KR20200099880A - 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기는, 외측 고정자와 내측 고정자 사이에 축방향으로 복수 개의 공극을 가지는 고정자; 상기 고정자에 구비되는 권선코일; 상기 외측 고정자와 내측 고정자 사이에 구비되고, 자성체로 된 가동자 코어가 구비되어 상기 공극 내에서 왕복운동을 하는 가동자; 및 상기 복수 개의 공극에 각각 위치하도록 상기 내측 고정자에 각각 고정되는 복수 개의 마그네트;를 포함하고, 상기 복수 개의 마그네트는, 중심코어를 사이에 두고 서로 이격되어 배치됨으로써, 가동자 코어에 대한 복원력이 감소되는 대신 추력이 증가하여 모터 출력을 높일 수 있다. 또, 2공극 모터에 적용함에 따라 가동자 코어의 제어가 용이하고 마그네트에 대한 조립작업과 착자작업이 용이할 수 있다.

Description

리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기{LINERAR MOTOR AND LINEAR COMPRESSOR HAVING THE SAME}

본 발명은 가동자가 직선 왕복운동을 하는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기에 관한 것이다.

리니어 모터는 가동자가 고정자와의 상호 작용에 의해 직선으로 왕복운동을 하는 모터이고, 리니어 압축기는 이 리니어 모터를 채용하여 가동자에 피스톤을 결합한 압축기이다. 따라서, 리니어 압축기는 가동자에 결합된 피스톤이 실린더에서 왕복운동을 하면서 하사점(Bottom Dead Center: BDC)까지 이동하는 흡입행정을, 상사점(Top Dead Center:TDC)까지 이동하는 압축행정을 실시하게 된다.

리니어 모터는 자속이 흐르는 코어와, 전류가 인가되는 권선코일, 그리고 이들과 함께 자기회로를 이루는 마그네트를 포함한다. 코어는 원통형으로 각각 형성된 내측 코어와 외측 코어가 공극(Air Gap)을 두고 내측과 외측에 각각 구비된다. 권선코일은 내측 코어 또는 외측 코어에 구비되고, 마그네트는 가동자에 결합되거나 또는 코어에 결합된다.

리니어 모터는 코어에 구비되는 공극의 개수에 따라 2공극 모터 또는 1공극 모터로 구분할 수 있다. 2공극 모터는 특허문헌1(한국공개특허 제10-2016-0132665 A호)에, 1공극 모터는 특허문헌2(한국공개특허 제10-2018-0088121 A호)에 각각 개시되어 있다.

2공극 모터는 내측 코어와 외측 코어의 양단이 서로 이격되어 두 개의 공극을 형성하게 된다. 양쪽 공극에 마그네트가 각각 구비되어, 코어에 형성되는 자속에 의해 가동자가 왕복운동을 하게 된다.

1공극 모터는 내측 코어와 외측 코어의 일단이 연결되고 타단은 서로 이격되어 한 개의 공극을 이루게 된다. 이 공극에 마그네트가 구비되어, 코어에 형성되는 자속에 의해 가동자가 왕복운동을 하게 된다.

상기와 같은 리니어 모터는 가동자가 왕복운동을 하게 되므로, 가동자의 무게가 모터의 효율과 밀접한 관련이 있다. 마그네트가 가동자에 결합되는 구조에서는 고자력의 Nd 마그네트를 주로 적용하고 있다. Nd 마그네트는 자력이 높은 대신 가격이 높아 모터 및 압축기의 제조원가가 상승하게 된다. 이에, 저자력의 페라이트(ferrite) 마그네트를 적용하고 있다. 페라이트 마그네트는 가격이 낮은 대신 자력이 약해 상대적으로 많은 양의 자석이 필요하게 되어, 가동자의 무게를 가중시키게 된다. 따라서, 페라이트 마그네트를 적용하는 경우에는 마그네트를 고정자를 이루는 코어에 결합하고 가동자에는 자성체로 된 가동자 코어를 구비하여 가동자의 무게를 낮추고 있다. 특허문헌2는 1공극 모터에서 고정자를 이루는 외측 코어에 서로 다른 방향으로 자화된 복수 개의 페라이트 마그네트가 적용된 예를 개시하고 있다.

그러나, 상기와 같이 고정자를 이루는 외측 코어에 페라이트 마그네트가 적용된 경우에는, 복수 개의 마그네트가 서로 다른 방향으로 자화됨에 따라, 가동자를 자로 중심(고정자 중심)으로 복원시키려는 복원력(centering force)이 증가하게 되게 된다. 이는 가동자를 상사점 또는 하사점 방향으로 밀어내는 추력이 약화되어 이 모터가 결합된 압축기의 성능이 저하되는 문제가 있었다.

또, 종래의 리니어 모터는, 한 개의 공극이 자로 중심으로부터 편심되게 형성됨에 따라 알파 파형이 비대칭적으로 형성되고 인덕턴스가 상승하면서 모터의 제어특성이 나빠지게 되고, 모터 효율이 저하되는 문제가 있었다.

또, 종래의 리니어 모터는, 코어의 내주면에 마그네트가 장착되어 마그네트에 대한 착자작업이 곤란하게 되는 문제가 있었다. 특히, 복수 개의 마그네트를 서로 다른 방향으로 자화시킴에 따라 앞서 설명한 마그네트에 대한 착자작업이 더욱 곤란하게 되는 문제가 있었다.

공개특허공보 KR10-2016-0132665 A (2016.11.21. 공개) 공개특허공보 KR10-2018-0088121 A (2018.08.03. 공개)

본 발명의 목적은, 추력을 높여 마그네트의 사용량을 줄이면서도 모터 효율을 향상시킬 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.

나아가, 본 발명은 고정자의 축방향을 따라 복수 개의 마그네트를 고정하되 그 마그네트의 주변에 형성되는 복원력을 낮춰 가동자에 대한 추력을 높일 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.

더 나아가, 본 발명은 복수 개의 마그네트를 같은 방향으로 자화시켜 추력을 높이는 동시에 복수 개의 마그네트 사이에 자성체로 된 코어를 구비하여 마그네트의 사용량을 줄이면서도 모터 출력을 높일 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 고정자에 적어도 두 개 이상의 마그네트가 고정되는 경우 그 모터의 제어특성을 높여 모터 효율을 향상시킬 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.

나아가, 본 발명은 알파 파형을 개선하고 가동자의 유효 스트로크 범위를 넓여 모터의 제어특성을 높힐 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.

더 나아가, 본 발명은 가동자 코어의 길이를 최적화하여 알파값을 개선하고 유효 스트로크 범위를 넓힐 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 고정자에 마그네트를 용이하게 결합하는 동시에 그 마그네트를 용이하게 자화시킬 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하는 있다.

나아가, 본 발명은 마그네트를 고정자의 외주면에 결합시켜 그 마그네트에 대한 결합작업과 착자작업을 용이하게 할 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하는데 있다.

