KR100526006B1 - 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향상된 제어 전략 뿐만 아니라 리니어 모터의 향상된 설계를 제공한다. 이 설계는 짧아진 고정자를 허용하고, 여기에서 전기자 자석은 동일한 종래의 리니어 모터에 대해서 보다 더 큰 최대 변위까지 왕복하도록 제어된다. 제어 전략은 최소의 외부 센서가 요구되도록 되어 있다. 리니어 모터는 선택적으로 효율적인 작동을 보장하는 공진 주파수에서 구동된다. 최대 전류의 결정은 공진 주파수와 압축기로 들어오는 증기의 증발 온도/압력과의 관계에 근거하여 행해진다. 그리고 나서, 전류는 제한되어 손상을 피하도록 최대 변위를 제어한다.

Description

리니어 모터{LINEAR MOTOR}

본 발명은 증기 압축 시스템을 위한 자유 피스톤 압축기(또한 진동 및 리니어 압축기로 불림)를 포함하는 컴팩트한 리니어 모터에 관한 것으로서, 특히 주위 온도 또는 작동 조건의 변화에 의해 야기되는 압축 레벨의 원하지 않는 변화에 기인하는 고장 및 손상을 방지하는 제어 시스템에 관한 것이다.

압축기, 예컨대 냉동기 압축기는 회전식 전기 모터에 의해 통상적으로 구동된다. 그렇지만, 가장 효율적인 형태에서 조차도, 회전 운동을 직선 왕복 운동으로 전환하는 크랭크 시스템과 관련하여 상당한 손실이 있게 된다. 대안으로서, 크랭크를 필요로 하지 않는 회전식 압축기가 사용될 수 있지만, 다시 높은 구심 부하가 있게 되고, 상당한 마찰 손실을 일으킨다. 리니어 모터에 의해 구동되는 리니어 압축기에서는 이러한 손실이 없고, 미국특허 제5,525,845호에 개시된 것과 같은 공기 정역학적 가스 베어링의 사용을 허용할 정도로 충분히 낮은 베어링 부하를 갖도록 설계될 수 있다.

리니어 왕복 모터는, 회전식 전기 모터에 의해 파워를 얻는 압축기의 특징이고 오일 윤활을 필요로 하는 높은 측력을 일으키는 크랭크 메카니즘의 필요성을 없애준다. 이와 같은 모터가 미국특허 제4,602,174호에 개시되어 있다. 미국특허 제4,602,174호는 왕복량 및 전기 효율 면에서 극히 효율적인 리니어 모터 설계를 개시하고 있다. 이러한 설계는 스털링 사이클(Stirling cycle)을 활용하는 모터 및 교류 발전기에서 매우 성공적으로 사용되어 왔다. 또한 이러한 설계는 리니어 압축기용 모터로 사용되어 왔다. 그렇지만, 가정용 냉동기로서 설계된 압축기의 경우에 있어서는, 미국특허 제4,602,174호에서의 설계는 다소 대형이고 가정용 시장에 있어서 바람직한 가격보다는 보다 고가이다.

자유 피스톤 압축기의 피스톤은 스프링과 관련하여 공진 시스템으로서 진동하고 전형적으로 실린더 헤드 어셈블리의 부분인 고정 부분과의 충돌의 경우를 제외하고는 진동의 진폭에 고유의 한계는 없다. 피스톤은 가스력 및 입력 전기 파워에 의존하는 평균 위치 및 진폭을 차지한다. 그러므로, 임의의 소정의 입력 전기 파워에 대하여, 증발 또는 응축 압력이 감소함에 따라, 진동의 진폭이 충돌이 일어날 때까지 증가한다. 그러므로, 이러한 압력의 함수로서 파워를 제한할 필요가 있다.

최대 효율을 위해서는 기계 시스템의 고유 진동수에서 자유 피스톤 냉동기 압축기를 작동시키는 것이 바람직 하다. 이 주파수는 스프링 상수 및 기계 시스템의 질량에 의해 결정되고 또한 가스의 탄성 계수에 의해 결정된다. 냉동의 경우에, 가스의 탄성 계수는 증발 및 응축 압력과 함께 증가한다. 따라서, 고유 진동수 또한 증가한다. 그러므로, 최적의 작동을 위해서는 압축기에 파워를 공급하는 전기 시스템의 주파수는, 작동 조건이 변함에 따라 기계 시스템의 주파수가 변하므로, 기계 시스템의 주파수와 일치하도록 변화할 필요가 있다.

