KR101412585B1 - 밀폐형 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐형 압축기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 밀폐형 압축기는, 교류형 동기모터의 로터에 마그네트를 삽입할 때 그 마그네트의 보자력이 최소 안정 보자력 이상으로 조절하게 되면 압축기가 과부하 조건에서 운전을 하더라도 상기 로터의 내부에 삽입된 마그네트가 보자력을 유지할 수 있어 압축기의 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러, 상기 동기모터의 로터를 제작할 때 최소 보자력 이상으로 제작함에 따라 보자력이 과도하게 제작되는 것에 비해 불필요한 비용을 절감할 수 있다.

LSPM 릴럭턴스 모터, 보자력,

Description

밀폐형 압축기{ROTARY COMPRESSOR}

본 발명은 밀폐형 압축기에 관한 것으로, 특히 LSPM 릴럭턴스모터(Line Start Permanent Magnet Reluctance Motor)를 적용한 로터리 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 냉매 압축기는 증기압축식 냉동사이클(이하, 냉동사이클로 약칭함)을 사용하는 공기 조화기, 실외 유닛 및 냉각 유닛에 널리 이용되고 있다. 냉매 압축기는 일정한 속도로 구동되는 등속형 압축기와, 회전 속도가 제어되는 인버터형 압축기가 사용되고 있다. 그리고 냉매 압축기는 통상 전동기인 구동모터와 그 구동모터에 의해 작동되는 압축부가 밀폐된 케이싱의 내부공간에 함께 설치되어 있다.

상기 냉매 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 스크롤식, 로터리식 등으로 구분될 수 있다. 그리고 상기 구동모터는 크게 교류모터와 직류모터로 구분될 수 있다.

가정용 전자제품에 사용되는 냉매 압축기는 통상 교류모터를 사용하고 있다. 교류모터의 일종인 LSPM 릴럭턴스 모터(이하,동기모터로 약칭함)는 로터(rotor)의 도체에 유기되는 전압에 의하여 생성되는 2차 전류와 스테이터(stator)의 권선에 의하여 발생되는 자속의 상호 작용에 의하여 발생되는 토오크로 회전을 하는 모터이다.

그리고 상기 동기모터는 케이지에 의한 토오크선분과 릴럭턴스 토오크(reluctance torque) 및 마그네트 토오크(magnet torque)의 합성 토오크에 의해 기동되고, 정격운전시에는 로터에 설치된 마그네트의 자속과 스테이터에서 발생되는 자속이 상호 동기화되어 스테이터의 회전 자계의 속도로 운전을 하게 된다.

상기와 같은 종래의 동기모터는 로터의 내부에 마그네트가 삽입되어 있으나, 상기 동기모터가 과부하로 운전을 할 때 그 모터의 온도가 상승함에 따라 마그네트의 보자력 특성이 감소되므로 인해 자석의 특성을 점차 상실하게 되고, 이로 인해 모터로 투입되는 전류(전류의 세기)가 증가하면서 모터의 효율이 저하될 수 있다. 즉, 상기 마그네트의 보자력(H)은 권선코일의 턴수(N)와 전류(I)에 비례하고 마그네트의 두께(d)에 반비례하게 되는데, 보자력이 점차 감소하게 되면 이를 보상하기 위해 전류가 증가하여야 하므로 그만큼 모터의 효율이 낮아지게 될 수 있는 것이다.

따라서, 상기 동기모터가 적용되는 밀폐형 압축기의 경우에는, 과부하로 운전할 때 상기 마그네트의 보자력 특성이 감소되면서 압축기의 효율이 낮아지는 문제점이 있었다. 예컨대, 기동전류가 45A이고 압축기의 내부온도가 100℃인 경우 보자력이 최소 748kA/m 이상이 되어야 압축기가 원활하게 작동을 하게 되나, 실제 상기 조건에서 측정한 결과 보자력이 705kA/m 정도로 감자가 급격하게 발생함에 따라 압축기가 원활하게 작동하지 않게 되거나 또는 압축기 효율이 저하되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 밀폐형 압축기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 마그네트의 최소 안정 보자력 계수를 선정하여 보자력 상실로 인한 압축기의 효율 저하를 미연에 방지할 수 있는 밀폐형 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀폐된 케이스의 내부에 설치되어 회전력을 발생하도록 코일이 감긴 스테이터와 마그네트가 삽입된 로터를 구비하는 구동모터; 및 상기 케이스의 내부에 설치되어 상기 구동모터의 회전력에 의해 냉매를 압축하는 압축유닛;을 포함하고, 상기 구동모터의 로터에 삽입되는 마그네트의 보자력 계수가 120~135℃에서 상기 코일에 인가되는 기동전류의 21.1배 이상이 되도록 형성되는 밀폐형 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 밀폐형 압축기는, 교류형 동기모터의 로터에 마그네트를 삽입할 때 그 마그네트의 보자력이 최소 안정 보자력 이상으로 조절하게 되면 압축기가 과부하 조건에서 운전을 하더라도 상기 로터의 내부에 삽입된 마그네트가 보자력을 유지할 수 있어 압축기의 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러, 상기 동기모터의 로터를 제작할 때 최소 보자력 이상으로 제작함에 따라 보자력이 과도하게 제작되는 것에 비해 불필요한 비용을 절감할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 밀폐형 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 에서는 상기 밀폐형 압축기의 일종인 로터리 압축기를 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 로터리 압축기는, 밀폐된 내부공간을 가지는 케이싱(1)과, 상기 케이싱(1)의 내부공간 상측에 설치되는 구동모터(2)와, 상기 구동모터(2)의 구동력을 전달받아 냉매를 압축하도록 실린더(31), 롤링피스톤(32), 베인(미도시) 등으로 된 베인식 압축부를 포함한다.

