KR20180088121A

KR20180088121A - 가동코어형 왕복동 모터 및 이를 구비한 압축기

Info

Publication number: KR20180088121A
Application number: KR1020170012794A
Authority: KR
Inventors: 정상섭; 이수석; 김재범
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2018-08-03
Also published as: US20180212503A1; KR102692158B1; EP3355454A1; US10971982B2; CN210246582U; WO2018139800A1; EP3355454B1

Abstract

본 발명은 가동코어형 왕복동 모터에 관한 것이다.
본 발명의 가동코어형 왕복동 모터는, 내측 고정자와, 일측이 상기 내측 고정자의 일측과 연결되고 타측이 상기 내측 고정자의 타측과 공극을 형성하도록 상기 내측 고정자의 반경 방향 외측에 배치되는 외측 고정자를 포함하는 고정자; 상기 내측 고정자와 외측 고정자 사이에 권취되는 코일;상기 내측 고정자 또는 외측 고정자 중 어느 하나에 고정되는 마그네트; 및 상기 공극에서 상기 마그네트와 마주보도록 배치되어 상기 고정자에 대해 왕복 운동을 하는 가동 코어를 구비하는 가동자를 포함하고, 상기 마그네트는, 상기 가동자의 왕복 운동 방향으로 배열되는 서로 다른 극인 제1극부 및 제2극부를 포함하고, 상기 제1극부의 길이는 제2극부의 길이 보다 길게 형성된다.

Description

가동코어형 왕복동 모터 및 이를 구비한 압축기{moving core type recyprocating motor and compressor having the same}

본 발명은 가동코어형 왕복동 모터 및 이를 구비한 압축기에 관한 것이다.

모터(Motor)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 회전력 또는 왕복동력을 얻는 장치로서, 이러한 모터는 인가되는 전원에 따라서 교류 모터와 직류 모터로 구분될 수 있다.

모터는 고정자(Stator)와 가동자(Mover 또는 Rotor)를 포함하며, 고정자에 구비되는 권선(Coil)에 전류가 흐를 때 발생하는 자속(Flux)의 방향에 따라 마그네트(Magnet)가 구비된 가동자가 회전 운동을 하거나 또는 왕복 운동을 하게 된다.

모터는 가동자의 운동 양태에 따라 회전 모터 또는 왕복동 모터로 구분될 수 있다. 회전 모터는 코일에 인가되는 전원에 의해 고정자에 자속이 형성되고 이 자속에 의해 가동자가 고정자에 대해 회전운동을 한다. 반면, 왕복동 모터는 가동자가 고정자에 대해 직선으로 왕복 운동한다.

최근에는 고정자가 내측 고정자(Inner stator)와 외측 고정자(Outer stator)를 갖는 원통형으로 형성되고, 내측 고정자와 외측 고정자 중 어느 한쪽에 유도자기를 발생하기 위한 코일이 권취되는 압축기용 왕복동 모터가 소개되고 있다.

또한, 상기 압축기용 왕복동 모터의 경우, 자극(Magnet pole)이 고정자의 축방향을 따라 배열된 마그네트(Magnet)가 가동자에 구비되어 그 가동자가 내측 고정자와 외측고정자 사이의 공극(Air gap)에서 왕복운동을 한다.

이러한 압축기용 왕복동 모터는 대한민국 등록특허 제10-0492612호(이하, 선행기술 1) 및 대한민국 등록특허 제10-0539813호(이하, 선행기술 2) 등에 개시되어 있다.

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

상기와 같은 왕복동 모터는 가동자가 안정적으로 왕복 운동을 할 수 있도록 그 가동자의 왕복방향 양쪽에 각각 압축코일 스프링으로 된 기계적 공진 스프링이 구비되어 있다.

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

그러나, 종래의 왕복동 모터는, 가동자가 압축코일 스프링에 의해서 지지되나, 압축코일 스프링은 특성상 발생하는 자체 공진 때문에 일정 구간의 운전주파수 안에서도 특정 구간은 운전주파수로 사용하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 왕복동 모터는, 압축코일 스프링이 가동자를 지지함에 따라서, 그 압축코일스프링의 특성상 기계적 응력 한계 및 진동 거리 등의 제약이 발생하게 된다. 이로 인해 공진 스프링은 일정한 선경과 길이 등을 확보해야 하므로 왕복동 모터의 횡방향 길이를 축소시키는데 한계가 있었다.

또한, 종래의 왕복동 모터는, 마그네트를 지지하는 마그네트 프레임의 두께가 커서 전체 가동자의 무게가 증가하고 이로 인해 전력소모량이 증가하는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은, 운전 주파수 내에서 모든 공진 주파수를 사용할 수 있는 가동코어형 왕복동 모터 및 이를 구비하는 압축기를 제안한다.

본 발명의 다른 목적은, 가동자의 운전 스트로크가 증가되는 가동코어형 왕복동 모터 및 이를 구비하는 압축기를 제안한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 자기적 스프링의 강성이 증가되는 가동코어형 왕복동 모터 및 이를 구비하는 압축기를 제안한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 가동자의 무게가 감소되어 고속 운전이 가능한 왕복동 모터 및 이를 구비하는 압축기를 제안한다.

본 발명의 왕복동 모터는, 고정자가 형성하는 영역 내에 가동자를 위치시키되, 상기 가동자를 자기적 공진 스프링으로 공진시킴으로써, 운전 주파수 내에서 사용 주파수가 제한되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 왕복동 모터는, 마그네트가 제1극부 및 제2극부를 포함하되, 압축 공간에 가깝게 배치되는 제1극부의 길이를 제2극부의 길이 보다 길게 형성함으로써, 가동자의 운전 스트로크가 증가될 수 있다.

