KR101067550B1

KR101067550B1 - 공기 조화 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101067550B1
Application number: KR1020080069309A
Authority: KR
Inventors: 남혁; 이강욱; 하승형; 이근형
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2011-09-27
Also published as: CN101629738B; KR20100008712A; US20100017037A1; ES2628943T3; EP2146161A2; CN101629738A; EP2146161B1; EP2146161A3; US8069685B2

Abstract

본 발명은 팽창 밸브를 구비하며 서로 병렬 연결된 복수 개의 실내기 및 복수 개의 압축기를 포함하는 실외기를 포함하는 공기 조화 시스템에 있어서, 실외기에 구비되는 압축기 중 적어도 하나는, 작동 유체를 선택적으로 압축할 수 있는 복수 개의 압축 유닛을 구동하는 전동 유닛을 포함하는 용량 가변형 압축기이고, 용량 가변형 압축기의 전동 유닛은, 코일이 권선된 스테이터와 스테이터 내측에서 회전하는 로터를 구비하고, 로터는 로터 코어, 플럭스 배리어, 영구 자석 및 도체바를 포함하는 자기 시동형 모터인 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

공기 조화 시스템, LSPRM, 용량 가변형 압축기, 멀티 에어컨

Description

공기 조화 시스템 및 그 제어 방법{AIR CONDITIONING SYSTEM AND THE METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 공기 조화 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 복수 개의 실내기를 구비하는 멀티형 공기 조화 시스템으로, 실내기가 요구하는 냉력에 대응하여 실외기의 압축 부하를 조절할 수 있는 공기 조화 시스템에 관한 것이다. 또한 고가의 인버터 드라이버 대신 용량 가변형 압축기를 포함한 복수 개의 압축기를 포함한 압축기를 이용하여 작동 유체의 압축 부하를 조절할 수 있는 공기 조화 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 단상(single phase)용 유도 모터는 스테이터에 주 코일과 보조 코일을 서로 공간적으로 90。 벗어난 곳에 권선하고，전원 전압은 주 코일에 직접 가하고 보조 코일에는 커패시터와 스위치를 통하여 가한다. 그 이유는 주 코일만으로는 전압을 가해도 기동되지 않는 성질이 있기 때문이다. 따라서，상기 보조 코일 등과 같은 기동 장치를 통하여 스테이터에서 로터계를 발생시켜 로터가 기동 할 수 있도록 한다.

이러한 기동 장치는 그 종류에 따라 분상 기동형， 세이딩 코일헝， 커패시 터 기동형 또는 반발 기동형 등으로 분류된다.

이러한 기동 장치를 갖는 단상용 유도 모터의 예로 커패시터 기동형 단상 유도 모터가 도 l과 도 2에 도시되어 있다.

도 1에는 일반적인 단상 유도 모터의 스테이터와 로터가 도시되어 있으며, 도 2에는 상기 로터와 스테이터 코일의 간략한 회로가 도시되어 있다.

상기 스테이터(10)에 주 코일(12)만 권선된 경우에는 상기 스테이터(10)에서 교번자계만이 발생되어 로터(20)의 기동이 이루어지지 않는다. 따라서，상기 스테 이터에 보조 코일(14)을 권선하여 회전자계를 발생시키고，상기 회전자계에 의해서 상기 로터가 일정한 방향으로 기동되어 회전하게 된다. 즉，이러한 회전자계를 통ㅎ하여 기동토크가 발생되는 것이다.

여기서，상기 커패시터(15)는 상기 보조 코일(14)에 인가되는 전류의 위상을 지연시켜 주 코일(12)과의 상호 작용을 통하여 기동 토크를 발생시키게 역할을 수 행한다. 일단 기동되면 부하의 변동이 없는 경우 상기 보조 코일이 전원이 인가되 지않더라도 로터는 회전을 유지한다. 따라서 기동 후 일정 회전수 이상인 경우에 상기 보조 코일에는 전원이 인가되지 않아도 된다. 그러나，부하가 가변되는 경우에는 기동 토크가 필요하므로 상기 보조 코일은 항상 커패시터를 통해 전원이 공급 됨이 바람직하다.

물론， 3상 유도 모터의 경우에는 주 코일만 스테이터에 권선되는 경우에도 회전계가 발생하기 때문에 전술한 보조 코일이 스테이터에 권선될 필요가 없다. 즉，별도의 기동장치가 필요 없게 된다.

이러한 단상 유도 모터는 BLDC(brushless DC) 모터나 릴럭턴스 모터와 같이 인버터 구성을 필요로 하지 않고， 단상 상용 전원을 그대로 이용하여 기동이 가능 하기 때문에 가격 경쟁력이 우수하다는 장점을 갖는다.

도 1과 도 2를 참조하여 일반적인 단상 유도 모터에 대해서 상세히 설명한다.

상기 스테이터(10)는，내부가 중공이며，내주변을 따라 소정 각도 간격으로 배치되어 반경 방향 내측으로 돌출되는 복수개의 티스(ll) 및 l차 전류 인가시 N극 또는 S극의 극성을 갖도록 상기 티스(ll) 각각에 권선되는 주 코일(12)을 포함하여 이루어진다.

여기서， 상기 티스(11)와 주 코일(12) 사이에는 인슐레이터(미도시)가 구비 되어 상기 티스와 주 코일 사이에서 절연 기능을 수행하는 한편 주 코일이 용이하 게 권선되도록 하는 기능을 수행하게 된다.

또한， 상기 스테이터(10)는 상기 주 코일(12)과 공간적으로 소정 각도를 두 고 감겨 전류 인가시 회전자계를 형성하도록 하는 보조 코일(14)을 포함하여 이루 어진다. 물론， 상기 보조 코일도 인슐레이터를 통하여 티스(11)에 권선되며，상기 주 코일(12)과 보조 코일(14)를 통틀어 스테이터 코일 또는 코일이라고 할 수 있다.

상기 코일(12，14)은 단상 전원과 연결되며，상기 주 코일(12)과 보조 코일(14)은 서로 병렬로 연결된다. 아울러，상기 보조 코일에는 커패시터(15)가 직렬로 연결되어 있다. 그리고，도시되지는 않았지만 상기 커패시터는 스위치를 통해 선택적으로 전원과 연결될 수 있다.

상기 로터(20)는，일반적으로 농형(罷形) 로터(squirrel cage rotor )가 많이 사용되며，도 l 및 도 2에는 상기 농형 로터가 도시된 것이다.

이러한 로터(20)는 보통 중심에서 소정 반경 위치에 외주를 따라 소정 각도로 배치된 복수 개의 슬롯(21)이 형성된 강판을 적층하여 형성한다. 그리고，상기 로터는 상기 로터 코어의 슬롯(21) 내에 삽입되는 봉 형상의 도체바(22)를 포함하 며，이러한 봉 형상의 도체바는 보통 구리 또는 알루미늄 봉이 사용된다.

그리고，상기 농형 로터 코어의 양단부는 상기 도체바를 통한 전기적 단락을 이루기 위하여 엔드링(미도시，도 11 내지 도 12 참조)으로 연결되며，일반적으로 이는 알루미늄 다이캐스팅으로 형성된다. 즉，알루미늄 다이캐스팅을 통하여 상기 도체바(22)와 엔드링이 일체로 형성되며，상기 로터 코어의 상부와 하부에 각각 상 기 엔드링이 형성된다.

한편，상기 로터(20)는 중심부에 축공(24)이 형성된다. 상기 축공에는 상기 로터의 회전력을 외부로 전달하는 회전축(미도시)이 압입되어 상기 로터와 상기 회 전축은 일체로 회전하게 된다.

이러한， 단상 유도 모터는 코일에 전원이 인가되면 상기 도체바(22)에 유도 전류가 발생되고，이를 통해 발생되는 유도 토크에 의해서 회전한다. 그러나 이 경 우 상기 도체바(22)에서는 손실이 발생되는데，이를 도체바 손실이라고 한다. 따 라서 이러한 도체바 손실을 통해서 일정한 크기의 모터에 있어서 모터의 효율을 향 상시키는 데에는 일정한 한계가 있다. 그러므로 고효율을 만족시켜야 하는 모터로 서 이러한 단상 유도 모터를 사용하지 못하는 문제가 있었다.

아울러，상기 도체바 손실에 의한 로터(20)의 온도가 상승하고，이러한 온도 변화에 따른 손실의 변화가 크게 발생되는 문제도 있었다. 특히，이러한 도체바 손 실은 온도가 상승할수록 더욱 커진다. 따라서 고온에서의 모터의 효율을 향상시키 는 데에도 일정한 한계가 있었다.

한편，단상 유도 모터는 그 특성상 유도 토크를 발생시키기 위해서는 항상 동기속도보다 작은 속도로 운전하여야 한다. 왜냐하면 이론상으로 단상 유도 모터가 동기 속도에서는 토크가 영(zero)이며，회전 속도가 낮을수록 토크가 커지기 때문이다.

따라서，단상 유도 모터에서는 모터의 부하，즉 회전축에 걸리는 부하가 변동됨에 따라 회전축의 속도，다시 말하면 모터의 속도가 변하기 때문에 부하 변동 에 따른 모터의 제어가 용이하지 않은 문제가 있다.

