KR20040091360A - 왕복동식 모터 및 이를 적용한 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복동식 모터 및 이를 적용한 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 본 발명은 다수 장의 스테이터코어를 원통형으로 적층하여 안쪽과 바깥쪽에 소정의 공극을 두고 배치하는 복수 개의 적층체와, 이 복수 개의 적층체 중에서 어느 한쪽 적층체의 중앙에 장착하는 권선코일과, 이 권선코일에 대향하도록 두 적층체 사이의 공극에 원주방향으로 장착하여 상기 권선코일의 플럭스방향에 따라 축방향으로 왕복운동을 하는 마그네트들로 이루어진 왕복동식 모터에 있어서, 복수 개의 적층체 중에서 적어도 어느 한 쪽 적층체는 권선코일의 중심선을 기준으로 한 쪽 폴부를 공극쪽으로 확장하여 자속보상부를 형성함으로써, 전압변동이나 부하변동이 발생하더라도 가동자에 대한 Emf상수를 증가시켜 스트로크 변위를 줄일 수 있고 이를 통해 왕복동식 모터의 동작을 안정시킬 수 있다.

또, 이러한 왕복동식 모터를 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 피스톤의 압축행정에서의 스트로크를 균일하게 할 수 있고, 이를 통해 압축기의 압축능력을 일정하게 유지하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

왕복동식 모터 및 이를 적용한 왕복동식 압축기{RECIPROCATING MOTOR AND RECIPROCATING COMPRESSOR WITH THIS}

본 발명은 왕복동식 모터의 스테이터 구조에 관한 것으로, 특히 양측 폴부의 공극을 상이하게 형성하여 가동자의 스크로크 변위를 일정하게 유지하고자 하는 왕복동식 모터의 스테이터 구조에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동식 모터는 입체적인 구조를 갖는 모터의 자장(Magnet Field)을 평판 형상으로 변형시킨 것으로, 평판으로 형성된 가동자조립체를 역시 평판으로 형성된 고정자조립체의 상측에 얹어 자장 변화에 따라 직선으로 움직이도록 한 것이다.

최근에는 고정자조립체를 원통모양의 외측고정자와 내측 고정자로 분리하여 일정 공극을 두고 겹치도록 배치하고, 외측고정자와 내측 고정자 사이에 가동자조립체를 움직일 수 있도록 배치하며, 외측고정자와 내측 고정자 중에서 어느 한 쪽의 고정자에 권선코일을 장착하고, 이에 대응하는 가동자조립체에는 마그네트들을 부착시켜 가동자가 권선코일의 플럭스(flux)에 의해 축방향으로 왕복운동하도록 하는 왕복동식 모터가 소개되고 있다.

도 1는 종래 왕복동식 모터를 정면에서 보인 반단면도이고, 도 2는 측면에서 보인 반단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래의 왕복동식 모터는 플럭스를 형성하는 고정자조립체(10)와, 고정자조립체(10)의 플럭스에 따라 왕복운동을 하는 가동자조립체(20)로 구성하고 있다.

고정자조립체(10)는 원통형으로 형성하는 외측고정자(11)와, 역시 원통형으로 형성하여 외측고정자(11)의 안쪽에 소정의 코어간 거리(이하, 공극과 혼용함)(t)를 두고 배치하는 내측고정자(12)로 이루어져 있다.

외측고정자(11)는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 원통모양으로 적층하는 적층체(11a)와, 적층체(11a)의 내주면 중앙에 장착하여 전기에너지를 자기에너지로 전환하는 권선코일(11b)로 이루어져 있다.

권선코일(11b)은 절연체를 환형으로 형성하여 상기한 외측고정자(11)의 스테이터코어를 적층하는 보빈(미부호)의 안쪽에 다수 회 감아 밀봉하고 있다.

내측고정자(12)는 외측고정자(11)와 마찬가지로 다수 장의 얇은 스테이터코어를 원통모양으로 적층하는 적층체(12a)로 이루어져 있다.