압축기 모터 와인딩에 인가되는 전압을 기계 시스템 주파수에 동기화하는 방법은 널리 공지되어 있다. 자유 피스톤 압축기에 사용되는 영구 자석 모터에 있어서, 역기전력(back EMF)은 도 8a에 도시된 바와 같이 피스톤 속도에 비례하여 모터 와인딩에 유도된다. 모터의 등가 회로가 도 8b에 도시되어 있다. 교류 전압(V)은 압축기에 파워를 공급하기 위해서 교류 EMF(αν)에 동기화하여 인가된다. US4,320,448(오쿠다 등)은 모터 역기전력의 영교차를 검출함으로써 인가 전압의 타이밍을 결정하는 방법을 개시하고 있다. 모터 와인딩에의 전압의 인가는 기전력이 영레벨을 교차하여 역기전력 영교차 검출을 허용하도록 할 때, 전류가 영이 되도록 제어된다.

진동 진폭을 제한하기 위해, 제 2 가스 스프링, 피스톤 위치 검출, 전류 및 인가 전압에 기초한 피스톤 위치 계산(US5,496,153), 주위 및/또는 증발 온도를 측정(US4,179,899, US4,283,920)하는 것을 포함하여 다양한 방법이 사용되어 왔다. 이러한 방법 각각은 추가 센서를 필요로 하고 성능 상의 한계를 가지고 있다.

본 발명의 목적은 상기의 단점을 극복하는데 효과가 있거나 공중에 유용한 선택을 적어도 제공하는 컴팩트한 리니어 모터를 제공하는 것이다.

따라서, 제 1 양상에 있어서 본 발명은 왕복 부하를 구동시키는 전기 리니어 모터에 존재한다고 할 수 있고, 이 전기 리니어 모터는:

적어도 하나의 공기갭을 갖춘 자기투과성 코어를 가지고 있고, 상기 적어도 하나의 공기갭에 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 및 공간적으로 비균일한 자속 밀도 영역을 제공하도록 형성된 고정자;

적어도 상당한 부분이 상기 적어도 하나의 공기갭의 적어도 하나에 위치하는 적어도 하나의 영구 자석을 지지하는 구조를 가지고 있는 전기자; 및

상기 적어도 하나의 영구 자석의 자계와 상호작용하여 상기 전기자에 왕복력을 야기시키는 교류 자속을 상기 고정자에 야기하여 상기 적어도 하나의 영구 자석의 적어도 한 끝이 높은 파워 레벨로 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 영역 외부를 통과하도록 되어 있는 에너지 공급 수단; 을 포함하고,

상기 전기자는, 사용시, 상기 부하에 연결되어 상기 고정자에 대하여 상기 부하를 왕복시킨다.

제 2 양상에 있어서 본 발명은 압축기와 압축기 모터가 리니어 장치인 것을 특징으로 하는 압축기를 사용하는 냉동기에 존재한다고 말할 수 있고, 상기 모터는:

적어도 하나의 공기갭을 갖춘 자기투과성 코어를 가지고 있고, 상기 적어도 하나의 공기갭에 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 및 공간적으로 비균일한 자속 밀도 영역을 제공하도록 형성된 고정자;

적어도 상당한 부분이 상기 적어도 하나의 공기갭의 적어도 하나에 위치하는 적어도 하나의 영구 자석을 지지하는 구조를 가지고 있는 전기자;

상기 적어도 하나의 영구 자석의 자계와 상호작용하여 상기 전기자에 왕복력을 야기시키는 교류 자속을 상기 고정자에 야기하여 상기 적어도 하나의 영구 자석의 적어도 한 끝이 높은 파워 레벨로 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 영역 외부를 통과하도록 되어 있는 에너지 공급 수단;을 포함하고,

상기 전기자는, 사용시, 상기 부하에 연결되어 상기 고정자에 대하여 상기 부하를 왕복시킨다.

제 3 양상에 있어서 본 발명은 증기 압축기에 존재한다고 말할 수 있고, 이 증기 압축기는:

피스톤,

실린더,

적어도 하나의 와인딩을 가진 상기 피스톤에 구동적으로 커플링된 리니어 브러시리스 DC 모터,

DC 파워 서플라이,

상기 DC 서플라이로부터 상기 적어도 하나의 와인딩을 전자적으로 정류하여 상기 적어도 하나의 와인딩에 전류 공급을 제공하여 상기 피스톤을 왕복하는 정류 수단,

상기 적어도 하나의 와인딩의 정류를 시작하여 상기 진동 시스템의 공진 주파수에서 상기 피스톤을 구동하는 공진 구동 수단,

상기 정류 수단에 의해 공급되는 전류의 상기 공급 량을 결정하고, 상기 결정된 전류량은 공진 주파수와 관련이 있고, 상기 적어도 하나의 와인딩의 정류를 시작하여 상기 피스톤의 왕복의 진폭을 제한하는 전류 제어 수단을 포함하고,

상기 피스톤은 상기 실린더 내부에서 왕복가능하고, 피스톤, 스프링 및 상기 증기의 압력의 진동 시스템은 증기 압력에 따라 변하는 고유 주파수를 가진 것을 특징으로 한다.

