KR102608386B1 - 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기는, 마그넷 코일이 구비되고, 상기 마그넷 코일을 사이에 두고 축방향 양쪽에 각각 공극이 형성되는 고정자; 상기 고정자에 삽입되며, 상기 양쪽 공극중에서 어느 한 쪽에는 적어도 한 개의 마그네트(Magnet)가 배치되고 다른 공극에는 자성체가 배치되어, 상기 고정자에 대해 왕복운동을 하는 가동자; 및 상기 고정자와 가동자의 사이에서 자기저항이 낮은 쪽으로 이동하려는 힘을 이용하여 상기 가동자를 고정자에 대해 공진운동시키는 자기적 공진스프링;을 포함함으로써, 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동 압축기가 소형화되고 경량화되며 높은 효율을 얻을 수 있다.

Description

왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기{RECYPROCATING MOTOR AND RECYPROCATING COMPRESSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 자기에너지를 이용하여 피스톤을 공진시키는 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

모터(Motor)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 회전력 또는 왕복동력을 얻는 장치로서, 이러한 모터는 인가되는 전원의 종류에 따라서 교류모터와 직류모터로 구분될 수 있다.

모터는 고정자(Stator)와 가동자(Mover 또는 Rotor)를 포함해서 이루어지며, 고정자에 구비되는 권선(Coil)에 전류가 흐를 때 발생하는 자속(Flux)의 방향에 따라 마그네트(Margnet)가 구비된 가동자가 회전운동을 하거나 또는 왕복운동을 하게 된다.

모터는 가동자의 운동양태에 따라 회전 모터 또는 왕복동 모터로 구분될 수 있다. 회전 모터는 마그넷 코일에 인가되는 전원에 의해 고정자에 자속이 형성되고 이 자속에 의해 가동자가 고정자에 대해 회전운동을 하는 반면, 왕복동 모터는 가동자가 고정자에 대해 직선으로 왕복운동을 하는 방식이다.

왕복동 모터는 통상 입체적인 구조를 갖는 모터의 자속을 평판 형상으로 변형시킨 것으로서, 평면 형상의 가동자가 역시 평면 형상의 고정자 상측에 얹혀져 그 고정자의 자기장의 변화에 따라서 직선적으로 움직이는 모터의 한 종류이다.

최근에는 고정자가 내측 고정자(Inner stator)와 외측 고정자(Outer stator)를 갖는 원통형으로 형성되고, 내측 고정자와 외측 고정자중에서 어느 한 쪽에 유도자기를 발생시키기 위한 마그넷 코일이 권취되며, 자극(Magnet pole)이 고정자의 축방향을 따라 배열된 마그네트(Magnet)가 가동자에 구비되어 그 가동자가 내측 고정자와 외측 고정자 사이의 공극(Air gap)에서 왕복운동을 하도록 하는 압축기용 왕복동 모터가 소개되고 있다.

이러한 압축기용 왕복동 모터는 대한민국 등록특허 제10-0492615호(이하, 선행기술 1) 및 대한민국 등록특허 제10-0539813호(이하, 선행기술 2) 등에 개시되어 있다.

선행기술 1과 선행기술 2에는 모두 박판으로 형성된 다수 개의 철심코어를 환형으로 형성된 마그넷 코일에 방사상으로 적층하여 원통형으로 된 외측 고정자 또는 내측 고정자를 형성하고 있다.

상기와 같은 왕복동 모터는 가동자가 안정적으로 왕복운동을 할 수 있도록 그 가동자의 왕복방향 양쪽에 각각 압축코일스프링으로 된 기계적 공진스프링이 구비되어 있다.

이에 따라, 가동자가 마그넷 코일에 인가된 전원의 자속 방향을 따라 전후 방향으로 이동을 할 때 그 가동자가 이동하는 방향에 구비된 기계적 공진스프링은 압축되면서 반발력을 축적하고, 이어서 가동자가 반대 방향으로 이동할 때 반발력을 축적했던 기계적 공진스프링이 가동자를 밀어내는 일련의 과정을 반복하게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 왕복동 모터는, 가동자가 압축코일스프링으로 된 기계적 공진스프링으로 지지되나, 압축코일스프링의 특성상 발생하는 자체 공진 때문에 일정구간의 운전주파수 안에서도 특정구간은 운전주파수로 사용하지 못하는 문제점이 있었다.

또, 종래의 왕복동 모터는, 압축코일스프링으로 된 기계적 공진스프링이 설치됨에 따라 그 압축코일스프링의 특성상 기계적 응력 한계 및 진동 거리 등의 제약이 발생하게 되고, 이로 인해 공진스프링은 일정한 선경과 길이 등을 확보하여야 하므로 왕복동 모터의 횡방향 길이를 축소시키는데 한계가 있었다.

또, 종래의 왕복동 모터는, 압축코일스프링으로 된 기계적 공진스프링이 설치됨에 따라 그 압축코일스프링의 양단을 고정하기 위한 스프링 지지부재를 가동자와 고정자에 각각 구비하여야 하므로 모터의 기구 구조가 복잡하게 될 뿐만 아니라, 복수 개씩의 공진스프링을 높은 압력으로 가압하여 가동자의 전후 양측에 각각 설치하여야 하므로 그만큼 조립공정이 어렵게 되는 문제점도 있었다.

또, 종래의 왕복동 모터는, 외측 고정자와 내측 고정자 사이에 마그네트를 포함한 가동자가 왕복운동 가능하게 배치됨에 따라, 그 가동자를 기준으로 외측과 내측에 각각 공극이 형성되면서 전체 공극이 증가하여 모터 효율이 저하되는 문제점도 있었다.

