KR20190095808A - 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기 - Google Patents

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KR20190095808A
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Abstract

본 발명에 의한 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기는, 공극(air gap)을 구비하는 스테이터; 상기 스테이터에 구비되는 코일; 상기 공극에서 왕복운동을 하는 무버; 및 상기 스테이터에 고정되는 적어도 한 개 이상의 마그네트;를 포함하고, 상기 마그네트는, 상기 무버의 왕복방향에 대해 교차하는 방향인 제1 방향으로의 길이가 상기 무버의 왕복방향인 제2 방향으로의 길이보다 길게 형성되는 마그네트;를 포함함으로써, 상대적으로 저가인 마그네트를 사용하하면서도 마그네트의 사용량을 늘려 모터 효율을 유지 또는 향상시킬 수 있다.

Description

리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기{LINERAR MOTOR AND LINEAR COMPRESSOR HAVING THE SAME}
본 발명은 무버가 직선 왕복운동을 하는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기에 관한 것이다.
리니어 모터는 일반적인 왕복동 모터와 달리 무버가 스테이터와의 상호 작용에 의해 직선으로 왕복운동을 하는 모터이고, 리니어 압축기는 이 리니어 모터를 채용하여 무버에 피스톤이 결합되는 압축기이다. 따라서, 무버와 함께 왕복운동을 하면서 피스톤이 실린더에서 하사점(Bottom Dead Center)까지 이동하면서 흡입행정, 상사점(Top Dead Center)까지 이동하면서 압축행정을 실시하게 된다.
리니어 모터는 자속이 흐르는 코어 및 전류가 인가되는 코일, 그리고 이들과 함께 자기회로를 이루는 마그네트가 구비된다. 마그네트는 무버에 결합되어 스테이터에 대해 왕복운동을 할 수도 있고, 경우에 따라서는 스테이터에 고정 결합될 수도 있다. 도 1a 내지 도 1c는 종래의 리니어 모터에서 코어, 코일 및 마그네트의 관계를 설명하기 위해 보인 개략도들로서, 도 1a 및 도 1b는 마그네트가 무버에 결합된 예를, 도 1c는 마그네트가 스테이터에 결합된 예를 각각 보인 도면들이다.
도 1a에서의 마그네트(1)는 반경방향으로 착자된 1-pole 구조의 마그네트로서, 코일(2)의 교번전류에 의해 만들어지는 자력과 상호 작용을 하여 왕복운동을 하게 된다. 도 1b에서의 마그네트(1)는 반경방향 착자된 3-pole 구조의 마그네트로서, 도 1a에서의 마그네트와 마찬가지로 마그네트(1)가 왕복운동을 하게 된다. 도 1a에서와 같은 1-pole 구조는 상대적으로 자력이 강한 희토류(예를 들어, NdFeB로, 통상 Nd 마그네트라고 함)가 사용되는 경우에 적용될 수 있으며, 도 1b에서와 같이 3-pole 구조는 상대적으로 자력이 약한 페라이트(Ferrite) 마그네트가 사용되는 경우 총 자력을 확보하기 위한 구조에 적합하다.
반면, 도 1c의 마그네트(1)는 도 1a 및 도 1b와는 달리 스테이터(3)의 공극면(3a)에 부착하게 된다. 이 경우, 무버(4)에는 자성체로 된 코어(4a)가 구비되고, 이 코어(4a)는 코일(2)의 전류에 의한 자속과 마그네트(1)에 의한 자속이 합해지는 증자 방향으로 움직이면서 왕복운동을 하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기에서, 압축기 출력을 높이기 위해 자력이 큰 희토류의 마그네트(이하, Nd 마그네트)를 사용하는 경우에는 그 Nd 마그네트가 상대적으로 고가여서 압축기의 제조 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
반면, 리니어 모터 및 리니어 압축기의 제조 비용을 고려하여 페라이트류의 마그네트(이하, 페라이트 마그네트)를 사용하는 경우에는 그 페라이트 마그네트 특성상 자력이 약해 상대적으로 많은 양의 마그네트가 필요하게 된다. 하지만, 많은 양의 마그네트가 무버에 결합되는 경우에는 그만큼 전체 진동체의 무게가 증가하면서 모터의 하중을 늘려 모터 손실이 증가할 뿐만 아니라 고속 운전에 불리하게 되는 문제점이 있었다.
특히, 종래의 리니어 압축기는, 피스톤의 왕복운동을 효율적으로 구현하기 위하여 코일스프링과 같은 기계적 공진스프링이 주로 사용되고 있다. 이러한 기계적 공진스프링은 기설정된 스프링상수를 가지고 피스톤의 왕복운동에 의해 공진되면서 피스톤의 왕복운동을 증폭시키게 된다. 다만, 기계적인 공진스프링은 공진주파수가 제한적이어서 다양한 주파수 대역의 운전이 불가능하게 되는 단점이 있었고, 이를 감안하여 최근에는 기계적 공진스프링을 제거 또는 대체하고자 하는 연구가 수행되어 오고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1은, 2개 또는 3개의 자석을 구비하는 무버를 도입하여, 구동부가 진동체를 구동시킬 방향으로 미는 추력(推力) 이외에, 진동체를 진동의 중심 방향으로 당기는 복원력을 발생시키는 자기적 공진 스프링 구성을 제시한 바 있다. 이러한 구조는 강한 자기적 스프링이 존재하므로 기계적 스프링이 없거나 강성이 작은 스프링을 이용하여 직선 왕복 운동을 구현할 수 있다.
이를 감안하여, 상대적으로 자속량이 높은 Nd 마그네트를 사용하여 무버에 결합하게 되면, 마그네트의 사용량을 낮춰 무버의 무게를 경감시킬 수는 있다. 하지만, Nd 마그네트는 페라이트 마그네트에 비해 10배 이상 가격이 비싸므로 무버의 무게 경감에 따른 효율 증가 효과에 비해 리니어 모터 및 리니어 압축기의 제조 비용이 과도하게 증가하는 문제점이 있었다.
또, 도 1c에서 보인 바와 같이, 마그네트를 스테이터의 공극면에 부착하여 무버의 무게를 줄일 수는 있지만, 공극면의 면적이 넓어지면 리니어 모터 및 리니어 압축기의 크기가 증가하게 된다. 따라서, 공극면의 면적을 과도하게 넓힐 수 없어 마그네트의 표면적을 확보하는데 한계가 있다. 이는 결국 마그네트의 사용량을 제한하게 되어 저가의 페라이트 마그네트를 사용하지 못하게 되고 고가의 Nd 마그네트를 사용하게 되는 원인이 되므로 리니어 모터 및 리니어 압축기의 제조 비용이 상승하게 되는 문제를 야기하게 되는 문제점이 있었다.
공개특허공보 KR10-2016-0132665 A (2016.11.21. 공개)
본 발명의 목적은, 상대적으로 저가인 마그네트를 사용하여 리니어 모터의 제조 비용을 절감할 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 상대적으로 저가인 마그네트를 사용하면서도 마그네트의 사용량을 늘려 모터 효율을 유지 또는 향상시킬 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 저가의 마그네트 사용량을 늘리면서도 무버의 무게를 줄여 모터 효율을 높이는 동시에 고속 운전에 적합한 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데도 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 마그네트를 스테이터에 적용함에 따라 저가의 마그네트 사용량을 늘리면서도 스테이터의 크기가 증가하지 않도록 하여 소형화에 유리한 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 권선코일이 구비된 스테이터에 마그네트가 삽입되고, 무버에는 영구자석이 아닌 자성체 코어가 구비되되, 상기 마그네트는 상기 무버의 운동방향에 대해 교차하는 방향의 길이가 운동방향의 길이보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 마그네트는 페라이트 마그네트로 이루어질 수 있다. .
