KR20220157240A

KR20220157240A - 압축기 및 이의 제어방법

Info

Publication number: KR20220157240A
Application number: KR1020210065084A
Authority: KR
Inventors: 이승주; 전종현; 김경민; 정지연
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-11-29

Abstract

본 발명은 3개의 코일과 4개의 갭센서를 포함하여 구동하는 자기베어링 적용 모터를 사용하는 압축기 및 그의 제어방법이다. 본 발명에서는 4개의 갭센서를 이용하여 회전체의 움직임을 측정하고, 회전체의 중심벡터의 방향 변화가 감지되면, 자기베어링에 권선된 3개의 코일 각각에 필요한 벡터 힘을 산출하여, 3개의 코일 각각에 대한 전류의 공급 여부와 전류량을 결정하여 전류를 제어한다. 그에 따라 자기베어링에 3개의 코일과 3개의 인버터만 사용하면 충분하여 비용이 절감되고, 인터버 파워소자의 고장 확률도 감소하며, 나아가 회전체의 안정적인 부상이 이루어질 수 있다.

Description

압축기 및 이의 제어방법{Compressor}

본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기베어링 적용 모터를 포함하는 압축기 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 냉장고나 에어콘과 같은 증기압축식 냉동사이클(이하, 냉동사이클로 약칭함)에 적용되고 있다. 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 로터리식, 스크롤식 등으로 구분될 수 있다.

왕복동식 압축기는 실린더 내 피스톤이 왕복운동으로 가스를 압축하는 압축기이고, 이 중 스크롤 압축기는 밀폐용기의 내부공간에 고정된 고정 스크롤에 선회 스크롤이 맞물려 선회운동을 함으로써 고정 스크롤의 고정랩과 선회 스크롤의 선회랩 사이에 압축실이 형성되는 압축기이다.

터보 압축기는 원심 압축기의 일종으로, 케이싱 내에 후곡 날개의 날개 바퀴를 회전해서 그 원심력으로 기체의 압축을 실행하는 것이다. 터보 압축기는 왕복동식, 스크류식 보다 대용량, 저소음, 낮은 유지 보수 등의 장점을 가진다. 뿐만 아니라 오일이 함유되지 않은 깨끗한 압축기체를 생산할 수 있다.

터보 압축기는, 일반적으로 냉동사이클 장치에 적용되는 스크롤식 압축기 등과 같은 용적식 압축기에 비해, 상대적으로 압축비가 낮으며 높은 유량을 가지며,

또한, 일반적으로 공기 조화기의 압축기는 모터를 구동원으로 이용하고 있다. 모터는, 일반적으로 고정자의 내부에 위치한 회전축이 물리적으로 접촉되는 베어링에 의해 지지되는 구조를 갖는다. 최근에는, 고속으로 회전하는 모터의 개발 필요성에 따라, 자기베어링에 의해 회전축이 물리적인 접촉 없이도 지지되는 고속회전용 모터가 개발되었다.

이러한 자기베어링 적용 모터는 회전축의 수직방향의 하중을 담당하는 다수의 자기베어링과 스러스트 베어링으로 구성된다. 자기베어링은 회전축을 안정적으로 지지하기 위해 4개의 파트로 분류되며, 각 파트를 제어하기 위하여 4개의 인버터가 필요하다.

[특허문헌1]

한국 특허공개번호 특2000-0043000호

[특허문헌2]

미국 특허공개번호 US 20180058460 A1

[특허문헌3]

