KR101454549B1 - 리니어 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤; 및 상기 피스톤에 추력을 제공하는 리니어 모터가 포함되며, 상기 리니어 모터에는, 제 1 스테이터 자극, 제 2 스테이터 자극 및 상기 제 1 스테이터 자극과 제 2 스테이터 자극의 사이에 규정되는 개구부를 포함하는 아우터 스테이터; 상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터; 및 상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터 사이의 에어 갭에 이동 가능하게 배치되며, 3개의 극을 포함하는 영구자석이 포함되고, 상기 3개의 극에는, 2개의 양단 자극; 및 상기 2개의 양단 자극의 사이에 배치되며 상기 양단 자극의 길이보다 길게 형성된 중앙 자극이 포함된다.

Description

리니어 압축기{A linear compressor}
본 발명은 리니어 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축하여 압력을 높여주는 기계장치로서, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
이러한 압축기를 크게 분류하면, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor) 및 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되고 상기 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전하면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 구분될 수 있다.
최근에는 상기 왕복동식 압축기 중에서 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없이 압축효율을 향상시킬 수 있고 간단한 구조로 구성되는 리니어 압축기가 많이 개발되고 있다.
보통, 리니어 압축기는 밀폐된 쉘 내부에서 피스톤이 리니어 모터에 의해 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하도록 움직이면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음 토출시키도록 구성된다.
상기 리니어 모터는 이너 스테이터 및 아우터 스테이터 사이에 영구자석이 위치되도록 구성되며, 영구자석은 영구자석과 이너(또는 아우터) 스테이터 간의 상호 전자기력에 의해 직선 왕복 운동하도록 구동된다. 그리고, 상기 영구자석이 피스톤과 연결된 상태에서 구동됨에 따라, 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선운동하면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 한다.
종래의 리니어 압축기와 관련하여, 본 출원인은 특허출원(이하, 종래 출원)을 실시한 바 있다 (공개번호 10-2010-0010421).
상기 종래 출원에 따른 리니어 압축기에는, 리니어 모터로서 코어블록(242) 및 코일 권선체(241)를 구비하는 아우터 스테이터(240), 이너 스테이터(220) 및 영구자석(260)이 포함되고, 피스톤(140)의 일단은 영구자석(260)과 연결된다.
여기서, 상기 영구자석(260)은 하나의 극성을 가지는 1개의 자석으로 구성되며, 희토류 자석으로 이루어질 수 있다.
상기 영구자석(260)과, 이너 스테이터(220) 및 아우터 스테이터(240)의 상호 전자기력에 의해 영구자석(260)이 왕복 직선운동하면, 상기 피스톤(140)은 상기 영구자석(260)과 함께 실린더(130)의 내부에서 왕복 직선운동한다.
이러한 종래 기술에 의하면, 상기 영구자석이 1개의 자석으로 구성되어, 아우터 스테이터의 코어블럭의 양극과 상호 작용하게 된다. 이 때, 1개의 자석에서 발생하는 자속의 양이 충분하지 않게 되고, 이를 보상하기 위하여 상기 영구자석의 양(길이 또는 두께)를 크게 하여야 하는 문제점이 있었다.
또한, 상기 영구자석이 값비싼 희토류 자석으로 이루어짐으로써, 상기한 이유로 영구자석의 양이 많이 요구될수록 상기 리니어 압축기의 제조비용이 급격하게 상승되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 충분한 힘(추력)을 발생할 수 있는 리니어 모터를 구비하는 리니어 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기에는, 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤; 및 상기 피스톤에 추력을 제공하는 리니어 모터가 포함되며, 상기 리니어 모터에는, 제 1 스테이터 자극, 제 2 스테이터 자극 및 상기 제 1 스테이터 자극과 제 2 스테이터 자극의 사이에 규정되는 개구부를 포함하는 아우터 스테이터; 상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터; 및 상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터 사이의 에어 갭에 이동 가능하게 배치되며, 3개의 극을 포함하는 영구자석이 포함되고, 상기 3개의 극에는, 2개의 양단 자극; 및 상기 2개의 양단 자극의 사이에 배치되며 상기 양단 자극의 길이보다 길게 형성된 중앙 자극이 포함된다.
이러한 본 발명에 의하면, 영구자석이 3개의 극성을 가지는 자석으로 구성되어 발생되는 자속의 양이 증대될 수 있고, 증대된 영구자석의 자속이 아우터 스테이터에서 발생되는 자속과 상호 작용하므로, 피스톤에 작용하는 추력이 커질 수 있다는 장점이 있다.
또한, 아우터 스테이터에 제공되는 자극간의 개구부의 길이가, 아우터 스테이터와 이너 스테이터 사이의 공극(에어 갭, Air gap) 이상으로 유지될 수 있으므로, 누설되는 자속을 줄이고 공극 자속, 즉 아우터 스테이터에 발생되어 이너 스테이터로 향하는 자속의 크기를 증대할 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 공극 자속과 영구자석의 자속이 상호 작용하여 높은 추력을 발생할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 3극으로 구성된 영구자석에 있어서, 양 단의 자극 길이가 아우터 스테이터의 자극 길이에 대하여 소정의 비율로 구성됨으로써, 리니어 모터에 인가되는 전류에 대비하여 발생되는 추력을 증대시키고 코깅 힘(또는 토크)를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 3극으로 구성된 영구자석에 있어서, 중앙 자극의 길이가 양 단의 자극의 길이보다는 길고, 양 단의 자극의 길이의 2배 이하로 구성됨으로써, 발생되는 추력을 증대시키고 코깅 힘(또는 토크)를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 피스톤과 실린더를 비자성체인 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성함으로써, 피스톤 또는 실린더를 통하여 자속이 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 영구자석은 저렴한 페라이트 소재로 형성되므로, 모터 어셈블리의 제조비용이 절감될 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 리니어 모터의 구동에 따라 축방향으로 왕복 운동하는 영구자석을 모습을 보여주는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 리니어 모터의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 7A는 T1의 자극 팁 간격을 가지는 리니어 모터에서의 자속을 보여주는 도면이고, 도 7B는 T2의 자극 팁 간격을 가지는 리니어 모터에서의 자속을 보여주는 도면이다.