또, 종래의 왕복동 모터는, 마그네트를 지지하는 마그네트 프레임의 두께가 커서 전체 가동자의 무게가 증가하고 이로 인해 전력소모량이 증가할 뿐만 아니라, 외측 고정자와 내측 고정자 사이의 공극이 더 증가하면서 모터 효율이 더욱 저하되는 문제점도 있었다.

또, 상기와 같은 왕복동 모터를 적용한 왕복동식 압축기는, 전술한 왕복동 모터에서의 문제를 여전히 가지게 되는 것은 물론 이로 인해 왕복동식 압축기를 소형화하는데 한계가 있었다.

본 발명의 목적은, 운전주파수 내에서 모든 주파수를 사용할 수 있는 왕복동 모터를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 공진스프링의 왕복방향 길이를 줄여 전체 모터 크기를 소형화할 수 있는 왕복동 모터를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 가동자가 고정자에 대해 공진운동을 할 수 있도록 하는 공진스프링의 구조와 조립공정을 간소화하여 제조비용을 절감할 수 있는 왕복동 모터를 제공하려는데 있다.

또, 공진스프링의 스프링 강성을 높이면서도 마그네트의 사용량을 줄일 수 있는 왕복동 모터를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 가동자의 무게를 줄여 전력소모량을 낮춤으로써 모터 효율을 높일 수 있는 왕복동 모터를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상기한 목적을 달성하여 소형화되고 경량화된 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 마그넷 코일이 구비되고, 적어도 한 개 이상의 공극이 구비되는 고정자; 및 상기 고정자에 삽입되며, 상기 마그넷 코일에 의해 발생되는 자속에 의해 왕복운동을 하도록 자성체가 상기 공극에 위치하는 가동자;를 포함하고, 상기 자성체는 복수 개의 폴(Magnetic pole)을 가지며, 상기 폴의 개수가 상기 공극의 개수보다 많거나 같은 왕복동 모터가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 공극은 2개이고, 상기 자극은 3개로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 3개의 폴 중에서 적어도 두 개는 서로 연결되어 왕복방향으로 배열되고, 다른 한 개는 왕복방향으로 일정 간격만큼 이격되어 배열될 수 있다.

그리고, 상기 3개의 폴 중에서 서로 연결되는 두 개의 자극은 영구자석으로 이루어지고, 다른 한 개는 자성체로 이루어질 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 마그넷 코일이 구비되고, 상기 마그넷 코일을 사이에 두고 축방향 양쪽에 각각 공극이 형성되는 고정자; 및 상기 고정자에 삽입되며, 상기 양쪽 공극중에서 어느 한 쪽에는 적어도 한 개의 마그네트(Magnet)가 배치되고 다른 공극에는 자성체가 배치되어, 상기 고정자에 대해 왕복운동을 하는 가동자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 마그네트는 상기 가동자의 왕복방향으로 서로 다른 자극을 가지도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 마그네트는 상기 자성체와의 사이에 일정간격만큼 이격된 이격부가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 자성체의 왕복방향 길이는 상기 마그네트의 자극 경계면이 상기 고정자의 공극 끝단에 일치할 때 상기 자성체의 적어도 일부가 상기 고정자의 공극 범위내에 위치하도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기 가동자는 상기 마그네트를 지지하는 가동자 코어를 포함하고, 상기 가동자 코어는 상기 마그네트의 내주면에 구비될 수 있다.

그리고, 상기 가동자 코어의 외주면에는 상기 마그네트가 장착되는 마그네트 장착홈이 형성되고, 상기 마그네트 장착홈의 왕복방향 길이는 상기 마그네트의 왕복방향 길이보다 크게 형성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 환형으로 된 마그넷 코일; 상기 마그넷 코일을 기준으로 좌우 양쪽에 구비되는 복수 개의 고정측 폴부; 및 상기 복수 개의 고정측 폴부에 대응하도록 구비되며 상기 마그넷 코일에 의해 발생되는 자속에 의해 왕복운동을 하는 복수 개의 가동측 폴부;를 포함하고, 상기 복수 개의 가동측 폴부 중에서 어느 한 쪽은 마그네트이며, 다른 한 쪽은 자성체인 것을 특징으로 하는 왕복동 모터가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 마그네트는 두 개의 서로 다른 자극이 왕복방향으로 배열될 수 있다.

그리고, 상기 마그네트의 자극경계면이 고정측 폴부의 왕복방향 양쪽에 각각 일치할 때, 상기 자성체와 상기 고정측 폴부의 중첩거리는 적어도 영(zero)보다는 크게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 마그네트와 자성체는 왕복방향으로 이격될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 고정자와 가동자 사이에 2개의 공극과 3개의 폴을 가지며, 상기 가동자와 고정자의 사이에서 자기저항이 낮은 쪽으로 이동하려는 힘에 의해 상기 가동자가 상기 고정자에 대해 왕복운동을 하는 왕복동 모터에서, 적어도 한 개의 폴은 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터가 제공될 수 있다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 내부공간을 가지는 케이스; 상기 케이스의 내부공간에 배치되고, 가동자가 왕복운동을 하는 왕복동 모터; 상기 왕복동 모터의 가동자에 결합되어 함께 왕복운동을 하는 피스톤; 상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 압축공간의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브; 및 상기 압축공간의 토출측을 개폐하는 토출밸브;를 포함하고, 상기 왕복동 모터는 앞서 설명한 왕복동 모터로 이루어질 수 있다.

본 발명에 의한 왕복동 모터는, 가동자를 자기적 공진스프링으로 공진시킴에 따라 일정구간의 운전주파수 내에서 사용 주파수가 제한되는 것을 미연에 방지할 수 있어 모터의 효율이 향상될 수 있다.

또, 가동자를 자기적 공진스프링으로 공진시킴에 따라, 가동자를 공진시키기 위한 부품수를 줄일 수 있으며 모터의 횡방향 길이를 더욱 줄일 수 있다.