일본 특허공개번호 JP2008082425 A2

본 발명은 3개의 코일과 3개의 인버터로 구성된 자기베어링 적용 모터를 사용하여 압축기를 안정적으로 제어할 수 있는 압축기 및 이의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 4개의 갭센서를 통해 안정적으로 확인되는 회전체의 변위량에 근거하여 3개의 코일에 필요한 힘과 전류를 보다 정확하게 산출할 수 있는 압축기 및 이의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 압축기는 냉매를 흡입하여 압축하는 하나 이상의 임펠러; 상기 임펠러를 회전시켜 회전력을 제공하는 모터가 연결된 회전축; 복수의 코일을 포함하고, 상기 회전축을 공중에서 회전 가능하도록 지지하는 자기베어링; 상기 회전축의 움직임을 측정하는 복수의 갭센서; 상기 갭센서로부터 전달받은 상기 회전축의 움직임과 관련된 신호에 근거하여 상기 회전축의 중심벡터 방향의 변화를 감지하고, 상기 감지된 변화에 근거하여 상기 복수의 코일 각각에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 실시 예에서, 상기 자기베어링은 3개의 코일이 권선된 고정 프레임을 포함하며, 상기 3개의 코일은 각각의 사이각이 120도를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 회전축의 중심벡터 방향의 변화가 감지된 것에 응답하여, 상기 회전축의 중심을 상기 고정 프레임의 중심에 일치시키기 위한 거리 정보를 결정하고, 결정된 거리 정보에 근거하여 상기 3개의 코일에 필요한 벡터 힘을 산출하고, 산출된 벡터 힘에 대응되는 코일에 공급되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 3개의 코일은, 상기 고정 프레임의 Y축 + 방향에 배치되도록 권선되는 제1코일; 상기 고정 프레임의 Y축 -방향과 X축 +방향 사이에 배치되도록 권선되는 제2코일; 및 상기 고정 프레임의 Y축 -방향 X축 -방향에 위치하도록 권선되는 제3코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 복수의 갭센서는 4개의 갭센서로 구성되며, 상기 제4개의 갭센서는, 상기 고정 프레임의 X축의 +방향 및 -방향에 위치하여 상기 회전축의 상하 움직임을 측정하는 한 쌍의 갭센서와, 상기 고정 프레임의 Y축의 +방향 및 -방향에 위치하여 상기 회전축의 좌우 움직임을 측정하는 다른 한 쌍의 갭센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, 초기 상태에서, 상기 회전축을 Y축 방향으로 부상시키기 위해, 상기 복수의 코일 중 u 상에 배치된 제1코일에만 전류를 인가하고, 나머지 제2코일 및 제3코일에는 전류를 공급하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 회전축의 중심벡터 방향이 X축의 -방향과 Y축의 +방향으로 이동한 것에 응답하여, 상기 복수의 코일 중 u상과 v상에 배치된 상기 제1코일 및 상기 제2코일에는 전류를 인가하고 w상에 배치된 상기 제3코일에는 전류를 공급하지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제2코일에 인가되는 전류량의 절반만큼이 더해져서 상기 제1코일에 흐르도록 전류량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 회전축의 중심벡터 방향이 Y축의 +방향으로만 이동한 것에 응답하여, 상기 복수의 코일 중 상기 제1코일에는 상기 초기 상태와 동일한 전류량을 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, v상에 배치된 상기 제2코일과 w상에 배치된 상기 제3코일에는 상기 제1코일에 인가되는 전류량의 절반만큼이 흐르도록 전류량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 회전축의 중심벡터 방향이 X축의 +방향 및 Y축의 -방향으로 이동한 것에 응답하여, 상기 복수의 코일 중 상기 제1코일과 w상에 배치된 상기 제3코일에는 전류를 인가하고, v상에 배치된 상기 제2코일에는 전류가 흐르지 않도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제3코일에 인가되는 전류량의 절반만큼이 더해져서 상기 제1코일에 흐르도록 전류량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 실시 예에서, 상기 3개의 코일은, 상기 고정 프레임의 Y축 -방향에 배치되도록 권선되는 제1코일; 상기 고정 프레임의 Y축 +방향과 X축 +방향의 사이에 배치되도록 권선되는 제2코일; 및 상기 고정 프레임의 Y축 +방향과 X축 -방향의 사이에 위치하도록 권선되는 제3코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 압축기의 제어방법은, 냉매를 흡입하여 압축하는 하나 이상의 임펠러, 상기 임펠러를 회전시켜 회전력을 제공하는 모터가 연결된 회전축, 상기 회전축을 공중에서 회전 가능하도록 지지하는 자기베어링을 포함하는 압축기의 제어방법으로서, 복수의 갭센서를 이용하여 상기 회전축의 움직임을 측정하는 단계; 상기 복수의 갭센서로부터 전달받은 상기 회전축의 움직임과 관련된 신호에 근거하여 상기 회전축의 중심벡터의 방향의 변화를 감지하는 단계; 및상기 감지된 변화에 근거하여 상기 자기베어링에 권선된 복수의 코일 각각에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 실시 예에서, 상기 복수의 코일 각각에 공급되는 전류를 제어하는 단계는, 상기 회전축의 중심벡터 방향의 변화가 감지된 것에 응답하여, 상기 회전축의 중심을 자기베어링 고정 프레임의 중심에 일치시키기 위한 거리 정보를 결정하는 단계와, 상기 결정된 거리 정보에 근거하여 상기 3개의 코일에 필요한 벡터 힘을 산출하는 단계와, 상기 산출된 벡터 힘에 대응되는 코일에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 터보 압축기 및 이의 제어방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 터보 압축기 및 이의 제어방법에 의하면, 자기베어링에 3개의 코일 및 그에 대응되는 3개의 인버터만을 사용하여 모터를 구성함으로써, 자원의 소모와 전체 비용이 절감된다. 또한, 인버터의 사용 개수가 감소됨으로써, 인터버 파워소자의 고장 확률도 감소하여, 회전체의 안정적인 부상이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 터보 압축기 및 이의 제어방법에 의하면, 회전체의 상하방향 및 좌우방향의 움직임을 측정하는 갭센서는 4개를 유지함으로써, 고장 또는 결선에 대비한 안정적인 위치 측정이 가능하며, 나아가 자기베어링을 안정적인 궤적에 위치시킬 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 터보 압축기의 예시 구조를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 2c, 도 2d, 도 2e, 도 3a, 도 3b는, 도 2a 및 도 2b의 모터의 구조에서 본 발명의 제1 실시 예에 따라, 힘의 합성을 위해 자기베어링에 권선된 3개의 코일의 전류를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명에 따른 터보 압축기에 적용되는 모터의 세부구성을 도시한 블록도이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d, 도 5e, 도 6a, 도 6b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 모터의 구조와 자기베어링에 권선된 3개의 코일의 전류를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 코일의 힘의 합성을 산출하는 방법을 구체적으로 설명하기 위한 대표 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라, 본 발명에 따른 모터의 구조 및/또는 전류 제어의 적용 여부를 확인하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 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.

도 1은 본 발명과 관련된 터보 압축기의 예시 구조를 도시한 도면이다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 터보 압축기(100)는, 케이싱(110)의 내부공간에 모터(120)이 설치되고, 케이싱(110)의 외부에는 제1압축유닛(130), 제2압축유닛(140)과 제3압축유닛(180)이 설치되며, 모터(120)과 압축유닛(130, 140, 180)의 사이에는 축(125)으로 연결된다.

케이싱(110)은 양단이 개구되어 원통모양으로 형성되는 쉘(111)과, 쉘(111)의 양쪽 개구단을 각각 복개하는 전방측 프레임(112)과 후방측 프레임(113)으로 이루어질 수 있다.

쉘(111)의 내주면에는 후술할 모터(120)의 스테이터(121)가 고정 결합되고, 전방측 프레임(112)과 후방측 프레임(113)의 중앙부에는 축(125)이 관통되도록 축구멍(112a, 113a)이 각각 형성된다. 전방측 프레임(112)의 축구멍(112a)과 후방측 프레임(113)의 축구멍(113a)에는 축(125)을 반경방향으로 지지하는 저널 베어링(journal bearing, 151, 152)이 각각 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서 베어링(151, 152)은 모터와 연결된 축(125)을 공중에서 회전 가능하도록 지지하는 자기베어링일 수 있다. 이러한 경우, 다수의 자기베어링을 지지하는 베어링하우징과 다수의 자기베어링 사이에 구비되어 축(125)과의 거리를 감지하는 갭센서를 포함할 수 있다. 이러한 자기베어링 및 갭센서의 위치와 구조에 대해서는 본 발명의 실시 예들과 관련하여 이하에서 좀더 구체적으로 설명하겠다.