본 발명은 공기 조화 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 복수 개의 실내기 및 하나의 실외기를 구비하며, 복수 개의 실내기를 선택적으로 작동시키고, 실내기의 작동에 따라 실외기의 압축 용량을 선택적으로 제어하는 공기 조화 시스템에 관한 것이다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 복수 개의 압축기는, 하나의 용량 가변형 압축기와 하나의 정량 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 용량 가변형 압축기의 압축 용량 및 용량 가변형 압축기와 정량 압축기의 작동 여부를 선택적으로 조절하여, 용량 가변형 압축기의 압축 용량과 정량 압축기의 압축 용량을 복수 단계로 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 일정한 용량을 가지는 압축기는, 전동 유닛으로서 유도 모터 및 자기시동형 모터 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 실외기는 자기 시동형 모터를 포함하는 두 개의 용량 가변형 압축기를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 두 개의 용량 가변형 압축기는 서로 다른 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 각 용량 가변형 압축기의 작동 여부 및 각 용량 가변형 압축기의 압축 용량을 조절하여, 용량 가변형 압축기의 총 압축 용량을 복수 단계로 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 용량 가변형 압축기의 전동 유닛은, 로터가 동기 속도에서 압축 유닛의 최대 압축 용량으로 작동 유체를 압축할 수 있는 토크를 발생시키는 것에 최적화된 커패시터 용량을 가지며, 스테이터의 코일과 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 압축 유닛은, 기동 시에 로터의 기동 토크보다 작은 부하 토크가 걸리도록 압축 용량이 결정되는 것을 특징으로 하는 공 기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 용량 가변형 압축기의 전동 유닛은, 서로 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터 및 커패시터의 단락을 제어하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 기동 시에 용량 가변형 압축기의 압축 유닛의 압축 용량은 스위치가 온 된 커패시터 용량의 총 합에 의해 발생되는 기동 토크보다 작은 부하 토크를 발생시키도록 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 기동 시에 용량 가변형 압축기의 압축 용량이 스위치가 온 된 커패시터 용량의 총 합에 의해 발생되는 기동 토크보다 작은 부하 토크를 발생시키도록 압축 유닛을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 복수 개의 실내기의 가동 여부에 따라 압축기의 압축 용량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 복수 개의 압축기, 응축기, 사방 밸브 및 복수 개의 열교환기를 포함하는 공기 조화 시스템으로서, 복수 개의 압축기 중 적어도 하나는 전원이 공급되는 코일 권선부를 구비하는 스테이터, 도체 바, 자속 장벽 및 자속 장벽 내에 삽입되는 영구 자석을 구비하며, 도체 바, 자속 장벽 및 영구 자석과 스테이터의 코일 권선부와의 상호전자기력으로 도체 바에 의해 유도 토크를 발생시키고 자속 장벽에 의해 릴럭턴스 토크를 발생시키고 영구 자석에 의해 자기 토크를 발생시킴으로써 회전하고, 기동시 부하 토크와 정상 운전시 부하 토크가 다른 로터 코일 권선부와 전기적으로 연결되는 커패시터를 구비하는 전동 유닛; 작동 유체의 압축 용량을 가변할 수 있는 압축 유닛; 및 복수 개의 열교환기의 작동 여부를 제어하고, 복수 개의 열교환기에서 요구되는 냉력의 변화에 따라 복수 개의 압축기의 작동 여부 및 용량 가변형 압축기의 압축 용량을 조절하여 복수 개의 압축기의 총 용량을 복수 단계로 제어하는 제어부;를 포함하는 용량 가변형 압축기인 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 복수 개의 압축기는, 하나의 정량 정속형 압축기와 하나의 용량 가변형 압축기를 포함하여, 복수 개의 압축기의 압축 용량의 조합이 대략 선형적인 단계로 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 복수 개의 압축기는, 둘 이상의 용량 가변형 압축기를 포함하여 복수 개의 압축기의 압축 용량의 조합이 선형적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 복수 개의 압축기는 하나의 인버터 압축기와 하나의 용량 가변형 압축기를 포함하여 복수 개의 압축기의 압축 용량의 조합이 선형적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 용량 가변형 압축기의 압축 유닛은, 복수 개의 로터리식 압축 유닛을 포함하고, 적어도 하나의 로터리식 압축 유닛은, 실 린더에 베인이 삽입되는 베인 슬릿, 베인 슬릿의 외경측에 베인 슬릿과 연통하는 배압공간 및 베인의 후면에 흡입압 또는 토출압의 압력을 공급하여 상기한 베인을 지지하는 동시에 베인의 측면에 토출압의 압력을 공급하여 그 베인의 배면에 공급하는 압력과 측면에 공급하는 압력의 차이에 의해 상기한 베인이 구속 또는 해제되면서 롤링 피스톤와 압접되거나 이격되도록 하는 베인 제어유닛을 포함하여, 적어도 하나의 로터리식 압축 유닛의 가동 여부를 조절하여 압축 유닛의 총 압축 용량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 베인 제어유닛은 배압공간에 작동 유체를 유입할 수 있는 배압 연결관, 배압 연결관에 연결되며 압축 전 저압의 작동 유체가 유입되는 저압 연결관, 배압 연결관에 연결되어 압축 후 케이싱 내부의 고압의 작동 유체가 유입되는 고압 연결관, 저압 연결관을 개폐하는 밸브 및 고압 연결관을 개폐하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 베인 제어유닛은 배압공간에 작동 유체를 유입할 수 있는 배압 연결관, 배압 연결관에 연결되며 압축 전 저압의 작동 유체가 유입되는 저압 연결관, 배압 연결관에 연결되어 압축 후 고압의 작동 유체가 유입되는 고압 연결관 및 배압 연결관을 통해 배압공간으로 유입되는 작동 유체를 조절할 수 있는 절환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 압축 유닛은 복수 개의 로터리식 압축 유닛, 케이싱을 관통하여 실린더로 작동 유체를 흡입시키는 흡입 파이프, 흡입 파 이프 상에 설치되어 흡입 파이프를 개폐하는 흡입 밸브를 포함하여, 흡입 밸브의 개폐에 따라 압축 유닛의 총 압축 용량이 가변되는 용량 가변형 압축기인 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 용량 가변형 압축기는 기동 시에 압축 유닛의 압축 용량을 저용량으로 하여 전동 유닛의 부하를 저부하로 기동하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 실외기로부터 요구 냉력을 입력 받는 단계; 실외기의 요구 냉력과 무관하게 저부하로 용량 가변형 압축기의 전동 유닛을 기동하는 기동 운전 단계; 및 실외기의 요구 냉력에 대응하는 부하로 용량 가변형 압축기의 전동 유닛을 동기 속도로 운전하는 동기 운전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량 가변형 압축기의 제어 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 복수 개의 실외기로부터 각각의 온/오프 신호 및 요구 냉력을 입력받는 단계; 복수 개의 실외기의 요구 냉력에 대응하여 적어도 하나의 용량 가변형 압축기를 포함하는 복수 개의 압축기 각각의 작동 여부 및 각각의 압축 용량을 결정하는 단계; 복수 개의 실외기의 요구 냉력에 대응하여 결정된 용량 가변형 압축기의 압축 용량과 무관하게 용량 가변형 압축기의 전동 유닛을 저부하로 기동하는 기동 운전 단계; 및 실외기의 요구 냉력에 대응하여 결정된 압축 용량으로 용량 가변형 압축기의 전동 유닛을 동기 속도로 운전하는 동기 운전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템의 제어 방법을 제공한다.

본 발명이 제공하는 공기 조화 시스템은 인버터 모터 대신 적어도 하나의 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터를 채용한 용량 가변형 압축기를 포함하여 실내기의 요구 부하에 대응하여 실외기에서의 작동 유체 압축량을 조절할 수 있다.

또한 본 발명이 제공하는 공기 조화 시스템은 인버터 드라이버를 필요로 하지 않기 때문에 인버터 모터에 비해 재료비를 대폭 저감 시킬 수 있어 가격 경쟁력이 우수하다.

또한 본 발명이 제공하는 공기 조화 시스템은 실외기가 포함하는 압축기의 효율을 단상유도모터를 구비하는 압축기의 효율 대비 10~15% 효율 개선이 가능하여 거의 인버터 모터 수준의 성능을 개선할 수 있다는 이점을 가지게 된다.

또한, 기존의 단상유도모터는 전원 주파수에 비해 회전주파수가 작고, 온도 및 부하가 증가할수록 회전 주파수가 감소하기 때문에 냉방능력이 떨어지는 반면 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터는 전원 주파수와 동기하여 운전하고, 온도 및 부하 변동과 무관하게 전원 주파수와 동일한 회전 주파수를 가지기 때문에 냉방 능력이 일정하다는 장점을 가지게 된다.

이하에서는 도 3 내지 15를 참조하여 본 발명에 따른 모터에 대해서 상세히 설명한다. 아울러，설명의 편의상 로터가 스테이터 내측에 회전 가능한 이너( inner) 타입 모터를 예로 든다. 그러나，본 발명에 따른 모터는 반드시 이너 타입 모터에 한정되지는 않는다.

본 발명에 따른 모터는 유도 토크에 의해 로터(120)가 기동하는 모터이므로 ，종래의 일반적인 유도 모터의 구성을 동일하게 가질 수 있다. 즉，도 3에 도시된 바와 같이，유도 모터의 구성으로서 로터(120)에 형성되는 슬롯(12l)과 도체바(122)，그리고 모터의 회전을 위한 스테이터 코일(1l2，114，이하 '코일'이라 함)과 커패시터(115) 등이 포함될 수 있다. 따라서，중복되는 구성에 대하여는 상세한 설명을 생략한다.

한편，본 발명에 따른 모터는 로터 코어(123)의 내측에 자속의 흐름을 방해하도록 형성되어 릴럭턴스 토크를 발생시키는 플럭스 배리어(140)(flux barrier，자속 장 벽)를 포함하여 이루어질 수 있다. 아울러 본 발명에 따른 모더는 로터 코어(123)의 내측에 자속을 발생시키도록 구비되어 마그네틱 토크를 발생시키는 영구자석(130)을 포함하여 이루어질 수 있다.

따라서，본 발명에 따르면 기동 시에는 유도 모터의 특성에 따라 기동되며, 정상운전시에는 동기 모터의 특성에 따라 운전되는 모터를 제공하는 것이 가능하다. 다시 말하면，기동 후에는 상기 릴럭턴스 토크와 상기 마그네틱 토크에 의해서 로터(120)가 동기 속도로 회전하도록 할 수 있다. 그러므로，본 발명에 따르면 일반적인 동기 모터와는 달리 기동을 위한 인버터 드라이버 등의 복잡하고 비용이 높은 구성 등을 필요로 하지 않게 된다.

이하， 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 모터에서 릴럭턴스 토크와 마그네틱 토크가 발생되는 원리에 대하여 상세히 설명한다.

먼저，릴럭턴스 토크에 대해서 상세히 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이 q 축을 따라서 플럭스 배리어(140)가 형성된다 여 기서，상기 플럭스 배리어(140)는 자성체인 로터 코어(123) 중에서 일부분이 제거되어 형성된다. 즉，상기 플럭스 배리어(140)를 통해서 공기층이 형성되는 것이 가능하며, 아울러 비자성체 물질, 예를 들어 수지물들이 충진될 수도 있다.

여기서，코일에 전류가 인가되어 자극이 형성될 때，자속은 상기 로터(130)에도 형성된다. 그러나，상기 플럭스 배리어(140)가 형성된 q 축을 따라서는 상기 플럭스 배리어(140)로 인하여 릴럭턴스가 매우 높게 형성된다. 반대로，이 경우 플럭스 배리어(140)가 형성되지 않은 d 축을 따라서는 릴럭턴스가 매우 작게 형성된다.

