KR20200021315A - 리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 리니어 압축기는, 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤, 상기 피스톤에 구동력을 제공하는 모터, 상기 모터와 관련된 모터 전류 및 모터 전압을 감지하는 감지부 및 상기 모터 전류 및 상기 모터 전압을 이용하여 상기 피스톤의 스트로크를 추정하고, 상기 스트로크의 위상과 상기 모터 전류의 위상 사이의 차이를 산출하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 모터에 구비된 코일의 자속 포화를 방지하도록, 상기 산출된 위상 차이에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 설정하는 것을 특징으로 한다.

Description

리니어 압축기 및 리니어 압축기의 제어 방법{LINEAR COMPRESSOR AND METHOD FOR CONTROLLING LINEAR COMPRESSOR}

본 명세서는 리니어 압축기 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치로서 냉동기기, 예를 들어 냉장고나 공기조화기 등의 일부분으로 사용된다.

압축기는 크게 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor)와, 회전식 압축기(Rotary Compressor)와, 스크롤식 압축기(Scroll Compressor)로 구분된다. 왕복동식 압축기는, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시킨다. 회전식 압축기는, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시킨다. 스크롤식 압축기는, 선회 스크롤(Orbiting Scroll)과 고정 스크롤(Fixed Scroll) 사이에 작동가스가 흡입 또는 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 신회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시킨다.

왕복동식 압축기는 내부 피스톤을 실린더의 내부에서 선형으로 왕복 운동시킴으로써 냉매 가스를 흡입, 압축 및 토출한다. 왕복동식 압축기는 피스톤을 구동하는 방식에 따라 크게 레시프로(Recipro) 방식과 리니어(Linear) 방식으로 구분된다.

레시프로 방식이라 함은 회전하는 모터(Motor)에 크랭크샤프트(Crankshaft)를 결합하고, 크랭크샤프트에 피스톤을 결합하여 모터의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환하는 방식이다. 반면, 리니어 방식이라 함은 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.

이러한 왕복동식 압축기는 구동력을 발생하는 전동 유닛과, 전동 유닛으로부터 구동력을 전달받아 유체를 압축하는 압축 유닛으로 구성된다. 전동 유닛으로는 일반적으로 모터(motor)를 많이 사용하며, 상기 리니어 방식의 경우에는 리니어 모터(linear motor)를 이용한다.

리니어 모터는 모터 자체가 직선형의 구동력을 직접 발생시키므로 기계적인 변환 장치가 필요하지 않고, 구조가 복잡하지 않다. 또한, 리니어 모터는 에너지 변환으로 인한 손실을 줄일 수 있고, 마찰 및 마모가 발생하는 연결 부위가 없어서 소음을 크게 줄일 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한, 리니어 방식의 왕복동식 압축기(이하, 리니어 압축기(Linear Compressor)라 함)를 냉장고나 공기조화기에 이용할 경우에는 리니어 압축기에 인가되는 스트로크 전압을 변경하여 줌에 따라 압축 비(Compression Ratio)를 변경할 수 있어 냉력(Freezing Capacity) 가변 제어에도 사용할 수 있는 장점이 있다.

최근, 리니어 압축기를 소형화하기 위해, 리니어 모터의 크기를 감소시키면서도, 그 성능을 유지하기 위한 기술이 개발되고 있다. 그러나, 모터의 크기가 감소됨에 따라 과부하 조건에서 자속 포화 현상이 더 쉽게 발생하는 문제점이 있다.

즉, 모터의 크기를 소형화할 수록 권선수를 높이기 위하여 모터 코어의 크기가 감소되므로, 모터의 자속이 더 쉽게 포화될 수 있다. 아울러, 자속 포화인 상태에서 모터의 동작을 제어하는 경우, 모터가 비정상 운전을 수행하는 문제점이 발생한다.

특히, 피스톤의 상사점이 가변적인 리니어 압축기의 경우, 모터의 비정상 운전에 의해, 피스톤과 실린더의 토출부 상호 간 충돌이 발생할 수 있다. 따라서, 리니어 압축기를 소형화하면서도 성능 안정성을 유지하기 위해서는, 소형화된 모터의 자속 포화 현상을 방지할 수 있는 기술이 필요하다.

이러한 리니어 압축기와 관련하여 한국 공개특허 10-2001-0046224호(2003년 02월 12일 공개)에서는, 모터전류와 스트로크의 위상 차를 이용하여 리니어 모터를 제어하는 기술을 개시한다.

