KR102401335B1 - 리니어 모터 및 이를 구비하는 리니어 압축기 - Google Patents

Abstract

리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기에 대한 발명이 개시된다. 개시된 발명은: 아우터 코어와 이너 스테이터 사이에 마그네트가 배치되고, 아우터 코어는 둘레방향을 따라 배치되는 제1구간과 제2구간을 포함하고, 제1구간과 마그네트 간의 간격보다 제2구간과 마그네트 간의 간격이 더 큰 것을 특징으로 한다.

Description

리니어 모터 및 이를 구비하는 리니어 압축기{LINEAR MOTOR AND LINEAR COMPRESSOR THEREOF}

본 발명은 리니어 모터 및 이를 구비하는 리니어 압축기에 관한 것이다.

압축기는, 모터나 터빈 등의 동력 발생 장치로부터 동력을 전달 받아 공기나 냉매 등의 작동 유체를 고압으로 압축하는 장치이다. 이러한 압축기는, 냉동사이클(이하 '냉동 사이클'로 칭함) 등에 널리 적용되고 있다.

이와 같은 압축기로는, 왕복동식 압축기와, 로터리 압축기, 및 스크롤 압축기 등이 있다. 왕복동식 압축기는, 피스톤과 실린더 사이에 형성된 압축실 내부에서 피스톤이 직선 왕복 운동하여 냉매를 압축하는 압축기이다. 로터리 압축기는, 실린더 내부에서 편심 회전되는 롤러에 의해 유체를 압축하는 압축기이다. 그리고 스크롤 압축기는, 나선형으로 이루어지는 한 쌍의 스크롤이 맞물려 회전되어 유체를 압축하는 형태의 압축기이다.

최근에는, 크랭크 축을 사용하지 않고 피스톤을 직선 왕복 운동시키는 리니어 압축기의 사용이 증가하고 있다. 리니어 압축기에서는, 피스톤이 실린더의 보어로부터 빠져 나오는 동안 압축실로 유체를 유입시키고, 피스톤이 실린더 보어로 깊숙이 들어가는 동안 압축실에 있던 유체를 압축시킨다.

크랭크 샤프트와 커넥팅 로드를 이용하여 구동축의 회전 운동을 피스톤의 직선 왕복 운동으로 전환하는 왕복동 압축기와 달리, 리니어 압축기는 피스톤을 직접적으로 직선 운동하도록 구동시킨다. 이를 위해 리니어 압축기는, 리니어 모터, 및 리니어 모터에 의해 선형 이동하는 이동부재(Moving member)를 구비한다. 이동부재는, 피스톤에 연결된다.

또한 리니어 압축기는 서로 대향하는 피스톤의 직선 운동 방향으로 상기 피스톤을 탄성 지지하는 공진 스프링을 구비한다. 즉 이동부재 및 이와 연결된 피스톤은, 공진 스프링과 기구적으로 연결되어 있다.

리니어 모터는, 고정자와 가동자를 포함한다. 고정자는, 아우터 스테이터와, 아우터 스테이터와 소정 간격 이격되게 배치된 이너 스테이터, 및 자장을 형성하는 코일을 포함한다. 그리고 가동자는, 아우터 스테이터와 이너 스테이터 사이에 배치되고 코일 주변에 형성된 자기력에 의해 직선 이동되는 마그네트를 포함한다. 마그네트는 이동부재와 결합되고, 이동부재는 피스톤에 직선 운동력을 전달한다. 이하, 이동부재 및 이와 연결된 피스톤을 가동부라 지칭하기로 한다.

가동부가 동심에 위치하지 않고 어느 한 방향으로 편심된 위치에 위치할 경우, 가동부의 편심량만큼 편심력(Side force)이 발생하게 된다. 편심력은 마그네트의 자기력에 의해 발생되며, 이러한 편심력은 일반적으로 편심 거리에 비례하여 커진다.

이러한 편심력이 과도하게 작용하면, 마그네트들 중 일부가 아우터 스테이터 또는 이너 스테이터에 편중되게 근접되어 피스톤 작동시 소음이 발생되거나 피스톤의 오작동이 유발되는 문제가 발생될 수 있다.

KR 10-2002-0036610 A KR 10-1374296 B1

본 발명의 목적은, 리니어 모터에서 발생하는 편심력이 효과적으로 감소될 수 있도록 구조가 개선된 리니어 모터 및 이를 구비하는 리니어 압축기를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 추력의 손실을 최소화시키면서도 편심력의 크기가 효과적으로 감소될 수 있도록 구조가 개선된 리니어 모터 및 이를 구비하는 리니어 압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 일 실시 형태인 리니어 모터는, 아우터 코어와 이너 스테이터 사이에 마그네트가 배치되고, 아우터 코어는 둘레방향을 따라 배치되는 제1구간과 제2구간을 포함하고, 제1구간과 마그네트 간의 간격보다 제2구간과 마그네트 간의 간격이 더 큰 것을 특징으로 한다.