제 4 양상에 있어서 본 발명은, 자유 피스톤 증기 압축기에서 피스톤을 구동하고 피스톤의 진폭을 제어하는 방법에 존재한다고 할 수 있고, 여기에서, 상기 피스톤은 실린더에서 왕복하고, 피스톤, 스프링 및 상기 증기의 압력의 진동 시스템은 증기 압력과 함께 변화하는 공진 주파수를 가지고 있고, 상기 방법은 적어도 하나의 와인딩을 갖는 리니어 브러시리스 DC 모터를 사용하고,

DC 서플라이로부터 상기 적어도 하나의 와인딩을 전자적으로 정류하여 상기 피스톤을 왕복시키고, 상기 진동 시스템의 공진 주파수에서 상기 피스톤을 구동시키도록 타이밍을 맞춰서 정류하고, 정류 동안 전류 공급을 상기 공진 주파수의 함수인 값으로 결정하는 파라미터의 값을 제한함으로써 상기 적어도 하나의 와인딩의 전류량을 제한한다.

"압축기로 들어가는 증기의 증발 온도"는 이 명세서에서는 "증발 온도"로 언급된다. 마찬가지로 "공진 주파수"는 또한 "고유 주파수"로 언급된다.

본 발명에 관한 당업자에게는 첨부한 청구범위에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 범주를 일탈하지 않고 구성에 있어서의 많은 변화와 본 발명의 실시예 및 용도를 폭 넓게 변경하는 것이 제안된다. 여기서의 개시 및 설명은 순전히 예시적이고 제한하고자 하는 것이 아니다.

본 발명은 종래의 것에 비해 아주 많이 향상된 리니어 모터를 제어하기 위한 방법을 제공한다. 첫번째로는, US4,602,174에 개시된 타입의 종래의 리니어 모터와 비교해서 크기가 줄어들었고 그래서 코스트가 낮아졌다. 이러한 변화는 높은 파워 출력에서 효율이 약간 줄어들지만 낮은 파워 출력에서 중간 파워 출력까지에서 효율을 높게 유지한다. 이것은 대부분은 낮은 파워 출력에서 중간 파워 출력까지에서 작동하고 높은 파워 출력에서는 작동시간의 20%(이것은 냉동기를 채우고 비우는 것이 잦거나 아주 더운 계절에 발생한다.)이하로 작동하는 가정용 냉동기로는 받아들일만 하다. 두번째로는, 적당하게 효율적인 작동을 허용하는 한편, 외부 센서의 필요성을 없애주고, 크기 및 코스트를 줄이는 제어 전략을 사용한다.

이하의 상세한 설명에 있어서, 본 발명은 원통형 리니어 모터와 관련하여 개시되어 있지만, 이러한 방법은 보통의 리니어 모터, 특히 플랫형 리니어 모터에도 또한 동일하게 적용할 수 있다는 사실을 이해할 수 있다. 당업자는 여기서 설명된 제어 전략을 임의의 형태의 압축기에 적용하는 특별한 노력을 요구하지 않는다. 자유 피스톤 압축기와 관련하여 설명되어 있지만, 다이어프램 압축기에 동일하게 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 본 발명의 실시예는 왕복하는 자유 피스톤 압축기(free piston compressor)에 연결된 영구 자석 리니어 모터(permanent magnet linear motor)를 포함한다. 실린더(9)는 압축기 셸(30) 내부에서 실린더 스프링(14)에 의해 지지된다. 피스톤(11)은 실린더 보어에 의해 형성된 베어링과, 스프링 장착부(25)를 통하여 스프링(13)에 의해 반경방향으로 지지된다.

실린더(9) 내부에서의 피스톤(11)의 왕복 운동은 흡입 튜브(12), 흡입 포트(26), 흡입 머플러(20) 그리고 밸브 플레이트(21)의 흡입 밸브 포트(24)를 통하여 압축 공간(28) 내로 가스를 흡입한다. 그리고 나서 압축 가스는 배출 밸브 포트(23)를 통하여 배출되고, 배출 머플러(19)에서 소음이 제거되고, 배출 튜브(18)를 통하여 배출된다.