상기 케이싱(1)의 일측에는 냉매가 냉동사이클의 증발기에서 압축기의 압축부(3)로 흡입되는 흡입관(4)이 연결되고, 상기 케이싱(1)의 타측에는 냉매가 상기 압축부(3)에서 냉동사이클의 응축기로 토출되는 토출관(5)이 연결된다.

상기와 같은 본 발명의 로터리 압축기는, 상기 LSPM 동기모터인 구동모터(2)에서는 코일(24)에 전류가 인가되면, 스테이터(21)의 구조로 인해 발생되는 회전 자속과 로터(22)의 도체(22a)에서 발생되는 유도전류와의 상호 작용에 의해 로터(22)가 기동되어 회전하게 된다. 상기 로터(22)가 동기 속도에 이르게 되면 영구자석(22b)에 의한 토오크와 로터(22)의 구조에 기인하는 릴럭턴스 토오크가 발생되어 로터(22)가 회전되게 된다.

상기 로터(22)가 회전함에 따라 그 회전력이 구동축(23)을 통해 롤링피스톤(32)으로 전달되고, 그 롤링피스톤(32)이 구동축(23)에 대해 선회운동을 하면서 베인(미도시)과 함께 실린더(31)의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구분하게 된다. 이에 따라 냉매는 흡입관(4)을 통해 상기 흡입실로 흡입되었다가 롤링피스톤(32)을 따라 이동하면서 압축되어 토출실에서 케이싱(1)의 내부공간으로 토출되고, 이 냉매는 토출관(5)을 통해 냉동사이클의 응축기로 토출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

여기서, 상기 구동모터(2)는 상기 케이싱(1)의 내주면에 고정되어 회전자속을 발생하는 스테이터(21)와, 상기 스테이터(21)의 내측에서 회전 가능하게 배치되어 상기 스테이터(21)의 회전자속과 상호작용을 하면서 회전하도록 유도전류를 발생하는 로터(22)로 이루어진다.

상기 스테이터(21)는 다수 개의 강판시트들이 적층되어 고정측 적층체(21a)가 형성되고, 상기 고정측 적층체(21a)의 중앙에는 상기 로터(22)가 삽입되도록 로터구멍(21b)이 형성되며, 상기 로터구멍(21b)의 주변에는 회전자속을 발생시키는 코일이 권선되도록 다수 개의 슬롯들(21c)이 형성된다.

상기 로터(22)는 다수 개의 강판시트들이 적층되어 로터 적층체(이하, 회전측 적층체로 명명함)(22a)가 형성되고, 상기 회전측 적층체(22a)의 중앙에는 상기 구동축(23)이 압입되도록 축구멍(22b)이 형성된다. 그리고 상기 강판시트들의 가장자리에는 원주방향을 따라 도체바(25)가 삽입되도록 도체구멍(22c)이 형성되고, 상기 도체구멍(22c)과 축구멍(22b)의 사이에는 복수 개의 마그네트들(26)이 삽입되도록 복수 개의 마그네트구멍들(22d)이 형성된다. 그리고 상기 로터(22)는 그 회전측 적층체(22a)의 상단과 하단에 각각 도체바(25)가 서로 연결되는 동시에 상기 마그 네트(26)를 축방향으로 지지할 수 있도록 상측엔드링(27)과 하측엔드링(28)이 형성된다.

상기 마그네트(26)는 그 보자력이 압축기의 과부하 운전시에도 적정한 범위를 유지하도록 할 수 있어야 압축기의 효율을 유지할 수 있다. 예컨대, 상기 압축기의 운전시 구동모터(2)의 온도가 100℃일 때 상기 마그네트(26)의 보자력이 적어도 748kA/m 이상이 될 수 있도록 조절되어야 한다.