그리고, 상기 마그네트는 자속이 나오는 면의 길이가 상기 무버가 왕복운동을 하는 공극의 축방향 길이보다 크게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 권선코일을 중심으로 축방향 양쪽에 위치하는 마그네트는 서로 대칭적으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 권선코일을 중심으로 축방향 양쪽에 위치하는 마그네트는 서로 비대칭적으로 형성될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 공극(air gap)을 구비하는 스테이터; 상기 스테이터에 구비되는 코일; 상기 공극에서 왕복운동을 하는 무버; 및 상기 스테이터에 고정되는 적어도 한 개 이상의 마그네트;를 포함하고, 상기 마그네트는, 상기 무버의 왕복방향에 대해 교차하는 방향인 제1 방향으로의 길이가 상기 무버의 왕복방향인 제2 방향으로의 길이보다 길게 형성되는 마그네트;를 포함하는 리니어 모터가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 마그네트는, 상기 스테이터에 삽입되어 고정될 수 있다.
그리고, 상기 마그네트는, 상기 코일을 기준으로 할 때, 상기 무버의 왕복방향 양쪽 중에서 적어도 어느 한 쪽에 구비될 수 있다.
그리고, 상기 마그네트는, 전체가 페라이트 마그네트로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 마그네트는, 복수 개의 재질로 이루어지고, 상기 복수 개의 재질 중에서 적어도 일부는 페라이트 마그네트로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 마그네트 중에서 상기 페라이트 마그네트가 다른 계열의 마그네트보다 표면적이 넓게 구비될 수 있다.
여기서, 상기 마그네트는 상기 무버의 운동방향인 제2 방향에서 상기 코일을 중심으로 어느 한 쪽에 위치하는 마그네트는 복수 개로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 마그네트는, 상기 제2 방향으로 일정 간격만큼 이격될 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 마그네트는, 상기 제1 방향으로 배열될 수 있다.
여기서, 상기 스테이터는, 축방향인 제2 방향으로 자로를 이루는 제1 요크부, 상기 제1 요크부의 양쪽에 위치하며 반경방향인 제1 방향으로 자로를 이루는 제2 요크부 및 제3 요크부를 포함하고, 상기 제2 요크부와 제3 요크부에는 상기 마그네트가 삽입되는 제1 삽입홈과 제2 삽입홈이 상기 제1 방향으로 길게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 삽입홈은 상기 제2 요크부의 제2 방향 중심에 위치하고, 상기 제2 삽입홈은 상기 제3 요크부의 제2 방향 중심에 위치할 수 있다.
그리고, 상기 제2 요크부 또는 제3 요크부 중에서 상기 제1 삽입홈과 제2 삽입홈을 제외한 부분의 제1 방향 단면적은 상기 제1 요크부의 제2 방향 단면적과 각각 동일하거나 크게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 무버에는 영구자석이 아닌 자성체 코어가 구비되고, 상기 자성체 코어의 제2 방향 길이는 상기 마그네트의 제2 방향 길이보다 길게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 무버는 적어도 한 개 이상의 자성체 코어가 구비되며, 상기 무버와 스테이터의 제2 방향 중심이 일치한 정렬상태에서, 상기 자성체 코어는 상기 마그네트와 제2 방향으로 중첩되는 위치에 구비될 수 있다.
그리고, 상기 무버는 마그네트가 더 구비되고, 상기 무버에 구비되는 마그네트는 상기 무버와 스테이터의 제2 방향 중심이 일치한 정렬상태에서, 상기 스테이터에 구비되는 마그네트와 제2 방향으로 중첩되지 않는 위치에 구비될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 무버가 왕복운동을 하는 구동유닛; 상기 구동유닛의 무버에 결합된 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 압축유닛;을 포함하고, 상기 구동유닛은 앞서 설명한 리니어 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.
본 발명은, 스테이터에 마그네트가 삽입됨에 따라, 상대적으로 저가인 마그네트를 사용하하면서도 마그네트의 사용량을 늘려 모터 효율을 유지 또는 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명은, 스테이터에 마그네트가 삽입됨에 따라, 저가의 마그네트 사용량을 늘리면서도 무버의 무게를 줄여 모터 효율을 높이는 동시에 고속 운전에 적합할 수 있다.
또, 본 발명은, 마그네트를 스테이터에 삽입함에 따라 저가의 마그네트 사용량을 늘리면서도 스테이터의 크기가 증가하지 않도록 하여 리니어 모터 및 리니어 압축기의 소형화에 유리할 수 있다.
본 발명은, 스테이터에 마그네트가 삽입됨에 따라, 마그네트가 안정적으로 고정되어 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 리니어 모터에서 코어, 코일 및 마그네트의 관계를 설명하기 위해 보인 개략도들,
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일실시예를 보인 종단면도,
도 3은 본 실시예에 따른 리니어 모터를 개략적으로 보인 단면도,
도 4a 및 도 4b는 도 3에 따른 리니어 모터에서 제2 요크부와 제3 요크부를 확대하여 보인 단면도,
도 5 및 도 6은 도 3에 따른 리니어 모터에서 삽입홈에 대한 다른 예들을 보인 단면도들,
도 7a 내지 도 7c는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 유기전압이 형성되는 예를 설명하기 위해 보인 개략도들,
도 8a 및 도 8b는 추력 발생 원리를 설명하기 위해 보인 개략도들,
도 9 내지 도 11는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서, 마그네트에 대한 다른 실시예를 보인 개략도들,
도 12는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서, 무버에 마그네트가 구비된 예를 보인 개략도,
도 13a 및 도 13b는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서, 제1 마그네트와 제2 마그네트에 대한 다른 실시예들을 보인 개략도들,
도 14 및 도 15는 본 실시예에 따른 리니어 모터에 대한 다른 실시예들을 보인 개략도들.
이하, 본 발명에 관련된 리니어 압축기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 다만, 서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일하거나·유사한 도면 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또, 본 명세서에 개시된 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예들을 쉽게 이해할 수 있도록 도시된 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에 따른 리니어 압축기는 리니어 모터를 구비하여 유체를 흡입하여 압축하고, 압축된 유체를 토출하는 동작을 수행한다. 본 발명에 따른 리니어 모터 및 리니어 압축기는 냉동 사이클의 구성요소가 될 수 있으며, 이하에서 유체는 냉동 사이클을 순환하는 냉매를 예로 들어 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일실시예를 보인 종단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예의 리니어 압축기(100)는, 케이싱(110), 프레임(120), 구동유닛(130) 및 압축유닛(140)을 포함한다.
케이싱(110)은 밀폐된 공간을 형성할 수 있다. 밀폐된 공간은 압축되기 위하여 흡입되는 냉매가 채워지는 흡입공간(101)이 될 수 있다. 흡입공간(101)으로 냉매가 흡입되기 위하여 케이싱(110)에는 흡입구(114)가 형성되고, 흡입구(114)에는 흡입배관(SP)이 연결될 수 있다. 또, 케이싱(110)에는 후술하는 토출공간(102)으로부터 냉매가 외부로 토출되기 위한 토출구(115)가 형성되고, 토출구(115)에는 토출배관(DP)이 연결될 수 있다.