압축기 모터는 2 부분의 고정자(5, 6) 및 전기자(22)를 포함한다. 피스톤(11)의 왕복 운동을 발생시키는 힘은 전기자(플랜지(7)에 의해 피스톤(11)에 부착)(22)에 있어서의 반경방향으로 자화된 2개의 환형의 영구 자석(3, 4)과, 공기갭(33)에 있어서의 자계(고정자(6)와 코일(1, 2)에 의해 유도)의 상호작용에 기인한다.

도 1 및 분리 상태의 도 2에 도시된 본 발명의 이중 코일 실시예에 있어서, 코일(1)에는 전류가 흐르고, 고정자(6)의 내부를 따라 축방향으로, 끝 고정자 이(32)를 통해서 반경방향 외부로, 공기갭(33)을 가로질러, 백 아이언(back iron)(5)으로 흘러 들어가는 자속을 형성한다. 그리고 나서, 자속은 짧은 거리부(27) 동안 축방향으로 흐르고, 공기갭(33)을 가로질러 반경방향 내부로, 고정자(6)의 중앙 이(34) 내로 되돌아 흐른다. 제 2 코일(2)은, 내부로부터 중앙 이(34)를 통하여 반경방향으로 흐르고, 공기갭을 가로질러 짧은 거리부(27) 동안 축방향으로 흐르고, 그리고 공기갭(33)을 통하여 외부로부터 끝 이(35) 내로 흘러 들어가는 자속을 형성한다. 이(32)로부터 공기갭(33)을 가로지르는 자속은, 자석(3)의 자화가 다른 자석(4)에 반대의 극성이라면, 반경방향으로 자화된 자석(3, 4) 상에 축방향 힘을 유도한다. 백 아이언(5) 대신에 자석의 반대측에 다른 한 세트의 코일을 갖는 것도 또한 가능하다는 사실이 이해될 것이다.

코일(1 및 2)에서의 진동 전류는, 반드시 사인곡선일 필요는 없고, 진동 주파수가 기계 시스템의 고유 주파수에 가까운 경우, 자석 및 고정자에 실질적인 상대 운동을 제공하는 진동력을 자석(3, 4) 상에 발생시킨다. 이 고유 주파수는 스프링(13, 14)의 강성과, 실린더(9) 및 고정자(6)의 질량에 의해 결정된다. 자석(3, 4) 상의 진동력은 고정자 부분에 반력을 발생시킨다. 그러므로, 고정자(6)는 접착제, 끼워맞춤 또는 클램프 등에 의해 실린더에 견고하게 부착되어야 한다. 백 아이언은 고정자 장착부(17)에 클램핑되거나 접착된다. 고정자 장착부(17)는 실린더(9)에 견고하게 연결된다.

도 3에 도시된 본 발명의 단일 코일 실시예에 있어서, 코일(109)에서의 전류는 내부 고정자(110) 내부를 따라 축방향으로, 하나의 이(111)를 통하여 반경방향 외부로, 자석갭(112)을 가로질러 백 아이언(115)으로 흘러 들어가는 자속을 형성한다. 그리고 나서, 자속은 짧은 거리부 동안 축방향으로 흐르고, 자석갭(112)을 가로질러 반경방향 내부로, 다른 이(116) 내로 되돌아 흐른다. 이러한 모터에 있어서, 전체의 자석(122)은 반경방향 자화에 있어서 동일한 극성을 가진다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 전기자(이) 면의 길이는 예컨대 자석의 최대 스트로크(자석의 에지가 최대 파워 출력시 뻗는 길이)의 단지 67%까지만 뻗어 있다. 이것이 도 4에 도시되어 있고, 여기에서 종래의 리니어 모터는 둘다 최대 스트로크에서 등가의 파워 출력의 본 발명의 가변 상수 설계와 시각적으로 비교된다. 고정자 이의 외부 에지(200)는 자석(201)의 외부 끝까지는 뻗지 않는다는 것을 알 수 있다. 유사하게, 다른 고정자 이의 내부 에지(203)도 자석(204)의 내부 끝까지 뻗지 않는다. 대조적으로, 종래의 설계에 있어서는, 자석(205)의 에지는 최대 스트로크에서 고정자 이(206, 207)의 에지와 일치한다.

본 발명에 있어서 예컨대 60% 이하의 스트로크에서, 자석(70)은 고정자 이(71)가 뻗는 곳까지와 대략 일치하는 도 5에서 "a" 에서 "b"까지의 영역으로 나타내는 바와 같은 균일 자속 밀도 영역 내에 존재한다. 스트로크가 60%를 지나서 증가함에 따라, 자석 에지(70)가 만나는 자속밀도는, 자석 에지가 공기갭 자계의 가장자리부(비균일 자속 밀도)-도 5에서의 "b" 외부 영역으로 들어감에 따라, 감소한다.

