중앙부에 고정되는 피스톤 홀더와, 상기 피스톤 홀더의 내측 중앙부에 고정되어 실린더의 내부에서 직선 왕복 이동하는 피스톤과, 피스톤 홀더의 외주연부에 아웃터 코어 및 티스와 소정의 간극이 유지되도록 고정되어 축방향으로 왕복 이동되는 이동자인 인너 코어와, 상기 피스톤 스프링을 탄력 지지하는 수개의 마운팅 스프링, 상기 플랜지의 소정 부위에 고정 설치되는 밸브 조립체 및 소음기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기.
제7항에 있어서, 상기 아웃터 코어는 선형 전동기의 축 중심선을 기준으로 동심을 이루며 방사형으로 적층된 것을 특징으로 하는 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 아웃터 코어의 양측 코어 슬로트에 제1, 2코일이 선형 전동기의 축 중심선을 중심으로 아웃터 코어의 적층 방향과 수직되게 권선된 것을 특징으로 하는 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기.
제9항에 있어서, 상기 제1, 2코일은 축 중심선을 기준으로 동일한 방향의 교변 전류가 흐르도록 권선된 것을 특징으로 하는 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기.
제7항에 있어서, 상기 인너 코어는 선형 전동기의 축 중심선을 기준으로 동심을 이루며 방사형으로 적층된 것을 특징으로 하는 선형 전동기가 적용된 앙복동형 압축기.
제7항에 있어서, 상기 인너 코어는 아웃터 코어보다 축길이가 짧게 형성된 것을 특징으로 하는 선형 전동기가 적용된 왕복동형 압축기.