KR20150067898A

KR20150067898A - 전동식압축기 구동부의 구조

Info

Publication number: KR20150067898A
Application number: KR1020130153291A
Authority: KR
Inventors: 이건호; 권윤기; 이제희; 장세훈; 이재광
Original assignee: 학교법인 두원학원; 주식회사 두원전자
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-06-19
Also published as: KR102147338B1

Abstract

본 발명은, 냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징의 내부에 환형으로 배치된 고정자와, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 위치하고 중심부에 구동축이 결합된 회전자를 포함하는 전동식압축기 구동부의 구조에 있어서, 상기 고정자는, 호형상으로 일측면이 상기 회전자와 대면하는 슈(Shoe)와, 상기 슈의 타측면으로부터 반경 방향으로 일체로 연장되고 코일이 권선되는 치(Teeth)와, 내주면은 상기 치의 외측에 일체로 형성되고 외주면은 상기 하우징의 내주면과 대면하는 헤드부를 포함하며, 상기 슈는, 상기 회전자와 대면하는 일측면의 중앙부와, 양측부가 서로 다른 곡률반경을 갖는 전동식압축기 구동부의 구조를 제공한다.
따라서 코깅토크 저감으로 구동 소음 및 초기 기동 소음을 줄일 수 있으며, 토크 리플(Torque Ripple) 저감으로 제어가 용이하도록 할 수 있을 뿐만 아니라 구동 시 사용되어지는 전압을 감소시킬 수 있고, Bemf 정현파 설계로 인한 모터 제어성을 향상시킬 수 있다.

Description

전동식압축기 구동부의 구조 {Structure of motor in electromotive compressor}

본 발명은 전동식압축기 구동부의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 공기조화시스템에 적용되는 전동식압축기 구동부의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 전동식압축기의 구동부는, 전동식압축기의 회전력을 발생시키는 부분으로서, 전동식압축기 하우징의 내부에 위치하고 코일이 권선되며 환형으로 형성된 고정자와, 상기 고정자의 내측에 위치하고 영구자석을 구비하는 회전자를 포함하며, 상기 회전자의 중심부에는 상기 회전자와 일체로 연동되면서 회전하는 구동축이 축결합되어 있다. 이러한 전동식압축기 구동부에 대한 기술의 예로 대한민국공개특허 제10-2011-012680호의 전동식스크롤압축기 구동부의 구조가 개시된 바 있다.

한편, 상기한 종래의 전동식압축기의 구동부는 IPM타입의 릴럭턴스 토크를 사용하는 모터로서 코깅토크를 가지고 있으며, 상기 코깅토크는 모터의 비균일 토크로서 자기에너지가 최소인 평형상태로 이동하려는 반경방향의 힘으로서, 고정자가 슬롯(Slot)과 회전자의 자극의 상호작용에 의해 발생한다.

그런데, 상기한 종래의 전동식압축기는 상기한 코깅토크로 인하여, 구동 시 코깅 주파수로 인한 소음 및 진동이 발생되며, 또한 센서리스 구동 시 모터 얼라인(Aline)을 하면서 압축기 소음의 원인이 될 뿐만 아니라, Bemf파형에 고조파 성분으로 인하여 모터 제어 오차가 나타나면서 이 또한 소음을 발생시키는 문제점이 있다.

본 발명은, 코깅토크를 저감하여 소음을 줄일 수 있는 전동식압축기 구동부의 구조를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징의 내부에 환형으로 배치된 고정자와, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 위치하고 중심부에 구동축이 결합된 회전자를 포함하는 전동식압축기 구동부의 구조에 있어서, 상기 고정자는, 호형상으로 일측면이 상기 회전자와 대면하는 슈(Shoe)와, 상기 슈의 타측면으로부터 반경 방향으로 일체로 연장되고 코일이 권선되는 치(Teeth)와, 내주면은 상기 치의 외측에 일체로 형성되고 외주면은 상기 하우징의 내주면과 대면하는 헤드부를 포함하며, 상기 슈는, 상기 회전자와 대면하는 일측면의 중앙부와, 양측부가 서로 다른 곡률반경을 갖는 전동식압축기 구동부의 구조를 제공한다.