더 나아가, 본 발명은 두 개 이상의 마그네트를 고정자의 외주면에 결합시키되, 양쪽 마그네트 사이를 이격시켜 결합작업과 착자작업을 용이하게 할 수 있는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 권선코일이 구비된 고정자에 복수 개의 마그네트가 결합되고, 가동자에는 영구자석이 아닌 자성체로 된 가동자 코어가 구비되며, 상기 복수 개의 마그네트는 동일한 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 마그네트는 페라이트 마그네트로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 고정자는 외측 고정자와 내측 고정자로 이루어지고, 상기 복수 개의 마그네트는 상기 내측 고정자의 외주면에 삽입되어 구비될 수 있다.

그리고, 상기 내측 고정자에는 상기 외측 고정자를 향해 돌출되는 코어부가 연장되며, 상기 코어부는 상기 복수 개의 마그네트 사이에 위치할 수 있다.

그리고, 상기 가동자 코어는 상기 마그네트의 범위내에 구비될 수 있다.

그리고, 상기 고정자는 상기 권선코일을 중심으로 축방향 양쪽에 공극이 각각 위치하도록 형성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 외측 고정자, 상기 외측 고정자의 내측에 반경방향으로 이격되는 공극(air gap)을 두고 구비되는 내측 고정자를 포함하며, 상기 공극은 축방향을 따라 기설정된 간격을 두고 복수 개가 형성되는 고정자; 상기 고정자에 구비되는 권선코일; 상기 외측 고정자와 내측 고정자 사이에 구비되고, 자성체로 된 가동자 코어가 구비되어 상기 공극 내에서 왕복운동을 하는 가동자; 및 상기 복수 개의 공극에 각각 위치하도록 상기 내측 고정자에 각각 고정되는 복수 개의 마그네트;를 포함하고, 상기 고정자에는 축방향 중앙부에 중심코어가 형성되며, 상기 복수 개의 마그네트는 상기 중심코어를 사이에 두고 양쪽에 고정되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 복수 개의 마그네트는 반경방향으로 서로 동일한 극성을 가지도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 마그네트는 축방향 길이가 서로 동일하게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 마그네트는 축방향의 양단 사이의 길이가 상기 외측 고정자의 축방향 양단 사이의 길이보다 작거나 같게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 마그네트는 각각 환형으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 내측 고정자의 외주면에는 환형으로 된 고정홈이 형성되고, 상기 고정홈에는 환형으로 된 고정부재의 일부가 삽입되어 축방향으로 지지되며,

그리고, 상기 고정부재에 의해 상기 복수 개의 마그네트 중에서 적어도 어느 한 쪽 마그네트가 축방향으로 지지될 수 있다.

여기서, 상기 중심코어는 상기 내측 고정자의 외주면에서 상기 외측 고정자를 향해 반경방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

그리고, 상기 중심코어는 상기 가동자의 이동시 상기 중심코어의 적어도 일부가 상기 가동자 코어와 반경방향으로 중첩되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 중심코어의 축방향 길이는 상기 복수 개의 마그네트 중에서 한 개의 마그네트의 축방향 길이보다 작거나 같게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 중심코어의 반경방향 높이는 상기 복수 개의 마그네트의 높이보다 낮거나 같게 형성될 수 있다.

여기서, 상기 중심코어는 상기 복수 개의 마그네트와 축방향으로 기설정된 이격거리를 두고 형성될 수 있다.

그리고, 상기 내측 고정자는 자로를 이루는 고정자 본체와, 상기 고정자 본체에서 연장되는 중심코어로 이루어지고,

그리고, 상기 고정자 본체와 중심코어가 연결되는 부분에 상기 복수 개의 마그네트를 각각 축방향으로 지지하는 지지면부가 단차지게 형성될 수 있다.

여기서, 상기 가동자 코어의 축방향 길이는 상기 중심코어의 축방향 길이보다 길거나 같게 형성될 수 있다.

여기서, 상기 가동자 코어의 축방향 길이는 상기 복수 개의 마그네트 중에서 한 개의 마그네트의 축방향 길이보다 길거나 같게 형성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 내부공간을 가지는 케이싱; 상기 케이싱의 내부공간에 배치되고, 가동자가 왕복운동을 하는 리니어 모터; 상기 리니어 모터의 가동자에 결합되어 함께 왕복운동을 하는 피스톤; 상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 압축공간의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브; 및 상기 압축공간의 토출측을 개폐하는 토출밸브;를 포함하고, 상기 리니어 모터는 앞서 설명한 리니어 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 피스톤의 축방향 일측에는 그 피스톤을 왕복방향인 축방향으로 탄력 지지하는 탄성부재가 더 구비될 수 있다.

본 발명에 의한 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기는, 고정자에 복수 개의 마그네트를 고정 결합하되, 복수 개의 마그네트를 동일한 방향으로 자화시킴으로써, 왕복운동을 하는 가동자 코어에 대한 복원력이 감소되는 대신 추력이 증가하여 모터 출력을 높일 수 있다. 이에 따라, 동일한 모터출력 대비 마그네트의 사용량을 줄일 수 있어 페라이트 마그네트를 사용할 경우 모터의 크기를 확대하지 않고도 원하는 정도의 모터출력을 얻을 수 있다. 또, Nd 마그네트를 사용할 경우 모터의 사용량을 줄여 재료 비용을 절감할 수 있다.

또, 본 발명은, 외측 고정자에는 권선코일을 중심으로 양쪽에 폴부가 각각 구비되고, 내측 고정자에는 중심코어를 사이에 두고 양쪽에 마그네트가 각각 구비됨에 따라, 모터의 알파 파형이 자로중심을 기준으로 대칭적으로 형성되게 된다. 이에 따라, 가동자 코어에 대한 유효 스트로크 구간이 길어지게 되어 가동자 코어를 더욱 정확하게 제어할 수 있고, 이를 통해 모터 성능을 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명은, 마그네트가 내측 고정자의 외주면에 삽입되어 결합됨에 따라, 마그네트의 조립작업과 착자작업을 용이하게 할 수 있다. 나아가, 중심코어에 의해 축방향으로 이격된 복수 개의 마그네트를 동일한 방향으로 자화시킴에 따라 마그네트에 대한 착자작업을 더욱 용이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 리니어 압축기의 일실시예를 보인 종단면도,
도 2는 본 실시예에 따른 리니어 모터를 파단하여 보인 사시도,
도 3은 도 2에서 "Ⅴ-Ⅴ"선 단면도,
도 4는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 측면에서 보인 개략도,
도 5 및 도 6은 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 마그네트와 중심코어 사이의 결합관계를 설명하기 위해 보인 도 4의 "A"부에 대한 확대도들,
도 7a 및 도 7b는 본 실시예에서 고정자에서의 자속의 방향에 따른 가동자의 동작을 구분하여 보인 개략도들,
도 8은 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 코어의 왕복운동시 각 위치에서의 전압을 측정한 그래프,
도 9는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 가동자 코어의 길이에 따른 유효 스트로크의 변화를 보인 그래프,
도 10은 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 가동자 코어의 왕복운동시 알파값(추력상수)의 변화를 보인 그래프.