도 7의 또 다른 실시예에 있어서, 각이 진 폴 면(503)을 가진 리니어 모터용 고정자가 도시되어 있다. 그 중앙에서 폴 면(503)은 플랫 섹션(500)을 가지고 있고, 결과적으로 공기갭이 실질적으로 균일한 자속 밀도를 갖는 이 플랫 섹션과 면하게 된다. 폴 면(503)의 끝은 각이 져 있어서 균일한 자속 밀도의 중앙(500)으로부터 폴 면(503)의 끝에서의 가장자리부(비균일 자속 밀도)(502)로 보다 점진적인 전환을 제공한다. 앞의 실시예와 유사하게, 전기자 자석(504)은 균일 자속 밀도(500) 영역 외부로, 그리고 비균일 자속 밀도의 가장자리부(502)로 구동된다.

"모터 상수"는 모터 와인딩에서의 1암페어에 의해 자석에 발생되는 힘(N)으로 정의된다. 도 6에 도시된 모터 상수 곡선은 본 발명에 있어서의 모터 상수(300)가 자석 위치에 대하여 어떻게 변하는지를 보여준다. 동일하게, "모터 상수"는 자석이 1 m/s로 이동할 때 발생되는 역기전력(V)으로 정의될 수 있다. 자석이 가장자리 영역(도 5에서 "b" 외부)에 있을 때, 감소된 전자 커플링 때문에, 균일한 영역(도 5에서 "a"로부터 "b"까지)에 있을 때와 비교하여 소정의 힘을 발생시키는데 보다 많은 전류가 필요하다. 이것은 결과적으로 본 발명의 짧은 고정자 리니어 모터와 관련된 "가변" 모터 상수 곡선(300)은 도 6에 도시된 바와 같이 된다. 이것은 또한 도 6에 도시되고 종래의 리니어 모터에 내재하는 "상수" 모터 상수 곡선(301)과 대조된다.

도 6에 도시된 모터 상수 곡선(300)에 있어서, 낮은 스트로크 및 중간 스트로크(-3mm 에서 +3mm 까지의 스트로크에 해당)에서, 본 발명은 (코어 재료의 낮은 권선 및 보다 큰 부피로) 동일한 종래의 모터(301)에 대하여 높은 모터 상수를 갖고 있음이 명백하다. 보다 높은 모터 상수는 (보다 낮은 인버터 손실로 인해) 보다 효율적인 작동에 상당하고, 그러므로 보다 낮은 파워 출력에서 본 발명은 동일한 종래의 리니어 모터보다 효율적이다. 이것은 또한 코어의 요구되는 단면적을 감소시킨다.

높은 스트로크에서, 전류가 아주 빨리 증가할 때 모터 상수는 낮다. 이것은 보다 많은 전류가 모터로 흐르게 하고 그래서 동일한 종래의 리니어 모터와 비교하여 최대 스트로크에서 모터로부터 보다 높은 파워를 추출하는 것을 가능하게 한다. 또한, 최대 스트로크에서 가장 낮은 가변 상수를 가진 이와 같은 설계는 방형파 전압에 의해 구동되는 모터를 더욱 효율적이 되게 한다.

(제어 전략)

실험을 통해 자유 피스톤 압축기는 압축기 피스톤 스프링 시스템의 고유 주파수에서 구동될 때 가장 효율적이다는 사실을 확립하였다. 그러나, 계획적으로 제공된 임의의 메탈 스프링 뿐만 아니라, 냉동 압축기의 경우에, 유효 스프링 상수가 증발기 또는 응축기 압력이 변함에 따라 변하는 고유의 가스 스프링도 있다. 이미 개시되어 있는 전자적으로 정류되는 영구 자석 모터는 예컨대 US4857814 및 WO98/35428에 개시된 바와 같은 전자적으로 정류된 영구 자석 모터에 있어서의 출원인의 경험으로부터 유래하는 것을 포함하는 기술을 사용하여 제어된다. 이러한 참조문헌들은 3상 회전 모터의 제어를 개시하지만, 동일한 제어 원칙이 리니어 모터에 적용될 수 있다. 적당한 리니어 모터는 단지 단상 장치인 것을 필요로 하고 모터에 파워를 공급하기 위한 적당한 인버터 브리지 회로는 도 9에 도시된 단순한 형태일 수 있다.

