KR20120034003A - 알루미늄 권선 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 - Google Patents

Abstract

직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체는 상부에 복수의 영구자석이 장착되어 있는 로터 조립체, 및 알루미늄 권선을 포함하는 스테이터 조립체의 독특한 결합체를 포함한다. 구조적 특징을 갖는 이러한 독특한 결합체는 낮은 증분 비용으로 현저한 모터 성능 향상으로 이어지게 한다. 직립 기동형 영구자석 모터 조립체는 고효율 표준(예를 들면, 계절 에너지 효율 등급)을 충족시키기 위해 예컨대 공기조절시스템에 사용될 수 있는 밀폐형 압축기에 통합될 수도 있다. 개시된 실시형태는 본질적으로 전부 알루미늄으로 이루어지는 권선코일에 의해 적어도 90%의 효율을 갖는다.

Description

알루미늄 권선 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터{ALUMINUM WOUNDED LINE-START BRUSHLESS PERMANEBT MAGNET MOTOR}

본 발명은 일반적으로 전기모터 조립체에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 상부에 복수의 영구자석이 장착된 로터 조립체(rotor assembly) 및 알루미늄 권선 코일을 구비한 스테이터 조립체(stator assembly)를 포함하는 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(line-start brushless permanent magnet motor assembly)에 관한 것이다.

당해 기술 분야에서의 통상의 숙련자라면, 전기모터가 일반적으로 효과적인 것으로 알려져 있고 다양한 산업분야에서 흔히 사용되고 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 전기모터는 압축기구를 구동하기 위해, 예컨대 공기조절시스템에 사용될 수 있는 압축기에 포함되는 경우가 있다. 당해 분야의 통상의 숙련자라면, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 기술이 모터 효율 및/또는 압축기 성능을 증대시키기 위해 효과적으로 사용되어 왔음을 알 수 있을 것이다.

종래에는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터용 로터에 영구자석을 추가함으로써, 영구자석이 로터의 손실을 감소시킴에 따라 효율이 증가되고 이러한 손실은 풀 스피드(full speed)에서 거의 영(zero)으로 감소(로터와 스테이터의 자기장 사이의 동기화(synchronization)에 기인)되었다. 그러나, 동기화를 달성하기 위해 그러한 로터에 사용되는 강력한 영구자석과 결부된 비교적 높은 재료 비용은 경제적으로 불리한 점이 있었고, 이러한 기술을 많은 잠재적인 소비자들의 손에 닿지 않게 할 수도 있다. 그래서, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석은 그에 따라 제공되는 향상된 성능을 달성하기 위해 오래전부터 비용을 상당히 증가시키고 있다.

그러므로, 고효율과 고비용 간의 관련성은 전통적인 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터를, 최대 성능을 염두에 두고 설계된 고급 범주의 모터로 되게 하였다. 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 로터에 대해 요구되는 영구자석이 또 다른 전형적인 유도모터에 상당한 재료 비용을 부가하고 있다. 따라서, 종래 기술의 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터의 전통적인 디자인은, 로터의 고비용?고급의 영구자석이 그에 상응하여 스테이터의 고비용?고급의 구리 권선(copper winding)과 결부됨을 일관성 있게 교시하고 있다.

본 발명은 복수의 영구자석을 갖는 로터 조립체 및 알루미늄 권선을 갖는 스테이터 조립체의 독특한 조합을 포함하는 직립 기동형 영구자석 모터 조립체를 제공하는 것이다. 구조적 특징을 갖는 이러한 독특한 조합은 종래 기술의 직립 기동형 영구자석 모터에 의해 실현되었던 것보다 상당히 낮은 증분 비용(incremental cost)으로 현저한 모터 성능 향상으로 이어지게 한다.

보다 구체적으로는, 알루미늄(고성능 모터의 권선에 통상적으로 사용되지 않는 재료)으로 형성된 권선(winding)을 갖는 새로운 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터가 전통적인 구리 권선을 갖는 종래 기술의 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터에 비하여 약간의 성능 차이만을 나타내었음이 예기치 않게 판명되었다. 동시에, 새로운 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터에 사용되는 알루미늄 재료는 영구자석의 재료 비용의 상당한 일부를 상쇄시킨다. 일 실시형태에 있어서, 알루미늄으로 형성된 권선을 갖는 새로운 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터는 대략 94%의 모터 효율을 나타내는 반면, 구리로 형성된 권선을 갖는 종래 기술의 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터는 대략 95%의 약간 더 높은 모터 효율을 나타내었을 뿐이다.

본 발명의 일 형태에 따르면, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체가 제공되어 있다. 모터 조립체는 축을 중심으로 회전 가능한 로터 조립체를 포함한다. 로터 조립체는 로터 코어체(core body) 및 로터 코어체 상에 장착된 복수의 영구자석을 포함한다. 영구자석은 로터 코어체를 따라 거의 축방향으로 뻗어 있다. 모터 조립체는 로터 조립체로부터 반경방향으로 간격을 둔 스테이터 조립체를 더 포함한다. 스테이터 조립체는 복수의 원주상으로 간격을 둔 축방향 슬롯(axial slot)을 갖고 로터 조립체를 수용하기 위한 중앙 보어(central bore)를 형성하는 스테이터 코어체를 포함한다. 스테이터 조립체는 스테이터 코어체의 축방향 슬롯들 중 다수의 슬롯 내부에 수용되며, 일반적으로 그 다수의 슬롯을 따라 배열되어 있는 전도성 권선코일(winding coil)을 더 포함하는데, 이 권선코일은 알루미늄으로 구성되어 있다.