여기서, 외측고정자(11)와 내측고정자(12)의 각 적층체(11a)(12a)는 도 2에서와 같이 디귿자 모양으로 형성하여 권선코일(11b)의 중심선을 중심으로 좌우 양측의 폴부(11e)(11f)를 대칭되게 형성하고 있다.

가동자조립체(20)는 외측고정자(11)와 내측고정자(12) 사이에서 움직일 수 있도록 배치하는 가동자몸체(21)와, 고정자조립체(10)의 권선코일(11b)에 대응하도록 가동자몸체(21)의 외주면에 원주방향을 따라 등간격으로 고정하는 마그네트(22)들로 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 11d는 고정링이다.

상기와 같은 종래 왕복동식 모터는 다음과 같이 동작한다.

즉, 외측고정자(11)의 권선코일(11b)에 전류를 인가하면, 권선코일(11b)의 주변에 플럭스가 형성되어 외측고정자(11)의 일측 경로(path)를 따라 내측 고정자(12)로 흘렀다가 다시 외측고정자(11)의 타측 경로로 흐르는 일종의 '폐루프(closed loop)'를 형성한다.

이때, 권선코일(11b)에 의해 형성되는 플럭스 상에 가동자조립체(20)의 마그네트(22)들이 놓이면 그 마그네트(22)들이 상기한 권선코일(11b)의 플럭스와 상호 작용하여 권선코일(11b)의 플럭스 방향에 따라 밀리거나 당겨지면서 가동자몸체(21)를 직선으로 왕복운동 시키는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 왕복동식 모터에 있어서는, 외측고정자(11)와 내측고정자(12)의 외곽으로 갈수록 공극내의 자속밀도가 줄어 이에 비례하는 힘상수(또는, 역기전력상수)도 감소하면서 전압변동이나 부하변동이 발생할 경우 스트로크의 변위가 증가하여 가동자조립체(20)의 거동이 불안정하게 되는 문제점이 있었다. 즉, 아래 식과 같이

α ∝ Bm, Dm, N

V = Ri + Ldi/dt + Emf

Emf = 0.5 ×α×S ×2 ×π×λ

(α: Emf상수 또는 힘상수, Bm : 자속밀도, Dm : 마그네트 직경, N : 코일턴수, L : 코일리액턴스, Emf : 역기전력, S : 스트로크 변위, λ: 진동수)

라고 할 때, 도 3에 도시한 바와 같이 공극(t)내의 자속밀도 감소에 따라 Emf상수가 작아지게 되고 이로 인해 Emf상수에 반비례하는 스트로크의 변위가 증가하는 것이다.

또, 이 왕복동식 모터를 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 가동자조립체(20)에 결합하는 피스톤(미도시)의 스트로크가 불안정하여 압축가스의 압축정도가 불균일하게 되고 이로 인해 압축기의 신뢰성이 저하하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 왕복동식 모터가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 외측고정자와 내측고정자의 외곽으로 갈수록 공극내의 자속밀도를 보상하여 마그네트의 스트로크 변위량을 줄일 수 있는 왕복동식 모터를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

또, 이를 압축기에 적용할 경우 피스톤의 스크로크 변위량을 줄여 안정성을 높일 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 왕복동식 모터를 정면에서 보인 반단면도,

도 2는 종래 왕복동식 모터를 측면에서 보인 반단면도,

도 3은 종래 왕복동식 모터에서 고정자의 자속밀도를 위치별로 보인 그래프,

도 4는 본 발명 왕복동식 모터를 측면에서 보인 반단면도,

도 5는 본 발명 왕복동식 모터에서 고정자의 자속밀도를 위치별로 보인 그래프,

도 6과 도 7은 본 발명 모터의 변형예를 보인 반단면도,

도 8은 본 발명 왕복동식 모터를 적용한 왕복동식 압축기의 종단면도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

110 : 고정자조립체 111 : 외측고정자

111A : 적층체 111B : 권선코일

111c : 자속밀도보상부 112 : 내측고정자

112A : 적층체 120 : 가동자조립체

121 : 가동자몸체 122 : 마그네트

121c : 자속밀도보상부

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 낱장의 스테이터코어를 적층하여 외측고정자를 형성하는 왕복동식 모터에 있어서, 스테이터코어의 한 쪽 폴부를 확장하여 자속보상부를 형성하는 특징으로 하는 왕복동식 모터를 제공한다.

