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KR102692165B1 - 횡자속형 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기 - Google Patents

횡자속형 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기 Download PDF

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KR102692165B1
KR102692165B1 KR1020170016684A KR20170016684A KR102692165B1 KR 102692165 B1 KR102692165 B1 KR 102692165B1 KR 1020170016684 A KR1020170016684 A KR 1020170016684A KR 20170016684 A KR20170016684 A KR 20170016684A KR 102692165 B1 KR102692165 B1 KR 102692165B1
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reciprocating
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김재범
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 다중 구조의 횡자속형 왕복동 모터에 관한 것이다.
본 발명의 횡자속형 왕복동 모터는, 제1고정자와, 상기 제1고정자에 대해 왕복운동을 하는 제1가동자를 포함하는 제1왕복동모듈과, 상기 제1고정자와 축방향으로 나란하게 이격 배치된 제2고정자와, 상기 제2고정자에 대해 축방향으로 왕복운동을 하는 제2가동자를 포함하는 제2왕복동모듈 및, 상기 제1가동자와 제2가동자의 마주보는 측면을 연결하는 연결부재를 포함하고, 상기 고정자와 가동자 사이에서 자기적 저항이 낮은 쪽으로 이동하려는 힘을 이용하여 상기 가동자를 고정자에 대해 공진운동 시키는 자기적 공진스프링을 구현하여, 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기가 소형화되고 경량화되며 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.

Description

횡자속형 왕복동 모터 및 이를 구비한 왕복동식 압축기{transvers flux type recyprocating motor and recyprocating compressor having the same}
본 발명은 다중 구조의 횡자속형 왕복동 모터 및 이를 구비하는 왕복동 압축기에 관한 것이다.
모터(Motor)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 회전력 또는 왕복동력을 얻는 장치로서, 이러한 모터는 인가되는 전원에 따라서 교류 모터와 직류 모터로 구분될 수 있다.
모터는 고정자(Stator)와 가동자(Mover 또는 Rotor)를 포함하며, 고정자에 구비되는 권선(Coil)에 전류가 흐를 때 발생하는 자속(Flux)의 방향에 따라 마그네트(Magnet)가 구비된 가동자가 회전 운동을 하거나 또는 왕복 운동을 하게 된다.
모터는 가동자의 운동 양태에 따라 회전 모터 또는 왕복동 모터로 구분될 수 있다. 회전 모터는 코일에 인가되는 전원에 의해 고정자에 자속이 형성되고 이 자속에 의해 가동자가 고정자에 대해 회전운동을 한다. 반면, 왕복동 모터는 가동자가 고정자에 대해 직선으로 왕복 운동한다.
최근에는 고정자가 내측 고정자(Inner stator)와 외측 고정자(Outer stator)를 갖는 원통형으로 형성되고, 내측 고정자와 외측 고정자 중 어느 한쪽에 유도자기를 발생하기 위한 코일이 권취되는 압축기용 왕복동 모터가 소개되고 있다.
또한, 상기 압축기용 왕복동 모터의 경우, 자극(Magnet pole)이 고정자의 축방향을 따라 배열된 마그네트(Magnet)가 가동자에 구비되어 그 가동자가 내측 고정자와 외측고정자 사이의 공극(Air gap)에서 왕복운동을 한다.
이러한 압축기용 왕복동 모터는 대한민국 등록특허 제10-0492612호(이하, 선행기술 1) 및 대한민국 등록특허 제10-0539813호(이하, 선행기술 2) 등에 개시되어 있다.
선행기술 1과 선행기술 2에는 모두 박판으로 형성된 다수 개의 철심 코어를 환형으로 형성된 코일에 방사상으로 적층하여 원통형으로 된 외측 고정자 또는 내측 고정자를 형성하고 있다.
상기와 같은, 종래의 왕복동 모터가 압축기에 적용된 경우, 압축실에 부하가 작용하였을 때 가동자가 하사점(BDC) 방향으로 밀리게 된다. 이와 같이, 가동자가 뒤로 밀린 상태에서 운전하게 되면, 설계치 만큼의 모터 출력을 낼 수 없고, 스트로크가 부족하여 냉력이 부족해지면서 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 가동자의 밀림양을 보상하기 위해 가동자를 상사점(TDC) 방향으로 밀어주는 물리적인 스프링이 적용되고 있다.
또한, 종래 왕복동 모터는 가동자가 안정적으로 왕복 운동을 할 수 있도록 그 가동자의 왕복방향 양쪽에 각각 압축코일 스프링으로 된 기계적 공진 스프링이 구비되어 있다.
이에 따라, 가동자가 코일에 인가된 전원의 자속 방향을 따라 전후 방향으로 이동을 할 때 그 가동자가 이동하는 방향에 구비된 기계적 공진스프링은 압축되면서 반발력을 축적한다. 이어서 가동자가 반대 방향으로 이동할 때 반발력을 축적했던 기계적 공진스프링은 가동자를 밀어내는 일련의 과정을 반복하게 된다.
그러나, 종래의 왕복동 모터는, 가동자가 압축코일 스프링에 의해서 지지되나, 압축코일 스프링은 특성상 발생하는 자체 공진 때문에 일정 구간의 운전주파수 안에서도 특정 구간은 운전주파수로 사용하지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 왕복동 모터는, 압축코일 스프링이 가동자를 지지함에 따라서, 그 압축코일스프링의 특성상 기계적 응력 한계 및 진동 거리 등의 제약이 발생하게 된다. 이로 인해 공진 스프링은 일정한 선경과 길이 등을 확보해야 하므로 왕복동 모터의 횡방향 길이를 축소시키는데 한계가 있었다.
또한, 종래의 왕복동 모터는, 마그네트를 지지하는 마그네트 프레임의 두께가 커서 전체 가동자의 무게가 증가하고 이로 인해 전력소모량이 증가하는 문제점도 있었다.
또한, 종래의 왕복동 모터가 압축기에 적용된 경우, 피스톤이 실린더 내 압축 공간의 냉매를 압축하는 과정에서 피스톤으로 압력이 작용하여 피스톤이 토출 밸브와 멀어지는 방향, 즉, 피스톤이 하사점(BDC) 측으로 밀리게 된다. 이 경우, 가동자의 중심이 상기 하사점(BDC)과 가까워지는 방향으로 이동하면서, 가동자 및 피스톤의 운전 스트로크가 줄어드는 문제점도 있었다.
본 발명의 상기되는 문제점을 해소하여, 가동자의 운전 스트로크를 다양하게 조절할 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은, 가동자의 운전 스크로크가 줄어들면, 그 운전 스트로크를 늘릴 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 운전주파수 내에서 모든 공진주파수를 사용할 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 축 방향으로의 모터의 크기를 소형화할 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 가동자의 무게를 줄여 전력소모량을 낮춤으로써 모터 효율을 높일 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 가동자의 크기는 유지하면서, 자석의 크기만을 증가시켜 모터 출력을 높일 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 가동자의 길이가 줄어들어 공차에 의한 자기적 공극을 최소한으로 유지할 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 줄어든 자기적 공극에 의해 모터 스프링 강성을 극대화할 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 고정자 및 가동자를 용이하게 제작하여 제조비용을 낮출 수 있는 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 고정자 또는 가동자를 구성하는 블럭이 면접촉하면서 축방향으로 적층하여, 방사 적층에 비해 적층이 용이하고, 적층상태를 유지하는데 유리한 왕복동 모터를 제안한다.