본 발명의 다른 형태에 따르면, 축을 중심으로 회전 가능한 로터와 로터로부터 반경방향으로 간격을 둔 스테이터를 포함하는 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체로서, 스테이터는 권선코일을 수용하기 위해 복수의 원주상으로 간격을 둔 축방향 슬롯을 갖고 로터를 수용하기 위한 중앙 보어를 형성하며, 이 구조는 로터 내에 배치되는 복수의 영구자석을 알루미늄으로 구성되는 스테이터의 권선코일과의 결합으로 구성된 것이다. 영구자석은 축에 거의 평행하게 배치되도록 로터를 따라 거의 축방향으로 뻗어 있다. 알루미늄 권선코일은 스테이터 코어체의 축방향 슬롯들 중 다수의 슬롯 내부에 수용되며 일반적으로 그 다수의 슬롯을 따라 배열되어 있다.

본 발명의 또 다른 형태는 낮은 증분 비용으로 증가된 모터 효율을 제공하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 로터 내에, 로터를 따라 거의 축방향으로 뻗는 영구자석을 설치하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 스테이터의 복수의 원주상으로 간격을 둔 축방향 슬롯 내에 수용하기 위한 권선코일을 알루미늄으로 형성하는 단계 및 알루미늄 권선 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터를 형성하기 위해 스테이터의 중앙 보어 내에 로터를 배치하는 단계를 포함하며, 모터는 적어도 약 90%의 효율을 갖는다.

이와 같은 발명의 요약은 이하에 바람직한 실시형태들의 상세한 설명에서 더 기술되어 있는 간소화된 형태에서의 개념의 선택을 도입하기 위해 제공된 것이다. 그러한 발명의 요약은 청구된 발명의 요지의 중요한 특징과 필수 특징을 밝히기 위한 것이 아니며, 청구된 발명의 요지의 범위를 한정하는데 사용되는 것도 아니다.

본 발명의 여러 가지의 다른 형태들 및 이점들은 첨부한 도면과 바람직한 실시형태들의 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 원리에 따라 구성된 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체의 개략도로서, 로터 조립체와 스테이터 조립체를 나타내고 스테이터 조립체의 알루미늄 권선코일을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 모터 조립체의 중간을 통해 대략적으로 취해진 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체의 단면도로서, 내부에 복수의 영구자석이 배치된 로터 조립체의 내부 상세 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 가변 용량조절(variable capacity modulation)을 제공하도록 구성된 디지털 압축기 조립체의 입체도로서, 압축기구와 구동기구가 그 내부에 배치된 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체를 포함하고 있는 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 압축기 조립체의 중간을 통하여 대략적으로 취해진 디지털 압축기 조립체의 단면도로서, 제1 및 제2 기계적 요소를 포함하는 압축기구, 및 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터의 로터 조립체와 스테이터 조립체를 포함하는 구동기구의 구성 내부를 상세히 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도면부호는 본 발명을 본 명세서에서 개시하여 설명한 특정 실시형태에 한정하는 것은 아니다. 도면들은 반드시 범위를 정하기 위한 것은 아니며, 바람직한 실시형태들의 원리를 명확히 예시하기 위해 강조한 것이다.

본 발명은 많은 다른 형태의 실시형태를 허용할 수 있다. 도면 및 본 명세서가 본 발명의 바람직한 실시형태들을 예시하여 설명하고 있지만, 이러한 개시(開示)는 단지 실시예에 불과한 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 원리를 특정의 개시된 실시형태에 한정하여서는 아니 된다.

먼저, 도 1 - 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태의 원리에 따라 구성되어 다양한 분야에서 사용하기 위한 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)가 도시되어 있다. 모터 조립체(20)가 다양한 분야에서 활용될 수 있지만, 예시된 실시형태는, 모터 조립체(20)가 스크롤(scroll), 로터리(rotary), 또는 피스톤(piston) 타입의 밀폐형 압축기를 구동하도록 구성된 것이다. 보다 구체적으로는, 모터 조립체(20)는 이하에 상세히 설명하는 바와 같이 압축기 조립체(22)(도 3 - 도 4 참조) 내부에 배치되는 경우에 뚜렷한 이점이 있다.

다소 관례적으로, 모터 조립체(20)는 넓게는 축(26)을 중심으로 회전 가능한 로터 조립체(24), 및 스테이터 조립체(28)를 포함한다. 로터 조립체(24) 및 스테이터 조립체(28)는 일반적으로, 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 모터 케이스(도 1 - 도 2에 도시하지 않음)의 내부 모터 챔버 내에 모두 포함될 수 있다. 로터 조립체(24)는 로터 조립체(24)와의 회전을 위해 구성되며 또한 스테이터 조립체(28)의 양단으로부터 축방향으로 외측으로 돌출되어 있는, 축방향으로 배치된 샤프트(30)를 포함한다. 본 명세서에서는 하나의 대표적인 실시형태만이 도시되어 있지만, 적당한 로터 및 스테이터 조립체의 또 다른 배치구성이 고려될 수 있고 이는 명확히 본 발명의 범위 내에 있음은 물론이다.