또한 본 발명의 왕복동 모터에서, 가동자의 길이가 증가되도록 가동자에 테이퍼부를 형성함으로써, 가동자의 운전 스트로크가 증가될 수 있다.

또한, 본 발명의 왕복동 모터에서, 가동자의 제1면은 마그네트와 제1공극 만큼 이격되고, 가동자의 제1면과 반대면인 제2면이 상기 내측 고정자 및 상기 외측 고정자 중 어느 하나의 일면과 제2공극 만큼 이격된다. 이때, 상기 제2공극을 상기 제1공극 보다 크게 형성함에 따라, 자기적 스프링의 강성을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 왕복동 모터에서, 마그네트를 고정자에 설치함으로써, 가동자의 무게를 감소시킬 수 있어, 고속 운전이 가능하다.

제안되는 발명에 의하면, 고정자가 형성하는 영역 내에 가동자를 위치시키되, 상기 가동자를 자기적 공진 스프링으로 공진시킴으로써, 운전 주파수 내에서 사용 주파수가 제한되는 것이 방지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 제1극부의 길이를 제2극부의 길이 보다 길게 형성함으로써, 가동자가 하사점을 향하여 밀리는 거리가 줄어들어, 가동자의 운전 스트로크를 증사킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 가동자의 길이가 증가되어, 가동자의 운전 스트로크가 증가될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 가동자의 제1면은 마그네트와 제1공극 만큼 이격되고, 가동자의 제2면이 상기 내측 고정자 및 상기 외측 고정자 중 어느 하나의 일면과 제2공극 만큼 이격되되, 상기 제2공극은 상기 제1공극 보다 크게 형성됨에 따라 자기적 스프링의 강성이 증가될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 마그네트가 고정자에 설치됨에 따라, 가동자의 무게를 감소시킬 수 있어, 고속 운전이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 구비한 압축기의 종단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도.
도 3는 도 2에서 고정자와 가동자의 일부를 발췌하여 보인 단면도.
도 4는 본 발명의 일부 구성요소인 고정자를 구성하는 코어 블럭을 발췌하여 보인 사시도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동코어형 왕복동 모터의 동작을 설명하기 위해 보인 개략도.
도 7은 냉매 압축 과정에서 가동 코어의 스트로크 범위를 보여주는 도면.
도 8은 대칭 형태의 마그네트와 비대칭 형태의 마그네트의 운전 스트로크를 보여주는 도면.
도 9는 가동자와 고정자 간의 공극의 길이에 따른 모터 스프링 강성을 보여주는 그래프.
도 10은 가동자와 고정자 간의 공극의 길이에 따른 모터 알파값을 보여주는 그래프.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도.
도 13은 가동 코어의 형태에 따른 운전 스트로크를 보여주는 도면.
도 14 및 도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 구비한 왕복동식 압축기의 종단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도이고, 도 3는 도 2에서 고정자와 가동자의 일부를 발췌하여 보인 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일부 구성요소인 고정자를 구성하는 코어 블럭을 발췌하여 보인 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 외형을 형성하며 내부 공간을 갖는 케이스(10)를 포함할 수 있다.

상기 왕복동식 압축기는, 상기 케이스(10)의 내부 공간에 배치되고, 가동 코어(400)가 왕복 운동을 하는 왕복동 모터(90)를 더 포함할 수 있다.

상기 왕복동식 압축기는, 상기 왕복동 모터(90)의 가동자(400, 402)에 연결되어 상기 가동자(400, 402)와 함께 왕복 운동하는 피스톤(40)과, 상기 피스톤(40)이 삽입되어 압축 공간(31)을 형성하는 실린더(30)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 왕복동식 압축기는, 압축 공간(31)의 흡입 측을 개폐하는 흡입 밸브(41)와 및 상기 압축 공간(31)의 토출측을 개폐하는 토출 밸브(32)를 더 포함할 수 있다.

그리고, 밀폐된 케이스(10)의 내부 공간에 흡입관(11)이 연결되고, 흡입관(11)의 일측에는 상기 실린더(30)의 압축 공간(31)에서 압축되는 냉매가 토출되는 토출관(12)이 연결된다.

이로써, 상기 케이스(10)의 내부 공간은 흡입되는 냉매가 채워져 흡입압을 형성하고, 상기 압축 공간(31)에서 토출되는 냉매는 상기 토출관(12)을 통해 상기 케이스(10)의 외부로 배출될 수 있다.

또한, 상기 케이스(10)의 내부 공간에는 프레임(20)이 설치되고, 상기 프레임(20)의 일측면에는 왕복력을 발생시키는 동시에 상기 피스톤(40)의 공진 운동을 유도하는 왕복동 모터(90)가 고정 결합된다.

상기 왕복동 모터(90)의 내측에는 상기 실린더(30)가 결합되고, 상기 실린더(30)에는 상기 압축 공간(31)의 체적을 가변시켜 냉매를 압축하기 위한 상기 피스톤(40)이 결합된다.

상기 프레임(20)에는 토출 커버(50)가 결합될 수 있다. 상기 토출 커버(50) 내에는 상기 토출 밸브(32)가 수용되고, 상기 토출 밸브(32)는 밸브 스프링(33)에 지지된다.