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 1은 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 흡입되는 냉매가 채워지는 흡입공간(101)이 될 수 있다. 케이싱(110)에는 흡입구(114)가 형성되고, 흡입구(114)에는 흡입배관(SP)이 연결될 수 있다. 또, 케이싱(110)에는 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(151)(152)의 타단부에 연결 및 지지될 수 있다. 지지스프링(151)(152)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 고정자(131) 및 가동자(132)를 포함할 수 있다.

고정자(131)는 프레임(120)과 후술할 백커버(146) 사이에 결합될 수 있다. 고정자(131)는 외측 고정자(1311)와 내측 고정자(1312)를 포함할 수 있다. 외측 고정자(1311)와 내측 고정자(1312) 사이에는 가동자(132)가 위치될 수 있다.

외측 고정자(1311)에는 권선코일(133)이 장착될 수 있고, 가동자(132)는 연결프레임((1321)에 자성체로 된 가동자 코어(1322)를 구비할 수 있다. 가동자 코어(1322)는 영구자석을 의미하는 마그네트가 아니며, 권선코일(133)에 의해 고정자(131)와 함께 자기회로를 이루도록 강자성체로 형성될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 구동유닛(130)에서는 영구자석인 마그네트(135)가 가동자(132)가 아니라 고정자(131)에 결합되는 것으로, 마그네트의 결합구조에 대하여는 나중에 설명한다.

가동자(132)는, 앞서 설명한 바와 같이, 연결프레임(1321) 및 가동자 코어(1322)로 이루어질 수 있다. 연결프레임(1321)은 비자성체 된 금속으로 형성되거나 또는 수지 재질로 형성될 수 있고, 가동자 코어(1322)는 강자성체 된 소재를 소결하여 형성되거나 또는 낱장으로 된 전기강판을 적층하여 형성될 수 있다.

또, 연결프레임(1321)은 원통 형상으로 형성되어 피스톤(142)의 후방단에 결합될 수 있다. 이에 따라, 연결프레임(1321)은 피스톤(142)과 함께 왕복운동을 하게 된다.

또, 가동자 코어(1322)는 한 개의 링 형상으로 형성되어 연결프레임(1321)에 삽입되거나 또는 원호 형상으로 형성되어 연결프레임(1321)의 원주방향을 따라 배열할 수도 있다.

한편, 압축유닛(140)은 흡입공간(101) 내의 냉매를 흡입하여, 압축 및 토출하도록 이루어진다. 압축유닛(140)은 내측 고정자(1312)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(1411)에 의해 폐쇄될 수 있고, 토출밸브(1411)의 외측에는 토출커버(143)가 장착될 수 있다.

토출밸브(1411)와 토출커버(143) 사이에는 토출공간(102)이 형성될 수 있다. 즉, 토출밸브(1411)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.

한편, 실린더(141)에는 토출공간(102)으로 토출된 냉매의 일부가 유입되어 실린더(141)의 내주면과 피스톤(142)의 외주면 사이를 윤활하는 가스베어링(145)이 형성될 수 있다. 가스베어링(145)의 입구를 이루는 베어링입구(1451)는 프레임(120)을 관통하여 형성되고, 가스베어링을 이루는 베어링통로(1452)는 프레임(120)의 내주면과 실린더(142)의 외주면 사이에 형성되며, 가스베어링을 이루는 베어링구멍((1453)은 실린더의 외주면에서 내주면으로 관통하여 형성될 수 있다.

피스톤(142)은 실린더(141)의 개방된 타단으로 삽입되어, 압축실(P)을 밀폐하도록 이루어질 수 있다. 피스톤(142)은 앞서 설명한 가동자(132)과 연결되어 가동자(132)와 함께 왕복 운동될 수 있다. 가동자(132)와 피스톤(142) 사이에는 내측 고정자(1312) 및 실린더(141)가 위치될 수 있다. 따라서, 가동자(132)와 피스톤(142)은 실린더(141) 및 내측 고정자(1312)를 우회하도록 구비되는 별도의 연결프레임((1321)에 의해 서로 결합될 수 있다. 연결프레임((1321)에 앞서 설명한 가동자 코어(1322)가 내부에 삽입되어 결합되거나 외표면에 부착되어 결합될 수 있다.

피스톤(142)의 내부공간과 압축실(P)은 흡입포트(1422)에 의해 연통될 수 있다. 즉, 흡입공간(101)으로부터 피스톤(142) 내부공간으로 유입되는 냉매가 흡입포트(1422)를 통하여 흐르고, 흡입포트(1422)를 개폐하는 흡입밸브(1421)가 냉매의 압력에 의해 개방될 때 냉매가 압축실(P)로 흡입될 수 있다.

한편, 피스톤(142)은 구동유닛(120)인 리니어 모터의 전자기력에 의해 형성되는 추력과 복원력에 의해 축방향(왕복방향)으로 공진운동을 할 수도 있지만, 본 실시예와 같이 기계적 공진스프링(1471)(1472)에 의해 축방향으로 공진운동을 할 수도 있다. 기계적 공진스프링(이하, 공진스프링으로 약칭한다)(1471)(1472)은 압축코일스프링으로 이루어지고, 연결프레임(1321)의 축방향 양쪽에 각각 구비될 수 있다. 이 경우, 제1 공진스프링(1471)은 연결프레임(1321)과 백커버(146)의 사이에, 제2 공진스프링(1472)은 연결프레임(1321)과 프레임(120)의 사이에 각각 구비될 수 있다. 하지만, 경우에 따라 공진스프링은 연결프레임(1321)을 기준으로 한 쪽에만 구비될 수도 있다.

상기와 같은 본 실시예에 따른 리니어 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 구동유닛(130)을 이루는 권선코일(133)에 전류가 시계방향 또는 반시계방향으로 인가되면 고정자(131)에 교번자속이 형성되어 가동자(132)가 직선으로 왕복운동을 하게 된다. 그러면, 가동자(132)에 연결된 피스톤(142)이 실린더(141)의 내부에서 왕복 운동을 하면서 압축실(P)의 체적을 증가 및 감소시키게 된다.

예를 들어, 피스톤(142)이 압축실(P)의 체적을 증가시키면서 이동될 때에는 압축실(P)에서는 흡입행정이 실시된다. 이때, 압축실(P)의 내부 압력은 감소하게 되어 피스톤(142)에 구비된 흡입밸브(141b)가 개방되고, 흡입공간(101)에 머무르던 냉매가 압축실(P)로 흡입된다.