이와 같은 개시(開示)를 검토할 때 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 다양한 다른 일반적인 모터 구성부들(도시하지 않음)이 본 발명의 교시로부터 벗어남이 없이 모터 조립체(20) 내에 포함될 수도 있다. 주목할 점은, 모터 조립체(20)의 특정의 용도에 따라 달라지는 경우가 있겠지만, 여러 형태들이 약간 변경된 형태를 가질 수 있더라도, 상기와 같은 구성부들이 사실상 전형적으로는 실질적으로 통상의 것이라는 것이다. 본 명세서에 도시되어 있지 않거나 상세히 설명되지 않은 일반적인 통상의 모터 구성부들에 대한 어떠한 변경도 오로지 특허청구범위에 의해서만 규정되는 본 발명의 범위에 영향을 주는 것은 아니다.

스테이터 조립체(28)의 세부 구성으로 돌아가서 설명하면, 당해 분야에서의 통상의 숙련자는, 도 1 - 도 2에 도시한 스테이터 조립체(28)가 넓게는, 스테이터 코어체(32)와 일반적으로 축방향의 동심 권선(concentric windings)(34)을 포함하고 있음을 바로 이해할 것이다. 예시한 스테이터 코어체(32)는 당해 분야에서 일반적으로 알려진 바와 같이, 복수의 축방향으로 적층된 스테이터 적층체(lamination)(36)(도 2 참조)로 구성되어 있다. 주목할 점은, 도 1에 도시된 권선(34)이 통상의 개략적인 형태로 나타내져 있지만, 권선(34)에 대한 부가적인 세부 구성이 아래에 설명되어 있다는 것이다. 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 권선(34)의 특정의 구성은 모터 조립체(20)의 전력, 토크, 작동속도, 극수(number of poles) 등에 직접 영향을 미칠 수 있다.

당해 분야에서 다소 관례적인 것으로, 각 개별의 스테이터 적층체(36)는 실질적으로 환(環)형상의 강체(steel body)를 포함함으로써, 스테이터 코어체(32)를 형성하는 복수의 축방향으로 적층된 스테이터 적층체(36)가 로터 조립체(24)를 수용하기 위한 일반적으로 중앙의 축방향 보어(38)와 협동관계에 있다. 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 이해할 수 있는 바와 같이, 에어 갭(air gap)(40)은 스테이터 조립체(28)의 스테이터 코어체(32)와 로터 조립체(24) 사이에 반경방향으로 뻗어 있어, 로터 조립체(24)가 스테이터 조립체(28) 내에서 자유롭게 회전될 수 있게 된다.

스테이터 코어체(32)를 형성하는 복수의 축방향으로 적층된 스테이터 적층체(36) 또한 그 코어체를 통하여 축방향으로 뻗는 복수의 일반적인 아치형 슬롯(arcuate slot)(42)과 협동관계에 있으며, 각각 도시된 슬롯(42)은 에어 갭(air gap)(40)과 연통되어 있다. 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 이해할 수 있는 바와 같이, 전도성 와이어는 권선(34)을 형성하며, 이 권선(34)은 슬롯(42)을 통과하여 그 내부에 수용된다. 주목할 점은, 예시한 실시형태에서, 다수의 슬롯이 본 발명의 교시로부터 벗어남이 없이 대안적으로 제공될 수 있더라도, 스테이터 조립체(28)의 스테이터 코어체(32)가 24개의 슬롯(42)을 포함한다는 것이다.

도시한 실시형태의 모터 조립체(20)는 3상 모터(three-phase motor)로서 구성된다. 이제, 3상 모터의 작동 고려상황과 그 내부에 사용되는 권선의 세부사항으로 잠시 전환하면, 당해 분야에서의 통상의 숙련자는, 3상 전기모터가 다양한 산업분야(구동펌프, 팬, 송풍기, 압축기 등)에서 흔히 사용됨을 바로 알 수 있을 것이다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 3상 모터는 보다 소형화되는 경우가 많고 동일한 전압등급(voltage class)과 정격(duty rating)을 갖는 단상 모터(single-phase motor)보다 비용이 덜 들 수 있다. 또한, 많은 3상 모터는 더 적은 진동을 나타내는 경우가 많고 따라서 동일한 조건하에 사용되는 동일한 전력의 상응하는 단상 모터보다 장기간 지속할 수도 있다. 그러나, 본 발명의 원리는 3상 모터에 한정되는 것은 아니며, 단상 모터(도시하지 않음)에 동일하게 적용된다. 더 상세하게는, 도시한 실시형태의 모터 조립체(20)는 단속 모터(single speed motor)로서 구성된다.