이와 같이 아우터 코어의 일부 구간과 마그네트 간의 간격을 적절히 조절됨으로써, 리니어 모터에서 발생하는 편심력이 효과적으로 감소될 수 있다.

또한 각각의 마그네트는 서로 이격되게 배치되고, 제2구간은 마그네트와 마그네트 사이의 이격공간과 원심방향으로 중첩되는 위치에 배치될 수 있다.

이로써 리니어 모터의 추력 손실은 최소화되면서 편심량의 감소만이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있게 된다.

또한 본 발명의 다른 형태는, 아우터 코어와 이너 스테이터 사이에 마그네트가 배치되고, 아우터 코어는 둘레방향을 따라 배치되는 제1구간과 제2구간을 포함하고, 아우터 코어와 마그네트 간의 간격 변화에 따른 추력의 감소 추세와 편심력의 감소 추세를 고려하여 제2구간의 둘레방향 길이가 선택되는 것을 특징으로 한다.

이를 위해, 추력 추세선과 편심력 추세선을 고려하여 제2방향의 둘레방향 길이를 선택하되, 편심력 추세선 중 다른 구간에 비해 가파른 추세를 보이는 구간 내에서 제2구간의 둘레방향 길이를 선택할 수 있다.

바람직하게는, 1%의 추력 감소와 10%의 편심력 감소가 이루어질 수 있게 제2구간의 둘레방향 길이가 선택될 수 있다.

이로써, 추력의 손실이 최소화시키면서도 편심력의 크기가 효과적으로 감소되도록 하는 효과가 제공될 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 리니어 모터는: 보빈과; 상기 보빈에 권선되는 코일과; 상기 보빈에 설치되는 아우터 코어와; 상기 보빈의 반경방향 내측에 배치되는 이너 스테이터; 및 상기 아우터 코어와 상기 이너 스테이터 사이에 배치되는 마그네트;를 포함하고, 복수개의 상기 마그네트가 상기 아우터 코어의 둘레방향을 따라 배치되고, 상기 아우터 코어는, 둘레방향을 따라 배치되는 제1구간과 제2구간을 포함하고, 상기 제1구간은, 상기 마그네트와 마주보는 내측면이 상기 마그네트와 제1간격을 유지하는 형상으로 형성되고, 상기 제2구간은, 상기 마그네트와 마주보는 내측면이 상기 마그네트와 상기 제1간격보다 더 큰 간격으로 이격되는 형상으로 형성될 수 있다.

또한 각각의 상기 마그네트는, 인접한 다른 상기 마그네트와의 사이에 이격공간이 형성되도록 둘레방향으로 서로 이격되게 배치되고, 상기 제2구간은, 적어도 일부분이 상기 이격공간과 원심방향으로 중첩되는 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 제2구간은, 한 쌍의 상기 제1구간의 사이에 배치되고, 상기 아우터 코어의 둘레방향 중앙에 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 제2구간의 둘레방향 길이는, 상기 이격공간의 둘레방향 길이 이상인 것이 바람직하다.

또한 상기 리니어 모터에서 발생되는 추력은, 상기 제2구간의 둘레방향 길이가 증가될수록 상기 리니어 모터에서 발생되는 추력의 크기가 감소되는 추력 추세선을 추종하고, 상기 리니어 모터에서 발생되는 편심력은, 상기 제2구간의 둘레방향 길이가 증가될수록 모터에서 발생되는 편심력의 크기가 감소되는 편심력 추세선을 추종하고, 상기 편심력 추세선은, 상기 제2구간의 둘레방향 길이가 0인 구간을 포함하는 제1추세선과, 상기 제1추세선에 포함된 구간보다 상기 제2구간의 둘레방향 길이가 긴 구간을 포함하는 제2추세선으로 구분되고, 상기 제1추세선이 상기 제2추세선보다 가파르고, 상기 제2구간의 둘레방향 길이는, 상기 제1추세선에 포함되는 값으로 선택되는 것이 바람직하다.

또한 상기 제2구간의 둘레방향 길이는, 상기 제2구간의 둘레방향 길이가 0일 때 상기 리니어 모터에서 발생되는 추력의 크기 대비 1% 감소된 추력에 대응되는 값으로 상기 추력 추세선에서 선택되는 것이 바람직하다.

또한 상기 제2구간의 둘레방향 길이는, 제2구간의 둘레방향 길이가 0일 때 상기 리니어 모터에서 발생되는 편심력의 크기 대비 10% 감소된 편심력에 대응되는 값으로 상기 편심력 추세선에서 선택되는 것이 바람직하다.

또한 상기 제2구간의 둘레방향 길이는, ΔSf/Δα 값이 가장 큰 값으로 선택되는 것이 바람직하다(단, ΔSf는 추력과 편심력 간의 차이, Δα는 추력의 감소량).

또한 상기 제2구간은, 원심방향으로 볼록한 곡면 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 제2구간은, 상기 제1구간보다 R값이 작은 곡면 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 리니어 모터 및 이를 구비하는 리니어 압축기는, 아우터 코어의 일부 구간과 마그네트 간의 간격을 적절히 조절함으로써, 리니어 모터에서 발생하는 편심력을 효과적으로 감소시키는 효과를 제공할 수 있다.

