KR100966929B1

KR100966929B1 - 리니어 모터 및 리니어 모터 컴프레서

Info

Publication number: KR100966929B1
Application number: KR1020030051536A
Authority: KR
Inventors: 고바야시마사노리; 기타이치로; 모리타이치로; 이나가키고; 이노우에아키라
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2010-06-29
Also published as: KR20040010400A; JP2004064852A; US20040066097A1; CN1288827C; CN1476152A; US6879064B2

Abstract

본 발명의 리니어 모터는, 자성 재료 박판의 적층 코어와, 코일(29)을 갖는 아우터 요크(21); 자성 재료 박판의 적층 코어와, 상기 적층 코어에 고착된 영구 자석(40,41)을 갖는 이너 요크(30); 및 이너 요크(30)에 고정된 출력축(52)을 구비한다.

Description

리니어 모터 및 리니어 모터 컴프레서{LINEAR MOTOR AND LINEAR MOTOR COMPRESSOR}

도1은, 본 발명의 리니어 모터의 단면도,

도2는, 도1의 A-A선에서 본 단면도,

도3은, 본 발명의 리니어 모터 컴프레서의 단면도,

도4는, 종래의 리니어 모터의 단면도,

도5는, 도4의 C-C선에서 본 단면도.

본 발명은, 리니어 모터에 관한 것이다.

도4는, 일본국 특개평11-313476호 공보에 기재되어 있는 종래의 리니어 모터의 단면도이다. 도5는, 도4의 C-C선에서 본 단면도이다.

이너(inner) 요크(1)는, 대략 직사각형 형상의 투자율이 높은 박판(2)을 다수 적층하여 각기둥 형상으로 형성된다. 아우터(outer) 요크(3)는, 슬롯(5,6)을 갖는 투자율이 높은 박판(2)을 다수 적층하여 각기둥 형상으로 형성된다. 코일(10)이 중앙의 자극(8) 주위에 감겨 3개의 자극(7,8,9)을 형성한다. 이너 요크(1)와 아우터 요크(3)는, 소정의 공극(12)을 두고 요크 블록(11)상에 고정된다.

가동부(14)는, 공극(12) 안에 배치된 한 쌍의 영구 자석(15,16), 영구 자석 지지체(17), 출력축(18)으로 구성된다. 영구 자석(15,16)은, 서로 다른 극성으로, 아우터 요크(3)와 대면하는 방향으로 자화(磁化)된다.

베어링(19)은, 출력축(18)을 축방향으로 왕복 움직임이 가능하게 하지만, 회전을 규제하여 지지한다.

코일(10)에 교류 전류를 통전하면, 아우터 요크(3)의 자극(7,8,9)에 N-S-N 또는 S-N-S로 교류 자극이 발생한다. 이 교류 자극과 영구 자석(15,16)과의 자기적 흡인, 반발 작용에 의해, 가동부(14)는 축방향으로 왕복 운동한다.

그러나 상기 종래의 구성에서는, 영구 자석(15,16)은 영구 자석 지지체(17)에 지지되는 것뿐이므로, 가동부(14)는 영구 자석에 가해지는 자기적인 힘에 의해서 변형될 가능성이 있다. 또한, 영구 자석의 양측에 공극이 있으므로, 영구 자석의 자속은 감소한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 리니어 모터는, 모두 자성 재료 박판의 적층으로 형성되는 아우터 요크와 이너 요크를 구비한다. 아우터 요크는 리니어 모터의 고정부를 구성한다. 이너 요크는 출력축에 고정되어 리니어 모터의 가동부를 구성하고, 영구 자석은 이너 요크에 고착된다.

출력축에 고정된 이너 요크는 높은 강성을 갖는다. 따라서, 영구 자석의 흡인력이나 왕복 운동시의 추력이나 관성력에 의해서, 가동부가 변형하지 않는다. 이것에 의해 다음의 장점이 초래된다.

(1)가동부와 고정부 사이의 스침이나 충돌이 방지되므로, 신뢰성이 향상된다.