터보 압축기(100)는 축(125)이 축방향으로 진동하는 것을 방지하기 위한 스러스트 베어링을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 전방측 프레임(112)의 내측면에는 제1 스러스트 베어링(thrust bearing, 153), 후방측 프레임(113)의 내측면에는 제2 스러스트 베어링(154)이 각각 결합된다. 후술할 축(125)에는 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)에 각각 대향하도록 제1 축방향 지지판(스러스트 러너, 161)과 제2 축방향 지지판(스러스트 러너, 162)이 각각 고정 결합될 수 있다. 즉, 제1 스러스트 베어링(153)은 제1 축방향 지지판(161)과 함께 제1 방향 추력제한부를 형성하고, 제2 스러스트 베어링(154)은 제2 축방향 지지판(스러스트 러너, 162)과 함께 제2 방향 추력제한부를 형성하게 된다. 이로써, 제1 방향 추력제한부와 제2 방향 추력제한부는 서로 반대방향으로 스러스트 베어링을 형성하면서 축(125)을 포함한 회전요소에 대한 추력을 상쇄시키게 된다.

한편, 모터(120)는 냉매의 압축을 위한 회전 동력을 발생시키는 역할을 한다. 모터(120)는 스테이터(121) 및 로터(122)를 포함할 수 있다. 로터(122)의 중심에는 로터(122)의 회전력을 후술할 제1임펠러(131)와, 제2임펠러(141)와, 제3임펠러(181)로 전달하기 위한 축(125)이 결합된다.

스테이터(121)는 케이싱(110)의 내주면에 압입되어 고정되거나 케이싱(110)에 용접되어 고정될 수 있다. 일례로, 스테이터(121)의 외주면은 D자형으로 디컷지게 형성되어, 케이싱(110)의 내주면과의 사이에 유체가 이동할 수 있는 통로가 형성될 수 있다.

스테이터(121)에는 냉매 유입 유로(121a)가 구비될 수 있는데, 냉매 유입 유로(121a)는 스테이터(121)에서 적어도 일 방향을 따라서 형성될 수 있다. 냉매 유입 유로(121a)는 스테이터(121)의 내부에 형성되거나, 스테이터(121)의 외주에 냉매가 유동하도록 구비될 수도 있다.

로터(122)는 스테이터(121)의 내측에 위치되며 스테이터(121)와 이격 배치된다. 로터(122)의 축방향 양단에는 후술할 제1임펠러(131)와 제2임펠러(141)에 의해 발생되는 편심하중을 상쇄시키기 위한 밸런스 웨이트가 결합될 수 있다. 하지만, 밸런스 웨이트는 로터(122)에 설치되지 않고 축(125)에 결합될 수도 있다.

밸런스 웨이트가 축(125)에 결합되는 경우에는 앞서 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(스러스트 러너)(162)을 이용하여 밸런스 웨이트로 활용할 수 있다.

축(125)은 로터(122)의 중심을 관통하여 압입 결합된다.

따라서, 축(125)은 스테이터(121)와 로터(122)의 상호작용에 의해 발생하는 회전력을 전달받아 로터(122)와 함께 회전한다. 이 회전력은 제1임펠러(131)와, 제2임펠러(141)와, 제3임펠러(181)에 전달되어 냉매를 흡입, 압축하여 토출하게 된다.

한편, 로터(122)의 양측에는, 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(스러스트 러너, 162)이 각각 고정 결합된다. 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)은 케이싱(110)에 구비된 제1 및 제2 스러스트 베어링(153, 154)에 의해 축방향으로 지지된다.

이에 따라, 축(125)은 앞서 설명한 바와 같이 그 축(125)에 구비된 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)이 케이싱(110)에 구비된 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)에 의해 서로 반대방향으로 지지되면서, 제1압축유닛(130)과 제2압축유닛(140)에 의해 발생되는 추력을 효과적으로 상쇄시킬 수 있다.

제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)은 로터(122)의 양단에 일체로 구비될 수 있다. 이 경우, 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)이 축(125)을 축방향으로 지지하는 과정에서 발생되는 마찰열이 로터(122)에게로 전달될 수도 있다. 또한, 각 지지판(161, 162)이 축방향으로 하중을 받아 변형될 경우 로터(122)가 변형될 수 있다. 이에, 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)은 로터(122)의 양단으로부터 각각 이격되게 설치될 수 있다.

또한, 축(125)에 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)을 고정 결합할 경우, 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)의 무게나 고정위치를 조절하여 밸런스 웨이트로 이용할 수도 있을 것이다. 이 경우, 로터(122)에 별도의 밸런스 웨이트를 설치하지 않아도 된다. 따라서, 그만큼 회전요소의 무게를 줄일 수 있고, 터보 압축기(100)의 축방향 길이를 줄일 수 있어서 터보 압축기(100)를 소형화할 수 있다.

여기서, 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)은 전방측 프레임(112)과 후방측 프레임(113)에 설치되지 않고 케이싱의 보다 내측에 배치된 제1 축방향 지지판(161)과 제2 축방향 지지판(162)에 설치될 수도 있을 것이다.

또한, 케이싱(110)의 내부, 즉 전방측 프레임(112)과 로터(122)의 사이 또는 후방측 프레임(113)과 로터(122)의 사이에는 그 케이싱(110)에 각각 고정되는 별도의 전방측 고정판(미도시)과 후방측 고정판(미도시)을 더 구비하고, 그 전방측 고정판과 후방측 고정판에 각각 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)이 설치될 수도 있다.

이 경우에는 터보 압축기(100)의 축방향 길이가 길어지고 조립공수가 증가할 수 있으나, 케이싱(10)에 직접 스러스트 베어링을 설치하는 것에 비해 신뢰성을 높일 수 있다.

여기서, 도면으로 도시하지는 않았으나, 제1 스러스트 베어링(153)과 제2 스러스트 베어링(154)이 모터(120)의 일측, 즉 스테이터(121)를 기준으로 전방측이나 후방측 중에서 어느 한 쪽에 모아 구비될 수도 있다.

또한, 압축유닛(130, 140, 180)은 다단 압축을 진행하도록 3 개의 압축유닛(130, 140, 180)으로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에서 압축유닛(130, 140, 180)이 모터(120)의 반대편에 모두 배치될 수 있다.