도 7C는 도 7A와 도 7B의 구성에 따른 리니어 모터에서의 누설 자속의 크기를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 하사점의 위치에 있을 때, 이에 대응하는 영구자석의 위치를 보여주는 리니어 모터의 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 상사점의 위치에 있을 때, 이에 대응하는 영구자석의 위치를 보여주는 리니어 모터의 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 양 단 자극의 길이에 따라 발생되는 추력의 크기를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 양 단 자극의 길이에 따라 코깅 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 중앙 자극의 길이에 따라 발생되는 추력의 크기를 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 중앙 자극의 길이에 따라 코깅 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기(10)에는, 쉘(110)의 내부에 제공되는 실린더(120)와, 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동하는 피스톤(130) 및 상기 피스톤(130)에 구동력을 부여하는 리니어 모터로서 모터 어셈블리(200)가 포함된다. 상기 쉘(110)은 상부 쉘 및 하부 쉘이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 쉘(110)에는, 냉매가 유입되는 흡입부(101) 및 상기 실린더(120)의 내부에서 압축된 냉매가 배출되는 토출부(105)가 포함된다. 상기 흡입부(101)를 통하여 흡입된 냉매는 흡입 머플러(140)를 거쳐 상기 피스톤(130)의 내부로 유동한다. 냉매가 상기 흡입 머플러(140)를 통과하는 과정에서, 소음이 저감될 수 있다.
상기 피스톤(130)은 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다. 상기 피스톤(130)이 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 상기 모터 어셈블리(200)에서 발생된 자속이 상기 피스톤(130)에 전달되어 상기 피스톤(130)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 피스톤(130)은 단조 방법에 의하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 실린더(120)는 비자성체인 알루미늄 소재(알루미늄 또는 알루미늄 합금)로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 소재 구성비, 즉 종류 및 성분비는 동일할 수 있다.
상기 실린더(120)가 알루미늄 소재로 구성됨으로써, 상기 모터 어셈블리(200)에서 발생된 자속이 상기 실린더(120)에 전달되어 상기 실린더(120)의 외부로 누설되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고, 상기 실린더(120)는 압출봉 가공방법에 의하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)가 동일한 소재(알루미늄)로 구성됨으로써 열팽창 계수가 서로 같게 된다. 리니어 압축기(10)의 운전간, 상기 쉘(100) 내부는 고온(약 100℃)의 환경이 조성되는데, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)의 열팽창 계수가 동일하므로, 상기 피스톤(130)과 실린더(120)는 동일한 양만큼 열변형 될 수 있다.
결국, 피스톤(130)과 실린더(120)가 서로 다른 크기 또는 방향으로 열변형 됨으로써, 피스톤과(130)의 운동간에 상기 실린더(120)와 간섭이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 실린더(120)의 내부에는, 상기 피스톤(130)에 의하여 냉매가 압축되는 압축 공간(P)이 형성된다. 그리고, 상기 피스톤(130)에는, 상기 압축 공간(P)으로 냉매를 유입시키는 흡입공(131a)이 형성되며, 상기 흡입공(131a)의 일측에는 상기 흡입공(131a)을 선택적으로 개방하는 흡입 밸브(132)가 제공된다.
상기 압축 공간(P)의 일측에는, 상기 압축 공간(P)에서 압축된 냉매를 배출시키기 위한 토출밸브 어셈블리(170,172,174)가 제공된다. 즉, 상기 압축 공간(P)은 상기 피스톤(130)의 일측 단부와 토출밸브 어셈블리(170,172,174)의 사이에 형성되는 공간으로서 이해된다.
상기 토출밸브 어셈블리(170,172,174)에는, 냉매의 토출 공간을 형성하는 토출 커버(172)와, 상기 압축 공간(P)의 압력이 토출압력 이상이 되면 개방되어 냉매를 상기 토출 공간으로 유입시키는 토출 밸브(170) 및 상기 토출 밸브(170)와 토출 커버(172)의 사이에 제공되어 축 방향으로 탄성력을 부여하는 밸브 스프링(174)이 포함된다.
여기서, 상기 "축 방향"이라 함은, 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향, 즉 도 1에서 가로 방향으로 이해될 수 있다. 반면에, "반경 방향"이라 함은 상기 피스톤(130)이 왕복운동 하는 방향에 수직한 방향으로서, 도 1의 세로 방향으로 이해될 수 있다.
상기 흡입 밸브(132)는 상기 압축 공간(P)의 일측에 형성되고, 상기 토출 밸브(170)는 상기 압축 공간(P)의 타측, 즉 상기 흡입 밸브(132)의 반대측에 제공될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 왕복 직선운동 하는 과정에서, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력보다 낮고 흡입압력 이하가 되면 상기 흡입 밸브(132)가 개방되어 냉매는 상기 압축 공간(P)으로 흡입된다. 반면에, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 흡입압력 이상이 되면 상기 흡입 밸브(132)가 닫힌 상태에서 상기 압축공간(P)의 냉매가 압축된다.
한편, 상기 압축공간(P)의 압력이 상기 토출압력 이상이 되면, 상기 밸브 스프링(174)이 변형하여 상기 토출 밸브(170)를 개방시키고, 냉매는 상기 압축공간(P)으로부터 토출되어, 토출 커버(172)의 토출공간으로 배출된다.
그리고, 상기 토출 공간의 냉매는 상기 토출 머플러(176)를 거쳐 루프 파이프(178)로 유입된다. 상기 토출 머플러(176)는 압축된 냉매의 유동 소음을 저감시킬 수 있으며, 상기 루프 파이프(178)는 압축된 냉매를 상기 토출부(105)로 가이드 한다. 상기 루프 파이프(178)는 상기 토출 머플러(176)에 결합되어 굴곡지게 연장되며, 상기 토출부(105)에 결합된다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 프레임(110)이 더 포함된다. 상기 프레임(110)은 상기 실린더(200)를 고정시키는 구성으로서, 상기 실린더(200)와 일체로 구성되거나 별도의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다. 그리고, 상기 토출 커버(172) 및 토출 머플러(176)는 상기 프레임(110)에 결합될 수 있다.
상기 모터 어셈블리(200)에는, 상기 프레임(110)에 고정되어 상기 실린더(120)를 둘러싸도록 배치되는 아우터 스테이터(210)와, 상기 아우터 스테이터(210)의 내측으로 이격되어 배치되는 이너 스테이터(220) 및 상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220)의 사이 공간에 위치하는 영구자석(230)이 포함된다.
상기 영구자석(230)은, 상기 아우터 스테이터(210) 및 이너 스테이터(220)와의 상호 전자기력에 의하여 직선 왕복 운동할 수 있다. 그리고, 상기 영구자석(230)은 1개의 극을 가지는 단일 자석으로 구성되거나, 3개의 극을 가지는 다수의 자석이 결합되어 구성될 수 있다.