당해 분야에서 다소 관례적인 것처럼, 권선(34)은 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 3상 전력 각각에 대해 상권선(phase winding)을 포함한다. 간략화를 위해, 간단히 주목할 점은, 3상 모터의 권선 구성형태가 당해 분야에서 일반적으로 알려져 있어 본 명세서에서는 상세히 설명하지 않는다는 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 도시한 실시형태에 있어서, 스테이터 조립체(28)는 전원(도시하지 않음)에 연결될 3개의 리드(lead)를 포함하며, 리드 각각은 3상 전력 각각에 대응한다.

종래와는 달리, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)의 권선(34)은 아래에 더 설명하는 바와 같이 알루미늄으로 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 알루미늄으로 구성되는 권선(34)이 다른 재료(예를 들면, 알루미늄 합금 또는 구리 피복 알루미늄(copper-cladded aluminum))을 포함할 수도 있지만, 예시한 실시형태의 권선(34)은 본질적으로 알루미늄 와이어로 이루어져 있다. 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20) 내에 이러한 이례적인 권선의 추가적인 상세 사항과 뜻밖의 이점에 대하여는 이하에 더 상세히 설명한다.

다음으로, 로터 조립체(24)의 상세 구성으로 돌아가서, 도 2를 특별히 참조하면, 로터 조립체(24)는 복수의 알루미늄 바아(aluminum bar)(50)와 일체로 형성되는 복수의 축방향으로 적층된 로터 적층체(48)를 포함하는 로터 코어체(46)를 구비한다. 상기 바아는 복수의 로터 적층체(48)를 따라 축방향으로 뻗어 있고 그 각각의 축방향 가장자리(axail margin)를 따라 배치되는 알루미늄 링(aluminum ring)(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 바아(50)의 특정 구성형태는 모터 조립체(20)의 개시 동작에 직접 영향을 미칠 수 있다. 주목할 점은, 로터 코어체(46) 주변에 나선상으로 비스듬하게 움직이는 바아 또는 전혀 비스듬하게 움직이지 않는 바아를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 바아의 일반적인 통상의 구성형태가 고려되며 명확히 본 발명의 범위 내에 있다는 것이다.

이어서 도 2를 참조하면, 각각 개개의 로터 적층체(48)는 실질적으로 환형상의 강체를 포함함으로써, 로터 코어체(46)를 형성하는 복수의 축방향으로 적층된 로터 적층체(48)가 반경방향의 외주변(52)과, 샤프트(30)를 수용하기 위애 그 코어체를 통하여 축방향으로 뻗는, 축방향으로 정렬된 샤프트 구멍(54)과 협동관계에 있다. 추가적으로, 로터 코어체(46)를 형성하는 복수의 축방향으로 적층된 로터 적층체(48)는 그 코어체를 통하여 축방향으로 뻗는 복수의 거의 아치형의 슬롯(56)과 협동관계에 있으며, 각각의 슬롯(56)은 반경방향의 외주변(52)과 적어도 인접하여 배치(연통하지 않는 경우)되어 있다. 당해 분야에서 일반적으로 알려진 바와 같이, 알루미늄 바아(50)는 슬롯(56)을 통과하여 로터 코어체(46)의 반경방향의 외주변(52)과 적어도 인접하여 배치됨으로써 그 적어도 일부를 협동관계로 규정(로터 코어체의 노출된 바아를 협동적으로 형성하지 않는 경우)하도록 형성된다. 주목할 점은, 예시한 실시형태에 있어서, 다수의 슬롯이 본 발명의 교시로부터 벗어남이 없이 유사하게 제공될 수 있더라도, 각각의 로터 적층체(48)가 34개의 슬롯(56)을 포함한다는 것이다.

로터 조립체(24)는 로터 코어체(46) 상에 장착되는 복수의 영구자석(58)을 더 포함하는데, 이 영구자석(58)은 로터 코어체(46)를 따라 거의 축방향으로 뻗어 있다. 예시한 실시형태에 있어서, 영구자석(58)은 로터 코어체(46)의 복수의 로터 적층체(48) 내에 협동관계로 형성되는 거의 기다란 개구(60) 내에 수용된다. 로터 적층체(48)들 중 적어도 하나는 영구자석을 로터 코어체(46) 내 제위치에 유지하기 위해 복수의 영구자석(58) 각각과 접촉하여 배치되어 있다.

더 상세하게는, 여전히 도 2에 주시하면, 복수의 영구자석(58) 각각은 축(26)과 거의 평행하게 배치되어 있다. 또한, 복수의 영구자석(58) 각각은 로터 코어체(46)의 반경방향의 외주변(52)과 실질적으로 인접하여 배치되어 있다. 로터 코어체(46) 상에 장착된 영구자석(58)이 여러 개수와 형태(도시하지 않음)로 제공될 수 있지만, 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 하나의 특정의 유리한 구성형태가 도면에 도시되어 있다.

예시한 구성형태에 있어서, 로터 조립체(24)는 4개의 영구자석(58)을 포함하는데, 그 각각은 실질적으로 동등한 크기를 갖는다. 도 2의 단면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 4개의 영구자석(58)은 로터 코어체(46)의 단면을 따라 2쌍으로 배열되어 있는데, 그 2쌍의 각각은 축(26)에 대하여 영구자석(58)의 다른 쌍에 거의 대칭으로 되어 있다. 도시한 실시형태에 있어서, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)의 영구자석(58)들 각각은 네오듐으로 구성된다.