본 발명은 마그넷 코일을 보빈에 감은 후, 외측 고정자를 보빈의 중공에 삽입하는 방식으로 결합할 수 있어, 작업성이 개선된 왕복동 모터를 제안한다.
또, 본 발명은, 왕복동 모터의 크기를 줄여, 소형화되고 경량화된 왕복동식 압축기를 제안한다.
본 발명은, 가동자의 운전 스트로크를 조절하여, 가동자와 연결된 피스톤의 운전 스트로크를 조절할 수 있는 왕복동식 압축기를 제안한다.
본 발명은, 피스톤의 운전 스크로크가 줄어들면, 그 운전 스트로크를 늘릴 수 있는 왕복동식 압축기를 제안한다.
본 발명에 따른, 횡자속형 왕복동 모터는 제1고정자와, 상기 제1고정자에 대해 왕복운동을 하는 제1가동자를 포함하는 제1왕복동모듈과, 상기 제1고정자와 축방향으로 나란하게 이격 배치된 제2고정자와, 상기 제2고정자에 대해 축방향으로 왕복운동을 하는 제2가동자를 포함하는 제2왕복동모듈 및 상기 제1가동자와 제2가동자의 마주보는 측면을 연결하는 연결부재를 포함한다. 이에 따르면, 연결부재의 길이를 조절하여, 제1가동자와 제2가동자의 간격을 조절할 수 있고, 나아가 제1,2고정자의 중심과 제1,2가동자의 중심을 오프셋(offset)시켜, 가동자의 운전 스트로크를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제1고정자는, 제1내측고정자와, 상기 제1내측고정자의 반경방향 외측으로 제1공극을 두고 배치되는 제1외측고정자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2고정자는, 상기 제1내측고정자와 축 방향으로 나란하게 이격 배치된 제2내측고정자와, 상기 제2내측고정자의 반경방향 외측으로 제2공극을 두고 배치되는 제2외측고정자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1가동자는 상기 제1공극에 배치되고, 상기 제2가동자는 상기 제2공극에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1고정자 및/또는 제2고정자에는 마그넷 코일이 권취될 수 있다.
또한, 상기 제1고정자와 제2고정자는 서로 마주보는 측면이 스페이서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1고정자 및 제2고정자에는 각각 상기 제1가동자 및 제2가동자와 마주보는 면에 제1마그네트 및 제2마그네트가 부착될 수 있다.
또한, 상기 제1고정자 및/또는 제2고정자는, 자로를 이루는 요크부 및 상기 요크부의 내측면에서 중심 방향으로 연장 형성된 티스부를 포함하며, 상기 마그넷 코일은 상기 요크부 또는 티스부에 권취될 수 있다.
본 발명에 따른 왕복동식 압축기는, 내부공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스의 내부공간에 배치되고, 가동자가 왕복운동을 하는 왕복동모터와, 상기 왕복동 모터의 가동자에 결합되어 함께 왕복운동하는 피스톤과, 상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하는 실린더와, 상기 압축공간의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브 및 상기 압축공간의 토출측을 개폐하는 토출밸브를 포함하고, 상기 왕복동 모터는 앞서 설명한 횡자속형 왕복동 모터로 이루어진다.
이에 따르면, 연결부재의 길이를 조절하여, 제1가동자와 제2가동자의 간격을 조절할 수 있고, 나아가 제1,2고정자의 중심과 제1,2가동자의 중심을 오프셋(offset)시켜, 가동자 및 가동자와 연결된 피스톤의 운전 스트로크를 조절할 수 있다.
또한, 상기 피스톤과 상기 왕복동모터의 가동자를 연결하는 이음부재를 더 포함하고, 상기 제1,2가동자를 연결하는 연결부재의 길이가 α만큼 늘어나면, 상기 이음부재의 길이는 α만큼 줄어든다.
이에 따르면, 제2가동자가 BDC측으로 오프셋(offset)되는 거리의 보상이 이루어져, 제2가동자에 연결된 피스톤이 제1가동자와 함께 TDC방향으로 오프셋(offset)되어, 가동자와 피스톤의 운전 스트로크가 증가될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가동자의 운전 스트로크를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가동자의 운전 스트로크가 줄어들면, 그 운전 스트로크를 늘릴 수 있다.
본 발명에 따르면, 가동자를 자기적 공진스프링으로 공진시킴에 따라 일정구간의 운전주파수 내에서 사용 주파수가 제한되는 것을 미연에 방지할 수 있어 모터의 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가동자를 자기적 공진스프링으로 공진시킴에 따라, 가동자를 공진시키기 위한 부품수를 줄일 수 있으며 모터의 횡방향 길이를 더욱 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 가동자를 자기적 공진스프링으로 공진시킴에 따라, 가동자가 공진스프링의 측힘에 의해 편심되는 것을 방지하여 마찰손실 및 소음을 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 마그네트를 고정자의 단부에 결합시켜 가동자의 무게를 줄일 수 있고 이를 통해 전력 소모량을 낮춰 모터의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고정자 및 가동자를 용이하게 제작하여 제조비용을 낮출 수 있다.
본 발명에 따르면, 고정자 또는 가동자를 구성하는 블럭이 면접촉하면서 축방향으로 적층하여, 방사 적층에 비해 적층이 용이하고, 적층상태를 유지하는데 유리하다.
본 발명에 따르면, 마그넷 코일을 보빈에 감은 후, 외측 고정자를 보빈의 중공에 삽입하는 방식으로 결합할 수 있어, 작업성이 개선될 수 있다.
또, 본 발명에 따르면, 상기한 왕복동 모터를 구비함에 따라 왕복동식 압축기가 소형화되고, 경량화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가동자의 운전 스트로크를 조절하여, 가동자와 연결된 피스톤의 운전 스트로크를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 피스톤의 운전 스트로크가 줄어들면, 그 운전 스트로크를 늘릴 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 모터의 소형화, 모터의 효율향상, 모터의 경량화, 모터의 소음 저감 등의 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 발명의 구체적인 실시예에 제시되는 각각의 구성에 의해서 이해될 수 있는 다양한 효과를 얻을 수 있는 것도 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 횡자속형 왕복동 모터를 구비한 왕복동식 압축기의 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동 모터의 일 예를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동 모터의 일 예를 보인 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동 모터의 다른 예를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동 모터의 다른 예를 보인 부분 절개 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일부 구성요소인 연결부재의 사시도이다.
도 7 내지 도 8은 본 실시예에 의한 횡자속형 왕복동 모터의 동작을 설명하기 위해 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선단면을 보인 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 5에 있어서, 연결부재의 길이변화에 따라 가동자의 오프셋이 발생하는 모습을 보인 단면도이다.