따라서，로터(130)는 이러한 q 축과 d 축 방향으로의 릴럭턴스 차이를 최소화하는 방향으로 회전하게 되며，이러한 회전을 일으키는 것을 릴럭턴스 토크라고 한다. 아울러，이러한 릴럭턴스의 차이가 커질수록 더 큰 렬럭턴스 토크를 얻을 수 있다.

한편，도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모터에 있어서 영구자석(130)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서，코일에 전류가 인가되어 N극의 자극이 형성된다면，상기 영구자석은 S극이 되도록 착자될 수 있다. 즉，도 3에 도시된 로터(120)의 위치에서는 스테이터로 인한 자속과 영구자석로 인한 자속의 상쇄로 인해서 q 축 방향의 릴럭턴스는 더욱 작게 된다. 따라서，영구자석(130)이 없는 경우보다는 q 축 방향과 d 축 방향으로의 릴럭턴스 차이를 더욱 크게 할 수 있다. 그러므로 영구자석(130)이 없는 경우보다는 더욱 큰 릴럭턴스 토크를 얻는 것이 가능하다.

또한， 상기 영구자석(130)은 그 자체로 스테이터(110)와의 상호 작용에 의해서 마그네틱 토크를 발생시킨다. 즉，코일에 전류가 흘러 자극이 형성되고，로터(120)의 위치에 따른 영구자석(130)의 위치로 인해서 스테이터(110)의 자극과 영구자석(130)의 자극과의 상호 작용에 의해 마그네틱 토크가 발생되는 것이다.

따라서，본 발명에 따른 모터는 기동 후，릴럭턴스 토크와 마그네틱 토크에 의해서 동기 회전하므로 정상상태의 운전에서 매우 높은 효율을 얻을 수 있다. 이 는 모터의 크기가 동일하고 인가되는 전류의 세기가 통일한 경우에 본 발명에 따른 모터에서 일반적인 유도 모터에 비하여 매우 높은 효율을 얻을 수 있음을 의미한다.

이하에서는，도 3 내지 5를 참초하여 본 발명에 따른 모터의 로터 구성에 대

해서 상세히 설명한다.

먼저，상기 로터(120)는 기본을 이루는 로터 코어(123)，상기 로터, 보다 구체적으로는 로터 코어(123)에 형성되는 플럭스 배리어(140)를 포함하여 이루어진다.

상기 플럭스 배리어(140)를 통하여 상기 로터의 중심에서 반경 방향으로 형성되어 자속의 흐름이 방해되는 q 축이 형성된다. 그리고 상기 로터의 중심에서 반 경 방향으로 형성되어 자속의 흐름이 방해되지 않는 d 축이 형성된다.

여기서，상기 플럭스 배리어는 상기 로터의 원주 방향을 따라 적어도 2 이상의 짝수 극을 형성하도록 배열될 수 있으며，도 3에는 이러한 형태가 도시되어 있다. 즉，상기 플럭스 배리어가 2 극을 형성하도록 배열되는 경우에는 도 3에 도시 된 바와 같이 q 축과 d 축은 공간적으로 서로 직교 된다. 그리고，상기 플럭스 베 리어가 4 극을 형성하도록 배열되는 경우에는 도시되지는 않았지만 q 축과 d 축은 공간적으로 45도 각도를 이루게 된다.

한편，도 3에 도시된 바와 같이 상기 플럭스 배리어(140)는 q 축에 대해서 대칭되도록 형성됨이 바람직하다. 이는 릴럭턴스 토크가 상기 q 축에 대해서 대칭 되도록 하여 릴럭턴스 토크의 편차로 인한 소음 내지는 진동을 방지하기 위함이다.

그리고，상기 플럭스 배리어(140)는 적어도 2층 이상으로 형성됨이 바람직하다. 즉，도 3에 도시된 로터의 상반면과 하반면 각각에는 적어도 2층 이상의 플럭 스 배리어가 형성됨이 바람직하다. 이는 q 축 방향으로 로터 코어(123) 중 플럭스 배리어(140)가 차지하는 비율을 높여 q 축 방향으로의 릴럭턴스를 더욱 높이기 위 함이다.

또한，마찬가지 이유로 상기 플럭스 배리어(140)는 중심에서 양단으로 갈 수록 상기 로터(120)의 중심을 기준으로 상기 q 축과 직교되는 축과의 간격이 멀어지 거나 가까워지도록 형성됨이 바람직하다. 다시 말하면，도 3에 도시된 바와 같이 플럭스 배리어(140)가 d 축과 평행하도록 형성되지 않고，d 축을 기준으로 위로 볼 록하거나 아래로 볼록하도록 형성됨이 바람직하다. 이러한 플럭스 배리어(140)의 형상은 각진 형태로 형성될 수도 있으며，원호 형태로 형성될 수 있다.

아울러，도 3에 도시된 바와 같이 상기 플럭스 배리어들 중 로터의 중심부，즉, 더욱 내측에 형성된 플럭스 배리어(140)일 수록 그 길이가 더 긴 것이 바람직하다. 이는 q 축 방향으로의 릴럭턴스를 더욱 크게 하기 위함이다.

또한， 상기 플럭스 배리어(140) 중 최외각에 구비되는 플러스 배리어의 양끝단과 상기 로터의 중심이 이루는 각도(α) 내에 구비되는 도체바(122)의 반경 방 향 폭은 다른 도체바의 반경 방향 폭 보다 작은 것이 바람직하다.

왜냐하면，도 3에 도시된 바와 같이 상기 각도(α) 내에 구바되는 도체바(122)의 반경 방향 폭을 키우게 되면，상기 도체바(122)와 플럭스 배리어(140) 사 이의 간격은 매우 좁아진다. 따라서 d 축 방향으로의 자속 포화로 인하여 누설 자 속이 발생될 우려가 높아진다. 즉，이러한 간격을 충분히 확보하도록 상기 각도(α) 내에 구비되는 도체바(122)의 반경 방향 폭을 줄이는 것이 바람직하다.

한편，도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이 플럭스 배리어(140)의 끝단은 상 기 슬롯(121)에 근접하여 마주보도록 형성됨이 바람직하다. 즉，상기 플럭스 배리 어(140)의 끝단과 상기 슬롯(121) 사이의 간격은 최소화함이 바람직하다. 왜냐하면 d 축을 따라 형성되는 자속이 상기 간격을 통하여 누설되는 것을 최소화하기 위함 이다. 즉，상기 간격을 통하여 자속이 누설된다면 결국 q 축과 d 축 방향으로의 릴럭턴스 차이는 그만큼 줄어들기 때문이다.

그러나，상기 플럭스 배리어(140)의 끝단과 상기 슬롯(121) 사이의 간격，다시 말하면 상기 플릭스 배리어(140)의 끝단과 상기 슬롯(121)에 형성되는 도체바 (122) 사이에 형성되는 간격을 줄이는 데에는 일정한 한계가 있다. 왜냐하면 상기 슬롯(121)에 알루미늄 다이캐스팅 등을 통하여 도체바(122)를 형성할 때，상기 간 격 부분이 압력에 의해 터져버려 알루미늄 용융물이 상기 플럭스 배리어(140)로 유입될 우려가 있기 때문이다.

따라서，이러한 우려를 줄이고 상기 간격을 더욱 줄이기 위해서 상기 플럭스 배리어(140)의 끝단의 폭은 다른 부분에서의 폭 보다는 작도록 형성됨이 바람직하 다. 이러한 형태의 실시예들이 도 5a 내지 도 5c에 도시되어 있다.

즉，이러한 실시예들을 통해서 상기 플럭스 배리어(140)이 상기 슬롯(121)과 마주보는 길이를 최소화할 수 있으며，따라서 압력에 의해 터질 수 있는 부위를 최 소화하여 그만큼 상기 간격을 줄일 수 있는 효과가 있다.

한편，본 발명에 따른 모터는 로터 코어의 내측에 자속을 발생시키도록 구비되어 마그네틱 토크를 발생시키는 영구자석(130)을 포함하여 이루어진다.

여기서，상기 영구자석(130)은 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 상기 플럭스 배리어(140)의 일부분에 삽입될 수 있다. 물론，각 층의 플럭스 배리어(140) 모두 에 영구자석(130)이 삽입될 수 있고，특정 층의 플럭스 배리어(140)에는 영구자석 (130)이 삽입되지 않을 수 있다.

한편，상기 플럭스 배리어(140)는 길이 방향으로 연속되게 형성됨이 바람직 한데，상기 영구자석(130)는 하나의 연속된 플럭스 배리어(140)에 플럭스 배리어(140)의 길이 방향으로 적어도 2개 이상 구비됨이 바람직하다. 이는 플럭스 배리어의 형상에 맞는 단일의 영구자석(130)을 형성하는 데에는 많은 어려움이 있고, 복수 개의 영구자석(130)을 통해 영구자석 자체에서 발생되는 누설 자속을 최소화할 수 있기 때문이다.

같은 이유로，상기 영구자석(130)은 상기 로터(120)의 길이 방향，다시 말하면 로터(120)의 높이 방향으로 적어도 2 개 이상이 구비됨이 바람직하다.

이러한 특정들로 인하여 상기 영구자석(130)는 통일한 형상의 단위 영구자석，예를 들어 막대 형상의 단위 영구자석들로 형성하는 것이 가능하다. 따라서 영구자석 형성 비용을 줄이고， 부품 개수를 최소화하여 제조가 용이한 장점이 있다.

그리고，상기 플럭스 배리어(140)에 영구자석(130)이 삽입되는 위치를 결정하기 위하여 상기 플럭스 배리어(140)에는 일정한 자리부가 형성됨이 바람직하다. 즉， 플럭스 배리어(140)에 도 5b와 도 7에 도시된 바와 같이 단차부(141)를 형성하여 영구자석(130)의 삽입위치가 결정되도록 할 수 있다. 이러한 자리부는 영구자석가 유동되는 것을 방지하는 기능 또한 수행할 것이다.

이하에서는 도 6 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 모터의 제조방법，특히 로터의 제조방법에 대해서 상세히 설명한다.

먼저， 본 발명에 따른 모터의 일 형태에 따르면，도 6에 도시된 바와 같이 로터 코어(123)는 세 개의 다른 형태의 단위 로터 코어(124， 125， 126)로 이루어질 수 있다. 물론，이 형태에서의 모터는 도 6에 도시된 상태로 위치되는 경우， 다시 말하면 직업 구동 모터에 바람직할 것이다.

즉，로터 코어(123)는 타발되어 형성되는 단위 로터 코어들을 적층하여 형성하는데，이러한 단위 코어들이 세 개의 형태로 이루어질 수 있다.