이하에서는, 모터(120)와 연결된 축(125)을 회전축으로 명명하고, 그 회전축을 공중에서 회전 가능하도록 지지하는 베어링을 자기베어링으로 명명하겠다.

자기베어링은 압축기의 회전축이 공중에 부양된 상태에서 마찰없이 회전할 수 있게한다. 이를 위해, 다수의 자기베어링이 필요하며, 각각의 자기베어링은 회전축을 중심으로 균형을 이루도록 설치되어야한다.

본 명세서에서는, 자기베어링에 코일의 개수가 3개만 설치된 구조에서, 회전축을 더욱 안정적으로 제어할 수 있는 구조 및 방법을 개시한다. 자기베어링에 권선된 코일의 개수가 감소되면, 각각의 코일을 제어하기 위한 인버터의 개수도 대응되는 만큼 감소된다. 그에 따라, 전체 비용이 감소된다.

고속으로 작동하는 압축기의 회전축을 안정적으로 궤적에 위치시키기 위하여, 지속적으로 자기베어링에 권선된 코일에 전류가 인가되어야한다. 이에, 3개의 코일과 3개의 인버터만으로 회전축을 안정적으로 지지하기 위한 힘의 합성과 제어가 필요하다. 이와 함께, 회전축과의 거리를 감지하는 갭센서 중 일부가 고장난 경우에도, 현재 회전체의 중심점 위치를 지속적으로 파악할 수 있는 장치가 필요하다.

이와 관련하여, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 모터의 구조를 보인 도면이다. 그리고, 도 2c, 도 2d, 도 2e, 도 3a, 도 3b는, 도 2a 및 도 2b의 모터의 구조에서 본 발명의 제1 실시 예에 따라, 힘의 합성을 위해 자기베어링에 권선된 3개의 코일의 전류를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

먼저, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따라 3개의 코일과 4개의 갭센서를 적용한 자기베어링 적용 모터를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기베어링 적용 모터는 고정 프레임(210)과 회전 프레임(220)을 포함하며, 3개의 코일(251, 252, 253)과 4개의 갭센서(281, 282, 283, 284)으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 고정 프레임(210)은 전술한 스테이터고, 회전 프레임(220) 또는 회전체는 전술한 로터일 수 있다.

회전 프레임(220)과 고정 프레임(210) 사이의 거리(L)는 약 100umm 일 수 있다. 고정 프레임(210)은 코일 고정자 또는 모터 고정자일 수 있다.

3개의 코일(251, 252, 253)은 제1코일(251), 제2코일(252), 제3코일(253)로 명명되며, 각각 u축, v축, w축에 대응된다. 제1코일(251)은 고정 프레임(210)의 Y축 +방향에 위치하도록 권선되며, 제2코일(252)은 고정 프레임(210)의 Y축 -방향과 X축 +방향 사이에 배치된다. 그리고, 제3코일(253)은 고정 프레임(210)의 Y축 -방향 X축 -방향의 사이에 위치하도록 권선된다.

중심점(o)을 기준으로, 제1코일(251)과 제2코일(252), 제2코일(252)과 제3코일(253), 그리고 제1코일(251)과 제3코일(253)의 사이각(a)은 각각 120°를 형성한다.

3개의 코일(251, 252, 253)에 전류가 인가되면, 자력이 발생하게 된다. 그에 따라, 회전 프레임(220)을 끌어 당기는 힘이 발생한다.

이때, 회전 프레임(220), 즉 회전체의 안정적인 부상이 가능하도록, 복수의 갭센서(281, 282, 283, 284)로부터 전달받은 신호에 근거하여 상기 회전체의 현재 위치를 파악한다. 그리고, 회전체의 현재 위치에 근거하여 원점('o')에 중심점을 위치시키기 위해, 3개의 코일(251, 252, 253) 각각의 힘을 계산하여 전류를 인가한다.

4개의 갭센서(281, 282, 283, 284)는 각각 X축(+방향과, -방향)과 Y축(+방향과, -방향)에 위치한다. 4개의 갭센서(281, 282, 283, 284)는 외력에 의해 변화하는 회전체의 중심 위치를 실시간으로 파악한다.

Y축에 배치된 제1 갭센서(281) 및 제3 갭센서(283)는 회전체의 상하방향의 움직임을 측정할 수 있다. X축에 배치된 제2 갭센서(282) 및 제4 갭센서(284)는 회전체의 좌우방향의 움직임을 측정할 수 있다.

4개의 갭센서(281, 282, 283, 284) 중 어느 하나가 고장인 경우에도 나머지 3개의 갭센서를 이용해서 회전체의 중심 위치를 파악할 수 있다.

또한, 4개의 갭센서(281, 282, 283, 284)가 전달하는 정보에 근거하여, 3개의 코일(251, 252, 253)에 전류를 공급하는 선의 연결 상태, 예를 들어 결선 여부를 파악할 수 있다.

회전 프레임(220)은 터보 압축기(100)의 운전 주파수에 맞추어 회전한다. 고정 프레임(210)에는 3개의 코일(251, 252, 253)이 권선된다.

고정 프레임(210)에 권선된 3개의 코일(251, 252, 253)의 전부 또는 일부에 전류가 인가되면, 자력이 발생하게 된다. 그에 따라 회전체의 위치가 변하게 된다.

회전체를 안정적인 궤적에 위치시키기 위해(다시 말해, 회전체를 공중에 안정적으로 부양시키기 위해), 일반적으로 고정 프레임에 4개의 코일을 권선한 복수의 자기베어링을 사용한다. 이때, 4개의 코일은 회전체를 대칭적으로 감싸도록 설치한다. 그러나 본 발명에서는 3개의 코일만으로 회전체가 안정적인 궤적에 위치하도록 자기베어링을 구성하고, 3개의 코일에 인가되는 전류의 흐름을 안정적으로 제어하는 방법을 제안한다.

이와 관련하여, 도 2c, 도 2d, 도 3a, 도 3b는 제1 실시 예에 따라 힘의 합성을 위해 자기베어링에 권선된 3개의 코일의 전류를 제어하는 방법을 도시한 도면들이다.