반면, 피스톤(142)이 압축실(P)의 체적을 감소시키면서 이동될 때에는 압축실(P)에서는 압축행정이 실시된다. 이때, 압축실(P)의 내부 압력은 상승하여 기설정된 압력에 도달하면, 실린더(141)에 장착되는 토출밸브(1411)가 개방되어 냉매가 토출공간(102)으로 토출된다.

상기와 같은 피스톤(142)의 흡입행정과 압축행정이 반복되면서, 냉매가 흡입배관(SP)을 통해 흡입공간(101)으로 유입되고, 이 냉매는 압축실(P)로 흡입되어 압축되며, 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 압축기에서 피스톤을 포함한 가동자가 고속으로 왕복운동을 하기 위해서는 그 가동자의 무게가 가벼울수록 유리하다. 하지만, 가동자에 영구자석인 마그네트가 구비되면 가동자의 무게가 증가하게 되고, 이에 따라 가동자를 고속으로 운동시키는데 한계가 있다. 더욱이, 자속량이 낮은 페라이트 마그네트가 사용된 경우에는 자속량을 확보하기 위해 마그네트의 사용량이 증가하게 되고, 이로 인해 가동자의 무게가 더욱 증가하게 되어 리니어 모터 및 리니어 압축기의 효율이 저하될 수 있다.

하지만, 앞서도 설명하였듯이 상대적으로 자속량이 높은 Nd 마그네트를 사용하게 되면, 마그네트의 사용량을 낮춰 가동자의 무게를 경감시킬 수는 있지만 페라이트 마그네트에 비해 10배 이상 비싼 가격으로 인해 가동자의 무게 경감 효과에 비해 리니어 모터 및 리니어 압축기의 제조 비용이 크게 증가할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 페라이트 마그네트와 같이 상대적으로 저렴한 마그네트를 사용하되, 가동자의 무게를 낮출 수 있도록 마그네트가 고정자에 결합될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 마그네트에 대한 재료비용을 낮추면서도 마그네트의 표면적을 확대하여 자속량을 확보할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 리니어 모터 및 이를 구비한 리니어 압축기는 가동자(또는 피스톤)의 공진운동을 유도하기 위해 압축코일스프링으로 된 기계적 공진스프링이 적용될 수 있다. 하지만, 본 실시예의 리니어 압축기에 적용된 리니어 모터는 그 특성상 고정자와 가동자 사이에서 일정 정도의 자기적 공진스프링 효과가 발생하게 된다. 따라서, 리니어 압축기는 압축코일스프링으로 된 기계적 공진스프링이 적용되어 강한 추력이 발생되더라도 자기적 공진스프링으로 인한 복원력이 함께 발생하게 된다. 이 복원력은 추력을 감소시키는 요인으로 작용하게 되므로 추력을 높이기 위해서는 복원력을 낮추는 것이 효과적일 수 있다. 이는 리니어 모터의 왕복운동을 최적화되도록 제어하는 측면에서도 효과적일 수 있다.

즉, 앞서 설명한 바와 같이, 구동유닛의 권선코일에 전류가 인가되면 고정자에는 자속(magnetic flux)이 형성되고, 전류 인가에 의해 형성되는 자속과 마그네트에 의해 형성되는 자속의 상호 작용에 의해 가동자가 왕복운동을 할 수 있는 힘이 발생될 수 있다. 다시 말해, 고정자에서는 가동자를 상사점과 하사점으로 밀어내는 추력(thrust)과 밀려난 가동자를 자로의 중심방향으로 당기는 복원력(centering force)이 발생하게 된다. 추력과 복원력은 서로 상반되는 힘으로서, 복원력이 증가하면 추력이 감소할 수 있고, 복원력이 증가하면 추력이 감소할 수 있다. 특히 기계적 공진스프링이 구비된 리니어 모터 및 리니어 압축기의 측면에서 보면 복원력이 과도하게 높게 설정되는 경우에는 가동자가 상사점과 하사점까지 이동하는 추력이 낮아져 전체적으로 모터의 출력이 저하될 수 있다.

이에, 본 실시예에서는 기계적 공진스프링을 적용하여 모터의 출력을 높이는 동시에 마그네트를 재배치하여 가동자에 대한 모터의 추력을 높임으로써 모터의 출력을 높이는 것이다. 여기서, 마그네트는 반드시 페라이트 계열로 한정되는 것도 아니고, 마그네트가 가동자에 전혀 사용되지 않는 것으로 한정되는 것도 아니다.

도 2는 본 실시예에 따른 리니어 모터를 파단하여 보인 사시도이고, 도 3은 도 2에서 "Ⅴ-Ⅴ"선 단면도이며, 도 4는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 측면에서 보인 개략도이다.

다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 고정자(131)는 내측 코어를 이루는 내측 고정자(1312)가 프레임(120)의 외주면에 삽입되어 고정되고, 외측 코어를 이루는 외측 고정자(1311)는 기설정된 공극(1341)(1342)을 사이에 두고 내측 고정자(1312)를 원주 방향으로 감싸도록 배치될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 외측 고정자(1311)와 내측 고정자(1312)는 축방향 양단이 서로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라, 외측 고정자(1311)와 내측 고정자(1312)의 사이에는 가동자(132)가 왕복운동을 하는 공간인 공극(air gap)(1341)(1342)을 형성하게 된다. 공극(1341)(1342)은 후술할 권선코일(133) 사이에 두고 축방향 양측에 각각 형성된다. 여기서, 축방향은 가동자가 왕복운동을 하는 방향이다.

도 4를 참조하면, 고정자(131)는 앞서 설명한 바와 같이, 외측 고정자(1311)와 내측 고정자(1312)로 이루어지고, 외측 고정자(1311)와 내측 고정자(1312)는 공극만큼 반경방향으로 서로 이격된다.

외측 고정자(1311)는 낱장으로 된 고정자 시트(미부호)를 방사상으로 적층하여 원통 모양으로 형성할 수도 있고, 도 2 및 도 3에서와 같이 낱장으로 된 고정자 시트를 두께방향으로 적층하여서 된 복수 개의 고정자 블록(미부호)을 방사상으로 적층하여 원통 모양으로 형성할 수도 있다. 내측 고정자(1312)는 낱장으로 된 고정자 시트를 방사상으로 적층하여 원통 모양으로 형성할 수 있다.

외측 고정자(1311)는 축방향 중간에 권선코일(133)이 안착되어 '∩'자 형상으로 형성되고, 내측 고정자(1312)는 축방향으로 긴 '-'자 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 외측 고정자(1311)는 중간에 권선코일홈(133a)이 형성되고, 권선코일홈(133a)의 양쪽에 앞서 설명한 공극(1341)(1342)이 각각 형성될 수 있다.

그리고 외측 고정자(1311)는 권선코일홈(133a)의 외주면을 이루는 외측 축방향 요크부(1311a), 외측 축방향 요크부(1311a)의 양단에 연결되며 권선코일홈(133a)의 축방향 양쪽 측면을 이루는 복수 개의 반경방향 요크부(이하, 제1 반경방향 요크부 및 제2 반경방향 요크부)(1311b)(1311c)로 이루어질 수 있다.