프레임(120)은 구동유닛(130) 및 압축유닛(140)을 지지하기 위하여 케이싱(110) 내부에 구비될 수 있다. 프레임(120)은 케이싱(110)에 일단부가 고정되도록 위치되는 지지스프링(150)의 타단부에 연결 및 지지될 수 있다. 지지스프링(150)은 도시된 것과 같이 판스프링으로 이루어질 수 있고, 또는 코일스프링으로 이루어질 수도 있다.
구동유닛(130)은 본 실시예에 따른 리니어 압축기(100)의 왕복운동을 발생시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 구동유닛(130)은 스테이터(131) 및 무버(132)를 포함할 수 있다. 스테이터(131)는 프레임(120)과 후술할 백 커버(145) 사이에 결합될 수 있다. 스테이터(131)는 외측 고정자(131a)와 내측 고정자(131b)를 포함할 수 있다. 외측 고정자(131a)와 내측 고정자(131b) 사이에는 무버(132)가 위치될 수 있다.
외측 고정자(131a)에는 권선코일(133)이 장착될 수 있고, 무버(132)는 연결프레임(132a)에 자성체로 된 가동자 코어(132b)를 구비할 수 있다. 가동자 코어(132b)는 영구자석을 의미하는 마그네트가 아니며, 다만 권선코일(133)에 의해 스테이터(131)와 함께 자기회로를 이루도록 강자성체로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 구동유닛(130)에서는 영구자석인 마그네트(135)가 무버(132)가 아니라 스테이터(131)에 결합되는 것으로, 마그네트의 결합구조에 대하여는 나중에 설명한다.
한편, 압축유닛(140)은 흡입공간(101) 내의 냉매를 흡입하여, 압축 및 토출하도록 이루어진다. 압축유닛(140)은 내측 고정자(131b)의 내측으로 케이싱(110)의 중심부에 위치될 수 있고, 실린더(141) 및 피스톤(142)을 포함한다. 실린더(141)는 프레임(120)에 의해 지지되고, 내부에 압축실(P)을 형성할 수 있다.
실린더(141)는 내부에 냉매 및 피스톤(142)을 수용하도록 원통형으로 이루어질 수 있고, 양단이 개방되도록 형성될 수 있다. 실린더(141)의 일단에는 토출밸브(141a)에 의해 폐쇄될 수 있고, 토출밸브(141a)의 외측에는 토출커버(143)가 장착될 수 있다.
토출밸브(141a)와 토출커버(143) 사이에는 토출공간(102)이 형성될 수 있다. 즉, 토출밸브(141a)에 의해 압축실(P)과 토출커버(143)가 서로 분리된 공간을 형성할 수 있다. 아울러 케이싱(110) 내부에는 토출구(115)와 토출공간(102)을 서로 연통시키도록 연장되는 루프파이프(144)가 설치될 수 있다.
피스톤(142)은 실린더(141)의 개방된 타단으로 삽입되어, 압축실(P)을 밀폐하도록 이루어질 수 있다. 피스톤(142)은 앞서 설명한 무버(132)과 연결되어 무버(132)와 함께 왕복 운동될 수 있다. 무버(132)와 피스톤(142) 사이에는 내측 고정자(131b) 및 실린더(141)가 위치될 수 있다. 따라서, 무버(132)와 피스톤(142)은 실린더(141) 및 내측 고정자(131b)를 우회하도록 구비되는 별도의 연결프레임(132a)에 의해 서로 결합될 수 있다. 연결프레임(132a)에 앞서 설명한 가동자 코어(132b)가 내부에 삽입되어 결합되거나 외표면에 부착되어 결합될 수 있다.
한편, 피스톤(142)의 내부공간과 압축실(P)은 흡입포트(142b)에 의해 연통될 수 있다. 즉, 흡입공간(101)으로부터 피스톤(142) 내부공간으로 유입되는 냉매가 흡입포트(142b)를 통하여 흐르고, 흡입포트(142b)를 덮는 흡입밸브(142a)가 냉매의 압력에 의해 개방될 때 냉매가 압축실(P)로 흡입될 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따른 리니어 압축기는 다음과 같이 동작된다.
즉, 구동유닛(130)에 전류가 인가되면 스테이터(131)에 자속이 형성될 수 있다. 스테이터(131)에 형성되는 자속에 의해 발생되는 전자기력에 의해, 무버(132)가 직선 왕복 운동될 수 있다.
무버(132)의 왕복 운동 시, 무버(132)에 연결되는 피스톤(142)이 함께 왕복 운동될 수 있다. 실린더(141) 내부에서 왕복 운동되는 피스톤(142)은, 압축실(P)의 체적을 증가 및 감소시키는 운동을 반복하게 된다.
피스톤(142)이 압축실(P)의 체적을 증가시키면서 이동될 때, 압축실(P) 내부의 압력은 감소한다. 이에, 실린더(141)에 형성된 흡입밸브(141b)가 개방되고, 흡입공간(101)에 머무르던 냉매가 압축실(P)로 흡입될 수 있다.
피스톤(142)이 압축실(P)의 체적을 감소시키면서 이동될 때, 압축실 내부의 압력은 상승한다. 압축실(P)의 압력이 기설정된 압력에 도달하면, 실린더(141)에 장착되는 토출밸브(141a)가 개방되어 냉매가 토출공간(102)으로 토출된다.
이러한 피스톤(142)의 흡입 및 압축행정이 반복되면서, 흡입배관(SP)으로 유입된 흡입공간(101)의 냉매가 압축실(P)로 흡입되어 압축되고, 토출공간(102), 루프파이프(144) 및 토출배관(DP)을 거쳐 압축기의 외부로 토출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기는, 구동유닛이 피스톤의 공진운동을 유도하는 자기적 공진스프링의 역할을 수행하게 된다. 즉, 구동유닛의 권선코일에 전류가 인가되면 스테이터에는 자속(magnetic flux)이 형성되고, 전류 인가에 의해 형성되는 자속과 마그네트에 의해 형성되는 자속의 상호 작용에 의해 무버가 왕복운동을 할 수 있는 힘이 발생될 수 있다.
여기서, 무버가 고속으로 왕복운동을 하기 위해서는 무버의 무게가 가급적 가벼워야 유리하다. 하지만, 종래의 리니어 모터 중에서 무버에 영구자석인 마그네트가 구비되는 경우에는 무버의 무게가 증가하게 되고, 이에 따라 무버를 고속으로 운동시키는데 한계가 있었다. 더욱이, 페라이트 마그네트가 사용된 경우에는 자속량을 확보하기 위해 마그네트의 사용량이 증가하게 되고, 이로 인해 무버의 무게가 더욱 증가하게 될 수 있다. 이는 자기적 공진스프링을 채용하는 리니어 모터에서 더욱 심각하게 발생되었다. 하지만, 앞서도 설명하였듯이 상대적으로 자속량이 높은 Nd 마그네트를 사용하게 되면, 마그네트의 사용량을 낮춰 무버의 무게를 경감시킬 수는 있지만 페라이트 마그네트에 비해 10배 이상 비싼 가격으로 인해 무버의 무게 경감 효과에 비해 리니어 모터 및 리니어 압축기의 제조 비용이 크게 증가할 수 있다. 또, 앞서 설명한 바와 같이 마그네트를 스테이터의 공극면에 부착하게 되면, 무버의 무게를 줄일 수는 있지만 실제 공극면의 면적이 넓지 않아 마그네트의 표면적을 확보하는데 한계가 있었다. 이는 결국 마그네트의 사용량을 제한하게 되어 저가의 페라이트 마그네트를 사용하지 못하고 고가의 Nd 마그네트를 사용하게 되므로 리니어 모터 및 리니어 압축기의 제조 비용이 상승하게 되는 문제를 야기하게 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상대적으로 저가인 페라이트 마그네트를 사용하여 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기의 생산비용을 낮추면서도, 무버의 무게를 줄여 리니어 모터의 효율을 유지하거나 높일 수 있도록 하고자 하는 것이다.