그러나, 한국 공개특허 10-2001-0046224호에 개시된 리니어 모터의 제어 기술은, 모터의 자속 포화 현상을 전혀 고려하지 않으므로, 상술한 문제점이 여전히 존재하는 실정이다.

본원발명의 기술적 과제는 위와 같은 종래 리니어 압축기의 문제점을 해결하는 것으로서, 모터의 코일이 자속 포화 상태로 진입하는 것을 방지할 수 있는 리니어 압축기 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 기술적 과제는, 코일의 자속 포화가 발생할 수 있는 가능성을 기준으로, 복수의 동작 모드를 수행하는 리니어 압축기 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 개시된 리니어 압축기는, 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤에 구동력을 제공하는 모터와, 상기 모터와 관련된 모터 전류 및 모터 전압을 감지하는 감지부 및 상기 모터 전류 및 상기 모터 전압을 이용하여 상기 피스톤의 스트로크를 추정하고, 상기 스트로크의 위상과 상기 모터 전류의 위상 사이의 차이를 산출하는 제어부를 포함한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 제어부는 상기 모터에 구비된 코일의 자속 포화를 방지하도록 산출된 위상 차이에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 설정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 거리가 미리 설정된 거리 보다 크게 형성되는 경우 상기 산출된 위상 차이와 미리 설정된 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 실린더의 일측에는 토출부가 구비되고, 제어부는 상기 피스톤의 상사점이 상기 토출부로부터 소정의 거리 이내에 형성되면, 상기 산출된 위상 차이와 상기 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 모터에 비대칭 전류가 인가되면, 상기 산출된 위상 차이와 상기 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 모터에 소정의 전류 값보다 큰 전류가 인가되면, 상기 산출된 위상 차이와 상기 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 산출된 위상 차이를 이용하여 위상차 변수를 산출하고, 산출된 위상차 변수가 상기 기준 위상 값보다 크면, 상기 모터의 운전 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 미리 설정된 주기마다 상기 위상차 변수를 갱신하고, 갱신된 위상차 변수가 상기 기준 위상 값보다 클때마다 상기 모터의 운전 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 운전 주파수와 상기 위상차 변수의 상관 관계와 관련된 정보를 이용하여, 상기 운전 주파수의 증가폭을 설정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 모터에 구비된 코일에 형성된 자속의 변화를 모니터링하고, 모니터링결과에 근거하여 상기 운전 주파수의 증가폭을 변경시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 기준 위상 값과 별도로, 한계 위상 값을 설정하고, 상기 산출된 위상차 변수가 상기 한계 위상 값보다 작으면, 상기 모터의 운전 주파수를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 리니어 압축기가 설치된 전자기기로부터 부하의 크기와 관련된 정보를 입력받고, 상기 부하의 크기가 소정의 부하 값보다 크면, 상기 코일의 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드로 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 상기 모터전압의 적분 값을 산출하고, 산출된 적분 값이 소정의 적분 값보다 크면, 상기 코일의 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드로 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 제어부는 모터전류 및 상기 모터전류를 이용하여 크레스트 팩터(Crest Factor)를 산출하고, 산출된 크레스트 팩터가 소정의 값보다 크면, 상기 코일의 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드로 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본원발명에 따른 리니어 압축기는, 부하 조건이나 동작 모드에 따라 운전 주파수를 가변적으로 설정함으로써, 모터 코일의 자속이 포화되는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본원발명에 따르면, 모터의 마그넷에 의해 발생되는 자속과, 모터전류에 의해 발생되는 자속 사이의 위상 차이를 증가시킴으로써, 코일의 자속 포화를 방지하고, 리니어 압축기의 제어 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 도출된다.

도 1a는 일반적인 레시프로 방식의 왕복동식 압축기의 일 예를 나타내는 개념도.
도 1b는 일반적인 리니어 방식의 앙복동식 압축기의 일 예를 나타내는 개념도.
도 2는 리니어 압축기의 구성요소를 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법을 나타내는 흐름도.
도 5는 리니어 압축기에 포함된 모터의 코일에 형성되는 자속을 나타내는 그래프.

본 명세서에 개시된 발명은 리니어 압축기의 제어 장치 및 리니어 압축기의 제어 방법에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 기존의 모든 압축기의 제어 장치, 압축기의 제어 방법, 모터 제어 장치, 모터 제어 방법, 모터의 소음 테스트 장치 및 모터의 소음 테스트 방법에도 적용될 수 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

이하의 도 1a에서는 일반적인 레시프로 방식의 왕복동식 압축기의 일 예가 설명된다.