여기서, 상기 슈는, 상기 중앙부의 곡률반경보다 상기 양측부의 곡률반경보다 크게 형성되어, 상기 회전자와의 공극이 상기 중앙부에서 상기 양측부로 갈수록 점진적으로 커지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 전동식압축기의 구동부는 차량용 공기조화시스템에 적용되는 전동식스크롤압축기의 구동부로 적용할 수 있으며, 상기 전동식압축기의 구동부는, IPM타입(Interior permanent magnet type)로 할 수 있다.

나아가, 상기 회전자의 반경의 크기는, 23mm 초과 28mm 미만의 범위이고, 상기 회전자와 상기 슈와의 이격거리인 공극은 0.4mm 이상 내지 0.6mm 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 슈는, 상기 회전자와 대면하는 일측면의 중앙부에 위치하고 제1곡률반경을 갖는 제1면과, 상기 제1면의 양측으로 연장되어 상기 일측면의 양측부에 위치하고 제2곡률반경을 갖는 제2면을 포함하고, 상기 제1곡률반경을 갖는 제1가상원은 수학식1을 만족할 수 있다.

수학식 1

L < SR < 1.5L (L = R + AG)

여기서, 상기 L은 상기 회전자의 중심(O)으로부터 상기 제1가상원 중 최단거리의 임의의 점을 a로부터의 거리를 의미하고, 상기 SR은 상기 제1가상원의 반지름을 의미하고, 상기 R은 상기 회전자의 반지름을 의미하고, 상기 AG는 상기 회전자와 상기 슈와의 이격거리인 공극을 의미한다.

또한, 상기 제2곡률반경을 갖는 제2가상원은 수학식2를 만족할 수 있다.

수학식 2

1.5L < BR < 2L

여기서, 상기 L은 상기 회전자의 중심(O)으로부터 상기 제1가상원 중 최단거리의 임의의 점을 a로부터의 거리를 의미하고, 상기 BR은 상기 제2가상원의 반지름을 의미한다.

또한, 상기 제1곡률반경을 갖는 제1가상원과 상기 제2곡률반경을 갖는 제2가상원은 수학식3을 만족할 수 있다.

수학식 3

L' = L - 0.1

여기서, 상기 L은 고정자의 중심으로부터 상기 제1가상원과 상기 제1면이 만나는 임의의 제1점(a)까지의 거리를 의미하고, 상기 L'는 상기 고정자의 중심으로부터 상기 제1점에서 상기 회전자의 중심을 지나는 가상선 상에서 상기 제2가상원과 만나는 제2점(a')까지의 거리를 의미한다.

본 발명에 따른 전동식압축기 구동부의 구조는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 코깅토크 저감으로 구동 소음을 줄일 수 있다.

둘째, 코깅토크 저감으로 인한 초기 기동 소음을 줄일 수 있다.

셋째, 토크 리플(Torque Ripple) 저감으로 제어가 용이하도록 할 수 있다.

넷째, 구동 시 사용되어지는 전압을 감소시킬 수 있다.

다섯째, Bemf 정현파 설계로 인한 모터 제어성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식압축기 구동부를 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 슈의 구조를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 전동식압축기 구동부에 의한 5고조파 및 Bemf파형을 나타내는 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전동식압축기 구동부의 구조는, 냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징(미도시)의 내부에 환형으로 배치된 고정자(100)와, 상기 고정자(100)의 내측에 회전가능하게 위치하고 중심부에 구동축이 결합된 회전자(200)를 포함한다.

여기서, 상기 고정자(100)는, 호형상으로 일측면이 상기 회전자(200)와 대면하는 슈(110;Shoe)와, 상기 슈(110)의 타측면으로부터 반경 방향으로 일체로 연장되고 코일이 권선되는 치(120;Teeth)와, 내주면은 상기 치(120)의 외측에 일체로 형성되고 외주면은 상기 하우징의 내주면과 대면하는 헤드부(130)를 포함한다.

여기서, 상기한 고정자(100)와 회전자(200)는 공지의 전동식압축기의 고정자와 회전자의 구성과 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 이와 대별되는 구성을 중점적으로 살펴보기로 한다.