먼저, 도 2c는 회전체의 초기 상태로서, 회전 프레임(220)의 중심축이 고정 프레임(210)의 중심점(o)을 기준으로 Y축 -방향으로 벗어나 있다. 회전 프레임(220), 즉 회전체의 중심축(미도시)을 고정 프레임(210)의 중심점(o)과 일치시키기 위해, 상기 회전체를 Y축 +방향으로 100umm만큼 부상시켜야한다.

이를 위해, u축에 배치된 제1코일(251)에 전류를 인가한다. 그러면, 자력에 의해 회전체가 끌어당겨져서, 도 2d와 같이 회전 프레임(220)의 중심축과 고정 프레임(210)의 중심점(o)이 일치된다. 즉, 회전체가 Y축 +방향으로 부상한다.

이 후, 터보 압축기(100, 도 1)가 구동하면, 모터가 고속 회전하게 되므로, 회전체는 외력에 의해 다시 중심점(o)에서 벗어나게 된다.

그리하여, 회전체에 인가된 외력에 의해 회전체의 중심(o")이 다시 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 2e와 같이 회전체의 중심(o")은 (0,0)으로부터 (-50umm, 50umm)으로 이동될 수 있다.

이러한 경우, 3축의 코일들, 즉 제1코일(251), 제2코일(252), 제3코일(253)에 전류를 인가하여, 다시 회전 프레임(220)의 중심축과 고정 프레임(210)의 중심점(o)을 일치시켜야 모터의 안정적인 제어가 가능하다.

도 2e에 도시된 상태에서, 즉 회전체의 중심(o")이 제1값((0,0))으로부터 제2값((-50umm, 50umm))으로 이동한 경우, X축의 +방향과 -방향에 위치한 제2 갭센서(282) 및 제4 갭센서(284)에서 측정된 값은 각각 150umm, 50umm일 수 있다. 그리고, Y축의 +방향과 -방향에 위치한 제1 갭센서(281) 및 제3 갭센서(283)에서 측정된 값은 각각 50umm, 150umm일 수 있다.

회전체의 X축을 중심점(o)으로 이동하기 위해, X축 +방향으로 50umm 만큼 이동해야한다. 이를 위해, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1코일(251) 및 제2코일(252)에 필요한 벡터는 다음과 같다.

구체적으로, 제1코일(251)의 벡터(302)는 50umm * 1/sqrt(3) & 90°(Degree)이고, 제2코일(252)의 벡터(301)는 50umm * 2/sqrt(3) & 330°(Degree)이다. 이때, 합성벡터(303)은 제1코일(251)의 벡터(302)와 제2코일(252)의 벡터(301)의 합이다.

회전체의 Y축을 중심점(o)으로 이동하기 위해서는, Y축 -방향으로 50umm 만큼 이동해야한다. 이를 위해, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2코일(252) 및 제3코일(253)에 필요한 벡터는 다음과 같다.

구체적으로, 제2코일(252)의 벡터(312)는 50umm * 1 & 330 °(Degree)이고, 제3코일(253)의 벡터(311)는 50umm * 1 & 210 °(Degree)이다. 이때, 합성벡터(313)은 제2코일(252)의 벡터(312)와 제3코일(253)의 벡터(311)의 합이다.

위와 같이 계산된 제1코일(251), 제2코일(252), 및 제3코일(253)의 각 축, 즉 u, v, w 축의 힘을 합산하면 다음과 같다(이때, 설명의 편의를 위해, 1umm 이동하는데 필요한 힘을 1N으로 정의하기로 한다).

u축의 제1코일(251)은 초기의 부상을 위한 100[N]과 X축 +방향으로 50umm이동하기 위한 벡터(302), 즉 50 * 1/sqrt(3)[N]가 필요하다.

v축의 제2코일(252)은 X축 +방향으로 50umm이동하기 위한 벡터(301), 즉 50 * 2/sqrt(3)[N]와 Y축 -방향으로 50umm 으로 이동하기 위한 벡터(312), 즉 50 * 1[N]가 필요하다.

w축의 제3코일(253)은 Y축 -방향으로 50umm 으로 이동하기 위한 벡터(311), 즉 50 * 1[N]가 필요하다.

이와 같이 각 축의 코일들(251, 252, 253)에 대한 힘이 산출되면, 그 힘에 해당하는 만큼의 전류를 해당 코일에 실시간으로 인가하도록 제어한다. 그에 따라, 회전체가 고정 프레임의 중심점(o)에 위치하여, 안정적인 제어가 이루어질 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 터보 압축기에 적용되는 모터의 세부구성을 도시한 블록도이다.

본 발명에 따른 모터는 제1코일(451), 제2코일(452), 제3코일(453)과, 3개의 코일들과 각각 연결된 제1인버터(461), 제2인버터(462), 제3인버터(463), 이들에 전류를 공급하는 전원부(490), 및 각 구성의 동작 및 전류의 흐름을 제어하여, 회전체(420)의 부상 및 중심점을 변화시키는 제어부(480)를 포함하여 이루어진다.

상기 모터는 스테이터 및 로터를 포함한다. 또한, 상기 로터의 중심에는 로터의 회전력을 다수의 임펠러에 전달하기 위한 회전축이 결합된다. 회전축은 로터의 중심을 관통하여 압입 결합된다. 그리고, 회전축은 전술한 스테이터와 로터의 상호작용에 의해 발생하는 회전력을 전달받아 로터와 함께 회전한다. 이 회전력은 다수의 임펠러에 전달되어 냉매를 흡입, 압축하여 토출하게 된다.

제1인버터(461)는 u상의 제1코일(451)과 연결되고, 제2인버터(462)는 v상의 제2코일(452)와 전기적으로 연결된다. 그리고, 제3인버터(463)는 w상의 제3코일(453)과 전기적으로 연결된다. 제1인버터(461), 제2인버터(462), 제3인버터(463)는 각각 제어부(480)에 의해 구동 및 제어된다.

제어부(480)는 제1코일(451), 제2코일(452), 제3코일(453) 각각에 필요한 벡터 힘을 산출하고, 산출된 벡터 힘에 근거하여 각 코일에 전류를 인가하는 시점과 전류량을 결정한다.