상기 영구자석(230)은 연결부재(138)에 의하여 상기 피스톤(130)에 결합될 수 있다. 상기 연결부재(138)는 상기 피스톤(130)의 일측 단부로부터 상기 영구자석(130)으로 연장될 수 있다. 상기 영구자석(230)이 직선 이동함에 따라, 상기 피스톤(130)은 상기 영구자석(230)과 함께 축 방향으로 직선 왕복 운동할 수 있다.
상기 아우터 스테이터(210)에는, 코일 권선체(213,215) 및 스테이터 코어(211)가 포함된다.
상기 코일 권선체(213,215)에는, 보빈(211) 및 상기 보빈(211)의 원주 방향으로 권선된 코일(215)이 포함된다. 상기 코일(215)의 단면은 다각형 형상을 가질 수 있으며, 일례로 육각형의 형상을 가질 수 있다.
상기 스테이터 코어(211)는 복수 개의 라미네이션(lamination)이 원주 방향으로 적층되어 구성되며, 상기 코일 권선체(213,215)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 아우터 스테이터(210)의 일측에는 스테이터 커버(240)가 제공된다. 상기 아우터 스테이터(210)의 일측단은 상기 프레임(110)에 의하여 지지되며, 타측단은 상기 스테이터 커버(240)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 이너 스테이터(220)는 상기 실린더(120)의 외주에 고정된다. 그리고, 상기 이너 스테이터(220)는 복수 개의 라미네이션이 상기 실린더(120)의 외측에서 원주 방향으로 적층되어 구성된다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 피스톤(130)을 지지하는 서포터(135) 및 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하여 연장되는 백 커버(115)가 더 포함된다. 상기 백 커버(115)는 상기 흡입 머플러(140)의 적어도 일부분을 커버하도록 배치될 수 있다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 피스톤(130)이 공진 운동할 수 있도록 각 고유 진동수가 조절된 복수의 스프링(151,155)이 포함된다.
상기 복수의 스프링(151,155)에는, 상기 서포터(135)와 스테이터 커버(240)의 사이에 지지되는 제 1 스프링(151) 및 상기 서포터(135)와 백 커버(115)의 사이에 지지되는 제 2 스프링(155)이 포함된다.
상기 제 1 스프링(151)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 양측에 복수 개가 제공될 수 있으며, 상기 제 2 스프링(155)은 상기 실린더(120) 또는 피스톤(130)의 전방으로 복수 개가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 "전방"이라 함은 상기 피스톤(130)으로부터 상기 흡입부(101)를 향하는 방향으로서 이해될 수 있다. 즉, 상기 흡입부(101)로부터 상기 토출밸브 어셈블리(170,172,174)를 향하는 방향을 "후방"이라 이해될 수 있다. 이 용어는 이하의 설명에서도 동일하게 사용될 수 있다.
상기 쉘(100)의 내부 바닥면에는 소정의 오일이 저장될 수 있다. 그리고, 상기 쉘(100)의 하부에는 오일을 펌핑하는 오일 공급장치(160)가 제공될 수 있다. 상기 오일 공급장치(160)는 상기 피스톤(130)이 왕복 직선운동 함에 따라 발생되는 진동에 의하여 작동되어 오일을 상방으로 펌핑할 수 있다.
상기 리니어 압축기(10)에는, 상기 오일 공급장치(160)로부터 오일의 유동을 가이드 하는 오일 공급관(165)이 더 포함된다. 상기 오일 공급관(165)은 상기 오일 공급장치(160)로부터 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간까지 연장될 수 있다.
상기 오일 공급장치(160)로부터 펌핑된 오일은 상기 오일 공급관(165)을 거쳐 상기 실린더(120)와 피스톤(130)의 사이 공간으로 공급되어, 냉각 및 윤활 작용을 수행한다.
도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대한 단면도이고, 도 3 및 도 4는 리니어 모터의 구동에 따라 축방향으로 왕복 운동하는 영구자석을 모습을 보여주는 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 아우터 스테이터(210)에는, 복수 개의 라미네이션(lamination)이 원주 방향으로 적층되어 구성된 스테이터 코어(211)가 포함된다. 상기 스테이터 코어(211)는, 제 1 코어(211a) 및 제 2 코어(211b)가 결합부(211c)에서 결합되도록 구성된다.
상기 스테이터 코어(211)의 내부에는, 상기 보빈(213) 및 코일(215)이 배치되는 수용공간이 규정되며, 상기 수용공간의 일측부에는 개방된 개구부(219)가 형성된다. 즉, 상기 제 1 코어(211a)와 제 2 코어(211b)는, 상기 스테이터 코어(211)가 대략 중앙부에 개구부(219)가 형성되어 C 형상을 가지도록, 결합될 수 있다.
상기 제 1 코어(211a)에는, 상기 영구자석(230)과 작용하는 제 1 스테이터 자극(217)이 포함된다. 그리고, 상기 제 2 코어(211b)측에는, 상기 영구자석(230)과 작용하는 제 2 스테이터 자극(218)이 형성된다. 상기 제 1 스테이터 자극(217)과 제 2 스테이터 자극(218)은 각각 상기 제 1 코어(211a) 및 제 2 코어(211b)의 일부분일 수 있다.
상기 개구부(219)는 상기 제 1 스테이터 자극(217)과 제 2 스테이터 자극(218) 사이의 공간으로서 이해될 수 있다.
상기 영구자석(230)은 상대적으로 저렴한 페라이트 소재로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 영구자석(230)에는, 극성이 교번하여 배치되는 다수의 극(231,232,233)이 포함된다. 상기 다수의 극(231,232,233)에는, 서로 결합되는 제 1 극(231), 제 2 극(232) 및 제 3 극(233)이 포함된다.
상기 모터 어셈블리(200)에 전류가 인가되면, 상기 코일(215)에 전류가 흐르게 되고, 상기 코일(215)에 흐르는 전류에 의해 상기 코일(215) 주변에 자속(flux)이 형성되며, 상기 자속은 상기 아우터 스테이터(210) 및 이너 스테이터(220)를 따라 폐회로를 형성하면서 흐르게 된다.
이 때, 상기 제 1 스테이터 자극(217)은 N극과 S극 중 어느 하나의 극을 형성하고, 상기 제 2 스테이터 자극(218)은 N극과 S극 중 다른 하나의 극을 형성할 수 있다 (도 5의 실선 화살표 A 참조).