외측 축방향 요크부(1311a)는 축방향(가동자의 운동방향 또는 왕복방향)으로 길게 형성되어, 외측 축방향 요크부(1311a)의 축방향 길이(L11)가 반경방향(가동자의 운동방향에 대한 직교방향) 길이(L12)에 비해 길게 형성된다. 제1 반경방향 요크부(1311b)와 제2 반경방향 요크부(1311c)는 반경방향으로 길게 형성되어 각각 반경방향 길이(L13)가 축방향 길이(L14)에 비해 길게 형성될 수 있다.

그리고 외측 축방향 요크부(1311a)의 반경방향 길이(L11)는 제1 반경방향 요크부(1311b) 또는 제2 반경방향 요크부(1311c)의 축방향 길이(L13)와 대략 동일하게 형성되고, 제1 반경방향 요크부(1311b) 또는 제2 반경방향 요크부(1311c)의 축방향 길이(L13)는 권선코일홈(133a)의 축방향 길이(L15)보다는 작게 형성될 수 있다. 제1 반경방향 요크부(1311b)와 제2 반경방향 요크부(1311c)는 코일권선홈(133a)을 기준으로 대칭되게 형성될 수 있다.

한편, 제1 반경방향 요크부(1311b)와 제2 반경방향 요크부(1311c)의 각 내주측 단부에는 극성을 이루는 제1 폴부(1311d)와 제2 폴부(1311e)가 각각 연장되어 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 반경방향 요크부(1311b)에는 제1 폴부(1311d)가 연장되어 형성되고, 제2 반경방향 요크부(1311c)에는 제2 폴부(1311e)가 연장되어 형성될 수 있다.

제1 폴부(1311d)는 제1 반경방향 요크부(1311b)의 내주측 단부에서 자로중심(Cm)을 향해 축방향으로 연장되어 형성되고, 제2 폴부(1311e)는 제2 반경방향 요크부(1311c)의 내주측 단부에서 자로중심(Cm)을 향해 축방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 폴부(1311d)와 제2 폴부(1311e)는 서로를 향하는 방향으로 연장되어 근접되도록 형성되고, 제1 폴부(1311d)와 제2 폴부(1311e)의 사이는 고정자 공극(stator airgap)(1311f)을 이루도록 이격되어 형성된다.

고정자 공극(1311f)의 중심은 모터(또는 압축기)의 정지시 후술할 중심코어(central core)(1312b)를 반경방향으로 마주보도록 고정자(131)의 축방향 중심, 즉 자로중심(Cm)에 형성될 수 있다. 또, 고정자 공극(1311f)의 축방향 길이(L16)는 중심코어(1312b)의 축방향 길이(L28)보다 짧게 형성될 수 있다.

한편, 내측 고정자(1312)는, 앞서 설명한 바와 같이, 낱장으로 된 고정자 시트를 방사상으로 적층하여 원통 모양으로 형성될 수 있다.

또, 내측 고정자(1312)는 자로를 이루는 내측 축방향 요크부(1312a)와, 내측 축방향 요크부(1312a)의 중심에서 외측 고정자(1311)를 향해 돌출되는 중심코어(1312b)로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 내측 고정자(1312)의 내주면은 축방향을 따라 동일한 직경을 가지도록 형성되는 반면, 외주면은 축방향을 따라 상이한 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 내측 고정자(1312)의 내주면은 프레임(120)의 외주면에 밀착되도록 단일 직경으로 형성되는 반면, 외주면은 앞서 설명한 중심코어(1312b)가 외측 고정자(1311)를 향해 돌출되어 단차지게 형성될 수 있다.

내측 축방향 요크부(1312a)의 축방향 길이(L21)는 적어도 외측 고정자(1311)의 축방향 길이(L11)보다는 길거나 같게 형성될 수 있다. 이에 따라, 후술할 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)의 축방향 양단 사이의 길이(L22)가 제1 폴부(1311d)와 제2 폴부(1311e)의 축방향 양단 사이의 길이(L17)보다 길거나 같게 형성될 수 있다.

또, 내측 축방향 요크부(1312a)의 반경방향 길이(두께)(L23)는 외측 축방향 요크부(1311a)의 반경방향 길이(L12)보다는 크거나 같게 형성되는 것이 나중에 설명할 유효 스트로크 범위를 확대하는데 유리할 수 있다.

한편, 중심코어(1312b)는 직사각형 모양으로 형성될 수 있다. 하지만, 중심코어(1312b)의 외측 단부는 양쪽 모서리가 경사지게 형성되거나 단차지게 형성될 수도 있다.

또, 중심코어(1312b)의 내측 단부는 내측 축방향 요크부(1312a)에서 단차지게 연장될 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이, 중심코어(1312b)의 축방향 양쪽 측면은 지지면부(1312b1)가 단차지게 형성될 수 있다. 이에 따라, 중심코어(1312b)를 마주보는 마그네트(1351)(1352)의 측면 일부가 중심코어(1312b)로부터 이격된 상태에서 지지면부(1312b1)에 축방향으로 긴밀하게 밀착될 수 있다.

하지만, 도 6과같이 중심코어(1312b)의 축방향 양쪽 측면이 단일 직선면으로 형성되어 중심코어(1312b)를 마주보는 마그네트(1351)(1352)의 측면이 중심코어(1312b)에 축방향으로 긴밀하게 밀착될 수 있다. 이에 따라, 마그네트(1351)(1352)에 대한 축방향 지지력을 높일 수 있다.

또, 중심코어(1312b)의 축방향 양쪽에는 각각 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)가 결합될 수 있다. 이에 따라, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)는 중심코어(1312b)를 사이에 두고 서로 이격되어 배치된다.

또, 중심코어(1312b)의 축방향 측면은 마그네트(1351)(352)와 접촉될 수도 있지만, 앞서 설명한 바와 같이 중심코어(1312b)에 지지면부(1312b1)를 구비하여 양쪽 마그네트(1351)(1352)와 축방향으로 이격된 이격거리(L24)가 형성되도록 할 수도 있다. 이에 따라, 중심코어(1312b)는 양쪽 마그네트(1351)(1352)와 이격되면서도 그 마그네트(1351)(1352)의 축방향 일측면을 견고하게 지지할 수 있다. 또, 중심코어(1312b)의 일부가 마그네트(1351)(1352)로부터 이격됨에 따라, 마그네트(1351)(1352)에 대한 자화시 중심코어(1312b)가 자화되는 것을 억제할 수 있다. 중심코어(1312b)와 마그네트(1351)(1352) 사이의 이격거리(L24)는 마그네트의 두께(L25) 대비 대략 20~30%가 되도록 형성될 수 있다.