이를 위해, 제어부(480)는, 산출된 제1코일(451), 제2코일(452), 제3코일(453)에 필요한 벡터에 근거하여, 제1인버터(461), 제2인버터(462), 제3인버터(463)를 제어하여, 필요한 벡터가 대응되는 코일에 제공되게끔 한다.

또한, 비록 도시되지는 않았지만, 제어부(480)는 4개의 갭센서들과 전기적으로 연결되어, 회전체의 위치에 관한 정보를 수신한다.

구체적으로, 제어부(480)는 수신된 회전체의 위치(또는, 위치 변화량)에 관한 정보에 기초하여, 제1코일(451), 제2코일(452), 제3코일(453) 각각에 필요한 벡터 힘을 업데이트하고, 각 코일에 인가되는 전류량을 조절할 수 있다.

도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d, 도 5e, 도 6a, 도 6b는 본 발명의 제2 실시 예에 따라, 힘의 합성을 위해 자기베어링에 권선된 3개의 코일의 전류를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

먼저, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따라 3개의 코일과 4개의 갭센서를 적용한 자기베어링 적용 모터를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기베어링 적용 모터는, 위의 제1 실시 예에서 설명한 바와 같이 고정 프레임(510)과 회전 프레임(520)을 포함하며, 3개의 코일(551, 552, 553)과 4개의 갭센서(581, 582, 583, 584)로 구성될 수 있다.

또한, 회전 프레임(520)과 고정 프레임(510) 사이의 거리(L)는 약 100umm 일 수 있다. 고정 프레임(510)은 코일 고정자 또는 모터 고정자일 수 있다.

여기에서, u축의 제1코일(551)은 고정 프레임(510)의 Y축 -방향에 위치하고, v축의 제2코일(552)은 고정 프레임(510)의 Y축 +방향과 X축 +방향 사이에 배치된다. 그리고, 제3코일(553)은 고정 프레임(510)의 Y축 +방향과 X축 -방향의 사이에 위치하도록 권선된다.

중심점(o)을 기준으로, 제1코일(251)과 제2코일(252), 제2코일(252)과 제3코일(253), 그리고 제1코일(251)과 제3코일(253)의 사이각(a)이 각각 120°를 형성하도록 배치된다.

한편, 4개의 갭센서(581, 582, 583, 584)는 제1 실시 예와 마찬가지로 각각 X축 +방향과 -방향, 그리고 Y축 +방향과 -방향으로 배치된다. 따라서, 제1 실시 예에서는 u상의 제1코일(251)과 Y축 +방향의 제1 갭센서(281)가 동일선상에 위치한 반면, 제2 실시 예에서는 u상의 제1코일(551)이 Y축 -방향의 제3 갭센서(583)와 동일선상에 배치된다.

4개의 갭센서(581, 582, 583, 584)는 각각 X축(+방향과, -방향)과 Y축(+방향과, -방향)에 위치한다. Y축에 배치된 제1 갭센서(581) 및 제3 갭센서(583)는 회전체의 상하방향의 움직임을 측정하고, X축에 배치된 제2 갭센서(582) 및 제4 갭센서(584)는 회전체의 좌우방향의 움직임을 측정한다.

도 5c는 회전체의 초기 상태로서, 회전 프레임(520)의 중심축이 고정 프레임(510)의 중심점(o)을 기준으로 Y축 -방향으로 벗어나 있다. 회전 프레임(520), 즉 회전체의 중심축(미도시)을 고정 프레임(510)의 중심점(o)과 일치시키기 위해, 위의 제1 실시 예에서 설명한 바와 같이, 상기 회전체를 Y축 +방향으로 100umm만큼 부상시켜야한다.

이를 위해, v축의 제2코일(552)과 w축의 제3코일(553)에 전류를 인가한다. 그러면, 자력에 의해 회전체가 끌어당겨져서, 도 5d와 같이 회전 프레임(520)의 중심축과 고정 프레임(510)의 중심점(o)이 일치된다. 즉, 회전체가 Y축 +방향으로 부상하게 된다.

그리하여, 회전체에 인가된 외력에 의해 회전체의 중심(o")이 다시 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 2e와 같이 회전체의 중심(o")은 (0,0)으로부터 (-50umm, -50umm)으로 이동될 수 있다.

이러한 경우, 3축의 코일들, 즉 제1코일(551), 제2코일(552), 제3코일(553)에 전류를 인가하여, 다시 회전 프레임(520)의 중심축과 고정 프레임(510)의 중심점(o)을 일치시켜야 모터의 안정적인 제어가 가능하다.

도 5e에 도시된 상태, 즉 회전체의 중심(o")이 제1값((0,0))으로부터 제3값((-50umm, -50umm))으로 이동한 경우, X축의 +방향과 -방향에 위치한 제2 갭센서(582) 및 제4 갭센서(584)에서 각각 150umm, 50umm 이 측정될 수 있다. 그리고, Y축의 +방향과 -방향에 위치한 제1 갭센서(581) 및 제3 갭센서(583)에서 각각 150umm, 50umm 이 측정될 수 있다.

회전체의 X축을 중심점(o)으로 이동하기 위해, X축 +방향으로 50umm 만큼 이동해야한다. 이를 위해, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1코일(251) 및 제2코일(252)에 필요한 벡터는 다음과 같다.

구체적으로, 제1코일(551)의 벡터(602)는 50umm * 1/sqrt(3) & 270°(Degree)이고, 제2코일(552)의 벡터(601)는 50umm * 2/sqrt(3) & 30°(Degree)이다. 이때, 합성벡터(603)은 제1코일(551)의 벡터(602)와 제2코일(552)의 벡터(601)의 합이다.

회전체의 Y축을 중심점(o)으로 이동하기 위해서는, Y축 +방향으로 50umm 만큼 이동해야한다. 이를 위해, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제2코일(552) 및 제3코일(553)에 필요한 벡터는 다음과 같다.

구체적으로, 제2코일(552)의 벡터(612)는 50umm * 1 & 30 °(Degree)이고, 제3코일(553)의 벡터(611)는 50umm * 1 & 150 °(Degree)이다. 이때, 합성벡터(613)는 제2코일(552)의 벡터(612)와 제3코일(553)의 벡터(611)의 합이다.