먼저，로터 코어(123)의 중간 부분들을 이루는 단위 코어 (125)는 전술한 바와 같이，도체바 형성을 위한 슬롯(121)，회전축과 결합되기 위한 축공(128)，플럭 스 배리어(140)가 모두 형성될 수 있다.

그리고，도 6과 도8에 도시된 바와 같이 로터 코어(123)의 최하부를 이루는 단위 코어(126)는 축공(128)과 슬롯(121)만 형성될 수 있다. 즉，상기 단위 코어 (126)에는 플럭스 배리어가 형성되지 않는다. 따라서，단위 코어들(124，125)의 플 럭스 배리어(140)의 일부분에 영구자석(130)이 삽입된다고 하더라도 상기 단위 코어(126) 때문에 영구자석(130)이 빠지는 것이 방지된다.

한편，도 6과 도 7에 도시된 바와 같이 로터 코어(123)의 최상부를 이루는 단위 코어(124)는 축공(128)과 슬롯(121)과 플럭스 배리어(140)가 형성된다. 그러 나 이 경우 플럭스 배리어(140)는 마그네드가 십입되기 위한 최소한만 형성됨이 바 람직하다. 이는 후술하는 엔드링과의 관계 때문이다.

따라서，도 6에 도시된 형태로 로터 코어(123)를 적층하고，알루미늄 다이캐스팅을 통하여 엔드링을 형성한 후에도 영구자석(130)을 플럭스 배리어(140)에 삽입하는 것이 가능하다. 아울러，별도로 영구자석(130)의 비산을 방지하는 구성이 없어도 도 6에 도시된 형태로 모터가 위치된다면 로터 코어(123) 내부와 영구자석(130) 둘 간의 상호 작용으로 영구자석이 비산되지 않는다.

이러한 형태의 로터 코어의 평면도와 저면도가 도 9와 도 10에 각각 도시되어 있다. 즉，이러한 형태의 로터 코어(123)에 따르면 적어도 로터 코어(123)의 하부에 형성되는 엔드링(151)은 도 12에 도시된 바와 같이 일반적인 형태의 환형 엔드링을 형성하는 것이 가능하다.

다시 말하면，본 형태의 로터(123)는 엔드링(151)을 형성한 후 영구자석(130)을 삽입하는 형태의 로터라고 요약할 수 있다.

이러한 일반적인 환형 엔드링은 상기 로터 코어(123)의 상면이나 하면에 축 공(128)을 제외한 부분을 모두 덮도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드링(151)의 높이와 폭 방향 두께는 커질 수록 엔드링(151)을 통한 손실을 최소화할 수 있다. 즉，도체바의 손실과 마찬가지로 엔드링(151)에서 발생되는 손실을 최소화할 수 있다.

그러나，엔드링(151)의 높이를 키우는 것은 모터의 크기가 커지는 문제로 인하여 일정한 한계가 있다. 따라서，엔드링(151)으로 인한 손실을 최소화하기 위해서 엔드링(151)의 폭 방향 두께를 키우는 것이 더욱 바람직하다.

한편，도 6에 도시된 최상부 단위 코어(124)는 도 8에 도시된 최하부 단위 코어(126)로 대체될 수 있다. 즉，최상부 단위 코어와 최하부 단위 코어가 도 8에 도시된 단위 코어(126)로 형성될 수 있다. 이러한 형태가 본 발명에 따른 모터의 다른 형태라고 할 수 있다.

이러한 형태의 경우，먼저 최하부 단위 코어(126)과 중간 단위 코어(125)를 적층한 후 영구자석(130)을 플럭스 배리어(140)에 삽입한다. 그리고 최상부 단위 코어(이 경 우에는 최하부 단위 코어와 동일)를 적층한다. 그리고 알루미늄 다이캐스팅 등을 통하여 도체바와 엔드링을 형성하게 된다.

이러한 형태의 로터 코어의 저면도가 도 10에 도시되어 있다. 즉，이러한 형태의 로터 코어에 따르면 로터 코어의 상부와 하부에 형성되는 엔드링(151)은 도 9에 도시된 바와 같이 일반적인 형태의 환형 엔드링(151)을 형성하는 것이 가능하다.

다시 말하면，본 형태의 로터(120)는 영구자석(130)을 삽입한 후 엔드링(151)을 형성하는 형태의 로터라고 요약할 수 았다. 따라서 본 형태의 로터(120) 를 포함하는 모터는 직입 구동이 아니더라도 최상부와 최하부의 단위 코어로 인해 영구자석(130)이 비산되는 것이 방지된다.

한편，전술한 모터의 형태에 있어서 어느 경우나 본 발명에 따른 모터는 상기 영구자석(130)과는 간섭되지 않도록 구비되되，상기 복수 개의 도체바(122)와 단락을 이루는 엔드링(151)을 포함하여 이루어진다. 물론，상기 엔드링(151)은 상기 플럭스 배리어(140)와도 간섭되지 않도록 구비된다.

즉，전술한 모터의 다른 형태에 있어서，로터 코어(123)의 최상부와 최하부에는 플럭스 배리어(140)가 형성되지 않는다. 따라서 엔드링(151)은 상기 플럭스 배리어(140)와 간섭되지 않는다. 그러므로，상기 엔드링(151)은 모두 일반적인 형태의 엔드링(151)으로 형성될 수 있고，따라서 엔드링(151)으로 인한 손실을 최소화하는 것이 가능하다.

그러나，전술한 모터의 일 형태에 있어서，먼저 로터 코어의 형성 후 엔드링(150)이 형성된다. 그리고，영구자석(130)이 플럭스 배리어(140)로 삽입된다. 따라서 상기 엔드링(150)은 영구자석(130)과 간섭되지 않아야 한다. 즉，영구자석(130)을 삽입할 수 있는 공간이 확보되도록 엔드링(150)이 형성되어야 한다.

여기서，전술한 바와 같이 엔드링(150)으로 인한 손실을 최소화하기 위하여 엔드링(150)의 반경 방향 폭은 커질수록 바람직하다. 따라서，이 경우에서는 최상부 단위 코어(124)에는 영구자석이 삽입될 수 있는 최소한의 플럭스 배리어(140)만 형성됨이 바람직하다.

따라서，이 경우 도 9와 도 11에 도시된 바와 같은 형태의 엔드링(150)을 형 성하는 것이 가능하다. 즉，특히 d 축 방향으로의 폭을 높여 엔드링(150)으로 인한 손실을 최소화하는 것이 가능하다 아울러 q 축 방향으로의 폭도 넓히는 것이 바람직하므로，플럭스 배리어(140)들은 도 9에 도시된 바와 같이 로터 중심부를 향하여 수렴하도록 형성됨이 더욱 바람직할 것이다. 그리고 상기 d 축 방향으로 형성되는 엔드링(150)은 상기 q 축과 평행하도록 형성됨이 바람직하다.

또한，상기 q 축 방향으로 형성되는 엔드링은 인접하는 플럭스 배리어와 평행하도록 형성됨이 바람직하다.

그러므로 본 형태에서의 엔드링(150)은 상기 로터 코어(123)의 원주 방향을 따라 반경 방향의 폭이 가변되는 환형 형상으로 형성되게 된다. 아울러，그 폭은 q 축 방향으로의 폭이 d 축 방향으로의 폭 보다 커지게 된다.

이하에서는 도 13 내지 도 15를 참조하여 본 발명에 따른 모터의 운전에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 모터는 기본적으로 부하가 가변되는 형태의 팬 모터，압축기，가전제품 등에 적용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 로터리 압축기에 적용된 것을 예로 들어 설명한다.

일반적으로 로터리 압축기에는 단상 유도모터가 많이 사용된다 따라서，이러한 압축기는 전술한 단상 유도모터의 특성에 의해서 효율이 낮은 문제점이 있다. 그러므로，본 발명에 따른 모터를 로터리 압축기 등에 적용한다면 매우 높은 효울 을 얻는 것이 가능하다.

한편，최근에는 하나의 로터리 압축기가 용량이 가변되어 운전될 수 있는 용 량 가변형 압축기가 많이 사용되고 있다.

일례로，하나의 실린더 내에 압축되는 냉매의 양을 달리하여 용량을 가변하는 압축기가 있을 수 있으며，대한민국 공개특허공보 10-2006-0120387에 개시된 바 와 같이 복수 개의 실린더에서 선택적으로 냉매가 압축되도록 하여 용량을 가변하 는 압축기가 있을 수 있다.

이상과 같은 후자의 압축기에는 냉매의 압축이 일어나는 복수 개의 실린더가 구비되고，하나의 모터가 구동되어 일부 실린더에서 냉매의 압축이 일어나되 다른 실린더 에서는 압축기의 부하에 따라 선택적으로 냉매의 압축이 일어난다.

여기서，압축기의 용량이 가변된다는 것은 냉매의 압축을 위한 모터의 부하가 가변된다는 것을 의미한다. 따라서，용량 가변형 압축기에 있어서 일반 유도모 터를 적용하는 것보다 본 발명에 따른 모터를 적용하는 것은 매우 높은 효율을 얻 는 것이 가능하다.

왜냐하면 본 발명에 따른 모터는 정상운전시에는 동기 속도로 운전되며，부하가 가변되더라도 항상 동기 속도로 운전되기 때문에 정상운전시의 모터 효율을 상당히 개선할 수 있기 때문이다. 아울러，온도가 높아지더라도 릴럭턴스 토크와 마그네틱 토크로 인하여 운전되므로，온도 상승에 따른 손실도 최소화할 수 있기 때문이다.

도 13에는 기동토크와 커패시터와의 관계가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이，커패시터의 용량이 커질수록 기동토크는 더욱 커진다. 한편，모터가 기동을 시작하기 위해서는 상기 기동토크가 일정값 이상이어야 한다. 즉，초기 모터의 부하를 이길 수 있을 정도의 기동토크가 필요하게 된다. 따라서，초기 모터의 부하가 커진다면 이를 이기고 기동할 수 있도록 필요한 기동토크의 크기도 더욱 커져야 한다.

한편，도 3에는 하나의 커패시터만 구비된 형태의 코일 회로가 도시되어 있다. 이 경우 모터의 부하가 가변되더라도 이를 충분히 이기고 기동할 수 있도록 커 패시터 값은 커져야 한다. 그러나，모터의 부하가 작은 경우 큰 값의 커패시터를 사용한다고 하면 그만큼 손실이 발생되게 된다. 따라서， 모터의 부하가 가변됨에 따라 커패시터의 값이 가변되도록 함이 바람직하다.