도 10a는 도 1에서 고정자와 가동자와 연결부재와 피스톤을 발췌하여 보인 도면이다.
도 10b는 도 10a에서 연결부재의 길이만 증가시킨 상태를 보인 도면이다.
도 10c는 도 10a에서 연결부재의 길이를 증가시키고, 이음부재의 길이를 축소시킨 상태를 보인 도면이다.
도 11은 냉매 압축 과정에서 가동자의 스트로크 범위를 보여주는 도면이다.
이하의 실시예에 첨부되는 도면은, 같은 발명 사상의 실시예이지만, 발명 사상이 훼손되지 않는 범위 내에서, 용이하게 이해될 수 있도록 하기 위하여, 미세한 부분의 표현에 있어서는 도면별로 서로 다르게 표현될 수 있고, 도면에 따라서 특정 부분이 표시되지 않거나, 도면에 따라서 과장되게 표현되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 횡자속형 왕복동 모터를 구비한 왕복동식 압축기의 종단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기(1)는, 내부공간을 갖는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내부공간에 배치되고, 가동자(120,220)가 왕복운동을 하는 왕복동모터(20)와, 상기 왕복동모터(20)의 가동자(120,220)에 결합되어 함께 왕복운동하는 피스톤(30)과, 상기 피스톤(30)이 삽입되어 압축공간(42)을 형성하는 실린더(40)와, 상기 압축공간(42)의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브(31)와 및 상기 압축공간(42)의 토출측을 개폐하는 토출밸브(41)를 포함할 수 있다.
또한, 밀폐된 케이스(10)의 내부공간에 흡입관(11)이 연결되고, 흡입관(11)의 일측에는 후술할 실린더(40)의 압축공간(42)에서 압축된 냉매를 냉동사이클로 안내하는 토출관(12)이 연결된다. 이로써, 케이스(10)의 내부공간은 흡입되는 냉매가 채워져 흡입압을 형성하고, 압축공간(42)에서 토출되는 냉매는 토출관(12)을 통해 응축기를 향해 케이스(10)의 외부로 배출될 수 있다.
또한, 케이스(10)의 내부공간에는 프레임(50)이 설치되고, 프레임(50)의 일측면에는 왕복력을 발생시키는 동시에 후술할 피스톤(30)의 공진운동을 유도하는 왕복동 모터(20)가 고정 결합된다.
상기 왕복동 모터(20)의 안쪽에는 압축공간(42)이 구비되어 프레임(50)에 삽입되는 실린더(40)가 결합되고, 실린더(40)에는 그 실린더(40)에 왕복 가능하게 삽입되어 압축공간(42)의 체적을 가변시켜 냉매를 압축하는 피스톤(30)이 결합된다.
상기 피스톤(30)의 선단면에는 그 피스톤(30)의 흡입유로를 개폐하는 흡입밸브(31)가 결합되고, 실린더(40)의 선단면에는 그 실린더(40)의 압축공간(42)을 개폐하는 토출밸브(41)가 토출커버(60)에 수용되어 착탈 가능하게 결합된다.
그리고, 토출커버(60)는 토출공간(61)이 구비되어 실린더(40)에 고정 결합된다. 토출커버(60)의 토출공간(61)에는 토출밸브(41) 및 그 토출밸브(41)를 지지하는 밸브스프링(43)이 수용되고, 실린더(40)와 피스톤(30) 사이를 윤활하기 위한 가스베어링의 입구가 수용될 수 있다.
가스베어링(미도시)은 프레임(50)의 내주면과 실린더(40)의 외주면 사이에 형성되는 가스연통로와, 가스연통로의 중간에서 실린더(40)의 내주면으로 관통되는 복수 개의 미세 가스통공으로 이루어질 수 있다.
여기서, 왕복동 모터(20)는 도 2 내지 도 8과 같은 구성을 가지도록 형성되며, 이에 대해서는 후술되는 왕복동 모터를 참조하기로 한다.
다만, 본 실시예에서 고정자(110,210)는 프레임(50)에 고정되고, 가동자(120,220)는 피스톤(30)과 연결된다. 따라서, 가동자(120,220)가 고정자(110,210)에 대해 왕복운동을 하게 되면 실린더(40)에 삽입된 피스톤(30)이 가동자(120,220)와 함께 양방향으로 왕복운동을 할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기(1)는, 왕복동 모터(20)의 마그넷코일(130,230)에 교번전류가 인가되면 고정자(110,210) 및 마그네트(140,240)와 가동자(120,220) 사이에 교번자속이 형성되고, 마그넷코일(130,230)에 의한 자속과 마그네트(140,240)의 자속이 증자되는 방향으로 가동자(120,220) 및 이와 연결된 피스톤(30)이 움직이면서 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.
여기서, 상기 피스톤(30)과 상기 왕복동모터의 가동자(120,220)는 이음부재(70)를 통해 연결될 수 있다.
일례로, 상기 이음부재(70)는 전체적으로 원통 형상을 갖는 가동자(120,220)의 내주면 또는 외주면 등에 연결되도록 원통 형상으로 형성될 수 있다. 다른 예로, 호(arc) 형상의 단면을 갖는 복수의 가동자(120,220)가 상기 이음부재(70)의 원주 둘레를 따라 이격 배치된 연결구조를 취할 수도 있다.
상기와 같은 구성에 의해, 가동자(120,220)와 연결된 피스톤(30)은 하사점(BDC)과 상사점(TDC) 사이를 직선으로 왕복 운동하고, 피스톤(30)이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)측으로 이동하면 냉매가 실린더(40) 내부로 흡입되고, 피스톤(30)이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)측으로 이동하면, 흡입된 냉매가 압축되면서 실린더(40) 외부로 토출될 수 있다.
이하에서는 왕복동모터(20)에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동모터의 일 예를 개략적으로 보인 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동모터의 일 예를 보인 평면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동모터의 다른 예를 개략적으로 보인 단면도이도, 도 5는 본 발명에 따른 횡자속형 왕복동모터의 다른 예를 보인 부분 절개 사시도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 왕복동 모터는, 제1왕복동모듈(100)과, 제2왕복동모듈(200) 및, 연결부재(300)를 포함한다.
상세히, 제1왕복동모듈(100)은 제1고정자(110)와, 상기 제1고정자(110)에 대해 왕복운동을 하는 제1가동자(120)를 포함하고, 제2왕복동모듈(200)은 상기 제1고정자(110)와 축방향으로 나란하게 이격 배치된 제2고정자(210)와, 상기 제2고정자(210)에 대해 축방향으로 왕복운동을 하는 제2가동자(220)를 포함한다.
또한, 연결부재(300)는 상기 제가동자(120)와 제2가동자(220)를 연결한다.
여기서, 상기 고정자(110,210) 또는 가동자(120,220) 중 적어도 어느 하나는, 축방향의 단면의 적어도 일부가 호(arc) 형상으로 이루어질 수 있다.
상세히, 고정자(110,210) 또는 가동자(120,220) 중 적어도 어느 하나는, 단일체로 이루어지고, 중공의 원통형으로 이루어질 수 있다. 또한, 고정자(110,210) 또는 가동자(120,220) 중 적어도 어느 하나는, 호(arc) 형상의 단면을 갖고, 복수 구비되어, 원주 방향으로 이격 배치된 형태를 취할 수도 있다.