위에서 설명된 것과 같이, 레시프로 방식의 왕복동식 압축기에 설치된 모터는 크랭크샤프트(1a)와 결합될 수 있으며, 이로써 모터의 회전 운동이 직선 왕복운동을 변환될 수 있다.

도 1a에 도시된 것과 같이, 레시프로 방식의 압축기에 설치된 피스톤은, 크랭크샤프트의 사양 또는 크랭크샤프트와 피스톤을 연결시키는 커넥팅로드의 사양에 의해 기 설정된 위치범위 내에서 직선 왕복운동을 수행할 수 있다.

따라서, 레시프로 방식의 압축기를 설계함에 있어서, 피스톤이 상사점(TDC)단을 초과하지 않도록 크랭크샤프트 및 커넹틱로드의 사양을 결정하면, 별도로 모터 제어 알고리즘을 적용하지 않아도, 피스톤이 실린더의 일단에 배치된 토출부(2a)와 충돌하지 않는다.

이 경우, 레시프로 방식의 압축기에 설치된 토출부(2a)는 실린더에 대해 고정적으로 설치될 수 있다. 일 예로, 토출부(2a)는 밸브 플레이트로 형성될 수 있다.

다만, 이러한 레시프로 방식의 압축기는 추후 설명될 리니어 방식의 압축기와 달리, 크랭크샤프트, 커넥팅로드, 피스톤 상호간에 마찰을 발생시키므로, 마찰을 발생시키는 요소가 리니어 방식의 압축기가 보다 더 많은 문제점이 있다.

이하의 도 1b에서는 일반적인 리니어 방식의 왕복동식 압축기의 일 예가 설명된다. 또한, 도 1c에서는 일반적인 리니어 방식의 왕복동식 압축기의 상사점 제어에 이용되는 다양한 파라미터들과 관련된 그래프가 도시된다.

도 1a 및 도 1b를 비교하면, 크랭크샤프트 및 커넥팅로드가 연결된 모터에 의해 직선 운동을 구현하는 레시프로 방식과 달리, 리니어 방식의 압축기는 직선 운동하는 모터의 가동자에 피스톤을 연결하여 모터의 직선 운동으로 피스톤을 왕복운동시키는 방식이다.

도 1b에 도시된 것과 같이, 리니어 방식의 압축기의 실린더와 피스톤 사이에는 탄성부재(1b)가 연결될 수 있다. 피스톤은 리니어 모터에 의해 직선 왕복운동을 수행할 수 있으며, 리니어 압축기의 제어부는 피스톤의 운동 방향을 전환시키기 위해 리니어 모터를 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 1b에 도시된 리니어 압축기의 제어부는 피스톤이 토출부(2b)에 충돌하는 시점을, 피스톤이 상사점에 도달한 시점을 판단할 수 있고, 이로써, 피스톤의 운동 방향을 전환시키기 위해 리니어 모터를 제어할 수 있다.

이하, 도 2에서는 리니어 압축기의 동작을 제어하기 위한 구성요소들이 설명된다.

도 2에 도시된 것과 같이, 리니어 압축기는 전압 검출부(21), 전류 검출부(22), 스트로크 연산부(23), 스트로크 위상 검출부(24), 모터전류 위상 검출부(25), 위상차 연산부(26), 인버터(27) 및 압축기 제어부(25)를 포함할 수 있다.

이때, 제어부(25)는 리니어 압축기의 동작과 관련된 다양한 제어명령을 발생키는 구성요소로 정의된다. 따라서, 제어부(25)는 리니어 압축기를 구비하는 전자기기(ex, 냉장고)의 제어장치(28)와는 별도로 구성될 수 있다.

구체적으로, 전압 검출부(21)는 모터에 인가되는 모터전압을 검출하고, 전류 검출부(22)는 모터에 흐르는 모터전류를 검출할 수 있다.

스트로크 연산부(23)는 모터전류 및 모터전압을 이용하여, 피스톤의 스트로크를 산출할 수 있다. 스트로크 연산부(23)는 제어부(25)와 실질적으로 동일한 구성일 수 있다.

스트로크 연산부(23)는 하기 수학식 1과 같은 수식을 통해, 스트로크 추정치를 연산할 수 있다.

여기서, x는 스트로크, α는 모터 상수 또는 역기전력 상수, Vm은 모터 전압, im은 모터 전류, R은 저항, L은 인덕턴스를 의미한다.