상기 영구자석(231,232,233)은, 상기 아우터 스테이터(210) 및 이너 스테이터(220)에 흐르는 자속과 상기 영구자석(231,232,233)에 의해 형성되는 자속의 상호 작용력에 의하여, 상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220) 사이에서 축방향으로 직선 운동하게 된다.
그리고, 상기 피스톤(130)은 상기 영구자석(231,232,233)의 움직임에 의하여 상기 실린더(120)의 내부에서 이동할 수 있다.
한편, 상기 코일(215)에 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 되면, 상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220)를 통과하는 자속의 방향이 바뀌게 된다. 즉, 위 예에서, 상기 제 1 스테이터 자극(217)과 제 2 스테이터 자극(218)의 극성은 서로 바뀌게 된다. 따라서, 상기 영구자석(231,232,233)의 운동 방향은 반대로 형성되며, 이에 따라 상기 피스톤(130)의 운동방향도 바뀌게 된다. 이와 같은 자속의 방향이 반복적으로 바뀌면서, 상기 피스톤(130)은 직선 왕복운동 할 수 있게 된다.
도 3은 상기 영구자석(231,232,233)이 일방향으로 이동하여 상기 제 1 스프링(151)이 인장된 모습을 도시하며, 도 4는 상기 영구자석(231,232,233)이 타방향으로 이동하여 상기 제 2 스프링(151)이 압축된 모습을 도시한다.
도 3과 도 4의 모습이 반복적으로 이루어지면서, 상기 영구자석(231,232,233) 및 피스톤(130)은 직선 왕복운동을 수행할 수 있다. 일례로, 상기 영구자석(231,232,233)이 도 3의 위치에 있을 때, 상기 피스톤(130)은 하사점(Bottom Dead Center, BDC)에 있게 되며, 상기 영구자석(231,232,233)이 도 4의 위치에 있을 때, 상기 피스톤(130)은 상사점(Top Dead Center, TDC)에 있게 된다.
여기서, 하사점(Bottom Dead Center, BDC)이라 함은, 상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 가장 낮게 있을 때의 위치(하한점), 즉, 상기 피스톤(130)이 상기 압축공간(P)으로부터 가장 멀리 있을때의 위치를 의미한다.
그리고, 상사점(Top Dead Center, TDC)이라 함은, 상기 피스톤(130)이 상기 실린더(120)의 내부에서 가장 높게 있을 때의 위치, 즉, 상기 피스톤(130)이 상기 압축공간(P)으로부터 가장 가까이 있을때의 위치를 의미한다.
이하에서는, 상기 모터 어셈블리(200)의 구조에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5 및 도 6은 리니어 모터의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제 1 코어(211a)의 제 1 스테이터 자극(217)과, 제 2 코어(211b)의 제 2 스테이터 자극(218)은 개구부(219)를 기준으로 이격되어 배치된다.
상세히, 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 단부에는 제 1 팁(217a)이 형성되며, 상기 제 2 스테이터 자극(218)에는, 제 2 팁(218a)이 형성된다. 상기 개구부(219)는 상기 제 1 팁(217a)과 제 2 팁(218a)의 이격된 부분으로서 이해될 수 있다. 상기 개구부(219)의 축방향 길이는 "T"로 규정하며, 제 1,2 팁(217a,218a)간 간격으로 이해될 수 있다.
한편, 상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220) 사이의 간극은, 공극(Air gap)으로서 이해된다.
상세히, 상기 공극은 상기 아우터 스테이터(210)에서 발생되는 자속과 상기 영구자석(230)의 자속이 만나는 부분으로서, 상기 자속들의 상호 작용에 의하여 상기 영구자석(230)에 대한 추력이 형성될 수 있다. 상기 공극의 높이는 "G"로 규정한다.
상기 영구자석(230)은 상기 공극 내에서 왕복운동 하여야 하므로, 상기 영구자석(230)의 두께(MT)는 상기 공극의 높이(G)보다 작게 형성될 수 있다.
한편, 도 5와 기재된 바와 같이, 자속이 시계 방향으로 형성되도록 전류가 상기 코일(215)에 인가되는 경우, 일부의 자속은 상기 제 2 스테이터 자극(218), 상기 영구자석(230) 및 이너 스테이터(220)를 거쳐 상기 제 1 스테이터 자극(217)을 지나게 된다. 여기서, 상기 일부의 자속을 "공극 자속"이라 이름할 수 있으며, 상기 공극 자속은 상기 영구자석(230)에 대한 추력을 발생하는 데 도움을 준다 (실선 화살표 A).
그리고, 나머지 자속은 상기 제 2 스테이터 자극(218)으로부터 상기 제 1 스테이터 자극(217)을 지나도록 형성될 수 있다. 상기 나머지 자속은 상기 영구자석(230)에 작용하는 추력에 도움을 주지 않는 자속으로서 "누설 자속"이라 이름할 수 있다 (점선 화살표).
상기 공극의 높이(G)와, 상기 개구부(219)의 축방향 길이(T)간에 관계식을 규정한다.
상기한 바와 같이, 상기 자속에는 공극 자속 및 누설 자속이 포함될 수 있다. 상기 공극 자속 및 누설 자속 중 어느 하나의 자속이 커지면, 다른 하나의 자속의 크기는 상대적으로 작아질 수 있다.
상기 공극 자속과 누설 자속의 비율은 상기 공극의 높이(G)와, 상기 개구부(219)의 축방향 길이(T)의 비율에 따라 달라질 수 있다.
상세히, 상기 공극의 높이(G)가 커질수록 상기 아우터 스테이터(210)와 이너 스테이터(220)간의 간격이 커지므로, 상기 아우터 스테이터(210)로부터 상기 이너 스테이터(220)로 흐르는 자속의 크기가 작아지게 된다. 즉, 공극 자속의 크기가 작아지게 된다.
그리고, 상기 개구부(219)의 축방향 길이(T)가 작아질수록 상기 제 1 스테이터 자극(217)과 제 2 스테이터 자극(218)간의 간격이 작아지므로 상기 제 1 스테이터 자극(217) 및 제 2 스테이터 자극(217) 중 어느 하나의 자극으로부터 다른 하나의 자극으로 흐르는 자속의 크기가 커지게 된다. 즉, 누설 자속의 크기가 커지게 된다.
따라서, 상기 누설 자속을 줄이고 상기 공극 자속을 상대적으로 증가시키기 위하여, 상기 개구부(219)의 축방향 길이(T)는 상기 공극의 높이(G) 이상으로 형성될 수 있다. 즉, T≥G가 성립할 수 있다. 이와 관련된 효과는 도 7A 내지 도 7C에서 확인될 수 있다.