모터 와인딩에 있어서의 역기전력 영교차를 모니터함으로써, 전류 정류가 피스톤의 고유 주파수를 따르도록 결정될 수 있다. 단지 단일 와인딩만 있기 때문에, 상부 또는 하부 인버터 스위칭 장치(411 또는 412)를 통하여 흐르는 전류는 역기전력이 측정될 수 있도록 차단되어야 한다. 검출된 역기전력에 따라 모터 와인딩을 통하는 전류를 제어하는 것은 전류 및 역기전력이 최대 시스템 효율동안의 위상에서 유지되는 것을 보장한다.

모터의 작동 주파수는 이 주파수가 역기전력 영교차 사이의 시간의 역수의 2배인 한은 효과적으로 연속적으로 모니터된다. 그리고, WO98/35428에 따르면 정류가 멈춘 후 프리 휠 다이오드(413 및 414)를 통한 전류 감쇠 시간은 모터 전류에 직접 비례하고 그래서 모터 전류의 측정치가 이용가능하다.

피스톤이 압축기의 실린더 헤드와 충돌하기 전에 채용될 수 있는 최대 모터 전류는 증발기 온도 및 진동 시스템의 고유 주파수에 따라 변한다.

도 10은 다양한 증발 온도에 대한 고유 기계 시스템 주파수 및 응축기 온도에 대한 최대 허용 모터 전류의 그래프이다. 이것은 최대 모터 전류의 이들 변수들에 대한 의존성을 보여주고 있다. 또한 이것들은 응축기 온도가 기계 시스템 주파수에 비례하고 그래서 최대 전류 제어는 제 3의 변수인 응축기 온도의 측정의 필요성 없이 달성될 수 있다는 것을 설명한다.

본 발명에 따른 모터 제어 회로가 도 11에 도시되어 있다. 이것은 기계 시스템 주파수는 응축기 온도에 관련이 있다는 관찰을 활용한다. 본 발명에 있어서, 모터 와인딩(1)에 유도되는 역기전력 신호는 회로(402)에 의해 감지되어 디지탈화되고 모터 와인딩에의 전류의 정류의 적절한 타이밍을 계산하여 전류가 역기전력을 가진 위상에 있는 것을 보장하는 마이크로컴퓨터(403)의 입력에 사용된다. 이러한 정류 타이밍 신호는 모터 와인딩(401)에 전류를 전달하는 인버터(404)(도 11에 도시)를 스위칭한다. 마이크로컴퓨터(403)는 역기전력 영교차 사이의 시간을 또한 측정하고 그것에 의해 역기전력 파형의 주기를 측정한다. 기계 시스템의 고유 진동 주파수는 이 기전력 파형의 주기의 역수이다. 그러므로, 마이크로컴퓨터(403)는 이 주파수를 계속 측정한다.

서리 제거 목적으로 증발기 온도를 측정하는 종래의 온도 센서(405)가 활용되고 그 출력은 디지탈화되고 마이크로 컴퓨터(403)에 그 이상의 입력으로 제공된다.

본 발명에 따르면, 최대 모터 전류를 제한하여 피스톤의 최대 변위를 제한하는 한 방법은 마이크로컴퓨터(403)가 피스톤 진동의 각 절반 사이클 동안의 최대 전류 진폭을 계산하여 최대보다 적은 정도까지 실제 전류 진폭을 제한하는 것이다. WO98/35428은 파워가 공급되지 않은 와인딩에서의 디지탈화된 역기전력 신호를 활용하여 모터 와인딩에서의 전류가 0까지 감쇠하는데 걸리는 시간을 측정함으로써 전자적으로 정류된 영구 자석 모터에서의 모터 전류를 측정하는 방법을 개시하고 있다. 본 발명에 있어서의 이러한 기술의 사용은 마이크로컴퓨터(403)가 전용 전류 감지 또는 제한 회로의 필요성 없이 최대 파워를 제한하는 것을 가능하게 한다. RMS 모터 전류는 관련된 인버터 스위칭 장치가 오프로 스위칭된 후 "프리휠링(freewheeling)" 다이오드(413 또는 414)를 통하는 전류 감쇠의 시간 지속에 직접 비례한다. 물론 전류 감쇠는 정류 동안 에너지를 저장하고 정류가 끝난 후 방산되어야 하는 인덕터인 모터 와인딩으로부터의 결과이다. 전류 감쇠 지속에 대한 RMS 모터 전류의 그래프(WO98/35428의 도 6의 단순화)가 도 12에 도시되어 있다.