또, 중심코어(1312b)의 높이(L26)는 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)의 높이(반경방향 두께)(L25)보다 낮거나 같게 형성될 수 있다. 다만, 중심코어(1312b)는 일종의 자로를 연결하는 통로를 형성하게 되므로, 후술할 가동자 코어(1322)와 접촉되지 않는 범위내에서 마그네트의 높이(L25)보다 더 높게 형성될 수도 있다. 하지만, 제1 공극(1341)과 제2 공극(1342)의 크기는 마그네트의 높이(L25)에 의해 규정되므로, 통상 중심코어(1312b)가 마그네트(1351)(1352)보다 더 높게 형성되지는 않는다.

또, 중심코어(1312b)는 가동자 코어(1322)와 반경방향으로 중첩될 수 있는 정도의 길이를 가지도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 가동자 코어(1322)의 유효 스트로크 범위를 넓게 형성할 수 있다.

또, 중심코어(1312b)의 축방향 길이는 복수 개의 마그네트(1351)(1352) 중에서 한 개의 마그네트의 축방향 길이(L27)보다 작거나 같게 형성될 수 있다. 예를 들어, 중심코어의 축방향 길이(L28)가 마그네트의 축방향 길이(L27)보다 길게 형성되면 그만큼 마그네트의 축방향 길이(L27)가 짧아지게 되는 것이므로, 자속량이 낮은 페라이트 마그네트의 특성상 자속밀도가 더욱 낮아져 모터 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 중심코어의 축방향 길이(L28)는 마그네트의 축방향 길이(L27)보다 작거나 같게 형성될 수 있다. 예를 들어, 중심코어의 축방향 길이(L28)가 마그네트의 축방향 길이(L27) 대비 대략 50~70%가 되도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)는 환형으로 형성될 수도 있고, 원호 형상으로 형성될 수도 있다. 마그네트(1351)(1352)가 환형으로 형성되는 경우에는 내측 고정자(1312)의 외주면에 삽입하여 결합할 수 있고, 원호형으로 형성되는 경우에는 내측 고정자(1312)의 외주면에 부착하여 결합할 수 있다. 이에 따라, 마그네트(1351)(1352)가 내측 고정자(1312)의 외주면에 삽입되어 결합됨에 따라, 마그네트(1351)(1352)의 조립작업과 착자작업을 용이하게 할 수 있다. 특히, 마그네트(1351)(1352)가 환형으로 형성되는 경우에는 마그네트(1351)(1352)를 내측 고정자(1312)의 외주면에 압입하여 결합할 수 있어 마그네트에 대한 조립작업을 더욱 용이하게 할 수 있다.

나아가, 중심코어(1312b)에 의해 축방향으로 이격된 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)를 동일한 방향으로 자화시킴에 따라 마그네트에 대한 착자작업을 더욱 용이하게 할 수 있다.

또, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)가 내측 고정자(1312)에 결합한 후에 축방향으로 이탈하지 않도록 지지될 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이, 중심코어(1312b)를 향하는 방향은 그 중심코어(1312b)의 양쪽 측면 또는 중심코어(1312b)의 양쪽 측면에 구비되는 지지면부(1312b1)에 밀착되어 지지되고, 반대방향은 내측 고정자(1312)에 결합된 각각의 고정부재(1315)에 의해 축방향으로 지지될 수 있다. 고정부재(1315)는 씨링(C-ring) 형상으로 형성되고, 내측 고정자(1312)의 양단부 외주면에는 환형으로 된 고정홈(1315a)이 각각 형성되며, 각 고정부재(1315)가 각각 고정홈(1315a)에 삽입되어 결합된다.

또, 도 4와 같이, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)는 동일한 방향으로 자화될 수 있다. 이에 따라, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)는 반경방향으로 서로 동일한 극성을 가지게 된다. 예를 들어, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)는 내주면에서 외주면 방향으로 자기력선이 형성될 수 있도록 제1 마그네트(1351)의 내주면과 제2 마그네트(1352)의 내주면은 N극으로, 외주면은 S극으로 자화될 수 있다. 이에 따라, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352) 주변에서의 가동자 코어(1322)에 대한 복원력을 제거하거나 최소화함으로써 가동자 코어에 대한 추력만 발생하도록 하거나 최대화할 수 있다. 이에 대해서는 나중에 다시 설명한다.

또, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)는 축방향 길이(L27)가 서로 동일하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 가동자 코어(1322)가 자로중심(Cm)에서 동일한 거리만큼 왕복운동을 하게 된다.

하지만, 경우에 따라서는 제1 마그네트(1351)의 축방향 길이(L27)와 제2 마그네트(1352)의 축방향 길이(L27)는 상이하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 리니어 모터가 한 개의 압축실을 갖는 리니어 압축기에 적용되는 경우에는 피스톤(142)이 압축실(P)의 압력에 의해 밀리는 것을 고려하여 압축실(P)에 근접한 제2 마그네트(1352)의 축방향 길이(L27)가 제1 마그네트(1351)의 축방향 길이(L27)보다 길게 형성될 수 있다. 또는, 제2 마그네트(1352)가 자로중심(Cm)을 기준으로 압축실쪽으로 더 근접하게 배치될 수도 있다. 이에 따라, 가동자 코어에 연결된 피스톤이 압축실쪽으로 더 큰 추력을 발생시킬 수 있다.

또, 제1 마그네트(1351)의 축방향 길이와 제2 마그네트(1352)의 축방향 길이를 합한 마그네트의 축방향 길이는 제1 폴부(1311d)의 축방향 길이와 제2 폴부(1311e)의 축방향 길이를 합한 외측 고정자(1311)의 축방향 길이보다 작거나 같게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 마그네트(1351)의 하사점 방향 끝단에서 제2 마그네트(1352)의 상사점 방향 끝단까지의 길이(L22)는 제1 폴부(1311d)의 하사점 방향 끝단에서 제2 폴부(1311e)의 상사점 방향 끝단까지의 길이((L17)보다 작거나 같게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)를 통과하는 자속이 누설되는 것을 최소화하여 모터 효율을 높일 수 있다.

한편, 가동자 코어(1322)는, 앞서 설명한 바와 같이, 영구자석을 의미하는 마그네트가 아니며, 전기강판과 같이 권선코일(133)에 의해 고정자(131)와 함께 자기회로를 이룰 수 있는 자성체이면 족하다.

또, 가동자 코어(1322)의 축방향 길이는 복수 개의 마그네트(1351)(1352) 중에서 한 개의 마그네트의 축방향 길이보다 길거나 같게 형성될 수 있다. 또, 가동자 코어(1322)의 축방향 길이(L31)는 복수 개의 마그네트의 축방향 길이의 합보다는 짧게 형성될 수 있다. 이에 따라, 가동자 코어(1322)는 고정자(1311)에 형성되는 자속의 방향에 따라 왕복운동을 하게 된다. 다만, 가동자 코어(1322)의 축방향 길이(L31)에 따라 유효 스트로크의 시작지점과 끝나는 지점이 변경되어 알파값 역시 변경된다. 예를 들어, 가동자 코어(1322)의 축방향 길이(L31)가 짧아질수록 유효스트로크의 범위가 좁아지는 반면 가동자 코어(1322)의 축방향 길이(L31)가 길어질수록 유효스트로크의 범위가 넓어지게 된다. 이에 대해서는 나중에 도 9를 참조하여 다시 설명한다.