또, 가동자를 자기적 공진스프링으로 공진시킴에 따라, 가동자가 공진스프링의 측힘에 의해 편심되는 것을 방지하여 마찰손실 및 소음을 줄일 수 있다.

또, 마그넷 코일이 구비된 고정자가 2개의 공극(Air gap)을 가지도록 형성되면서도 가동자는 3개의 폴(Pole)을 가지도록 형성됨으로써, 자기적 공진스프링이 적용되는 모터의 스프링 강성을 더욱 높일 수 있다.

또, 3의 폴을 가지면서도 적어도 한 개의 폴은 마그네트가 아닌 자성체를 이용함에 따라 모터의 제조비용을 낮출 수 있다.

또, 마그네트를 지지하는 마그네트 프레임을 삭제하거나 마그네트의 일측 단부에 결합시켜 가동자의 무게를 줄일 수 있고 이를 통해 전력소모량을 낮춰 모터 효율을 높일 수 있다.

또, 상기한 왕복동 모터를 구비함에 따라 소형화되고 경량화된 왕복동식 압축기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 왕복동 모터의 일례를 개략적으로 보인 단면도,
도 2는 도 1에 따른 왕복동 모터에서 고정자와 가동자를 설명하기 위해 보인 단면도,
도 3a 및 도 3b는 도 2에 따른 왕복동 모터에서 고정자 코어와 코어폴부 사이의 중첩거리를 설명하기 위해 보인 단면도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 가동자의 각 실시예를 보인 종단면도,
도 5는 각 실시예에 대한 스프링 강성을 비교해 보인 그래프,
도 6은 각 실시예에 대한 알파값의 변화를 보인 그래프,
도 7a 내지 도 7c는 본 실시예에 의한 왕복동 모터의 동작을 설명하기 위해 보인 개략도,
도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 왕복동 모터에서 가동자에 대한 다른 실시예를 보인 종단면도,
도 10 및 도 11은 가동자 코어의 두께별 알파값 및 자기적 공진스프링의 강성을 비교하여 보인 그래프,
도 12는 도 10 및 도 11을 정리하여 보인 표,
도 13은 본 실시예에 의한 왕복동 모터가 적용된 왕복동식 압축기의 일실시예를 보인 종단면도.

이하, 본 발명에 의한 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

본 실시예의 왕복동 모터는 마그넷 코일이 구비된 고정자와 마그네트 사이에서 발생하는 왕복방향 중심력(centering force)에 의해 왕복운동을 하게 된다. 왕복방향 중심력이란 마그네트가 자기장 안에서 이동을 할 때 자기적 에너지(자기적 위치 에너지, 자기 저항)가 낮은 쪽으로 저장하는 힘을 말하는 것으로, 이 힘은 자기적 스프링(magntic spring)을 형성하게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 마그네트가 마그넷 코일에 의한 자기력에 의해 왕복운동을 할 때 그 마그네트는 자기적 스프링에 의해 공극방향으로 복귀하려는 힘을 축적하고, 이 자기적 스프링에 축적된 힘으로 인해 마그네트를 포함한 가동자가 공진하면서 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 왕복동 모터의 일례를 개략적으로 보인 단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 왕복동 모터에서 고정자와 가동자를 설명하기 위해 보인 단면도이며, 도 3a 및 도 3b는 도 2에 따른 왕복동 모터에서 고정자 코어와 코어폴부 사이의 중첩거리를 설명하기 위해 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 왕복동 모터(100)는 마그넷 코일(111)이 구비된 고정자(110)의 안쪽에 마그네트(122)가 구비된 가동자(120)가 소정의 공극을 두고 삽입되어 이루어진다.

고정자(110)는 마그넷 코일(111)에 다수 개의 코어블록(112)이 방사상으로 적층되어 이루어진다.

코어블록(112)은 소정의 형상으로 형성된 다수 개의 고정측 철심코어를 축방향으로 적층한 후 원호 형상으로 눌러 형성한 것으로, 마그넷 코일(111)에 방사상 적층하게 되면 내주면은 진원형을 이루게 된다. 따라서, 원주방향을 따라 가동자(120)의 외주면과 동일한 공극(A)을 가지게 된다.

여기서, 코어블록(112)은 낱장인 고정측 철심코어를 적층하여 형성하게 되므로, 낱개의 코어블록(112)의 원주방향 형상과 낱장의 고정측 철심코어는 동일한 형상을 이루게 된다. 따라서, 이하에서는 코어블록을 예로 들어 고정자의 형상을 설명한다.

코어블록(112)은 원주방향 투영시 전체적으로는 'ㄷ'자 형상으로 형성된다. 하지만, 코어블록(112)은 단일 부품으로 형성될 수도 있지만 코어블록의 형상에 따라서는 복수 개의 블록을 후조립하여 형성될 수 있다.

예를 들어, 코어블록(112)이 단순 'ㄷ'자 형상인 경우에는 마그넷 코일(111)에 삽입하여 적층할 수 있으므로 단일 부품으로 형성될 수 있다. 하지만, 코어블록(112)의 양단에 폴부가 마그넷 코일(111)이 위치하는 안쪽으로 연장되는 경우에는 코어블록(112)을 'ㄷ'자 모양으로 형성해서는 마그넷 코일(111)에 삽입할 수 없다. 따라서, 이 경우에는 코어블록(112)을 양분하거나 또는 일측 단부를 별도로 제작하여 마그넷 코일(111)의 축방향 양측에서 서로 맞춰 적층할 수 있다. 이하에서는 단일 부품으로 형성된 것과 동일한 형태를 가지는 조립된 상태의 코어블록을 예로 들어 설명한다.