상기 토출 밸브(32)는 상기 밸브 스프링(33)에 지지된 상태에서 상기 압축 공간(31)을 개폐할 수 있다.

상기 토출 커버(50)에는 토출 공간(51)이 구비된다. 상기 토출 공간(51)으로 배출된 냉매 가스 중 일부는 상기 실린더(30)와 상기 피스톤(40) 사이 공간으로 공급될 수 있다.

이를 위하여, 상기 프레임(20)에는 가스 연통로(미도시)가 형성되고, 상기 실린더(30)에는 상기 가스 연통로를 지난 냉매 가스가 통과하는 복수의 가스 홀(미도시)이 형성될 수 있다.

상기 왕복동 모터(90)는, 고정자(100)와, 상기 고정자(100)에 설치되는 마그네트(300)와, 상기 고정자(100)에 대해서 이동하는 가동자(400, 402)를 포함할 수 있다.

상기 가동자(400, 402)는, 상기 피스톤(40)과 연결되는 연결부(402)와, 상기 연결부(402)에 설치되는 가동 코어(400)를 포함할 수 있다.

따라서, 상기 가동 코어(400)가 상기 고정자(100) 및 상기 마그네트(300)에 대해 왕복 운동을 하게 되면 상기 실린더(30)에 삽입된 상기 피스톤(40)이 상기 가동 코어(400)와 함께 왕복 운동을 하게 된다.

이하에서는 상기 왕복동 모터(90)에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.

상기 고정자(100)는, 내측 고정자(110)와, 외측 고정자(120)를 포함할 수 있다.

상기 외측 고정자(120)는, 일측이 상기 내측 고정자(110)와 연결되고 타측이 상기 내측 고정자(110)의 타측과 공극(130)을 형성하도록 상기 내측 고정자(110)의 반경 방향 외측에 이격되어 배치될 수 있다.

이때, 상기 내측 고정자(110)와 외측 고정자(120)는 자성체 또는 전도체 재질로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서, 내측 코어 블럭(110a)을 방사상으로 적층하여 상기 내측 고정자(110)를 형성할 수 있다. 또한, 외측 코어 블럭(120a)을 방사상으로 적층하여 상기 외측 고정자(120)를 형성할 수 있다.

이때, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 내측 코어 블럭(110a) 및 외측 코어 블럭(120a)은 일측이 서로 연결되고 타측이 이격되어 공극(130a)을 형성하는 얇은 판 형태로 형성될 수 있다.

상기와 같이 내측 코어 블럭(110a)과 외측 코어 블럭(120a)이 방사상으로 적층되면, 상기 내측 고정자(110) 및 외측 고정자(120)는 축 방향에서 바라봤을 때,전체적으로는 중공(101)을 가지는 원통형 형태(또는 링 형태)를 가질 수 있다.

이 경우, 상기 내측 고정자(110)와 상기 외측 고정자(120) 사이에 형성된 공극(130) 역시 전체적으로 링 형태로 형성될 수 있다.

본 실 시예에서, 상기 내측 코어 블럭(110a) 및 외측 코어 블럭(120a) 중 적어도 어느 하나는, 'ㅡ'자 또는 'ㄱ'자 또는 'ㄷ'자로 형성될 수 있으며, 이 밖에도 다양한 형태를 가질 수 있다.

일례로, 일체로 연결된 내측 코어 블럭(110a)과 외측 코어 블럭(120a)은 'ㄷ'자 형태를 가질 수 있다.

한편, 상기 내측 고정자(110)와 상기 외측 고정자(120) 사이에는 상기 코일(200)이 권취될 수 있다.

일례로, 상기 코일(200)이 상기 내측 고정자(110)에 권취된 상태에서 상기 외측 고정자(120)가 상기 내측 고정자(110)와 결합될 수 있다.

또는, 미리 링 형태로 권취된 코일(200)이 상기 내측 고정자(110)를 둘러싼 상태에서 상기 외측 고정자(120)가 상기 내측 고정자(110)와 결합될 수 있다.

다른 예로, 내측 코어 블럭(110a)과 외측 코어 블럭(120a)이 'ㄷ'자 형태를 이루도록 일체로 형성되어 상기 고정자(100)로 제조된 상태에서, 상기 고정자(100)의 일부가 미리 링 형태로 권취된 코일(200)에 삽입되는 것도 가능하다.

다시 도 3을 참조하면, 상기 내측 고정자(110)와 외측 고정자(120) 사이에는 상기 공극(130)과 연통되며 상기 코일(200)을 수용하는 공간부(140)가 형성될 수 있다.

나아가, 상기 내측 고정자(110)와 상기 외측 고정자(120) 중 적어도 어느 하나에는 서로 마주보는 면에 상기 공간부(140)가 형성하도록 내측으로 오목하게 권취홈(111, 121)이 형성될 수 있다.

이때, 상기 공간부(140) 또는 권취홈(111, 121)의 크기는 권취된 코일(200)의 양에 비례해서 형성될 수 있다.

일례로, 상기 내측 고정자(110)와 외측 고정자(120) 양측 모두에 권취홈(111, 121)이 형성될 수 있다.

상기와 같이 권취홈(111, 121)이 형성되면, 상기 코일(200)이 수용되는 공간부(140)가 제공되어 상기 코일(200)과 내,외측 고정자(110, 120)의 연결이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 상기 권취홈(121)에 의해 내측 고정자(110) 및 외측 고정자(120)에는 마그네트(300)가 고정되는 폴부(124)에 비해 상대적으로 두께가 얇은 요크부(123)가 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 상기 내측 고정자(110) 또는 외측 고정자(120) 중 적어도 어느 하나에는, 자로를 이루는 요크부(123) 및 상기 요크부(123)의 폭보다 확장되고 상기 마그네트(300)가 고정되는 폴부(124)가 형성될 수 있다.