(2)이너 요크와 아우터 요크 사이의 공극을 줄일 수 있으므로, 영구 자석의 자속이 증가하고, 모터 효율이 향상된다. 영구 자석의 치수의 소형화도 가능하다. 이것은 리니어 모터의 소형화, 저비용화로 이어진다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 관하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 또, 종래와 동일 구성에 관해서는, 동일 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.

(제1 실시예)

도1은 본 발명의 실시 형태1의 리니어 모터의 단면도이다. 도2는 도1의 A-A선에서 본 단면도이다.

아우터 요크(21)는, 슬롯(24,25)을 갖는 투자율이 높은 박판(22)을 다수 적층하여 각기둥 형상으로 형성된다. 코일(29)이 중앙의 자극(27)의 주위에 감겨 3개의 자극(26,27,28)을 형성한다. 이너 요크(30)는, 투자율이 높은 박판(31)을 다수 적층하여 각기둥 형상으로 형성된다. 박판(31)은 표면에 절연 피막이 행해지고, 포화 자속 밀도가 높고, 철손이 낮은 특성을 갖는 재료가 바람직하다. 아우터 요크(21)의 박판(22)과 이너 요크(30)의 박판(31)은 모두, 적층면이 영구 자석의 자력선에 따르도록 적층된다.

한 쌍의 평판 형상의 영구 자석(40,41)은, 아우터 요크(21)와 대면하는 방향 으로, 서로 다른 극성으로 자화된다. 영구 자석(40,41)은, 보자력이 큰 Nd-Fe-B계의 희토류 자석 등이 바람직하다.

베이스(50)는, 아우터 요크(21)를 고정한다. 베이스(50)에 설치된 베어링(51)은, 출력축(52)을 축방향으로 왕복 운동 가능하게 하지만, 회전을 규제하여 지지한다. 이너 요크(30)나 아우터 요크(21)에 접촉하는 베이스(50) 및 출력축(52)은 어느 것도, 철에 비해 충분히 전기 저항이 크고, 비자성인 스테인레스 등의 재료로 형성되어, 이너 요크(30)나 아우터 요크(21)의 자로(磁路)에 악영향을 주지 않는다.

아우터 요크(21)는, 리니어 모터의 고정부의 주요부를 구성한다. 리니어 모터의 가동부(60)는, 이너 요크(30), 영구 자석(40,41), 및 출력축(52)을 구비한다. 이너 요크(30)는, 아우터 요크(21)의 표면에 대하여 소정의 공극(61)을 두고 배치된다. 평판 형상의 영구 자석(40,41)이 이너 요크(30)의 표면에 고착되어, 이너 요크(30)는 출력축(52)에 고정된다. 자속(62)이 영구 자석(40,41)으로부터 발생한다. 평판 형상의 영구 자석(40,41)과 이너 요크(30)는 평면끼리 고착하므로 고착은 용이하다. 또한, 평판 형상의 영구 자석(40,41)은 제조가 용이하다.

여기에서, 1조의 아우터 요크와 이너 요크를 리니어 모터 조립(어셈블리)이라고 지칭한다. 도1, 2의 리니어 모터는, 2개의 리니어 모터 조립(70, 71)을 갖는다. 2개의 리니어 모터 조립의 이너 요크는 모두, 공유 출력축(52)에 고정된다. 제1 리니어 모터 조립(70)은, 아우터 요크(21), 영구 자석(40,41), 및 이너 요크(30)를 구비한다. 제2 리니어 모터 조립(71)은, 제1 리니어 모터 조립(70)과 같은 구성을 갖고, 출력축(52)에 관해서 제1의 리니어 모터 조립(70)과 대칭되는 위치에 배치된다. 제1 리니어 모터 조립(70)의 영구 자석(40,41)은, 아우터 요크(21)에 자기적으로 흡인되므로, 출력축(52)은 아우터 요크(21)의 방향으로 흡인된다. 그러나, 제2 리니어 모터 조립(71)이, 출력축(52)에 관하여 대칭의 위치에 배치되므로, 상기 흡인력과 같은 크기로 방향이 역 방향인 흡인력이 출력축(52)에 작용하고, 2개의 흡인력은 서로 상쇄된다. 즉, 2개 이상의 리니어 모터 조립은, 출력축에 걸리는 횡방향의 자기 흡인력을 서로 상쇄하도록, 동일한 각도 위치에 배치된다.