이를 위해, 본 실시예에서는 페라이트 계열의 마그네트를 무버가 아닌 스테이터에 구비하여 무버의 무게를 줄이도록 하였다. 물론, 마그네트는 반드시 페라이트 계열로 한정되는 것도 아니고, 마그네트가 무버에 전혀 사용되지 않는 것으로 한정되는 것도 아니다. 이들 다른 실시예에 대해서는 나중에 다시 설명한다.
도 3은 본 실시예에 따른 리니어 모터를 개략적으로 보인 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 도 3에 따른 리니어 모터에서 제2 요크부와 제3 요크부를 확대하여 보인 단면도이다. 도 3에 도시된 리니어 모터는 권선코일을 중심으로 축방향(이하, 무버의 왕복방향을 축방향이라고 한다) 양쪽에 각각 공극을 가지는 2공극 리니어 모터를 도시하였다. 하지만, 경우에 따라서는 권선코일을 중심으로 축방향 한쪽에만 공극을 가지는 1공극 리니어 모터에도 동일하게 적용될 수 있다. 1공극 리니어 모터에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 리니어 모터는, 스테이터(131)를 이루는 내측 고정자(131b)가 압축유닛을 이루는 실린더(141)의 외주면에 장착되어 실린더(141)를 원주 방향으로 감싸도록 배치될 수 있고, 외측 고정자(131a)는 내측 고정자(131b)를 원주 방향으로 감싸도록 배치될 수 있다.
외측 고정자(131a)와 내측 고정자(131b)는, 무버(132)가 왕복운동을 하는 공간인 공극(air gap)(134a)(134b)을 형성하도록 서로 이격 배치될 수 있다. 본 실시예의 스테이터(131)는 앞서 설명한 바와 같이 권선코일(133)의 축방향 양쪽에 각각 공극(134a)(134b)이 형성될 수 있다.
외측 고정자(131a)는 축방향 중간에 권선코일(133)이 안착되어 '∩'자 형상으로 형성되고, 내측 고정자(131b)는 축방향으로 긴 '-'자 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 외측 고정자(131a)는 중간에 권선코일홈(133a)이 형성되고, 권선코일홈(133a)의 양쪽에 앞서 설명한 공극(134a)(134b)이 각각 형성될 수 있다.
그리고 외측 고정자(131a)는 권선코일홈(133a)의 외주면을 이루는 외주면 요크부(이하, 제1 요크부)(131a1), 제1 요크부(131a1)의 양단에 연결되며 권선코일홈(133a)의 축방향 양쪽 측면을 이루는 복수 개의 측면 요크부(이하, 제2 요크부 및 제3 요크부)(131a2)(131a3)로 이루어질 수 있다.
제1 요크부(131a1)는 축방향(무버의 운동방향)으로 길게 형성되어 축방향 길이(L11)가 반경방향(무버의 운동방향에 대한 직교방향) 길이(L12)에 비해 길게 형성되고, 제2 요크부(131a2)와 제3 요크부(131a3)는 반경방향으로 길게 형성되어 각각 반경방향 길이(L22)(L32)가 축방향 길이(L21)(L31)에 비해 길게 형성될 수 있다.
그리고 제1 요크부(131a1)의 반경방향 길이(L12)는 제2 요크부(131a2) 또는 제3 요크부(131a3)의 축방향 길이(L22)(L32)에 비해 작게 형성되고, 제2 요크부(131a2) 또는 제3 요크부(131a3)의 축방향 길이(L22)(L32)는 권선코일홈(133a)의 축방향 길이(L42)보다는 작거나 같게 형성될 수 있다. 하지만, 공극(134)이 1개인 1공극 리니어 모터에서는 측면 요크부의 축방향 길이가 권선코일홈의 축방향 길이보다 길게 형성될 수도 있다.
여기서, 측면 요크부를 이루는 제2 요크부(131a2)와 제3 요크부(131a3)는 코일권선홈(133a)을 기준으로 대칭되게 형성될 수도 있고, 경우에 따라서는 비대칭적으로 형성될 수도 있다.
상기와 같이 권선코일(133)이 환형으로 감기는 경우, 자기회로는 내측 고정자를 포함하여 '제2 요크부 - 제1 요크부 - 제3 요크부 - 내측고정자'순으로 형성되거나 또는 그 반대 순으로 형성된다. 따라서, 마그네트가 스테이터에 구비되는 경우, 마그네트는 자속량을 최대로 확보할 수 있는 방향으로 구비되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 도 3과 같이, 마그네트(135)가 외측 고정자(131a)에 삽입되어 결합될 수 있다. 즉, 마그네트(135)는 측면 요크부를 이루는 제2 요크부(131a2) 및 제3 요크부(131a3)에 각각 반경방향으로 삽입되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 제2 요크부(131a2)에는 후술할 제1 마그네트(135a)가 삽입될 수 있도록 제1 삽입홈(136a)이, 제3 요크부(131a3)에는 후술할 제2 마그네트(135b)가 삽입될 수 있도록 제2 삽입홈(136b)이 형성될 수 있다. 제1 삽입홈(136a)과 제2 삽입홈(136b)은 각각 반경방향으로 길게 형성될 수 있다.
제1 삽입홈(136a) 및 제2 삽입홈(136b)은 제2 요크부(131a2) 및 제3 요크부(131a3)에서 일부분을 브릿지 형태로 남겨 홈 형상으로 형성할 수도 있지만, 제2 요크부를 이루는 제1 외측 요크부와 제1 내측 요크부 사이, 또는 제3 요크부를 이루는 제2 외측 요크부와 제2 내측 요크부 사이에 마그네트를 두고 접착하여 고정할 수도 있다. 이 경우, 요크부들 사이의 공간을 편의상 삽입홈이라고 한다.
도 4a 및 도 4b와 같이, 제1 삽입홈(136a)과 제2 삽입홈(136b)을 제외한 부분, 즉 제2 요크부(131a2)의 제2 내측요크부(131a2a)와 제2 외측요크부(131a2b), 제3 요크부(131a3)의 제3 내측요크부(131a3a)와 제3 외측요크부(131a3b)의 각 축방향 단면적(A21)(A22)는 제1 요크부(131a1)의 반경방향 단면적(A1)과 동일하거나 크게 형성되는 것이 자속의 병목을 억제할 수 있어 바람직할 수 있다.
그리고, 제1 삽입홈(136a)과 제2 삽입홈(136b)은 각각 제2 요크부(131a2)의 내주면과 제3 요크부(131a3)의 내주면을 향해 관통되도록 제1 노출공(137a)과 제2 노출공(137b)이 각각 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이를 통해, 제1 마그네트(135a)의 내주면(즉, 무버를 마주보는 면)과 제2 마그네트(135b)의 내주면이 각각의 공극(134a)(134b)을 향해 노출됨에 따라, 자속이 각 마그네트(135a)(135b)를 거치지 않고 각 외측 요크부(131a2b)(131a3b)에서 내측 요크부(131a2a)(131a3a)로 누설되는 것을 최소화할 수 있다.