이때, 상기 폴부(124)는 고정되는 마그네트(300)의 길이와 동일하거나 조금 길게 형성될 수 있다.

상기와 같은 요크부(123) 및 폴부(124)의 조합에 의해 자기적 스프링의 강성, 알파값(모터의 추력상수), 알파값 변동율 등이 정해질 수 있다. 상기 요크부(123) 및 폴부(124)는 해당 왕복동 모터(90)가 적용되는 제품의 설계에 따라 다양한 범위에서 길이나 형상이 정해질 수 있다.

한편, 상기 내측 고정자(110)의 외주면 또는 외측 고정자(120)의 내주면 중 적어도 어느 한 곳에는 상기 마그네트(300)가 설치될 수 있다.

이때, 상기 가동 코어(400)의 왕복 운동 방향(또는 축 방향)으로, 상기 마그네트(300)는 상기 코일(200)과 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 상기 마그네트(300)와 코일(200)은 상기 고정자(100)의 반경 방향으로 중첩되지 않게 배치될 수 있다.

종래의 경우, 상기 마그네트(300)와 상기 코일(200)이 상기 고정자(100)의 반경 방향으로 중첩될 수 밖에 없었고, 그에 따라 모터의 직경이 커질 수 밖에 없었다.

반면, 본 발명의 경우 상기 마그네트(300)와 상기 코일(200)이 가동 코어(400)의 왕복 운동 방향으로 이격되어 배치되므로, 종래 대비 왕복동 모터(90)의 직경을 줄일 수 있다.

또한, 상기 마그네트(300)는 일례로, 원통형으로 이루어질 수 있다. 다른 예로, 상기 마그네트(300)는 축 방향에서 바라봤을 때, 호(arc) 형상의 단면을 갖을 수 있다. 이 경우, 복수의 마그네트(300)가 상기 내측 고정자(110)의 외주면이나, 상기 외측 고정자(120)의 내주면에 원주 방향을 따라 이격되어 배치될 수 있다.

이때, 상기 마그네트(300)는 상기 공극(130)으로 노출되도록 배치된다.

이를 위해, 상기 공극(130)을 형성하는 상기 내측 고정자(110)와 상기 외측 고정자(120)의 서로 마주보는 면 중 어느 한 면에는 상기 마그네트(300)가 고정되는 마그네트 고정면(125)이 형성될 수 있다.

도 3에는 일 예로 상기 마그네트(300)가 상기 외측 고정자(120)에 설치되고, 상기 외측 고정자(120)에 마그네트 고정면(125)이 형성되는 것이 도시된다.

상기 가동 코어(400)는 상기 마그네트(300)가 노출되는 공극(130)에 위치되며, 자성체로 이루어져 상기 고정자(100) 및 상기 마그네트(300)에 대해 왕복 운동을 한다.

이때, 상기 가동 코어(400)의 왕복 운동 방향으로, 상기 가동 코어(400)는 상기 코일(200)과 이격되게 배치되며, 상기 가동 코어(400)의 왕복 운동에 따라 상기 코일(200)과 상기 가동 코어(400)의 간격이 가변된다.

즉, 상기 가동 코어(400)와 상기 코일(200)은 상기 고정자(100)의 반경 방향으로 중첩되지 않게 배치될 수 있다.

종래의 경우, 상기 가동 코어(400)와 상기 코일(200)이 상기 고정자(100)의 반경 방향으로 중첩될 수 밖에 없었고, 그에 따라 모터의 직경이 커질 수 밖에 없었다.

반면, 본 발명의 경우 상기 가동 코어(400)와 상기 코일(200)이 가동 코어의 왕복방향으로 이격 배치되므로, 종래 대비 모터의 직경을 줄일 수 있다.

본 실시예에서, 상기 가동 코어(400)는, 축 방향에서 바라볼 때, 적어도 일부가 호(arc) 형상으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 가동 코어(400)는 링 형태의 공극(130)에 삽입될 수 있도록, 링 형태로 형성되거나, 호 형상의 단면을 가지는 복수의 가동 코어(400)가 원주 방향으로 이격 배치될 수 있다.

상기 가동 코어(400)는 상기 연결부(402)에 의해서 지지될 수 있다. 이때, 상기 연결부(402)의 일부는 상기 공극(130) 내에 위치될 수 있다. 따라서, 상기 연결부(402)의 적어도 일부는 원통 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 가동 코어(400)는 상기 연결부(402)에 의해서 지지된 상태에서 상기 마그네트(300)와 마주보도록 배치될 수 있다.

일 예로 상기 가동 코어(400)는 상기 연결부(402)의 외주면에 설치되어 상기 외측 고정자(120)의 내주면에 설치된 마그네트(300)와 마주볼 수 있다.

상기 가동 코어(400)는 상기 공극(130)으로 노출된 상기 내측 고정자(110) 또는 상기 외측 고정자(120)의 외측 표면 및 상기 마그네트(300)와 간격을 두고 삽입된다. 이를 위해 상기 가동 코어(400)의 두께는 상기 공극(130)의 크기보다는 작게 형성된다.

구체적으로, 상기 가동자(400, 402)의 제1면은 상기 마그네트(300)와 마주보도록 배치되고, 상기 가동자(400, 402)의 제2면(제1면의 반대면임)은 상기 내측 고정자(110)와 마주보도록 배치된다.