상기와 같은 본 실시예에 따른 리니어 모터는, 고정자에 형성되는 자속의 방향에 따라 가동자가 왕복운동을 하게 된다. 도 7a 및 도 7b는 본 실시예에서 고정자에서의 자속의 방향에 따른 가동자의 동작을 구분하여 보인 개략도들이다.

도 7a는 자속이 시계방향으로 형성되는 것으로, 이 경우 가동자(1322)는 도면의 우측인 하사점 방향으로 이동을 하게 된다. 이때, 외측 고정자(1311)에 형성되는 자속은 외측 축방향 요크부(1311a)와 제1 반경방향 요크부(1311b) 그리고 제1 폴부(1311d)를 통해 중심코어(1312b)로 이동하게 되고, 이 중심코어(1312b)로 이동하는 자속 중에서 상대적으로 많은 자속은 제1 마그네트(1351)의 내측면 극성(N극)으로 흡인된다. 이 자속은 제1 마그네트(1351)의 외측면 극성(S극)으로 이동한 후 가동자 코어(1322)를 통해 중심코어(1312b)로 회귀하는 폐루프를 형성하면서 가동자 코어(1322)에 대한 추력을 높이게 된다. 이에 따라, 가동자 코어(1322)는 자로중심(Cm)으로 정의되는 고정자 중심에서 도면의 우측방향으로 멀어지는 하사점으로 이동하게 된다.

도 7b는 자속이 반시계방향으로 형성되는 것으로, 이 경우 가동자(1322)는 도면의 좌측인 상사점 방향으로 이동을 하게 된다. 이때, 외측 고정자(1311)에 형성되는 자속은 외측 축방향 요크부(1311a)와 제2 반경방향 요크부(1311c) 그리고 제2 폴부(1311e)를 통해 중심코어(1312b)로 이동하게 되고, 이 중심코어(1312b)로 이동하는 자속 중에서 상대적으로 많은 자속은 제2 마그네트(1352)의 내측면 극성(N극)으로 흡인된다. 이 자속은 제2 마그네트(1352)의 외측면 극성(S극)으로 이동한 후 가동자 코어(1322)를 통해 중심코어(1312b)로 회귀하는 폐루프를 형성하면서 가동자 코어(1322)에 대한 추력을 높이게 된다. 이에 따라, 가동자 코어(1322)는 자로중심(Cm)으로 정의되는 고정자 중심에서 도면의 좌측방향으로 멀어지는 상사점으로 이동하게 된다.

여기서, 도 7a 및 도 7b와 같이, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)는 각각 내주면에서 외주면 방향으로 자속이 형성된다. 이에 따라, 외측 고정자(1311)의 제1 폴부(1311d)와 이를 마주보는 제1 마그네트(및 내측 고정자의 일단)(1351), 제2 폴부(1311e)와 이를 마주보는 제2 마그네트(및 내측 고정자의 타단)(1352)의 사이에는 각각 맴돌이 자속이 형성되지 않거나 매우 약하게 형성된다. 그러면, 하사점으로 이동한 가동자 코어(1322) 또는 상사점으로 이동한 가동자 코어(1322)에 대한 복원력(centering force)이 약하게 발생되어, 가동자 코어(1322)는 앞서 설명한 바와 같이 하사점 또는 상사점까지 원활하게 이동할 수 있게 된다. 즉, 가동자 코어(1322)에 대한 복원력은 감소하는 반면 추력이 증가하게 되어 동일한 마그네트의 표면적 대비 모터출력이 향상될 수 있다. 이는 반대로 동일한 모터출력 대비 마그네트의 사용량을 줄일 수 있어 페라이트 마그네트를 사용할 경우 모터의 크기를 확대하지 않고도 원하는 정도의 모터출력을 얻을 수 있다. 또, Nd 마그네트를 사용할 경우 모터의 사용량을 줄여 재료 비용을 절감할 수 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예는 가동자 코어(1322)를 상사점 또는 하사점으로 원활하게 이동시킬 수 있어 그만큼 가동자 코어(1322)에 대한 제어특성이 향상될 수 있다.

통상, 하사점을 기준으로 가동자 코어(1322)를 제어할 때, 하사점 구간에서는 일정시간 동안 거의 유사한 정도의 전압을 인가하게 된다. 이 구간을 제어 가능 구간, 즉 유효 스트로크 구간이라고 정의한다. 도 8은 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 코어의 왕복운동시 각 위치에서의 전압을 측정한 그래프이다. 이를 참조하면 가동자의 유효 스트로크 범위를 알 수 있다.

도 8을 참조하면, 유효 스트로크 구간은 대략 0.005초~0.015초 사이의 구간이 된다. 특허문헌1은 물론 특허문헌2와 비교하더라도 하사점에서의 유효 스트로크 범위가 확대된 결과임을 볼 수 있다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)가 동일한 방향으로 자화됨에 따라, 맴돌이 자속이 형성되지 않거나 매우 낮게 형성되기 때문이다.

또, 본 실시예는 권선코일을 중심으로 양쪽에 제1 폴부(1311d)와 제2 폴부(1311e)가 구비되고, 제1 마그네트(1351)와 제2 마그네트(1352)가 중심코어(1312b)에 의해 서로 이격되어 배치된다. 이에 따라, 모터의 알파 파형이 자로중심을 기준으로 대칭적으로 형성되게 되어, 유효 스트로크 구간이 길어지게 된다. 그러면 가동자 코어(1322)를 더욱 정확하게 제어할 수 있게 되어 모터 성능이 향상될 수 있다. 이때, 유효 스트로크 범위는 중심코어(1312b)의 높이(두께), 가동자 코어(1322)의 길이와 같은 설계 변수에 따라 상이하게 나타날 수 있다.

예를 들어, 가동자 코어(1322)의 길이가 짧아지면 유효 스트로크 범위는 감소하고 가동자 코어(1322)의 길이가 길어지면 유효 스트로크 범위가 증가하게 된다. 도 9는 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 가동자 코어의 길이에 따른 유효 스트로크의 변화를 보인 그래프이다.

이 실험에서의 조건은 각 모델에 대한 중심코어(1312b)의 높이를 동일하게 하고 가동자 코어(1322)의 길이를 다르게 설정하였다. 즉, 모델 ①은 가동자 코어(1322)의 길이가 가장 짧고, 모델 ②, 모델 ③, 모델 ④ 순으로 가동자 코어(1322)의 길이를 증가시켰다. 모델 ④의 가동자 코어(1322)의 길이가 가장 길다.