즉，코일은 단상 전원과 연결된 주 권선과 상기 주 권선과 병렬로 상기 단상 전원과 연결된 보조 권선을 포함하여 이루어진다. 그리고 서로 병렬로 연결된 커패 시터가 상기 보조 권선에 직렬로 연결된다. 다시 말하면，도 14에 도시된 회로가 도 3에 도시된 커패시터를 대체하도록 구성되는 것이다

여기서，서로 병렬로 연결된 커패시터들의 값은 스위치(3)가 온 되었을 경우에는 두 개의 커패시터 값의 합이다. 따라서 스위치가 온 되었을 경우에는 큰 커패 시터 값을 갖게 되어 기동 토크를 더욱 크게 할 수 있다. 반대로 스위치가 오프 되 었을 경우에는 하나의 커패시터 값만 갖게 되므로 기동 토크는 상대적으로 작을 수 밖에 없다.

한편， 모터의 최초 기동 시， 다시 말하면 압축기의 최초 기동 시 압축기의 용량이 기설정될 수 있다. 즉， 큰 용량으로 운전되도록 설정될 수도 있고 작은 용 량으로 운전되도록 설정될 수 있다.

그리고， 상기 모터는 빨리 기동하여 정상상태로 운전되도록 함이 바람직하다. 따라서，초기 기동을 빨리함과 동시에 기동특성을 더욱 좋게 하기 위하여 상기 모터의 초기 기동시에는 상기 스위치는 항상 온되도록 함이 바람직하다. 즉，설정된 용량과는 관계없이 상기 스위치가 항상 온되도록 함이 바람직하다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터가 구비하는 커패시터의 일 예를 도시한 도면이고 도 15는 본 발명의 모터가 구비하는 스테이터의 코일과 커패시터의 회로도를 개략적으로 도시한 도면, 도 16은 본 발명에 따른 커패시터의 시간에 따른 기동 운전용 커패시터에 흐르는 전류를 도시한 그래프, 도 17은 본 발명에 따른 모터의 토크와 종래의 커패시터를 이용한 모터의 토크를 비교한 그래프이다. 본 발명과 같은 자기시동형 모터(LSPRM)는 기동 시에 유도 토크와 반대방향의 영구 자석에 의한 브레이킹 토크가 발생한다. 따라서 유도 토크가 실제 부하 토크보다 작아져 기존의 단상 유도 모터에 비해 기동 특성이 불리해질 수 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 기동 시에 스테이터의 코일과 직렬로 연결된 커패시터의 용량을 증가시킬 필요가 있다. 그러나 모터의 운전이 기동 운전을 벗어나 정상 운전을 하게 되면 모터가 동기 모터로 운전되게 되므로 부하가 작아진다. 따라서 정상 운전 시에도 용량이 큰 커패시터를 이용하는 경우, 전력의 손실이 발생하게 된다. 그러므로, 모터의 기동 운전 시에는 큰 용량의 커패시터를 이용하다가 모터가 정상 운전을 하게 되면 작은 용량의 커패시터를 이용하는 것이 바람직하다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 모터가 구비하는 일체형 커패시터 유닛(115)은 케이싱(210) 내에 정상 운전용 커패시터(CR)와 기동 운전용 커패시터(CS)를 포함한 다. 케이싱(210)의 일측으로 정상 운전용 커패시터(CR)의 단자(220)와 기동 운전용 커패시터(CS)의 단자(230) 및 전원 공급 단자(240)가 위치한다. 또한 기동 운전용 커패시터 단자(230)에는 방전 저항(232)이 부착되어 기동 운전용 커패시터(CS)가 이용되지 않을 때 기동 운전용 커패시터(CS)에 축전된 전기를 소산시킨다.

도 15를 참조하면, 기동 운전용 커패시터(CS)에는 전기적 스위치가 직렬 연결된다. 전기적 스위치는 모터가 기동 운전 단계를 벗어나 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 자속 장벽에 의한 릴럭턴스에 의해 동기 운전하는 정상 운전 단계에 접어들면, 기동 운전용 커패시터(CS)로 전류가 흐르는 것을 차단한다. 이때, 전기적 스위치는 모터의 운전을 제어하는 제어부(미도시)에 의해 온/오프될 수도 있지만, 제어부(미도시)의 명령이 없어도 능동적으로 기동 운전용 커패시터(CS)로 흐르는 전류를 차단할 수 있는 과전류방지소자(Positive Temperαture Coefficient, PTC)를 이용할 수도 있다.

도 16은 과전류방지소자와 기동 운전용 커패시터(CS)를 직렬연결하여 시간이 지남에 따라 기동 운전용 커패시터(CS)에 흐르는 전류가 어떻게 변하는 지를 나타낸 그래프이다. 소정 시간이 지난 후 기동 운전용 커패시터(CS)에 흐르는 전류는 거의 0으로 수렴하는 것을 알 수 있다. 즉, 소정 시간이 지난 후 기동 운전용 커패시터(CS)로 전류가 흐르는 것이 차단되고, 정상 운전용 커패시터(CR)로만 전류가 흘러, 전체 커패시터의 용량이 작아지게 된다. 따라서 기동 운전시보다 정상 운전 시에 부하가 더 작은 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터에 적절하게 커패시터의 용량을 조절할 수 있다.

도 17을 참조하면, 정상 운전용 커패시터(CR)와 기동 운전용 커패시터(CS)의 용량의 합은 모터의 유도 토크가 적어도 부하(Load) 토크보다 큰 토크를 낼 수 있을 정도의 용량이어야 한다. 기동 시의 모터의 토크는 커패시터의 용량에 비례한다. 도 17의 그래프에서 살펴보면, 기동 시 정상 운전용 커패시터(CR)와 기동 운전용 커패시터(CS) 둘을 모두 이용하지 않고, 정상 운전용 커패시터(CR)만을 이용하여 모터를 기동한 경우, 모터가 부하(Load)보다 작은 유도 토크밖에 내지 못하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 모터는 기동 시에 기동 운전용 커패시터(CS)를 정상 운전용 커패시터(CR)에 병렬 연결하여 커패시터의 용량을 크게 해주어 모터의 기동 시 유도 토크를 크게 만들어 준다. 동기 속도에 도달하면, 모터는 영구 자석에 의한 마그네틱 토크와 자속 장벽에 의한 릴릭턴스 토크에 의해 운전되는데, 도 17에 나타난 바와 같이 일반적이 유도 모터의 최대 토크와 같은 수준의 최대 토크를 낼 수 있다.

도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압축기를 도시한 도면이다. 도시된 압축기는 용량 가변형의 로터리 압축기를 예로 하였으며, 밀폐공간(S)을 내부에 형성하는 케이싱(100)과, 케이싱(100)의 내부에 고정되고 스테이터(10)와 로터(20)를 포함하여 구동력을 발생하는 구동유닛인 모터와, 모터에 연결되어 냉매를 압축하도록 케이싱의 내부에 설치하는 복수 개의 압축 유닛인 제1 압축유닛(30), 제2 압축유닛(40) 및 제3 압축유닛(50)과, 냉동사이클의 증발기를 거친 작동 유체가 액냉매와 기체냉매로 분리되는 어큐뮬레이터(A)와, 어큐뮬레이터(A)로부터 각 압축유닛(30, 40, 50)으로 작동 유체를 흡입시키는 각 흡입관(30s, 40s, 50s) 및 흡입 관(40s, 50s) 상에 설치되어 흡입관(40s, 50s)을 개폐함으로써 압축유닛(40, 50)으로 작동유체를 흡입 여부를 조절하는 흡입 밸브(40v, 50v)를 포함한다. 모터는 케이싱(100)의 내부에 고정하여 외부에서 전원을 인가하는 스테이터(110)와, 스테이터(110)의 내부에 일정 공극을 두고 배치하여 상기 스테이터(110)와 상호 작용하면서 회전하는 로터(120)와, 로터(120)와 일체로 결합하여 구동력을 압축유닛(30, 40, 50)으로 전달하는 회전축(23)으로 이루어진다.

이러한 용량 가변형 압축기는 모터의 스테이터(110)에 전원을 인가하여 로터(120)가 회전하면, 회전축(23)이 로터(120)와 함께 회전하면서 모터의 회전력을 제1 압축유닛(30)과 제2 압축유닛(40) 그리고 제3 압축유닛(50)에 전달하고, 공기 조화 시스템에서의 필요 용량에 따라 각각의 흡입 밸브(40v, 50v)를 통해 적절하게 조절하여 파워모드로 운전하면서 대용량의 냉력을 발생하거나 세이빙운전을 실시하면서 소용량의 냉력을 발생한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용량 가변형 압축기의 작동 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 용량 가변형 압축기는 복수 개의 압축 유닛(30, 40, 50) 및 압축 유닛(30, 40, 50)을 구동하는 전동 유닛인 모터를 구비한다. 전동 유닛(20)으로는 상기한 것과 같이 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터를 구비하여, 용량 가변형 압축기의 기동 운전 시에는 로터(120)의 도체바(122)에 의한 유도 토크가 발생되어 기동되고, 정상 운전 시에는 자속 장벽(140)에 의한 릴럭턴스 토크와 영구자석(130)에 의한 마그네틱 토크를 이용하여 전원 주파수에 동기하여 동기 속도로 운전하기 때문에 로터(120)의 도체바(122)에서 발생하는 동손을 저감시킬 수 있다. 그러나 기동 운전 시에 영구자석(130)에 의한 마그네틱 토크가 도체바(122)에 의한 유도 토크의 반대 방향으로 작용하여 마그네틱 토크가 브레이킹 토크(braking torque), 즉 부하로 작용하게 된다.

영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터는 동기모터이기 때문에, 비동기모터인 단상 유도모터와는 달리 동기속도 부근까지 부하 이상의 유도 토크만 확보하면 된다. 이때, 본 발명의 용량 가변형 압축기는 제어부(미도시)가 기동 시에 저부하로 기동을 하여, 로터(120)의 도체바(122)가 상대적으로 작은 유도 토크만을 발생시켜도 부하 토크 이상으로 유도 토크가 확보되므로 압축기의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.

제어부(미도시)는 용량 가변형 압축기의 용량을 최대 부하 조건보다 작은 부하 조건으로 기동을 시킨다. 도 18에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 경우, 제어부(미도시)는 흡입 밸브(40v, 50v)를 모두 닫은 상태로 용량 가변형 압축기를 기동하게 되면 제1 압축 유닛(30)에서만 작동 유체의 압축이 이루어져 모터에 부하가 가장 작게 걸리고, 흡입 밸브(40v, 50v) 중 어느 하나만 닫은 상태로 용량 가변형 압축기를 기동하게 되면, 제1 압축 유닛(30)과 함께 제2 압축 유닛(40)과 제3 압축 유닛(50) 중 어느 한 압축 유닛에서 작동 유체의 압축이 이루어져 최대 부하 시보다 작은 부하가 걸린다.