또 다른 바람직한 방법은 최대 전류치를 제한하는 대신에 전류가 정류되는 시간을 제한하는 것이다. 도 15는 그러한 제어 하에서의 전류 파형을 도시하고 있다. 이것은 정류 간격당 단지 하나의 변조된 전류 펄스로 효과적인 펄스 폭 변조(PWM)이다. 이 방법으로 역기전력 영교차로부터의 감쇠 시간이 계산되어 최대 효율을 위해 모터 전류 및 역기전력 사이의 위상 각을 최소화한다. 전류를 공급하는 인버터 스위치는 전류 감쇠 기간 후에 역기전력의 영교차를 모니터하는 시간이 다음 절반 사이클에 대한 개시 정류를 결정하는 것을 허용하는 모터 절반 사이클의 시간에 꺼진다. 또한 정류 시간은 모터 주파수와 증발기 온도에 적절한 최대 정류 시간과 비교되어 피스톤 스트로크의 최대 진폭을 초과하지 않는 것을 보장한다.

이 방법을 수행하는 마이크로컴퓨터의 제어 전략의 플로우 다이어그램은 도 13 및 14에 도시되어 있다. 도 13을 참조하면, 압축기가 먼저 파워를 공급받거나(421), 충분한 시간 지연 후에 압력이 냉동 시스템에서 동일화되는 것을 보장할 때 파워를 공급받고, 압축기는 최소 주파수에서 작동한다. 이 최소 주파수의 스트로크 주기는 작동 스트로크로서 측정되고 마이크로컴퓨터에 저 스트로크로서 도시되고 최소 정류 시간이 이 값(428)에 대해 세팅된다. 각각의 다음 스트로크에 대하여 스트로크 주기는 측정되고 파라미터 작동 스트로크(424)로서 정의된다. 작동 스트로크 및 저 스트로크 사이의 차이점은 계산된다(431, 도 14). 이 차이점은 주기 인덱스로 불린다. 주기 인덱스는 상이한 스트로크 시간(주파수)에 대한 최대 정류 시간의 룩업 테이블에서 인덱스 포인터로서 이 서브 루틴에 사용된다. 이 테이블은 펄스 한계 값 테이블로 불린다. 이 예에서, 증발 온도(440 내지 465)의 7 범위에 상응하는 7 룩업 테이블(433 내지 439)이 있다.

모터 제어 회로는 냉동 시스템의 포함된 냉동 공간의 온도를 유지하기 위해서 전형적으로 종래 방식의 온도 제어 루프에 포함된다. 이 제어 루프는 파워가 냉동 시스템의 작동 조건에 따라 모터 와인딩에 제공되는 원하는 값으로 세팅된다. 원하는 파워의 이 값은 정류 시간의 값에 상응한다. 정류 시간의 이 값은 스트로크 기본에 의해 스트로크에 따라 펄스 한계 값(440, 도 14)과 비교된다. 정류 시간의 원하는 값은 펄스 한계 값보다 더 크면 정류 시간은 펄스 한계 값에 제한된다. 이 값은 관련된 인버터 스위칭 장치의 ON 주기를 제어하는 정류 타이머(425)를 세팅한다. 앞에서 설명된 바와 같이, 또한, 모터 전류는 유사한 방식으로 모터에 가해지는 파워를 안전한 레벨까지 제한하는데 사용될 수 있지만, 정류 시간이 제어되고 있는 경우에 조차도, 모터 전류를 상기한 방식으로 측정하고 그것을 초과하면 마이크로컴퓨터 프로그램이 리셋(427)하게 하는 저장된 절대 최대값(426)과 비교하는 것이 바람직하다.

물론 최대 정류 시간 및/또는 최대 전류값을 결정하는 다른 방법도 가능하고, 이를테면, 마이크로컴퓨터가 예컨대 DSP 칩 기술을 채용한 최신 개량형으로서 충분히 강력하다면, 이 값은 룩업 테이블을 필요로 하지 않고서도 직접 계산될 수 있다.

도 9의 인버터 브리지에 공급되는 DC 파워 서플라이 전압이 상당히 변한다면, 결과적으로 이것은 고려되어야만 하는 임의의 소정의 정류 시간 동안 모터 전류의 변화로 이어질 것이다. 최대 정확도를 위해 마이크로프로세서가 이것을 감지하고 그에 따라 보상하는 것이 바람직할 수 있다.

냉동기에서의 본 발명의 사용은 종래 설계의 것과 비교하여 모터의 윤곽, 크기 및 중량을 감소시킬 것이다는 것이 이해될 것이다. 또한 가동 부분의 질량이 종래의 냉동기 압축기의 그것보다 작기 때문에:

* 진동 레벨이 감소되고,

* 소음 레벨이 감소되고,

* 가동 부분에 가해지는 작업 응력이 감소된다.