위와 같이 계산된 제1코일(551), 제2코일(552), 및 제3코일(553)의 각 축, 즉 u, v, w 축의 힘을 합산하면 다음과 같다(설명의 편의를 위해, 제1 실시 예에서와 마찬가지로 1umm 이동하는데 필요한 힘을 1N으로 정의한다).

u축의 제1코일(551)은 X축 +방향으로 50umm이동하기 위한 벡터(602), 즉 50 * 1/sqrt(3)[N]가 필요하다.

v축의 제2코일(552)은 초기의 부상을 위한 100[N]과 X축 +방향으로 50umm이동하기 위한 벡터(601), 즉 50 * 2/sqrt(3)[N]와 Y축 +방향으로 50umm 으로 이동하기 위한 벡터(612), 즉 50 * 1[N]가 필요하다.

w축의 제3코일(553)은 초기의 부상을 위한 100[N]과 Y축 +방향으로 50umm 으로 이동하기 위한 벡터(611), 즉 50 * 1[N]가 필요하다.

이와 같이 각 축의 코일들(551, 552, 553)에 대한 힘이 산출되면, 그 힘에 해당하는 만큼의 전류를 해당 코일에 실시간으로 인가하도록 제어한다. 그에 따라, 회전체가 고정 프레임의 중심점(o)에 위치하여, 안정적인 제어가 이루어질 것이다.

이하에서는, 도 7을 참조하여, 위에서 설명한 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 코일의 힘의 합성을 산출하는 방법을 설명하겠다. 여기에서, 1um 이동을 위해 필요한 힘을 1N으로 가정한다.

먼저, 회전체의 좌우방향의 움직임을 측정하는 제2 갭센서(282, 582)와 제4 갭센서(284, 584)에 의하여, 회전체의 X축의 +방향의 위치를 측정하는 과정(701)과 회전체의 X축의 -방향의 위치를 측정하는 과정(702)을 수행한다. 그리고, 이들을 합산하는 과정(711)을 수행한다.

이와 유사하게, 회전체의 상하방향의 움직임을 측정하는 제1 갭센서(281, 581)와 제3 갭센서(283, 583)에 의하여, 회전체의 Y축의 +방향의 위치를 측정하는 과정(703)과 회전체의 Y축의 -방향의 위치를 측정하는 과정(704)을 수행한다. 그리고, 이들을 합산하는 과정(712)을 수행한다.

다음, 제1 합산결과(711)의 평균값, 즉 이동할 X축의 평균거리를 산출한다(721).

산출된 X축의 평균거리가 양수이면, 회전체가 X축의 +방향으로 이동하도록 제어하기 위한 코일의 힘을 계산한다(731). 구체적으로, u상의 제1코일(251, 551)과 v상의 제2코일(252, 552)의 벡터 힘을 산출한다(741). 이를 제1값(741)으로 정의한다. 반면, 산출된 X축의 평균거리가 음수이면, 회전체를 X축의 -방향으로 이동시키기 위한 코일의 힘을 계산한다(732). 구체적으로, u상의 제1코일(251, 551)과 w상의 제3코일(253, 553)의 벡터 힘을 산출한다(742). 이를 제2값(742)으로 정의한다.

또한, 제2 합산결과(712)의 평균값, 즉 이동할 Y축의 평균거리도 산출한다(722).

산출된 Y축의 평균거리가 양수이면, 회전체가 Y축의 +방향으로 이동하도록 제어하기 위한 코일의 힘을 계산한다(733). 구체적으로, u상의 제1코일(251, 551)의 벡터 힘을 산출한다(743). 이를 제3값(743)으로 정의한다. 반면, 산출된 Y축의 평균거리가 음수이면, 회전체를 Y축의 -방향으로 이동시키기 위한 코일의 힘을 계산한다(734). 구체적으로, v상의 제2코일(252, 552)과 w상의 제3코일(253, 553)의 벡터 힘을 산출한다(744). 이를 제4값(744)으로 정의한다.

마지막으로 각 상(u, v, w)의 코일들에 대한 합성 벡터를 산출한다. 구체적으로, u상의 제1코일(251, 551)의 합성벡터(751)은 제1값(741), 제2값(742), 제3값(743)에 근거하여 산출된다. 그리고, v상의 제2코일(252, 552)의 합성벡터(752)는 제1값(741) 및 제4값(744)에 근거하여 산출된다. 또, w상의 제3코일(253, 553)의 합성벡터(753)은 제2값(742), 제3값(743), 제4값(744)에 근거하여 산출된다.

한편, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따라, 본 발명에 따른 모터의 구조 및/또는 전류의 제어의 적용을 확인하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

본 발명에 따른 모터의 구조는 3개의 코일(대응되는 3개의 인버터)과 4개의 갭센서로 이루어진다. 그리고, 도 8의 (a)와 같이 회전체가 부상했을때 제1코일(251, 551)에만 전류가 인가되고 제2코일(252, 552) 및 제3코일(253, 553)에는 전류가 인가되지 않는다.

또한, 도 8의 (b)와 같이, 회전체가 Y축 +방향으로 더 이동한 경우, 제1코일(251, 551)에는 동일 전류량이 인가되고, 제2코일(252, 552) 및 제3코일(253, 553)에는 제1코일(251, 551)의 약 절반에 해당하는 양의 전류가 인가되는지를 확인함으로써, 본 발명의 적용 여부를 확인할 수 있다.

또, 도 8의 (c)와 같이, 회전체가 중심에서 벗어나 Y축 -방향으로 이동한 경우, 제1코일(251, 551)에는 도 8의 (a)에서의 약 2배에 해당하는 양의 전류가 흐르고, 제2코일(252, 552) 및 제3코일(253, 553)에는 전류가 인가되지 않고 있다면, 본 발명이 적용된 것으로 확인할 수 있다.

또, 도 8의 (d)와 같이, 회전체가 중심에서 벗어나 X축 -방향으로 편향된 경우, 본 발명에 적용되었다면 제1코일(251, 551) 및 제2코일(252, 552)에 전류가 인가되고 제3코일(253, 553)에는 전류가 흐르지 않는다. 나아가 도 8의 (a)와 비교하여 제2코일(252, 552)에 인가되는 전류량의 약 절반만큼이 더해져 제1코일(251, 551)에 흐르고 있다면 본 발명이 적용된 것으로 확인할 수 있다.