일례로, 상기 가동자(400, 402)의 제1면은 상기 마그네트(300)의 외주면이고, 상기 가동자(400, 402)의 제2면은 상기 연결부(402)의 내주면이다.

이때, 상기 가동자(400, 402)의 제1면과 상기 마그네트(300)는 제1공극(G1) 만큼 이격되고, 상기 가동자(400, 402)의 제2면과 상기 내측 고정자(110)는 제2공극(G2) 만큼 이격된다.

본 발명에서 모터 스프링 강성이 증가되도록 상기 제1공극(G1)은 상기 제2공극(G2) 보다 작게 형성된다. 상기 제1공극(G1)과 상기 제2공극(G2)의 길이 차이에 대한 효과는 도면을 참조하여 후술하기로 한다.

본 발명에서, 상기 마그네트(300)의 길이(2L1)는, 상기 가동 코어(400)의 최대 스트로크(stroke)의 2배 이상으로 형성될 수 있다.

이와 같이, 상기 마그네트(300)의 길이(2L1)를 한정하는 이유는 모터 스프링 강성의 변곡을 고려해서이다. 따라서, 상기 가동 코어(400)의 최대 스트로크(stroke) 보다 상기 마그네트(300)의 길이(2L1)를 길게 형성할 필요가 있다.

일례로, 상기 가동 코어(400)의 최대 스트로크가 11mm라면, 상기 마그네트(300)의 길이(2L1)는 모터 스프링 강성의 변곡을 고려하여 1mm정도 크게 설계할 필요가 있다. 따라서, 일 예로 상기 마그네트(300)의 축 방향 길이는 24mm로 설계될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 가동 코어(400)의 축 방향 길이는, 상기 마그네트(300)의 절반의 길이(L1)의 이상으로 형성될 수 있다. 이 경우, 모터 스프링 강성이 확보될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 가동 코어(400)의 두께는 상기 가동 코어(400)의 축 방향 길이의 1/4 이하로 형성될 수 있다.

한편, 상기 마그네트(300)는 상기 가동 코어(400)의 왕복 운동 방향으로 서로 다른 자극이 배열되도록 형성될 수 있다.

즉, 상기 마그네트(300)는 제1극부(302)와, 제2극부(304)를 포함하며, 상기 제1극부(302)와 상기 제2극부(304)는 축 방향으로 일렬로 배열된다.

그리고, 상기 제1극부(302)가 상기 제2극부(304) 보다 상기 코일(200) 또는 압축 공간(31)에 더 가깝게 위치될 수 있다.

이하에서는 제1극부(302)가 N극이고, 제2극부(304)가 S극인 것으로 예를 들어 설명하기로 하며, 반대의 경우도 가능하다.

상기 제1극부(302)의 길이는 상기 제2극부(304)의 길이 보다 길게 형성될 수 있다. 이때, 상기 가동 코어(400)의 축 방향 길이는 상기 제2극부(304)의 길이 보다 길게 형성된다.

본 실시예에서 상기 가동 코어(400)는, 상기 코일(200)이 구비된 고정자(100)와 마그네트(300), 및 상기 가동 코어(400) 사이에서 발생하는 왕복 방향 중심력(centering force)에 의해 왕복 운동을 하게 된다.

왕복 방향 중심력이란 상기 가동 코어(400)가 자기장 안에서 이동을 할 때 자기적 에너지(자기적 위치 에너지, 자기저항)가 낮은 쪽으로 저장하는 힘을 말하며, 이 힘은 자기적 스프링(magnetic spring)으로 작용한다.

따라서, 상기 가동 코어(400)가 상기 코일(200) 및 마그네트(300)에 의한 자기력에 의해 왕복 운동을 할 때, 상기 가동 코어(400)는 자기적 스프링에 의해 중심 방향으로 복귀하려는 힘을 축적한다. 그리고, 이 자기적 스프링에 축적된 힘으로 인해 상기 가동 코어(400)가 공진하면서 지속적으로 왕복 운동을 하게 된다.

이때, 본 발명과 같이 상기 제1극부(302)의 길이가 상기 제2극부(304)의 길이 보다 길게 형성되는 경우, 상기 가동 코어(400)의 중심(C)은 상기 제1극부(302)와 상기 제2극부(304)의 경계선에 위치하지 않게 된다.

구체적으로, 상기 가동 코어(400)의 중심(C)은 상기 제1극부(302)와 상기 제2극부(304)의 경계선 보다 상기 코일(200)(또는 압축 공간(31))에 가깝게 위치된다.

더욱이, 상기 가동 코어(400)의 중심(C)은 상기 마그네트(300)의 축 방향 길이를 이등분하는 선(A1) 보다 상기 코일(200)(또는 압축 공간(31))에 가깝게 위치된다. 그 이유는 상기 제1극부(302)의 길이가 제2극부(304)의 길이 보다 길어 자기력의 세기가 더 크기 때문이다.

상기 제1극부(302)와 상기 제2극부(304)의 길이 차이에 따른 효과에 대해서는 도면을 참조하여 후술하기로 한다.

이하에서는 상기와 같은 본 실시예에 따른 가동코어형 왕복동 모터의 동작 원리를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동코어형 왕복동 모터의 동작을 설명하기 위해 보인 개략도이다.

도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 왕복동 모터(90)의 상기 코일(200)에 교번 전류가 인가되면, 상기 내측 고정자(110)와 상기 외측 고정자(120) 사이에는 교번 자속이 형성된다.