또, 다수 장의 스테이터코어를 원통형으로 적층하여 안쪽과 바깥쪽에 소정의 공극을 두고 배치하며 그 중 어느 한 쪽에 권선코일을 장착하여 케이싱 내부의 프레임에 고정하는 고정자와, 이 고정자의 공극 사이에 원주방향으로 마그네트들을 장착하여 상기 권선코일의 플럭스방향에 따라 축방향으로 왕복운동을 하는 가동자로 이루어진 왕복동식 모터와; 왕복동식 모터의 가동자에 피스톤을 연결하고 이 피스톤을 프레임에 고정하는 실린더에 결합하며 실린더의 압축공간 양측에 흡입밸브와 토출밸브를 장착하여서 이루어진 압축유니트와; 압축유니트의 피스톤을 직선운동하도록 탄력 지지하는 공진스프링유니트를 포함한 왕복동식 압축기에 있어서, 양측 고정자 중에서 적어도 어느 한 쪽 고정자는 권선코일의 중심선을 기준으로 한 쪽 폴부를 공극쪽으로 확장하여 자속보상부를 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기를 제공한다.

이하, 본 발명의 왕복동식 모터 및 이를 적용한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 왕복동식 모터를 측면에서 보인 반단면도이고, 도 5는 본 발명 왕복동식 모터에서 고정자의 자속밀도를 위치별로 보인 그래프이며, 도 6과 도 7은 본 발명 모터의 변형예를 보인 반단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 왕복동식 모터는 통상 프레임에 고정 설치하는 외측고정자(111) 및 이 외측고정자(111)의 내측에 일정 공극(t)을 두고 배치하는 내측고정자(112)로 된 고정자조립체(110)와, 외측고정자(111)와 내측고정자(112) 사이의 공극(air gap)(t)에 개재하여 직선으로 왕복운동을 하는 가동자조립체(120)로 구성한다.

외측고정자(111)는 다수 장의 얇은 스테이터코어를 원통모양으로 적층하는 적층체(111A)와, 적층체(111A)의 내주면 중앙에 장착하여 전기에너지를 자기에너지로 전환하는 권선코일(111B)로 이루어진다.

적층체(111A)는 디귿자 모양으로 형성하여 상기 권선코일(111B)의 중심선을중심으로 좌우 양측의 폴부(111a)(111b)를 비대칭되게 형성한다. 즉, 도 4에서 빗금친 것과 같이 어느 한 쪽 폭부(111a)(예컨대, 왕복동식의 경우 피스톤의 압축방향)의 단면적이 외곽으로 갈수록 내측고정자(112)쪽으로 점차 넓어지도록 확장하여 자속밀도보상부(111c)를 형성하는 것이 바람직하다. 여기서 t1은 자속밀도보상부에서의 공극이다.

자속밀도보상부(111c)는 도면에서와 같이 경사진 직선 모양으로 형성할 수도 있으나 경우에 따라서는 곡면이나 계단모양 등 다양하게 형성할 수도 있다. 또 자속밀도보상부(111c)는 앞서 언급한 바와 같이 외측고정자(111)에 형성할 수도 있으나 이에 대응하는 내측고정자(112)에도 대체로 유사한 모양으로 형성할 수도 있고 또 외측고정자(111)의 적층체(111A)는 좌우 대칭되게 형성하는 대신 내측고정자(112)의 적층체(121A)에만 형성할 수도 있다.