이 경우, 제1 노출공(137a)과 제2 노출공(137b)은 축방향 길이를 최소한으로 형성하는 것이 가동자 코어(132b)의 축방향 길이를 줄일 수 있어 바람직할 수 있다. 가동자 코어(132b)의 축방향 길이가 짧아지면 연결프레임(132a)에 비해 단위 면적당 무게가 상대적으로 무거운 가동자 코어(132b)의 사용량이 감소되어, 그만큼 무버(132)의 무게를 줄일 수 있다. 이는, 가동자 코어(132b)의 축방향 길이와 관련 있는 각 폴부 간격을 최소한으로 작게 형성하여 구현할 수 있다. 도 5 및 도 6은 도 3에 따른 리니어 모터에서 삽입홈에 대한 다른 예들을 보인 단면도들이다.
도 5와 같이, 예를 들어, 제2 요크부(131a2)는 제1 노출공(137a)의 축방향 길이(L51)가 제1 삽입홈(136a)의 축방향 길이(L52)보다 작게 형성되어, 제1 노출공(137a)의 양단을 이루는 외측 폴부(136a1)와 내측 폴부(136a2) 사이의 간격을 최소한으로 작게 하여 구현할 수 있다. 이는, 나중에 설명할 도 11의 실시예와 같이 제1 마그네트 또는 제2 마그네트가 각각 복수 개로 구비되는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
하지만, 도 6과 같이, 제2 요크부(131a2) 및 제3 요크부(131a3)는 앞서 설명한 바와 같이 스테이터 코어의 일부분, 즉 내주면에 연결부(131a2c)(131a3c)를 브릿지 형태로 남겨 외측 요크부(131a2b)(131a3b)와 내측 요크부(131a2a)(131a3a) 사이를 연결할 수도 있다. 이를 통해, 각각의 마그네트를 용이하게 삽입하는 동시에 마그네트가 이탈되는 것을 최대한 억제할 수 있다. 다만, 이 경우, 연결부의 단면적은 양쪽의 외측 요크부(131a2b)(131a3b)와 내측 요크부(131a2a)(131a3a)의 단면적보다 현저하게 작게 형성되는 것이 자속누설을 최소화할 수 있어 바람직할 수 있다.
또, 마그네트(135a)(135b)는 축방향 양쪽 측면이 자로면적을 형성하게 되므로, 반경방향으로 가능한 한 길게, 정확하게는 제2 요크부(131a2)와 제3 요크부(131a3)의 반경방향 길이(L22)(L32)와 동일하거나 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 제1 마그네트(135a)의 반경방향 양단은 각각 제2 요크부(제3 요크부도 마찬가지이다)(131a2)의 외주면과 내주면에 대략 일치하거나 폴부만큼 작은 길이로 형성될 수 있다. 물론, 마그네트는 도 3과 같이 한 개의 마그네트로 형성될 수 있지만, 경우에 따라서는 복수 개로 나눠 형성될 수도 있다. 이는 마그네트의 조립공정을 고려하는 것으로, 가능하면 한 개로 형성하는 것이 더 바람직할 수 있다. 또, 복수 개로 나눠 형성하는 경우 서로 다른 재질의 마그네트로 형성할 수 있으나, 이에 대해서는 나중에 다른 실시예로 설명한다.
또, 마그네트(135a)(135b)는 외측 고정자(131a)의 형상에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 외측 고정자(131a)가 원통 형상으로 형성되는 경우에는 마그네트 역시 환형으로 형성되거나 내주면과 외주면의 길이가 다른 원호 형상으로 형성될 수 있다. 하지만, 외측 고정자(131a)가 복수 개의 라미네이션 시트를 적층하여 블록 형상의 스테이터 코어로 형성되는 경우에는 축방향 투영시 각 스테이터 코어의 내주면과 외주면의 길이가 동일한 원호 형상으로 형성됨에 따라, 마그네트 역시 외측 고정자(131a)를 이루는 스테이터 코어의 형상과 같은 내주면과 외주면의 길이가 동일한 원호 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 이 경우 마그네트는 스테이터 코어와 원주방향으로 동일한 단면적을 가지도록 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 마그네트가 스테이터 코어의 원주방향으로 약간 돌출되도록 형성되어 자속밀도를 높일 수도 있다.
또, 마그네트(135a)(135b)의 자로면적은 축방향 양쪽 측면의 면적과 비례하게 되므로, 마그네트의 축방향 두께(L52)는 크게 중요하지 않을 수 있다. 다만, 마그네트(135a)(135b)의 축방향 두께가 너무 두꺼우면 제2 요크부(131a2) 또는 제3 요크부(131a3)의 자로면적이 감소되어 병목이 발생할 수 있다. 따라서, 마그네트의 축방향 두께(L52)는 그 마그네트(135a)(135b)가 삽입되는 요크부의 축방향 길이(L21)(L22) 대비 대략 1/3 이하가 되도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
또, 마그네트(135a)(135b)는 제2 요크부(131a2)에 삽입되는 제1 마그네트(135a)와 제3 요크부(131a3)에 삽입되는 제2 마그네트(135b)는 착자방향이 서로 반대가 되도록 착자될 수 있다. 이에 따라, 무버(132)에 대해 추력과 복귀력이 발생하여 무버(132)가 왕복운동을 할 수 있다.
한편, 무버(132)는 공극(134a,134b) 내에 왕복 운동 가능하도록 위치될 수 있다. 무버(132)는 앞서 설명한 것과 같이 연결 프레임(132a)에 의해 피스톤(142)과 고정될 수 있다. 무버(132)는 실린더(141)의 축방향으로 왕복 운동을 구현하기 위해, 가동자 코어(132b)를 구비할 수 있다.
가동자 코어(132b)는 복수 개의 가동자 시트를 원주방향으로 적층하거나 또는 축방향으로 적층하여 형성되어, 연결 프레임(132a)에 접착되거나 또는 별도의 고정부재에 의해 고정 결합될 수 있다. 가동자 코어(132b)는 공극(134a)(134b)의 반경방향 간격을 최소화하기 위해 연결 프레임(132a)에 삽입되어 결합되는 것이 바람직할 수 있다. 참고로, 도 3을 비롯한 본 명세서의 도면들에서는 연결 프레임과 가동자 코어의 결합관계를 구체적으로 도시하지 않았지만, 가동자 코어는 연결 프레임에 몰딩되거나 삽입되어 부착되거나 요철 결합되어 고정되는 것으로 이해될 수 있다.