도 7A는 T1의 자극 팁 간격을 가지는 리니어 모터에서의 자속을 보여주는 도면이고, 도 7B는 T2의 자극 팁 간격을 가지는 리니어 모터에서의 자속을 보여주는 도면이고, 도 7C는 도 7A와 도 7B의 구성에 따른 리니어 모터에서의 누설 자속의 크기를 보여주는 도면이다.
도 7A는 상기 개구부(219)의 축방향 길이가 T1인 경우, 상기 모터 어셈블리(200)에서 발생되는 자속의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 7B는 상기 개구부(219)의 축방향 길이가 T2인 경우, 상기 모터 어셈블리(200)에서 발생되는 자속의 흐름을 나타낸 도면이다.
상기 T2는 T1보다 큰 값을 가지며, 일례로, 상기 T1은 3mm, T2는 9mm일 수 있다.
그리고, 도 7A 및 도 7B의 경우 모두, 공극의 높이는 G로서 동일하다.
도 7A 및 도 7B에 있어서, 상기 개구부(219)의 중심을 관통하는 반경 방향의 제 1 라인이, 상기 이너 스테이터(220)와 만나는 일 지점을 원점(O)이라 할 때, 상기 제 1,2 스테이터 자극(217,218)을 연결하는 제 2 라인과 교차하는 지점을 P1(제 1 지점)이라 할 수 있다. 상기 원점(O)과 P1간의 간격은 공극의 높이에 대응될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 라인이 상기 결합부(211c)와 교차하는 보빈(213)상의 지점을 P2(제 2 지점)라 규정할 때, 도 7C에는 상기 모터 어셈블리(200)에서 누설되는 자속이 도시된다.
상세히, 도 7A와 같이, 상기 공극의 높이 G에 대하여, 상기 개구부(219)의 축방향 길이가 상대적으로 작은 경우, 상기 아우터 스테이터(210)에서 발생된 자속 중 누설자속, 일례로 (+)극의 누설자속은 상기 원점(O)로부터 상기 P1까지 급속하게 증가하며 P1에서 최대의 누설 자속을 형성한다. 그리고, 누설 자속은 P1으로부터 P2 방향으로 갈수록 감소한다.
그리고, 상기 (+)극의 누설자속은 상기 P2에서 (-)극으로 방향 전환되어 크기가 증가되며, 상기 P2로부터 멀어짐에 따라 상기 누설자속의 크기는 대략 일정한 값을 가지게 된다(일정 자속). 여기서, (+)극과 (-)극은 누설 자속의 방향이 반대방향인 것을 의미한다. 그리고, 상기 일정 자속은 (-)극의 최대 자속으로 이해된다.
반면에, 도 7B과 같이, 상기 공극의 높이 G에 대하여, 상기 개구부(219)의 축방향 길이가 상대적으로 큰 경우, 상기 아우터 스테이터(210)에서 발생된 자속 중 누설자속, 일례로 (+)극의 누설자속은 상기 원점(O)로부터 상기 P1까지 완만하게 증가하며, P1에서 최대의 누설 자속을 형성한다. 도 7B의 최대 자속은 도 7A의 최대 자속에 비하여 작은 값을 가진다.
그리고, 누설 자속은 P1으로부터 P2 방향으로 갈수록 감소한다.
상기 (+)극의 누설자속은 상기 P2에서 (-)극으로 방향 전환되어 크기가 증가되며, 상기 P2로부터 멀어짐에 따라 상기 누설자속의 크기는 대략 일정한 값을 가지게 된다(일정 자속). 다만, 도 7B의 일정 자속의 크기는 도 7A의 일정 자속의 크기에 비하여 작게 된다.
도 7C에 도시된 바와 같이, 일정한 공극의 높이(G)에 대하여 개구부의 길이(T)가 클수록 누설 자속의 최대값, 즉 (+)극 및 (-)극의 최대 자속은 작게 형성되므로, 상기 영구자석(230)에 더 많은 추력을 제공할 수 있고, 이에 따라 모터 어셈블리(200)의 운전 효율이 개선될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 상사점의 위치에 있을 때, 이에 대응하는 영구자석의 위치를 보여주는 리니어 모터의 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤이 하사점의 위치에 있을 때, 이에 대응하는 영구자석의 위치를 보여주는 리니어 모터의 도면이다.
도 5, 도 6, 도 8 및 도 9를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영구자석(230)에는, 극성이 교번하여 배치되는 다수의 극(231,232,233)이 포함된다. 상기 다수의 극(231,232,233)에는, 제 1 극(231)과, 상기 제 1 극(231)과 결합되는 제 2 극(232) 및 상기 제 2 극(232)과 결합되는 제 3 극(233)이 포함된다.
상기 제 1,3 극(231,233)은 상기 제 2 극(232)의 사이에 위치하는 점에서, 상기 제 2 극(232)을 "중앙 자극", 상기 제 1 극(231) 또는 제 3 극(233)을 "양단 자극"이라 이름할 수 있다.
상기 중앙 자극은 상기 양단 자극보다 길게 형성된다. 상기 중앙 자극(232)의 길이를 "MC", 상기 제 1 극(231)의 길이를 "MF", 상기 제 3 극(233)의 길이를 "MR"이라 규정한다. 상기 MF와 MR은 동일한 값을 가질 수도 있고, 압축기의 설계에 따라 추력을 증가하기 위하여 다른 값을 가질 수도 있다.
상기 제 1 극(231)과 제 2 극(232)의 사이에는, 제 1 경계면(235)이 형성되고, 상기 제 2 극(232)과 제 3 극(233)의 사이에는 제 2 경계면(236)이 형성될 수 있다.
상기 제 1 경계면(235)은 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 중심을 기준으로 상기 제 1 스테이터 자극(217)을 벗어나지 않는 범위 내에서 왕복운동 할 수 있으며, 상기 제 2 경계면(236)은 상기 제 2 스테이터 자극(218)의 중심을 기준으로 상기 제 2 스테이터 자극(218)을 벗어나지 않는 범위 내에서 왕복운동 할 수 있다.
즉, 상기 제 1 경계면(235)은 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 중심을 기준으로, 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 양단 사이에서 축방향으로 왕복 운동하도록 형성된다. 그리고, 상기 제 2 경계면(236)은 상기 제 2 스테이터 자극(218)의 중심을 기준으로, 상기 제 2 스테이터 자극(218)의 양단 사이에서 축방향으로 왕복 운동되도록 형성된다.
