KR101486375B1 - 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구 자석을 사용하지 않음으로써 재료비를 절감할 수 있는 리니어 모터를 제공한다.

본 발명에 따른 리니어 모터는 고정자 코어와, 상기 고정자 코어에 권선되는 코일을 구비하는 고정자; 상기 고정자의 내측에 수용되며 상기 고정자에 전류가 인가될 때 발생하는 자속에 의해 직선 왕복 운동하는 가동자를 구비하고, 상기 고정자는 복수개의 상을 가진다.

리니어 모터, 고정자, 가동자, 실리콘 스틸, 스프링

Description

리니어 모터{Linear Motor}

본 발명은 리니어 압축기에 사용되는 리니어 모터에 관한 것으로 보다 자세하게는 영구 자석을 사용하지 않고 가동시킬 수 있는 리니어 모터에 관한 것이다.

일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 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(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 회전식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크롤 (Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.

최근에는 왕복동식 압축기 중에서도 특히 피스톤이 왕복 직선 운동하는 구동모터에 직접 연결되도록 하여 운동전환에 의한 기계적인 손실이 없어 압축효율을 향상시킬 수 있으며 구조가 간단한 리니어 압축기가 사용되고 있다.

대한민국 공개특허 1997-0006883에는 종래의 리니어 압축기가 개시되어 있다.

상기 리니어 압축기는 밀폐된 쉘 내부에서 피스톤이 리니어 모터에 의해 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하도록 움직이면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 구성된다. 상기 리니어 모터는 내측 고정자 및 외측 고정자 사이에 영구자석을 위치시키고, 상기 고정자에 권선된 코일에 전류가 흐르게 하면 상기 고정자에서 발생하는 자기장에 의해 영구자석이 움직이게 된다.

특히, 상기 고정자에 권선되는 코일에 인가되는 전류의 극성을 바꾸어주면 상기 영구자석은 직선 왕복 운동하게 되는데, 이러한 영구자석이 피스톤과 연결된 상태에서 구동됨에 따라 피스톤이 실린더 내부에서 왕복 직선 운동하면서 냉매를 흡입하여 압축시킨 다음, 토출시키도록 한다.

상기와 같이 코일에 인가되는 전류의 극성을 바꾸어주기 위해 전원단 양단에 2개 이상의 스위칭 소자가 직렬로 연결된 인버터 회로를 사용하게 된다.

도 1에는 종래의 리니어 모터에 사용되는 인버터 회로가 도시되어 있다.

도 1에서 Vin은 입력전압, A와 B는 리니어 모터의 고정자에 권선된 코일과 연결되는 단자, GND는 그라운드를 나타낸다.

A와 B 단자에 정상적인 교류가 나오려면 S1-S2가 온(on), S1-S2가 오프(off), S3-S4가 온(on), S3-S4가 오프(off)의 순서로 주기적인 동작을 해야하는데, S1-S2의 오프(off)와 S3-S4의 온(on)의 타이밍이 겹치는 일이 발생하면 S1-S4 또는 S3-S2가 모두 온(on) 되면서 입력전압과 그라운드가 단락될 수 있는데 이런 현상을 암 쇼트(arm short)라고 한다.

이와 같이 암 쇼트(Arm Short)가 발생하게 되면 스위칭 소자가 손상될 수 있다.

또한, 상기와 같은 리니어 모터에는 값이 비싼 영구자석이 사용되므로 리니어 모터의 제조 단가가 높은 문제점이 있다.

본 발명은 고정자 코일에 인가되는 전류의 극성을 바꾸어주는 회로에 암 쇼트(Arm Short)가 발생하는 것을 방지할 수 있는 리니어 모터를 제공한다.

또한, 영구 자석을 사용하지 않고도 가동자를 구성할 수 있음으로써 제조 단가를 낮출 수 있는 리니어 모터를 제공한다.

본 발명에 따른 리니어 모터는 고정자 코어와, 상기 고정자 코어에 권선되는 코일을 구비하는 고정자; 상기 고정자의 내측에 수용되며 상기 고정자에 전류가 인가될 때 발생하는 자속에 의해 직선 왕복 운동하는 가동자를 구비하고, 상기 고정자는 복수개의 상을 가진다.

또한, 상기 복수개의 상에 교번하여 전류를 인가한다.

또한, 상기 복수개의 상은 구동 전원에 서로 병렬로 연결된다.

또한, 상기 가동자는 프레임과, 상기 프레임보다 자속이 잘 흐르는 실리콘 스틸을 포함한다.