또한 본 발명은, 아우터 코어와 마그네트 간의 간격 변화에 따른 추력의 감소 추세와 편심력의 감소 추세를 고려하여 아우터 코어의 일부 구간과 마그네트 간의 간격을 적절히 조절함으로써, 추력의 손실을 최소화시키면서도 편심력의 크기를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명은, 편심력이 효과적으로 감소되도록 함으로써, 리니어 모터의 구성들이 동심에 위치하지 않고 어느 한 방향으로 편심된 위치에 있는 경우에도 마그네트가 아우터 스테이터 또는 이너 스테이터에 편중되게 근접되어 피스톤 작동시 소음이 발생되거나 피스톤의 오작동이 유발되는 현상이 발생되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한 본 발명은, 리니어 모터의 구성들이 동심에 정확하게 위치되지 못한 경우에도 리니어 모터의 성능 저하가 최소화될 수 있도록 함으로써, 리니어 모터 및 이를 구비하는 리니어 압축기의 제조 난이도를 낮추고, 제품 불량 발생률을 낮추는 효과를 제공할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 구조를 간단히 나타낸 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 리니어 모터의 구조를 간단히 나타낸 정단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 아우터 코어를 분리하여 도시한 사시도이다.
도 4 도 3에 도시된 아우터 코어를 도시한 정면도이다.
도 5는 마그네트와 아우터 코어의 배치 관계를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 "Ⅵ" 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 7은 제2구간의 둘레방향 길이에 따른 추력과 편심력의 변화 추이를 보여주는 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

이하 실시예를 설명함에 있어서 축방향이라 함은 피스톤의 직선 왕복 운동 방향을 의미한다. 전방이라 함은 축방향으로 피스톤이 실린더에 들어가는 방향과 나란한 방향을 의미한다. 후방이라 함은 축방향으로 피스톤이 실린더로부터 나오는 방향과 나란한 방향을 의미한다. 반경방향이라 함은 상기 축으로부터 멀어지거나 축에 가까워지는 방향을 의미한다. 원심방향이라 함은 상기 축으로부터 멀어지는 방향을 의미하고, 구심방향이라 함은 상기 축에 가까워지는 방향을 의미한다. 원주방향 또는 둘레방향이라 함은 상기 축의 둘레를 감싸는 방향을 의미한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.

떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기의 피스톤 구조를 설명하도록 한다.

[리니어 압축기의 전반적인 구조]

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리니어 압축기의 구조를 간단히 나타낸 측단면도이다.

먼저, 도 1을 참조하여 리니어 압축기의 전반적인 구조를 살핀다.

리니어 압축기(1)는, 실린더(40)에 대해 피스톤(50)이 직선 왕복 운동한다. 실린더(40)와 피스톤(50)에 의해 규정되는 압축실(44)의 공간은, 피스톤(50)이 직선 왕복 운동함에 따라 체적이 증가하고 감소함을 반복한다.

유체의 압축을 위한 상술한 구조는, 쉘(10) 내부에 배치된다. 쉘(10)의 내부 공간은, 쉘(10)에 의해 외부와 격리된다. 본 실시예에서는, 쉘(10)이 바디쉘(11)과 리드쉘(12)을 포함하는 것으로 예시된다. 바디쉘(11)은, 상부로 개방된 용기 모양으로 형성될 수 있다. 그리고 리드쉘(12)은, 바디쉘(11)의 상부에서 바디쉘(11)을 덮는 형태로 마련될 수 있다.

예컨대, 바디쉘(11)과 리드쉘(12)은 판금을 프레스 가공하는 방법으로 제작될 수 있다. 바디쉘(11)의 저면에는, 쉘(10)을 고정하기 위한 이어마운트(13)가 배치될 수 있다. 쉘(10)에는 유입관(14)이 연결되고, 유입관(14)을 통해 냉매가 쉘(10)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 쉘의 형태와 조립 방식은, 본 실시예에서 예시된 쉘(10)에 한정되지 않는다.

쉘(10)의 바닥에는, 상부로 돌출된 복수 개의 설치핀(15)이 마련될 수 있다. 그리고 복수 개의 설치핀(15)에는, 각각 코일스프링과 같은 탄성체(25)가 설치될 수 있다. 앞서 설명한 실린더(40), 피스톤(50) 및 리니어 모터(30)를 구비하는 프레임(20)은, 탄성체(25) 상에 얹어져 설치될 수 있다. 이에 따라 피스톤(50)이 실린더(40)에 대해 상대적으로 축방향으로 직선 왕복 운동하며 발생하는 진동은, 쉘(10)에 전달되지 않을 수 있다. 탄성체의 종류와 설치 방식은, 본 실시예에서 예시된 코일스프링에 한정되지 않는다. 예컨대, 탄성체로서 판스프링이 사용되거나, 와이어에 프레임(20)을 매다는 방식이 사용될 수도 있다.