여기서, 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 극성(N 또는 S극)과, 상기 제 1,2 극(231,232)의 극성간에 상호 작용하여 밀고 당기는 힘(추력)이 발생될 수 있다. 그리고, 상기 제 2 스테이터 자극(217)의 극성(N 또는 S극)과, 상기 제 2,3 극(231,232)의 극성간에 상호 작용하여 밀고 당기는 힘이 발생되므로 상기 영구자석(230)의 왕복 운동이 가능할 수 있다.
상기 제 1 극(231)과 제 3 극(233)은 동일한 극성을 가지고, 상기 제 1 극(231)과 제 3 극(233)의 사이에 위치하는 제 2 극(232)은 반대의 극성을 가질 수 있다. 일례로, 상기 제 1 극(231)과 제 3 극(233)이 N극이면, 상기 제 2 극(232)은 S극이고, 상기 제 1 극(231)과 제 3 극(233)이 S극이면, 상기 제 2 극(232)은 N극일 수 있다.
이상적으로는, 상기 제 1 스테이터 자극(217)에 대하여 상호 작용하는 2개의 극이 배치되고, 상기 제 2 스테이터 자극(218)에 대하여 상호 작용하는 또 다른 2개의 극이 배치되는 것이 상기 영구자석(230)에 많은 추력을 발생시키는 구조일 수 있다. 여기서, 상기 상호 작용하는 2개의 극의 길이는 동일하고, 상기 또 다른 2개의 극의 길이도 동일하게 형성될 수 있다.
그러나, 한정된 압축기(10)의 내부 공간을 고려할 때, 영구자석이 4개의 극을 포함하도록 배치되는 것은 제한적일 수 있다. 즉, 4개의 극을 배치하는 경우 영구자석의 전체길이가 증가하게 되고 이에 따라 리니어 모터의 길이가 증가하게 되는 문제점이 나타난다.
따라서, 본 실시예에 따른 영구자석(230)은, 4개의 극을 배치하였을 때 중앙부에 위치한 2개의 극을 1개로 구성하여 3개의 극을 교번하여 배치하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 중앙에 위치한 극, 즉 중앙 자극의 길이는 상기 양단 자극의 길이보다 길게 형성되며, 상기 4개의 극을 배치하는 경우에 비하여 컴팩트한 크기를 구현하기 위하여, 양단 자극 길이의 2배 이하로 형성될 수 있다. 즉, 아래와 같은 관계식이 규정될 수 있다.
MF 또는 MR ≤ MC ≤ 2 * MF 또는 2* MR
그리고, 상기 중앙 자극(MC)의 길이는 상기 제 1 극(231)의 길이(MF)와 제 2 극(232)의 길이(MR)를 합한 값보다 작게 형성될 수 있다.
정리하면, 상기 중앙 자극의 길이는 증가할수록 상기 제 1 스테이터 자극(217) 또는 제 2 스테이터 자극(218)과의 상호 작용력이 커질 수 있으므로 추력이 증가될 수 있는 이점이 있다.
다만, 리니어 모터의 전체적인 크기를 고려할 때, 즉 소형화 또는 컴팩트화를 고려할 때, 위 관계식과 같은 극의 길이 비율을 만족하면, 추력의 증가 및 압축기의 컴팩트화 라는 2가지의 효과를 달성할 수 있다 (도 12 및 도 13 참조).
한편, 상기 제 1 스테이터 자극(217) 또는 제 2 스테이터 자극(218)의 축방향 길이(P)는, 압축기(10)의 최대 부하시 운전하는 피스톤(130)의 스트로크(Stroke,S)에 기초하여 결정될 수 있다. 상기 피스톤(130)의 스트로크(S)는 상기 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 거리로서 이해될 수 있다.
상기 피스톤(130)이 하사점(BDC)의 위치에 있을 때, 상기 제 1 극(231)의 끝단부(도 8에서 좌측 단부)는 상기 제 1 코어(211a)의 외측에 위치하게 된다. 여기서, 상기 제 1 극(231)의 끝단부는, 상기 제 1 극(231)의 일측 단부를 규정하는 제 1 경계면(235)의 마주보는 단부, 즉 상기 제 1 극(231)의 타측 단부를 규정한다.
그리고, 상기 제 1 코어(211a)의 외측이라 함은, 상기 제 1 코어(211)의 외측 단부를 지나는 반경 방향의 가상선의 외부에 규정되는 영역으로 이해될 수 있다. 그리고, 본 명세서의 용어에 있어서, "외측 또는 외부 방향"은 상기 개구부(219)의 중심으로부터 멀어지는 방향을 의미하고, "내측 또는 내부 방향"은 상기 개구부(219)의 중심을 향하는 방향을 의미할 수 있다.
그리고, 상기 피스톤(130)이 상사점(TDC)의 위치에 있을 때, 상기 제 1 극(231)의 끝단부는, 상기 제 1 코어(2311a)의 내측에 위치하게 된다. 즉, 상기 제 1 극(231)의 끝단부는 축 방향을 기준으로 상기 제 1 코어(211a)가 존재하는 영역내에 위치하게 된다.
다만, 이 때, 상기 제 1 극(231)의 끝단부가 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 내측까지 이동되지 않는다. 즉, 상기 제 1 극(231)의 끝단부는 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 외측 단부에 대응하는 위치 또는 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 외측에 위치하게 된다. 여기서, 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 내측이라 함은, 상기 제 1 스테이터 자극(217)의 양 끝단을 지나는 반경 방향의 가상의 선 사이의 공간으로 이해될 수 있다.
상기 제 1 스테이터 자극(217)의 축방향 길이와, 상기 제 2 스테이터 자극(218)의 그것은 동일하게 형성된다.
상세히, 상기 제 1 스테이터 자극(217) 또는 제 2 스테이터 자극(218)의 축방향 길이(P)는 상기 피스톤(130)의 스트로크(S)에, 제어적인 오차 또는 기구적 오차를 더하여 결정될 수 있다. 일례로, 상기 스트로크(S)가 16mm 이면, 상기 길이(P)는 약 18mm로 설정될 수 있다.