제1 압축 유닛(30), 제2 압축 유닛(40) 및 제3 압축 유닛(50)의 각각의 압축 용량, 즉 각각이 전동 유닛(20)에 가하는 부하가 모두 동일하여도 무방하나, 각각 서로 다른 용량을 가지는 경우, 각 압축 유닛(30)(40)(50)의 압축 용량을 조합한 용량이 더 다양하므로 서로 다른 용량을 가지는 것이 바람직하다.

도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압축기를 도시한 도면이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 압축기는, 복수 개의 가스흡입관(SP1)(SP2)과 한 개의 가스토출관(DP)을 연통 설치하는 케이싱(100)과, 케이싱(100)의 상측에 설치하여 회전력을 발생시키는 모터(110, 120)와, 케이싱(100)의 하측에 설치하여 상기 모터(110, 120)에서 발생한 회전력으로 냉매를 압축하는 제1 압축 유닛(30) 및 제2 압축 유닛(40)과, 복수 개의 흡입관(SP1, SP2)과 토출관(DP)의 중간에 연결 설치하여 후술할 제2 베인(44)의 배면을 고압분위기 또는 저압분위기로 절환하면서 상기한 제2 베인(44)을 지지함과 아울러 제2 베인(44)의 측면에 고압의 압력을 공급하여 상기 제2 베인(44)의 배면에 공급되는 압력과 측면에 공급되는 압력의 차이에 의해 상기한 제2 베인(44)을 선택적으로 구속하는 베인 제어유닛(50)으로 구성한다.

모터는 스테이터(110)와 로터(120)를 구비하며, 로터(120)의 상세한 구성은 도 3 내지 도 17을 참조하여 상술한 바와 같다.

제1 압축기구부(30)는 환형으로 형성하여 케이싱(10)의 내부에 설치하는 제1 실린더(31)와, 제1 실린더(31)의 상하 양측을 복개하여 함께 제1 압축공간(V1)을 이루면서 상기한 회전축(23)을 반경방향으로 지지하는 상부베어링플레이트(이하,상부베어링)(32) 및 중간베어링플레이트(이하,중간베어링)(33)와, 회전축(23)의 상측 편심부에 회전 가능하게 결합하여 제1 실린더(31)의 제1 압축공간(V1)에서 선회하면서 냉매를 압축하는 제1 롤링피스톤(34)과, 제1 롤링피스톤(34)의 외주면에 압접하도록 제1 실린더(31)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 제1 실린 더(31)의 제1 내부공간(V1)을 제1 흡입실과 제1 압축실로 각각 구획하는 제1 베인(35)과, 제1 베인(35)의 후방측을 탄력 지지하도록 압축스프링으로 된 제1 베인스프링(36)과, 상부베어링(32)의 중앙부근에 구비한 제1 토출구(32a) 선단에 개폐 가능하게 결합하여 제1 내부공간(V1)의 압축실에서 토출되는 냉매가스의 토출을 조절하는 제1 토출밸브(37)와, 제1 토출밸브(37)를 수용하도록 내부체적을 구비하여 상기 상부베어링(32)에 결합하는 제1 머플러(38)로 이루어진다.

제2 압축기구부(40)는 환형으로 형성하여 케이싱(10) 내부의 제1 실린더(31) 하측에 설치하는 제2 실린더(41)와, 제2 실린더(41)의 상하 양측을 복개하여 함께 제2 압축공간(V2)을 이루면서 상기한 회전축(23)을 반경방향 및 축방향으로 지지하는 중간베어링(33) 및 하부베어링(42)과, 회전축(23)의 하측 편심부에 회전 가능하게 결합하여 제2 실린더(41)의 제2 압축공간(V2)에서 선회하면서 냉매를 압축하는 제2 롤링피스톤(43)과, 제2 롤링피스톤(43)의 외주면에 압접하거나 이격되도록 제2 실린더(41)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 제2 실린더(41)의 제2 압축공간(V2)을 제2 흡입실과 제2 압축실로 각각 구획 또는 연통하는 제2 베인(44)과, 하부베어링(42)의 중앙부근에 구비한 제2 토출구(42a) 선단에 개폐 가능하게 결합하여 제2 압축실에서 토출되는 냉매가스의 토출을 조절하는 제2 토출밸브(45)와, 제2 토출밸브(45)를 수용하도록 소정의 내부체적을 구비하여 상기 하부베어링(42)에 결합하는 제2 머플러(46)로 이루어진다.

제2 실린더(41)는 제2 압축공간(V2)을 이루는 내주면의 일측에 상기한 제2 베인(44)이 반경방향으로 왕복운동을 하도록 제2 베인슬릿(41a)을 형성하고, 제2 베인슬릿(41a)의 일측에는 냉매를 제2 압축공간(V2)으로 유도하는 제2 흡입구(41b)를 반경방향으로 형성하며, 제2 베인슬릿(41a)의 타측에는 냉매를 케이싱(10)의 내부로 토출하는 제2 토출안내홈(41c)을 축방향으로 경사지게 형성한다. 또, 제2 베인슬릿(41a)의 방사상 후방측에는 베인제어유닛(50)의 배압 연결관(53)에 연통하여 제2 베인(44)의 후방측에 흡입압 또는 토출압 분위기를 이루도록 소정의 내부체적을 가지는 배압공간(41d)을 형성하고, 제2 베인(44)의 운동방향에 대해 직교하거나 또는 소정의 엇갈림각을 갖는 방향으로 케이싱(10)의 내부와 제2 베인슬릿(41a)을 연통하여 토출압으로 제2 베인(44)을 구속하도록 측압유로(41e)를 형성한다.

배압공간(41d)은 후술할 베인제어유닛(50)의 공용측 연결관(53)과 연통하여 상기 제2 베인(44)이 완전히 후진하여 제2 베인슬릿(41a)에 수납되더라도 그 제2 베인(44)의 후면이 상기한 공용측 연결관(53)을 통해 공급되는 압력에 대해 압력면을 이루도록 소정의 내부체적을 갖게 형성한다.

측압유로(41e)는 제2 베인(44)을 중심으로 제2 실린더(41)의 토출안내홈(41c)쪽에 형성하는 것으로, 상기 제2 베인(44)의 높이 방향을 따라 복수 개(도면에선, 상하 양단의 경우를 도시함) 형성하는 것이 바람직하다. 또, 측압유로(41e)의 전체 단면적은 배압공간(41d)을 통해 제2 베인(44)의 배면에 가하는 압력면 넓이보다 같거나 좁게 형성하는 것이 상기한 제2 베인(44)이 과도하게 구속되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.

여기서, 제2 실린더(41)는 필요에 따라 제1 실린더(31)와 압축공간(V1)의 용적을 동일하게 형성할 수도 있고 상이하게 형성할 수도 있다. 예컨대, 두 실린 더(31, 41)의 용적을 동일하게 형성하는 경우에는 어느 한쪽 실린더를 절약운전하면 나머지 다른 실린더의 용적만 일을 하므로 압축기 성능은 50%로 가변되는 반면 두 실린더(31)(41)의 용적을 상이하게 형성하는 경우에는 정상운전을 하는 나머지 실린더의 용적만큼의 비율로 압축기 성능이 가변되는 것이다.

베인제어유닛(50)은 제2 실린더(41)의 흡입측에서 연통하는 저압측 연결관(51)과, 제2 실린더(41)의 토출측, 보다 정확하게는 케이싱(10)의 내부공간에서 연통하는 고압측 연결관(52)과, 저압측 연결관(51)과 고압측 연결관(52)에 각각 교번되게 연결하여 상기한 제2 실린더(41)의 배압공간(41d)에 연통하는 공용측 연결관(53)과, 저압측 연결관(51)과 고압측 연결관(52) 그리고 공용측 연결관(53)의 연결지점에 설치하여 상기한 공용측 연결관(53)을 양측 연결관(51)(52)에 교번되게 연결시키는 배압절환밸브인 3방밸브(54)와, 제2 실린더(41)에 구비하여 제2 베인(44)이 상기 제2 실린더(41)의 제2 베인슬릿(44)에 밀착하도록 상기한 제2 베인(44)의 측면에 토출압을 공급하는 측압공급부로 이루어진다.

저압측 연결관(51)은 제2 실린더(41)의 흡입측과 어큐뮬레이터(5)의 입구측 가스흡입관 또는 출구측 가스흡입관(제2 가스흡입관)(SP2) 사이에 연결한다.

고압측 연결관(52)은 케이싱(10)의 하반부에 연통하여 그 케이싱(10) 내부의 오일이 상기한 배압공간(41d)으로 직접 유입되도록 할 수도 있으나 경우에 따라서는 가스토출관(DP)의 중간에서 분관하여 연결할 수도 있다. 이 경우 배압공간(41d)이 밀봉됨에 따라 오일이 상기한 제2 베인(44)과 제2 베인슬릿(41a) 사이로 공급되지 않아 마찰손실이 발생할 우려가 있으므로 하부베어링(42)에 오일공급구멍(미도 시)을 형성하여 상기 제2 베인(44)이 왕복운동을 할 때 오일이 공급되도록 할 수도 있다.

측압공급부는 전술한 바와 같이 케이싱(10) 내부의 토출압이 상기 제2 베인(44)의 두께방향 측면으로 공급되도록 상기한 제2 실린더(41)에 적어도 한 개 이상(도면에선 상하 양측)의 측압유로(41e)를 형성하되, 제2 베인(44)을 기준으로 토출안내홈(41c)쪽에 그 베인의 높이방향을 따라 동일한 단면적으로 형성하는 것이 바람직하다.

이상에서는 용량 가변형 압축기로 로터리 압축기를 예로 들었으나, 밀폐형 압축기나 스크롤 압축기 타입의 용량 가변형 압축기의 전동 유닛으로 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터가 구비되는 것도 가능하다.

한편, 도 18 또는 도 19에 도시된 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따른 압축기의 기동 운전에 대하여 기술한다. 도 20은 본 발명에 따른 모터 및 본 발명에 따른 압축기가 구비하는 모터의 기동 토크를 일반적인 유도 모터의 기동 토크와 비교한 그래프이다.