우선, 상기 전동식압축기 구동부는, 코깅토크 및 토크리플을 저감할 수 있는 최적의 구조를 갖고 있으며, 이에 대하여 살펴보면 상기 고정자(100)에서 상기 슈(110)는, 상기 회전자(200)와 대면하는 일측면의 중앙부와, 양측부가 서로 다른 곡률반경을 갖는 구조로 되어 있다.

도 2를 참조하면, 상기 슈(110)는, 상기 중앙부의 곡률반경보다 상기 양측부의 곡률반경보다 크게 형성되어, 상기 회전자(200)와의 공극이 상기 중앙부에서 상기 양측부로 갈수록 점진적으로 커지는 구조로 되어 있다.

즉, 상기 전동식압축기 구동부는, 고정자(100)의 슈(110)의 형상을 상기한 바와 같이 회전자(200)와 고정자(100)간의 공극을 증가시켜 자기에너지의 변화를 최소화함으로써 코깅토크를 저감할 수 있으며, 이와 같이 코깅토크를 저감함에 따라, 토크 리플(Torque ripple) 저감으로 제어가 용이하고, 부하 해석 시 사용하는 전압을 줄일 수 있으며, 코깅에 의한 주파수 성부 크기가 작아져서 소음 및 진동을 저감시킬 수 있고, 초기 기동 소음을 완화시킬 수 있다.

이하에서는, 상기한 코깅토크 저감을 위한 상기 슈(110)의 구성에 대하여 도 3을 참조로 하여 상세히 살펴보기로 한다.

도면을 참조하면, 상기 전동식압축기 구동부는 치집중권의 고정자(스테이터; Stator;100)와 IPM 타입의 회전자(로터;Rotor,200)로 구성되고, 상기 회전자(200)와 상기 슈(110)와의 이격거리인 공극(AG)를 가지며, 상기 고정자(100)의 슈(110) 내접면은 곡률반경이 다른 2개의 제1가상원(W) 및 제2가상원(W')으로 이루어져 있다.

상세하게, 상기 슈(110)는 상기 회전자(200)와 대면하는 일측면에서 중앙부에 위치하는 제1면(111)과, 상기 제1면(111)의 양측으로 연장되어 상기 일측면에서 양측부에 위치하는 제2면(112)을 포함하고 있다.

여기서, 상기 제1면(111)은 제1곡률반경을 가지고 있으며, 상기 제2면(112)은 제2곡률반경을 각각 갖고 있으며, 이때의 상기 제1곡률반경은 상기 제2곡률반경보다 작게 형성되어 있다.

한편, 상기 공극(AG)은, 0.4mm 내지 0.6mm 의 범위를 가지며, 상기 회전자(200)의 반지름(R)은 그 크기가 23mm 초과 28mm 미만의 범위를 갖고 있다.

또한, 상기 전동식압축기 구동부는 고정자(100)의 원점(O)으로부터 고정자(100) 1슬롯(Slot) 내접원 중 최단거리의 임의의 점을 a라 하고, 원점(O)으로부터 a점까지의 길이를 L이라 한다. 이에, 상기 L은 회전자(200)의 반지름(R)과 공극(AG)의 합(L = R + AG)이 된다.

또한, 상기 제1곡률반경을 갖는 제1가상원(W)은 a를 포함하여 임의의 점 b 및 c를 지나가는 원으로서, 이때 b, c는 L을 기준으로 대칭되는 구조로 되어 있다.

그리고, 상기 제1가상원(W)의 원점을 n이라 하며, 원점 n은 상기 제1가상원의 반지름(SR) 크기에 따라 변동한다.

이때, 상기 제1가상원의 반지름을 SR이라고 하면 상기 SR의 범위는 하기의 수학식 1을 만족한다.

수학식 1

L < SR < 1.5L

여기서, 상기 L은 상기 고정자(100)의 중심(O)으로부터 상기 제1가상원(W) 중 최단거리의 임의의 점을 a로부터의 거리를 의미하고, 상기 SR은 상기 제1가상원의 반지름을 의미하고, 상기 R은 상기 회전자(200)의 반지름을 의미하고, 상기 AG는 상기 회전자(200)와 상기 슈(110)와의 이격거리인 공극을 의미한다.