이상과 같이 구성된 리니어 모터에 관하여, 이하 그 동작을 설명한다.

(1)도1에 도시하는 바와 같이, 자속(62)이 영구 자석(40,41)으로부터 발생하고, 공극(61)에 정자계가 형성된다.

(2)아우터 요크(21)의 중앙의 자극(27) 주위에 감겨 있는 코일(29)에 교류 전류가 공급되어, 아우터 요크(21)의 자극(26,27,28)에 교류 자극이 발생한다.

(3)아우터 요크(21)의 교류 자극과 영구 자석(40,41)과의 자기적 흡인, 반발에 의해, 교류 전류와 영구 자석의 자속 밀도에 비례한 추력이 발생하여, 가동부(60)는 교류 전류의 주파수에 동기하여 왕복 운동한다.

이너 요크(30)의 표면에 고착된 영구 자석(40,41)을 구비하는 가동부(60)는 높은 강성을 갖는다. 그러므로, 영구 자석의 흡인력이나, 왕복 운동 시의 추력이나 관성력에 의해서 가동부(60)가 변형, 파손되지 않는다. 이에 따라 다음 장점이 초래된다.

본 실시의 형태에서는 이너 요크를 가동부, 아우터 요크를 고정부로서 구성하였지만, 이너 요크를 고정부, 아우터 요크를 가동부로서 구성하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 아우터 요크의 자극수가 3개일 경우로 설명하였지만, 자극수가 4개 이상으로, 2개 이상의 자극에 코일을 감는 구성의 경우에 있어서도 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 실시의 형태에서 이용하는 아우터 요크(21)는, 코일(29)을 중앙의 자극(27) 주위에 감아 형성하므로, 박판을 출력축에 대하여 방사 형상으로 쌓아 아우터 요크를 형성하는 방식의 리니어 모터와 비교하여, 조립이 용이하다.

(제2 실시예)

도3은 본 발명의 실시 형태2의 리니어 모터 컴프레서의 종단면도이다. 리니어 모터(80)의 구성은 실시 형태1에 기재되어 있다.

컴프레서 기구(81)는, 출력축(52)에 고정된 피스톤(82), 피스톤(82)과 왕복 운동이 가능하게 맞춰진 베이스(50)에 고정된 실린더(83), 및 실린더(83)에 고정된 실린더 헤드(84)를 구비한다. 컴프레서 기구(81)는, 피스톤(82)과 실린더(83) 사 이의 접동부(85),및 피스톤(82), 실린더(83)와 실린더 헤드(84)로 구성되는 압축실(86)을 더 구비한다.

공진 용수철(87)은, 일단이 용수철 케이스(87a)를 통해 아우터 요크(3)나 실린더(83)등을 포함하는 고정부(88)에 장착되고, 타단이 출력축(56)이나 피스톤(82) 등을 포함하는 가동부(89)에 장착된다. 공진 용수철(87)은, 고정부(88) 및 가동부(89)의 질량과, 공진 용수철(87)의 용수철 상수로 결정되는 공진 주파수가 리니어 모터(80)의 구동 주파수와 거의 일치되도록 조정된다.

이상과 같이 구성된 리니어 모터 컴프레서에 관하여, 이하 그 동작을 설명한다.

리니어 모터(80)에 교류 전류가 공급되면, 가동부(89)는 고정부(88)에 대하여 왕복 운동하고, 압축실(86) 내에 흡입된 냉매 가스를 순차적으로 압축하고, 외부의 냉동 사이클로 토출한다. 이 때, 가동부(89)가 중립 위치에서, 상사점 또는 하사점 방향으로 이동하면, 공진 용수철(87)의 변형이 커지고, 가동부(89)에는 역 방향의 가속도가 작용한다. 그리고, 상사점, 하사점에서 가동부(89)의 속도는 0이 되지만, 공진 용수철에 비축되는 에너지는 최대가 된다. 그리고 가동부(89)가 다시 중립 위치로 되돌아갈 때에는, 공진 용수철(87)의 변형은 서서히 작아지고, 이에 따라 공진 용수철에 비축된 에너지는, 가동부(89)의 속도로서 회수된다.