프레임(20)은, 실린더(40)를 구비할 수 있다. 실린더(40)는, 프레임(20)과 일체로 제작될 수 있다. 일체로 제작된다 함은, 실린더(40)와 프레임(20)이 서로 다른 부품으로 제작된 후 조립되어 일체를 이루거나, 처음부터 하나의 부품으로 제작되는 개념을 포함한다.

실린더(40)는, 축방향으로 배열되는 원통형 구조일 수 있다. 실린더(40)의 축방향 전방은 토출커버(46)로 덮여 있고, 실린더(40)의 축방향 후방은 개방되어 있다. 토출커버(46)에는, 소정 값 이상의 압력에 의해 개방되는 토출밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 압축실(44)은, 토출커버(46), 실린더(40)의 보어(42) 및 피스톤(50)의 헤드(54)에 의해 규정될 수 있다.

피스톤(50)은, 헤드(54)와, 베어링 표면(61), 및 플랜지(56)를 포함할 수 있다. 헤드(54)는, 피스톤(50)의 축방향 전방에 마련되고, 압축실(44)과 마주할 수 있다. 헤드(54)의 단면은, 실린더(40)의 보어(42)의 내부 단면과 대응한다.

헤드(54)에는, 체크밸브(55)가 설치될 수 있다. 체크밸브(55)는, 헤드(54)보다 축방향 후방에 마련된 공간의 유체가 상기 압축실(44)로 유입되는 것은 허용하고, 압축실(44)의 유체가 헤드(54)보다 축방향 후방에 마련된 공간으로 역류하는 것은 방지한다.

베어링 표면(61)은, 헤드(54)의 반경방향 외측 단부로부터 축방향 후방으로 연장되는 원통 형상이다. 베어링 표면(61)은, 실린더(40)의 보어(42)와 접하며 슬라이드 한다.

실린더(40)의 보어(42)에 대한 베어링 표면(61)의 마찰 계수를 줄이고 마모를 방지하기 위해, 상기 베어링 표면(61)에는 소정의 표면 처리가 이루어질 수 있다. 가령 이러한 표면 처리는, 표면의 경도(hardness)를 높이고 표면의 조도(roughness)를 최소화하여 매끄럽게 하는 처리일 수 있다. 이러한 표면 처리는, 가령 PTFE(Polytetrafluoroethylene), DLC(Diamond-Like-Carbon), 애노다이징(anodizing) 등일 수 있다. 본 실시예에서는, 베어링 표면(61)에 DLC 처리가 이루어지는 것이 예시된다.

베어링 표면(61)의 축방향 후방 단부에는, 플랜지(56)가 연결될 수 있다. 플랜지(56)는, 베어링 표면(61)으로부터 원심방향으로 연장될 수 있다.

피스톤(50)의 직선 왕복 운동을 구동하기 위해, 실린더(40)의 외측 둘레에는 리니어 모터(30)가 마련된다. 리니어 모터(30)는, 서로 다른 직경을 가지는 한 쌍의 환 형 스테이터(32,34)와, 한 쌍의 스테이터(32,34) 사이에 배치된 이동부재(36)를 구비할 수 있다. 이동부재(36)는, 피스톤(50)에 연결되어 피스톤(50)과 일체로 직선 왕복 운동한다. 리니어 모터(30)의 구성에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

이동부재(36)의 후방 단부는, 상기 피스톤(50)의 플랜지(56)에 고정될 수 있다. 이러한 이동부재(36)는, 피스톤(50)과 함께 전후 방향으로 이동할 수 있다.

또한 피스톤(50)은, 공진 스프링(70)에 연결될 수 있다. 공진 스프링(70)은, 플랜지(56)를 통해 피스톤(50)에 연결될 수 있다. 공진 스프링(70)은, 피스톤(50)을 각각 전방과 후방으로 탄성 가압하는 제1스프링(71)과 제2스프링(72)을 포함할 수 있다.

본 실시예에서는, 공진 스프링(70)으로서 압축 코일 스프링이 적용된 구조가 예시된다. 이에 따르면, 제1스프링(71)과 제2스프링(72)의 일측 단부는 프레임(20)에 의해 지지되고, 타측 단부는 상기 피스톤(50)을 가압할 수 있다. 공진 스프링(70)은, 이동부재(36)와 피스톤(50)의 직선 왕복 운동의 진동을 증폭시켜, 유체의 압축이 보다 효율적으로 이루어지도록 한다.

[리니어 모터의 전반적인 구조]

도 2는 도 1에 도시된 리니어 모터의 구조를 간단히 나타낸 정단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 아우터 코어를 분리하여 도시한 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 피스톤(50)을 직선 왕복 구동하는 구동수단인 리니어 모터(30)는, 스테이터(32,34)와 이동부재(36)를 포함할 수 있다. 스테이터(32,34)는, 프레임(20)에 고정될 수 있다. 이러한 스테이터는, 이너 스테이터(34)와 아우터 스테이터(32)를 포함할 수 있다. 이너 스테이터(34)는, 실린더(40)의 외주 둘레에 설치될 수 있다. 그리고 아우터 스테이터(32)는, 이너 스테이터(34)로부터 반경방향 외측에 이격되게 배치될 수 있다.