또한, 상기 a점에서 원점 O방향으로 L선상의 임의점을 a'라 하고, 원점 O로부터 a'의 길이 즉, 상기 회전자(200)의 중심으로부터 상기 제1점에서 상기 회전자(200)의 중심을 지나는 가상선 상에서 상기 제2가상원과 만나는 a'까지의 거리는 L'라 한다. 이때, 상기 제1곡률반경을 갖는 제1가상원과 상기 제2곡률반경을 갖는 제2가상원은 수학식2를 만족한다.

수학식 2

L' = L - 0.1

여기서, 상기 L은 고정자(100)의 중심으로부터 상기 제1가상원과 상기 제1면(111)이 만나는 임의의 점(a)까지의 거리를 의미하고, 상기 L'는 상기 고정자(100)의 중심으로부터 상기 점(a)에서 상기 회전자(200)의 중심을 지나는 가상선 상에서 상기 제2가상원과 만나는 점(a')까지의 거리를 의미한다.

한편, 도면에서 원 W'는 a'를 포함해 임의의 점 b', c'를 지나는 제2가상원이며, 이때 b', c'는 L'를 기준으로 대칭되는 구조로 되어 있다. 그리고 도면에서 t는 상기 L-L'를 의미한다.

나아가, 상기 제2가상원(W')의 원점을 n'라 하며, 원점 n'는 제2가상원의 크기에 따라 변동한다. 이때, 상기 제2가상원의 반지름을 BR이라 하면, 상기 제2곡률반경을 갖는 제2가상원은 수학식2를 만족한다.

수학식 3

1.5L < BR < 2L

여기서, 상기 L은 상기 회전자(200)의 중심(O)으로부터 상기 제1가상원 중 최단거리의 임의의 점인 a로부터의 거리를 의미하고, 상기 BR은 상기 제2가상원의 반지름을 의미한다.

도 4 및 도 5와 표 1은 상기한 SR의 범위와, BR의 범위에 따른 특성을 나타내는 그래프이다. 도면을 참조하면, 우선 SR의 범위는 L < SR < 1.5L로 하고 0.25L씩 증가하였으며, BR의 범위는 1.5L < BR < 2.0L로 하여 0.25L씩 증가하여 그 특성을 파악하였으며, 이때 파악할 특성으로 코깅(Cogging), Bemf값 및 5고조파 값(Bemf 파형의 정현파형 비교)으로 하고 있다.

이를 살펴보면, 표 1과 도면에 나타난 바와 같이, 코깅의 경우 전 범위에 걸쳐 작거나 동등하였으며, Bemf는 기본모델이 가장 컸으며, 5_고저파 값은 SR이 1L이상 시 5고조파는 작아지고, SR, BR 값이 커지면 작아지다가 커지는 것을 확인할 수 있으며, 상기한 SR과 BR의 범위가 최적임을 확인할 수 있다.

표 1

한편, 상기 전동식압축기의 구동부는 차량용 공기조화시스템에 적용되는 전동식스크롤압축기의 구동부로 적용될 수 있다. 여기서, 상기 전동식스크롤압축기는 선회스크롤과 고정스크롤를 포함하는 스크롤압축부를 포함하는 공지의 전동식스크롤압축기로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

아울러, 상기 상기 전동식압축기의 구동부는, 상기 회전자(200)의 내부에 복수개의 영구자석이 삽입되는 IPM타입(Interior permanent magnet type)으로 적용되는 것이 바람직하지만, 이는 바람직한 실시예로 그 외 다른 타입의 모터로도 적용 가능함은 물론이다.