이 경우 상기 가동 코어(400)는 자속 방향을 따라 양방향으로 움직이면서 지속적으로 왕복 운동을 하게 된다.

이때, 왕복동 모터(90)의 내부에는 상기 가동 코어(400)와 고정자(100) 및 마그네트(300) 사이에는 자기적 스프링(Magnetic Resonance Spring)이 형성되어, 가동 코어(400)의 공진 운동을 유도하게 된다.

예를 들어 도 5와 같이, 상기 마그네트(300)가 외측 고정자(120)에 고정되고, 상기 마그네트(300)에 의한 자속이 도면 상의 시계 방향으로 흐르는 상태에서, 상기 코일(200)에 교번 전류가 인가될 수 있다.

그러면, 상기 코일(200)에 의한 자속이 도면 상의 시계 방향으로 흐르게 되고, 상기 코일(200)에 의한 자속과 상기 마그네트(300)의 자속이 증자되는 도면의 오른쪽 방향(화살표 M1참조)으로 상기 가동 코어(400)가 이동하게 된다(화살표 M1 참조).

이때, 상기 가동 코어(400)와 상기 고정자(100) 및 상기 마그네트(300) 사이에는 자기적 에너지(즉, 자기적 위치 에너지 또는 자기적 저항)가 낮은 쪽인 도면의 좌측 방향으로 복귀하려는 왕복 중심력(Centering force)(F1)이 축적된다.

이러한 상태에서, 도 6과 같이 상기 코일(200)에 인가되는 전류의 방향이 바뀌게 되면, 상기 코일(200)에 의한 자속이 도면 상의 반시계 방향으로 흐르게 된다. 그러면, 상기 코일(200)에 의한 자속과 상기 마그네트(300)의 자속은 이전과 반대 방향, 즉 도면의 왼쪽 방향으로 증자된다.

이때, 축적된 왕복 중심력(Centering force)(F1)과, 상기 코일(200) 및 마그네트(300)의 자속에 의한 자기력에 의해 도면의 왼쪽 방향(화살표 M2 참조)으로 상기 가동 코어(400)가 이동하게 하게 된다.

이 과정에서, 상기 가동 코어(400)는 관성력과 자기력에 의해 상기 마그네트(300)의 길이를 이등분하는 선(A1)을 지나 도면의 좌측으로 더 이동하게 된다.

이때도 마찬가지로, 상기 가동 코어(400)와 고정자(100) 및 마그네트(300) 사이에는 자기적 에너지가 낮은 쪽인 도면의 우측 방향으로 복귀하려는 왕복 중심력(Centering force)(F2)이 축적된다.

그리고, 도 5에서와 같이 상기 코일(200)에 인가되는 전류의 방향이 바뀌게 되면, 축적된 왕복 중심력(Centering force)(F2)과, 코일(200) 및 마그네트(300)의 자속에 의한 자기력에 의해 상기 가동 코어(400)가 우측 방향으로 이동하게 된다.

이때도 역시, 상기 가동 코어(400)는 관성력과 자기력에 의해 마그네트(300)의 길이를 이등분하는 선(A1)을 지나 도면의 우측으로 더 이동하게 된다.

그리고, 상기 가동 코어(400)와 고정자(100) 및 마그네트(300) 사이에는 자기적 에너지가 낮은 쪽인 도면의 좌측 방향으로 복귀하려는 왕복 중심력(Centering force)(F1)이 축적된다.

이러한 방식으로 상기 가동 코어(400)는 기계적 공진 스프링이 구비된 것과 같이 도면 상 우측과 좌측을 번갈아 가면서 이동하는 왕복 운동을 지속적으로 반복하게 된다.

도 7은 냉매 압축 과정에서 가동 코어의 스트로크 범위를 보여주는 도면이고, 도 8은 대칭 형태의 마그네트와 비대칭 형태의 마그네트의 운전 스트로크를 보여주는 도면이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 코일(200)로 인가되는 교번 전류에 의해서, 상기 가동 코어(400)는 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 왕복 운동하게 된다.

본 발명에서 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 거리를 운전 스트로크라 이름할 수 있다.

이론적으로 상기 상사점(TDC)과 상기 하사점(BDC)을 이등분하는 지점이 상기 가동 코어(400)의 중심이 된다.

상기 가동 코어(400)가 상기 가동 코어(400)의 중심에서 상기 하사점(BDC)으로 이동하는 과정에서 상기 압축 공간(31)으로 냉매가 흡입될 수 있다. 상기 가동 코어(400)가 상기 상사점(TDC)으로 이동하는 과정에서 상기 피스톤(40)이 상기 압축 공간(31)의 냉매를 압축한다.

이때, 상기 가동 코어(400)가 상기 가동 코어(400)의 중심에서 상기 하사점(BDC)까지의 제1스트로크의 길이와 상기 가동 코어(400)의 중심에서 상기 상사점(TDC)까지의 제2스트로크의 길이는 동일하다.

그런데, 실제로 상기 피스톤(40)이 상기 압축 공간(31)의 냉매를 압축하는 과정에서 압력이 상기 피스톤(40)으로 작용하여 상기 피스톤(40)이 상기 토출 밸브(32)와 멀어지는 방향으로 밀린다. 즉, 상기 피스톤(40)이 상기 하사점(BDC) 측으로 일정 거리 밀리게 된다.

이 경우, 상기 가동 코어(400)의 중심이 상기 하사점(BDC)과 가까워지는 방향으로 이동하게 된다.