제어부(25)는 리니어 압축기의 동작모드에 따라 설정된 스트로크 지령치와, 수학식 1에 의해 산출된 스토로크 추정치를 비교하고, 비교결과에 근거하여 모터에 인가되는 전압을 가변하여 스트로크를 제어할 수 있다.

즉, 제어부(25)는, 스트로크 추정치가 스트로크 지령치보다 크면 모터 인가전압을 감소시키고, 스트로크 추정치가 스트로크 지령치보다 작으면 모터 인가전압을 증가시킨다.

도 2를 참조하면, 스트로크 위상 검출부(24a)는 스트로크의 위상을 검출하고, 모터 전류 위상 검출부(24b)는 모터 전류의 위상을 검출할 수 있다. 아울러, 위상사 연산부(26)는 스트로크의 위상과, 모터전류의 위상 사이의 차이를 검출할 수 있다. 참고로, 스트로크 위상 검출부(24a), 모터 전류 위상 검출부(24b) 및 위상사 연산부(26)는 제어부(25)와 실질적으로 동일한 구성일 수 있다.

즉, 제어부(25)는 모터 전류 및 모터 전압을 이용하여 피스톤의 스트로크를 추정하고, 스트로크의 위상과 모터 전류의 위상 사이의 차이를 산출할 수 있다.

한편, 제어부(25)는 리니어 압축기가 설치된 전자기기(ex, 냉장고)의 제어장치(28)로부터 전자기기의 동작과 관련된 정보를 입력받을 수 있다. 예를 들어, 전자기기의 동작과 관련된 정보는, 전자기기 자체에서 처리되는 온도정보, 전자기기의 동작모드정보, 전자기기의 부하정보를 포함할 수 있다.

제어부(25)는 전자기기의 제어장치(28)로부터 입력받은 정보를 이용하여, 리니어 압축기의 복수의 운전모드 중 어느 하나로 구동시킬 수 있다. 제어부(25)는 인버터(27)의 스위칭 동작을 제어함으로써, 모터를 구동시킬 수 있다.

이하의 도 3에서는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 단면도가 도시된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기는, 리니어 압축기 제어 장치가 적용 또는 압축기 제어 장치가 적용 가능한 리니어 압축기이면 족하되, 리니어 압축기의 종류 또는 형태를 불문한다. 도 3에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 압축기는 하나의 예시일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 한정하고자 하는 의도는 아니다.

일반적으로 압축기에 적용되는 모터는 고정자에 권선코일이, 가동자에 마그네트가 설치되어 권선코일과 마그네트의 상호작용에 의해 가동자가 회전운동 또는 왕복운동을 하게 된다.

권선코일은 모터의 종류에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 회전 모터의 경우에는 고정자의 내주면에 원주방향을 따라 형성되는 다수 개의 슬롯에 집중권 또는 분포권으로 권선되어 있고, 왕복동 모터의 경우에는 코일이 환형으로 감아 권선코일을 형성한 후 그 권선코일의 외주면에 원주방향을 따라 다수 장의 코어 시트(core sheet)를 삽입하여 결합하고 있다.

특히, 왕복동 모터의 경우에는 코일을 환형으로 감아 권선코일을 형성하기 때문에 통상은 플라스틱 재질로 된 환형 보빈에 코일을 감아 권선코일을 형성하고 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 왕복동식 압축기는, 밀폐된 쉘(110)의 내부공간에 프레임(120)이 복수 개의 지지스프링(161)(162)에 의해 탄력 설치되어 있다. 쉘(110)의 내부공간에는 냉동사이클의 증발기(미도시)와 연결되는 흡입관(111)이 연통되도록 설치되고, 흡입관(111)의 일측에는 냉동사이클 장치의 응축기(미도시)와 연결되는 토출관(112)이 연통되도록 설치되어 있다.

프레임(120)에는 전동부(M)를 이루는 왕복동 모터(130)의 외측고정자(131)와 내측고정자(132)가 고정 설치되고, 외측고정자(131)와 내측고정자(132) 사이에는 왕복운동을 하는 가동자(mover)(133)가 설치되어 있다. 왕복동 모터(130)의 가동자(mover)(133)에는 후술할 실린더(141)와 함께 압축부(Cp)를 이루는 피스톤(142)이 왕복운동을 하도록 결합되어 있다.