상기한 바와 같이, 상기 전동식압축기 구동부는, 상기 고정자(100)의 슈(110)의 형상을 회전자와의 공극을 증가시킬 수 있는 서로 다른 곡률반경을 갖는 제1면(111)과 제2면(112)으로 형성하여, 코깅토크를 저감시킴으로써 초기 기동 소음 및 구동 소음을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 토크리플 저감으로 제어를 용이하게 하고 구동 시 사용되어지는 전압을 줄일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100... 고정자 110... 슈
111... 제1면 112... 제2면
120... 치 130... 헤드부
200... 회전자

Claims

냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징의 내부에 환형으로 배치된 고정자와, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 위치하고 중심부에 구동축이 결합된 회전자를 포함하는 전동식압축기 구동부의 구조에 있어서,
상기 고정자는, 호형상으로 일측면이 상기 회전자와 대면하는 슈(Shoe)와, 상기 슈의 타측면으로부터 반경 방향으로 일체로 연장되고 코일이 권선되는 치(Teeth)와, 내주면은 상기 치의 외측에 일체로 형성되고 외주면은 상기 하우징의 내주면과 대면하는 헤드부를 포함하며,
상기 슈는,
상기 회전자와 대면하는 일측면의 중앙부와, 양측부가 서로 다른 곡률반경을 갖는 전동식압축기 구동부의 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 슈는,
상기 중앙부의 곡률반경보다 상기 양측부의 곡률반경보다 크게 형성되어,
상기 회전자와의 공극이 상기 중앙부에서 상기 양측부로 갈수록 점진적으로 커지는 전동식압축기 구동부의 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 전동식압축기의 구동부는 차량용 공기조화시스템에 적용되는 전동식스크롤압축기의 구동부인 전동식압축기 구동부의 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 전동식압축기의 구동부는,
IPM타입(Interior permanent magnet type)인 전동식압축기 구동부의 구조.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전자의 반경의 크기는, 23mm 초과 28mm 미만의 범위이고,
상기 회전자와 상기 슈와의 이격거리인 공극은 0.4mm 이상 내지 0.6mm 이하의 범위인 전동식압축기 구동부의 구조.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슈는, 상기 회전자와 대면하는 일측면의 중앙부에 위치하고 제1곡률반경을 갖는 제1면과, 상기 제1면의 양측으로 연장되어 상기 일측면의 양측부에 위치하고 제2곡률반경을 갖는 제2면을 포함하고,
상기 제1곡률반경을 갖는 제1가상원은 수학식1을 만족하는 전동식압축기 구동부의 구조.
수학식 1
L < SR < 1.5L (L = R + AG)
여기서, 상기 L은 상기 회전자의 중심(O)으로부터 상기 제1가상원 중 최단거리의 임의의 점인 a로부터의 거리를 의미하고, 상기 SR은 상기 제1가상원의 반지름을 의미하고, 상기 R은 상기 회전자의 반지름을 의미하고, 상기 AG는 상기 회전자와 상기 슈와의 이격거리인 공극을 의미한다.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슈는, 상기 회전자와 대면하는 일측면의 중앙부에 위치하고 제1곡률반경을 갖는 제1면과, 상기 제1면의 양측으로 연장되어 상기 일측면의 양측부에 위치하고 제2곡률반경을 갖는 제2면을 포함하고,
상기 제1곡률반경을 갖는 제1가상원과 상기 제2곡률반경을 갖는 제2가상원은 수학식2를 만족하는 전동식압축기 구동부의 구조.
수학식 2
L' = L - 0.1
여기서, 상기 L은 고정자의 중심으로부터 상기 제1가상원과 상기 제1면이 만나는 임의의 점(a)까지의 거리를 의미하고, 상기 L'는 상기 고정자의 중심으로부터 상기 점(a)에서 상기 회전자의 중심을 지나는 가상선 상에서 상기 제2가상원과 만나는 점(a')까지의 거리를 의미한다.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슈는, 상기 회전자와 대면하는 일측면의 중앙부에 위치하고 제1곡률반경을 갖는 제1면과, 상기 제1면의 양측으로 연장되어 상기 일측면의 양측부에 위치하고 제2곡률반경을 갖는 제2면을 포함하고,
상기 제2곡률반경을 갖는 제2가상원은 수학식3을 만족하는 전동식압축기 구동부의 구조.
수학식 3
1.5L < BR < 2L
여기서, 상기 L은 상기 회전자의 중심(O)으로부터 상기 제1가상원 중 최단거리의 임의의 점인 a로부터의 거리를 의미하고, 상기 BR은 상기 제2가상원의 반지름을 의미한다.