또한, 상기 실리콘 스틸은 중앙부가 볼록한 마름모 형상을 가진다.

또한, 상기 가동자를 탄성 지지하여 상기 가동자가 움직이는 반대 방향으로 탄성 복원력을 발생시키는 스프링을 더 포함한다.

본 발명에 따른 리니어 모터에 의하면 리니어 모터에 인가되는 전류의 각 상 을 분리시킴으로써 리니어 모터를 구동회는 회로에 암 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 고가의 영구 자석 대신에 저가의 실리콘 스틸을 사용할 수 있으므로 리니어 모터의 제조 단가를 낮출 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 리니어 모터에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 리니어 모터가 사용되는 리니어 압축기의 단면도를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기는 밀폐 용기(10)의 내부에 실린더(13)가 구비된 실린더 블록(12)과 상기 실린더 블록과 대향하는 쪽에 마련되는 백 커버(15)를 구비한다.

상기 실린더 블록(12)과 백 커버(15)는 제 1 댐퍼(17)와 제 2 댐퍼(18)를 통해 밀폐용기(10) 내에 완충 가능하게 지지된다.

상기 실린더 블록(12)과 백 커버(15)의 사이에는 유체를 압축하기 위해 구동력을 발생시키는 리니어 모터(30)가 구비된다. 상기 리니어 모터(30)에는 상기 실린더(13) 내부에서 직선 왕복 운동하면서 실린더(13) 내부로 흡입된 유체를 압축하는 피스톤(40)이 연결된다.

실린더(13)의 내부에는 유체가 압축되는 압축실(13a)이 형성되고, 상기 실린더(13)의 일측에는 실린더 헤드(20)가 구비된다. 상기 실린더 헤드(20)의 일측에는 유체가 유입되는 흡입실(21)이 마련되고, 상기 실린더 헤드(20)의 타측에는 피스톤(40)에 의해 압축된 유체가 토출되는 토출실(22)이 마련된다.

상기 흡입실(21)과 압축실(13a) 사이에는 흡입밸브(23)가 설치되고, 상기 압축실(13a)과 토출실(22) 사이에는 토출밸브(24)가 설치된다.

상기 실린더(13) 내부에서 피스톤(40)이 후퇴하면 흡입밸브(23)가 개방되어 흡입실(21)을 통해 압축실(13a) 내부로 유체가 흡입되고, 상기 실린더(13) 내부에서 피스톤(40)이 전진하면 토출밸브(24)가 개방되어 토출실(22)을 통해 압축된 유체가 토출된다.

이하에서는 도 3을 참조하여 상기 피스톤(40)이 직선 왕복 운동하도록 하는 리니어 모터(30)의 구조에 대해 상세히 설명한다.

상기 리니어 모터(30)는 크게 고정자(31)와 가동자(36)로 이루어진다.

상기 고정자(31)는 고정자 코어(32)와 상기 고정자 코어(32)에 권선되어 자기장을 형성하는 코일(33)로 이루어진다.

특히, 본 발명에 따른 리니어 모터(30)의 고정자(31)는 2개의 상(A,B)을 갖는다. 물론 2개보다 더 많은 상을 가질 수도 있다. 그리고, 이와 같은 2개의 상(A,B)에 서로 교번하여 전류가 인가된다. 그리고, 상기 고정자(31)의 코어(32)는 실리콘 스틸로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 4에는 상기 고정자(31)가 구비하는 2개의 상(A,B)에 관한 회로가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 2개의 상은 구동 전원(P)에 대해 병렬로 연결되어 있다. 이와 같이 2개의 상(A,B)이 구동 전원(P)에 대해 병렬로 연결됨으로써 하나의 상의 동작이 다른 상에 영향을 주지 않게 되어 암 쇼트(Arm Short)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 상기 가동자(36)는 프레임(37)과, 상기 프레임(37)과 상기 코일(33) 주변에 형성된 자기력에 힘을 받아 이동하는 실리콘 스틸(38)로 이루어진다. 이때 상기 실리콘 스틸(38)은 상기 프레임(37)보다 자속이 잘 흐를 수 있는 물질로 형성된다.

상기 프레임(37)에는 실린더(13)의 단부가 삽입되는 가이드 홈(37a)이 형성된다. 따라서, 상기 프레임(37)이 이동할 때 실린더(13)가 상기 가이드 홈(37a)에 삽입됨으로써 가동자(36)의 움직임이 안내된다.