만약, 상기 길이(P)가 상기 스트로크(S)보다 작게 형성되는 경우, 상기 제 1 경계면(235) 또는 제 2 경계면(236)이 상기 제 1 스테이터 자극(217) 또는 상기 제 2 스테이터 자극(218)의 외측으로 이동하게 되고 이에 따라 상기 자극(217,218)과 영구자석(230)간에 발생하는 밀고 당기는 힘이 감소하게 되는 문제점이 나타날 것이다. 따라서, 상기 길이(P)는 상기 스트로크(S) 이상의 값으로 결정될 수 있다.
상기 길이(P)와, 상기 제 1 극(231) 또는 제 2 극(233)의 길이간에 관계식을 규정한다.
상기 제 1 경계면(235) 및 제 2 경계면(236)이 각각 상기 제 1,2 스테이터 자극(217,218)의 중심을 기준으로 왕복운동 하고 있을 때, 양단 자극(231,233)의 양 끝단이 상기 제 1,2 스테이터 자극(217,218)의 양 끝단 내측으로 이동하게 되면 상기 영구자석(230)에 가해지는 추력이 감소하게 된다.
즉, 상기 양단 자극(231,233)의 적어도 일부분이 상기 제 1,2 스테이터 자극(217,218)의 양 끝단 외측에 위치하지 않는 경우에는, 상기 아우터 스테이터(210)의 자속과 영구자석(230)의 자속간에 상호 작용력이 약하게 형성된다.
따라서, 영구자석(230)의 왕복운동을 발생시키는 추력의 안정성을 고려할 때, 상기 제 1 극(231)의 길이(MF) 및 제 3 극(233)의 길이(MR)는 상기 제 1,2 스테이터 자극(217,218)의 길이(P) 이상으로 형성될 수 있다.
다만, 상기 제 1 극(231)의 길이(MF) 및 제 3 극(233)의 길이(MR)는 상기 영구자석(230)의 전체 길이에 영향을 미치는 인자로서, 리니어 압축기(10)의 소형화를 구현하는 데 제한사항으로서 작용할 수 있다.
따라서, 본 실시예는 아래와 같은 관계식을 제안한다.
MF 또는 MR ≥ 0.9 * P
위와 같은 관계식에 의하면, 상기 제 1 극(231)의 길이(MF) 및 제 3 극(233)의 길이(MR)가 상기 제 1,2 스테이터 자극(217,218)의 길이(P)와 유사한 범위 내에서, 추력 감소를 최소화하고 리니어 압축기(10)의 컴팩트화를 구현할 수 있다는 효과가 나타난다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 양 단 자극의 길이에 따라 발생되는 추력의 크기를 보여주는 그래프이고 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 양 단 자극의 길이에 따라 코깅 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 양단 자극(231,233)의 길이에 따라, 동일전류 입력대비 추력의 변화가 도시된다.
도 10의 가로축은 영구자석(230)의 위치를 나타낸다. 가로축의 원점(O)은 상기 제 1 경계면(235) 및 제 2 경계면(236)이 각각 상기 제 1,2 스테이터 자극(217,218)의 중심에 위치한 상태를 규정한다. 이 상태가, 상기 영구자석(230)이 원점의 위치에 있는 것으로 이해될 수 있다.
그리고, (-) 위치는 상기 영구자석(230)이 상기 원점으로부터 일방향으로 이동할 때를 규정하며, (+) 위치는 상기 영구자석(230)이 상기 원점으로부터 타방향으로 이동하였을 때를 규정한다. 가로축에 있어서, 위치의 절대값이 커질수록 원점으로부터 멀어지는 것을 의미한다.
도 10에 따르면, 상기 영구자석(230)이 원점의 위치에 있을 때 가장 큰 추력(최대 추력)이 발생될 수 있다. 그리고, 양단 자극(231,233)의 길이가 클수록 상기 최대 추력의 값은 더 커짐을 알 수 있다.
일례로, 상기 중앙 자극(232)의 길이는 24mm로 동일한 조건에서, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 19mm 일 때, 상기 최대 추력은 F1(N)이고, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 18mm 일 때, 상기 최대 추력은 F2(N)이며, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 17mm 일 때, 상기 최대 추력은 F3(N)으로 형성된다. 여기서, 상기 F1 > F2 > F3 일 수 있다.
그리고, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 길수록 상기 영구자석(230)의 위치에 따라, 추력의 크기가 전반적으로 크게 형성됨을 알 수 있다. 즉, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 길어질수록 상기 영구자석(230)에 가해지는 추력의 크기는 증가하므로 압축기의 운전효율이 개선될 수 있게 된다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 양단 자극(231,233)의 길이에 따라, 영구자석(230)의 자기 저항(reluctance)에 따른 힘, 즉 코깅(cogging) 힘의 피크치가 변화되는 모습이 도시된다.
상기 영구자석(230)의 자기 저항 또는 코깅 힘은 상기 아우터 스테이터(210)에서 발생되는 자속과 상기 영구자석(230)의 자속의 상호 작용력에 대한 전기 저항력으로서 이해될 수 있다.
상기 코깅 힘은 영구자석의 위치(+ 또는 - 위치)에 따라 피크치를 향하여 증가하거나, 피크치로부터 감소하는 방향으로 변화될 수 있다.
상세히, 상기 영구자석(230)이 (+) 위치에 있을 때, 상기 코깅 힘은 (+) 방향으로 형성되고 소정의 위치에서 피크치를 가지게 된다. 반면에, 상기 영구자석(230)이 (-) 위치에 있을 때, 상기 코깅 힘은 (-) 방향으로 형성되고 소정의 위치에서 피크치를 가지게 된다. 여기서, 코깅 힘의 (+)와 (-)는 서로 반대 방향의 작용 힘을 나타낸다.
상기 피크치가 커질수록 상기 스프링(151,155)에 가해지는 힘이 커질 수 있고, 이에 따라 리니어 모터(200)의 제어가 쉽지 않게 된다.
도 11에 따르면, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 커질수록 상기 코깅 힘의 (+),(-) 피크치가 작아지게 되고, 이에 따라 리니어 모터(200)의 제어가 용이하다는 효과가 나타난다.
일례로, 상기 중앙 자극(232)의 길이는 24mm로 동일한 조건에서, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 19mm 일 때, 상기 코깅 힘의 피크치는 약 15(N)이고, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 18mm 일 때, 상기 코깅 힘의 피크치는 약 20(N)이며, 상기 양단 자극(231,233)의 길이가 17mm 일 때, 상기 코깅 힘의 피크치는 약 27(N)으로 형성된다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 중앙 자극의 길이에 따라 발생되는 추력의 크기를 보여주는 그래프이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 영구 자석에 있어서, 중앙 자극의 길이에 따라 코깅 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 양단 자극의 길이가 길수록 추력은 증가하고 코깅 히의 피크치는 작게 형성되는 특징이 도시된다.