또한, 도 8의 (e)와 같이, 회전체가 중심에서 벗어나 X축 +방향으로 이동 한 경우, 본 발명에 적용되었다면 제1코일(251, 551)과 제3코일(253, 553)에 전류가 흐르고, 제2코일(252, 552)에는 전류가 흐르지 않는다. 나아가, 도 8의 (a)와 비교하여 제3코일(253, 553)에 인가되는 전류량의 약 절반만큼이 더해져서 제1코일(251, 551)에 흐르고 있다면 본 발명이 적용된 것으로 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명에 따른 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 공기 조화기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

냉매를 흡입하여 압축하는 하나 이상의 임펠러;
상기 임펠러를 회전시켜 회전력을 제공하는 모터가 연결된 회전축;
복수의 코일을 포함하고, 상기 회전축을 공중에서 회전 가능하도록 지지하는 자기베어링;
상기 회전축의 움직임을 측정하는 복수의 갭센서; 및
상기 갭센서로부터 전달받은 상기 회전축의 움직임과 관련된 신호에 근거하여 상기 회전축의 중심벡터 방향의 변화를 감지하고, 상기 감지된 변화에 근거하여 상기 복수의 코일 각각에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 자기베어링은 3개의 코일이 권선된 고정 프레임을 포함하며,
상기 3개의 코일은 각각의 사이각이 120도를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전축의 중심벡터 방향의 변화가 감지된 것에 응답하여, 상기 회전축의 중심을 상기 고정 프레임의 중심에 일치시키기 위한 거리 정보를 결정하고,
결정된 거리 정보에 근거하여 상기 3개의 코일에 필요한 벡터 힘을 산출하고, 산출된 벡터 힘에 대응되는 코일에 공급되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제2항에 있어서,
상기 3개의 코일은,
상기 고정 프레임의 Y축 + 방향에 배치되도록 권선되는 제1코일;
상기 고정 프레임의 Y축 -방향과 X축 +방향 사이에 배치되도록 권선되는 제2코일; 및
상기 고정 프레임의 Y축 -방향 X축 -방향에 위치하도록 권선되는 제3코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제2항에 있어서,
상기 복수의 갭센서는 4개의 갭센서로 구성되며,
상기 4개의 갭센서는,
상기 고정 프레임의 X축의 +방향 및 -방향에 위치하여 상기 회전축의 상하 움직임을 측정하는 한 쌍의 갭센서와, 상기 고정 프레임의 Y축의 +방향 및 -방향에 위치하여 상기 회전축의 좌우 움직임을 측정하는 다른 한 쌍의 갭센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제3항에 있어서,
상기 제어부는,
초기 상태에서, 상기 회전축을 Y축 방향으로 부상시키기 위해, 상기 복수의 코일 중 u 상에 배치된 제1코일에만 전류를 인가하고, 나머지 제2코일 및 제3코일에는 전류를 공급하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전축의 중심벡터 방향이 X축의 -방향과 Y축의 +방향으로 이동한 것에 응답하여, 상기 복수의 코일 중 u상과 v상에 배치된 상기 제1코일 및 상기 제2코일에는 전류를 인가하고 w상에 배치된 상기 제3코일에는 전류를 공급하지 않는 것을 특징으로 하는 압축기.
제7항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제2코일에 인가되는 전류량의 절반만큼이 더해져서 상기 제1코일에 흐르도록 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전축의 중심벡터 방향이 Y축의 +방향으로만 이동한 것에 응답하여, 상기 복수의 코일 중 상기 제1코일에는 상기 초기 상태와 동일한 전류량을 공급하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제9항에 있어서,
상기 제어부는,
v상에 배치된 상기 제2코일과 w상에 배치된 상기 제3코일에는 상기 제1코일에 인가되는 전류량의 절반만큼이 흐르도록 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전축의 중심벡터 방향이 X축의 +방향 및 Y축의 -방향으로 이동한 것에 응답하여,
상기 복수의 코일 중 상기 제1코일과 w상에 배치된 상기 제3코일에는 전류를 인가하고, v상에 배치된 상기 제2코일에는 전류가 흐르지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제11 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제3코일에 인가되는 전류량의 절반만큼이 더해져서 상기 제1코일에 흐르도록 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제2항에 있어서,
상기 3개의 코일은,
상기 고정 프레임의 Y축 -방향에 배치되도록 권선되는 제1코일;
상기 고정 프레임의 Y축 +방향과 X축 +방향의 사이에 배치되도록 권선되는 제2코일; 및
상기 고정 프레임의 Y축 +방향과 X축 -방향의 사이에 위치하도록 권선되는 제3코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
냉매를 흡입하여 압축하는 하나 이상의 임펠러, 상기 임펠러를 회전시켜 회전력을 제공하는 모터가 연결된 회전축, 상기 회전축을 공중에서 회전 가능하도록 지지하는 자기베어링을 포함하는 압축기의 제어방법으로서,
복수의 갭센서를 이용하여 상기 회전축의 움직임을 측정하는 단계;
상기 복수의 갭센서로부터 전달받은 상기 회전축의 움직임과 관련된 신호에 근거하여 상기 회전축의 중심벡터의 방향의 변화를 감지하는 단계; 및
상기 감지된 변화에 근거하여 상기 자기베어링에 권선된 복수의 코일 각각에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 압축기의 제어방법.
제 14 항에 있어서,
상기 자기베어링은 3개의 코일이 권선된 고정 프레임을 포함하며, 상기 3개의 코일은 각각의 사이각이 120도를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압축기의 제어방법.
제 15 항에 있어서,
상기 복수의 코일 각각에 공급되는 전류를 제어하는 단계는,
상기 회전축의 중심벡터 방향의 변화가 감지된 것에 응답하여, 상기 회전축의 중심을 자기베어링 고정 프레임의 중심에 일치시키기 위한 거리 정보를 결정하는 단계와,
상기 결정된 거리 정보에 근거하여 상기 3개의 코일에 필요한 벡터 힘을 산출하는 단계와,
상기 산출된 벡터 힘에 대응되는 코일에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기의 제어방법.