또한, 상기 고정자(110,210) 및/또는 가동자(120,220)는 자성체 또는 전도성 재질로 이루어질 수 있다. 따라서, 후술되는 마그넷 코일(130,230)에 의한 자속(flux)이 흐를 수 있다.
일 예로, 상기 제1고정자(110)는, 제1내측고정자(111)와, 상기 제1내측고정자(111)의 반경방향 외측으로 제1공극(113)을 두고 배치되는 제1외측고정자(112)를 포함하고, 상기 제2고정자(210)는, 상기 제1내측고정자(111)와 축 방향으로 나란하게 이격 배치된 제2내측고정자(211)와, 상기 제2내측고정자(211)의 반경방향 외측으로 제2공극(213)을 두고 배치되는 제2외측고정자(212)를 포함할 수 있다.
상기의 경우, 상기 제1가동자(120)는 상기 제1공극(113)에 배치되고, 상기 제2가동자(220)는 상기 제2공극(213)에 배치될 수 있다.
하지만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 이하, 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212)로 구성되는 경우에 대해 설명하더라도, 고정자(110,210)는 내측고정자(111,211)로만 구성되거나, 외측고정자(112,212)로만 구성될 수도 있음을 미리 밝혀둔다.
다만, 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)로만 구성되는 경우, 가동자(120,220)는 고정자(110,210)의 외측에 이격 배치된다. 이때, 가동자(120,220)와 대면하는 내측고정자(111,211)의 외주면에 마그네트(140,240)가 부착되거나, 내측고정자(111,211)와 대면하는 가동자(120,220)의 내주면에 마그네트(121,221)가 형성될 수 있다.
또한, 고정자(110,210)가 외측고정자(112,212)로만 구성되는 경우, 가동자(120,220)는 고정자(110,210)의 내측에 이격 배치된다. 이때, 가동자(120,220)와 대면하는 외측고정자(112,212)의 내주면에 마그네트(140,240)가 부착되거나, 외측고정자(112,212)와 대면하는 가동자(120,220)의 외주면에 마그네트(121,221)가 형성될 수 있다.
또한, 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212)로 구성되는 경우, 내측고정자(111,211)의 외경은 외측고정자(112,212)의 내경 보다 작게 형성되어, 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212) 사이에는 가동자(120,220)가 배치되는 공극(113,213)을 형성한다.
또한, 상기 내측고정자(111,211) 또는 가동자(120,220)는 중공부(114,214)를 형성하며, 상기 중공부(114,214)는 추후, 피스톤 등이 배치되는 공간으로 활용된다.
또한, 상기 제1고정자(110)와 제2고정자(210)는 서로 마주보는 측면이 스페이서(410,420)로 연결될 수 있다.
만약, 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212)로 이루어진 경우, 상기 스페이서(410,420)는 내측스페이서(410)와, 외측스페이서(420)로 구비될 수 있다.
상기와 같이 제1고정자(110)와 제2고정자(210)가 스페이서(410,420)로 연결되면, 제1고정자(110)와 제2고정자(210)의 간격이 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 제1고정자(110)와 제2고정자(210)가 단일체로 고정될 수 있다.
한편, 상기 가동자(120,220)는 각각 고정자(110,210)에 대해 왕복운동을 한다.
이때, 상기 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212)로 이루어진 경우, 가동자(120,220)는 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212) 사이에 마련된 공극(113,213)에 삽입되어, 왕복운동을 한다.
본 실시예에서, 상기 가동자(120,220)는 축방향 단면의 적어도 일부가 호(arc) 형상으로 이루어질 수 있다.
상세히, 상기 가동자(120,220)는 단일체로 형성되고, 원통형의 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212) 사이에 형성된 원통형의 공극(113,213)에 삽입되게 중공의 원통형으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가동자(120,220)는 축방향에서 바라봤을 때, 호 형상의 단면을 가지도록 형성되고 복수 구비되어 원주방향으로 이격 배치될 수 있다. 이 경우, 가동자(120,220)들 사이에는 간격이 형성될 수 있고, 이 간격에는 비자성체인 연결부가 형성될 수도 있다. 상기 연결부의 구성으로 복수의 가동자(120,220)는 하나의 몸체로 결합될 수 있다.
상기 제1고정자(110) 및/또는 제2고정자(210)에는 마그넷 코일(130,230)이 권취된다.
일 예로, 상기 고정자(110,210)가 외측고정자(112,212)를 포함하는 경우, 상기 마그넷 코일(130,230)은 외측고정자(112,212)에 권취될 수 있고, 상기 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)를 포함하는 경우, 상기 마그넷 코일(130,230)은 내측고정자(111,211)에 권취될 수 있다.
이때, 상기 마그넷 코일(130,230)은 상기 내측고정자(111,211) 또는 외측고정자(112,212)에 직접 권취될 수 있다.
또한, 상기 마그넷 코일(130,230)은 미리 권취된 후, 권취된 상태에서 상기 내측고정자(111,211) 또는 외측고정자(112,212)와 결합될 수 있다.
상세히, 상기 마그넷 코일(130,230)은 별도의 권선장치 등을 통해 보빈 등에 권취된 후, 상기 보빈의 중공에 상기 내측고정자(111,211) 또는 외측고정자(112,212)가 삽입되는 방식으로 마그넷 코일(130,230)이 내측고정자(111,211) 또는 외측고정자(112,212)와 결합될 수 있다.
마그네트(121,140,221,240)는 상기 고정자(110,210) 또는 가동자(120,220)에 구비될 수 있다.
일 예로, 상기 마그네트(140,240)는 고정자(110,210)에 부착될 수 있다.
상세히, 제1고정자(110) 및 제2고정자(210)에는 각각 상기 제1가동자(120) 및 제2가동자(220)와 마주보는 면에 제1마그네트(140) 및 제2마그네트(240)가 부착될 수 있다.
만약, 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)와 외측고정자(112,212)로 이루어진 경우, 상기 마그네트(140,240)는 외측고정자(112,212)의 내주면에 부착되거나, 내측고정자(111,211)의 외주면에 부착될 수 있다.
반면, 고정자(110,210)가 내측고정자(111,211)로만 이루어진 경우, 상기 마그네트(140,240)는 내측고정자(111,211)의 외주면에 부착될 수 있다.
또한, 고정자(110,210)가 외측고정자(112,212)로만 이루어진 경우, 상기 마그네트(140,240)는 외측고정자(112,212)의 내주면에 부착될 수 있다.
다른 예로, 상기 제1가동자(120) 및 제2가동자(220)는 각각 제3마그네트(121)와 제4마그네트(221)를 포함할 수 있다.
이때, 제1가동자(120)는 제3마그네트(121)로만 구성되거나, 제1가동코어(122)와 상기 제1가동코어(122)의 내주면 또는 외주면에 부착된 제3마그네트(121)로 구성될 수 있다. 후자의 경우, 상기 제3마그네트(121)는 제1고정자(110)와 마주보게 부착된다. 또한, 상기 제3마그네트(121)가 연결부재(300)와 연결될 수 있고, 제1가동코어(122)가 연결부재(300)와 연결될 수 있다.