이동부재(36)는, 아우터 스테이터(32)와 이너 스테이터(34) 사이에 배치되어 축방향을 따라 직선 왕복 이동할 수 있다. 아우터 스테이터(32)에는 코일(323)이 장착될 수 있으며, 이동부재(36)는 마그네트(37)를 포함할 수 있다. 마그네트(37)는, 영구자석 형태로 마련될 수 있다.

리니어 모터(30)에 전류가 인가되면, 코일(323)에 의해 스테이터(32,34)에 자속(Flux)이 형성된다. 이러한 자속은 상기 이동부재(36)에 마련된 마그네트(37)의 자속과 상호 작용하고, 이에 따라 이동부재(36)는 전후 방향으로 직선 왕복 운동할 수 있다.

아우터 스테이터(32)는, 보빈(321)과 코일(323) 및 아우터 코어(325)를 포함할 수 있다.

보빈(321)은, 속이 빈 원통의 양단부에 원통보다 직경이 큰 원판이 구비된 형태로 형성될 수 있다. 보빈(321)의 외주면에는, 코일(323)이 권취될 수 있다.

보빈(321)의 양단부에는 상기한 복수 개의 아우터 코어(325)가 안착되기 위한 코어 안착부가 복수 개 구비될 수 있다. 그리고 코어 안착부에는, 코어 안착부에 장착된 아우터 코어(325)의 유동을 방지하기 위한 복수 개의 코어 가이드부가 방사상으로 구비될 수 있다.

아우터 코어(325)는, 보빈(321)에 설치될 수 있다. 아우터 코어(325)는, 보빈(321) 및 코일(323)의 직경방향 외측에 배치되며, 마그네트(37)로부터 발생하는 자속의 유로를 형성할 수 있다.

아우터 코어(325)는, 전도성을 가지며 자속의 유로가 되는 금속 재질로 형성될 수 있다. 이러한 아우터 코어(325)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 코어(325a,325b)가 쌍을 이루는 형태로 구비될 수 있다.

각각의 코어(325a,325b)는, 대략 "ㄷ" 형상으로 형성될 수 있다. 각 코어(325a,325b)의 일측 단부에서는, 직각 형상으로 끝단 처리가 이루어질 수 있다. 그리고 각 코어(325a,325b)의 타측 단부는, 끌(Chisil)의 형상과 같이 단부로 갈수록 두께 얇아지는 형상으로 형성될 수 있다.

한 쌍의 코어(325a,325b)는, 각각의 일단부가 서로 마주보며 결합됨에 의해 서로 결합될 수 있다. 한 쌍의 코어(325a,325b)가 상기와 같이 결합됨에 아우터 코어(325)의 조립이 완료되는 동시에, 아우터 코어(325)가 보빈(321)의 외주면에 결합될 수 있다. 이때 각 코어(325a,325b)의 끌 형상으로 형성된 타단부는, 보빈(321)의 내주면과 결합될 수 있다.

[아우터 코어의 구조]

본 실시예에 따르면, 복수개의 아우터 코어(325)가 이너 스테이터(34)의 직경방향 외측에 배치되되, 이너 스테이터(34)의 둘레방향을 따라 배치된다. 그리고 아우터 코어(325)와 이너 스테이터(34) 사이에 복수개의 마그네트(37)가 배치되되, 아우터 코어(325)의 둘레방향을 따라 배치된다.

각각의 마그네트(37)는, 인접한 다른 마그네트(37)와의 사이에 이격공간(37a)이 형성되도록, 둘레방향으로 서로 이격되게 배치될 수 있다. 이하, 복수개의 마그네트(37)와 그 사이에 형성된 이격공간(37a)을 모두 포함하여 마그네트 모듈(M)로 지칭하기로 한다.

도 4 도 3에 도시된 아우터 코어를 도시한 정면도이고, 도 5는 마그네트와 아우터 코어의 배치 관계를 보여주는 도면이며, 도 6은 도 5의 "Ⅵ" 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.

도 5에서는 한 단위의 마그네트 및 아우터 코어 외에 나머지 다른 마그네트 및 아우터 코어의 도시가 생략되어 있음을 밝혀둔다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 아우터 코어(325)는, 둘레방향을 따라 배치되는 제1구간(3251)과 제2구간(3253)을 포함할 수 있다. 제1구간(3251)은, 마그네트 모듈(M)과 마주보는 내측면이 마그네트 모듈(M)과 제1간격(d1)을 유지하는 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 제2구간(3253)은, 마그네트 모듈(M)과 마주보는 내측면이 마그네트 모듈(M)과 제2간격(d2)을 유지하는 형상으로 형성될 수 있다.