코어블록(112)은 자로를 이루는 요크부(112a)가 'ㄷ'자 형상으로 형성되고, 요크부(112a)의 양단은 후술할 마그네트(122)와 대응하는 제1 폴부(112b) 및 코어폴부(125)와 대응하는 제2 폴부(112b')로 이루어진다. 따라서, 본 실시예에 따른 왕복동 모터는 2개의 공극을 가지는 2-갭(2-gap) 모터를 이룬다.

도 2와 같이, 제1 폴부(112b)는 그와 연결되는 요크부(112a)의 단부에서 양쪽 횡방향으로 연장되어 요크부(112a)의 폭보다 크게 확장된다. 제1 폴부(112b)의 폭은 후술할 마그네트(122)가 복수 개의 자극을 가지는 경우 한 개의 자극길이와 같거나 길게 형성된다. 하지만, 제1 폴부(112b)가 너무 길면 자로변경이 지연될 수 있고 이로 인해 마그네트(122)의 길이가 길어져야 하므로 자극길이와 동일하거나 약간 길게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

도 3a 및 도 3b와 같이, 제2 폴부(112b')는 가동자(120)가 왕복운동을 할 때 후술할 코어폴부(125)와 중첩(overlap)되는 길이로 형성된다. 예를 들어, 제1 폴부(112b)의 일단이 마그네트(122)의 자극 중간(즉, N극과 S극의 경계면, 극간 경계)(B)(B')에 위치할 때 제2 폴부(112b')와 코어폴부(125)의 중첩길이(L)(L')가 적어도 제로(zero) 이상이 되도록 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 제2 폴부(112b')는 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 폴부(112b')는 요크부(112a)와 동일한 폭을 가지도록 형성될 수도 있고, 제1 폴부(112b)와 같이 그 제2 폴부(112b')와 연결되는 요크부(112a)의 단부에서 양쪽, 또는 한 쪽으로 연장되어 요크부(112a)의 폭보다 크게 확장될 수 있다.

하지만, 제2 폴부(112b')는 후술할 가동자(120)의 코어폴부(125)와의 조합에 의해 자기적 스프링의 강성, 알파값, 알파값 변동율이 정해지므로, 제2 폴부(112b')는 그 왕복동 모터가 적용되는 제품의 설계에 따라 길이를 정할 수 있다. 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 가동자의 각 실시예를 보인 종단면도이다.

예를 들어, 도 4a와 같이 제2 폴부(112b')의 폭(D1)이 요크부(112a)의 폭(D2)과 동일하고 가동자(120)의 코어폴부 길이(D3)보다 짧게 형성된 경우(이하, 실시예①), 도 4b와 같이 제2 폴부의 폭(D1)이 요크부의 폭(D2) 및 가동자의 코어폴부 길이(D3)와 동일하게 형성된 경우(이하, 실시예②), 도 4c와 같이 제2 폴부의 폭(D1)이 요크부의 폭(D2)보다 길고 가동자의 코어폴부 길이(D3)보다도 길게 형성된 경우(이하, 실시예③)가 있을 수 있다.

도 5는 각 실시예에 대한 스프링 강성을 비교해 보인 그래프이고, 도 6은 각 실시예에 대한 알파값의 변화를 보인 그래프이다.

도 5에 도시된 그래프와 같이 실시예①과 실시예③은 운전 영역에서 스프링의 강성이 거의 동일하지만, 실시예②는 스프링의 강성이 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 하지만 도 6에 도시된 바와 같이 실시예①과 실시예③은 운전 영역에서 스프링의 알파값이 변동 없이 거의 일정하게 유지되지만, 실시예②는 스프링의 알파값이 크게 변동되는 것을 볼 수 있다. 참고로, 알파값은 운전범위에서의 평균 알파값(V/m/s)이고, 알파 변동율은 평균 알파값을 피크 알파값으로 나눈 퍼센테이지 값(%)이다.

이는, 실시예②와 같이 제2 폴부의 폭(D1)이 요크부의 폭(D2) 및 가동자의 코어폴부 길이(D3)와 동일하게 형성하게 되면, 마그네틱 스프링의 강성은 증가하지만 운전 영역에서 평균 알파값은 작아지고 알파 변동율은 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 이들 실시예를 참고하여 필요에 따라 적정한 형태로 제2 폴부의 길이(D1)를 정할 수 있다.

한편, 가동자(120)는 원통 모양으로 형성된 가동자 코어(121)의 외주면에 마그네트(122)가 부착되어 결합된다.

가동자 코어(121)는 고정자 코어(112)와 함께 자로를 형성할 수 있도록 자성체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 가동자 코어(121)는 고정자 코어(112)와 같이 낱장으로된 가동자측 철심코어를 방사상 적층하여 원통모양으로 형성하거나 또는 분말야금과 같은 방식으로 단일체로 형성될 수도 있다.

또, 가동자 코어(121)는 그 가동자 코어(121)가 왕복운동을 함에 따라 가동자 코어(121)의 전체 길이(D4)는, 즉 제1 폴부(112b)의 바깥쪽 끝단에서 제2 폴부(112b')의 바깥쪽 끝단 사이의 축방향 길이(D5)보다 길게 형성된다. 이에 따라, 가동자 코어(121)가 고정자(110)의 안쪽에서 왕복운동을 하더라도 그 가동자 코어(121)의 양단 중 적어도 어느 한 쪽 단부는 고정자 코어(112)의 범위를 벗어나지 않게 된다.