내측고정자(112)는 외측고정자(111)와 마찬가지로 다수 장의 얇은 스테이터코어를 원통모양으로 적층하는 적층체(112A)로 이루어진다. 이 내측고정자(112)의 적층체(112A)에도 전술한 바와 같이 피스톤의 압축방향으로 점차 단면적이 확대되도록 자속밀도보상부(112c)를 형성할 수도 있다.

가동자조립체(120)는 외측고정자(111)와 내측고정자(112) 사이에서 움직일 수 있도록 배치하는 가동자몸체(121)와, 고정자조립체(110)의 권선코일(111B)에 대응하도록 가동자몸체(121)의 외주면에 원주방향을 따라 등간격으로 고정하는 마그네트(122)들로 이루어진다.

도면중 미설명 부호인 111C은 보빈이다.

상기와 같은 본 발명 왕복동식 모터는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 고정자조립체(110)의 외측고정자(111)에 전원을 인가하면, 그 외측고정자(111)와 내측고정자(112) 사이에 플럭스(flux)가 형성되어 가동자조립체(120)가 이 플럭스의 방향에 따라 움직이면서 직선으로 왕복운동을 한다.

이때, 왕복동식 모터는 외측고정자(111) 또는 내측고정자(112)에 자속밀도보상부(111c)(112c)를 형성하면 도 5에서와 같이 가동자조립체(120)에 대한 Emf상수(α)가 자속밀도보상부(111c)(112c)쪽으로 갈수록 점진적으로 커져 가동자조립체(120)의 스트로크 변위를 작게 유지할 수 있다. 즉, 이를 앞에서 보인 다음 식

Emf = 0.5 ×α×S ×2 ×π×λ

에 대입하여 보면 왕복동식 모터에 가해지는 전압변동이나 부하변동이 발생하더라도 Emf상수(α)는 자속밀도가 증가함에 따라 이에 비례하여 커지는 반면 Emf상수와 반비례하는 가동자의 스트로크 변위(S)는 크게 변하지 않는다.

이를 왕복동식 압축기에 적용한 경우는 다음과 같다.

즉, 케이싱(1)의 내부에 탄력 지지하여 설치하는 프레임유니트(2)와, 프레임유니트(2)에 고정하여 직선으로의 구동력을 발생하는 왕복동식모터(100)와, 프레임유니트(2)에 지지하여 유체를 흡입 압축하는 압축유니트(4)와, 프레임유니트(2)와 왕복동식모터(100)의 가동자조립체(120) 사이에 결합하여 그 가동자조립체(120)와 압축유니트(4)의 피스톤(4B)이 함께 공진운동을 하도록 유도하는 공진스프링유니트(5)를 포함한다.

프레임유니트(2)는 왕복동식모터(100)의 외측고정자(111)와 내측고정자(112) 일 측면을 함께 지지함과 아울러 압축유니트(4)의 실린더(4A)를 삽입하여 지지하는 전방프레임(2A)과, 전방프레임(2A)에 결합하여 왕복동식모터(100)의 외측고정자(111) 타 측면을 지지하고 후술할 전방측 공진스프링(5A)을 지지하는 중간프레임(2B)과, 중간프레임(2B)에 결합하여 왕복동식모터(100)의 외측고정자(111)와 내측고정자(112) 타 측면을 함께 지지하고 후술할 후방측 공진스프링(5B)을 지지하는 후방프레임(2C)으로 이루어진다.

압축유니트(4)는 전방프레임(2A)에 삽입하여 고정하는 실린더(4A)와, 왕복동식모터(100)의 가동자몸체(121)에 결합하여 실린더(4A)의 압축공간(P)에서 왕복운동을 하는 피스톤(4B)과, 피스톤(4B)의 선단에 장착하여 그 피스톤(4B)의 흡입유로(F)를 개폐하면서 냉매가스의 흡입을 제한하는 흡입밸브(4C)와, 실린더(4A)의 토출측에 장착하여 압축공간(P)을 개폐하면서 압축가스의 토출을 제한하는 토출밸브조립체(4D)로 이루어진다.