또한, 제2가동자(220)는 제4마그네트(221)로만 구성되거나, 제2가동코어(222)와 상기 제2가동코어(222)의 내주면 또는 외주면에 부착된 제4마그네트(221)로 구성될 수 있다. 후자의 경우, 상기 제4마그네트(221)는 제2고정자(210)와 마주보게 부착된다. 또한, 상기 제4마그네트(221)가 연결부재(300)와 연결될 수 있고, 제2가동코어(222)가 연결부재(300)와 연결될 수 있다.
여기서, 상기 마그네트(121,140,221,240)는 상기 가동자(120,220)의 왕복방향(축방향)으로 서로 다른 자극이 배열될 수 있다.
일 예로, 상기 마그네트(121,140,221,240)는 N극과 S극이 양측에 동일한 길이로 형성된 2-폴(2-pole) 마그네트로 구비될 수 있다.
또한, 상기 마그네트(121,140,221,240)는 곡면으로 형성된 고정자(110,210) 또는 가동자(120,220)의 표면에 면접촉 하도록 그 단면이 원(circle) 형상으로 구비되거나, 호(arc) 형상으로 구비될 수 있다.
상세히, 상기 마그네트(121,140,221,240)는 원통형으로 이루어지거나, 축 방향에서 바라봤을 때, 호(arc) 형상의 단면을 갖고, 복수 구비되어 고정자(110,210) 또는 가동자(120,220)의 표면에 원주방향을 따라 이격 배치될 수도 있다.
이때, 마그네트(121,140,221,240) 사이에는 간격이 형성될 수도 있다.
또한, 마그네트(121,140,221,240)는 원주방향으로 이웃하는 마그네트(121,140,221,240)와 서로 다른 자극을 가지도록 배열될 수도 있다.
본 실시예에서, 상기 고정자(110,210) 및/또는 가동자(120,220)는 단일체로 구성될 수 있고, 경우에 따라서는 복수의 블럭을 적층하여 구성될 수 있다.
상세히, 상기 고정자(110,210) 및/또는 가동자(120,220)는 복수의 고정자 블럭 및/또는 가동자 블록을 축방향 적층하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 고정자(110,210) 및/또는 가동자(120,220)가 복수의 고정자 블럭 및/또는 가동자 블럭을 축방향 적층하여 구성되는 경우, 종래 방사상으로 적층하는 경우 대비, 적층이 쉽다. 또한, 방사 적층에 비해 적층된 상태를 유지하기에도 유리하다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 제1고정자(110) 및/또는 제2고정자(210)는, 자로를 이루는 요크부(110a,210a) 및 상기 요크부(110a,210a)의 내측면에서 중심 방향으로 연장 형성된 티스부(111b~114b,211b~214b)를 포함하며, 상기 마그넷 코일(130,230)은 상기 요크부(110a,210a) 또는 티스부(111b~114b,211b~214b)에 권취될 수 있다.
일 예로, 상기 요크부(110a,210a)는 환형으로 형성되고, 요크부(110a,210a)의 내주면에는 티스부(111b~114b,211b~214b)가 반경방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 그리고, 티스부(111b~114b,211b~214b) 사이에는 공간부(110c,210c)를 형성하여, 마그넷 코일(130,230)이 권취될 수 있다. 따라서, 티스부(111b~114b,211b~214b)와 공간부(110c,210c)는 원주 방향을 따라 번갈아 가며 형성될 수 있다.
또한, 상기 티스부(111b~114b,211b~214b)는 상기 고정자(110,210)의 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 짝수 개가 형성되며, 상기 각 티스부(111b~114b,211b~214b)에 결합되는 마그넷 코일(130,230)은 이웃하는 마그넷 코일(130,230)과 서로 반대 방향으로 자속이 형성될 수 있다.
상세히, 마그넷 코일(130,230)은 원주방향을 따라 감긴 방향이 번갈아 가며 반대가 되도록 권취될 수 있다. 이로써, 티스부(111b~114b,211b~214b)의 자속방향 역시 원주방향을 따라 이웃하는 다른 티스부 티스부(111b~114b,211b~214b)의 자속 방향과 서로 반대방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 요크부(110a,210a) 및/또는 티스부(111b~114b,211b~214b)는 분리될 수 있다. 이 경우, 상기 마그넷 코일(130,230)은 중공을 형성하도록 미리 권취된 상태에서 고정자(110,210)와 결합될 수 있다.
상세히, 상기 요크부(110a,210a)가 상기 마그넷 코일(130,230)의 중공에 삽입된 후 상기 티스부(111b~114b,211b~214b)와 연결되거나, 상기 티스부(111b~114b,211b~214b)가 상기 마그넷 코일(130,230)의 중공에 삽입된 후 상기 요크부(110a,210a)와 연결될 수 있다.
일 예로, 상기 요크부(110a,210a)와 티스부(111b~114b,211b~214b)는 따로 분리된 후 일체로 연결될 수 있다.
다른 예로, 상기 요크부(110a,210a)는 복수 개로 분리된 후 일체로 연결될 수 있다.
또 다른 예로, 상기 티스부(111b~114b,211b~214b)는 복수 개로 분리된 후, 일체로 연결될 수도 있다.
상기와 같이 다양한 형태로 분리된 복수의 요크부(110a,210a) 및/또는 티스부(111b~114b,211b~214b)는 상기 마그넷 코일(130,230)의 중공에 삽입된 후 서로 연결될 수 있다.
이때, 분리된 요크부(110a,210a) 및/또는 티스부(111b~114b,211b~214b)는 용접 등의 방식으로 하나의 몸체로 접합될 수 있다.
상기와 같이 요크부(110a,210a) 및/또는 티스부(111b~114b,211b~214b)가 복수 개로 분리되면, 요크부(110a,210a) 및/또는 티스부(111b~114b,211b~214b)에 권선장치(미도시)를 이용하여, 마그넷 코일(130,230)을 권선하는 방식이 아니라, 복수 개의 마그넷 코일(130,230)을 환형으로 제작한 후 마그넷 코일(130,230)의 중공에 요크부(110a,210a) 및/또는 티스부(111b~114b,211b~214b)를 삽입하여, 마그넷 코일(130,230)을 고정자(110,210)에 결합할 수 있다.
또한, 상기 티스부(111b~114b,211b~214b)의 폭은 요크부(110a,210a)의 폭 보다 크게 형성될 수 있다. 이로써, 티스부(111b~114b,211b~214b)에서의 자로 면적이 확보되어 모터의 성능이 향상될 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 상기 티스부(111b~114b,211b~214b)는 요크부(110a,210a)의 내측 상단에서 하측으로 연장된 제1티스부(111b,211b)와, 요크부(110a,210a)의 내측 하단에서 상측으로 연장된 제2티스부(112b,212b)와, 요크부(110a,210a)의 좌측에서 우측으로 연장된 제3티스부(113b,213b)와, 요크부(110a,210a)의 우측에서 좌측으로 연장된 제4티스부(114b,214b)를 포함할 수 있다.