또, 가동자 코어(132b)는 외측 고정자(131a)의 제2 요크부(131a2)와 제3 요크부(131a3)에 각각 대응하도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 무버(132)가 스테이터(131)의 중심에서 정렬된 상태(이하, 정렬 상태)에서 가동자 코어(132b)는 제1 마그네트(135a)와 제2 마그네트(135b)에 각각 반경방향으로 중첩될 수 있는 위치에 제1 가동자 코어(132b1)와 제2 가동자 코어(132b2)가 구비되되, 가능한 한 정렬 상태에서는 제1 마그네트(135a)의 축방향 중심과 제1 가동자 코어(132b1)의 축방향 중심이, 제2 마그네트(135b)의 축방향 중심과 제2 가동자 코어(132b2)의 축방향 중심이 각각 일치하도록 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
또, 도 3과 같이 각 가동자 코어(132b1)(132b2)의 축방향 길이(L61)(L62)는 각 마그네트의 축방향 두께(L71)(L72), 즉 제1 삽입홈(136a)과 제2 삽입홈(136b)의 축방향 길이(L52)보다 길게 형성되되, 무버(132)의 왕복운동시 각 가동자 코어(132b)의 적어도 일부가 각 마그네트(135a)(135b)에 반경방향으로 중첩될 수 있는 정도의 길이로 형성되는 것이 복원력을 유지할 수 있어 바람직할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 무버는 다음과 같이 동작된다. 도 7a 내지 도 7c는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 유기전압이 형성되는 예를 설명하기 위해 보인 개략도들이고, 도 8a 및 도 8b는 추력 발생 원리를 설명하기 위해 보인 개략도들이다.
즉, 도 7a와 같이, 가동자 코어(132b)가 정렬 상태(무버의 위치는 0)에서는 스테이터에 주 자로가 흐르지 않게 되므로 쇄교자속 역시 영(zero)이다.
다음, 도 7b 및 도 7c와 같이, 권선코일(133)에 전원이 인가되어 무버(132)가 도면의 우측 또는 좌측으로 이동한 경우에는 스테이터(131)에는 반시계 방향 또는 시계 방향으로 자속이 흐르게 된다. 이때, 주 자속(A1)(A2)은 권선코일(133)과 쇄교하는 자속이므로 가동자 코어(132b1)(132b2)에 유기전압이 발생하게 된다.
상기와 같이 유기전압이 발생되면, 권선코일(133)에 인가되는 전류의 방향에 따라 무버(132)가 도면의 좌우방향으로 추력이 발생하게 된다. 예를 들어, 도 8a와 같이 전류가 지면에 대해 나오는 방향으로 흐르는 경우에는 권선코일(133)의 주 자속(A2)은 시계 방향으로 흐르게 된다. 이때, 주 자속(A2)은 제1 마그네트(135a)에 의한 마그네트 자속(B2)과 합해지는 방향, 즉 음의 방향(도면의 좌측방향)으로 추력이 발생하게 된다.
반면, 도 5b와 같이, 전류가 지면으로 들어가는 방향으로 흐르는 경우에는 권선코일(133)의 주 자속(A1)은 반시계 방향으로 흐르게 된다. 이때, 주 자속(A1)은 제2 마그네트(135b)에 의한 마그네트 자속(B2)과 합해지는 방향, 즉 양의 방향(도면의 우측방향)으로 추력이 발생하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 스테이터(131)와 무버(132)는, 피스톤(142)의 왕복 운동을 위한 추력외에 복원력도 함께 발생하게 된다. 여기서, 추력(推力)은 무버(132)를 운동 방향으로 미는 힘을 의미하며, 구체적으로, 압축행정시에는 상사점을 향하고 흡입행정시에는 하사점을 향하는 방향으로 작용된다. 반면, 복원력은 무버(132)를 기준 위치(0) 방향으로 당기는 힘을 의미한다. 즉, 복원력은 기준 위치(0)에서 그 값이 0이 될 수 있고, 기준 위치(0)에서 멀어져 상사점 또는 하사점으로 갈수록 각각 증가 또는 감소되면서 기준 위치(0)에서 멀리 벗어날수록 그 절대값이 증가되는 경향을 갖게 된다. 이에 따라, 피스톤(142)은 자기적 공진스프링에 의해 압축실의 냉매를 압축하여 토출시킬 수 있게 된다.
상기와 같이, 외측 고정자에 마그네트가 삽입됨에 따라 마그네트의 표면적을 증대시킬 수 있고, 마그네트의 표면적이 증대됨에 따라 상대적으로 자속밀도가 낮지만 저가인 페라이트 계열의 마그네트를 사용하면서도 필요한 리니어 모터의 출력을 확보할 수 있다. 이에 따라, 리니어 모터의 생산비용을 절감할 수 있다.
아울러, 무거운 마그네트는 스테이터에 삽입하여 고정하고 무버에는 상대적으로 가벼운 가동자 코어를 장착함에 따라, 무버의 무게를 줄여 동일한 용량 대비 리니어 모터의 고속화를 구현할 수 있다.
나아가, 마그네트를 요크부에 반경방향으로 삽입하여 고정함에 따라, 마그네트의 사용량을 확대하면서도 리니어 모터의 크기가 비대해지는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 동일한 용량 대비 리니어 모터 및 리니어 압축기의 제조 비용은 낮추면서도 소형화를 이룰 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 리니어 모터에서 마그네트에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 제1 마그네트와 제2 마그네트가 각각 한 개의 스테이터 코어 당 한 개씩으로만 구비되는 것이나, 본 실시예와 같이 한 개의 스테이터 당 복수 개로 구비될 수도 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 제1 마그네트(135a)와 제2 마그네트(135b)는 각각 복수 개씩으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 마그네트(135a)는 외측 고정자(131a)의 제2 요크부(131a2)에서 반경방향으로 삽입하여 고정하되, 제2 요크부(131a2)의 내주면을 이루는 폴부(미도시)에서 중간 높이까지는 제1 내측 마그네트(135a1)가, 제2 요크부(131a2)의 중간 높이에서 외주면까지는 제1 외측 마그네트(135a2)가 각각 구비될 수 있다.
여기서, 제1 내측 마그네트(135a1)와 제2 외측 마그네트(135a2)는 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 내측 마그네트(135a1)는 페라이트 마그네트로, 제1 외측 마그네트(135a2)는 희토류의 Nd 마그네트로 이루어질 수 있다.
상기와 같이, 상대적으로 자속량이 높은 Nd 계열의 마그네트가 일부 사용됨에 따라, 전체 마그네트에 대한 비용은 종래에 비해 개선할 수 있으면서 모터의 자속량은 전술한 실시예에 비해 개선될 수 있다.
아울러, 제1 내측 마그네트(135a1)와 제1 외측 마그네트(135a2)의 재질을 반대로 배치할 수도 있다. 즉, 앞서 설명한 실시예와는 반대로 제1 내측 마그네트(135a1)는 Nd 마그네트로, 제1 외측 마그네트(135a2)는 페라이트 마그네트로 각각 형성할 수 있다.
나아가, 제1 내측 마그네트(135a1)와 제1 외측 마그네트의 반경방향 길이나 축방향 두께를 다르게 형성할 수도 있다. 예를 들어, 모터의 제조비용을 고려한다면 페라이트 마그네트를 더 길게 형성하거나, Nd 마그네트의 두께를 페라이트 마그네트의 두께보다 얇게 형성하는 것이 유리할 수 있다. 반면, 모터의 출력을 고려한다면 Nd 마그네트를 페라이트 마그네트에 비해 더 길게 형성할 수 있다. 모터의 출력을 고려한 경우, Nd 마그네트를 페라이트 마그네트보다 더 길게 형성하면서도 두께는 얇게 형성하여 제조 비용이 과도하게 상승하는 것을 억제할 수도 있다. 도 10은 Nd 마그네트인 제1 외측 마그네트(135a2)의 두께를 페라이트 마그네트인 제1 내측 마그네트(135a1)의 두께보다 얇게 형성한 예를 보인 실시예이다.