실린더(141)는 왕복동 모터(130)의 고정자(131)(132)와 축방향으로 중첩되는 범위에 설치되어 있다. 그리고 실린더(141)에는 압축공간(CS1)이 형성되고, 피스톤(142)에는 냉매를 압축공간(CS1)으로 안내하는 흡입유로(F)가 형성되며, 흡입유로(F)의 끝단에는 그 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(143)가 설치되고, 실린더(141)의 선단면에는 그 실린더(141)의 압축공간(CS1)을 개폐하는 토출밸브(145)가 설치되어 있다.

참고로, 본 발명에 따른 리니어 압축기의 토출부는 다양한 형태로 형성될 수 있다.

예를 들어, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 3에 도시된 것과 같이, 밸브플레이트로 형성되는 토출부를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리니어 압축기에는 기존의 레시프로 압축기에서 사용하던 토출부가 적용될 수 있다.

또 다른 예에서, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 도 1b에 도시된 것과 같이, 탄성부재를 구비하는 토출부를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 리니어 압축기는 기존의 리니어 압축기에서 사용하던 토출부도 적용될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 제어부(25)는 피스톤(142)의 운동 방향을 전환시키기 위해 모터를 제어할 수 있다.

참고로, 리니어 압축기의 피스톤(142)은 실린더(141) 내에서 직선으로 왕복 운동을 수행하며, 이에 따라 토출밸브(144)에 접근하는 방향으로 이동하거나, 상기 토출밸브(144)로부터 멀어지는 방향으로 이동한다.

왕복 운동을 수행하는 피스톤(142)은 두 지점에서 이동 방향이 전환되며, 상기 두 지점 중 토출밸브(144)에 더 가까운 어느 하나를 상사점(Top Dead Center, TDC)으로 정의하고, 다른 하나를 하사점(Bottom Dead Center, BDC)으로 정의한다. 이러한 정의에 따르면, 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 거리는 피스톤의 스트로크에 대응된다.

제어부(25)는 수학식 1에 의해 산출된 스트로크와, 모터전류 및 모터전압을 이용하여 피스톤이 상사점에 도달했는지 여부를 검출할 수 있다.

구체적으로, 제어부(25)는 감지부에 의해 측정된 모터전류와, 수학식 1에 의해 산출된 스트로크의 위상차이를 검출하고, 위상차이의 변화를 모니터링함으로써, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달했는지 여부를 판단할 수 있다.

구체적으로, 제어부(25)는 모터전류와 스트로크의 위상차이를 산출할 수 있고, 위상차이가 변곡점을 형성하면, 피스톤이 상사점(TDC)에 도달한 것으로 판단할 수 있다.

한편, 도 5의 그래프를 참조하면, 모터의 코일에 형성되는 자속이 도시된다.

도 5에 도시된 파형은 각각 전류에 의해 발생되는 제1 자속(φi)과, 모터의 마그넷에 의해 발생되는 제2 자속(φm)과, 상기 제1 및 제2 자속의 합인 총 자속(φT)을 의미한다.

제1 자속(φi)은 이하의 수학식 2에 의해 산출된다.

또한, 제2 자속(φm)은 이하의 수학식 3에 의해 산출된다.

상기 수학식 2 및 3에서, J는 코일 전류 밀도(Coil Current Density), Bm은 마그넷 자속 밀도(Magnet Flux Density), D는 코일의 직경, S는 스트로크, Ac는 코일의 총 면적, g는 코일의 에어 갭(Air-gap)으로 정의된다. 그 외의 파라미터는 상수이므로 설명을 생략한다.

상기 수학식 2 및 3의 정의를 참조하면, 제1 자속(φi)은 전류의 크기에 비례하며, 제2 자속(φm)은 스트로크의 크기에 비례한다.

한편, 도 5에 도시된 것과 같이, 제1 자속의 위상과, 제2 자속의 위상 사이의 차이가 작아질 수록, 총 자속(φT)의 크기는 증가한다.

따라서, 본 발명에서는, 자속 포화가 발생할 가능성이 높은 경우에, 제1 자속의 위상과 제2 자속 위상 사이의 차이를 증가시킴으로써, 코일의 자속 포화를 방지하는 리니어 압축기를 제안한다.

본 발명에 따른 제어부(25)는 모터에 구비된 코일의 자속 포화를 방지하도록 모터의 운전 주파수를 가변적으로 설정할 수 있다.