상기 가동 코어(400)는 상기 하사점(BDC)을 벗어나지 않도록 제어된다. 따라서, 상기 마그네트(300)가 제1극부와 제2극부의 길이가 동일한 대칭 형태를 가지는 경우에는, 상기 가동 코어(400)의 중심에서 상기 하사점(BDC) 까지의 제1스트로크의 길이가 줄어들게 된다.

또한, 상기 가동 코어(400)의 중심에서 상기 상사점(TDC)까지의 제2스크로크의 길이는 상기 제1스트로크의 길이와 동일하므로, 실제로 상기 가동 코어(400)의 운전 스크로크는 줄어들게 된다.

그러나, 본 발명과 같이 상기 압축 공간(31)에 더 가깝게 배치되는 상기 제1극부(302)를 상기 제2극부(304) 보다 길게 형성하는 경우, 상기 제1극부(302)의 증가된 자기력에 의해서 상기 가동 코어(400)의 중심이 상기 하사점(BDC) 측으로 이동되는 거리가 최소화될 수 있다.

그러면, 상기 가동 코어(400)의 운전 스트로크가 증가될 수 있고, 이에 따라, 압축 효율이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 가동자를 자기적 공진 스프링으로 공진시킴에 따라 일정 구간의 운전 주파수 내에서 사용 주파수가 제한되는 것을 미연에 방지할 수 있어 모터의 효율이 향상될 수 있다. 즉, 운전 주파수 내에서 모든 주파수를 사용할 수 있다.

또한, 마그네트가 고정자에 설치되므로, 가동자의 무게가 줄어들 수 있어, 전력 소모량을 줄일 수 있고, 고속 운전이 가능해지는 장점이 있다.

도 9는 가동자와 고정자 간의 공극의 길이에 따른 모터 스프링 강성을 보여주는 그래프이고, 도 10은 가동자와 고정자 간의 공극의 길이에 따른 모터 알파값을 보여주는 그래프이다.

먼저, 도 4 및 도 9를 참조하면, 모터 스프링 강성이 높을수록 가동자(400, 402)가 안정적으로 공진 운동할 수 있으며, 고속 운전이 가능해진다.

도 9에서 상기 모터 스프링 강성은 상기 가동자(400, 402)의 제2면과 상기 내측 고정자(110) 사이의 제2공극(G2)이 클수록 증가된다. 또한, 상기 모터 스프링 강성은 상기 가동자(400, 402)의 제1면과 상기 마그네트(300) 사이의 제1공극(G1)이 작을수록 증가된다.

따라서, 본 발명과 같이, 상기 제1공극(G1)을 상기 제2공극(G2) 보다 작게 형성하는 경우, 모터 스프링 강성이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 도 10을 참조하면, 상기 제1공극(G1)과 상기 제2공극(G2)의 합이 작을 수록 모터 알파값(추력 상수)이 증가된다. 상기 모터 알파값이 증가되는 경우 상기 가동 코어(400)를 이동시키기 위함 힘이 커지게 되어 모터 효율이 상승한다.

본 발명에서, 모터 스프링 강성 증가와 모터 알파값의 증가가 동시에 만족되도록, 상기 제1공극(G1)과 상기 제2공극(G2)의 길이의 합은 1mm 이내로 설계됨이 바람직하다.

도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도이다.

도 11을 참조하면, 본 실시 예의 왕복동 모터의 경우, 마그네트(310)는 이전 실시 예의 마그네트(300)와 기본적인 구성은 동일하고 다만 내측 고정자(110)에 고정되는 것을 특징으로 한다. 상기 내측 고정자(110)에는 마그네트 고정면(115)이 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에서 마그네트(300)(310)가 설치되는 고정자를 제1고정자라 이름할 수 있고, 마그네트(300)(310)가 설치되지 않은 고정자를 제2고정자라 할 수 있다. 그리고, 상기 제1고정자는 상술한 바와 같이 외측 고정자이거나 내측 고정자일 수 있다. 본 실시 예의 경우에도 이전 실시 예와 동일하게 제1공극(G1)을 제2공극(G2) 보다 작게 설계할 수 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도이고, 도 13은 가동 코어의 형태에 따른 운전 스트로크를 보여주는 도면이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 본 실시 예의 가동 코어(410)의 일측에는 테이퍼부(412)가 형성될 수 있다.

상기 테이터부(412)는 일 예로 상기 코일(200)과 인접한 부분에 형성될 수 있다.

이때, 상기 가동 코어(410)에서 마그네트(300)를 바라보는 제1면의 길이(L3)가 상기 제1면의 반대면인 제2면의 길이(L4) 보다 길게 형성될 수 있다.

본 실시 예의 경우, 상기 가동 코어(410)에서 마그네트(300)를 바라보는 제1면의 길이(L3)는 도 4에 도시된 가동 코어(400)의 길이 보다 길게 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 가동 코어(410)의 무게는 동일하게 유지하면서도 상기 가동 코어(410)의 길이를 증가시킬 수 있다. 따라서, 단면이 직사각형인 가동 코어에 비하여, 상기 가동 코어(410)의 운전 스트로크의 길이가 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

도 14 및 도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가동코어형 왕복동 모터를 개략적으로 보인 단면도이다.

도 14를 참조하면, 상기 가동 코어(420)에서 상기 코일(200)과의 거리가 가장 먼 부분에 테이퍼부(422)가 형성될 수 있다.