이제 전기모터 효율로 잠시 돌아가서, 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면, 모터의 수명에 걸쳐 전기모터의 작동과 연관된 에너지 비용이 최종 사용자에게 상당한 재정적인 부담이 될 수 있음을 바로 알 수 있을 것이다. 그래서, 전체 모터 효율의 개선은 비록 상대적으로 작은 퍼센트에 불과하더라도, 모터의 수명에 걸쳐 에너지 비용면에서 상당한 절감을 가져다줄 수 있다. 그러므로, 효율 이득을 가져다 주는 모터 디자인 또는 구성에 대한 독창적인 개선은 상당한 경쟁적인 이점을 제공할 수 있다.

상기한 효율을 배경으로, 주목할 점은, 본 발명의 실시형태에 있어서, 복수의 영구자석을 포함하는 로터 조립체(24) 및 알루미늄으로 형성되는 권선(34)을 포함하는 스테이터 조립체(28)의 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)가 종래 기술의 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터에 의해 실현되었던 것보다 상당히 낮은 증분 비용으로 상당한 모터 성능 향상을 가져온다. 이러한 성능 향상은 당해 분야에서의 통상의 숙련자에게 예상된다.

보다 구체적으로는, 알루미늄(권선을 구성하기 위한 구리보다 덜 비싼 재료)으로 형성되는 권선은 구리로 형성되는 권선과 비교하여 전체 모터 효율면에서 상대적으로 상당한 손실과 사실상 상응된다. 예를 들면, 이전의 시험으로부터, 종래의 유도모터의 실시형태에 있어서, 구리로 형성되는 권선으로부터 알루미늄으로 형성되는 권선으로의 전환이 대략 2%의 전체 모터 효율의 비교적 상당한 손실(대략 91%에서 89%로 떨어진 효율)로 야기되었음이 관찰되었다.

당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 고효율과 고비용 간의 상응관계는 전통적인 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터를, 최대 성능을 염두에 두고 설계하여 고급 부류의 모터를 갖도록 하였다. 영구자석이 다른 전형적인 유도모터에 상당한 재료 비용을 부가하고 있음이 일반적으로 알려져 있다. 그러므로, 종래 기술의 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터의 통상적인 디자인은, 로터의 고비용?고급의 영구자석이 그에 상응하여 스테이터의 고비용?고급의 구리 권선과 쌍을 이루게 됨을 일관성 있게 교시하였다.

그러나, 본 발명의 경우에서는, 알루미늄(고성능 모터용 권선에 통상적으로 사용되지 않는 재료)으로 형성되는 권선(34)을 갖는 독특한 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)가 구리 권선을 갖는 종래 기술의 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터와 비교하여 약간의 성능 차이만을 나타냈음이 뜻하지 않게 판명되었다. 예를 들면, 상기한 유도모터 시험시에 나타난 것과 비교적 일치하는 효율 강하와 대조적으로, 본 발명의 반(反)직관적인 조합이 전체 모터 효율에 있어서 상기한 유도모터 시험시 관찰된 손실의 대략 절반만의 비교적 적은 손실을 보였음이 관찰되었다. 보다 구체적으로는, 알루미늄으로 형성되는 권선(34)을 갖는 독특한 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)는 전체 모터 효율에 있어서 대략 1%만(대략 95%에서 대략 94%로 강하되는 효율)의 손실을 보였다.

또한, 새로운 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)의 권선(34)에 사용되는 알루미늄 재료는 영구자석(58)의 재료 비용의 상당 부분을 상쇄시킨다. 상술한 바와 같이, 일 실시형태에 있어서, 알루미늄으로 형성되는 권선(34)을 갖는 새로운 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)는 구리로 형성되는 권선을 가진 경우에서보다 낮은 증분 비용을 위해 구성되었으며, 이러한 저비용의 모터 조립체(20)는 모터 효율이 대략 95%임을 보여주었다.

이제 도 3 - 도 4로 돌아가면, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)는 압축기 조립체(22)의 일부로서 도시되어 있다. 본 명세서에서 도시하여 설명한 압축기 조립체(22)가 밀폐형 디지털 스크롤 압축기의 형태를 취하고 있지만, 주목할 점은, 그 모터 조립체(20)가 본 발명의 교시로부터 벗어남이 없이 다른 형태의 압축기 조립체들(예를 들면, 고정 용량형)과 같은 다른 적용분야에 대안적으로 포함될 수 있다는 것이다.

처음에 주목할 점은, 도시한 압축기 조립체(22)의 많은 형태들이 일반적으로 당해 분야에서 통상적인 것이므로, 본 명세서에서 비교적 간략하게만 설명하고자 한다. 그럼에도 불구하고, 압축기 조립체(22)의 여러 구조적인 상세 사항이 이와 같은 개시(開示)를 검토할 때 당해 분야에서 통상의 숙련자라면 바로 이해할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

먼저 도 3에 주시하면, 압축기 조립체(22)의 많은 구성부재가 하우징(64) 형태의 케이스에 의해 넓게 규정되는 내부챔버(internal chamber)(62) 내에 포함됨을 바로 이해할 수 있을 것이다. 도시한 실시형태에 있어서, 하우징(64)은, 내부챔버(62)가 외부 환경으로부터 기밀 실링(hermetically seal)되도록 실질적으로 실링되어 있다. 예시한 하우징(64)은 거의 원통형이며 대향하는 상부와 하부의 축방향 가장자리(66, 68)를 제공한다. 하우징(64)은 외피부재(shell element)(70), 하부 가장자리(68)에 거의 인접하여 배치된 베이스(base)(72), 및 상부 가장자리(66)에 거의 인접하여 배치된 캡(cap)(74)을 포함한다.