이때 제1간격(d1)과 제2간격(d2)은, 복수개의 마그네트(37)들의 외주면을 연결한 가상의 원과 아우터 코어(325)의 내주면 사이를 반경방향으로 연결하는 가상의 직선의 길이로 표현될 수 있다.

제1구간(3251)과 제2구간(3253)은, 둘레방향을 따라 배치될 수 있다. 본 실시예에서는, 아우터 코어(325)에 한 쌍의 제1구간(3251)이 마련되고, 제2구간(3253)은 이 한 쌍의 제1구간(3251) 사이에 배치되는 것으로 예시된다. 즉 제2구간(3253)은, 아우터 코어(325)의 둘레방향 중앙에 배치될 수 있다.

또한 상기 제2구간(3253)은, 적어도 일부분이 마그네트(37) 사이의 이격공간(37a)과 원심방향으로 중첩되는 위치에 배치될 수 있다. 이러한 제2구간(3253)의 둘레방향 길이는, 이격공간(37a)의 둘레방향 길이 이상일 수 있다. 바람직하게는, 제2구간(3253)은 이격공간(37a) 전체를 직경방향 외측에서 덮을 수 있는 길이로 형성될 수 있다.

마그네트(37) 사이의 이격공간(37a)은, 마그네트(37)가 배치된 부분에 비해 자속의 영향이 덜 미치는 영역이다. 그리고 제2구간(3253)은, 아우터 코어(325) 중 다른 부분보다 마그네트 모듈(M)과의 거리가 멀게 형성된 영역이다.

마그네트 모듈(M)과 아우터 코어(325) 간의 거리가 멀어진 구간, 즉 제2구간(3253)과 같은 구간이 존재하게 되면, 이러한 구간에서는 코일(323)에서 형성된 자속과 마그네트(37)의 자속의 상호 작용이 이루어지는 효율이 감소되고, 이로 인해 리니어 모터(30)에서 발생하는 추력과 편심력이 감소하게 된다.

본 실시예에 따르면, 이격공간(37a)이 형성된 위치에서의 마그네트 모듈(M)과 아우터 코어(325) 간의 거리가 다른 위치에서의 마그네트 모듈(M)과 아우터 코어(325) 간의 거리보다 멀어지는데, 이는 리니어 모터(30)에서 발생하는 추력이 감소되는 정도에 비해 편심력의 감소 정도가 더 커지도록 하는 결과를 유도할 수 있다.

마그네트(37) 사이의 이격공간(37a)은, 마그네트(37)가 배치된 부분에 비해 자속의 영향이 덜 미치는 영역이다. 따라서 제1구간(3251)과 마그네트 모듈(M) 간의 거리 증가에 따라 리니어 모터(30)의 추력이 감소되는 정도보다는, 제2구간(3253)과 마그네트 모듈(M) 간의 거리 증가에 따라 리니어 모터(30)의 추력이 감소되는 정도가 덜하게 나타나게 된다.

이에 비해, 제1구간(3251)과 마그네트 모듈(M) 간의 거리 증가에 따라 편심력이 감소되는 정도와 제2구간(3253)과 마그네트 모듈(M) 간의 거리 증가에 따라 편심력이 감소되는 정도의 차이는 그리 크지 않게 나타난다. 편심력은 주로 마그네트(37)의 자기력에 의해 발생되며, 이러한 편심력은 일반적으로 편심 거리에 비례하여 커지는 물리량이기 때문이다.

따라서 상기와 같이 제2구간(3253)이 이격공간(37a)과 원심방향으로 중첩되는 위치에 배치됨으로써, 리니어 모터(30)에서 발생하는 추력의 손실을 억제하면서 편심력을 효과적으로 감소시킬 수 있게 된다.

아울러 제2구간(3253)은, 원심방향으로 볼록한 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 제2구간(3253)은 제1구간(3251)보다 R값(곡률)이 작은 곡면 형상으로 형성될 수 있다.

아우터 코어(325)는, 복수개의 금속 판재가 둘레방향으로 적층된 형태로 형성될 수 있다. 그리고 이러한 아우터 코어(325)의 형상은, 아우터 코어(325)를 형성하는 각각의 금속 판재를 아우터 코어(325)의 반경방향 내측에서 원심방향으로 가압함에 의해 형성될 수 있다. 즉 각각의 금속 판재를 아우터 코어(325)의 반경방향 내측에서 원심방향으로 가압함에 따라, 그 가압된 면이 소정의 R값을 갖는 곡면으로 형성될 수 있다.

이러한 아우터 코어(325)에서, 제1구간(3251)에 비해 제2구간(3253)의 내측면이 원심방향으로 오목하게 형성되기 위해, 제2구간(3253)에 대한 가압이 제1구간(3251)보다 더 높은 수준으로 이루어진다. 이에 따라 제2구간(3253)은, 제1구간(3251)보다 R값이 작은 곡면 형상으로 형성될 수 있다.

[아우터 코어의 형상과 리니어 모터의 추력 및 편심력 간의 관계]

도 7은 제2구간의 둘레방향 길이에 따른 추력과 편심력의 변화 추이를 보여주는 그래프이다.