구체적으로, 제어부(25)는 코일에 형성된 자속의 크기가 미리 설정된 한계 자속 값 이하로 유지되도록, 모터전류와 스트로크의 위상 차이에 근거하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

먼저, 제어부(25)는 리니어 압축기의 동작 상태와 관련된 정보를 이용하여, 자속 포화를 방지하기 위한 동작 모드가 필요한지 여부를 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(25)는 코일에 형성된 자속의 크기를 검출하고, 검출된 크기에 근거하여 리니어 압축기의 자속 포화를 방지하기 위한 보호모드를 동작시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(25)는 상술한 수학식 2 및 3을 이용하여 코일에 형성된 자속의 크기를 검출할 수 있다. 제어부(25)는 검출된 자속의 크기가 미리 설정된 값을 초과하면, 리니어 압축기의 자속 포화를 방지하기 위한 보호모드를 동작시킬 수 있다.

제어부(25)는 리니어 압축기에 구비된 모터의 모터 상수를 미리 저장할 수 있으며, 저장된 모터 상수를 이용하여 자속의 크기를 직접 산출할 수 있다.

다른 실시예에서, 제어부(25)는 자속의 크기와 관련된 파라미터를 산출하고, 산출된 파라미터에 근거하여 상기 보호모드를 동작시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(25)는 모터전류의 왜곡률과 관련된 파라미터를 산출할 수 있으며, 산출된 파라미터의 크기가 미리 설정된 값을 초과하면, 리니어 압축기의 자속 포화를 방지하기 위한 보호모드를 동작시킬 수 있다.

예를 들어, 왜곡률과 관련된 파라미터는 크레스트 팩터(Crest Factor, CF)일 수 있다. 제어부(25)는 모터 전류의 최고치를 실효치로 나누거나, 모터 전압의 최고치를 실효치로 나눔으로써, 크레스트 팩터를 산출할 수 있다. 제어부(25)는 산출된 크레스트 팩터가 미리 설정된 수치를 초과하면, 리니어 압축기의 자속 포화를 방지하기 위한 보호모드를 동작시킬 수 있다.

또 다른 예에서, 제어부(25)는 모터 전압의 적분 값을 산출하고, 산출된 적분 값이 소정의 적분 값보다 크면, 상기 코일의 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드를 동작시킬 수 있다.

다른 실시예에서, 제어부(25)는 리니어 압축기가 수행 중인 동작 모드에 따라, 상기 보호모드를 동작시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(25)는 모터의 동작 모드에 따라, 자속 포화를 방지하기 위한 보호 알고리즘의 수행 여부를 결정할 수 있다.

즉, 제어부(25)는 자속을 직접적으로 연산하지 않고, 모터가 특정 동작 모드를 수행 중인 경우에는, 자속 포화의 가능성이 높은 것으로 판단하여, 상기 보호 알고리즘을 수행할 수 있다.

구체적으로, 제어부(25)는 모터가 제1 동작 모드를 수행하여, 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 거리가 미리 설정된 거리 보다 크게 형성되는 경우, 보호 알고리즘을 이용하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

또한, 제어부(25)는 모터가 제2 동작 모드를 수행하여, 피스톤의 상사점이 실린더의 토출부로부터 소정의 거리 이내에 형성되는 경우, 보호 알고리즘을 이용하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

또한, 제어부(25)는 모터가 제3 동작 모드를 수행하여, 상기 모터에 비대칭 전류가 인가되는 경우, 보호 알고리즘을 이용하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

또한, 제어부(25)는 모터에 인가되는 전류의 크기가 소정의 전류 값보다 큰 경우, 보호 알고리즘을 이용하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

즉, 제어부(25)는 리니어 압축기가 과부하에 대응하는 동작 모드를 수행하는 경우에, 자속 포화의 가능성이 높은 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 제어부(25)는 리니어 압축기 및 그의 모터가 과부하에 대응하는 운전을 수행하는 경우, 자속 포화를 방지하기 위한 보호 알고리즘을 이용하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

한편, 제어부(25)는 리니어 압축기가 탑재된 전자기기로부터 상기 전자기기의 부하 정보를 전송받을 수 있으며, 전송받은 부하 정보에 근거하여, 상기 보호 알고리즘의 수행 여부를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 제어부(25)는 리니어 압축기가 탑재된 냉장고로부터, 냉장고의 부하 변화와 관련된 부하 정보를 전송받을 수 있으며, 부하 변화량이 급격히 증가하는 경우 상기 보호 알고리즘을 이용하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

상술한 실시예와 같이, 제어부(25)는 자속의 크기를 직접 연산하거나, 리니어 압축기의 동작 모드를 식별함으로써, 자속 포화 방지를 위한 보호 모드 또는, 상기 보호 모드에 대응되는 보호 알고리즘의 수행 여부를 결정할 수 있다.