이 경우에도 상기 가동 코어(420)에서 마그네트(300)를 바라보는 제1면의 길이가 상기 제1면의 반대면인 제2면의 길이 보다 길게 형성될 수 있다.

본 실시 예에 의해서도 상기 가동 코어(420)의 무게는 동일하게 유지하면서도 상기 가동 코어(420)의 길이를 증가시킬 수 있다. 따라서, 단면이 직사각형인 가동 코어에 비하여, 상기 가동 코어(420)의 운전 스트로크의 길이가 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

도 15를 참조하면, 상기 가동 코어(430)의 양측에 각각 테이퍼부(432, 434)를 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 가동 코어(430)의 길이(L5)가 도 12에 도시된 가동 코어(410)의 제1면의 길이(L3) 보다 길게 되어 운전 스트로크의 길이가 한층 더 길어지는 효과를 얻을 수 있다.

10: 케이스 20: 프레임
30: 실린더 40: 피스톤
90: 왕복동 모터 100: 고정자
200: 코일 300: 마그네트
400: 가동 코어

Claims

내측 고정자와, 일측이 상기 내측 고정자의 일측과 연결되고 타측이 상기 내측 고정자의 타측과 공극을 형성하도록 상기 내측 고정자의 반경 방향 외측에 배치되는 외측 고정자를 포함하는 고정자;
상기 내측 고정자와 외측 고정자 사이에 권취되는 코일;
상기 내측 고정자 또는 외측 고정자 중 어느 하나에 고정되는 마그네트; 및
상기 공극에서 상기 마그네트와 마주보도록 배치되어 상기 고정자에 대해 왕복 운동을 하는 가동 코어를 구비하는 가동자를 포함하고,
상기 마그네트는, 상기 가동자의 왕복 운동 방향으로 배열되는 서로 다른 극인 제1극부 및 제2극부를 포함하고,
상기 제1극부의 길이는 제2극부의 길이 보다 길게 형성되는 가동코어형 왕복동 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1극부는 상기 제2극부 보다 상기 코일에 가깝게 위치되는 가동코어형 왕복동 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 가동자의 제1면은 상기 마그네트와 제1공극(G1) 만큼 이격되고,
상기 가동자의 제1면과 반대면인 제2면은 상기 내측 고정자 및 상기 외측 고정자 중 어느 하나의 일면과 제2공극(G2) 만큼 이격되며,
상기 제2공극(G2)은 상기 제1공극(G1) 보다 크게 형성되는 가동코어형 왕복동 모터.
제 3 항에 있어서,
상기 가동자의 제1면은 상기 가동 코어의 일면인 가동코어형 왕복동 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 가동 코어는 상기 마그네트와 마주보는 제1면과, 상기 제1면의 반대면인 제2면을 포함하고,
상기 가동 코어의 일측 또는 양측에는 상기 제1면이 상기 제2면 보다 길도록 테이터부가 구비되는 가동코어형 왕복동 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 가동자의 왕복 운동 방향으로의 상기 가동 코어의 길이는 상기 마그네트의 길이의 1/2 이상으로 형성되는 가동코어형 왕복동 모터.
제 6 항에 있어서,
상기 가동 코어의 길이는 상기 제2극부의 길이 보다 길게 형성되는 가동코어형 왕복동 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 코일과 상기 마그네트는 상기 가동자의 왕복 운동 방향으로 이격되어 배치되는 가동코어형 왕복동 모터.
내부 공간을 갖는 케이스;
상기 케이스의 내부 공간에 배치되고, 가동자가 왕복 운동을 하는 왕복동 모터;
상기 왕복동 모터의 가동자에 결합되어 함께 왕복 운동하는 피스톤; 및
상기 피스톤이 삽입되어 압축 공간을 형성하는 실린더를 포함하고,
상기 왕복동 모터는, 내측 고정자와, 일측이 상기 내측 고정자의 일측과 연결되고 타측이 상기 내측 고정자의 타측과 공극을 형성하도록 상기 내측 고정자의 반경 방향 외측에 배치되는 외측 고정자를 포함하는 고정자;
상기 내측 고정자와 외측 고정자 사이에 권취되는 코일;
상기 내측 고정자 또는 외측 고정자 중 어느 하나에 고정되는 마그네트; 및
상기 공극에서 상기 마그네트와 마주보도록 배치되어 상기 고정자에 대해 왕복 운동을 하는 가동 코어를 구비하는 가동자를 포함하고,
상기 마그네트는, 상기 가동자의 왕복 운동 방향으로 배열되는 서로 다른 극인 제1극부 및 제2극부를 포함하고,
상기 제1극부는 상기 제2극부 보다 상기 압축 공간에 가깝게 위치되며,
상기 제1극부의 길이는 제2극부의 길이 보다 길게 형성되는 압축기.
제 9 항에 있어서,
상기 가동자의 제1면은 상기 마그네트와 제1공극(G1) 만큼 이격되고,
상기 가동자의 제1면과 반대면인 제2면은 상기 내측 고정자 및 상기 외측 고정자 중 어느 하나의 일면과 제2공극(G2) 만큼 이격되며,
상기 제2공극(G2)은 상기 제1공극(G1) 보다 크게 형성되는 압축기.
제 9 항에 있어서,
상기 가동 코어는 상기 마그네트와 마주보는 제1면과, 상기 제1면의 반대면인 제2면을 포함하고,
상기 가동 코어의 일측 또는 양측에는 상기 제1면이 상기 제2면 보다 길도록 테이터부가 구비되는 압축기.