또한, 티스부(111b~114b,211b~214b)의 내측 단부에는 내주면에 마그네트(140,240)가 고정되는 고정자 폴부(110d,210d)가 양쪽의 원주방향으로 길게 연장 형성될 수 있다.
이때, 고정자 폴부(110d,210d)의 원주길이가 마그네트(140,240)의 원주 길이보다 크게 형성되는 경우, 다른 마그네트에 영향을 미칠 수 있으므로, 가급적 마그네트의 원주 길이보다 크지 않게 형성되는 것이 바람직하다.
일 예로, 고정자 폴부(110d,210d)의 원주 길이는 후술할 마그네트(140,240)의 원주 길이와 동일하게 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는, 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동 모터는 마그넷 코일(130,230)이 권선된 고정자(110,210)와, 마그네트(121,140,221,240), 가동자(120,220) 사이에서 발생하는 왕복방향 중심력(centering force)에 의해 왕복운동을 하게 된다.
여기서, 왕복방향 중심력이란 가동자(120,220)가 자기장 안에서 이동을 할 때 자기적 에너지(자기적 위치 에너지, 자기저항)가 낮은 쪽으로 저장하는 힘을 말하며, 이 힘은 자기적 스프링(magnetic spring)을 형성하게 된다.
즉, 본 실시예에서는 가동자(120,220)가 마그넷 코일(130,230) 및 마그네트(121,140,221,240)에 의한 자기력에 의해 왕복운동을 할 때, 그 가동자(120,220)는 자기적 스프링에 의해 중심방향으로 복귀하려는 힘을 축적하고, 이 자기적 스프링에 축적된 힘으로 인해 가동자(120,220)가 공진하면서 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.
이하, 상기와 같은 본 실시예에 따른 황자속형 왕복동 모터의 동작 원리를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7 내지 도 8은 본 실시예에 의한 왕복동 모터의 동작을 설명하기 위해 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선단면을 보인 개략도이다.
먼저, 왕복동 모터의 마그넷코일(130,230)에 교번전류가 인가되면, 고정자(110,210)에는 교번자속이 형성된다. 이 경우 가동자(120,220)는 자속 방향을 따라 양방향으로 움직이면서 지속적으로 왕복운동을 하게 된다.
이때, 왕복동 모터의 내부에는 가동자(120,220)와 고정자(110,210) 및 마그네트(140,240) 사이에는 자기적 스프링(Magnetic Resonance Spring)이 형성되어, 가동자(120,220)의 공진운동을 유도하게 된다.
예를 들어, 도 7과 같이, 마그네트(140,240)가 고정자(110,210)에 고정된 상태에서, 제1티스부(111b,211b)와, 제3티스부(113b,213b)에 권취된 마그넷코일(130,230)에 반대 방향으로 전류가 인가되면, 티스부(111b,113b,211b,213b)에서는 양쪽 자속이 합쳐져 동일한 방향으로 흘러 양쪽 티스부(111b,113b,211b,213b)가 서로 다른 자극을 띄게 된다. 이때, 자성체인 가동자(120,220)는 마그넷코일(130,230)에 의한 자속과 마그네트(140,240)의 자속이 증자되는 도면의 좌측 방향(화살표 M1참조)으로 이동하게 된다.
이때, 가동자(120,220)와 고정자(110,210) 및 마그네트(140,240) 사이에는 자기적 에너지(즉, 자기적 위치 에너지 또는 자기적 저항)가 낮은 쪽인 도면의 우측방향으로 복귀하려는 왕복중심력(Centering force)(화살표 F1참조)이 축적된다.
이러한 상태에서, 도 8과 같이 마그넷코일(130,230)에 인가되는 전류의 방향이 바뀌게 되면, 양쪽 티스부(111b,113b,211b,213b)가 이전과 반대 자극을 띄게 되고, 마그넷코일(130,230)에 의한 자속과 마그네트(140,240)에 의한 자속 역시 이전과 반대 방향, 즉 도면의 우측방향으로 증자된다.
이때, 상기 축적된 왕복중심력(Centering force)(F1)과, 마그넷코일(130,230) 및 마그네트(140,240)의 자속에 의한 자기력에 의해 도면의 우측 방향(화살표 M2 참조)으로 가동자(120,220)가 이동하게 하게 된다.
이 과정에서, 가동자(120,220)는 관성력과 자기력에 의해 마그네트(140,240)의 중심을 지나 도면의 우측으로 더 이동하게 된다.
이때도 마찬가지로, 가동자(120,220)와 고정자(110,210) 및 마그네트(140,240) 사이에는 자기적 에너지가 낮은 쪽인 마그네트(140,240)의 중심방향 즉, 도면의 좌측방향으로 복귀하려는 왕복중심력(Centering force)(F2)이 축적된다.
이 상태에서, 다시, 도 7과 같이 마그넷코일(130,230)에 인가되는 전류의 방향이 바뀌게 되면, 양쪽 티스부(111b,113b,211b,213b)가 이전과 반대 자극을 띄게 되고, 상기 축적된 왕복중심력(Centering force)(F2)과, 마그넷코일(130,230) 및 마그네트(140,240)의 자속에 의한 자기력에 의해 마그네트(140,240)의 중심방향으로 가동자(120,220)가 이동하게 하게 된다.
이때도 역시, 가동자(120,220)는 관성력과 자기력에 의해 마그네트(140,240)의 중심을 지나 도면의 좌측 방향으로 더 이동하게 되고, 가동자(120,220)와 고정자(110,210) 및 마그네트(140,240) 사이에는 자기적 에너지가 낮은 쪽인 마그네트(140,240)의 중심방향 즉, 도면의 우측 방향으로 복귀하려는 왕복중심력(Centering force)(F1)이 축적되고, 이러한 과정이 반복되면서, 가동자(120,220)는 기계적 공진 스프링이 구비된 것과 같이 도면의 우측과 좌측을 번갈아 가면서 이동하는 왕복운동을 지속적으로 반복하게 된다.
도 5를 참조하면, 상기 연결부재(300)는 상기 제1가동자(120)와 제2가동자(220)의 마주보는 측면을 연결한다. 따라서, 제1가동자(120) 및 제2가동자(220)는 일체로 연결되어 축 방향과 나란하게 왕복 운동을 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일부 구성요소인 연결부재의 사시도이다.
도 6을 참조하면, 상기 연결부재(300)는 비자성체로 이루어지며, 중공의 링(ring) 형상을 이루며, 축 방향과 나란하게 볼트홀(310) 형성하여, 상기 가동자들(120,220)과 볼트 체결이 가능할 수 있다.
이때, 상기 연결부재(300)의 축 방향 길이(L1)는 변경 가능하다. 상기 연결부재(300)의 길이에 따라 상기 제1가동자(120)와 제2가동자(220)의 간격이 조절될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 5에 있어서, 연결부재의 길이변화에 따라 가동자의 오프셋이 발생하는 모습을 보인 단면도이다.