이하에서는 보호 알고리즘의 수행 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 제어부(25)는 자속 포화 방지를 위한 보호 모드 수행 시, 스트로크의 위상과 모터 전류의 위상 사이의 차이를 산출하고, 산출된 위상 차이와 미리 설정된 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 모터의 운전 주파수를 설정할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(25)는 산출된 위상 차이를 180°에서 감산하여, 위상차 변수를 산출할 수 있다. 제어부(25)는 이와 같이 연산된 위상차 변수를 미리 설정된 기준 위상 값과 비교하고, 비교결과에 근거하여 모터의 우전 주파수를 변경시킬 수 있다.

일 예에서, 기준 위상 값은 70°로 설정될 수 있다. 기준 위상 값은 사용자 설정에 따라 변경될 수 있으며, 리니어 압축기의 동작 사태에 따라 가변적으로 설정될 수도 있다.

또한, 제어부(25)는 위상차 변수가 상기 기준 위상 값보다 크면, 모터의 운전 주파수를 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(25)는 미리 설정된 주기마다 위상차 변수를 갱신하고, 갱신된 위상차 변수가 기준 위상 값보다 클때마다 모터의 운전 주파수를 증가시킬 수 있다.

즉, 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드가 활성화되면, 제어부(25)는 소정의 주기마다 위상차 변수를 미리 설정된 기준 위상 값과 비교하며, 위상차 변수가 기준 위상 값보다 클때마다 모터의 운전 주파수를 소정의 폭만큼 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 운전 주파수의 증가폭은 0.5Hz로 설정될 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(25)는 운전 주파수와 위상차 변수의 상관 관계와 관련된 정보를 이용하여, 운전 주파수의 증가폭을 설정할 수 있다. 이때, 상관 관계는, 운전 주파수 대비 위상차 변수의 증가율로 정의될 수 있다.

다른 실시예에서, 제어부(25)는 모터에 구비된 코일에 형성된 자속의 변화를 모니터링하고, 모니터링결과에 근거하여 운전 주파수의 증가폭을 변경시킬 수 있다. 즉, 제어부(25)는 미리 설정된 시간간격 내에 자속의 증가량이 특정 수치를 초과할 경우, 운전 주파수의 증가폭을 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 제어부(25)는 위상차 변수와 기준 위상 값을 비교할 때마다, 운전 주파수를 변경시킬 수 있으며, 운전 주파수를 변경하는 폭은 가변적으로 설정될 수 있다.

한편, 상술한 기준 위상 값은 위상차 변수의 상한 기준치로 정의되며, 제어부(25)는 기준 위상 값과 별도로, 위상차 변수의 하한 기준치로 정의되는 한계 위상 값을 설정할 수 있다.

제어부(25)는 위상차 변수가 한계 위상 값보다 작으면, 모터의 운전 주파수를 감소시킬 수 있다. 운전 주파수의 증가폭과 마찬가지로, 운전 주파수의 감소폭도 가변적으로 설정될 수 있다.

도 4에서는 본 발명에 따른 리니어 압축기의 제어 방법이 설명된다.

도 4를 참조하면, 제어부(25)는 압축기의 동작과 관련된 정보를 검출할 수 있다(S401).

구체적으로, 제어부(25)는 현재 리니어 압축기가 구동중인 동작모드의 식별정보를 검출할 수 있다. 또한, 제어부(25)는 리니어 압축기를 포함하는 전자기기가 구동중인 동작모드의 식별정보를 검출할 수도 있다.

일 실시예에서, 제어부(25)는 압축기가 수행중인 동작모드가 과부하에 대응하는 운전인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 과부하에 대응하는 운전은, 피스톤이 최대의 행정거리로 왕복운동하는 제1 모드와, 모터에 비대칭 전류가 인가되는 제2 모드와, 모터에 소정의 크기 이상의 모터전류에 인가되는 제3 모드로 정의될 수 있다.

또한, 제어부(25)는 리니어 압축기의 동작과 관련된 정보를 이용하여, 모터가 자속 포화 상태로 진입하는 조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S402).