공진스프링유니트(5)는 가동자몸체(121)와 피스톤(4B)의 연결부를 사이에 두고 좌우 양측에 구비하는 전방측 공진스프링(5A)과 후방측 공진스프링(5B)으로 이루어진다.

도면중 미설명 부호인 DP는 가스토출관, SP는 가스흡입관이다.

상기와 같은 본 발명 왕복동식 압축기는 왕복동식 모터(100)의 가동자조립체(120)와 피스톤(42)이 함께 플럭스의 방향에 따라 움직이면서 공진스프링유니트(5)에 의해 직선으로 공진운동을 하고, 이와 함께 피스톤(4B)이실린더(4A)의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 실린더(4A)의 압축공간(P)에 압력차를 발생시킴으로써 냉매가스를 흡입하여 일정 압력까지 압축하였다가 토출하는 일련의 과정을 반복한다.

즉, 왕복동식 모터(100)의 가동자조립체(120)를 피스톤(4B)에 결합하여 피스톤(4B)이 실린더(4A)의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하는 경우 피스톤(4B)의 압축방향으로 왕복동식 모터(100)의 고정자조립체(110)에 자속밀도보상부(111c)를 형성하면 왕복동식 모터(100)에 전압변동이나 부하변동이 발생하더라도 가동자조립체(120)가 피스톤(4B)의 압축방향에서는 스트로크의 변위가 크게 발생하지 않아 이 가동자조립체(120)에 결합한 피스톤(4B) 역시 압축행정에서는 균일한 스트로크 변위을 유지할 수 있고 이를 통해 압축기의 압축능력을 일정하게 유지할 수 있어 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명에 의한 왕복동식 모터 및 이를 적용한 왕복동식 압축기는, 왕복동식 모터의 고정자에 피스톤의 압축방향으로 갈수록 점차 공극으로 접근하는 자속밀도보상부를 확장 형성함으로써, 전압변동이나 부하변동이 발생하더라도 가동자에 대한 Emf상수를 증가시켜 스트로크 변위를 줄이고 이를 왕복동식 압축기에 적용하는 경우 피스톤의 압축행정에서의 스트로크를 균일하게 할 수 있고 이를 통해 압축기의 압축능력을 일정하게 유지하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 낱장의 스테이터코어를 적층하여 외측고정자를 형성하는 왕복동식 모터에 있어서,

   스테이터코어의 한 쪽 폴부를 확장하여 자속보상부를 형성하는 특징으로 하는 왕복동식 모터.
2. 제1항에 있어서,

   자속보상부는 적층체의 외곽으로 갈수록 점차 확장되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 모터.
3. 다수 장의 스테이터코어를 원통형으로 적층하여 안쪽과 바깥쪽에 소정의 공극을 두고 배치하며 그 중 어느 한 쪽에 권선코일을 장착하여 케이싱 내부의 프레임에 고정하는 고정자와, 이 고정자의 공극 사이에 원주방향으로 마그네트들을 장착하여 상기 권선코일의 플럭스방향에 따라 축방향으로 왕복운동을 하는 가동자로 이루어진 왕복동식 모터와; 왕복동식 모터의 가동자에 피스톤을 연결하고 이 피스톤을 프레임에 고정하는 실린더에 결합하며 실린더의 압축공간 양측에 흡입밸브와 토출밸브를 장착하여서 이루어진 압축유니트와; 압축유니트의 피스톤을 직선운동하도록 탄력 지지하는 공진스프링유니트를 포함한 왕복동식 압축기에 있어서,

   양측 고정자 중에서 적어도 어느 한 쪽 고정자는 권선코일의 중심선을 기준으로 한 쪽 폴부를 공극쪽으로 확장하여 자속보상부를 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
4. 제3항에 있어서,

   자속보상부는 피스톤의 압축방향으로 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.