또, 가동자 코어(121)는 일단부에는 마그네트(122)를 결합하기 위한 마그네트 장착면(121a)이 형성된다. 마그네트 장착면(121a)은 마그네트(122)의 축방향 단면 형상(또는, 접촉면 형상)에 대응하여 형성된다. 예를 들어, 마그네트(122)가 낱개인 경우 그 마그네트(122)의 내측 접촉면이 곡면이면 마그네트 장착면(121a) 역시 곡면으로 형성되고, 마그네트(122)의 내측 접촉면이 평면이면 마그네트 장착면(121a) 역시 평면으로 형성된다. 마그네트 장착면(121a)이 곡면인 경우에는 그 마그네트 장착면(121a)이 가동자 코어(121)의 내주면과 동일한 곡률반지름을 가지는 원형면으로 형성될 수 있지만, 마그네트 장착면(121a)이 평면인 경우에는 그 마그네트 장착면을 이루는 가동자 코어(121)의 외주면이 다각형 모양으로 형성될 수 있다.

마그네트(122)의 축방향 길이(D6)가 고정자 코어(112)의 제1 폴부 폭(D7)보다는 길게 형성되므로 마그네트 장착면의 축방향 길이(D8)는 고정자 코어의 제1 폴부의 폭보다 길게 형성된다.

또, 마그네트 장착면의 축방향 길이(D8)는 마그네트의 축방향 길이(D6)보다 길게 형성된다. 따라서, 마그네트(122)의 일단이 가동자 코어(121)의 일단에 일치시킨 상태에서 마그네트의 타단과 후술할 코어폴부의 일단 사이에는 일정 간격만큼 이격부(121b)가 형성된다.

하지만, 경우에 따라서는 마그네트 장착면(121a)의 축방향 길이(D8)는 마그네트의 축방향 길이(D6)와 동일하게 형성될 수도 있다. 다만, 마그네트 장착면(121a)과 마그네트의 축방향 길이(D6)가 동일하게 형성되면 제2 폴부(112b')의 형상에 따라서는 그 제2 폴부(112b')가 마그네트(122)와 중첩되거나 또는 아주 근접하게 되어 제2 폴부(112b')쪽에서의 자속이 마그네트(122)쪽으로 누설될 수 있다. 따라서, 마그네트 장착면(121a)의 축방향 길이(D8)는 마그네트(122)와 코어폴부(125) 사이에 이격부(121b)가 형성되도록 마그네트의 축방향 길이(D6)보다 길게 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 마그네트(122)는 축방향을 따라 N극과 S극(물론, S극과 N극 순으로 배열될 수도 있다)을 가지는 2-폴 마그네트로 이루어진다.

또, 마그네트(122)의 축방향 전체 축방향 길이(D6)는 고정자 코어(112)의 제1 폴부 폭길이(D7)보다 길게 형성된다. 하지만, 마그네트(122)의 각 자극 길이(D6'), 즉 N극과 S극의 축방향 길이는 제1 폴부의 축방향 길이(D7)보다 길지 않게 형성되는 것이 앞서 설명한 바와 같이 자로변경 측면에서 바람직하다.

또, 마그네트(122)는 복수 개로 이루어져 그 복수 개의 마그네트(122)가 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 부착되어 결합된다. 하지만, 경우에 따라서는 마그네트(122)가 원통 모양으로 형성되어 가동자 코어(121)의 외주면에 압입되거나 링과 같은 별도의 고정부재로 고정될 수 있다.

또, 마그네트(122)는 그 마그네트(122)와 마그넷 코일(112) 사이의 왕복방향 중심력(centering force)을 이용하면, 가동자(120)는 별도의 기계적 공진스프링을 배제하면서도 왕복운동을 할 수 있게 된다. 이를 위해, 마그네트(122)는 자속밀도와 보자력이 우수해야 하므로 페라이트 마그네트 보다는 Nd 마그네트를 적용하는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 가동자 코어(121)의 타단부, 즉 고정자 코어(112)의 제2 폴부(112b')와 대응하는 타단부에는 코어폴부(125)가 제2 폴부(112b')를 향해 반경방향으로 돌출되도록 형성된다. 이로써, 가동자는 2-폴의 마그네트와 1개의 코어폴부를 합해 3-폴(3-pole)을 가지게 되고, 이를 고정자의 공극과 조합하면 2-갭 앤 3-폴(2-gap & 3-pole)의 왕복동 모터를 형성하게 된다.

이는, 2개의 공극에 3개의 폴이 형성되는 것이므로 그만큼 높은 자기력을 발생할 수 있으므로 자기적 공진스프링 측면에서 보면 높은 스프링 강성을 기대할 수 있다.

또, 높은 스프링 강성을 발휘하면서도 적어도 한 개의 폴은 마그네트가 아닌 자성체를 활용함에 따라 고가인 마그네트의 사용량을 줄여 전체 모터에 대한 제조 비용을 절감할 수 있다. 물론, 3개의 폴을 모두 마그네트가 아닌 자성체로 형성하거나 아니면 2개의 폴을 자성체로 형성하는 경우에는 제조비용을 더욱 낮출 수 있다.

코어폴부(125)는 가동자 코어(121)에 일체로 형성될 수도 있고, 별도로 제작하여 가동자 코어(121)에 조립할 수도 있다.

또, 코어폴부(125)는 축방향 길이(D3)가 앞서 설명한 바와 같이 고정자 코어(112)의 제2 폴부(112b')와 조합하여 형성될 수 있다. 즉, 도 2와 같이 제2 폴부의 폭(D1)보다 길게 형성되거나 또는 동일하게 형성되거나 또는 작게 형성될 수 있다. 이에 따른 작용 효과는 앞서 제2 폴부의 축방향 길이를 설명하면서 함께 설명하였으므로 생략한다.

또, 코어폴부(125)는 마그네트(122)의 형상과 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 마그네트(122)가 낱개로 형성되는 경우에는 코어폴부(125)도 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 낱개로 형성될 수 있고, 마그네트(122)가 원통형으로 형성되는 경우에는 코어폴부(125)도 원통형으로 형성될 수 있다.