그리고, 상기 프레임(37)의 단부에는 피스톤(40)이 마련된다. 상기 피스톤(40)은 프레임(37)과 일체로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 프레임(37)과 백커버(15) 사이에는 제1스프링(41)에 구비되고, 상기 프레임(37)과 상기 실린더(13) 사이에는 제2스프링(42)이 구비된다. 따라서, 상기 가동자(36)는 제1 및 제2스프링(41,42)에 의해 탄성 지지된다. 이와 같이 가동자(36)가 제1 및 제2스프링(41,42)에 탄성 지지되므로 피스톤(40)이 전후 방향으로 진동되면서 구동할 때 공진 주파수에 가깝게 진동하도록 함으로써 압축기의 효율을 높일 수 있게 된다.

상기 프레임(37)에 구비되는 상기 실리콘 스틸(38)은 중앙부가 볼록한 마름모 형태로 구비되는 것이 바람직하다. 이와 같이 실리콘 스틸(38)을 마름모 형태로 하는 이유는 상기 실리콘 스틸(38)을 단지 일정한 폭을 가지는 직사각형으로 할 경우 2개의 상인 A 및 B의 전류가 전환될 때 자속이 작용하기에는 거리가 멀어 힘이 부족할 수 있기 때문이다.

이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 리니어 모터의 동작에 대해 설명한다.

도 4에서 A상의 스위치를 온(on)시키고 B상의 스위치를 오프(off)시키면 도 5에 도시된 바와 같이 A상으로 전류가 흐르게 된다. 이때, A상의 양단이 각각 N극과 S극을 띄게 되면서 둘 사이에는 자속이 흐르게 된다. 저항이 적은 곳으로 흐르고자 하는 자속의 성질 때문에 가동자(36)의 실리콘 스틸(38)이 힘을 받아 A상 쪽으로 이동하게 된다.

따라서, 프레임(37)의 단부에 형성된 피스톤(40)은 압축실(13a)로부터 후퇴하게 되고, 피스톤(40)이 후퇴하면 흡입밸브(23)가 개방되어 압축실(13a) 내부로 유체가 유입된다.

이때, 제1스프링(41)은 압축되고 제2스프링(42)은 인장된다.

이와 반대로 B상의 스위치를 온(on)시키고 A상의 스위치를 오프(off)시키면 도 6에 도시된 바와 같이 B상으로 전류가 흐르게 된다. 이때, B상의 양단이 각각 N극과 S극을 띄게 되면서 둘 사이에는 자속이 흐르게 되지만 A상에는 자속이 사라지게 된다. 따라서, 저항이 적은 곳으로 흐르고자 하는 자속의 성질 때문에 가동자(36)의 실리콘 스틸(38)이 힘을 받아 B상 쪽으로 이동하게 된다.

따라서, 프레임(37)의 단부에 형성된 피스톤(40)은 압축실(13a)로 전진하게 되고, 피스톤(40)이 전진하면 압축실(13a) 내부로 유체가 압축되는 동시에 토출밸브(24)가 개방되어 압축된 유체가 토출된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 리니어 모터에 의하면 값이 비싼 영구 자석 대신에 실리콘 스틸을 사용하여 가동자를 구성할 수 있으므로 리니어 모터의 제조 단가를 낮출 수 있다.

또한, 2개의 상이 구동 전원에 대해 병렬로 연결됨으로써 하나의 상은 다른 상에 영향을 주지 않게 되어 암 쇼트(Arm Short)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 리니어 모터에 사용되는 회로도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 단면도.

도 3은 도 2의 리니어 압축기에 사용되는 리니어 모터의 구성도.

도 4는 도 3에 도시된 리니어 모터에 사용되는 회로도.

도 5 및 6은 도 3에 도시된 리니어 모터의 작동도.

Claims (7)

1. 고정자 코어와, 상기 고정자 코어에 권선되는 코일을 구비하고, 복수개의 상을 가진 고정자;

   상기 고정자의 내측에 수용되며 상기 고정자에 전류가 인가될 때 발생하는 자속에 의해 직선 왕복 운동하는 가동자를 포함하고,

   상기 가동자는 프레임과, 중앙부가 볼록한 마름모 형상을 가지고 상기 프레임보다 자속이 잘 흐르는 실리콘 스틸을 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 복수개의 상에 교번하여 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 복수개의 상은 구동 전원에 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 가동자를 탄성 지지하여 상기 가동자가 움직이는 반대 방향으로 탄성 복원력을 발생시키는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 고정자 코어는 실리콘 스틸로 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.

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