본 발명을 사용함으로써 상기의 단점을 극복하는데 효과가 있거나 공중에 유용한 선택을 적어도 제공하는 컴팩트한 리니어 모터를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 리니어 압축기의 단면도;

도 2는 절연 상태에서의 본 발명의 이중 코일 리니어 모터의 단면도;

도 3은 단일 코일 리니어 모터의 단면도;

도 4는 단일 창의 종래 리니어 모터와 본 발명에 따른 짧은 고정자 리니어 모터 사이의 비교도면.

도 5는 본 발명의 단일 코일 리니어 모터의 코일 전류에 기인하는 자속의 예시도.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 모터 상수 대 자석 위치의 그래프의 도면.

도 7은 부분적으로 각이 진 폴 면을 가진 단일 코일 리니어 모터의 단면도.

도 8은 이와 같은 모터에 대한 등가 회로의 도면.

도 9는 단일 위상 자유 피스톤 모터를 전기적으로 정류하는 인버터의 도면.

도 10은 본 발명의 모터에 대한 주파수 및 증발 온도의 함수로서 최대 모터 전류의 그래프의 도면

도 11은 모터 제어 회로의 블록 다이어그램.

도 12는 RMS 모터 전류 대 모터 와인딩 전류 감쇠 시간의 그래프.

도 13은 모터 제어 회로의 블록 다이어그램.

도 14는 증발기 온도 및 스트로크 시간 데이터를 사용하는 정류 시간 결정의 플로우 챠트.

도 15는 모터 피스톤 변위 및 모터 전류 파형의 도면.

Claims (4)

1. 적어도 하나의 공기갭을 갖춘 자기투과성 코어를 가지고 있고, 상기 적어도 하나의 공기갭에 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 영역 및 공간적으로 비균일한 자속 밀도 영역을 제공하도록 형성된 고정자;

   적어도 상당한 부분이 상기 적어도 하나의 공기갭의 적어도 하나에 위치하는 적어도 하나의 영구 자석을 지지하는 구조를 가지고 있는 전기자;

   상기 적어도 하나의 영구 자석의 자계와 상호작용하여 상기 전기자에 왕복력을 야기시키는 교류 자속을 상기 고정자에 야기하여 하이 파워 레벨일 때 상기 적어도 하나의 영구 자석의 적어도 한 끝이 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 영역 외부를 통과하도록 되어 있는 에너지 공급 수단;을 포함하고,

   상기 전기자는, 사용시, 부하에 연결되어 상기 고정자에 대하여 상기 부하를 왕복시키는 것을 특징으로 하는 왕복 부하를 구동시키기 위한 전기 리니어 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 공급 수단은, 상기 고정자의 일부분 둘레에 감겨져 있는 적어도 하나의 코일과, 직류 파워 서플라이, 상기 파워 서플라이에 연결되어 상기 적어도 하나의 코일에 전류를 공급하는 스위칭 장치와 메모리 및 입출력 포트를 포함하는 프로그램된 디지탈 프로세서를 갖추고 있는 정류회로를 포함하고, 상기 포트의 적어도 하나는 상기 정류 회로에 연결되어 상기 정류 회로에 스위칭 제어 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 리니어 모터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자석의 상기 적어도 하나의 끝이 상기 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 영역 외부를 통과하는 상기 적어도 하나의 영구 자석의 변위가 최대 변위의 67%인 것을 특징으로 하는 전기 리니어 모터.
4. 압축기를 사용하는 냉동기에 있어서,

   압축기와 압축기 모터가 리니어 장치이고 그리고 상기 모터는:

   적어도 하나의 공기갭을 갖춘 자기투과성 코어를 가지고 있고, 상기 적어도 하나의 공기갭에 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 영역 및 공간적으로 비균일한 자속 밀도 영역을 제공하도록 형성된 고정자;

   적어도 상당한 부분이 상기 적어도 하나의 공기갭의 적어도 하나의 공기갭에 위치하는 적어도 하나의 영구 자석을 지지하는 구조를 가지고 있는 전기자;

   상기 적어도 하나의 영구 자석의 자계와 상호작용하여 상기 전기자에 왕복력을 야기시키는 교류 자속을 상기 고정자에 야기하여 하이 파워 레벨일 때 상기 적어도 하나의 영구 자석의 적어도 한 끝이 실질적으로 공간적으로 균일한 자속 밀도 영역 외부를 통과하도록 되어 있는 에너지 공급 수단; 을 포함하고,

   상기 전기자는, 사용시, 부하에 연결되어 상기 고정자에 대하여 상기 부하를 왕복시키는 것을 특징으로 하는 압축기를 사용하는 냉동기.