이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 아우터 코어의 형상과 리니어 모터의 추력 및 편심력 간의 관계에 대하여 설명한다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 리니어 모터(30)에서 발생되는 추력은 추력 추세선(A)을 추종하는 경향을 보이고, 편심력은 편심력 추세선(B)을 추정하는 경향을 보인다는 것을 알 수 있다.

여기서, 추력 추세선(A)은 제2구간(3253)의 둘레방향 길이(x; 이하, "제2구간 폭"이라 한다)가 증가될수록 리니어 모터(30)에서 발생되는 추력의 크기가 감소되는 추세를 보여준다. 그리고 편심력 추세선(B)은, 제2구간 폭(x)이 증가될수록 편심력의 크기가 감소되는 추세를 보여준다.

여기서 주목할 점은, 편심력 추세선(B)이 두 구간으로 구분될 수 있다는 점이다. 이에 따르면, 편심력 추세선(B)은 제1추세선(B1)과 제2추세선(B2)으로 구분될 수 있다. 이 중 제1추세선(B1)은, 제2구간 폭(x)이 0인 구간을 포함하는 추세선이다. 그리고 제2추세선(B2)은, 편심력 추세선 중 제1추세선(B1)에 포함된 구간을 제외한 나머지 구간, 즉 제1추세선(B1)에 포함된 구간보다 제2구간 폭(x)이 긴 구간을 포함하는 추세선이다.

상기 편심력 추세선(B)에서는, 제1추세선(B1)이 제2추세선(B2)보다 가파른 추세를 보인다. 즉 편심력 추세선(B)을 보면, 제2추세선(B2) 구간에 비해 제1추세선(B1) 구간에서 편심력의 감소폭이 크게 나타난다. 이에 비해, 추력 추세선(A)은 그 전체 구간에 걸쳐 기울기가 크게 변화되지 않는 경향을 보인다.

이러한 점을 고려하여, 본 실시예에서는 제2구간 폭(x)이 제1추세선(B1)에 포함되는 값으로 선택된다. 즉 제2구간 폭(x)은, 제2추세선(B2) 구간에 포함된 값보다 작은 값으로 선택된다.

일례로서, 제2구간 폭(x)은 제2구간 폭(x)이 0일 때 리니어 모터(30)에서 발생되는 추력의 크기, 즉 아우터 코어(325)에 제2구간(3253)이 존재하지 않을 때 리니어 모터(30)에서 발생되는 추력(이하, "비교대상 추력"이라 한다)의 크기 대비 약 1% 감소된 추력에 대응되는 값으로 선택될 수 있다. 즉 제2구간(3253) 폭은, 비교대상 추력의 크기 대비 1% 감소된 추력에 대응되는 값으로 추력 추세선(A)에서 선택될 수 있다.

이러한 제2구간 폭(x)의 값은, 추력 유지를 위주로 하면서 편심력 감소를 도모하고자 하는 목적으로 선택될 수 있다.

다른 예로서, 제2구간 폭(x)은 제2구간 폭(x)이 0일 때 리니어 모터(30)에서 발생되는 편심력의 크기, 즉 아우터 코어(325)에 제2구간(3253)이 존재하지 않을 때 리니어 모터(30)에서 발생되는 편심력(이하, "비교대상 편심력"이라 한다)의 크기 대비 약 10% 감소된 편심력에 대응되는 값으로 선택될 수 있다. 즉 제2구간(x) 폭은, 비교대상 편심력의 크기 대비 10% 감소된 추력에 대응되는 값으로 편심력 추세선(B), 좀 더 구체적으로는 제1추세선(B1)에서 선택될 수 있다.

이러한 제2구간 폭(x)의 값은, 편심력 감소를 위주로 하면서 소정 이상의 추력 유지를 도모하고자 하는 목적으로 선택될 수 있다.

또 다른 예로서, 제2구간 폭(x)은, ΔSf/Δα 값이 가장 큰 값으로 선택될 수 있다. 여기서 ΔSf는 추력과 편심력 간의 차이를 나타내는 값이고, Δα는 추력의 감소량을 나타내는 값이다. 즉 ΔSf/Δα 값은, 추력의 감소량 대비 추력과 편심력 간의 차이를 나타내는 값이다.

예를 들어, 제2구간 폭(x)이 L1인 지점에서, 추력 추세선(A) 상에서 비교대상 추력 대비 추력의 감소량이 4%로 나타나고, 편심력 추세선(B) 상에서 비교대상 편심력 대비 편심력의 감소량이 16%로 나타난다면, ΔSf/Δα 값은 약 4이다. 또한 제2구간 폭(x)이 L2인 지점에서, 추력 추세선(A) 상에서 비교대상 추력 대비 추력의 감소량이 11%로 나타나고, 편심력 추세선(B) 상에서 비교대상 편심력 대비 편심력의 감소량이 22%로 나타난다면, ΔSf/Δα 값은 약 2이다. 또한 제2구간 폭(x)이 L3인 지점에서, 추력 추세선(A) 상에서 비교대상 추력 대비 추력의 감소량이 1%로 나타나고, 편심력 추세선(B) 상에서 비교대상 편심력 대비 편심력의 감소량이 10%로 나타난다면, ΔSf/Δα 값은 약 10이다. 이러한 경우, 본 실시예에서는 제2구간 폭(x)이 L3로 선택된다.