또, 코어폴부(125)의 높이는 마그네트(122)의 높이와 동일하게 형성된다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동 모터는 다음과 같이 동작된다.

즉, 왕복동 모터(100)의 마그넷 코일(111)에 교번전류가 인가되면, 고정자 코어(112)와 가동자 코어(121) 사이에 교번자속이 형성된다. 그러면 고정자 코어(112)의 제1 폴부(112b)에 대응하는 마그네트(122)가 가동자 코어(121)와 함께 자속 방향을 따라 움직이면서 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.

이때, 왕복동 모터(100)의 내부에서는 마그네트(122)가 고정자 코어(112)에 대해 왕복운동을 하면서 그 마그네트(122)와 고정자 코어(112) 사이에 자기적 스프링(Magnetic Resonance Spring)이 형성되어, 가동자 코어(121)의 공진운동을 유도하게 된다. 도 7a 내지 도 7c는 본 실시예에 의한 왕복동 모터의 동작을 설명하기 위해 보인 개략도이다.

예를 들어, 도 7a에서와 같이 가동자 코어(121)가 마그네트(122)와 함께 자기력에 의해 도면의 좌측으로 이동하게 되면 마그네트(122)와 고정자 코어(112) 사이에는 자기적 에너지(즉, 자기적 위치 에너지 또는 자기적 저항)가 낮은 쪽인 공극방향, 즉 도면의 우측으로 복귀하려는 왕복방향 중심력(Centering force)(F1)이 축적된다.

이때, 마그넷 코일(111)에 인가되는 전류의 방향이 바뀌게 되면 가동자 코어(121)와 마그네트(122)는 그 마그넷 코일(111)에 의해 발생되는 공극(A)쪽으로의 자기력과 축적된 왕복방향 중심력(F1)에 의해 도면의 우측 방향으로 이동하여 도 7b와 같이 제1 폴부(112b)로 복귀시키게 된다.

그러면, 가동자(120)는 관성력과 자기력에 의해 제1 폴부(112b)를 지나 도면의 우측으로 더 이동하게 된다. 이때, 도 7c와 같이 마그넷 코일(111)에 도 7b와 반대 방향으로 전류가 인가되면 제1 폴부(112b)에 도 7a와 같은 자극이 형성되고, 이에 따라 각각의 마그네트(122)에 도 7a와 같은 방향으로의 인력과 척력이 형성되면서 가동자(120)가 도 7c와 같이 도면의 좌측으로 이동하려고 하게 된다.

이때, 마그네트(122)와 고정자 코어(112) 사이에는 도 7c와 같이 앞서 설명한 왕복방향 중심력(Centering force)(F2)이 반대방향으로 축적되므로, 이 힘과 공극방향 자기력에 의해 가동자(120)는 기계적 공진스프링이 구비된 것과 같이 도면의 좌측 방향으로 이동하여 제1 폴부(112b)로 복귀하는 일련의 왕복운동을 반복하게 된다.

한편, 본 발명에 의한 왕복동 모터에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다. 즉, 전술한 실시예에서는 왕복동 모터가 고정자 코어와 가동자 코어로 이루어지는 것이나, 본 실시예에서는 가동자 코어의 안쪽에 다른 내측 고정자를 이루는 고정자 코어가 더 구비되는 것이다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 왕복동 모터에서 가동자에 대한 다른 실시예를 보인 종단면도이다.

도 8에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 왕복동 모터는, 마그네트가 부착되는 가동자 코어(221)를 중심으로 외측에는 제1 고정자 코어(212)가, 내측에는 제2 고정자 코어(213)가 각각 구비된다.

마그넷 코일(211)은 양산성을 고려할 때 외측에 위치하는 제1 고정자 코어(212)에 설치되는 것이 바람직하나, 반드시 외측에 위치하는 고정자 코어에 설치될 필요는 없다. 따라서 경우에 따라서는 내측에 위치하는 고정자 코어에 설치될 수도 있다.

여기서, 제2 고정자 코어(213)는 제1 고정자 코어(212)와 동일한 재질로 형성되는 것이 자기 저항을 낮출 수 있어 바람직할 수 있으나, 자성체이면 족하다.

또, 제2 고정자 코어(213)는 그 축방향 길이(D9)가 가동자 코어의 축방향 길이(D4)와 동일하게 형성될 수도 있지만, 가동자 코어(221)의 일단에 마그네트(222)가 부착되는 점을 감안하면 자속누설을 최소화할 수 있도록 가동자 코어(221)의 축방향 길이(D4)보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 제2 고정자 코어(213)는 가동자(220)가 왕복하는 최대 거리만큼 길게 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 제1 고정자 코어(212)의 내주면과 가동자 코어(221)의 외주면 사이에는 제1 공극(A1)이 형성되고, 가동자 코어(221)의 내주면과 제2 고정자 코어(213)의 외주면 사이에는 제2 공극(A2)이 형성된다.

제1 공극(A1)과 제2 공극(A2)은 서로 동일한 간격만큼 이격되어 형성될 수 있다. 이를 위해, 제1 공극(A1)을 이루는 제1 고정자 코어(212)의 제2 폴부(212b')에 대응하는 가동자 코어(221)의 외주면에는 마그네트(222)의 높이만큼의 코어폴부(225)가 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 가동자 코어가 구비된 왕복동 모터는 전술한 실시예와 기본적인 구성이나 작용 효과에서 유사하다. 다만, 본 실시예에서는 가동자 코어(221)가 제2 고정자 코어(213)와 분리됨에 따라, 가동자 코어(221)의 무게를 크게 낮출 수 있다. 따라서, 가동자 코어의 경량화를 통해 고속 운전이 가능하게 된다.

한편, 도 9와 같이 가동자 코어(221)의 두께(t1)를 마그네트(222)의 두께(t2)와 동일하게 형성할 수도 있다.