당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 내부챔버(62)가 외부 환경으로부터 기밀 실링되지만, 일부 구성부재(예를 들면, 전력과 압축되는 작동유체)는 특정의 실링 통로(sealed passageway)를 통하여 하우징(64)을 통과하여야 한다. 이 점에서, 압축기 조립체(22)는 외피부재(70) 상에 배치된 압축기 전원 접속기(76)를 포함한다. 바로 알 수 있는 바와 같이, 압축기 전원 접속기(76)는 상술한 스테이터 전원 접속기(44)와 전기적으로 통신하는 상태로 있다.

또한, 압축기 조립체(22)는 외피부재(70) 상에 배치된 입구(78), 및 캡(74) 상에 배치된 출구(80)를 포함함으로써, 압축기 조립체(22)의 내부챔버(62) 안팎으로 압축성 작동유체를 수송한다. 물론, 입구(78) 및 출구(80)의 특정의 배치가 본 발명의 교시로부터 벗어남이 없이 변경될 수 있음을 바로 알 수 있을 것이다.

이제 도 4에 주시하면, 압축기 조립체(22)는 넓게는, 가변 용량조절을 제공하도록 구성되는 압축기구(82), 및 위에서 상세히 설명한 모터 조립체(20)를 포함하는 구동기구(84)를 포함한다. 압축기 조립체(22)는 모터 조립체(20)의 샤프트(30)와 압축기구(84)의 구성부재들을 회전 가능하게 지지하기 위해 상부 베어링 조립체(86)와 하부 베어링 조립체(88)를 더 포함한다.

압축기구(82)는 작동유체를 압축하도록 협력하는 스크롤 부재(90, 92)의 형태로 도시되어 있는 제1 및 제2 기계요소를 포함한다. 예시한 실시형태에 있어서, 제1 스크롤 부재(90)는 제2 스크롤 부재(92)에 대해 회전 가능하게 고정되어 있다. 제1 스크롤 부재(90)는 또한 당해 분야에서 일반적으로 알려진 방식으로 내부챔버(62) 내의 제2 스크롤 부재(92)에 대해 축방향으로 이동 가능하게 고정되어 있다. 제2 스크롤 부재(92)는 크랭크핀(94)과 구동 부싱(96)을 통해 모터 조립체(20)의 샤프트(30)에 구동방식으로 연결되도록 구동기구(84)와 작동 가능하게 결합되어 있으므로, 제2 스크롤 부재(92)는 아래에서 상세히 설명하는 바와 같이 제1 스크롤 부재(90)에 대해 궤도 이동 가능하다.

비궤도(non-orbiting) 스크롤 부재(90)와 궤도 스크롤 부재(92)는 서로 맞물리는 결합상태로 위치되어 있고, 적절한 통상의 커플링(coupling)이 그들 사이에서 일반적인 편심 궤도 운동(eccentric orbital motion)(환형상 경로를 따라)을 허용하지만, 그들 사이에서 상대적인 스핀 운동(spinning motion)을 방지한다. 구획판(patition plate)(98)은 하우징(64)의 상부 가장자리(66)에 거의 인접하여 설치되어, 본 개시를 검토할 때 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 내부챔버(62)를 그 상단부에 있는 방출챔버(100)와 그 하단부에 있는 흡입챔버(102)로 분할하는 역할을 한다.

해당 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 제1 비궤도 스크롤 부재(90)와 제2 궤도 스크롤 부재(92)가 로딩된 상태(loaded state)와 상응하는 제1 위치로 서로에 대해 축방향으로 이동될 때, 압축기구(82)는 작동유체를 압축하도록 구성되어 구동기구(84)의 모터 조립체(20)의 회전 중에 전체 용량(full capacity)(100%)으로 가동된다. 대안적으로, 제1 비궤도 스크롤 부재(90)와 제2 궤도 스크롤 부재(92)가 언로딩된 상태(unloaded state)와 상응하는 제2 위치로 서로에 대해 축방향으로 이동될 때, 압축기구(82)는 작동유체를 압축하지 않도록 구성되어 구동기구(84)의 모터 조립체(20)의 연속 회전 중에서도 용량 없는 상태(0%) 로 가동된다. 이와 같이, 디지털 스크롤 압축기 조립체(22)의 용량은 구동기구(84)의 모터 조립체(20)의 속도를 반드시 변경할 필요없이 신속하고 효율적으로 변화될 수 있다.