이러한 제2구간 폭(x)의 값은, 추력 감소 대비 편심력 감소량을 최대한으로 증가시키는 것을 목적으로 선택될 수 있다.

상기와 같은 방식으로 이루어지는 제2구간 폭(x)의 선택은, 추력 손실을 최소화하면서 편심력 감소량만을 최대한으로 증가시킬 수 있다는데 의미가 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

1: 리니어 압축기
10: 쉘
11: 바디쉘
12: 리드쉘
13: 이어마운트
14: 유입관
15: 설치핀
20: 프레임
25: 탄성체(코일스프링)
30: 리니어 모터
32: 아우터 스테이터
321: 보빈
323: 코일
325: 아우터 코어
325a,325b: 코어
3251: 제1구간
3253 : 제2구간
34: 이너 스테이터
36: 이동부재
37: 마그네트
37a: 이격공간
40: 실린더
42: 보어
44: 압축실
46: 토출커버
47: 토출포트
50: 피스톤
70: 공진 스프링
71: 제1스프링
72: 제2스프링
M: 마그네트 모듈
x: 제2구간 폭
A: 추력 추세선
B: 편심력 추세선
B1: 제1추세선
B2: 제2추세선

Claims (11)

1. 보빈;
   상기 보빈에 권선되는 코일;
   상기 보빈에 설치되는 아우터 코어;
   상기 보빈의 반경방향 내측에 배치되는 이너 스테이터; 및
   상기 아우터 코어와 상기 이너 스테이터 사이에 배치되며, 축방향을 따라 이동할 수 있게 마련되는 마그네트;를 포함하고,
   복수개의 상기 마그네트가 상기 축방향으로 연장되는 축의 둘레를 감싸는 방향인 둘레방향을 따라 배치되고,
   상기 아우터 코어는, 제1구간과 제2구간을 포함하고,
   상기 제1구간은, 상기 마그네트와 마주보는 내측면이 상기 마그네트와 제1간격을 유지하는 형상으로 형성되고,
   상기 제2구간은, 상기 마그네트와 마주보는 내측면이 상기 마그네트와 상기 제1간격보다 더 큰 간격으로 이격되는 형상으로 형성되고,
   상기 제1구간과 상기 제2구간이 상기 둘레방향을 따라 배치되고,
   각각의 상기 마그네트는, 인접한 다른 상기 마그네트와의 사이에 이격공간이 형성되도록 상기 둘레방향으로 서로 이격되게 배치되고,
   상기 제2구간은, 적어도 일부분이 상기 이격공간과 상기 반경방향으로 중첩되는 위치에 배치되는 리니어 모터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2구간은, 한 쌍의 상기 제1구간의 사이에 배치되고, 상기 아우터 코어의 둘레방향 중앙에 배치되는 리니어 모터.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이는, 상기 둘레방향에 따른 상기 이격공간의 길이 이상인 리니어 모터.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 리니어 모터에서 발생되는 추력은, 상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이가 증가될수록 상기 리니어 모터에서 발생되는 추력의 크기가 감소되는 추력 추세선을 추종하고,
   상기 리니어 모터에서 발생되는 편심력은, 상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이가 증가될수록 모터에서 발생되는 편심력의 크기가 감소되는 편심력 추세선을 추종하고,
   상기 편심력 추세선은, 상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이가 0인 구간을 포함하는 제1추세선과, 상기 제1추세선에 포함된 구간보다 상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이가 긴 구간을 포함하는 제2추세선으로 구분되고,
   상기 제1추세선이 상기 제2추세선보다 가파르고,
   상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이는, 상기 제1추세선에 포함되는 값으로 선택되는 리니어 모터.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이는, 상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이가 0일 때 상기 리니어 모터에서 발생되는 추력의 크기 대비 1% 감소된 추력에 대응되는 값으로 상기 추력 추세선에서 선택되는 리니어 모터.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이는, 상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이가 0일 때 상기 리니어 모터에서 발생되는 편심력의 크기 대비 10% 감소된 편심력에 대응되는 값으로 상기 편심력 추세선에서 선택되는 리니어 모터.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 둘레방향에 따른 상기 제2구간의 길이는, ΔSf/Δα 값이 가장 큰 값으로 선택되는 리니어 모터.
   (단, ΔSf는 추력과 편심력 간의 차이, Δα는 추력의 감소량)
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2구간은, 원심방향으로 볼록한 곡면 형상으로 형성되는 리니어 모터.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2구간은, 상기 제1구간보다 R값이 작은 곡면 형상으로 형성되는 리니어 모터.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 리니어 모터를 포함하는 리니어 압축기.
11. 삭제

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