이를 위해, 상기 마그네트(26)의 재질을 고효율을 낼 수 있는 재질(예를 들어 N38UH, N33EH 등)로 제작하거나 또는 마그네트(26)의 보자력이 마그네트(26)의 두께에 반비례하는 점을 고려하여 상기 마그네트의 두께를 얇게 제작할 수 있다. 또, 상기 마그네트(26)의 보자력이 스테이터(21)에 감기는 코일(24)의 턴수와 전류의 세기, 즉 기동전류에 비례하는 점을 고려하여 상기 코일(24)의 턴수를 늘리거나 전류의 세기를 증가시킬 수 있다. 하지만, 압축기의 용량이 결정되면 대략 코일(24)의 턴수와 기동전류가 결정되므로 결국 상대적으로 쉽게 가변할 수 있는 변수는 마그네트의 두께이다. 따라서 마그네트(26)의 두께를 적절하게 조절하여 마그네트 보자력(H)을 적정 범위로 조절할 수 있다. 여기서, 마그네트의 적정 보자력, 즉 최소 안정 보자력(H)은 모터의 온도가 120~135℃일 때 보자력 계수가 기동전류의 21.1배 이상이 될 수 있도록 제작하는 것이 비용을 최소로 하면서도 압축기의 효율을 유지할 수 있는 것이다.

도 2는 스테이터의 코일 턴수를 276회, 기동전류를 45A, 마그네트의 두께를 8mm로 정했을 때 온도 변화에 따른 각 재질의 마그네트에 대한 보자력의 변화를 실 험한 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, N33EH(이하, 제1종)의 마그네트는 100℃에서 보자력이 대략 1400kA/m 정도가 되고, 120℃에서 대략 1250kA/m, 135℃에서 대략 1100kA/m, 150℃에서 대략 1000kA/m 정도가 됨을 알 수 있다. 그리고 N38UH(이하, 제2종)의 마그네트는 100℃에서 보자력이 대략 1200kA/m 정도가 되고, 120℃에서 대략 1000kA/m, 135℃에서 대략 900kA/m, 150℃에서 대략 750kA/m 정도가 됨을 알 수 있다.

도 3은 제1종의 마그네트가 적용된 로터리 압축기에 대해 마그네트의 보자력 계수가 기동전류 대비 21.1배 이하인 경우(종래)와 이상인 경우(본 발명)를 각각 비교하여 보인 실험표이다.

이에 도시된 바와 같이 마그네트의 보자력이 최소 안정 보자력 기준보다 높은 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 냉력은 높고 입력은 낮아 에너지효율(EER)이 상대적으로 높게 나타난 것을 알 수 있다. 따라서, 교류형 동기모터의 로터에 마그네트를 삽입할 때 그 마그네트의 보자력이 최소 안정 보자력 이상으로 조절하게 되면 압축기가 과부하 조건에서 운전을 하더라도 상기 로터의 내부에 삽입된 마그네트가 보자력을 유지할 수 있어 압축기의 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러, 상기 동기모터의 로터를 제작할 때 최소 보자력 이상으로 제작함에 따라 보자력이 과도하게 제작되는 것에 비해 불필요한 비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 의한 밀폐형 압축기는 전술한 바와 같이 로터리 압축기뿐만 아니 라 동기모터를 적용한 다른 압축기에도 동일하게 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명 LSPM 릴럭턴스 모터를 적용한 로터리 압축기의 일례를 보인 종단면도,

도 2는 도 1에 따른 LSPM 릴럭턴스 모터에서, 스테이터의 코일 턴수를 276회, 기동전류를 45A, 마그네트의 두께를 8mm로 정했을 때 온도 변화에 따른 각 재질의 마그네트에 대한 보자력의 변화를 실험한 그래프,

도 3은 도 1에 따른 LSPM 릴럭턴스 모터에서, N33EH 마그네트가 적용된 로터리 압축기에 대해 마그네트의 보자력이 기동전류 대비 21.1배 이하인 경우(종래)와 이상인 경우(본 발명)를 각각 비교하여 보인 실험표.

Claims (1)

1. 밀폐된 케이스의 내부에 설치되어 회전력을 발생하도록 코일이 감긴 스테이터와 마그네트가 삽입된 로터를 구비하는 구동모터; 및

   상기 케이스의 내부에 설치되어 상기 구동모터의 회전력에 의해 냉매를 압축하는 압축유닛;을 포함하고,

   상기 구동모터의 로터에 삽입되는 마그네트의 보자력 계수가 120~135℃에서 상기 코일에 인가되는 기동전류의 21.1배 이상이 되도록 형성되는 밀폐형 압축기.

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