도 10 및 도 11에서 설명한 그래프에서 설명한 바와 같이, 추력은 클수록 리니어 모터의 운전효율이 개선되고, 코깅 힘의 피크치는 작게 형성될수록 리니어 모터의 제어 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 10의 경우, 양단 자극의 길이가 동일한 조건에서 중앙 자극의 길이(MC)의 길이가 길수록 추력은 증가됨을 알 수 있다. 일례로, MF 및 MR이 18mm인 조건에서, MC가 26mm 일 때의 추력(최대 추력 : 85V/m/s)은 24mm 일 때의 추력(최대 추력 : 83V/m/s)보다 크게 형성됨을 알 수 있다.
도 11의 경우, 양단 자극의 길이가 동일한 조건에서 중앙 자극의 길이(MC)의 길이가 길수록 코깅 힘의 피크치는 감소됨을 알 수 있다. 일례로, MF 및 MR이 18mm인 조건에서, MC가 26mm 일 때의 코깅 힘의 피크치(약 13N)는 MC가 24mm 일 때의 코깅 힘의 피크치(약 20N)보다 작게 형성될 수 있다.
10 : 리니어 압축기 100 : 쉘
110 : 프레임 120 : 실린더
130 : 피스톤 140 : 흡입 머플러
151,155 : 제 1,2 스프링 160 : 오일 공급장치
170 : 토출 밸브 200 : 모터 어셈블리
210 : 아우터 스테이터 211 : 스테이터 코어
213 : 보빈 215 : 코일
217 : 제 1 스테이터 코어 218 : 제 2 스테이터 코어
220 : 이너 스테이터 230 : 영구자석
231 : 제 1 극 232 : 제 2 극
233 : 제 3 극 235 : 제 1 경계면
236 : 제 2 경계면 240 : 스테이터 커버

Claims (15)

  1. 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더;
    상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤; 및
    상기 피스톤에 동력을 제공하는 리니어 모터가 포함되며,
    상기 리니어 모터에는,
    제 1 스테이터 자극, 제 2 스테이터 자극 및 상기 제 1 스테이터 자극과 제 2 스테이터 자극의 사이에 규정되는 개구부를 포함하는 아우터 스테이터;
    상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터; 및
    상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터 사이의 에어 갭에 이동 가능하게 배치되며, 3개의 극을 포함하는 영구자석이 포함되고,
    상기 3개의 극에는, 2개의 양단 자극 및 상기 2개의 양단 자극의 사이에 배치되며 상기 양단 자극의 길이보다 길게 형성된 중앙 자극이 포함되고,
    상기 피스톤은 상사점과 하사점 사이에서 스트로크(stroke) 만큼 이동 가능하며, 상기 제 1 스테이터 자극 또는 제 2 스테이터 자극의 길이는, 상기 스트로크 이상의 값으로 형성되는 리니어 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 자극의 길이는,
    상기 2개의 양단 자극 중 어느 하나의 양단 자극의 길이의 2배 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 자극의 길이는,
    상기 2개의 양단 자극의 길이를 합한 길이 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  4. 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더;
    상기 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동 가능하게 제공되는 피스톤; 및
    상기 피스톤에 동력을 제공하는 리니어 모터가 포함되며,
    상기 리니어 모터에는,
    제 1 스테이터 자극, 제 2 스테이터 자극 및 상기 제 1 스테이터 자극과 제 2 스테이터 자극의 사이에 규정되는 개구부를 포함하는 아우터 스테이터;
    상기 아우터 스테이터로부터 이격되어 배치되는 이너 스테이터; 및
    상기 아우터 스테이터와 이너 스테이터 사이의 에어 갭에 이동 가능하게 배치되며, 3개의 극을 포함하는 영구자석이 포함되고,
    상기 3개의 극에는, 2개의 양단 자극 및 상기 2개의 양단 자극의 사이에 배치되며 상기 양단 자극의 길이보다 길게 형성된 중앙 자극이 포함되고,
    상기 개구부의 축방향 길이는 상기 에어 갭의 반경방향 높이와 같거나, 그 이상의 값으로 형성되는 리니어 압축기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 양단 자극 중 어느 하나의 양단 자극의 길이는,
    상기 제 1 스테이터 자극 또는 제 2 스테이터 자극의 길이의 90% 이상 값으로 형성되는 리니어 압축기.
  7. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 2개의 양단 자극에는,
    상기 중앙 자극과 제 1 경계면에서 결합되는 제 1 극; 및
    상기 중앙 자극과 제 2 경계면에서 결합되는 제 3 극이 포함되는 리니어 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 경계면은 상기 제 1 스테이터 자극의 중심을 기준으로, 상기 제 1 스테이터 자극의 양단 사이에서 축방향으로 왕복 운동하며,
    상기 제 2 경계면은 상기 제 2 스테이터 자극의 중심을 기준으로, 상기 제 2 스테이터 자극의 양단 사이에서 축방향으로 왕복 운동되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 극에는 상기 제 1 경계면을 마주보는 위치에 있는 끝단부가 포함되고,
    상기 피스톤이 하사점의 위치에 있을 때,
    상기 제 1 극의 끝단부는 상기 아우터 스테이터의 외측에 위치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 피스톤이 상사점의 위치에 있을 때,
    상기 제 1 극의 끝단부는 상기 제 1 스테이터 자극의 외측 단부 또는 그 외측에 위치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  11. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 2개의 양단 자극에는, 상기 중앙 자극의 일측에 결합되는 제 1 극이 포함되고,
    상기 제 1 극의 적어도 일부분은 상기 제 1 스테이터 자극과 이너 스테이터 사이의 에어 갭에 위치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 2개의 양단 자극에는, 상기 중앙 자극의 타측에 결합되는 제 3 극이 포함되고,
    상기 제 3 극의 적어도 일부분은 상기 제 2 스테이터 자극과 이너 스테이터 사이의 에어 갭에 위치되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  13. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 개구부는,
    코일을 수용하는 수용공간의 일측에서, 상기 제 1 스테이터 자극의 팁(tip)과, 상기 제 2 스테이터 자극의 팁(tip) 사이에 규정되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
  14. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 영구자석은 페라이트(ferrite) 소재로 이루어지는 리니어 압축기.
  15. 제 1항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 피스톤과 실린더는,
    알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 리니어 압축기.
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