상기와 같이, 제1 내측 마그네트(135a1)와 제1 외측 마그네트(135a2)의 축방향 두께를 동일하게 형성하는 경우에는 내측 마그네트의 재질과 외측 마그네트의 재질은 굳이 한정할 필요가 없다. 하지만, 제1 내측 마그네트(135a1)와 제1 외측 마그네트(135a2)의 축방향 두께를 상이하게 형성하는 경우, 즉, Nd 마그네트가 페라이트 마그네트에 비해 얇게 형성하게 되는 경우에는 페라이트 마그네트가 내측 마그네트 자리에 위치하는 것이 유리할 수 있다. 만약, 얇은 Nd 마그네트가 내측 마그네트 자리에 위치할 경우 무버(132)의 스트로크를 감안한 가동자 코어의 길이가 길어져야 하고, 이로 인해 연결 프레임에 비해 상대적으로 무거운 가동자 코어의 길이가 길어져 그만큼 무게의 감소효과가 반감될 수 있다. 따라서, Nd 마그네트가 페라이트 마그네트에 비해 얇게 형성하는 경우에는 페라이트 마그네트가 내측 마그네트 자리에 위치하는 것이 바람직할 수 있다. 앞서 설명한 실시예는 제2 마그네트에도 동일하게 적용될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 본 발명에 의한 리니어 모터의 마그네트 구조에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 제2 요크부 및 제3 요크부에 각각 축방향으로 한 개씩의 마그네트가 구비되는 것이나, 본 실시예와 같이 제2 요크부와 제3 요크부에 각각 축방향으로 복수 개씩의 마그네트가 구비될 수도 있다. 도 11은 본 실시예에 따른 리니어 모터에서, 마그네트에 대한 다른 실시예를 보인 개략도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 마그네트(135a) 또는 제2 마그네트(135b) 중에서 적어도 어느 한 쪽 마그네트는 복수 개의 마그네트가 축방향을 따라 일정 간격을 두고 이격되어 구비될 수 있다. 도면에서는 제1 마그네트(135a)와 제2 마그네트(135b) 모두 복수 개의 마그네트로 이루어진 예를 도시하고 있다. 이하에서는 제1 마그네트를 대표예로 살펴보고, 제2 마그네트는 제1 마그네트의 설명으로 대신한다.
제1 마그네트(135a)는 축방향으로 이격되어 복수 개가 구비될 수 있다. 이에 따라, 제1 마그네트(135a)는 권선코일(133)에서 먼 쪽의 제1 전방 마그네트(135a3), 가까운 쪽의 제1 후방 마그네트(135a4)로 이루어지고, 제1 전방 마그네트(135a3)와 제1 후방 마그네트(135a4)의 사이에는 제2 요크부(131a2)의 일부를 이루는 제1 이격부(138a)가 위치할 수 있다. 제1 이격부(138a)는 일종의 자기 저항을 형성하면서 감자와 같은 자기회를 효과적으로 형성할 수 있다.
여기서, 제2 마그네트(135b)는 권선코일(133)을 기준으로 그 권선코일(133)에 먼 쪽을 제2 후방 마그네트(135b3), 가까운 쪽을 제2 전방 마그네트(135b4)라고 할 수 있다. 도면중 138b는 제2 이격부이다.
상기와 같이, 제1 전방 마그네트(135a3)와 제1 후방 마그네트(135a4)의 사이, 제2 후방 마그네트(13ba3)와 제2 전방 마그네트(135b4) 사이에 각각 이격부(138a)(138b)를 구비하게 되면, 자기 저항을 형성하거나 감자를 이뤄 효과적인 자기회로를 형성할 수 있게 된다. 특히, 이격부(138a)(138b)의 두께를 적절하게 설정하여 자기 저항을 조절하게 되면, 리니어 모터의 추력 상수가 변화되고 자기적 공진 스프링의 강성이 조절될 수 있다. 이에 따라, 기계적인 공진 스프링이 자기적 공진 스프링으로 대체되는 설계가 가능하게 되면서, 리니어 압축기의 경량화 및 제작 비용 절감이 달성될 수 있다.
또, 자기저항(이격부)(138a)(138b)의 설계에 따라 고속 운전에 적합하도록 스프링의 강성을 증가시킬 수 있어, 기계적인 공진 스프링이 강성 증가 시 진동되는 질량이 함께 증가되는 것에 비해 효율적이다.
한편, 본 발명에 의한 리니어 모터의 마그네트 구조에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다. 즉, 전술한 실시예들에서는 무버에 가동자 코어만 구비될 뿐 마그네트는 스테이터에 구비되는 것이었으나, 본 실시예는 무버에도 영구자석인 마그네트가 구비되는 것이다. 도 12는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 무버에 마그네트가 구비된 예를 보인 개략도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 연결 프레임(132a)의 원통부에는 제3 마그네트(135c)가 구비될 수 있다. 제3 마그네트(135c)는 가동자 코어(132b)와 마찬가지로 연결 프레임(132a)의 원통부에 구비된 홈에 삽입되어 결합될 수 있다.
그리고 제3 마그네트(135c)는 양쪽 가동자 코어, 즉 제1 마그네트(135a)에 대응되는 제1 가동자 코어(132b1)와 제2 마그네트(135b)에 대응되는 제2 가동자 코어(132b2)의 사이에 구비되는 것으로, 대략 권선코일(133)과 반경방향으로 중첩되는 위치에 구비될 수 있다.
그리고, 제3 마그네트(135c)는 페라이트 마그네트로 형성될 수도 있다. 다만, 제3 마그네트(135c)가 페라이트 마그네트인 경우는 마그네트의 축방향 길이가 길어져 무버의 무게를 증가시키는 반면, 제3 마그네트(135c)가 Nd 마그네트인 경우에는 마그네트의 축방향 길이가 짧아져 무게의 무게를 줄일 수 있다.
그리고, 제3 마그네트(135c)의 축방향 길이(L81)는 제1 요크부(131a2)의 폴부와 제3 요크부(131a3)의 폴부 사이의 최소 간격(L82)보다는 길거나 같게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 하지만, 제3 마그네트(135c)의 축방향 길이(L81)가 양쪽 폴부의 최소 간격(L82)보다 길어지기 위해 제3 마그네트(135c)의 축방향 길이(L81)를 길게 형성하면 앞서 설명한 바와 같이 무버의 무게가 증가할 수 있다. 따라서, 무버(132)의 무게가 증가하는 것을 억제하면서도 제3 마그네트(135c)의 축방향 길이(L81)를 적정하게 확보하기 위해서는 양쪽 폴부의 단부가 권선코일(133)을 향해 길게 연장되도록 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 12와 같이 외측 고정자(131a)에 제1 마그네트(135a)와 제2 마그네트(135b)가 구비되는 경우라면 제3 마그네트(135c)의 착자방향은 반경방향, 즉 내측에서 외측으로 자속이 형성될 수 있도록 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
상기와 같이, 무버(132)에 제3 마그네트(135c)가 구비되는 경우에는 모터의 자속량이 증가하게 되면서 모터를 더욱 소형화할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 리니어 모터의 마그네트 구조에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다. 즉, 전술한 실시예들에서는 제1 마그네트와 제2 마그네트가 대칭인 경우를 설명하였으나, 본 실시예와 같이 제1 마그네트와 제2 마그네트가 비대칭으로 구비될 수도 있다. 도 13a 및 도 13b는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 제1 마그네트와 제2 마그네트에 대한 다른 실시예들을 보인 개략도들이다.