제1 비궤도 스크롤 부재(90)와 제2 궤도 스크롤 부재(92) 사이의 상대적인 축방향 변위(axial disposition)는 해당 분야에서 일반적으로 알려진 바와 같이, 솔레노이드 밸브와 같이 제어장치(도시하지 않음)를 통해 작동 가능하게 이동된다. 그러므로, 어떤 일정한 사이클 시간 동안 로딩된 상태 시간과 언로딩된 상태 시간을 적당히 변화시킴으로써, 당해 분야에서의 통상의 숙련자라면 바로 이해할 수 있는 바와 같이, 디지털 스크롤 압축기 조립체(22)가 소정의 시스템을 위해 원하는 임의의 용량을 수송할 수 있다.

전체(100%) 용량으로 작동 중에, 제2 궤도 스크롤 부재(92)가 제1 비궤도 스크롤 부재(90)에 대해 궤도를 돌기 시작하면, 압축되는 작동유체는 입구(78)를 통해 압축기 조립체(22)의 내부챔버(62)의 흡입챔버(102)로 끌어 당겨진다. 흡입챔버(102)로부터, 작동유체는 스크롤 부재(90, 92)의 부분들에 의해 협동적으로 형성되는 체적 감소 압축챔버(104)으로 이동된다. 스크롤 부재(90, 92)의 교합형 스크롤 랩(intermeshing scroll wrap)은 제2 궤도 스크롤 부재(92)의 궤도 운동의 결과로서 내측으로 반경방향으로 이동함에 따라 크기가 점차적으로 감소하는 압축챔버(104) 내에 작동유체의 이동 포켓(moving pocket)을 형성하고, 이에 따라 입구(78)를 통해 들어오는 작동유체가 압축된다. 다음으로, 압축된 작동유체는 출구(80)를 통해 방출챔버(100) 안으로 그리고 압축기 조립체(22) 바깥으로 방출된다.

용량 없는 상태(0%)로 작동 중에, 제2 궤도 스크롤 부재(92)가 제1 궤도 스크롤 부재(90)에 대해 궤도를 돌더라도, 스크롤 부재(90, 92)는 서로로부터 축방향으로 이격되어 언로딩된 상태로 이동되므로, 압축챔버(104)에 의해 흡입이 발생되지 않아 압축기 조립체(22)를 통해 작동유체의 대량 유동(mass flow)이 없게 된다. 제2 궤도 스크롤 부재(92)가 제1 비궤도 스크롤 부재(90)에 대해 이동되는 바로 그 순간에 디지털 압축기 조립체(22)가 제1 비궤도 스크롤 부재(90)에 대해 이동되기 때문에, 압축기구(82)는 위에서 상세히 설명한 바와 같이, 단속 모터로서 구성되는 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)를 포함하는 구동기구(84)에 의해 효과적이면서 효율적으로 구동될 수 있다.

또한 위에서 상세히 설명한 바와 같이, 새로운 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)의 일 실시형태는 대략 94%의 모터 효율을 보였다. 구동기구의 모터 조립체가 압축기 조립체(또는 공기조절시스템 등의 압축기 조립체를 통합하는 전체 시스템의 경우)의 최고 소비전력 구성부재들 중 하나인 경우가 많으므로, 본 발명에서의 새로운 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)에 의해 제공되는 효율 개선은 압축기 조립체(22)에서 상당한 성능 향상을 제공한다. 일 실시형태에 있어서, 상술한 바와 같이, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체(20)를 포함하는 새로운 디지털 압축기 조립체(22)는 종래 기술의 압축기 조립체에 의해 달성되었던 것보다 훨씬 높은 계절 에너지 효율등급(seasonal efficiency energy rating)을 보였다.

이와 같은 개시를 검토할 때 당해 분야에서 통상의 숙련자라면 바로 알 수 있는 바와 같이, 압축기 조립체(22)의 상술한 일반적인 구성부재에 대한 이러한 어떠한 변경도 특허청구범위에 의해서만 규정되는 본 발명의 범위에 영향을 미치는 것은 아니다.

상술한 본 발명의 바람직한 형태들은 본 발명의 범위를 해석할 때 제한된 의미로 활용되어서는 아니 된다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 당해 분야의 숙련자라면, 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않고 대표적인 실시형태에 대한 자명한 변경을 바로 이룰 수 있다.

본 발명자는 본 명세서에 의해, 균등론에 의존하여 다음의 특허청구범위에서 설명하고 있는 발명의 문언적 범위로부터 벗어나는 것이 아니라 그 문언적 범위를 제외한 어떠한 장치에도 관련되는 것처럼 본 발명의 적정 범위를 결정하여 접근하기 위한 의도를 명시하고 있다.