이 경우, 가동자 코어(221)는 원통 모양으로 형성하여 일측에 마그네트(222)가 삽입되어 고정되도록 마그네트 장착홈(221c)이 형성되고, 타측에는 전술한 코어폴부(225)가 형성될 수 있다.

또, 이 경우에는 내측 고정자 역할을 하는 제2 고정자 코어(213)의 반경방향 높이(h)가 증가하여 자로면적을 크게 확보할 수 있다. 이에 따라 도 8의 실시예에 비해 가동자 코어(221)의 두께가 얇아지거나 거의 제거되지만 모터의 알파값과 자기적 공진스프링의 강성이 저하되는 것을 보완할 수 있다.

상기와 같은 본 실시예는 전술한 도 8의 실시예와 그 구성 및 작용효과는 유사하다. 다만, 본 실시예는 도 8의 실시예에 비해 마그네트(222)의 저면에 가동자 코어가 삭제되어 전체 가동자(220)의 무게가 더욱 감소되어 고속화에 더욱 유리할 수 있다.

한편, 도 10 및 도 11은 가동자 코어의 두께별 알파값 및 자기적 공진스프링의 강성을 비교하여 보인 그래프이고, 도 12는 이를 표로 보인 것이다. 이들 그래프와 표를 보면, 도 2의 실시예에 해당하는 사례① 보다 도 8의 실시예에 해당하는 사례②,③ 및 도 9의 실시예에 해당하는 사례④로 갈수록 알파값과 자기적 스프링의 강성이 감소하는 것을 알 수 있다.

통상, 왕복동 모터에서 알파값은 마그넷 코일의 턴당 유기전압상수 또는 추력상수에 비례하므로, 알파값이 너무 낮을 경우 모터의 전류가 증가하여 동손이 증가한다. 이는 모터 효율의 감소를 야기하고 최대 과부하시 권선온도에도 악영향을 끼치게 된다. 따라서, 적정 알파값을 유지할 수 있도록 가동자 코어의 두께를 확보할 수 있도록 설정되는 것이 바람직하다. 본 발명은 가동자 코어의 두께를 자유롭게 조절하거나 또는 코어폴부와 이에 대응하는 고정자의 폴부 형상을 자유롭게 조절할 수 있어 알파값이 적정범위를 확보할 수 있도록 할 수 있다. 이에 따라, 모터의 효율과 신뢰성을 높일 수 있다.

또, 앞서 그래프에서 보는 바와 같이 전체적으로 알파값이 높을 뿐만 아니라 알파값 변동이 적게 나타나고 있다. 이는, 모터의 운전 범위에서 마그네트의 중심 위치 대비 양쪽 끝의 위치에 알파값 차이가 크지 않다는 것을 의미하고, 이는 알파값 변동이 클 경우 발생할 수 있는 제어오류를 미연에 방지하여 압축기의 제어 신뢰성을 더욱 높일 수 있다.

도 13은 본 실시예에 의한 왕복동 모터가 적용된 왕복동식 압축기의 일실시예를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 밀폐된 케이스(10)의 내부공간에 흡입관(11)이 연결되고, 흡입관(11)의 일측에는 후술할 실린더(30)의 압축공간(31)에서 압축되는 냉매를 냉동사이클로 안내하는 토출관(12)이 연결된다. 이로써, 케이스(10)의 내부공간은 흡입되는 냉매가 채워져 흡입압을 형성하고, 압축공간(31)에서 토출되는 냉매는 토출관(12)을 통해 응축기를 향해 직접 케이스(10)의 외부로 배출된다.

케이스(10)의 내부공간에는 프레임(20)이 설치되고, 프레임(20)의 일측면에는 왕복력을 발생시키는 동시에 후술할 피스톤(40)의 공진운동을 유도할 수 있는 왕복동 모터(100)가 고정 결합된다.

왕복동 모터(100)의 안쪽에는 압축공간(31)이 구비되어 프레임(20)에 삽입되는 실린더(30)가 결합되고, 실린더(30)에는 그 실린더(30)에 왕복 가능하게 삽입되어 압축공간(31)의 체적을 가변시켜 냉매를 압축하는 피스톤(40)이 결합된다.

피스톤(40)의 선단면에는 그 피스톤(40)의 흡입유로(41)를 개폐하는 흡입밸브(42)가 결합되고, 실린더(30)의 선단면에는 그 실린더(30)의 압축공간(31)을 개폐하는 토출밸브(32)가 토출커버(50)에 수용되어 착탈 가능하게 결합된다.

토출커버(50)는 토출공간(51)이 구비되어 실린더(30)에 고정 결합된다. 토출커버(50)의 토출공간(51)에는 토출밸브(32) 및 그 토출밸브(32)를 지지하는 밸브스프링(33)이 수용되고, 실린더(30)와 피스톤(40) 사이를 윤활하기 위한 가스베어링(60)의 입구가 수용된다.

가스베어링(60)은 프레임(20)의 내주면과 실린더(30)의 외주면 사이에 형성되는 가스연통로(61)와, 가스연통로(61)의 중간에서 실린더(30)의 내주면으로 관통되는 복수 개의 미세 가스통공(62)으로 이루어진다.

여기서, 왕복동 모터(100)는 앞서 설명한 도 1 내지 도 12와 같은 구성을 가지도록 형성된다. 따라서, 이에 대해서는 앞서 설명한 왕복동 모터를 참조한다.

다만, 본 실시예에서의 고정자(110)는 프레임(20)과 백커버(21) 사이에 위치하여, 그 프레임(20)과 백커버(21)에 볼트 체결되고, 가동자(120)는 피스톤(40)에 볼트 체결된다. 따라서, 가동자(120)가 고정자(110)에 대해 왕복운동을 하게 되면 실린더(30)에 삽입된 피스톤(40)이 가동자(120)와 함께 왕복운동을 하게 된다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 왕복동 모터(100)의 마그넷 코일(111)에 교번전류가 인가되면 고정자(110)와 가동자(120) 사이에 교번자속이 형성된다.