도 9를 참조하면, 하사점 구간에서의 전압은 모델 ①이 가장 높고, 모델 ④가 가장 낮다. 또, 유효 스트로크 구간은 모델 ①이 가장 좁고, 모델 ④가 가장 넓은 것을 볼 수 있다. 이는, 가동자 코어(1322)의 길이가 길수록 가동자 코어(1322)와 중심코어(1312b) 사이의 중첩구간이 길어지면서 유효 스트로크의 범위가 길게 되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 유효 스트로크의 범위를 넓히기 위해서는 가능한 한 가동자 코어(1322)의 길이를 길게 형성하되, 상사점 또는 하사점에서 가동자 코어(1322)의 적어도 일부가 중심코어(1312b)와 반경방향으로 중첩될 수 있도록 형성되는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다.

이는 또, 모터의 형상과도 관련이 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 리니어 모터는 권선코일(133)을 중심으로 양쪽에 각각 공극(1341)(1342)이 형성되는 2공극 모터를 형성하게 된다. 이에 따라, 추력상수로 정의되는 알파값이 1공극 모터에 비해 대칭을 이루게 된다. 그러면, 가동자 코어(1322)가 하사점에서 상사점으로, 상사점에서 하사점으로 이동하는 형태가 서로 유사한 모양을 형성하게 되어 그만큼 가동자 코어(1322)에 대한 유효 스트로크 범위가 넓어지게 되면서 모터의 효율이 향상될 수 있다. 도 10은 본 실시예에 따른 리니어 모터에서 가동자 코어의 왕복운동시 알파값(추력상수)의 변화를 보인 그래프이다. 이는, 마그네트의 내경이 26mm, 마그네트의 외경이 30mm, 마그네트의 길이가 20mm, 가동자 코어이 무게가 141g인 경우에서의 알파값을 보인 그래프이다. 이 그래프의 X축은 가동자 코어의 왕복운동에 대한 시간을 표시하므로 결국 가동자 코어의 위치를, Y축은 해당 위치에서의 전압을 표시하므로 결국 해당 위치에서의 알파값을 표시하게 된다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 2공극 리니어 모터의 알파값은 가동자 코어가 자로중심(0.01 지점)에서 하사점으로 약간 치우친 0.008 지점에서 피크값인 42.15를 보이며, 자로중심에서 상사점으로 약가니 치우친 0.012 지점에서 피크값과 유사한 42.01를 보인다.

도 10에 도시된 그래프를 통해, 가동자 코어(1322)가 하사점에서 상사점으로 이동하는 동작과 상사점에서 하사점으로 이동하는 동작이 대략 대칭을 이루게 되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해, 가동자 코어(1322)에 대한 제어 가능 스트로크 범위가 넓어져 가동자 코어(1322)에 대한 제어가 간소화되면서 모터 효율이 향상될 수 있다. 또, 이 리니어 모터를 채용한 리니어 압축기의 효율도 향상될 수 있다.

한편, 이상에서는 리니어 모터를 예로 들어 설명하였다. 따라서, 리니어 압축기에 앞서 설명한 리니어 모터가 적용되게 되면 리니어 압축기에서도 리니어 모터에서 얻은 효과를 동일하게 기대할 수 있다. 따라서, 리니어 압축기에 대하여는 리니어 모터에 대한 설명을 준용한다.

Claims (16)

1. 외측 고정자, 상기 외측 고정자의 내측에 반경방향으로 이격되는 공극(air gap)을 두고 구비되는 내측 고정자를 포함하며, 상기 공극은 축방향을 따라 기설정된 간격을 두고 복수 개가 형성되는 고정자;
   상기 고정자에 구비되는 권선코일;
   상기 외측 고정자와 내측 고정자 사이에 구비되고, 자성체로 된 가동자 코어가 구비되어 상기 공극 내에서 왕복운동을 하는 가동자; 및
   상기 복수 개의 공극에 각각 위치하도록 상기 내측 고정자에 각각 고정되는 복수 개의 마그네트;를 포함하고,
   상기 고정자에는 축방향 중앙부에 중심코어가 형성되며,
   상기 복수 개의 마그네트는 상기 중심코어를 사이에 두고 양쪽에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수 개의 마그네트는 반경방향으로 서로 동일한 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수 개의 마그네트는 축방향 길이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수 개의 마그네트는 축방향의 양단 사이의 길이가 상기 외측 고정자의 축방향 양단 사이의 길이보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 복수 개의 마그네트는 각각 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 내측 고정자의 외주면에는 환형으로 된 고정홈이 형성되고, 상기 고정홈에는 환형으로 된 고정부재의 일부가 삽입되어 축방향으로 지지되며,
   상기 고정부재에 의해 상기 복수 개의 마그네트 중에서 적어도 어느 한 쪽 마그네트가 축방향으로 지지되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
7. 제1항에 있어서,
   상기 중심코어는 상기 내측 고정자의 외주면에서 상기 외측 고정자를 향해 반경방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 중심코어는 상기 가동자의 이동시 상기 중심코어의 적어도 일부가 상기 가동자 코어와 반경방향으로 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
9. 제8항에 있어서,
   상기 중심코어의 축방향 길이는 상기 복수 개의 마그네트 중에서 한 개의 마그네트의 축방향 길이보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
10. 제8항에 있어서,
    상기 중심코어의 반경방향 높이는 상기 복수 개의 마그네트의 높이보다 낮거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
11. 제1항에 있어서,
    상기 중심코어는 상기 복수 개의 마그네트와 축방향으로 기설정된 이격거리를 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
12. 제11항에 있어서,
    상기 내측 고정자는 자로를 이루는 고정자 본체와, 상기 고정자 본체에서 연장되는 중심코어로 이루어지고,
    상기 고정자 본체와 중심코어가 연결되는 부분에 상기 복수 개의 마그네트를 각각 축방향으로 지지하는 지지면부가 단차지게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
13. 제1항에 있어서,
    상기 가동자 코어의 축방향 길이는 상기 중심코어의 축방향 길이보다 길거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
14. 제1항에 있어서,
    상기 가동자 코어의 축방향 길이는 상기 복수 개의 마그네트 중에서 한 개의 마그네트의 축방향 길이보다 길거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
15. 내부공간을 가지는 케이싱;
    상기 케이싱의 내부공간에 배치되고, 가동자가 왕복운동을 하는 리니어 모터;
    상기 리니어 모터의 가동자에 결합되어 함께 왕복운동을 하는 피스톤;
    상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하는 실린더;
    상기 압축공간의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브; 및
    상기 압축공간의 토출측을 개폐하는 토출밸브;를 포함하고,
    상기 리니어 모터는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 리니어 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
16. 제15항에 있어서,
    상기 피스톤의 축방향 일측에는 그 피스톤을 왕복방향인 축방향으로 탄력 지지하는 탄성부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 압축기.

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