Claims (20)

1. 축을 중심으로 회전 가능한 로터 조립체; 및
   상기 로터 조립체로부터 반경방향으로 간격을 둔 스테이터 조립체를 포함하고,
   상기 로터 조립체는 로터 코어체 및 로터 코어체 상에 장착된 복수의 영구자석을 포함하고,
   상기 영구자석은 상기 로터 코어체를 따라 거의 축방향으로 뻗어 있고,
   상기 스테이터 조립체는 복수의 원주상으로 간격을 둔 축방향 슬롯을 갖고 상기 로터 조립체를 수용하기 위한 중앙 보어(central bore)를 형성하는 스테이터 코어체를 포함하고,
   상기 스테이터 조립체는 스테이터 코어체의 축방향 슬롯들 중 다수의 슬롯 내부에 수용되며, 일반적으로 그 다수의 슬롯을 따라 배열되어 있는 전도성 권선코일(winding coil)을 더 포함하며,
   상기 권선코일은 알루미늄으로 구성되어 있는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석은 상기 로터 코어체 내부에 수용되어 있고,
   상기 로터 코어체는 복수의 축방향으로 적층된 로터 적층체(lamination)를 포함하며,
   상기 로터 적층체의 적어도 하나는 상기 복수의 영구자석을 제위치에 유지하도록 상기 복수의 영구자석과 접촉하여 배치되어 있는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 영구자석은 상기 축에 거의 평행하게 배치되어 있는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 영구자석은 상기 로터 코어체의 반경방향의 외주변에 실질적으로 인접하여 배치되어 있는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 로터 조립체는 적어도 일부를 협동관계로 형성하도록 상기 로터 코어체의 반경방향의 외주변에 인접하여 배치된 복수의 원주상으로 간격을 둔 축방향 바아(axial bar)를 더 포함하는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 로터 조립체는 4개의 실질적으로 동등한 크기의 영구자석을 포함하고,
   상기 영구자석은 2쌍으로 배열되어 있고, 영구자석의 쌍들 각각은 상기 축에 대하여 영구자석의 쌍들의 다른 쌍과 대칭인, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
7. 제6항에 있어서,
   상기 모터 조립체는 적어도 약 90%의 효율을 갖는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
8. 제7항에 있어서,
   상기 모터 조립체는 적어도 94%의 효율을 갖는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
9. 제1항에 있어서,
   상기 모터 조립체는 3상(three-phase) 모터를 형성하는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
10. 제1항에 있어서,
    상기 모터 조립체는 밀폐형 압축기 내에 배치되어, 상기 로터 조립체와 상기 스테이터 조립체가 외부 환경으로부터 기밀 실링(hermetically sealing)되도록 압축기 케이스 내에 수용되어 있는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
11. 제1항에 있어서,
    상기 권선코일은 본질적으로 전부 알루미늄으로 이루어진, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
12. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석은 네오듐을 포함하는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
13. 축을 중심으로 회전 가능한 로터와 로터로부터 반경방향으로 간격을 둔 스테이터를 포함하는 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체로서, 상기 스테이터는 권선코일을 수용하기 위해 복수의 원주상으로 간격을 둔 축방향 슬롯을 갖고 로터를 수용하기 위한 중앙 보어를 형성하고, 이 구조는 상기 로터 내에 배치되는 복수의 영구자석을 알루미늄으로 구성되는 스테이터의 권선코일과의 결합으로 구성되고,
    상기 영구자석은 상기 축에 거의 평행하게 배치되도록 상기 로터를 따라 거의 축방향으로 뻗어 있으며,
    상기 알루미늄 권선코일은 상기 스테이터 코어체의 축방향 슬롯들 중 다수의 슬롯 내부에 수용되며 일반적으로 그 다수의 슬롯을 따라 배열되어 있는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
14. 제13항에 있어서,
    상기 영구자석은 네오듐을 포함하고,
    상기 권선코일은 본질적으로 전부 알루미늄으로 이루어진, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
15. 제14항에 있어서,
    상기 모터 조립체는 적어도 약 90%의 효율을 갖는, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
16. 제15항에 있어서,
    상기 로터는 4개의 실질적으로 동등한 크기의 영구자석을 포함하며,
    상기 영구자석은 2쌍으로 배열되어 있고, 영구자석의 쌍들 각각은 상기 축에 대하여 영구자석의 쌍들의 다른 쌍과 대칭인, 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터 조립체.
17. 낮은 증분 비용으로 증가된 모터 효율을 제공하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 로터 내에, 로터를 따라 거의 축방향으로 뻗는 영구자석을 설치하는 단계,
    (b) 스테이터의 복수의 원주상으로 간격을 둔 축방향 슬롯 내에 수용하기 위한 권선코일을 알루미늄으로 형성하는 단계,
    (c) 알루미늄 권선 직립 기동형 브러쉬리스 영구자석 모터를 형성하기 위해 스테이터의 중앙 보어 내에 로터를 배치하는 단계를 포함하며, 상기 모터는 적어도 약 90%의 효율을 갖는, 모터 효율 제공 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 로터 내에 4개의 실질적으로 동등한 크기의 영구자석을 구비하는 단계를 포함하며,
    상기 영구자석은 2쌍으로 배열되어 있고, 영구자석의 쌍들 각각은 상기 축에 대하여 영구자석의 쌍들의 다른 쌍과 대칭인, 모터 효율 제공 방법.
19. 제17항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 권선코일을 본질적으로 전부 알루미늄으로 형성하는 단계를 포함하는, 모터 효율 제공 방법.
20. 제17항에 있어서,
    (d) 모터가 압축기 케이스 내에 수용되어 외부 환경으로부터 기밀 실링되도록 상기 모터를 밀폐형 압축기 내에 통합하는 단계를 더 포함하는, 모터 효율 제공 방법.

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