그러면 마그네트(122)가 고정자(110)와 가동자(120) 사이에 형성되는 자속 방향에 대해 직각인 방향을 따라 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.

그러면 가동자(120)와 결합된 피스톤(40)이 실린더(30)의 내부에서 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입, 압축하고, 이 압축된 냉매는 토출밸브(32)를 열면서 토출공간(51)으로 토출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이때, 왕복동 모터(100)의 내부에서는 마그네트(122)가 왕복운동을 하면서 그 마그네트(122)와 고정자(110) 사이에 자기적 공진스프링이 형성되어 가동자(120)와 피스톤(40)의 공진운동을 유도함으로써, 피스톤(40)이 압축공간(31)에서 발생되는 가스력을 이기면서 냉매를 압축할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 실시예에 따른 왕복동식 압축기는 앞서 설명한 도 1 내지 도 12의 왕복동 모터(100)에 따른 작용 효과를 가지게 된다. 따라서, 이에 대해서는 앞서 설명한 왕복동 모터를 참조한다.

한편, 전술한 실시예에서는 가스베어링이 구비된 왕복동식 압축기를 살펴보았으나, 경우에 따라서는 오일베어링이 구비된 왕복동식 압축기에도 동일하게 적용될 수 있다.

Claims (12)

1. 마그넷 코일이 구비되고, 상기 마그넷 코일을 사이에 두고 축방향 양쪽에 각각 공극이 형성되는 고정자; 및
   상기 고정자에 삽입되며, 상기 양쪽에 공극중에서 어느 한 쪽에는 적어도 한 개의 마그네트(Magnet)가 배치되고 다른 공극에는 자성체가 배치되어, 상기 고정자에 대해 왕복운동을 하는 가동자를 포함하고,
   상기 고정자는,
   상기 마그넷 코일이 구비되는 제1 고정자 코어; 및
   상기 가동자를 사이에 두고 상기 제1 고정자 코어의 내측에 구비되는 제2 고정자 코어를 포함하며,
   상기 제1 고정자 코어는,
   상기 마그넷 코일을 사이에 두고 상기 가동자의 왕복방향으로 제1 폴부 및 제2 폴부가 기설정된 간격만큼 이격되고,
   상기 마그네트는 상기 제1 폴부에 대응하도록 가동자 코어의 일단에 구비되며, 상기 자성체는 상기 제2 폴부에 대응하도록 상기 가동자 코어의 타단에 구비되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 마그네트는 상기 가동자의 왕복방향으로 서로 다른 자극을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 마그네트는 상기 자성체와의 사이에 일정간격만큼 이격된 이격부가 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
4. 제2항에 있어서,
   상기 자성체의 왕복방향 길이는 상기 마그네트의 자극 경계면이 상기 고정자의 공극 끝단에 일치할 때 상기 자성체의 적어도 일부가 상기 고정자의 공극 범위내에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 가동자 코어는 상기 마그네트의 내주면에 구비되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 가동자 코어의 외주면에는 상기 마그네트가 장착되는 마그네트 장착홈이 형성되고,
   상기 마그네트 장착홈의 왕복방향 길이는 상기 마그네트의 왕복방향 길이보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
7. 마그넷 코일이 구비되고, 상기 마그넷 코일을 사이에 두고 축방향 양쪽에 각각 공극이 형성되는 고정자; 및
   상기 고정자에 삽입되며, 상기 양쪽에 공극중에서 어느 한 쪽에는 적어도 한 개의 마그네트(Magnet)가 배치되고 다른 공극에는 자성체가 배치되어, 상기 고정자와의 사이에서 자기저항이 낮은 쪽으로 이동하려는 힘에 의해 상기 고정자에 대해 왕복운동을 가동자를 포함하고,
   상기 고정자는 제1 고정자 코어와 제2 고정자 코어를 포함하며,
   상기 제1 고정자 코어는 상기 마그넷 코일이 구비되고, 상기 제2 고정자 코어는 상기 가동자와의 사이에 간격을 두고 상기 제1 고정자 코어의 내측에 구비되며,
   상기 제2 고정자 코어의 축방향 길이(D9)는 상기 제1 고정자 코어의 축방향 길이(D5)보다 길게 형성되고,
   상기 제2 고정자 코어의 축방향 길이(D9)는 상기 가동자의 축방향 길이(D4)보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 마그네트는 두 개의 서로 다른 자극이 왕복방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
9. 제8항에 있어서,
   상기 마그네트의 자극경계면이 고정측 폴부의 왕복방향 양쪽에 각각 일치할 때,
   상기 자성체와 상기 제1 고정자 코어의 폴부와의 중첩거리는 적어도 영(zero)보다는 큰 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
10. 제7항에 있어서,
    상기 마그네트와 자성체는 왕복방향으로 이격되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
11. 제7항에 있어서,
    상기 가동자는 상기 마그네트를 지지하는 가동자 코어를 포함하고,
    상기 가동자 코어의 두께(t1)는 상기 마그네트의 두께(t2)와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 모터.
12. 내부공간을 가지는 케이스;
    상기 케이스의 내부공간에 배치되고, 가동자가 왕복운동을 하는 왕복동 모터;
    상기 왕복동 모터의 가동자에 결합되어 함께 왕복운동을 하는 피스톤;
    상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하는 실린더;
    상기 압축공간의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브; 및
    상기 압축공간의 토출측을 개폐하는 토출밸브;를 포함하고,
    상기 왕복동 모터는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 왕복동 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
    

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