예를 들어, 도 13a 및 도 13b와 같이, 제1 마그네트(135a)의 표면적이 제2 마그네트(135b)의 표면적보다 크게 형성될 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 반대로 형성될 수 있다. 다만, 도 13a 및 도 13b의 경우에는 압축실에 가깝게 위치하는 마그네트(도면에서는 제1 마그네트)가 그 반대쪽에 위치하는 마그네트의 표면적보다 넓게 형성되는 것이 유리할 수 있다. 통상, 리니어 압축기의 특성상 압축실에서 압축되는 냉매는 가스력이 발생하게 되어 압축행정시 추력이 더 많이 요구될 수 있다. 따라서, 자기회로가 동일한 조건이라면 압축실에 근접한 마그네트(예를 들어, 제1 마그네트)의 표면적이 제2 마그네트의 표면적보다 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
이를 위해, 도 13a와 같이 제1 마그네트(135a)의 반경방향 길이가 제2 마그네트(135b)의 반경방향 길이보다 크게 형성되거나, 또는 도 13b와 같이 제1 마그네트는 복수 개로, 제2 마그네트는 한 개로 구비될 수도 있다. 또, 도면으로 도시하지는 않았으나, 제1 마그네트는 Nd 마그네트로, 제2 마그네트는 페라이트 마그네트로 적용될 수도 있다.
상기와 같이 제1 마그네트의 표면적과 제2 마그네트의 표면적이 대칭인 경우에는 무버의 움직임이 일정하게 되어 신뢰성이 향상될 수 있다. 하지만, 앞서 설명한 바와 같이 리니어 압축기의 특성상 압축실의 압력에 의해 피스톤과 무버가 후방측(압축실에서 멀어진 방향)으로 약간 밀려날 수 있으므로, 이를 보상하기 위해서는 제1 마그네트와 제2 마그네트의 표면적이 비대칭인 것, 특히 제1 마그네트의 표면적이 더 큰 경우가 압축기를 압축행정시 유리할 수 있다.
한편, 도 14와 같이, 제4 마그네트(135d)는 내측 고정자(131b)의 내부 또는 공극을 이루는 면에 축방향으로 길게 구비될 수도 있다. 이 경우, 내측 고정자(131b)는 다수 개의 라미네이션 시트를 방사상으로 적층하여 원통형으로 형성됨에 따라, 마그네트를 원통형 또는 원호 형상으로 형성하여 내측 고정자(131b)에 축방향으로 길게 삽입할 수 있다.
상기와 같이 내측 고정자에 마그네트를 삽입하는 경우에도 마그네트의 표면적을 확대할 수 있어, 페라이트 마그네트를 사용하면서도 필요한 정도의 출력을 확보할 수 있는 것은 전술한 실시예들과 유사하다. 다만, 이 경우에는 내측 고정자에 마그네트가 구비됨에 동일 출력 대비 리니어 모터 및 리니어 압축기를 소형화할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서는 권선코일의 양쪽에 각각 공극이 구비되는 리니어 모터에 대해 살펴보았으나, 권선코일의 일측에만 공극이 형성되고 권선코일의 타측은 요크부를 이루는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 본 실시예의 경우에는 도 15와 같이 권선코일(133)의 양쪽에 위치하는 요크부 중에서 공극(134)을 이루는 요크부(131a3)에만 마그네트(135b)가 구비될 수 있다. 이 경우 마그네트가 구비되는 요크부의 축방향 길이를 줄이면서도 마그네트의 사용량은 확보할 수 있어 소형화에 유리할 수 있다. 이 경우, 페라이트 마그네트를 사용하여 제조 비용을 줄이거나 Nd 마그네트를 사용하여 모터 효율을 높일 수 있다.
또, 도면으로 도시하지는 않았으나, 권선코일의 양쪽에 위치하는 요크부에 각각 마그네트가 삽입될 수도 있다. 이 경우에는 양쪽 요크부가 비대칭을 이룸에 따라, 양쪽 마그네트 역시 비대칭을 이룰 수 있다. 이 경우에도 마그네트의 사용량을 늘릴 수 있어 페라이트 마그네트와 같은 저가의 마그네트를 사용하면서도 모터 효율은 유지할 수 있다.

Claims (16)

  1. 공극(air gap)을 구비하는 스테이터;
    상기 스테이터에 구비되는 코일;
    상기 공극에서 왕복운동을 하는 무버; 및
    상기 스테이터에 고정되는 적어도 한 개 이상의 마그네트;를 포함하고,
    상기 마그네트는,
    상기 무버의 왕복방향에 대해 교차하는 방향인 제1 방향으로의 길이가 상기 무버의 왕복방향인 제2 방향으로의 길이보다 길게 형성되는 마그네트;를 포함하는 리니어 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트는, 상기 코일이 구비되는 스테이터에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마그네트는, 상기 코일을 기준으로 할 때, 상기 무버의 왕복방향 양쪽 중에서 적어도 어느 한 쪽에 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트는, 전체가 페라이트 마그네트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트는, 복수 개의 재질로 이루어지고, 상기 복수 개의 재질 중에서 적어도 일부는 페라이트 마그네트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 마그네트 중에서 상기 페라이트 마그네트가 다른 계열의 마그네트보다 표면적이 넓은 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트는 상기 무버의 운동방향인 제2 방향에서 상기 코일을 중심으로 어느 한 쪽에 위치하는 마그네트는 복수 개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 마그네트는, 상기 제2 방향으로 일정 간격만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 마그네트는, 상기 제1 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터는, 축방향인 제2 방향으로 자로를 이루는 제1 요크부, 상기 제1 요크부의 양쪽에 위치하며 반경방향인 제1 방향으로 자로를 이루는 제2 요크부 및 제3 요크부를 포함하고,
    상기 제2 요크부와 제3 요크부에는 상기 마그네트가 삽입되는 제1 삽입홈과 제2 삽입홈이 상기 제1 방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 삽입홈은 상기 제2 요크부의 제2 방향 중심에 위치하고, 상기 제2 삽입홈은 상기 제3 요크부의 제2 방향 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 요크부 또는 제3 요크부 중에서 상기 제1 삽입홈과 제2 삽입홈을 제외한 부분의 제1 방향 단면적은 상기 제1 요크부의 제2 방향 단면적과 각각 동일하거나 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 무버에는 영구자석이 아닌 자성체 코어가 구비되고, 상기 자성체 코어의 제2 방향 길이는 상기 마그네트의 제2 방향 길이보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 무버는 적어도 한 개 이상의 자성체 코어가 구비되며, 상기 무버와 스테이터의 제2 방향 중심이 일치한 정렬상태에서, 상기 자성체 코어는 상기 마그네트와 제2 방향으로 중첩되는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 무버는 마그네트가 더 구비되고, 상기 무버에 구비되는 마그네트는 상기 무버와 스테이터의 제2 방향 중심이 일치한 정렬상태에서, 상기 스테이터에 구비되는 마그네트와 제2 방향으로 중첩되지 않는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
  16. 무버가 왕복운동을 하는 구동유닛;
    상기 구동유닛의 무버에 결합된 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 압축유닛;을 포함하고,
    상기 구동유닛은 상기 제1항 내지 제15항 중 적어도 어느 한 항의 리니어 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
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