즉, 제어부(25)는 리니어 압축기의 동작과 관련된 정보를 이용하여, 자속 포화 가능성이 일정 수준 이상인지 여부를 판단할 수 있다. 이와 같이 판단된 자속 포화 가능성에 따라, 제어부(25)는 자속 포화를 방지하기 위한 보호모드로 리니어 압축기를 동작시키거나, 자속 포화를 고려하지 않는 일반모드로 리니어 압축기를 동작시킬 수 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 보호모드가 필요한 조건이 만족하는 것으로 판단되면, 제어부(25)는 스트로크위 위상과 모터전류의 위상 사이의 차이에 의해 산출된 변수와, 미리 설정된 포화 위상차를 비교할 수 있다(S403). 이때 포화 위상차는 상술한 기준 위상 값에 대응될 수 있다.

아울러, 제어부(25)는 비교단계(S403)의 결과에 근거하여, 모터의 운전 주파수를 변경시킬 수 있다.

구체적으로, 제어부(25)는 산출된 변수가 포화 위상차보다 큰 경우, 운전 주파수를 증가시킬 수 있다(S404). 반대로, 제어부(25)는 산출된 변수가 포화 위상차보다 작은 경우, 운전 주파수를 감소시킬 수 있다(S405).

한편, 제어부(25)는 보호모드가 필요한 조건이 만족하지 않는 것으로 판단되면, 기존의 운전 주파수를 유지할 수 있다(S406).

본원발명에 따른 리니어 압축기는, 부하 조건이나 동작 모드에 따라 운전 주파수를 가변적으로 설정함으로써, 모터 코일의 자속이 포화되는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본원발명에 따르면, 모터의 마그넷에 의해 발생되는 자속과, 모터전류에 의해 발생되는 자속 사이의 위상 차이를 증가시킴으로써, 코일의 자속 포화를 방지하고, 리니어 압축기의 제어 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 도출된다.

Claims (13)

1. 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 피스톤;
   상기 피스톤에 구동력을 제공하는 모터;
   상기 모터와 관련된 모터 전류 및 모터 전압을 감지하는 감지부; 및
   상기 모터 전류 및 상기 모터 전압을 이용하여 상기 피스톤의 스트로크를 추정하고, 상기 스트로크의 위상과 상기 모터 전류의 위상 사이의 차이를 산출하는 제어부;를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 모터에 구비된 코일의 자속 포화를 방지하도록, 상기 산출된 위상 차이에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 거리가 미리 설정된 거리 보다 크게 형성되는 경우 상기 산출된 위상 차이와 미리 설정된 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 실린더의 일측에는 토출부가 구비되고,
   상기 제어부는,
   상기 피스톤의 상사점이 상기 토출부로부터 소정의 거리 이내에 형성되면, 상기 산출된 위상 차이와 상기 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 모터에 비대칭 전류가 인가되면, 상기 산출된 위상 차이와 상기 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 모터에 소정의 전류 값보다 큰 전류가 인가되면, 상기 산출된 위상 차이와 상기 기준 위상 값을 비교하고, 비교결과에 근거하여 상기 모터의 운전 주파수를 변경시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 산출된 위상 차이를 이용하여 위상차 변수를 산출하고,
   산출된 위상차 변수가 상기 기준 위상 값보다 크면, 상기 모터의 운전 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는,
   미리 설정된 주기마다 상기 위상차 변수를 갱신하고, 갱신된 위상차 변수가 상기 기준 위상 값보다 클때마다 상기 모터의 운전 주파수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 운전 주파수와 상기 위상차 변수의 상관 관계와 관련된 정보를 이용하여, 상기 운전 주파수의 증가폭을 설정하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 모터에 구비된 코일에 형성된 자속의 변화를 모니터링하고, 모니터링결과에 근거하여 상기 운전 주파수의 증가폭을 변경시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
10. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 기준 위상 값과 별도로, 한계 위상 값을 설정하고,
    상기 산출된 위상차 변수가 상기 한계 위상 값보다 작으면, 상기 모터의 운전 주파수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 리니어 압축기가 설치된 전자기기로부터 부하의 크기와 관련된 정보를 입력받고,
    상기 부하의 크기가 소정의 부하 값보다 크면, 상기 코일의 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드로 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
12. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터 전압의 적분 값을 산출하고,
    산출된 적분 값이 소정의 적분 값보다 크면, 상기 코일의 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드로 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.
13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터 전류 및 상기 모터 전류를 이용하여 크레스트 팩터(Crest Factor)를 산출하고, 산출된 크레스트 팩터가 소정의 값보다 크면, 상기 코일의 자속 포화를 방지하기 위한 보호 모드로 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.

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