여기에서, 전원의 주파수를, 고정부(88) 및 가동부(89)의 질량과, 공진 용수철(87)의 용수철 상수로 결정되는 공진 주파수와 거의 일치시키고 있어서, 가동부(89)의 변위와 공진 용수철(87)로부터의 가속도의 주기가 동기되고, 그 결과 에너지 손실은 작게 억제되어, 가동부(89)를 효율적으로 왕복 운동시킬 수 있게 된다.

또한 이 때, 실린더(83) 안의 피스톤(82)은, 접동부(85)에서 고속 접동하지만, 리니어 모터(80) 안에서 사용되고 있는 영구 자석(40,41) 및 이너 요크의 강성이 높고, 흡인력도 밸런스가 맞춰지고 있기 때문에 출력축(52)의 변형이나 축방향 이외의 작용력은 발생하지 않는다. 따라서, 실린더(83) 안의 출력축(52)과 같은 축 상에 고정된 피스톤(82)은, 접동부(85)에 있어서, 이상한 비틀림이 생기지 않고 왕복 접동 할 수 있게 된다. 따라서, 컴프레서 기구부의 접동부 마찰을 저감할 수 있고, 접동부의 과도한 발열이나 마모의 증대에 의한 신뢰성 저하나, 접동 손실 증대에 따르는 효율 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 의하여 가동부와 고정부 사이의 스침이나 충돌이 방지되므로, 신뢰성이 향상되고, 이너 요크와 아우터 요크 사이의 공극을 줄일 수 있으므로, 영구 자석의 자속이 증가하고, 모터 효율이 향상된다. 그리고, 영구 자석의 치수의 소형화도 가능하여 리니어 모터의 소형화, 저비용화로 이어진다.

또한, 본 발명에 의하여 컴프레서 기구부의 접동부 마찰을 저감할 수 있고, 접동부의 과도한 발열이나 마모의 증대에 의한 신뢰성 저하나, 접동 손실 증대에 따르는 효율 저하를 방지할 수 있다.

Claims

다수의 슬롯을 갖는 자성 재료 박판의 적층 코어와 슬롯 내에 감긴 코일을 갖는 아우터 요크로서, 상기 코일에 통전하면 적어도 3개의 자극이 아우터 요크의 면상에 발생하고, 리니어 모터의 고정부를 구성하는 아우터 요크;

자성 재료 박판의 적층 코어와 상기 적층 코어에 고착된 영구 자석을 갖는 이너 요크로서, 소정의 공극을 두고 아우터 요크와 대면 배치되는 이너 요크; 및

출력축으로서, 이너 요크는 출력축에 고정되어 리니어 모터의 가동부를 구성하는 출력축을 구비하고,

상기 이너 요크의 적층 코어에 고착된 영구 자석은 평판 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
삭제
제1항에 있어서,

적어도 2개의 리니어 모터 조립이, 공유 출력축 주위에 등각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제1항에 있어서,

출력축과, 아우터 요크에 접촉하는 리니어 모터 고정부 중, 적어도 한쪽은 비자성 재료인 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
제1항에 기재된 리니어 모터;

실린더와 피스톤을 구비하는 컴프레서 기구로서, 상기 실린더는 리니어 모터의 고정부에 장착되어, 리니어 모터 컴프레서의 고정부를 구성하고, 상기 피스톤은 리니어 모터의 출력축에 연결되어, 리니어 모터 컴프레서의 가동부를 구성하는 컴프레서 기구; 및

리니어 모터 컴프레서의 고정부와 가동부 사이에 장착된 공진 용수철을 구비하는 리니어 모터 컴프레서로서,

리니어 모터 컴프레서의 고정부와 가동부의 질량과, 공진 용수철의 용수철 상수로 결정되는 공진 주파수 근방에서 구동되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 컴프레서.