일반적으로, 가동자(120,220)에 부착된 마그네트(121,122)의 중심(C1,C2)은, 고정자(110,210)의 중심(C3,C4)과 일치된 상태이다.
이러한 상태에서, 도 9a와 같이, 연결부재(300)의 길이(L1)가 길어지면, 가동자(120,220)의 간격이 커진다.
상기와 같이 가동자(120,220)의 간격이 커지면, 가동자(120,220)에 부착된 마그네트(121,122)의 중심(C1,C2)이 서로 멀어지는 방향(외측방향)으로 이동하면서, 고정자(110,210)의 중심(C3,C4)과 오프셋(offset)이 발생한다.
반면, 도 9b와 같이, 연결부재(300)의 길이(L1)가 줄어들면, 가동자(120,220)의 간격이 좁혀진다.
상기와 같이 가동자(120,220)의 간격이 좁혀지면, 가동자(120,220)에 부착된 마그네트(121,122)의 중심(C1,C2)이 서로 가까워지는 방향(내측방향)으로 이동하면서, 고정자(110,210)의 중심(C3,C4)과 오프셋(offset)이 발생한다.
즉, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제1가동자(120)의 축방향 중심(C1)은 상기 제1고정자(110)의 축방향 중심(C3)과 상기 축방향의 일측으로 제1길이만큼 어긋나게 배치되고, 상기 제2가동자(220)의 축방향 중심(C2)은 상기 제2고정자(210)의 축방향 중심(C4)과 상기 축방향의 상기 일측과 반대되는 타측으로 제1길이만큼 어긋나게 배치된다.
참고로, 도 2와 같이 마그네트(140,240)가 고정자(110,210)에 부착된 경우에는, 연결부재(300)의 길이가 변경되면, 제1가동자(120)와 제2가동자(220)의 간격이 조절되고, 상기 고정자(110,210)에 부착된 마그네트(140,240)의 중심과, 가동자(120,220)의 중심이 어긋나면서 오프셋(offset)이 발생할 수 있다.
이때, 연결부재(300)의 길이(L1)가 길어질수록 제1고정자(110) 및 제2고정자(210)의 축방향 중심과, 제1가동자(120) 및 제2가동자(220)의 축방향 중심은 더 크게 어긋나고, 따라서 오프셋(offset)되는 양도 커질 수 있다.
또한, 상기 연결부재(300)는 상기 제1가동자(120) 및/또는 제2가동자(220)와 탈착 가능하게 고정될 수 있다. 따라서, 다양한 길이의 연결부재(300)를 구비한 뒤, 상황별로 연결부재(300)를 선택하면서, 교체할 수 있다.
또한, 상기 연결부재(300)는 그 길이(L1)가 가변될 수 있다. 즉, 상기 연결부재(300)는 신축 가능한 구조로 이루어질 수 있다.
이 경우, 연결부재(300)를 가동자(120,220)와 분리하지 않고, 연결부재(300)이 길이(L1)를 조절할 수 있다.
상기와 같은, 연결부재(300)의 길이 변화로 인한 효과는 후술하기로 한다.
도 11은 냉매 압축 과정에서 가동자의 스트로크 범위를 보여주는 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 마그넷 코일(130,230)로 인가되는 교번 전류에 의해서, 상기 가동자(120,220)는 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 왕복 운동하게 된다.
이하, 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 거리를 ‘운전 스트로크’라 칭한다.
상기 가동자(120,220)가 하사점(BDC)으로 이동하는 과정에서 상기 압축 공간(42)으로 냉매가 흡입될 수 있다. 또한, 상기 가동자(120,220)가 상기 상사점(TDC)으로 이동하는 과정에서 상기 피스톤(30)이 상기 압축 공간(42)의 냉매를 압축할 수 있다.
일반적으로, 마그넷 코일(130,230)에 의한 자속이 흐르지 않으면, 가동자(120,220)가 움직이지 않는다. 이 상태에서, 각 가동자(120,220)의 축 방향(왕복방향) 중심과, 고정자(110,210)의 축 방향(왕복방향) 중심은 일치된다.
이후, 마그넷 코일(130,230)에 교번전류가 흐르면, 자속에 의해 가동자(120,220)가 왕복운동하면서 가동자(120,220)에 고정된 피스톤(30)이 왕복운동을 한다. 이 과정에서 압축공간(42)의 냉매가 압축될 수 있다.
하지만, 상기와 같이 피스톤(30)이 상기 압축 공간(42)의 냉매를 압축하는 과정에서 상기 피스톤(30)으로 압력이 작용하여 상기 피스톤(30)이 상기 토출 밸브(41)와 멀어지는 방향으로 밀린다. 즉, 상기 피스톤(30)이 하사점(BDC) 측으로 일정 거리 밀리게 된다.
이 경우, 상기 가동자(120,220)의 중심이 상기 하사점(BDC)과 가까워지는 방향으로 이동하게 된다.
또한, 상기 가동자(120,220)는 상기 하사점(BDC)을 벗어나지 않도록 제어된다.
따라서, 상기 가동자(120,220)의 중심에서 상기 하사점(BDC)까지의 제1스트로크의 길이가 줄어들게 된다. 또한, 상기 가동자(120,220)의 중심에서 상기 상사점(TDC)까지의 제2스크로크의 길이는 상기 제1스트로크의 길이와 동일하므로, 실제로 상기 가동자(120,220)의 운전 스크로크가 줄어들게 된다.
따라서, 압축과정에서, 압력에 의해 피스톤(30)이 하사점(BDC) 측으로 밀리는 거리를 보상해줄 필요가 있다.
본 발명의 경우, 제1왕복동모듈(100)의 가동자(120)와, 제2왕복동모듈(200)의 가동자(220)를 연결부재(300)로 연결하고, 그 길이를 조절하는 방식으로, 상기 가동자(120,220)의 중심과 고정자(110,210)에 부착된 마그네트(140,240)의 중심이 어긋나게 조절하거나, 가동자(120,220)를 구성하는 마그네트(121,221)의 중심과 고정자(110,210)의 중심이 어긋나게 조절할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 압축과정에서, 압력에 의해 피스톤(30) 및 가동자(120,220)가 하사점(BDC) 측으로 밀리는 거리를 보상해줄 수 있다.
일 예로, 고정자(110,210)를 고정시킨 상태에서, 연결부재(300)의 길이를 늘이면, 가동자(120,220)의 간격을 벌어지고, 상사점(TDC)과 인접한 가동자(120)가 상사점(TDC) 측으로 오프셋(offset) 된다. 따라서, 압축과정에서, 상기 가동자(120)의 중심이 상기 하사점(BDC) 측으로 밀리는 거리를 최소화할 수 있다.
그러면, 상기 가동자(120,220)의 운전 스트로크가 증가될 수 있고, 이에 따라, 압축 효율이 향상될 수 있다.
도 10a는 도 1에서 고정자와 가동자와 연결부재와 피스톤을 발췌하여 보인 도면이고, 도 10b는 도 10a에서 연결부재의 길이만 증가시킨 상태를 보인 도면이며, 도 10c는 도 10a에서 연결부재의 길이를 증가시키고, 이음부재의 길이를 축소시킨 상태를 보인 도면이다.