그래프를 참조하면, 전동 유닛의 기동 토크는 일반적은 유도 모터의 기동 토크에 비해 상당히 작은 것을 알 수 있다. 그러나 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터의 경우 동기 속도 이하의 속도에서는 부하 토크보다 큰 유도 토크만 발생시킬 수 있으면 된다. 이때, 용량 가변형 압축기의 압축 유닛이 작동 유체를 압축하면서 전동 유닛에 걸리는 부하는 압축 유닛의 압축 용량에 따라 달라진다. 즉, 압축 유닛이 더 작은 용량의 작동 유체를 압축하면 전동 유닛에 걸리는 부하가 더 작아지 게 된다. 그래프에서처럼, 압축 유닛이 최대 용량(100%)으로 작동 유체를 압축하는 때의 부하(Load 1)가 최대 용량보다 적은 용량(<100%)을 압축하는 때의 부하(Load 2)가 더 작다. 전술한 바와 같이 본 발명의 용량 가변형 압축기가 구비하는 전동 유닛의 기동 토크는 부하 토크보다 높은 값만을 유지하면 되며, 기동 토크가 클수록 좋은 것은 아니다. 따라서 부하 토크를 최소한으로 낮추고, 기동 토크를 최소한으로 낮춘 부하 토크보다 조금 큰 값을 유지하는 정도로 하면, 압축기의 전력 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

즉, 이러한 구성을 통하여 기동 시에는 압축기의 압축 유닛(30, 40, 50: 도 18 및 도 19에 도시) 중 일부만을 작동 유체의 압축에 이용하여 작동시키는 세이빙 모드로 압축기를 구동함으로써, 압축기의 모터에 걸리는 부하를 줄여주어, 상대적으로 작은 기동 토크만을 가지고도 충분히 기동이 가능하다는 장점이 있다.

또한 압축 유닛의 압축 용량을 조절하여 전동 유닛의 부하를 줄이면, 단상 전원뿐만 아니라 2상 또는 3상 전원에서도 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터를 전동 유닛으로 구비하는 압축기의 기동 특성을 보완할 수 있다.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 시스템을 도시한 도면이다.본 발명에 따른 공기 조화 시스템은 압축기(101, 102) 및 응축기(300)를 포함하는 하나의 실외기(1000)에 복수 개의 실내기(201, 202, 203)를 연결하여 넓은 공간에서 공기 조화 시스템을 이용하거나, 매우 춥거나 더운 지역에서 단시간에 쾌적한 실내 온도를 도달하고자 할 때 활용될 수 있다. 공기 조화 시스템을 냉난방 겸용으로 이용하기 위해서는 작동 유체의 유동 방향을 조절할 수 있는 사방 밸브(400)가 실외기(1000)에 더 포함되어야 한다.

복수 개의 실내기(200)는 사용자의 조작에 의해 선택적으로 작동될 수 있으며, 그에 따라서 실제 실내기(200)가 요구하는 압축기의 용량이 달라진다. 이때, 실외기(1000)가 최대 용량에 용량을 맞춘 정속형의 압축기 하나만을 구비하면, 최대 용량보다 작은 용량으로 실내기(200)를 작동시킬 경우 압축기의 용량이 남기 때문에 에너지를 낭비하는 것이 된다. 실외기(100)가 인버터 모터를 구비하여 용량을 가변할 수 있는 압축기를 구비하면 실내기(200)의 냉력 요구에 맞추어 압축 용량을 조절할 수 있으나, 인버터 드라이버와 같은 고가의 부품을 구비하여야 하므로 가격 경쟁력이 떨어지게 된다. 또한 드라이버 자체가 전력을 사용함으로써 시스템의 전력 효율에 어느 정도 손실이 발생하게 된다.

이를 해결하기 위해 본 발명은 실내기(200)가 복수 개의 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수 개의 압축기를 구비한다. 복수 개의 압축기 중 적어도 하나는 도 18 또는 도 19를 참조하여 설명한 것과 유사한 용량 가변형 압축기이며, 용량 가변형 압축기의 전동 유닛으로서 영구자석매입형 유도동기릴럭턴스 모터를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 시스템은, 넓은 공간 또는 복수 개로 구획된 공간에서 복수 개의 실내기(200)를 구비하여, 복수 개의 실내기(200) 중 각각의 실내기(201, 202, 203)을 선택적으로 운전시킴으로써 소정의 영역 또는 선택된 공간에서만 냉, 난방을 할 수 있다.

실내기(200)는 복수 개가 서로 병렬로 연결되며, 각각의 실내기(201, 202, 203)와 실외기(100)를 제어할 수 있는 제어부(미도시)가 포함된다. 사용자는 각각 의 실내기(201, 202, 203)의 가동 여부와 가동되는 실내기(201, 202, 203)의 부하량(냉력)을 조절할 수 있다. 제어부(미도시)는 사용자로부터 각각의 실내기(201)(202)(203)의 가동 여부와 가동되는 실내기(201)(202)(203)의 부하량(냉력)을 입력받으면, 그에 대응하여 실외기(100)가 포함하는 압축기(100)의 압축 용량을 조절한다.

실외기(100)가 구비하는 압축기(100)는, 예를 들어 두 대의 압축기(101)(102)를 실외기(100)가 포함한다고 할 때, 둘 다 용량 가변형 압축기를 구비하는 것, 용량 가변형 압축기 하나와 정량 압축기 하나를 구비하는 것, 용량 가변형 압축기 하나와 인버터 압축기 하나를 구비하는 것과 같은 구성으로 할 수 있다. 또한 세 대 이상의 압축기를 구비할 때도 상기한 바와 같은 두 대의 압축기 구성과 하나의 용량 가변형 압축기를 더 포함하는 구성 및 하나의 용량 가변형 압축기와 두 대의 정량 압축기를 구비하는 구성 등으로 구성할 수 있다.

하나의 용량 가변형 압축기와 하나의 정량 정속형 압축기를 구비하는 경우, 정량 정속의 압축기의 용량은 용량 가변형 압축기의 최대 용량보다 클 수도 있고 작을 수도 있다.

도 22는 기존의 정량 정속형 압축기 2대를 포함하는 실외기의 압축 용량을 도시한 그래프이고, 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 한 대의 용량 가변형 압축기와 한 대의 정량 정속형 압축기를 포함하는 실외기의 압축 용량을 도시한 그래프이고, 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 대의 용량 가변형 압축기를 포함하는 실외기의 압축 용량을 도시한 그래프이고, 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따 른 한 대의 용량 가변형 압축기와 한 대의 인버터 압축기를 포함하는 실외기의 용량을 도시판 그래프이다.

도 22의 그래프를 살펴보면, 기존의 정량 정속형 압축기 2대를 포함하는 실외기의 경우에는 압축 용량을 3단계로밖에 조절할 수 없다. 예를 들어 용량이 서로 다른 두 대의 정량 정속형 압축기를 이용하는 경우, 저용량 압축기를 이용한 압축 용량, 고용량 압축기를 이용한 압축 용량 및 저용량 압축기+ 고용량 압축기를 함께 이용한 압축 용량의 세 단계로밖에 압축 용량을 조절할 수 없어 복수 개의 실내기에서 각각 여러 단계로 조절되는 다양한 냉력 변화에 효율적으로 대응할 수 없다.

그러나 도 22 내지 도 25의 그래프를 살펴보면, 본 발명에 따른 실외기는 압축 용량을 여러 단계로 조절할 수 있어, 복수 개의 실내기가 하나의 실외기에 연결된 멀티 공기 조화 시스템에서 실내기의 요구 부하가 여러 단계로 변경되어도 적절하게 대응할 수 있다.

도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 포함한 공기 조화 시스템의 다이어그램이고, 도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 시스템의 제어 방법을 도시한 플로우 차트이다.

공기 조화 시스템의 제어부(400)는 복수 개의 실내기(201, 202, 203) 각각으로부터 온/오프 신호 및 각각의 실내기(201, 202, 203)에서 필요로 하는 요구 냉력도 전송받는다(S1). 예를 들어, 제1 실내기(201)는 오프되고, 제2 실내기(202)와 제3 실내기(203)는 온되는 식으로 온/오프 신호를 전송받는 것과 동시에, 온된 제2 실내기(202)와 제3 실내기(203) 각각의 요구 냉력을 전송받는다.

복수 개의 실내기(201, 202, 203)의 총 요구 냉력과 실외기(1000)가 구비하는 복수 개의 압축기(101, 102)의 총 압축 용량은 같거나, 복수 개의 압축기(101, 102)의 총 압축 용량이 약간 큰 것이 바람직하다. 예를 들어 각 실내기(201, 202, 203)의 요구 냉력을 각각 100으로 하여 총 요구 냉력을 300으로 볼 때, 실외기(1000)의 압축 용량은 300이거나 이보다 약간 큰 것이 바람직하다. 예를 들어 실외기(1000)가 제1 압축기(101)와 제2 압축기(102) 두 개를 구비하면, 제1 압축기(101)와 제2 압축기(102)의 용량을 각각 150으로 할 수도 있고, 제1 압축기(101)의 용량을 100, 제2 압축기(120)의 용량을 200으로 할 수도 있는 등 압축기를 다양한 용량으로 조합할 수 있다.

실외기(1000)가 구비하는 압축기 중 하나는 도 18 또는 도 19에 예시된 것과 같은 용량 가변형 압축기인 것이 바람직하다. 이하의 설명에서는 제1 압축기(101)를 용량 가변형 압축기인 것을 예로 하여 설명한다. 제1 압축기(101)는 복수 개의 압축 유닛을 구비하며, 각각의 압축 유닛은 압축 용량이 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 도 19에 예시된 것과 같이 2개의 압축 유닛을 구비하는 용량 가변형 압축기의 경우, 제1 압축 유닛(30)은 50의 압축 용량을, 제2 압축 유닛(40)은 100의 압축 용량을 구비한다면, 용량 가변형 압축기의 압축 용량은 50, 100, 150의 세 단계로 가변될 수 있다. 또한 제2 압축기(102)는 일반적인 정량의 정속형 압축기일 수도 있고, 제1 압축기(101)와 동일한 용량 가변형 압축기일 수도 있으나, 정량의 정속형 압축기를 예로 들어 설명한다. 제2 압축기(102)는 150의 압축 용량을 가질 수 있다. 이를 통해, 실외기(1000)의 압축 용량은 50, 100, 150, 200, 250, 300의 6단계로 가변될 수 있다.