도 10c를 참조하면, 상기 제1,2가동자(120,220)를 연결하는 연결부재(300)의 길이(L1)가 α만큼 늘어나면, 상기 가동자(120,220)와 피스톤(30)을 연결하는 이음부재(70)의 길이(L2)를 α만큼 줄인다.
도 10a와 도 10b를 참조하면, 가동자(120,220)와 피스톤(30)을 연결하는 이음부재(70)의 길이(L2)를 유지하는 상태에서, 연결부재(300)의 길이(L1)를 α만큼 늘리면, 제1가동자(120)가 TDC측으로 α/2만큼 오프셋(offset)된다.
하지만, 제1가동자(120)와 반대로 제2가동자(220)는 BDC측으로 α/2만큼 오프셋(offset)되어, 결과적으로 제2가동자(220)와 이음부재(70)로 연결된 피스톤(30)은 BDC측으로 α/2만큼 오프셋(offset)되는 현상이 발생한다. 상기의 경우, 피스톤(300)의 운전 스트로크는 더 감소될 수 밖에 없다.
이와 같은 현상을 방지하기 위해서는, 상기 제1,2가동자(120,220)를 연결하는 연결부재(300)의 길이(L1)가 α만큼 늘어나면, 상기 이음부재(70)의 길이(L2)는 α만큼 줄여야 한다.
상세히, 도 10c에 도시한 바와 같이, 연결부재(300)의 길이(L1)를 α만큼 늘리면서, 가동자(120,220)와 피스톤(30)을 연결하는 이음부재(70)의 길이(L2)를 α만큼 줄이면, 제1가동자(120)가 TDC측으로 α/2만큼 오프셋(offset)되면서 제2가동자(220)는 BDC측으로 α/2만큼 오프셋(offset)되더라도, 제2가동자(220)와 연결된 피스톤(30)은 TDC측으로 α/2만큼 오프셋(offset)될 수 있다.
도시하고 있지 않지만, 상기 제1,2가동자(120,220)를 연결하는 연결부재(300)의 길이(L1)가 α만큼 늘어날 경우, 이음부재(70)의 길이 변화 없이, 상기 피스톤(30)의 길이를 α만큼 늘이는 방식으로, 제2가동자(220)와 연결된 피스톤(30)의 선단을 TDC측으로 α/2만큼 오프셋(offset)시킬 수도 있다.
따라서, 압축과정에서, 압력에 의해 피스톤(30) 및 가동자(120,220)가 하사점(BDC) 측으로 밀리는 거리의 보상이 이루어져, 상기 가동자(120,220)의 운전 스트로크 증가와 함께 피스톤(30)의 운전 스트로크도 함께 증가될 수 있으며, 이에 따라, 압축 효율이 향상될 수 있다.
100 : 제1왕복동모듈 110 : 제1고정자
120 : 제1가동자 200 : 제2왕복동모듈
210 : 제2고정자 220 : 제2가동자
300 : 연결부재 410,420 : 스페이서

Claims (16)

  1. 제1고정자와, 상기 제1고정자에 대해 왕복운동을 하는 제1가동자를 포함하는 제1왕복동모듈;
    상기 제1고정자와 축방향으로 나란하게 이격 배치된 제2고정자와, 상기 제2고정자에 대해 축방향으로 왕복운동을 하는 제2가동자를 포함하는 제2왕복동모듈; 및
    상기 제1가동자와 제2가동자의 마주보는 측면을 연결하는 연결부재를 포함하고,
    상기 제1가동자의 축방향 중심(C1)은 상기 제1고정자의 축방향 중심(C3)과 상기 축방향의 일측으로 제1길이만큼 어긋나게 배치되고,
    상기 제2가동자의 축방향 중심(C2)은 상기 제2고정자의 축방향 중심(C4)과 상기 축방향의 상기 일측과 반대되는 타측으로 제1길이만큼 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부재의 축 방향 길이는 변경 가능한 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연결부재는 상기 제1가동자 및 제2가동자와 탈착 가능하게 고정된 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1고정자는, 제1내측고정자와, 상기 제1내측고정자의 반경방향 외측으로 제1공극을 두고 배치되는 제1외측고정자를 포함하고,
    상기 제2고정자는, 상기 제1내측고정자와 축 방향으로 나란하게 이격 배치된 제2내측고정자와, 상기 제2내측고정자의 반경방향 외측으로 제2공극을 두고 배치되는 제2외측고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1가동자는 상기 제1공극에 배치되고, 상기 제2가동자는 상기 제2공극에 배치된 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1고정자 및 제2고정자에는 마그넷 코일이 권취된 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1고정자와 제2고정자는 서로 마주보는 측면이 스페이서로 연결된 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1고정자 및 제2고정자에는 각각 상기 제1가동자 및 제2가동자와 마주보는 면에 제1마그네트 및 제2마그네트가 부착되고,
    상기 제1고정자의 축방향 중심은 상기 제1마그네트의 축방향 중심을 의미하고, 상기 제2고정자의 축방향 중심은 상기 제2마그네트의 축방향 중심을 의미하는 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1가동자 및 제2가동자는 자성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1가동자 및 제2가동자는 각각 제3마그네트와 제4마그네트를 포함하고,
    상기 제1가동자의 축방향 중심은 상기 제3마그네트의 축방향 중심을 의미하고, 상기 제2가동자의 축방향 중심은 상기 제4마그네트의 축방향 중심을 의미하는 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제1마그네트 및 제2마그네트는 상기 제1가동자 및 제2가동자의 왕복방향으로 서로 다른 자극이 배열되는 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 제1고정자 및 제2고정자는,
    자로를 이루는 요크부 및 상기 요크부의 내측면에서 중심 방향으로 연장 형성된 티스부를 포함하며,
    상기 마그넷 코일은 상기 요크부 또는 티스부에 권취된 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제1고정자, 제1가동자, 제2고정자, 제2가동자 중 적어도 어느 하나는, 축방향의 단면의 적어도 일부가 호(arc) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡자속형 왕복동 모터.
  14. 내부공간을 갖는 케이스;
    상기 케이스의 내부공간에 배치되고, 가동자가 왕복운동을 하는 왕복동모터;
    상기 왕복동 모터의 가동자에 결합되어 함께 왕복운동하는 피스톤;
    상기 피스톤이 삽입되어 압축공간을 형성하는 실린더;
    상기 압축공간의 흡입측을 개폐하는 흡입밸브; 및
    상기 압축공간의 토출측을 개폐하는 토출밸브를 포함하고,
    상기 왕복동 모터는 제1항 내지 제13항 중 선택된 어느 한 항의 횡자속형 왕복동 모터로 이루어진 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 피스톤과 상기 왕복동모터의 가동자를 연결하는 이음부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1,2가동자를 연결하는 연결부재의 길이가 설정길이(α)만큼 늘어나면, 상기 이음부재의 길이는 설정길이(α)만큼 줄어드는 것을 특징으로 하는 왕복동식 압축기.
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