복수 개의 실내기(201, 202, 203)에서 요구되는 총 요구 냉력이 150 이하인 경우에는 용량 가변형인 제1 압축기(101)만을 이용하여 실내기에서 요구되는 요구 냉력보다 과다한 용량으로 작동 유체를 압축하여 에너지를 낭비하는 것을 방지할 수 있다. 또한 150을 초과하는 경우, 제1 압축기(101)와 제2 압축기(102)를 함께 가동하고, 제1 압축기(101)와 제2 압축기(102)의 용량을 조합하여 실내기(201, 202, 203)에서 요구하는 정도로만 작동 유체를 압축하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

S1에서 제1 실내기(201)는 오프, 제2 실내기(202)는 요구 냉력 50으로 온, 제3 실내기(203)은 요구 냉력 100으로 온되었다는 신호를 받은 경우, 제1 압축기(101)를 압축 용량 150으로 하여 작동시킨다는 결정을 한다(S2).

이때, 일반적인 공기 조화 시스템의 운전 중에는 용량 가변형 압축기인 제1 압축기(101)가 항상 이용된다. 전술한 바와 같이 영구자석 매입형 유도동기릴럭턴스 모터는 기동 시에 압축 유닛에 의해 모터에 걸리는 부하 이외에 영구 자석의 브레이킹 토크가 부하로 작동하기 때문에 초기 부하가 커지는 경향이 있다. 따라서 용량 가변형 압축기는 기동 시에는 실내기(200)의 총 요구 냉력과 무관하게 압축 용량을 작게 하여 기동한다. 즉, 압축 용량을 최대 부하인 150으로 하여 기동하지 않고, 그보다 작은 50 또는 100으로 하여 기동한다. 기동 시에 브레이킹 토크가 걸리는 것을 보상하기 위해 압축 유닛에 의한 부하를 작게 해줌으로써, 브레이킹 토크를 보상하기 위해 용량 가변형 압축기의 모터에 연결되는 커패시터의 용량이 커 질 필요가 없다. 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 공기 조화 시스템의 압축기가 구비하는 영구자석 매입형 유도동기릴럭턴스 모터는 커패시터의 용량과 기동 토크가 비례하는 경향을 보이는데, 기동 토크가 부하 토크를 이기고 모터가 기동되도록 하기 위해서 과다하게 큰 용량의 커패시터가 필요할 수 있으며, 이는 모터가 동기 속도로 정상 운전에 이르게 되면 전력의 낭비가 될 수 있다.

따라서, S2에서 결정된 압축기의 압축 용량과는 무관하게 용량 가변형 압축기인 제1 압축기(101)를 저부하, 즉, 압축 용량을 50 또는 100으로 하여 기동한다(S3). 이후, 제1 압축기(101)의 모터가 동기 운전에 접어들면, S2에서 결정된 압축 용량대로, 즉 압축 용량을 150으로 하여 정상 운전을 한다.

제1 압축기(101)만이 압축에 이용되는 것을 예로 들었으나, 실내기(200)의 요구 냉력이 큰 경우 제1 압축기(101)와 제2 압축기(102)를 동시에 기동시킬 수도 있고, 제1 압축기(101)와 제2 압축기(102)가 모두 영구자석 매입형 유도동기릴럭턴스 모터를 구비한 용량 가변형 압축기인 경우, 제1 압축기(101)와 제2 압축기(102)를 모두 저부하로 기동시킨다. 또한, 실외기에 구비된 압축기가 하나 이상인 경우, 실내기가 하나 이상인 경우, 압축기가 영구자석 매입형 유도동기릴럭턴스 모터를 구비한 용량 가변형 압축기라면 어떠한 공기 조화 시스템에도 상기와 같은 제어 방법을 적용할 수 있다.

도 1은 종래 유도 모터의 로터와 스테이터를 도시한 단면도;

도 2는 종래 유도 모터의 로터와 스테이터 코일을 간략하게 도시한 개념도;

도 3은 본 발명에 따른 모터의 로터와 스테이터 코일 회로를 간략하게 도시한 개념도，

도 4는 도 3에 도시된 로터의 일부분에 대한 확대 단면도;

도 5a 내지 도 5c는 도 3에 도시된 플럭스 배리어의 선단 형상에 대한 실시예들을 도시한 단면도，

도 6은 본 발명에 따른 모터의 로터 코어의 분해 사시도;

도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 모터의 최상층 단위 로터 코어의 평면도;

도 8은 본 발명에 일 형태에 따른 모터의 최하층 또는 본 발명의 다른 형태에 따른 모터의 최상층 단위 로터 코어의 평면도，

도 9는 본 발명의 일 형태에 따른 모터의 로터 상부 평면도;

도 10은 본 발명의 일 형태에 따른 모터의 로터 상부 평면도 또는 본 발명의 다른 형태에 따른 모터의 로터 하부 평면도，

도 11은 본 발명의 일 형태에 따른 모터의 상부 엔드링만을 도시한 사시도;

도 12는 본 발명의 일 형태에 따른 모터의 하부 또는 상부 엔드링만을 도시한 사시도;

도 13은 본 발명에 따른 모터의 기동토크와 캐패시터 사이의 관계를 도시한 그래프;

도 14는 본 발명의 모터가 구비하는 커패시터의 일 실시예를 도시한 도면;

도 15는 본 발명의 모터가 구비하는 스테이터의 코일과 커패시터의 회로도를 개략적으로 도시한 도면;

도 16은 본 발명에 따른 커패시터의 시간에 따른 기동 운전용 커패시터에 흐르는 전류를 도시한 그래프;

도 17은 본 발명에 따른 모터의 토크와 종래의 커패시터를 이용한 모터의 토크를 비교한 그래프;

도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압축기를 도시한 도면;

도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압축기를 도시한 도면;

도 20은 본 발명에 따른 모터 및 본 발명에 따른 압축기가 구비하는 모터의 기동 토크를 일반적인 유도 모터의 기동 토크와 비교한 그래프;

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 시스템을 도시한 도면;

도 22는 기존의 정량 정속형 압축기 2대를 포함하는 실외기의 압축 용량을 도시한 그래프;

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 한 대의 용량 가변형 압축기와 한 대의 정량 정속형 압축기를 포함하는 실외기의 압축 용량을 도시한 그래프;

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 대의 용량 가변형 압축기를 포함하는 실외기의 압축 용량을 도시한 그래프;

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 대의 용량 가변형 압축기와 한 대의 인버터 압축기를 포함하는 실외기의 용량을 도시판 그래프;

도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 포함한 공기 조화 시스템의 다이어그램;

도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 시스템의 제어 방법을 도시한 플로우 차트.

Claims

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복수 개의 압축기, 응축기, 사방 밸브 및 복수 개의 열교환기를 포함하는 공기 조화 시스템으로서,

복수 개의 압축기 중 적어도 하나는,

전원이 공급되는 코일 권선부를 구비하는 스테이터, 도체 바, 자속 장벽 및 자속 장벽 내에 삽입되는 영구 자석을 구비하며, 도체 바, 자속 장벽 및 영구 자석과 스테이터의 코일 권선부와의 상호전자기력으로 도체 바에 의해 유도 토크를 발생시키고 자속 장벽에 의해 릴럭턴스 토크를 발생시키고 영구 자석에 의해 자기 토크를 발생시킴으로써 회전하고, 기동시 부하 토크와 정상 운전시 부하 토크가 다른 로터 코일 권선부와 전기적으로 연결되는 커패시터를 구비하는 자기 시동형 모터;

작동 유체의 압축 용량을 가변할 수 있는 압축 유닛; 및

복수 개의 열교환기의 작동 여부를 제어하고, 복수 개의 열교환기에서 요구되는 냉력의 변화에 따라 복수 개의 압축기의 작동 여부 및 용량 가변형 압축기의 압축 용량을 조절하여 복수 개의 압축기의 총 용량을 복수 단계로 제어하는 제어부;를 포함하는 용량 가변형 압축기인 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제14항에 있어서,

복수 개의 압축기는, 하나의 정량 정속형 압축기와 하나의 용량 가변형 압축기를 포함하여, 복수 개의 압축기의 압축 용량의 조합이 선형적인 단계로 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제14항에 있어서,

복수 개의 압축기는, 둘 이상의 용량 가변형 압축기를 포함하여 복수 개의 압축기의 압축 용량의 조합이 선형적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제14항에 있어서,

복수 개의 압축기는, 하나의 인버터 압축기와 하나의 용량 가변형 압축기를 포함하여 복수 개의 압축기의 압축 용량의 조합이 선형적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

용량 가변형 압축기의 압축 유닛은, 복수 개의 로터리식 압축 유닛을 포함하고,

적어도 하나의 로터리식 압축 유닛은, 실린더에 베인이 삽입되는 베인 슬릿, 베인 슬릿의 외경측에 베인 슬릿과 연통하는 배압공간 및 베인의 후면에 흡입압 또는 토출압의 압력을 공급하여 상기한 베인을 지지하는 동시에 베인의 측면에 토출압의 압력을 공급하여 그 베인의 배면에 공급하는 압력과 측면에 공급하는 압력의 차이에 의해 상기한 베인이 구속 또는 해제되면서 롤링 피스톤와 압접되거나 이격되도록 하는 베인 제어유닛을 포함하여,

적어도 하나의 로터리식 압축 유닛의 가동 여부를 조절하여 압축 유닛의 총 압축 용량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제18항에 있어서,

베인 제어유닛은, 배압공간에 작동 유체를 유입할 수 있는 배압 연결관, 배압 연결관에 연결되며 압축 전 저압의 작동 유체가 유입되는 저압 연결관, 배압 연결관에 연결되어 압축 후 케이싱 내부의 고압의 작동 유체가 유입되는 고압 연결관, 저압 연결관을 개폐하는 밸브 및 고압 연결관을 개폐하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제18항에 있어서,

베인 제어유닛은, 배압공간에 작동 유체를 유입할 수 있는 배압 연결관, 배압 연결관에 연결되며 압축 전 저압의 작동 유체가 유입되는 저압 연결관, 배압 연결관에 연결되어 압축 후 고압의 작동 유체가 유입되는 고압 연결관 및 배압 연결 관을 통해 배압공간으로 유입되는 작동 유체를 조절할 수 있는 절환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

압축 유닛은, 복수 개의 로터리식 압축 유닛, 케이싱을 관통하여 실린더로 작동 유체를 흡입시키는 흡입 파이프, 흡입 파이프 상에 설치되어 흡입 파이프를 개폐하는 흡입 밸브를 포함하여,

흡입 밸브의 개폐에 따라 압축 유닛의 총 압축 용량이 가변되는 용량 가변형 압축기인 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

용량 가변형 압축기는, 기동 시에 압축 유닛의 압축 용량을 저용량으로 하여 자기 시동형 모터의 부하를 저부하로 기동하는 것을 특징으로 하는 공기 조화 시스템.
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